| JP2005030659 | HEAT PUMP TYPE WATER HEATER |
| WO/2011/115883 | GEOMETRY OF HEAT EXCHANGER WITH HIGH EFFICIENCY |
| JP58028987 | HEAT PIPE TYPE HEAT EXCHANGING DEVICE |
BAUSCH, Christian (Leipheimer Str. 25, Bubesheim, 89347, DE)
GRIESER, Jens (In den Gärten 2, Söhnstetten, 89555, DE)
LORENZ, Andreas (Seestraße 29, Heidenheim, 89522, DE)
BERGER, Jürgen (Theodor-Storm-Str. 5, Gerstetten, 89547, DE)
BAUSCH, Christian (Leipheimer Str. 25, Bubesheim, 89347, DE)
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LORENZ, Andreas (Seestraße 29, Heidenheim, 89522, DE)
| Patentansprüche 1. Rohrbündel-Wärmetauscher mit 1.1 einer Vielzahl von einem Wärmemedium parallel durchströmten Rohrwicklungen (1, 1.1 - l.n), die von einem gemeinsamen Einlassraum (2) für das Wärmemedium ausgehen und in einem gemeinsamen Auslassraum (3) münden; 1.2 wobei jede Rohrwicklung (1, 1.1 - l.n) eine alternierende Abfolge von abwechselnd in zwei zueinander parallelen Ebenen verlaufenden Rohrstücken (6.1 - 6.n) und diese verbindenden Rohrbögen (7, 7.1 - 7.n) umfasst, wobei innerhalb jeder der beiden Ebenen vier oder mehr nebeneinander oder parallel zueinander angeordnete Rohrstücke (6.1 - 6.4) verlaufen, und 1.3 wobei die Rohrbögen (7, 7.1 - 7.n) als Umlenkung um 180° bezüglich einer zugeordneten Bogenachse (17, 17.1 - 17.n) ausgebildet sind und gleiche Biegeradien (R) aufweisen; dadurch gekennzeichnet, dass 1.4 entlang jeder Rohrwicklung (1, 1.1 - l.n) die Bogenachsen (17, 17.1 - 17.n) von Rohrbögen, die an dasselbe Rohrstück (6.1 - 6.n) angeschlossen sind, in Winkelstellung (a) von 85° - 95° zueinander stehen und die Bogenachsen (17, 17.1 -17.n) von Rohrbögen (7, 7.1 - 7.n), zwischen denen in unmittelbarer Abfolge ein Rohrstück (6.1 - 6.n), ein Rohrbogen (7, 7.1 - 7.n) und ein weiteres Rohrstück (6.1 - 6.n) angeordnet sind, parallel verlaufen. 2. Rohrbündel-Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden zueinander parallelen Ebenen senkrecht auf einer Einlassebene stehen, innerhalb von welcher Einlasse in die Rohrwicklungen (1, 1.1 - l.n) aus dem gemeinsamen Einlassraum (2) positioniert sind, und insbesondere senkrecht auf einer zur Einlassebene parallelen Auslassebene stehen, innerhalb von welcher Auslässe aus den Rohrwicklungen (1, 1.1 - l.n) in den gemeinsamen Auslassraum (3) positioniert sind. 3. Rohrbündel-Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrstücke (6.1 - 6.n) eine übereinstimmende Länge aufweisen. 4. Rohrbündel-Wärmetauscher nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrstücke (6.1 - 6.n) als gerade Rohrstücke (6.1 - 6.n) ausgebildet sind. 5. Rohrbündel-Wärmetauscher nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrbögen (7, 7.1 - 7.n) eine übereinstimmende Geometrie aufweisen. 6. Rohrbündel-Wärmetauscher nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrbögen (7, 7.1 -7.n) als Halbkreisbögen mit einer eben verlaufenden Zentralline (18) ausgebildet sind. 7. Rohrbündel-Wärmetauscher nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrwicklungen (1, 1.1 - l.n) eine übereinstimmende Geometrie aufweisen und aneinander anliegend einen Wicklungsstapel bilden. 8. Rohrbündel-Wärmetauscher nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bogenachsen (17, 17.1 - 17. n) von Rohrbögen (7, 7.1 - 7.n), die an dasselbe Rohrstück (6.1 - 6.n) angeschlossen sind, eine Winkelstellung (a) von 90° aufweisen. 9. Rohrbündel-Wärmetauscher nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrstücke (6.1 - 6.n) und Rohrbögen (7, 7.1 -7.n) jeder Rohrwicklung (1, 1.1 - l.n) stoffschlüssig verbunden sind oder die Rohrwicklung (1, 1.1 - l.n) einstückig ausgebildet ist. 10. Abgaswärmrückgewinnungs-Vorrichtung mit einem Verdampfer für ein Wärmemedium, der von einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer einen Rohrbündel-Wärmetauscher gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche umfasst. 11. Abgaswärmrückgewinnungs-Vorrichtung nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptströmungsrichtung des Abgasstroms im Wesentlichen senkrecht oder parallel zu den Rohrstücken (6.1 - 6.n) des Rohrbündel-Wärmetauschers verläuft. 12. Abgaswärmrückgewinnungs-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrwicklungen (1, 1.1 - l.n) des Rohrbündel-Wärmetauschers aus Edelstahl gebildet sind. |
Die Erfindung betrifft einen Rohrbündel-Wärmetauscher, insbesondere zur Ausbildung eines Verdampfers für eine Abgaswärmerückgewinnungs-Vorrichtung.
