[0001] Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zum Wärmeübertrag zwischen zwei getrennten
Medien.
[0002] Wärmetauscher finden in der Technik vielfach Einsatz, um zwischen zwei Medien einen
Wärmeübertrag zu realisieren. So werden mit Wärmetauschern zu bearbeitende Medien
entweder erwärmt oder abgekühlt.
[0003] Ein Einsatzbereich für Wärmetauscher ist das Abkühlen heißer Gase. So werden bspw.
im Bereich von Verbrennungskraftmaschinen aus den Brennkammern Abgase bei Temperaturen
von 1000° C und mehr ausgestoßen. In einigen Fällen ist es wünschenswert, diese heißen
Gase auf Temperaturen von 50° C und weniger abzukühlen. Hier werden typischerweise
Wärmetauscher eingesetzt. In bestimmten Situationen, in denen der Raum beengt ist
oder aber in denen es aus anderen Gründen erforderlich ist, den Austausch von Wärme
auf einer möglichst kurzen Strecke zu realisieren, sind Wärmetauscher von kleiner
bzw. kurzer Bauart erwünscht.
[0004] Aus dem Stand der Technik sind keine Wärmetauscher bekannt, die sich insbesondere
eignen, auf kürzester Distanz einen hohen Temperaturgradienten zu erzeugen (z.B. Abkühlen
von Heißgasen von einer Eintrittstemperatur von 1000° C und mehr zu einer Austrittstemperatur
von unterhalb 80° C, vorzugsweise unterhalb 50° C auf einer Baulänge von etwa 30 cm).
[0005] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Wärmetauscher anzugeben, der bei kompakter
Bauweise eine hohe Wärmeübertragungseffizienz erreichen lässt.
[0006] Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Wärmetauscher mit den Merkmalen des Anspruchs
1. Weitere vorteilhafte konstruktive Ausgestaltungen des Wärmetauschers sind in den
Ansprüchen 2 bis 7 angegeben. In Anspruch 8 ist eine bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen
Wärmetauschers genannt, die jedoch nicht eine ausschließlich mögliche Verwendung darstellt.
[0007] Der erfindungsgemäße Wärmetauscher zeichnet sich aus durch ein innerhalb eines Mantelrohres
liegendes Innenrohr, welches einseitig verschlossen ist. Das verschlossene Ende des
Innenrohres liegt auf der Einlassseite des Mantelrohres, in welches bspw. abzukühlende
Heißgase oder andere heiße Medien einströmen. Ein Kühlmittel wird zunächst in das
Innenrohr geführt und kühlt sowohl auf der verschlossenen Stirnseite als auch an der
Rohrwand das vorbei strömende, zu kühlende Medium. Aus dem Innenrohr tritt das Kühlmedium
dann über in eine um das Innenrohr gewundene Spiralleitung und führt auch dort zu
einem weiteren Kühleffekt, ehe es den Wärmetauscher verlässt.
[0008] Auf diese Weise wird zunächst eine gegenüber herkömmlichen Wärmetauschern deutlich
vergrößerte Kontaktoberfläche geschaffen, an der getrennt über die Wände des Innenrohres
bzw. der Spiralleitung ein Kontakt zwischen dem Kühlmedium und dem abzukühlenden Medium
stattfindet. Zudem bewirkt diese konstruktive Ausgestaltung, bei der das abzukühlende
Medium zunächst gegen das einseitig verschlossene Ende des Innenrohres anströmt und
dann an dem Innenrohr seitlich vorbei entlang der gewundenen Spiralleitungen strömt,
eine Verwirbelung des abzukühlenden Mediums, wobei dieses Medium in Wirbeln teilweise
auch gegen den eigentlichen Hauptstrom läuft. Dadurch ergibt sich eine besonders lange
Verweildauer bzw. ein langer Migrationsweg des abzukühlenden Mediums in dem Wärmetauscher,
so dass sich auf einer kurzen Baustrecke des Wärmetauschers ein inniger Kontakt zwischen
dem abzukühlenden Medium und den von dem Medium durchströmten Elementen Innenrohr
und Spiralleitung ergibt. Diese Tatsache führt schließlich dazu, dass auf einer kurzen
Längserstreckung des Wärmetauschers eine beachtliche Kühlung erreicht werden kann.
