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DE102010046804A1 - Tube bundle heat exchanger - Google Patents

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DE102010046804A1
DE102010046804A1 DE102010046804A DE102010046804A DE102010046804A1 DE 102010046804 A1 DE102010046804 A1 DE 102010046804A1 DE 102010046804 A DE102010046804 A DE 102010046804A DE 102010046804 A DE102010046804 A DE 102010046804A DE 102010046804 A1 DE102010046804 A1 DE 102010046804A1
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DE
Germany
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pipe
tube
heat exchanger
bends
tube bundle
Prior art date
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Ceased
Application number
DE102010046804A
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German (de)
Inventor
Jürgen Berger
Christian Bausch
Jens Grieser
Andreas Lorenz
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SteamDrive GmbH
Original Assignee
Voith Patent GmbH
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Publication date
Application filed by Voith Patent GmbH filed Critical Voith Patent GmbH
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Priority to EP11773176.0A priority patent/EP2622296A1/en
Priority to US13/876,370 priority patent/US20130227946A1/en
Priority to PCT/EP2011/004824 priority patent/WO2012048800A1/en
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Abstract

Die Erfindung betrifft Rohrbündel-Wärmetauscher mit einer Vielzahl von Rohrwicklungen, die von einem gemeinsamen Einlassraum für ein Wärmemedium ausgehen und in einen gemeinsamen Auslassraum münden, wobei jede Rohrwicklung eine alternierende Abfolge von Rohrstücken und Rohrbögen umfasst; und wobei die Rohrbögen als Umlenkung um 180° bezüglich einer zugeordneten Bogenachse ausgebildet sind und gleiche Biegeradien aufweisen. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass entlang jeder Rohrwicklung die Bogenachsen von Rohrbögen, die an dasselbe Rohrstück angeschlossen sind in Winkelstellung zueinander stehen und die Bogenachsen von Rohrbögen zwischen denen in unmittelbarer Abfolge ein Rohrstück, ein Rohrbogen und ein weiteres Rohrstück angeordnet sind, parallel verlaufen.The invention relates to tube bundle heat exchangers with a plurality of tube windings which start from a common inlet space for a heating medium and open into a common outlet space, each tube winding comprising an alternating sequence of tube pieces and tube bends; and wherein the pipe bends are designed as a deflection by 180 ° with respect to an assigned bend axis and have the same bending radii. The invention is characterized in that the arc axes of pipe bends which are connected to the same pipe section are at an angle to each other along each pipe winding and the arc axes of pipe bends between which a pipe section, a pipe bend and another pipe section are arranged in direct succession run parallel.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rohrbündel-Wärmetauscher, insbesondere zur Ausbildung eines Verdampfers für eine Abgaswärmerückgewinnungs-Vorrichtung.The invention relates to a shell and tube heat exchanger, in particular for forming an evaporator for an exhaust heat recovery device.

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.Heat exchangers are known in different configurations. For waste heat utilization of internal combustion engines, for example, a heat exchanger can be charged with a hot exhaust gas flow in order to transfer a working medium from the liquid phase into the vapor phase, which subsequently relaxes in an expander while performing mechanical work. Such steam powered energy recovery systems for internal combustion engines of vehicles may be used to power auxiliary consumers or to assist propulsion. Further applications of evaporators in vehicles relate to cooling and air conditioning systems.

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 A1 verwiesen.Heat exchangers that serve as evaporators may be in the form of a plate stack in which flow channels for the heating medium, for example for an exhaust gas flow, and separate channels for a heat transfer medium in the form of interruptions in the individual plates of the stacking sequence are applied. Typical designs provide heat exchangers according to the countercurrent or cross-countercurrent principle. This is exemplified in the DE 10 2008 029 096 A1 directed.