Wärmeaustauscher sind in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Für die Abwärmenutzung von Verbrennungskraftmaschinen kann beispielsweise ein Wärmeaustauscher mit einem heißen Abgasstrom beaufschlagt werden, um ein Arbeitsmedium von der Flüssigphase in die Dampfphase zu überführen, die nachfolgend in einem Expander unter Verrichtung mechanischer Arbeit entspannt. Derartige dampfbetriebene Energierückgewinnungssysteme für
Verbrennungsmotoren von Fahrzeugen können zur Speisung von
Nebenverbrauchern oder zur Antriebsunterstützung dienen. Weitere Anwendungen von Verdampfern in Fahrzeugen betreffen Kühl- und Klimatisierungssysteme.
Wärmetauscher, die als Verdampfer dienen, können in Form eines Plattenstapels ausgebildet sein, in dem Strömungskanäle für das heizende Medium,
beispielsweise für einen Abgasstrom, und separate Kanäle für ein
Wärmeträgermedium in Form von Unterbrechungen in den Einzelplatten der Stapelfolge angelegt sind. Typische Gestaltungen sehen Wärmeaustauscher nach dem Gegenstrom- beziehungsweise dem Kreuzgegenstromprinzip vor. Hierzu wird beispielhaft auf die DE 10 2008 029 096 AI verwiesen.
Alternative Gestaltungen von Wärmeaustauschern verwenden Rohrbündel, in denen das Wärmemedium geführt wird, wobei der Wärmeaustausch über die Mantelflächen der einzelnen Rohrwicklungen des Rohrbündels erfolgt. Für die bevorzugte Anwendung in einem Abgaswärmerückgewinnungssystem für
Verbrennungskraftmaschinen sind derartige Rohrbündel-Wärmetauscher beispielsweise aus DE 41 41 051 AI, EP 1 321 644 Bl und DE 10 2009 011 847 AI bekannt.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Die Patentschrift DE 102 22 974 B4 zeigt einen Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärme aus einem Heißgasstrom auf ein Fluid mit schlangenförmig
verlaufenden Rohrwicklungen, deren Rohrbögen alle senkrecht verlaufen. Die Patentschrift GB 501 202 beschreibt einen relativ dicht gepackten Rohrbündel- Wärmetauscher, mit in zwei vertikalen Ebenen verlaufenden Rohren, wobei eine erste Gruppe von Rohrbögen jeweils in einer horizontalen Ebene verläuft und eine zweite Gruppe von Rohrbögen diagonal zwischen zwei übereinander angeordneten horizontalen Ebenen verläuft. Die Winkel zwischen den Rohrbögen betragen demnach 45°.