[0009] Selbstverständlich eignet sich der erfindungsgemäße Wärmetauscher aber auch, um umgekehrt
ein kühles, in das Mantelrohr einströmendes Medium mit Hilfe eines in den "Kühlmittel-"
Zulauf einströmenden Erwärmungsmediums zu erwärmen. Insoweit sind die Begriffe "Kühlmitteleinlass",
"Kühlmittelauslass" und "Kühlmittelablauf" nicht auf ein Kühlmittel beschränkt aufzufassen,
sondern sie können ebenso gut für ein Medium genutzt werden, welches zum Erwärmen
eines durch das Mantelrohr strömenden Mediums genutzt werden, mithin eines "Wärmmittels".
[0010] Ein gemäß Anspruch 2 vorzusehendes Auslassrohr im Innen des Innenrohres hat den Vorteil,
dass das in das Innenrohr einströmende Kühlmittel sich in dem gesamten Innenrohr verteilen
muss, bevor es durch das Auslassrohr in die Spiralleitung übergehen kann. Auf diese
Weise wird der an der Wandung des Innenrohrs erzielte Kühleffekt verstärkt, was zu
einer insgesamt besseren Kühlleistung bzw. Wärmeübertragsleistung des Wärmetauschers
führt. Ähnliche Überlegungen gelten selbstverständlich bei einem Betrieb des Wärmetauschers
zum Erwärmen eines Mediums.
[0011] Die Ausbildung der verschlossenen Seite des Innenrohres als Prallplatte führt zu
einer bereits an dieser Geometrie auftretenden ersten Verwirbelung des einströmenden
Mediums, welche insgesamt zu der langen Verweildauer des einströmenden Mediums in
dem Wärmetauscher und damit erzielten effizienten hohen Wärmetauschereffizienz des
Wärmetauschers beiträgt.
[0012] Ebenfalls zu einer hohen Wärmetauschereffizienz trägt die gemäß Anspruch 4 vorgesehene
Weiterbildung bei, dass die Spiralleitung wenigstens entlang der gesamten Länge des
Innenrohres dieses umgebend geführt ist. Vorzugsweise sind die einzelnen Windungen
der Spiralleitung dabei eng gewickelt, ohne sich jedoch zu berühren. Zwischen den
einzelnen Windungen der Spiralleitung muss ein Abstand verbleiben, damit auch dort
ein Kontakt zwischen dem abzukühlenden bzw. zu erwärmenden Medium und der Oberfläche
der von dem Kühlmittel bzw. Wärmmittel durchströmten Spiralleitung stattfinden kann.
[0013] Eine Ausbildung, wie sie in Anspruch 5 angegeben ist, wonach die Spiralleitung mit
radialem Abstand zu der Wand des Innenrohres und zu der Wand des Mantelrohres angeordnet
ist, unterstützt die gewünschte Verwirbelung des durch das Mantelrohr strömenden Mediums
und die damit einhergehende erhöhte Wärmetauscheffizienz. Dabei hat sich herausgestellt,
dass ein radialer Abstand der Spiralleitung zu der Wand des Innenrohres, der in etwa
gleich dem radialen Abstand der Spiralleitung zu der Wand des Mantelrohres ist, besonders
gute Ergebnisse zeigt (Anspruch 6).
[0014] Gemäß Anspruch 7 ist es schließlich von Vorteil, wenn zumindest die Spiralleitung
des Wärmetauschers aus einem Material mit guten Wärmeleiteigenschaften besteht. Hierbei
wird vorzugsweise Kupfer eingesetzt, jedoch sind auch andere Materialien mit guten
Wärmeleiteigenschaften denkbar, wie bspw. Silber.
[0015] Bevorzugt wird der erfindungsgemäße Wärmetauscher eingesetzt, um Verbrennungsabgase
aus Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Verbrennungsabgasen aus Kraftfahrzeugmotoren
abzukühlen. Gerade in Kraftfahrzeugmotoren bzw. im Abgassystem von Kraftfahrzeugmotoren
muss ein solcher Wärmetauscher einerseits eine hohe Kühlleistung aufbringen, um die
mit etwa 1000° C und mehr aus dem Verbrennungsraum austretenden, heißen Abgase auf
eine Temperatur von 80° C und weniger, vorzugsweise unterhalb von 50° C abzukühlen.
