DE19729725A1 - Heat-exchanger between flowing media - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Austausch von Wärme.The invention relates to a device for exchanging heat.
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.DE 43 25 193 Fig. 1 by the same inventor shows a heat exchanger which consists on the inside of a twisted guide device for the first medium and on the outside of a jacket tube for the second medium. However, the mentioned guiding device (helix) can only be produced with great effort and the possible number of helical revolutions (number of twists) is limited. The effect of heat transfer can be greatly reduced because the length of the screw path (transmission length) is limited. The mode of operation can be inadequate, particularly in the case of larger widths or diameters of the helix, since a very high expenditure of force is required when drilling and the number of drillings is therefore very low due to the production. The deformation of the guide device (helix) can be so great that it breaks out of the screw path and is therefore unusable. When using the guide device as an exhaust gas heat exchanger in engines, the sound-absorbing effect is also very low.
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.It is therefore the object of the invention to provide a device for exchanging heat between a first and a second flowable medium that it avoids the disadvantages of the known prior art. It should one achieve higher efficiency and have a sound absorbing effect.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs.The task is solved by a device with the features of Main claim.
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.The inventive guide device can be as in the prior art for example, from a standard flat steel by simply twisting produce. To now the efficiency of the guide device compared to the state of the Technique increase will be on the edges of the guide device before twisting Incisions made. These cuts reduce the effective width of the Guide device when twisting. This makes it essential when twisting less effort required and the helical revolutions (number of drill) increase. The increase in the drill number leads to an increase in the effective Length of the screw path in the pipe. The dwell time of the first medium in the Heat exchanger increases and thus the heat can be more effectively at the inner tube and thus be delivered to the second medium.
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.Since the guide device (helix) is twisted in the area of the incisions in deformed individual segment-like bodies (so-called segments), a helical fanning out of the outer edge of the guide device in the area of Incisions.
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.The fanned out segments that lie against the inner tube prevent that a laminar flow forms on the helix. Because of the strong The medium can cause turbulence in the area of the segments Cool the inner tube particularly well and the heat can be transferred to the inner tube second medium in the outer jacket can be given off very well.
Die Einschnitte an der Wendel werden im Normalfall im 90 Grad Winkel angeordnet, so daß rechteckige Segmente entstehen.The incisions on the helix are normally arranged at an angle of 90 degrees, so that rectangular segments are created.
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.However, you do not bring the incisions on the helix at an angle of 90 degrees Outside edge of the guide device, but you vary the angle for example to 30 degrees or 45 degrees, this creates diamond-shaped or trapezoidal Segments. Due to the different geometric arrangement of the segments, the efficiency of the heat exchanger can be varied.
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.When using the guide device (segment coil) as an exhaust gas heat exchanger in the case of diesel engines, results from the turbulence that arises at the Segments have less soot build-up than with spirals without segments. This has a self-cleaning effect. The maintenance intervals can thus be extended.
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.When using the guide device as an exhaust gas heat exchanger for engines, results due to the turbulence on the segments, a sound-absorbing effect. Of the Exhaust silencers, which are normally connected downstream, can possibly be be made smaller.
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.In order to easily deploy the guide device for maintenance and cleaning work can, at least one inspection opening is provided in the axial direction. The fact that the outer edges of the guide device with the segments on the Bearing inner surface of the tubular body, this inner surface is at Pulling out the guide device cleaned. Possibly adhering soot particles use as an exhaust gas heat exchanger are also stripped. To at Cleaning work to move the helix more easily is at the end of the day Spiral to provide a hole in which you can hang a tool (hook) and so can easily pull out the helix and reinsert it. By several times it pushes the helix back and forth, the inner tube of the Heat exchanger cleaned very well by the segments and thus the heat can fully transferred again when the heat exchanger continues to operate.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die nachfolgend anhand der Zeichnungen eingehend erläutert werden. Es zeigtFurther details of the invention emerge from the subclaims and the description of exemplary embodiments, which are based on the Drawings are explained in detail. It shows
Fig. 1 einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung und Fig. 1 shows a longitudinal section through the device according to the invention and
Fig. 2 einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung nach Fig. 1. Fig. 2 shows a cross section through the inventive device of 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.The inner tube 1 is connected on one side to the inlet nozzle 5 and on the other side to the outlet nozzle 3 located on the side. The opening 8 is arranged in the axial direction of the inner tube 1 and has a closure 4 . The inner tube 1 is connected to the jacket tube 6 and has a common cavity 7 .