Das US-Patent 4 446 915 beschreibt eine komplexe Struktur von ineinander verschachtelten Rohrwicklungen unterschiedlicher Geometrie, wobei die
Rohrstücke in drei nebeneinander angeordneten senkrechten Ebenen verlaufen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeaustauscher in
Rohrbündelbauweise derart weiterzuentwickeln, dass für eine kompakte Bauform, die insbesondere die Unterbringung in bestehende Abgasführungen von
Verbrennungskraftmaschinen erlaubt, eine hohe effektive Wärmeaustauschfläche zur Verfügung steht. Dabei soll der Wärmetauscher zur Verwendung als
Verdampfer einer Abgaswärmerückgewinnungs-Vorrichtung verwendbar sein und einfach herstellbare, stapelbare Rohrwicklungen aufweisen. Neben der
erleichterten Herstellung soll die Halterung des Rohrbündel-Wärmetauscher an bestehenden Komponenten einer Abgasführung mit einem geringen konstruktiven Aufwand verbunden sein. Des Weiteren sollte die Stapelfolge der Rohrwicklungen geometrisch einfach gestaltete Einlass- und Auslassrohre für das Wärmemedium ermöglichen. Der erfindungsgemäße Wärmetauscher soll trotz der Möglichkeit der sehr dichten Packung und damit des geringen notwendigen Bauraums die
Strömungsführung für das Wärmemedium optimieren, sodass die Druckverluste, welchen das Wärmemedium beim Durchtritt durch den Wärmetauscher unterliegt, möglichst gering sind.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Dabei bilden stapelbare Rohrwicklungen in schlangenförmiger Ausführung gemäß den oberbegrifflichen Merkmalen die Grundlage der Erfindung. Entsprechend weisen die ein Rohrbündel des Wärmeaustauschers bildenden Rohrwicklungen, welche sich zwischen einem gemeinsamen Einlassraum und einem gemeinsamen Auslassraum für die Zufuhr und Abfuhr des Wärmemediums erstrecken, eine alternierende Abfolge von Rohrstücken und Rohrbögen auf. Dabei bewirken die Rohrbögen eine Umlenkung des Wärmemediums im Wesentlichen um 180° bezüglich einer zugeordneten Bogenachse und weisen gleiche Biegeradien auf. Bevorzugt wird eine stoffschlüssige Verbindung separat hergestellter Rohrstücke und Rohrbögen zur Ausbildung der Rohrwicklungen. Alternativ kann eine
Rohrwicklung einstückig angelegt werden, wobei die Rohrbögen durch einen geeigneten Umformprozess hergestellt werden.
Erfindungsgemäß sind die Rohrstücke abwechselnd in zwei zueinander parallelen Ebenen, insbesondere vertikalen Ebenen, angeordnet. Insbesondere sind ausschließlich diese beiden Ebenen mit Rohrstücken und keine weitere hierzu parallele Ebene mit Rohrstücken vorgesehen. Die Rohrbögen verbinden die
Rohrstücke der verschiedenen Ebenen, sodass jeder Rohrbogen vorteilhaft ein erstes Ende in der ersten Ebene und ein zweites Ende in der zweiten Ebene aufweist, um zwei in verschiedenen Ebenen positionierte Rohrstücke zu verbinden. Die Rohrbögen stehen insbesondere schräg beziehungsweise diagonal auf den beiden Ebenen, vorteilhaft verlaufen sie innerhalb einer Rohrbogenebene, die mit annähernd oder genau mit einem Winkel von 45° auf den beiden Ebenen steht. Unter annähernd ist beispielsweise ein Winkelbereich von 35° - 55°, insbesondere 40° - 50° zu verstehen. Günstig ist jedoch, wenn der Winkel 45° beträgt.
Werden Rohrstücke mit gerader Ausrichtung und übereinstimmender Länge verwendet und jeweils in alternierender Folge mit Rohrbögen, die einen Halbkreis beschreiben, verbunden, entsteht ein Strömungsweg für das Wärmemedium, dessen wesentliche Streckenlänge quer zum Heizmedium, etwa dem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine, orientierbar ist, um ein Kreuzgegenstromprinzip zu verwirklichen. Die Erfindung zeichnet sich durch solchermaßen ausgebildete Rohrbögen zur Verbindung von Rohrstücken jeder einzelnen Rohrwicklungen aus, deren
Bogenachsen für benachbarte Rohrbögen in Winkelstellung zueinander stehen und für Rohrbögen in übernächster Nachbarschaft parallel verlaufend ausgebildet sind. Erfindungsgemäß nimmt die Winkelstellung der Bogenachsen benachbarter Rohrbögen einen Winkel im Bereich von 85° - 95°, bevorzugt von 90° ein. Des Weiteren werden die Rohrwicklungen vorzugsweise so gestaltet, dass jedes Rohrstück für die jeweilige Rohrwicklung einer ersten Rohrstückgruppe oder einer zweiten Rohrstückgruppe zugeordnet ist. Dabei kann eine Projektionsrichtung festgelegt werden, für die die Projektionen aller zu einer Rohrstückgruppe gehörenden Rohrstücke deckungsgleich sind.