Der Wärmetauscher muss aber auch von kompakter Bauweise sein, da der Raum im Abgassystem
des Kraftfahrzeuges beschränkt ist. Hier eignet sich der erfindungsgemäße Wärmetauscher
besonders gut.
[0016] Weitere Vorteile und Merkmale des erfindungsgemäßen Wärmetauschers ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung anhand der beigefügten Figur. Dabei ist in
- Fig. 1
- schematisch ein Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher gezeigt.
[0017] In der Figur ist schematisch ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher 12 im Querschnitt
dargestellt. Der erfindungsgemäße Wärmetauscher 12 besitzt ein Mantelrohr 8, welches
über radiale Verjüngungen in einen in der Zeichnung oben dargestellten Einlass 1 und
einen in der Zeichnung unten dargestellten Auslass 2 mündet. Dieses Ausführungsbeispiel
des Wärmetauschers 12 ist vorzugsweise für das Abkühlen von Heißgasen konzipiert.
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher kann jedoch in allen möglichen Varianten eingesetzt
werden, so auch zum Abkühlen von Flüssigkeiten, zum Erwärmen von Gasen oder Flüssigkeiten
oder sonstigen Wärmeüberträgen.
[0018] Im Innern des Mantelrohres 8 ist konzentrisch zu diesem ein Innenrohr 3 angeordnet,
welches an seiner in der Zeichnung oben dargestellten, dem Einlass 1 zugewandten Stirnseite
verschlossen ist. Die verschlossene Stirnseite des Innenrohres 3 bildet eine Prallplatte
11 für ein über den Einlass 1 in den Wärmetauscher 12 einströmendes Medium, insbesondere
Gas. Auf der dem Auslass 2 zugewandten Seite des Innenrohres 3 weist dieses einen
Kühlmitteleinlass 5 auf, welcher durch das Mantelrohr 8 hindurchgeführt und mit einem
Kühlmittelzulauf 9 verbunden ist. Im Innern des Innenrohres 3 befindet sich ein Auslassrohr
6, welches bis kurz vor die Prallplatte 11 gezogen ist und dort eine Öffnung aufweist.
Diese Öffnung liegt in etwa mittig auf der Mittelachse des Innenrohres 3. Das Auslassrohr
6 führt aus dem Innenrohr 3 heraus und geht in eine Spiralleitung 7 über, die in engen
Windungen, jedoch unter Einbehaltung eines Abstandes zwischen den Windungen, entlang
der gesamten Länge des Innenrohres 3 um dieses herumgeführt ist. Am Ende der Spiralleitung
geht diese in einen Kühlmittelablauf 10 über, der durch das Mantelrohr 8 hindurchgeführt
ist.
[0019] In einem bevorzugten Betrieb zum Abkühlen heißer Abgase von Verbrennungskraftmaschinen
treten die heißen Abgase über den Einlass 1 in das Mantelrohr 8 hinein. Dort treffen
sie auf die Prallplatte 11, wobei der Strom geteilt wird und erste Verwirbelungen
entstehen. Dieses ist in der Figur schematisch durch entsprechende Pfeile angedeutet.