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 A1 , EP 1 321 644 B1 und DE 10 2009 011 847 A1 bekannt.Alternative designs of heat exchangers use tube bundles in which the heat medium is guided, wherein the heat exchange takes place via the lateral surfaces of the individual tube windings of the tube bundle. For the preferred application in an exhaust heat recovery system for internal combustion engines such shell and tube heat exchangers are made, for example DE 41 41 051 A1 . EP 1 321 644 B1 and DE 10 2009 011 847 A1 known.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeaustauscher in Rohrböndelbauweise 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.The invention has for its object to further develop a heat exchanger in Rohrböndelbauweise such that for a compact design, which allows in particular the placement in existing exhaust ducts of internal combustion engines, a high effective heat exchange surface is available. In this case, the heat exchanger should be usable for use as an evaporator of an exhaust heat recovery device and have easy to produce, stackable tube windings. In addition to facilitating the production of the holder of the tube bundle heat exchanger should be connected to existing components of an exhaust system with a low design cost. Furthermore, the stacking sequence of the tube windings should allow geometrically simple inlet and outlet tubes for the heat medium.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.The object underlying the invention is solved by the features of independent claim 1. Advantageous embodiments emerge from the subclaims.

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.In this case, stackable tube windings in a serpentine design according to the above-mentioned features form the basis of the invention. Correspondingly, the tube windings forming a tube bundle of the heat exchanger, which extend between a common inlet space and a common outlet space for the supply and removal of the heat medium, have an alternating sequence of tube pieces and tube bends. The pipe bends cause a deflection of the heat medium substantially by 180 ° with respect to an associated arc axis and have the same bending radii. Preference is given to a cohesive connection of separately produced pipe sections and pipe bends for the formation of the pipe windings. Alternatively, a pipe winding can be applied in one piece, wherein the pipe bends are produced by a suitable forming process.

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.Are pipe sections used with straight alignment and matching length and each connected in an alternating sequence with pipe bends that describe a semicircle, creates a flow path for the heat medium, the essential route length across the heating medium, such as the exhaust stream of an internal combustion engine, orientable to a cross-countercurrent principle to realize.

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. Bevorzugt nimmt die Winkelstellung der Bogenachsen benachbarter Rohrbögen einen Winkel im Bereich von 60°–150° und besonders bevorzugt im Bereich von 70–140° 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.The invention is characterized by thus formed pipe bends for connecting pipe sections of each individual pipe windings, the bow axes of adjacent pipe bends are in angular position to each other and are designed to extend parallel pipe elbows in next but one neighborhood. Preferably, the angular position of the arc axes of adjacent pipe bends occupies an angle in the range of 60 ° -150 ° and more preferably in the range of 70-140 °. Furthermore, the tube windings are preferably designed such that each tube piece for the respective tube winding is assigned to a first tube piece group or a second tube piece group. In this case, a projection direction can be defined, for which the projections of all belonging to a pipe section group of pipe sections are congruent.

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.Furthermore, straight pipe sections are preferably used, since these are advantageously easy to manufacture and can be handled to form pipe windings. Furthermore, it can be used to simple Way geometric matching, stackable tube windings are produced, which form a zigzag pattern according to the invention for a perpendicular to the straight pipe sections extending cutting plane due to the alternating angular position of the arc axes of the pipe bends. As a result, an improved stackability of the tube windings is achieved, resulting in a tube bundle heat exchanger with an increased proportion of parallel flow paths. These parallel flow paths are then applied to realize the cross-countercurrent principle of the heat-introducing fluid flow with respect to an average flow direction substantially perpendicular.

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.For a simplified stackability and in view of a compact arrangement of the tube windings, the pipe bends preferably have a matching geometry, wherein particularly preferably the pipe bends are formed as easy to be produced semicircular arches with a plane extending central line.

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.Deviations from a straight design of the pipe sections and a semicircular design of the pipe bends form embodiments of the invention, which are more expensive with respect to the production of the tube bundle heat exchanger. However, a turn matching but twisted geometry of the individual pipe bends and / or pipe pieces allows an improvement of the positive engagement in the stacking, which increases the overall stability of the tube bundle heat exchanger. This is an improvement especially for vehicle applications for which constantly act on the tube bundles of the heat exchanger vibrations and shocks, since the individual tube windings of the tube bundle support each other stronger and so the support structures that summarize the tube bundle of the heat exchanger and install in the associated space, can be performed structurally simplified.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit Figurendarstellungen genauer erläutert. In diesen ist im Einzelnen Folgendes dargestellt:The invention will be explained in more detail below with reference to an embodiment in conjunction with figure representations. These details show:

1a zeigt eine erfindungsgemäß gestaltete Rohrwicklung eines Rohrbündel-Wärmetauschers in Draufsicht. 1a shows an inventively designed tube winding a tube bundle heat exchanger in plan view.