Ferner werden bevorzugt gerade Rohrstücke verwendet, da diese vorteilhaft einfach herstellbar und zur Ausbildung von Rohrwicklungen handhabbar sind. Des Weiteren können damit auf einfache Weise geometrische übereinstimmende, stapelbare Rohrwicklungen hergestellt werden, die erfindungsgemäß für eine senkrecht zu den geraden Rohrstücken verlaufende Schnittebene aufgrund der alternierenden Winkelstellung der Bogenachsen der Rohrbögen ein Zickzackmuster bilden. Hierdurch wird eine verbesserte Stapelbarkeit der Rohrwicklungen erreicht, was zu einem Rohrbündel-Wärmetauscher mit einem vergrößerten Anteil paralleler Strömungswege führt. Diese parallelen Strömungswege werden dann zur Realisierung des Kreuzgegenstromprinzip vom Wärme eintragenden Fluidstrom bezüglich einer gemittelten Anströmungsrichtung im Wesentlichen senkrecht beaufschlagt. Günstig ist dabei, wenn der Einlass für das Wärmemedium unten im Stapel und der Auslass oben im Stapel vorgesehen ist, und das die Wärme einleitende Medium, insbesondere ein Abgasstrom senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht von oben nach unten durch den Stapel zwischen den Rohrstücken durchströmt beziehungsweise diese umströmt.
Für eine vereinfachte Stapelbarkeit und im Hinblick auf eine kompakte Anordnung der Rohrwicklungen weisen die Rohrbögen bevorzugt eine übereinstimmende Geometrie auf, wobei besonders bevorzugt die Rohrbögen als einfach zu fertigende Halbkreisbögen mit einer eben verlaufenden Zentrallinie ausgebildet sind. Abweichungen von einer geraden Ausführung der Rohrstücke und einer
halbkreisförmigen Gestaltung der Rohrbögen bilden Ausführungsformen der Erfindung, die bezüglich der Herstellung der Rohrbündel-Wärmetauscher aufwendiger sind. Allerdings ermöglicht eine wiederum übereinstimmende jedoch verwundene Geometrie der einzelnen Rohrbögen und/oder Rohrstücke eine Verbesserung des formschlüssigen Ineinandergreifens bei der Stapelung, was die Gesamtstabilität des Rohrbündel-Wärmetauschers erhöht. Dies stellt insbesondere für Fahrzeuganwendungen, für die auf die Rohrbündel des Wärmeaustauschers ständig Vibrationen und Stöße wirken, eine Verbesserung dar, da die einzelnen Rohrwicklungen des Rohrbündels sich gegenseitig stärker abstützen und so die Halterungsstrukturen, die das Rohrbündel des Wärmeaustauschers
zusammenfassen und im zugeordneten Bauraum anbringen, konstruktiv
vereinfacht ausgeführt werden können. Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit Figurendarstellungen genauer erläutert. In diesen ist im Einzelnen Folgendes dargestellt:
Figur la zeigt eine erfindungsgemäß gestaltete Rohrwicklung eines Rohrbündel- Wärmetauschers in Draufsicht.
Figur lb zeigt eine Schnittansicht aus Figur la entlang der Schnittlinie A-A.
Figur 2 zeigt die Rohrwicklung der Figuren la und lb in räumlicher Ansicht.
Figur 3 zeigt einen Teil der Schnittansicht aus Figur lb.
Figur 4 zeigt eine vergrößerte Ansicht zu Figur lb
Figur 5a zeigt einen Rohrbündel-Wärmetauscher mit einer Vielzahl von
Rohrwicklungen in Draufsicht.
Figur 5b zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie C-C aus Figur 5a.
