Wärmeaustauscher

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher (2), insbesondere zur Abgaswärmeausnutzung, mit einem in einem Mantelrohr (4) angeordneten und mit Strömungsleitblechen (6) versehenen Bündel aus Wärmeübertragungsrohren (8), die beidseitig in einem Rohrboden (10, 11) befestigt sind. Um auch nach längerer Einsatzzeit des Wärmeaustauschers eine Materialermüdung und -überlastung zu verhindern, um so die Gefahr von Rißbildungen und Undichtigkeiten zu vermeiden, ist mit Abstand vor dem Rohrboden (10) der Wärmeübertragungsrohre (8) ein weiterer Rohrboden (12) angeordnet, in dem kurze Rohre (14) angeordnet sind, die in die Wärmeübertragungsrohre (8) teilweise hineinragen. Der zweite Rohrboden (12) ist dabei mit geringem Abstand zum Rohrboden (10) der Wärmeübertragungsrohre (8) angeordnet. Der Zwischenraum (16) zwischen beiden Rohrböden (10, 12) ist nach außen hin abgedichtet und mit einem wärmeisolierten und hitzeresistenten Material ausgefüllt. Die Rohre (14) ragen bis über den Rohrboden (10) hinaus in die Wärmeübertragungsrohre (8) hinein. Der zweite Rohrboden (12) ist vorzugsweise nur auf der Einlaßseite des Wärmeaustauschers (2) vorgesehen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher, insbesondere zur Abgaswärmeausnutzung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] Die Wärmerückgewinnung aus Abgasen, wie z.B. von Dieselmotoren oder dergl., wird immer stärker gefordert und erhält zunehmende Bedeutung; es werden hierfür bevorzugt Rohrbündel-Wärmeaustauscher aus Stahl oder hochlegiertem Stahl eingesetzt. Das abzukühlende Medium, wie z.B. Abgas, wird dabei in der Regel durch die Wärmeübertragungsrohre geführt, weil die Reinigungsmöglichkeit hierbei besser gegeben ist, während das zu erwärmende Medium, wie z.B. Wasser, um die Rohre herumgeführt wird.

[0003] In dem Rohrboden des Wärmeaustauschers am Gaseintritt kommt es aber vor allem im Bereich zwischen den Wärmeübertragungsrohren zu einem Wärmestau, während die dem Wasser zugewandte Seite des Rohrbodens gekühlt wird. Es besteht die Gefahr, daß im Laufe der Zeit das Material ermüdet und Risse im Rohrboden entstehen, was wiederum zu Undichtigkeiten führt.

[0004] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, den Wärmeaustauscher der eingangs genannten Art so auszubilden, daß auch nach längerer Einsatzzeit eine Materialermüdung und -überlastung nicht auftreten kann und so z.B. die Gefahr von Rißbildungen und Undichtigkeiten vermieden wird.

[0005] Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebene Ausbildung gelöst.

[0006] Durch die erfindungsgemäße Ausbildung wird sozusagen ein Wärmeschutzschild geschaffen, das den eigentlichen Rohrboden der Wärmeübertragungsrohre gegen hohe Temperaturen abschirmt und das damit sichert, daß zwischen beiden Seiten des Rohrbodens ein praktisch vernachlässigbares Temperaturgefälle auftritt; hierdurch kann das Material des Rohrbodens nicht mehr ermüden oder überlastet werden, auch nicht nach langer Einsatzzeit, und die Gefahr von Rißbildungen und Undichtigkeiten ist vermieden.

[0007] Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lösung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

[0008] Um die Baulänge und Wärmeverluste möglichst gering zu halten, ist die Weiterbildung gemäß Anspruch 2 vorgesehen.

[0009] Durch die weitere Ausgestaltung gemäß Anspruch 3 ist eine Erhöhung der Wärmeschutzwirkung erreichbar.

[0010] Die weitere Ausbildung gemäß Anspruch 4 verringert ebenfalls die Wärmeübertragung auf den Rohrboden der Wärmeübertragungsrohre; dies ist auch der Fall durch die weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung gemäß Anspruch 5.

[0011] Da das wärmeabgebende Medium, beispielsweise die heißen Abgase, auf der Ausgangsseite des Wärmeaustauschers in der Regel nur noch eine sehr geringe Temperatur aufweist, braucht der zweite Rohrboden, wie dies im Anspruch 6 angegeben ist, nur auf der Einlaßseite vorgesehen zu werden.

[0012] Eine für den Einsatz des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers vorteilhafte Ausbildung ist im Anspruch 7 angegeben.

[0013] Die Erfindung soll nun anhand eines in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

[0014] Die Zeichnung zeigt im Schnitt Ein- und Auslaßseite eines Wärmeaustauschers 2, der ein Mantelrohr 4 aufweist, in dem ein mit Umlenkblechen 6 versehenes Rohrbündel aus Wärmeübertragungsrohren 8 angeordnet ist. Die Wärmeübertragungsrohre 8 sitzen beidseitig in mit dem Mantelrohr 4 verbundenen oder gegen das Mantelrohr abgedichteten Rohrböden 1o und 11. Vor dem eingangsseitigen Rohrboden 1o ist mit geringem Abstand ein zweiter Rohrboden 12 angeordnet, in dem ein Rohrbündel aus kürzeren Rohren 14 angeordnet ist. Die Rohre 14 ragen teilweise in die Wärmeübertragungsrohre 8 hinein, und zwar vorzugsweise bis kurz über den Rohrboden 1o hinaus.