1b zeigt eine Schnittansicht aus 1a entlang der Schnittlinie A-A. 1b shows a sectional view 1a along the section line AA.

2 zeigt die Rohrwicklung der 1a und 1b in räumlicher Ansicht. 2 shows the tube winding of the 1a and 1b in spatial view.

3 zeigt einen Teil der Schnittansicht aus 1b. 3 shows a part of the sectional view 1b ,

4 zeigt eine vergrößerte Ansicht zu 1b 4 shows an enlarged view 1b

5a zeigt einen Rohrbündel-Wärmetauscher mit einer Vielzahl von Rohrwicklungen in Draufsicht. 5a shows a tube bundle heat exchanger with a plurality of tube windings in plan view.

5b zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie C-C aus 5a. 5b shows a sectional view taken along the line CC 5a ,

6 zeigt den Rohrbündel-Wärmetauscher aus den 4a und 4b in vergrößerter, räumlicher Ansicht. 6 shows the tube bundle heat exchanger from the 4a and 4b in enlarged, spatial view.

7 zeigt einen erfindungsgemäßen Rohrbündel-Wärmetauscher für eine Abgaswärmerückgewinnungs-Vorrichtung. 7 shows a tube bundle heat exchanger according to the invention for an exhaust heat recovery device.

8 zeigt ein Anschlussteil für den Verdampfer aus 7. 8th shows a connection part for the evaporator 7 ,

1a stellt eine einzelne Rohrwicklung 1 für einen erfindungsgemäß ausgeführten Rohrbündel-Wärmetauscher dar. Die Rohrwicklung 1 wird durch eine alternierende Abfolge von Rohrstücken 6.16.n und Rohrbögen 7.17.n gebildet. Aus der in 1b dargestellten Schnittansicht entlang der Linie A-A in 1a, ergibt sich eine zickzackförmige Gestaltung, die daraus resultiert, dass benachbart aufeinander folgende Rohrbögen 7.17.n, das heißt jene Rohrbögen 7.17.n, die an dasselbe Rohrstück 6.16.a nschließen, in einer Winkelstellung α zueinander stehen. Exemplarisch ist dies in 1b anhand der benachbarten Rohrstücke 6.1 und 6.2 beziehungsweise 6.2 und 6.3 ersichtlich. Zusätzlich sind die Bogenachsen von Rohrbögen 7.17.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. 1a represents a single tube winding 1 for a tube bundle heat exchanger designed according to the invention. The tube winding 1 is through an alternating sequence of pipe sections 6.1 - 6.n and pipe bends 7.1 - 7.n educated. From the in 1b illustrated sectional view taken along the line AA in 1a , results in a zigzag-shaped configuration, which results from that adjacent to each other elbows 7.1 - 7.n that is those pipe bends 7.1 - 7.n attached to the same piece of pipe 6.1 - 6.a close, in an angular position α to each other. This is exemplified in 1b based on the adjacent pipe sections 6.1 and 6.2 respectively 6.2 and 6.3 seen. In addition, the arc axes of pipe bends 7.1 - 7.n , the next neighbor form, that is, such a pairing, for which between two pipe bends in a direct sequence a pipe section, a pipe bend and another piece of pipe are arranged, running parallel running.

Für die vor- und zurückspringende Formgebung einer erfindungsgemäßen Rohrwicklung 1 entsteht gegenüber einer ebenen, schlangenförmigen Wicklung ein verringerter Querabstand h der Rohrstücke 6.16.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.For the protruding and receding shape of a pipe winding according to the invention 1 Compared to a flat, serpentine winding a reduced transverse distance h of the pipe sections 6.1 - 6.n , In this direction, the main direction of flow through the thermal fluid, which takes place in the pipe winding 1 guided heat medium in the heat exchange occurs. This will be explained in more detail below.