Figur 6 zeigt den Rohrbündel-Wärmetauscher aus den Figuren 4a und 4b in vergrößerter, räumlicher Ansicht.
Figur 7 zeigt einen erfindungsgemäßen Rohrbündel-Wärmetauscher für eine
Abgaswärmerückgewinnungs-Vorrichtung.
Figur 8 zeigt ein Anschlussteil für den Verdampfer aus Figur 7.
Figur la stellt eine einzelne Rohrwicklung 1 für einen erfindungsgemäß
ausgeführten Rohrbündel-Wärmetauscher dar. Die Rohrwicklung 1 wird durch eine alternierende Abfolge von Rohrstücken 6.1 - 6.n und Rohrbögen 7.1 - 7.n gebildet. Aus der in Figur lb dargestellten Schnittansicht entlang der Linie A-A in Figur la, ergibt sich eine zickzackförmige Gestaltung, die daraus resultiert, dass benachbart aufeinander folgende Rohrbögen 7.1 - 7.n, das heißt jene Rohrbögen 7.1 - 7.n, die an dasselbe Rohrstück 6.1 - 6.n anschließen, in einer Winkelstellung α zueinander stehen. Der Winkel α beträgt 90°. [Exemplarisch ist dies in Figur lb anhand der benachbarten Rohrstücke 6.1 und 6.2 beziehungsweise 6.2 und 6.3 ersichtlich. Zusätzlich sind die Bogenachsen von Rohrbögen 7.1 - 7.n, die übernächste Nachbar bilden, das heißt einer solchen Paarung, für die zwischen zwei Rohrbögen in unmittelbarer Abfolge ein Rohrstück, ein Rohrbogen und ein weiteres Rohrstück angeordnet sind, parallel verlaufend angelegt. Somit verlaufen die Rohrstücke 6.1 - 6.n von unten nach oben gesehen abwechselnd in zwei parallel zueinander angeordneten vertikalen Ebenen. Für die vor- und zurückspringende Formgebung einer erfindungsgemäßen
Rohrwicklung 1 entsteht gegenüber einer ebenen, schlangenförmigen Wicklung ein verringerter Querabstand h der Rohrstücke 6.1 - 6.n. In diese Richtung erfolgt die Hauptanströmungsrichtung durch das thermische Fluid, das mit dem in der Rohrwicklung 1 geführten Wärmemedium im Wärmeaustausch tritt. Dies wird nachfolgend noch genauer erläutert.
Ein weiterer Vorteil für eine erfindungsgemäß zickzackförmig angelegte, schlangenförmige Rohrwicklung 1 ergibt sich aus einer verbesserten Stapelbarkeit. Dies wird aus Figur 2 deutlich, die die Rohrwicklung der Figuren la und lb in räumlicher Ansicht zeigt. Aus Figur lb ist ersichtlich, dass für jede einzelne
Rohrwicklung 1 aufgrund der Winkelstellung der Rohrbögen 7.1 - 7.n die
Rohrstücke 6.1 - 6.n in zwei Gruppen aufteilbar sind. Zu jeder der
Rohrstückgruppen gehören Rohrstücke 6.1 - 6.n, die innerhalb einer
gemeinsamen Ebene nebeneinander, vorliegend parallel zueinander, verlaufen. Dies ist ersichtlich aus einer Zuordnung der Rohrstücke 6.1 und 6.3 zu einer ersten Rohrstückgruppe 14, deren Rohrstücke 6.1, 6.3 in der ersten, hier senkrechten Ebene verlaufen, und der Rohrstücke 6.2 und 6.4 zu einer zweiten Rohrstückgruppe 15, deren Rohrstücke 6.2 und 6.4 in einer zweiten, hier ebenfalls senkrechten Ebene verlaufen, die parallel zu der ersten Ebene ist. Somit sind die Projektionen für eine vorbestimmte Projektionsrichtung, vorliegend die Richtung zur Bestimmung des Querabstands h, deckungsgleich. Wenn nun eine Vielzahl der gezeigten zickzackförmig angelegten schlangenförmigen Rohrwicklungen 1 nebeneinander zu einem Stapel zusammengefügt wird, sodass die Einlässe für das Wärmemedium in einer unteren horizontalen Ebene, vorliegend als Einlassebene bezeichnet, nebeneinander liegen, nämlich in der Ebene der Rohrstücke 6.1 einer jeden Rohrwicklung 1, und die Auslässe aus den letzten Rohrstücken 7.n in einer oberen horizontalen Ebene, vorliegend Auslassebene genannt, liegen, so ist die Einlassebene parallel zur Auslassebene und beide Ebenen sind senkrecht zu der zuvor beschriebenen ersten Ebene mit den Rohrstücken der Rohrstückgruppe 14 und der zweiten Ebene mit den Rohrstücken der Rohrstückgruppe 15.
