Wärmeaustauscher mit mehreren Rohrbündeln

Abstract

 Bei einem Wärmeaustauscher mit einem von Heisswasser durchströmten Rohrbündel (5) und einem von Kaltwasser durchströmten Rohrbündel (2), wie er beispielsweise als Ladeluftkühler für einen aufgeladenen Verbrennungsmotor Anwendung findet, ist jeweils einer der beiden Rohrböden (10', 11') eines Bündels (2, 5) im gegenüberliegenden Rohrboden (11, 10) des anderen Bündels (5, 2) in einer Aussparung (15, 16) beweglich gelagert.

Beschreibung

[0001] Wärmeaustauscher mit mindestens zwei Rohrbündeln, deren Rohre von einem flüssigen Wärmeträger durchströmt sind und von einem gasförmigen Wärmeträger im Kreuzgegenstrom umströmt sind, wobei die Rohrenden beidseitig in von Flüssigkeitskammern begrenzten Rohrböden angeordnet sind, und wobei der flüssige Wärmeträger den mindestens zwei Rohrbündeln mit unterschiedlichem Temperaturniveau zugeführt wird.

[0002] Derartige Wärmeaustauscher werden beispielsweise als Ladeluftkühler für aufgeladene Verbrennungsmotoren angewendet. Handelt es sich hierbei um Dieselmotoren für beispielsweise Schiffantriebe, so wird als flüssiger Wärmeträger - hier als Kühlmittel - in der Regel Seewasser oder Flusswasser verwendet. Im Sinne einer optimalen Energieausbeutung bestehen Motorenbetreiber des öfteren auf der zusätzlichen Verwendung von vorhandenem Heisswasser als Kühlmittel. Der Ladeluftkühler arbeitet dann in solchen Fällen mit zwei getrennten Kreisläufen, und zwar in der Regel mit einem Heisswasserkreislauf und einem Kaltwasserkreislauf. Derartige Apparate können von denselben Betreibern auch dazu benutzt werden, beim Anfahren des Motors die Luft vorzuwärmen; dabei ist dann lediglich der Heisswasserkreislauf in Betrieb. In ein und demselben Apparat treten somit unterschiedliche Wärmedehnungen auf, zu deren Beherrschung besondere Massnahmen zu treffen sind.

[0003] Der im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 definierten Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Wärmetauschern der eingangs genannten Art, die mit flüssigen Wärmeträgern verschiedener Temperatur arbeiten, thermodynamisch bedingte Rohrspannungen mit einfachen Mitteln und mit Sicherheit zu vermeiden.

[0004] In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.

[0005] Es zeigen:

Fig. 1 schematisch einen Schnitt durch einen Wärmeaustauscher in eingebautem Zustand;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Wärmeaustauschers in seinen Einzelteilen;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht des gleichen Wärmeaustauschers in zusammengebautem Zustand.

[0006] In den Figuren sind jeweils gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen. Erfindungsunwesentliche Teile wie beispielsweise die Verschraubungen und die Anschlussleitungen für die flüssigen Wärmeträger sind fortgelassen. Die Strömungsrichtung der Wärmeträger ist mit Pfeilen bezeichnet.

[0007] Der Wärmeaustauscher nach Fig. 1 ist ein Ladeluftkühler in seiner einfachsten Form, wie er bei aufgeladenen Verbrennungsmotoren Verwendung findet. Der flüssige Wärmeträger, im vorliegenden Fall Wasser als Kühlmittel, wird in einem Heisswasserkreis und hiervon getrennt in einem Kaltwasserkreis geführt. Das Kaltwasser gelangt in Pfeilrichtung in die Wasserkammer 1', durchströmt unter Wärmeaufnahme die Rohre 2' des Bündels 2, wird im Wasserraum 3' mittels einer nicht gezeigten Leitvorrichtung umgelenkt, durchströmt die Rohre 2" des gleichen Bündels 2 im Gegenstrom unter weiterer Wärmeaufnahme und verlässt den Kühler in Pfeilrichtung über die Wasserkammer 1".

[0008] Das Heisswasser, das zwischen 60 und 120° C Temperatur haben kann, wird an der gleichen Kühlerseite wie das Kaltwasser eingeführt und durchströmt auch einen gleichen Kreislauf, wobei die durchströmten Elemente hiermit Wasserkammer 4', 4", Rohre 5', 5" des Bündels 5 und Wasserraum 6 bezeichnet sind.

[0009] Der gasförmige Wärmeträger, hier die heisse, verdichtete Luft, beaufschlagt den Kühler über die Zuluftleitung 7 und verlässt ihn über die Abluftleitung 8. Die Rohrbündel 2, 5 werden hierbei im Kreuzstrom umströmt. Beim Durchgang durch den Kühler wird die abzukühlende Luft durch Strömungskanäle geleitet, die durch eng beieinander angeordnete Rippen 9 gebildet sind. Letztere sind der besseren Uebersichtlichkeit wegen nur teilweise dargestellt und können sowohl durchgehende Plattenrippen sein, die von allen Rohren eines Bündels durchquert sind oder auch an den einzelnen Rohren angeordnete Ringbleche.

[0010] Zweckmässigerweise wird die Kreuzgegenstrombeaufschlagung des Kühlers wie dargestellt gewählt, d.h. die heisse Luft umströmt zunächst jene Rohre 5", in denen das Kühlwasser die höchste Temperatur aufweist, und mit fortschreitender Abkühlung werden zunehmend kältere Rohre 5' → 2" → 2' umströmt.