Ein weiterer Vorteil für eine erfindungsgemäß zickzackförmig angelegte, schlangenförmige Rohrwicklung 1 ergibt sich aus einer verbesserten Stapelbarkeit. Dies wird aus 2 deutlich, die die Rohrwicklung der 1a und 1b in räumlicher Ansicht zeigt. Aus 1b ist ersichtlich, dass für jede einzelne Rohrwicklung 1 aufgrund der Winkelstellung der Rohrbögen 7.17.n die Rohrstücke 6.16.n in zwei Gruppen aufteilbar sind. Zu jeder der Rohrstückgruppen gehören Rohrstücke 6.16.n, die miteinander fluchten. Dies ist ersichtlich aus einer Zuordnung der Rohrstücke 6.1 und 6.3 zu einer ersten Rohrstückgruppe 14 und der Rohrstücke 6.2 und 6.4 zu einer zweiten Rohrstückgruppe 15, deren Projektionen für eine vorbestimmte Projektionsrichtung 16, vorliegend die Richtung zur Bestimmung des Querabstands h, deckungsgleich sindA further advantage for a zigzag-shaped, serpentine tube winding according to the invention 1 results from an improved stackability. This is going out 2 clearly, the pipe winding the 1a and 1b in spatial view shows. Out 1b is evident that for every single pipe winding 1 due to the angular position of the pipe bends 7.1 - 7.n the pipe pieces 6.1 - 6.n can be divided into two groups. Each pipe section group includes pieces of pipe 6.1 - 6.n that are aligned with each other. This can be seen from an assignment of the pipe sections 6.1 and 6.3 to a first pipe section group 14 and the pipe pieces 6.2 and 6.4 to a second pipe section group 15 whose projections for a predetermined projection direction 16 , in this case the direction for determining the transverse distance h, are congruent

Ferner zeigt 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.Further shows 3 a sketch to define the concept of a bow axis 17 for a pipe bend 7 , For the simplest case, the pipe bend 7 a flat semicircular arc, so the bow axis 17 is defined by the normal vector through the center of the associated semicircle. Nevertheless, deviating embodiments are conceivable for which a pipe bend 7 is curved in several directions in space. In this case, a bow axis 17 starting from a central line 18 assigned as the threading line 18 the centroids of the cross-sectional areas 19 along the pipe bend 7 is defined. For sufficiently small circular arc sections 20 along the threading line 18 can radial vectors 22.1 . 22.2 that from a center point 21 starting at the circular arc section 20 be rich, be determined. To the radial vectors 22.1 . 22.2 standing vertically, a vector is set, which contributes to the bow axis 17 determined, that the considered arc section 20 assigned. The entire pipe bend 7 associated bow axis 17 then results from a weighted averaging of the above contributions. The weighting takes place over the circular arc lengths of the circular arc sections used for the determination 20 ,

4 stellt eine vergrößerte Darstellung von 1b 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. Dabei stehen benachbarte Rohrstücke 7.1, 7.2 bezüglich ihrer Bogenachsen, beispielsweise 17.1 und 17.2, in einer vorgegeben Winkelstellung α zueinnander 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. 4 provides an enlarged view of 1b are outlined are trimmed pipe sections in the transverse direction 6.1 . 6.2 . 6.3 . 6.4 . 6.5 with interposed pipe bends 7.1 . 7.2 . 7.3 . 7.4 , The pipe bends 7.1 . 7.2 . 7.3 . 7.4 associated bow axes 17.1 . 17.2 . 17.3 . 17.4 have an alternating angle deviation from the projection direction 16 on. There are adjacent pieces of pipe 7.1 . 7.2 with respect to their bow axes, for example 17.1 and 17.2 , in a predetermined angular position α zueinnander and pipe sections in next but one neighborhood, about 7.1 . 7.3 , have essentially parallel bow axes 17.1 and 17.3 on. Certain angle deviations for a pipe winding 1 are tolerable if the stackability is not impaired.

