DE19729725A1 - Vorrichtung zum Austausch von Wärme - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Austausch von Wärme.

In der DE 43 25 193 Fig. 1 vom gleichen Erfinder ist ein Wärmetauscher gezeigt, der im Innern aus einer gedrillten Leitvorrichtung für das erste Medium und außen aus einem Mantelrohr für das zweite Medium besteht. Die genannte Leitvorrichtung (Wendel) ist jedoch nur mit hohem Kraftaufwand zu fertigen und die mögliche Anzahl der schraubenförmigen Umdrehungen (Drillungszahl) ist begrenzt. Die Wirkung der Wärmeübertragung kann sich stark verringern, da die Länge der Schraubenbahn (Übertragungslänge) begrenzt ist. Besonders bei größeren Breiten bzw. Durchmessern der Wendel kann die Wirkungsweise mangelhaft werden, da ein sehr hoher Kraftaufwand beim Drillen nötig ist und die Drillungszahl dadurch fertigungsbedingt sehr gering wird. Die Verformung der Leitvorrichtung (Wendel) kann dabei so groß werden, daß sie aus der Schraubenbahn ausbricht und dadurch unbrauchbar wird. Bei der Verwendung der Leitvorrichtung als Abgaswärmetauscher bei Motoren, ist die schalldämpfende Wirkung ebenfalls sehr gering.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Austausch von Wärme zwischen einem ersten und einem zweiten fließfähigen Medium so auszugestalten, daß sie die Nachteile des bekannten Standes der Technik vermeidet. Sie soll einen höheren Wirkungsgrad erreichen und eine schalldämpfende Wirkung haben.

Gelöst wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs.

Die erfinderische Leitvorrichtung läßt sich wie beim Stand der Technik beispielsweise aus einem handelsüblichen Flachstahl durch einfaches Verdrehen herstellen. Um nun den Wirkungsgrad der Leitvorrichtung gegenüber dem Stand der Technik zu erhöhen, werden an den Kanten der Leitvorrichtung vor dem Verdrehen Einschnitte angebracht. Diese Einschnitte verkleinern die wirksame Breite der Leitvorrichtung beim Verdrehen. Dadurch wird beim Verdrehen ein wesentlich geringerer Kraftaufwand nötig und die schraubenförmigen Umdrehungen (Drillzahl) erhöhen sich. Die Erhöhung der Drillzahl führt zu einer Erhöhung der wirksamen Länge der Schraubenbahn im Rohr. Die Verweilzeit des ersten Mediums im Wärmetauscher erhöht sich und somit kann die Wärme effektiver an das Innenrohr und damit an das zweite Medium abgegeben werden.

Da sich die Leitvorrichtung (Wendel) beim Verdrehen im Bereich der Einschnitte in einzelne segmentartige Körper (sog. Segmente) verformt, entsteht eine schraubenförmige Auffächerung der Außenkante der Leitvorrichtung im Bereich der Einschnitte.

Durch die aufgefächerten Segmente, die am Innenrohr anliegen, wird verhindert, daß sich eine laminare Strömung an der Wendel bildet. Durch die starken Turbulenzen, die im Bereich der Segmente entstehen, kann sich das Medium am Innenrohr besonders gut abkühlen und die Wärme kann über das Innenrohr an das zweite Medium im Außenmantel sehr gut abgegeben werden.

Die Einschnitte an der Wendel werden im Normalfall im 90 Grad Winkel angeordnet, so daß rechteckige Segmente entstehen.

Bringt man die Einschnitte an der Wendel jedoch nicht im 90 Grad Winkel zur Außenkante der Leitvorrichtung an, sondern variiert man den Winkel beispielsweise auf 30 Grad oder 45 Grad, so entstehen rautenförmige oder trapezförmige Segmente. Durch die unterschiedliche geometrische Anordnung der Segmente, kann der Wirkungsgrad des Wärmetauschers variiert werden.

Bei der Verwendung der Leitvorrichtung (Segmentwendel) als Abgaswärmetauscher bei Dieselmotoren, ergibt sich durch die entstehenden Turbulenzen an den Segmenten eine geringere Rußablagerung als bei Wendeln ohne Segmente. Dies hat einen selbstreinigenden Effekt zur Folge. Die Wartungsintervalle können somit verlängert werden.

Bei der Verwendung der Leitvorrichtung als Abgaswärmetauscher für Motore, ergibt sich durch die Turbulenzen an den Segmenten eine schalldämpfende Wirkung. Der normalerweise nachgeschaltete Abgasschalldämpfer kann unter Umständen verkleinert werden.