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.The casing tube 6 can, as shown in Fig. 2, optionally be made with a radial or a rectangular or square cross-section ( 6 or 9 ). However, the choice of cross-section has practically no influence on the mode of operation of the heat exchanger.
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.The casing tube 6 has a radial inlet connector 11 and a radial outlet connector 10 . The inlet and outlet ports 11 and 10 of the casing tube 6 are arranged such that an exhaust gas of an internal combustion engine passed through the inner tube 1 flows in the opposite direction to a liquid passed through the cavity 7 . Provided within the inner tube 1 is a helically turned steel band serving as a guide device 15 , the outer longitudinal edges of which abut the inner surface of the tube 1 . Incisions 12 are made at the edge of the steel strip transversely to the direction of flow of the exhaust gas. These cuts 12 divide the outer region of the steel strip into individual turbulence-generating segments 13 which remain connected to the steel strip.
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.If a hot exhaust gas from an internal combustion engine is now introduced into the pipe 1 through the inlet connection 5 , it is acted upon by the helix 15 with a helical swirl which brings it into contact with the pipe wall 1 again and again and thus ensures good heat transfer. In order to prevent a laminar flow from forming, the incisions 12 and the turbulence-generating segments 13 are provided, which ensure a constant swirling of the exhaust gas in the outer region of the coil 15 . The speed of the exhaust gas is increased very strongly in the region of the segments 13 and is very turbulent. This increases the heat transfer to the inner tube 1 and increases the efficiency of the heat exchanger. The heat given off by the exhaust gas goes into the wall of the tube 1 and is then dissipated via the flowing medium in the cavity 7 .
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.If there is soot or dirt deposits in the pipe 1 after a long period of use, the heat exchanger can be cleaned in a simple manner. For this purpose, the closure 4 is removed and the helix 15 can be pulled out through the opening 8 that is created. To make it easier, a hole 2 is provided, into which a corresponding tool can be hooked. When the helix 15 is pulled out, the segments 13, which lie closely against the inner wall of the tube 1 , scrape off the soot or dirt deposits and convey them through the axial opening 8 to the outside. By repeatedly pushing the coil 15 back and forth, practically any dirt is removed, so that the efficiency of a new heat exchanger is achieved again. Due to the mode of action of the turbulence-generating segments 13 and the high flow velocity of the exhaust gases in the region of the segments 13 , less or no dirt or soot settles on the inner tube 1 and the heat exchanger does not have to be cleaned as often.
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.If, after the manufacture of the helix 15, it is found that the efficiency of the heat exchanger is too low, the efficiency can be increased by twisting the helix 15 more strongly. The effective helical path of the exhaust gas through the heat exchanger becomes longer and the residence time of the exhaust gas at the segments 13 increases. If, after the manufacture of the helix 15, it is found that the efficiency of the heat exchanger is too high, the efficiency can be reduced by twisting the helix 15 to a lesser extent. The effective helical path through the heat exchanger is shorter and the residence time of the exhaust gas at the segments 13 is reduced. The aforementioned change (modulation) of the efficiency of the heat exchanger can be increased. For example, the incisions 12 between the segments 13 can be made deeper or less deep. As a result, the effective width of the helix 15 changes and the amount of force when twisting is less or greater. This in turn increases or decreases the number of drillings. A good empirical value in practice results from a total depth of the cuts 12 on both sides of approximately 40% based on the entire width of the helix 15 . Only 60% of the material has to be deformed when drilling.
Durch die entstehenden Turbulenzen an den Segmenten 13, ergibt sich eine schalldämpfende Wirkung des Wärmetauschers. Ein nachgeschalteter Schalldämpfer kann unter Umsänden reduziert werden.The resulting turbulence on the segments 13 results in a sound-absorbing effect on the heat exchanger. A downstream silencer can be reduced under circumstances.
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