Des Weiteren ist jedem Rohrbogen 7, 7.17.n ein Biegeradius R zugeordnet, wobei vorteilhafterweise alle Biegeradien R der Rohrbögen 7, 7.17.n übereinstimmen. Für den Fall eines nicht als Halbkreisbogen angelegten Rohrstücks (7, 7.17.n) wird als Biegeradius R eine gewichtete Mittelung der Länge aller Radialvektoren 22.1, 22.2 gebildet.Furthermore, every pipe bend 7 . 7.1 - 7.n associated with a bending radius R, wherein advantageously all bending radii R of the pipe bends 7 . 7.1 - 7.n to match. In the case of a pipe section not designed as a semicircular arc ( 7 . 7.1 - 7.n ), the bending radius R is a weighted average of the length of all radial vectors 22.1 . 22.2 educated.

5a zeigt einen erfindungsgemäßen Rohrbündel-Wärmetauscher 8 in Draufsicht, der als Stapel aus den Rohrwicklungen 1.11.n mit einer Geometrie entsprechend der 1a, 1b und 2 ausgebildet ist. Insbesondere aus der Schnittansicht entlang der Linie C-C, die in 5b gezeigt ist, wird die kompakte wechselseitige Anlage der Rohrwicklungen 1.11.n ersichtlich, die sich aus der alternierenden Winkelstellung der Rohrbögen 7.1, 7.n entlang der einzelnen Rohrwicklungen 1.11.n ergibt. Für eine beispielhafte 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 1.11.n und die kompakte Bauform mit einem verringerten Querabstand h der parallel verlaufenden Rohrstücke 6.1, 6.n für jede einzelne der Rohrwicklungen 1.11.n ergibt sich besonders deutlich aus der in 6 gezeigten räumlichen Darstellung eines erfindungsgemäßen Rohrbündel-Wärmetauschers 8. 5a shows a tube bundle heat exchanger according to the invention 8th in plan view, as a stack of the tube windings 1.1 - 1.n with a geometry corresponding to 1a . 1b and 2 is trained. In particular, from the sectional view along the line CC, in 5b is shown, the compact mutual conditioning of the tube windings 1.1 - 1.n can be seen, resulting from the alternating angular position of the pipe bends 7.1 . 7.n along the individual pipe windings 1.1 - 1.n results. For an exemplary embodiment, the pipe bends 7.1 . 7.n at an alternating angle of +/- 45 ° to the projection direction 16 created. This corresponds to an angular position α of the bow axes 17.1 . 17.n adjacent pipe bends 7.1 . 7.n of 90 °. The positive engagement of the tube windings 1.1 - 1.n and the compact design with a reduced transverse distance h of the parallel pipe sections 6.1 . 6.n for each of the tube windings 1.1 - 1.n results particularly clearly from the in 6 shown spatial representation of a tube bundle heat exchanger according to the invention 8th ,

Aus 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 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 6.16.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.Out 7 schematically simplified, the use of a tube bundle heat exchanger according to the invention 8th for forming an evaporator of an exhaust heat recovery device. For this purpose, the tube bundle heat exchanger 8th an inlet space 2 for a heat medium connected to a supply line 4 stands up. A preferred embodiment of the inlet space 2 is in the enlarged view of 8th shown. This has a connection part 12 on, which is formed for example as a milled part. This connection part 12 includes on the to the ends of the pipe sections 6.1 - 6.n indicative side supply channels for the heat medium. Furthermore, at the to the supply line 4 indicative front of the connection part 12 for liquid-tight completion of the inlet space 2 a lid 11 intended. Alternatively, the connection part 12 be designed as a piece of pipe, which is not shown in detail in the figures.

Entsprechend kann der Auslassraum 3 für das Wärmemedium die ausgangsseitigen Endstücke der Rohrstücke 6.16.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.Accordingly, the outlet space 3 for the heat medium, the output-side end pieces of the pipe sections 6.1 - 6.n sum up. From this outlet room 3 goes a trigger line 5 from, for the illustrated embodiment, one opposite the supply line 4 extended cross-section, since the discharge of the heat medium takes place as a gas phase.