Pro Rohrstückgruppe 14, 15 sind zahlreiche, nämlich vier oder mehr, insbesondere sechs, acht oder zehn oder mehr Rohrstücke jeweils innerhalb der ersten Ebene und der zweiten Ebene vorgesehen. Nebeneinander können ebenso drei, vier, sechs, acht oder mehr Rohrstücke innerhalb der Einlassebene und/oder innerhalb der Auslassebene vorgesehen sein.
Ferner zeigt Figur 3 eine Skizze zur Festlegung des Begriffs einer Bogenachse 17 für einen Rohrbogen 7. Für den einfachsten Fall ist der Rohrbogen 7 ein ebener Halbkreisbogen, sodass die Bogenachse 17 durch den Normalvektor durch den Mittelpunkt des zugeordneten Halbkreises definiert ist. Gleichwohl sind
abweichende Ausführungsformen denkbar, für die ein Rohrbogen 7 in mehrere Raumrichtungen gekrümmt ist. Für diesen Fall wird eine Bogenachse 17
ausgehend von einer Zentrallinie 18 zugeordnet, die als Auffädellinie 18 der Flächenschwerpunkte der Querschnittsflächen 19 entlang des Rohrbogens 7 definiert ist. Für hinreichend klein gewählte Kreisbogenabschnitte 20 entlang der Auffädellinie 18 können Radialvektoren 22.1, 22.2, die von einem Mittelpunkt 21 ausgehend zum Kreisbogenabschnitt 20 reichen, bestimmt werden. Zu den Radialvektoren 22.1, 22.2 senkrecht stehend, wird ein Vektor festgelegt, der den Beitrag zur Bogenachse 17 bestimmt, die dem betrachteten Kreisbogenabschnitt 20 zugeordnet ist. Die dem gesamten Rohrbogen 7 zugeordnete Bogenachse 17 ergibt sich dann aus einer gewichteten Mittelung der voranstehend genannten Beiträge. Die Gewichtung erfolgt über die Kreisbogenlängen der zur Bestimmung herangezogenen Kreisbogenabschnitte 20.
Figur 4 stellt eine vergrößerte Darstellung von Figur lb dar. Skizziert sind in Querrichtung angeschnittene Rohrstücke 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5 mit
zwischenliegend angeordneten Rohrbögen 7.1, 7.2, 7.3, 7.4. Die den Rohrbögen 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 zugeordneten Bogenachsen 17.1, 17.2, 17.3, 17.4 weisen eine alternierende Winkelabweichung von der Projektionsrichtung 16 auf. Der Winkel beträgt insbesondere zwischen 40° und 50°, vorteilhaft 45°. Dabei stehen benachbarte Rohrstücke 7.1, 7.2 bezüglich ihrer Bogenachsen, beispielsweise 17.1 und 17.2, in einer vorgegeben Winkelstellung a, hiervon 90° zueinander und Rohrstücke in übernächster Nachbarschaft, etwa 7.1, 7.3, weisen im Wesentliche parallele Bogenachsen 17.1 und 17.3 auf. Gewisse Winkelabweichungen für eine Rohrwicklung 1 sind dann tolerierbar, wenn die Stapelbarkeit nicht beeinträchtigt ist.