[0015] Der Außendurchmesser der Rohre 14 ist geringer als der Innendurchmesser der Wärmeübertragungsrohre 8, so daß sich in der Einbaulage die Rohre 14 und die Wärmeübertragungsrohre 8 nicht berühren.

[0016] Der zwischen den beiden Rohrböden 1o und 12 gebildete Zwischenraum 16 ist nach außen abgedichtet, z.B. mit einer Ringdichtung 18. Der Zwischenraum 16 selbst kann zusätzlich mit einem schlecht wärmeleitenden Material, wie z.B. Asbest, ausgefüllt sein.

[0017] Vor dem Rohrboden 12 ist eine Einlaßkammer 2o abgedichtet (Dichtung 21) angeordnet. Auf der Auslaßseite des Wärmeaustauschers 2 münden die Wärmeaustauscherrohre 8 direkt in eine Auslaßkammer 19.

[0018] Das Mantelrohr 4 weist eine Einlaßöffnung 22 und eine Auslaßöffnung 23, wie z.B. einen Stutzen, auf.

[0019] Der dargestellte Wärmeaustauscher 2 ist insbesondere zur Wärmerückgewinnung aus Abgasen konzipiert. Die bis zu 600⁰ C oder mehr heißen Abgase werden in die Einlaßkammer geführt und strömen von dort durch die Rohrs 14 und 8 zur Auslaßkammer. Sie geben dabei ihre Wärme über die Wärmeübertragungsrohre an das diese Wärmeübertragungsrohre umströmende Medium, wie z.B. Wasser ab, das über die Einlaßöffnung 22 in den Mantelraum 24 des Mantelrohres 4 einströmt.

[0020] Der äußere Rohrboden 12 wirkt als Wärmeschutzschild für den Rohrboden 1o der Wärmeübertragungsrohre 8. Der zum Mantelraum 24 hin kühle Rohrboden 1o kann sich auf der Außenseite 26 nun nicht mehr so stark erwärmen, daß ein zu großes Temperaturgefälle, zu große Wärmespannungen sowie Materialermüdungen und dadurch bedingte Risse entstehen.

[0021] Die Wärme wird vom Rohrboden 12 aufgenommen und damit bezüglich des Rohrbodens 1o von dem Rohrboden 12 abgeschirmt. Da die Innenseite 28 des Rohrbodens 12 nicht gekühlt ist, können keine großen Temperaturunterschiede zwischen beiden Seiten des Rohrbodens 12 auftreten, so daß Wärmespannungen nicht entstehen. Aber auch eine im Laufe der Zeit auftretende Materialermüdung infolge der hohen Abgastemperaturen und dadurch evtl. hervorgerufene Rißbildungen im äußeren Rohrboden 12 sind unschädlich, weil die Abschirmwirkung hierdurch nicht beeinträchtigt wird.

Ansprüche

1. Wärmeaustauscher, insbesondere zur Abgaswärmeausnutzung, mit einem in einem Mantelrohr angeordneten und mit Strömungsleitblechen versehenen Bündel aus Wärmeübertragungsrohren, die beidseitig in einem Rohrboden befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß mit Abstand vor dem Rohrboden (1₀) der Wärmeübertragungsrohre (8) ein weiterer Rohrboden (12) angeordnet ist, in dem kurze Rohre (14) angeordnet sind, die in die Wärmeübertragungsrohre (8) teilweise hineinragen.

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Rohrboden (12) mit geringem Abstand zum Rohrboden (1₀) der Wärmeübertragungsrohre (8) angeordnet ist.

3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum (16) zwischen den beiden Rohrböden (1₀, 12) nach außen abgedichtet (Dichtung 18) und mit einem wärmeisolierenden und hitzeresistenten Material, beispielsweise Asbest, ausgefüllt ist.

4. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (14) bis über den Rohrboden (1₀) hinaus in die Wärmeübertragungsrohre (8) hineinragen.

5. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 4, dadurchgekennzeichnet, daß der Außendurchmesser der Rohre (14) geringer ist als der Innendurchmesser der Wärmeübertragungsrohre (8) und daß die Rohre (14) etwa konzentrisch innerhalb der Wärmeübertragungsrohre (8) angeordnet sind.

6. Wärmeaustauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Rohrboden (12) nur auf der Einlaßseite des Wärmeaustauschers (2) für das wärmeabgebende Medium vorgesehen ist.

7. Wärmeaustauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an dem zweiten Rohrboden (12) und damit an den Rohren (14) eine Einlaßkammer (2o) für heiße Medien, wie z.B. Abgase, angeschlossen ist, daß der die Wärmeübertragungsrohre (8) umgebende Mantelraum (24) über eine Einlaßöffnung (22) und Auslaßöffnung (23), wie z.B. Einlaß- und Auslaßstutzen, von zu erwärmendem Medium, z.B. Wasser, durchflossen wird, und daß an den Rohrboden (11) der Wärmeübertragungsrohre (8) auf der Auslaßseite eine Auslaßkammer (19) angeschlossen ist.

Zeichnung