Beaufschlagt wird der Rohrbündel-Wärmetauscher 8 des Verdampfers 13 für das dargestellte Ausgestaltungsbeispiel von einem Abgasstrom. Hierzu ist in 7 die Hauptströmungsrichtung des Abgasstroms WG eingezeichnet. Diese verläuft im Wesentlichen senkrecht zu den Rohrstücken 6.16.n der einzelnen Rohrwicklungen 1.11.n. Dabei kann aufgrund der erfindungsgemäßen Winkelstellung benachbarter Rohrstücke 7.17.n der Abstand der Rohrstücke 6.16.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.The tube bundle heat exchanger is acted upon 8th of the evaporator 13 for the illustrated embodiment of an exhaust gas flow. This is in 7 the main flow direction of Waste gas flow WG drawn. This runs substantially perpendicular to the pipe sections 6.1 - 6.n the individual pipe windings 1.1 - 1.n , In this case, due to the angular position of adjacent pipe sections according to the invention 7.1 - 7.n the distance between the pipe sections 6.1 - 6.n be reduced in the main flow direction of the exhaust gas flow WG. This results in a concurrently compact tube bundle heat exchanger advantageously an enlarged heat exchanger surface with crossing flow guidance of the heat medium relative to the heating fluid, in this case the exhaust gas flow.

Des Weiteren zeigt 7 Komponenten einer Halterung für die einzelnen Rohrwicklungen 1.11.n des Rohrbündel-Wärmetauschers 8. Exemplarisch dargestellt sind seitliche Halterungen 9.19.2, die über zapfenförmige Vorsprünge in die Zwischenräume benachbarter Rohrstücke 6.16.n eingreifen. Zusätzlich wird die Stapelfolge durch Querstäbe 10.110.n stabilisiert, die durch die Stapelfolge der Rohrwicklungen 1.11.n hindurchreichen.Further shows 7 Components of a holder for the individual pipe windings 1.1 - 1.n of the tube bundle heat exchanger 8th , Illustrated are lateral brackets 9.1 - 9.2 , the peg-shaped projections in the interstices of adjacent pipe sections 6.1 - 6.n intervention. In addition, the stacking sequence is by cross bars 10.1 - 10.n stabilized by the stacking sequence of the tube windings 1.1 - 1.n through rich.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind denkbar. So können beispielsweise die Rohrwicklungen 1.11.n aus einer Abfolge von Rohrstücken 6.16.n mit daran anschließenden Rohrbögen 7.17.n in der erfindungsgemäßen Winkelstellung ausgebildet sein, wobei die Rohrstücke 6.16.n unterschiedliche Längen aufweisen, sodass nicht alle Rohrbögen 7.17.n miteinander fluchten. Auf diese Weise können am Rohrbündel einzeln vorstehende Rohrbögen 7.17.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.Further embodiments of the invention are conceivable. For example, the tube windings 1.1 - 1.n from a sequence of pipe sections 6.1 - 6.n with adjoining pipe bends 7.1 - 7.n be formed in the angular position according to the invention, wherein the pipe pieces 6.1 - 6.n have different lengths, so not all pipe bends 7.1 - 7.n aligned with each other. In this way individually projecting pipe bends on the tube bundle 7.1 - 7.n are formed, where additional support elements for stabilizing the tube bundle heat exchanger 8th are provided. Further embodiments of the invention will become apparent from the following claims.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1, 1.1–1.n1, 1.1-1.n
Rohrwicklungpipe winding
22
Einlassrauminlet space
33
Auslassraumoutlet space
44
Zuleitungsupply
55
Abzugsleitungwithdrawal line
6.1–6.n6.1-6.n
Rohrstückpipe section
7, 7.1–7.n7, 7.1-7.n
RohrbogenElbows
88th
Rohrbündel-WärmetauscherTube bundle heat exchanger
9.1, 9.2.9.1, 9.2.
seitliche Halterunglateral bracket
10.1, 10.210.1, 10.2
Querstabcross bar
1111
Deckelcover
1212
Anschlussteilconnector
1313
VerdampferEvaporator
1414
erste Rohrstückgruppefirst pipe section group
1515
zweite Rohrstückgruppesecond pipe section group
1616
Projektionsrichtungprojection direction
17, 17.1–17.n17, 17.1-17.n
Bogenachsearc axis
1818
ZentrallinieCentral line
1919
QuerscnittsflächeQuerscnittsfläche
2020
KreisbogenabschnittArc section
2121
MittelpunktFocus
22.1, 22.222.1, 22.2
Radialvektorradial vector
hH
Querabstandtransverse distance
WGWG
Hauptströmungsrichtung eines Abgasstroms WinkelstellungMain flow direction of an exhaust gas flow Angular position