[0011] Wie aus Fig. 3 ersichtlich, sieht die Kühlerkonstruktion vor, dass die strömungsbegrenzenden Seitenwände 12, 13 direkt mit den Rohrböden 10, 11 zu einem Kasten verschraubt werden, wodurch auf einen gesonderten Tragrahmen verzichtet werden kann. Zuluft- und Abluftleitungen 7, 8 werden ringsum mit den an den Stirnflächen der Rohrböden 10, 11 und Seitenwände 12, 13 lediglich angedeuteten Verschraubungen 14 befestigt.

[0012] Die beiden Rohrbündel werden während des Kühlerbetriebes thermodynamisch unterschiedlich belastet. Das Bündel 5 wird sowohl mit Heissluft als auch mit Heisswasser beaufschlagt, während das Bündel 2 vom Kaltwasser durchströmt und von vorgekühlter Luft umströmt wird. Die Längsdehnungen beider Bündel weichen somit stark voneinander ab.

[0013] Einerseits ist der Rohrbodenabstand durch die Breite der fest eingespannten, ebenfalls Wärmedehnungen unterworfenen Seitenwände vorgegeben; andererseits soll das Prinzip beibehalten werden, dass Seitenwände 12, 13 und Luftleitungen 7, 8 an ein und derselben Anschlussplatte, hier Rohrboden 10 resp. 11 zu befestigen sind.

[0014] Bei starr eingespannten Rohren würde das "heisse" Rohrbündel 5 einer zu grossen Druckbelastung unterliegen, das "kalte" Rohrbündel 2 würde hingegen unzulässig stark auf Zug beansprucht werden.

[0015] Hier schafft nun die Erfindung Abhilfe trotz Beibehaltung des Prinzips von starr eingespannten Rohrböden. Zu diesem Zweck sind die Rohrenden eines jeden Bündels 2 resp. 5 auf einer Seite in den eine tragende Funktion ausübenden Rohrböden 10 resp. 11 eingewalzt, während sie auf der anderen Seite in Rohrböden 10' resp. 11' angeordnet sind, die keinen Einfluss auf das Festigkeitsgefüge des Kühlers ausüben.

[0016] In der Fig. 2 sind die letztgenannten "beweglichen" Rohrböden 10', 11' erkennbar, welche derart dimensioniert sind, dass ausreichend Platz für die Verschraubung der Wasserkammerdeckel 1, 6 vorhanden ist (Fig. 3).

[0017] Um die Erstreckung des Kühlers in Rohrrichtung nicht über jene eines Wärmetauschers mit beidseitig starren Bündeln zu gestalten, sind in den tragenden Rohrböden 10, 11 entsprechend bemessene Aussparungen 15, 16 für die Aufnahme, Führung und Lagerung der beweglichen Rohrböden 10', 11' vorgesehen (Fig. 2).

[0018] Die Bestimmung der Rohrlängen beider Bündel kann unter Berücksichtigung der später auftretenden Dehnungen derart vorgenommen werden, dass während des Kühlerbetriebes die dem Luftkanal zugekehrten Seiten der Rohrböden 10, 11' bzw. 10', 11 miteinander fluchten und somit strömungsgünstige glatte Wandflächen bilden.

[0019] Verzichtet man auf derart unterschiedliche Rohrlängen, was Funktionsfähigkeit des Erfindungsgegenstandes nicht beeinträchtigt, so ist aus Fig. 2 und 3 erkennbar, dass der Kühler aus zwei gleichen Elementen (1, 10', 2, 11, 3, bzw. 4, 10, 5, 11', 6) besteht, die lediglich ineinander geschoben werden und mit den Seitenwänden 12, 13 und Luftleitungen 7, 8 zu verschrauben sind.

[0020] Um ein Entweichen der Druckluft aus dem Kühler zu verhindern, werden die beweglichen Rohrböden 10', 11' in ihren Aussparungen 15, 16 gasdicht geführt. Hierzu werden in die Stirnflächen der Rohrböden Nuten eingearbeitet, in die Dichtmittel, beispielsweise Rundschnüre 17 eingelegt werden.

[0021] Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das dargestellte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. In Abweichung hierzu könnte auch eine Mehrflussanordnung, beispielsweise drei oder vier luftseitig hintereinander geschaltete Rohrbündel nach der angegebenen Lehre ausgeführt werden. Auch die Kreuzgegenstromführung der Wärmeträger und die gleichseitige Kühlmittelzu und -abfuhr ist nicht zwingend. Desgleichen konnte der Apparat statt als Kuhler genauso gut als Vorwärmer für ein gasförmiges Arbeitsmittel wirken. Hierzu braucht nur der Kaltwasserkreis ausser Betrieb zu sein.

Ansprüche

1. Wärmeaustauscher mit mindestens zwei Rohrbündeln, deren Rohre von einem flüssigen Wärmeträger durchströmt sind und von einem gasförmigen Wärmeträger im Kreuzgegenstrom umströmt sind, wobei die Rohrenden beidseitig in von Flüssigkeitskammern begrenzten Rohrböden angeordnet sind und wobei der flüssige Wärmeträger den mindestens zwei Rohrbündeln mit unterschiedlichem Temperaturniveau zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils der Rohrboden (10', 11') des einen Bündels (2, 5) in einer Aussparung (15, 16) des Rohrbodens (10, 11) des anderen Bündels (5, 2) wärmebeweglich angeordnet ist.

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmebeweglich angeordneten Rohrböden (10', 11') beider Bündel (2, 5) mit aufschraubbaren Deckeln (1, 6) versehen sind, welche durch die Aussparungen (15, 16) durchsteckbar sind.

3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmebeweglich angeordneten Rohrböden (10', 11') beider Bündel (2, 5) in ihren jeweiligen Aussparungen (15, 16) gasdicht geführt sind.

Zeichnung