Dort an der Prallplatte 11 findet bereits ein erster mittelbarer Kontakt mit dem in
dem Innenrohr 3 strömenden Kühlmedium statt, so dass bereits ein Anfangskühleffekt
bewirkt wird. Nachdem das eintretende heiße Medium, vorzugsweise das Gas von der Prallplatte
11 abgelenkt ist, tritt es in den zwischen dem Mantelrohr 8 und dem Innenrohr 3 gebildeten
Ringraum ein. In diesem Ringraum liegt die Spiralleitung, die in diesem Ausführungsbeispiel
in radialer Richtung in etwa mittig zwischen der Wand des Innenrohres 3 und der Wand
des Außenrohres 8 angeordnet ist. Durch den durch die Spiralleitung 7 gebildeten Strömungswiderstand
einerseits wie auch durch die zwischen der durch frisch einströmendes Kühlmittel vergleichsweise
kalten Wand des Innenrohres 3 und den wärmeren Wänden der bereits von erwärmtem Kühlmittel
durchströmten Spiralleitung 7 auftretenden Konvektion wird das in das Mantelrohr 8
einströmende Medium, vorzugsweise Gas zu Wirbelbildung gezwungen. Dies ist in der
Figur rechts oben bei den obersten beiden Windungen der Spiralleitung 7 durch entsprechende
Pfeile angedeutet. Durch diese Verwirbelungen läuft das einströmende Medium, vorzugsweise
Gas, innerhalb des Mantelrohres 8 einen deutlich verlängerten Weg und hat einen intensiven
Kontakt mit den Oberflächen der von dem Kühlmedium durchflossenen Elemente Innenrohr
3 und Spiralleitung 7.
[0020] Nach Durchlauf der gesamten Länge des Mantelrohres 8 bzw. der Spiralleitung 7 und
dabei erfahrener heftiger Verwirbelung tritt das gekühlte Medium, vorzugsweise Gas,
durch den Auslass 2 aus.
[0021] Der Strom des Kühlmittels von dem Kühlmittelzulauf 9 durch das Innenrohr 3 und die
Spiralleitung 7 bis hin zum Kühlmittelablauf 10 ist ebenfalls durch Pfeile angedeutet.
[0022] Im gezeigten Ausführungsbeispiel für einen Wärmetauscher gemäß der Erfindung hat
das Innenrohr 3 einen Durchmesser d von 60 mm, der Durchmesser der Spiralleitung d
s, gemessen von Außenwand zu Außenwand, beträgt 110 mm, der Durchmesser D des Mantelrohres
150 mm, die Länge L des Mantelrohres 200 bis 300 mm, der Durchmesser des Einlasses
1 und des Auslasses 2 (in den Figuren nicht bezeichnet) ca. 50 bis 60 mm. Verwendet
wird eine Kupferleitung als Spiralleitung 7 mit kreisförmigen Querschnitt und einem
Durchmesser von 15 mm.
[0023] Dieser Wärmetauscher wird zum Abkühlen von mit etwa 1000° C und mehr aus einem Verbrennungsmotor
austretenden Abgasen bis auf Temperaturen von ca. 50° C eingesetzt. Hierzu wird n-Butan
bei Raumtemperatur (ca. 25° C) in den Kühlmitteleinlass gegeben, das n-Butan hat den
Kühlmittelauslass dann mit einer Temperatur von etwa 120° C verlassen. Zur Förderung
des Kühlmittels n-Butan wurde eine 30 bar Pumpe verwendet. Alternativ kann als Kühlmittel
anstelle des n-Butan auch Wasser oder eine andere Flüssigkeit bzw. ein Flüssigkeitsgemisch
verwendet werden.
[0024] Aufgrund seiner Abmessungen konnte der erfindungsgemäße Wärmetauscher in das Abgassystem
eines Kraftfahrzeuges integriert werden, bspw. als Ersatz für einen Katalysator oder
einen Schalldämpfer.
[0025] Als positiver Effekt des drastischen Abkühlens der Abgase ergab sich, dass in dem
Abgas enthaltene Schadstoffe, die ansonsten mittels aufwändiger Katalysatortechnik
dem Abgasstrom entzogen werden müssen, in dem Wärmetauscher ausfielen. Dies ist zu
erklären, da sich durch das schnelle Abkühlen der Abgase von den Temperaturen, bei
denen sie aus dem Verbrennungsmotor austreten, bis auf den Taupunkt von Wasser sich
Wasser bildet. Dieses Wasser wäscht die weiteren, in dem Abgasstrom enthaltenen schädlichen
Bestandteile nahezu vollständig aus. Durch das beim Abkühlen der Abgase bis auf den
Taupunkt des Wassers entstehende Wasser wird ein zusätzlicher Kühleffekt erzeugt,
da auch das Wasser einen Anteil von Wärme abführen kann.