Des Weiteren ist jedem Rohrbogen 7, 7.1 - 7.n ein Biegeradius R zugeordnet, wobei vorteilhafterweise alle Biegeradien R der Rohrbögen 7, 7.1- 7.n
übereinstimmen. Für den Fall eines nicht als Halbkreisbogen angelegten
Rohrstücks (7, 7.1 -7.n) wird als Biegeradius R eine gewichtete Mittelung der Länge aller Radialvektoren 22.1, 22.2 gebildet. Figur 5a zeigt einen erfindungsgemäßen Rohrbündel-Wärmetauscher 8 in
Draufsicht, der als Stapel aus den Rohrwicklungen 1.1 - l.n mit einer Geometrie entsprechend der Figuren la, lb und 2 ausgebildet ist. Insbesondere aus der Schnittansicht entlang der Linie C-C, die in Figur 5b gezeigt ist, wird die kompakte wechselseitige Anlage der Rohrwicklungen 1.1 - l.n ersichtlich, die sich aus der alternierenden Winkelstellung der Rohrbögen 7.1, 7.n entlang der einzelnen Rohrwicklungen 1.1 - l.n ergibt. Für eine vorteilhafte Ausgestaltung sind die Rohrbögen 7.1, 7.n in einem alternierenden Winkel von ±45° zur
Projektionsrichtung 16 angelegt. Dies entspricht einer Winkelstellung α der Bogenachsen 17.1, 17.n benachbarter Rohrbögen 7.1, 7.n von 90°. Das formschlüssige Ineinandergreifen der Rohrwicklungen 1.1 - l.n und die kompakte Bauform mit einem verringerten Querabstand h der parallel verlaufenden
Rohrstücke 6.1, 6.n für jede einzelne der Rohrwicklungen 1.1 - l.n ergibt sich besonders deutlich aus der in Figur 6 gezeigten räumlichen Darstellung eines erfindungsgemäßen Rohrbündel-Wärmetauschers 8.
Aus Figur 7 ist schematisch vereinfacht die Verwendung eines erfindungsgemäßen Rohrbündel-Wärmetauschers 8 zur Ausbildung eines Verdampfers einer
Abgaswärmerückgewinnungs-Vorrichtung gezeigt. Hierzu weist der Rohrbündel- Wärmetauscher 8 einen Einlassraum 2 für ein Wärmemedium, der in Verbindung zu einer Zuleitung 4 steht, auf. Eine bevorzugte Ausgestaltung des Einlassraums 2 ist in der vergrößerten Darstellung von Figur 8 gezeigt. Diese weist ein
Anschlussteil 12 auf, das beispielsweise als Frästeil ausgebildet wird. Dieses Anschlussteil 12 umfasst auf der zu den Enden der Rohrstücke 6.1 - 6.n hinweisenden Seite Zuführungskanäle für das Wärmemedium. Ferner ist an der zur Zuleitung 4 hinweisenden Frontseite des Anschlussteils 12 zum
flüssigkeitsdichten Abschluss des Einlassraums 2 ein Deckel 11 vorgesehen.
Alternativ kann das Anschlussteil 12 als Rohrstück ausgebildet sein, was im Einzelnen nicht in den Figuren dargestellt ist. Abweichend von der hier gezeigten Darstellung kann die Zuleitung 4 zumindest teilweise oder insgesamt in Richtung der Längsersteckung des Einlassraumes 2 beziehungsweise des Anschlussteils 12, vorteilhaft quer zur Längsrichtung der einzelnen Rohrstücke verlaufen. Entsprechendes gilt für das Anschlussteil 12, wenn dieses selbst als Rohrstück ausgebildet ist.
Entsprechend kann der Auslassraum 3 für das Wärmemedium die
ausgangsseitigen Endstücke der Rohrstücke 6.1 - 6.n zusammenfassen. Von diesem Auslassraum 3 geht eine Abzugsleitung 5 aus, die für die dargestellte Ausgestaltung einen gegenüber der Zuleitung 4 erweiterten Querschnitt aufweist, da die Ausleitung des Wärmemediums als Gasphase erfolgt. Für den Auslassraum beziehungsweise die Abzugsleitung 5 gilt das für den Einlassraum 2 und die Zuleitung 4 gesagte. Beaufschlagt wird der Rohrbündel-Wärmetauscher 8 des Verdampfers 13 für das dargestellte Ausgestaltungsbeispiel von einem Abgasstrom. Hierzu ist in Figur 7 die Hauptströmungsrichtung des Abgasstroms WG eingezeichnet. Diese verläuft im Wesentlichen senkrecht zu den Rohrstücken 6.1 - 6. n der einzelnen
Rohrwicklungen 1.1 - l.n. Dabei kann aufgrund der erfindungsgemäßen
Winkelstellung benachbarter Rohrstücke 7.1 - 7.n der Abstand der Rohrstücke 6.1 - 6.n in Hauptströmungsrichtung des Abgasstroms WG verringert werden. Hieraus resultiert bei einem gleichzeitig kompakten Rohrbündel-Wärmetauscher eine vorteilhaft vergrößerte Wärmetauscherfläche mit kreuzender Strömungsführung des Wärmemediums relativ zum aufheizenden Fluid, vorliegend dem Abgasstrom. Alternativ könnte der Abgasstrom jedoch auch in Richtung der Rohrstücke verlaufen, um zumindest teilweise einen Gegenstromwärmetauscher oder
Gleichstromwärmetauscher zu erreichen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird der gezeigte Rohrbündel-Wärmetauscher von einem zylinderförmigen oder im Wesentlichen zylinderförmigen Raum umschlossen, dessen Längsachse insbesondere parallel zu der Längsachse der Rohrstücke ist und durch welchen das Abgas geleitet wird.