Um für Wartungs- und Reinigungsarbeiten die Leitvorrichtung leicht ausbringen zu können, ist wenigstens eine Revisionsöffnung in axialer Richtung vorgesehen. Dadurch, daß die Außenkanten der Leitvorrichtung mit den Segmenten an der Innenfläche des rohrförmigen Körpers anliegen, wird diese Innenfläche beim Herausziehen der Leitvorrichtung gereinigt. Eventuell anhaftende Rußpartikel bei der Verwendung als Abgaswärmetauscher werden ebenfalls abgestreift. Um bei Reinigungsarbeiten die Wendel leichter bewegen zu können, ist am Ende der Wendel ein Loch vorzusehen, in das man ein Werkzeug (Haken) einhängen kann und so die Wendel leicht herausziehen und wieder einführen kann. Durch mehrfach es Hin- und Herschieben der Wendel, wird das Innenrohr des Wärmetauschers durch die Segmente sehr gut gereinigt und somit kann die Wärme beim weiteren Betrieb des Wärmetauschers wieder voll übertragen werden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die nachfolgend anhand der Zeichnungen eingehend erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung und

Fig. 2 einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung nach Fig. 1.

Das Innenrohr 1 ist auf einer Seite mit dem Einlaufstutzen 5 und auf der Anderen Seite mit dem seitlich sitzenden Auslaufstutzen 3 verbunden. Die Öffnung 8 ist in axialer Richtung zum Innenrohr 1 angeordnet und weist einen Verschluß 4 auf. Das Innenrohr 1 ist mit dem Mantelrohr 6 verbunden und weist einen gemeinsamen Hohlraum 7 auf.

Das Mantelrohr 6 kann, wie in Fig. 2 dargestellt, wahlweise mit einem radialen oder einen rechteckigen bzw. quadratischen Querschnitt (6 bzw. 9) gefertigtwerden. Die Wahl des Querschnitts hat jedoch praktisch keinen Einfluß auf die Wirkungsweise des Wärmetauschers.

Das Mantelrohr 6 weist einen radialen Einlaufstutzen 11 und einen radialen Auslaufstutzen 10 auf. Die Ein- und Auslaufstutzen 11 und 10 des Mantelrohres 6 sind so angeordnet, daß ein durch das Innenrohr 1 geleitetes Abgas eines Verbrennungsmotors in entgegengesetzter Richtung zu einer durch den Hohlraum 7 geleiteten Flüssigkeit strömt. Innerhalb des Innenrohres 1 ist ein wendelartig gedrehtes, als Leitvorrichtung 15 dienendes Stahlband vorgesehen, dessen äußere Längskanten an der Innenfläche des Rohres 1 anliegen. Quer zur Strömungsrichtung des Abgases sind an der Kante des Stahlbandes Einschnitte 12 angebracht. Diese Einschnitte 12 unterteilen den äußeren Bereich des Stahlbandes in einzelne turbulenzerzeugende Segmente 13, die mit dem Stahlband verbunden bleiben.

Wird nun ein heißes Abgas eines Verbrennungsmotors durch den Einlaufstutzen 5 in das Rohr 1 eingeleitet, so wird es über die Wendel 15 mit einem schraubenförmigen Drall beaufschlagt, der es immer wieder in Kontakt mit der Rohrwand 1 bringt und so einen guten Wärmeübergang gewährleistet. Um zu verhindern, daß sich eine laminare Strömung ausbildet, sind die Einschnitte 12 und die turbulenzerzeugenden Segmente 13 vorgesehen, die für eine stetige Verwirbelung des Abgases im äußeren Bereich der Wendel 15 sorgen. Die Geschwindigkeit des Abgases wird im Bereich der Segmente 13 sehr stark erhöht und stark turbulent. Dadurch erhöht sich der Wärmeübergang zum Innenrohr 1 und der Wirkungsgrad des Wärmetauschers steigt. Die von dem Abgas abgegebene Wärme geht in die Wand des Rohres 1 und wird dann über das fließende Medium im Hohlraum 7 abgeführt.

Ist es nach längerem Gebrauch in dem Rohr 1 zu Ruß- oder Schmutzablagerungen gekommen, kann der Wärmetauscher auf einfache Weise gereinigt werden. Hierzu wird der Verschluß 4 entfernt und die Wendel 15 kann durch die entstehende Öffnung 8 herausgezogen werden. Zur Erleichterung ist ein Loch 2 vorgesehen, in das ein entsprechendes Werkzeug eingehakt werden kann. Beim Herausziehen der Wendel 15, kratzen die eng an der Innenwand des Rohres 1 anliegenden Segmente 13 die Ruß- oder Schmutzablagerungen ab und befördern diese durch die axiale Öffnung 8 nach außen. Durch mehrfaches Hin- und Herschieben der Wendel 15, wird praktisch jeglicher Schmutz entfernt, so daß der Wirkungsgrad eines neuen Wärmetauschers wieder erreicht wird. Durch die Wirkungsweise der turbulenzerzeugenden Segmente 13 und der hohen Strömungsgeschwindigkeit der Abgase im Bereich der Segmente 13, setzt sich weniger oder gar kein Schmutz oder Ruß am Innenrohr 1 ab und der Wärmetauscher muß weniger oft gereinigt werden.