[0026] Ferner wird, da sich alle Gase beim Erwärmen um 1° C um 1/126 ausdehnen und bei Verringerung
der Temperatur zusammenziehen, das Gas bei einer Temperaturdifferenz von mehreren
100° C ein geringeres Volumen einnehmen. Dies hat zur Folge, dass der Einsatz des
erfindungsgemäßen Wärmetauschers zum Abkühlen der bei einem Verbrennungsmotor eines
Kraftfahrzeuges entstehenden Abgase die Schallemissionen fast vollständig abgebaut
werden und die üblichen Schalldämpfer bis auf einen Endschalldämpfer entfallen können.
[0027] Der erfindungsgemäße Wärmetauscher ist nicht auf die in diesem Ausführungsbeispiel
beschriebene Verwendung beschränkt, sondern kann zum Abkühlen bzw. Erwärmen diverser
Medien eingesetzt werden. So ist es bspw. denkbar, einen entsprechend bei ähnlichen
Proportionen größer dimensionierten Wärmetauscher zum Abkühlen von Abgasen aus Kraftwerken
oder Industrieanlagen einzusetzen, wobei auch hier ein durch das schlagartige Abkühlen
bewirkter Reinigungseffekt der Gase erzielt werden kann.
[0028] Aber auch ohne einen Reinigungseffekt kann der Wärmetauscher lediglich zum Wärmeübertrag
Verwendung finden.
[0029] Insoweit wird hinsichtlich der Tragweite und des Umfanges der Erfindung auf die nachfolgenden
Ansprüche verwiesen, die allein die Erfindung in ihrem Umfang beschränken.
Bezugszeichenliste
[0030]
- 1
- Einlass
- 2
- Auslass
- 3
- Innenrohr
- 4
- unteres Rohrende
- 5
- Kühlmitteleinlass
- 6
- Auslassrohr
- 7
- Spiralleitung
- 8
- Mantelrohr
- 9
- Kühlmittelzulauf
- 10
- Kühlmittelablauf
- 11
- Prallplatte
- 12
- Wärmetauscher
- D
- Durchmesser
- d
- Durchmesser
- ds
- Durchmesser
- L
- Länge
1. Wärmetauscher zum Wärmeübertrag zwischen zwei Medien mit einem einen Einlass (1) und
einen Auslass (2) für ein zu kühlendes Medium aufweisenden Mantelrohr (8), einem innerhalb
des Mantelrohres (8) angeordneten Innenrohr (3), welches auf der dem Einlass (1) zugewandten
Seite verschlossen ist, auf der dem Auslass (2) zugewandten Seite mit einem Kühlmitteleinlass
(5) verbunden ist und einen Kühlmittelauslass aufweist, welcher zu der dem Auslass
(2) zugewandten Seite des Innenrohres (3) führt und in eine sich von dort in Richtung
des Einlasses (1) um das Innenrohr (3) windende Spiralleitung (7) übergeht, welche
schließlich in einem Kühlmittelablauf (10) mündet.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelauslass (7) des Innenrohres (3) an ein im Innern des Innenrohres (3)
bis an die dem Einlass (1) zugewandte Seite des Innenrohres herangeführtes Auslassrohr
(6) angeschlossen ist.
3. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die verschlossene Seite des Innenrohres eine Prallplatte (11) für über den Einlass
(1) in das Mantelrohr (8) einströmendes, zu kühlendes Medium bildet.
4. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralleitung (7) wenigstens entlang der gesamten Länge des Innenrohres (3) dieses
umgebend geführt ist.
5. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralleitung (7) mit radialem Abstand zu der Wand des Innenrohres (3) und zu
der Wand des Mantelrohres (8) angeordnet ist.
6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der radiale Abstand der Spiralleitung (7) zu der Wand des Innenrohres (3) in etwa
gleich dem radialen Abstand der Spiralleitung (7) zu der Wand des Mantelrohres (8)
ist.
7. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Spiralleitung (7) aus einem Material mit guten Wärmeleiteigenschaften,
vorzugsweise aus Kupfer, besteht.
8. Verwendung eines Wärmetauschers nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Kühlen von Verbrennungsabgasen
aus Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere von Verbrennungsabgasen aus Kraftfahrzeugmotoren.