Des Weiteren zeigt Figur 7 Komponenten einer Halterung für die einzelnen
Rohrwicklungen 1.1 - l.n des Rohrbündel-Wärmetauschers 8. [Exemplarisch dargestellt sind seitliche Halterungen 9.1 - 9.2, die über zapfenförmige
Vorsprünge in die Zwischenräume benachbarter Rohrstücke 6.1 - 6.n eingreifen. Die zapfenförmigen Vorsprünge können beispielsweise eine Oberfläche aufweisen, die komplementär zu der ihnen zugewandten Oberfläche der Rohrstücke ist.
Zusätzlich oder alternativ können die seitlichen Halterungen 9.1, 9.2 auch Bleche mit Bohrungen aufweisen, insbesondere umschließen, wobei durch die einzelnen Bohrungen die Rohrstücke geführt sind.
Zusätzlich wird die Stapelfolge durch Querstäbe 10.1 - 10. n stabilisiert, die durch die Stapelfolge der Rohrwicklungen 1.1 - l.n hindurchreichen. Abweichend von der gezeigten Darstellung müssen nicht in allen Zwischenräumen Querstäbe vorgesehen sein. Beispielsweise kann es auch ausreichend sein, diese nur im oberen Bereich des Stapels vorzusehen. Gemäß einer besonders günstigen Ausführungsform wird der Stapel der
Rohrstücke in einem axialen Festlager, beispielsweise im Bereich oder gebildet durch die Halterung 9.1 und einem axialen Loslager, beispielsweise im Bereich oder gebildet durch die Halterung 9.2 gelagert. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind denkbar. So können beispielsweise die Rohrwicklungen 1.1 - l.n aus einer Abfolge von Rohrstücken 6.1 - 6.n mit daran anschließenden Rohrbögen 7.1 - 7.n in der erfindungsgemäßen
Winkelstellung ausgebildet sein, wobei die Rohrstücke 6.1 - 6.n unterschiedliche Längen aufweisen, sodass nicht alle Rohrbögen 7.1 - 7.n miteinander fluchten. Auf diese Weise können am Rohrbündel einzeln vorstehende Rohrbögen 7.1 - 7.n gebildet werden, an denen zusätzliche Halterungselemente zur Stabilisierung des Rohrbündel-Wärmetauschers 8 vorgesehen sind. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Schutzansprüchen.
Bezugszeichenliste
1, 1.1 - l.n Rohrwicklung
2 Einlassraum
3 Auslassraum
4 Zuleitung
5 Abzugsleitung
6.1 - 6.n Rohrstück
7,
7.1 - 7.n Rohrbogen
8 Rohrbündel-Wärmetauscher
9.1, 9.2. seitliche Halterung
10.1, 10.2 Querstab
11 Deckel
12 Anschlussteil
13 Verdampfer
14 erste Rohrstückgruppe
15 zweite Rohrstückgruppe
16 Projektionsrichtung
17,
17.1 - 17. n Bogenachse
18 Zentrallinie
19 Querscnittsfläche
20 Kreisbogenabschnitt
21 Mittelpunkt
22.1, 22.2 Radialvektor
h Querabstand
WG Hauptströmungsrichtung eines Abgasstroms α Winkelstellung