Wird nach der Fertigung der Wendel 15 festgestellt, daß der Wirkungsgrad des Wärmetauschers zu gering ist, kann durch stärkeres Verdrillen der Wendel 15 eine Steigerung des Wirkungsgrades erreicht werden. Hierbei wird der wirksame schraubenförmige Weg des Abgases durch den Wärmetauscher länger und die Verweilzeit des Abgases an den Segmenten 13 erhöht sich. Wird nach der Fertigung der Wendel 15 festgestellt, daß der Wirkungsgrad des Wärmetauschers zu hoch ist, kann durch geringeres Verdrillen der Wendel 15 eine Verminderung des Wirkungsgrades erreicht werden. Hierbei wird der wirksame schraubenförmige Weg durch den Wärmetauscher kürzer und die Verweilzeit des Abgases an den Segmenten 13 vermindert sich. Die genannte Veränderung (Modulation) des Wirkungsgrades des Wärmetauschers kann noch gesteigert werden. Beispielsweise können die Einschnitte 12 zwischen den Segmenten 13 tiefer oder weniger tief angebracht werden. Dadurch ändert sich die wirksame Breite der Wendel 15 und der Kraftaufwand beim Verdrehen wird geringer oder größer. Die Drillungszahl wird dadurch wiederum größer oder geringer. Ein guter Erfahrungswert in der Praxis ergibt sich bei einer Gesamttiefe der beidseitigen Einschnitte 12 von ca. 40% bezogen auf die gesamte Breite der Wendel 15. Lediglich 60% des Materials müssen hierbei beim Drillen verformt werden.

Durch die entstehenden Turbulenzen an den Segmenten 13, ergibt sich eine schalldämpfende Wirkung des Wärmetauschers. Ein nachgeschalteter Schalldämpfer kann unter Umsänden reduziert werden.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Austausch von Wärme von einem ersten fließfähigen Medium zu einem zweiten fließfähigen Medium mit einem rohrförmigen Körper 1, der in seinem Innern eine Leitvorrichtung 15 für das erste fließfähige Medium und sowohl einen Einlauf 5 als auch einen Auslauf 3 dafür aufweist und mit einer Ummantelung 6, die mit dem rohrförmigen Körper 1 einen Hohlraum 7 bildet und sowohl einen Einlaß 11 als auch einen Auslaß 10 für das zweite fließfähige Medium aufweist, wobei der rohrförmige Körper 1 eine verschließbare Öffnung 8 aufweist, durch die die Leitvorrichtung 15 herausziehbar ist und wobei die Leitvorrichtung 15 aus einem langgezogenen Metall- oder Kunststoffband besteht, welches wendelartig über seine Längsmittelachse gedreht ist und mit seinen regelmäßig angebrachten Einschnitten 12 und Segmenten 13 so an der Innenfläche des rohrförmigen Körpers 1 anliegt, daß beim Herausziehen der Leitvorrichtung 15 durch die verschließbare Öffnung 8 Ablagerungen von den der Innenwand des rohrförmigen Körpers 1 durch die Segmente 13 abgekratzt und durch die Öffnung 8 nach außen befördert werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der an der Außenkante der Leitvorrichtung 15 Einschnitte 12 angebracht sind, die in unregelmäßigen Abständen angebracht sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der an der Außenkante der Leitvorrichtung 15 Einschnitte 12 angebracht sind, die verschieden tief ausgeführt werden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der an der Außenkante der Leitvorrichtung 15 Einschnitte 12 angebracht sind, die verschieden breit ausgeführt werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Einschnitte 12 in verschiedenen Abständen angeordnet werden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Einschnitte 12 in unterschiedlichen Winkeln zur Außenkante der Leitvorrichtung 15 angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der durch die Einschnitte 12, turbulenzerzeugende Segmente 13 entstehen, die verschieden groß ausgeführt werden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der durch die in unterschiedlichen Winkeln angeordneten Einschnitte 12 Segmente 13 entstehen, die wiederum in den entsprechenden unterschiedlichen Winkeln angeordnet sind.