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (12)

Rohrbündel-Wärmetauscher mit 1.1 einer Vielzahl von Rohrwicklungen (1, 1.11.n), die von einem gemeinsamen Einlassraum (2) für ein Wärmemedium ausgehen und in einen gemeinsamen Auslassraum (3) münden; 1.2 wobei jede Rohrwicklung (1, 1.11.n) eine alternierende Abfolge von Rohrstücken (6.16.n) und Rohrbögen (7, 7.17.n) umfasst; und 1.3 wobei die Rohrbögen (7, 7.17.n) als Umlenkung um 180° bezüglich einer zugeordneten Bogenachse (17, 17.117.n) ausgebildet sind und gleiche Biegeradien (R) aufweisen; dadurch gekennzeichnet, dass 1.4 entlang jeder Rohrwicklung (1, 1.11.n) die Bogenachsen (17, 17.117.n) von Rohrbögen, die an dasselbe Rohrstück (6.16.n) angeschlossen sind, in Winkelstellung (α) zueinander stehen und die Bogenachsen (17, 17.117.n) von Rohrbögen (7, 7.17.n), zwischen denen in unmittelbarer Abfolge ein Rohrstück (6.16.n), ein Rohrbogen (7, 7.17.n) und ein weiteres Rohrstück (6.16.n) angeordnet sind, parallel verlaufen.Tube bundle heat exchanger with 1.1 a plurality of tube windings ( 1 . 1.1 - 1.n ), shared by a common inlet ( 2 ) emanate for a heat medium and into a common outlet space ( 3 ); 1.2 wherein each pipe winding ( 1 . 1.1 - 1.n ) an alternating sequence of pipe sections ( 6.1 - 6.n ) and pipe bends ( 7 . 7.1 - 7.n ); and 1.3 the pipe bends ( 7 . 7.1 - 7.n ) as a deflection by 180 ° with respect to an associated arc axis ( 17 . 17.1 - 17.n ) are formed and have the same bending radii (R); characterized in that 1.4 along each tube winding ( 1 . 1.1 - 1.n ) the bow axes ( 17 . 17.1 - 17.n ) of pipe bends which are connected to the same pipe section ( 6.1 - 6.n ) are in angular position (α) to each other and the bow axes ( 17 . 17.1 - 17.n ) of pipe bends ( 7 . 7.1 - 7.n ), between which in immediate succession a piece of pipe ( 6.1 - 6.n ), a pipe bend ( 7 . 7.1 - 7.n ) and another piece of pipe ( 6.1 - 6.n ), are parallel. Rohrbündel-Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrstücke jeder Rohrwicklung (1, 1.11.n) entweder einer ersten Rohrstückgruppe (14) oder einer zweiten Rohrstückgruppe (15) zugeordnet sind, wobei für eine vorbestimmte Projektionsrichtung (16) die Projektionen aller zu einer Rohrstückgruppe (14, 15) gehörenden Rohrstücke (6.16.n) deckungsgleich sind.Tube bundle heat exchanger according to claim 1, characterized in that the tube pieces of each tube winding ( 1 . 1.1 - 1.n ) either a first pipe section group ( 14 ) or a second pipe section group ( 15 ) are assigned, wherein for a predetermined projection direction ( 16 ) the projections of all to a pipe section group ( 14 . 15 ) belonging pipe pieces ( 6.1 - 6.n ) are congruent. Rohrbündel-Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrstücke (6.16.n) eine übereinstimmende Länge aufweisen.Tube bundle heat exchanger according to claim 1 or 2, characterized in that the tube pieces ( 6.1 - 6.n ) have a matching length. Rohrbündel-Wärmetauscher nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrstücke (6.16.n) als gerade Rohrstücke (6.16.n) ausgebildet sind.Tube bundle heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that the tube pieces ( 6.1 - 6.n ) as straight pieces of pipe ( 6.1 - 6.n ) are formed. Rohrbündel-Wärmetauscher nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrbögen (7, 7.17.n) eine übereinstimmende Geometrie aufweisen.Tube bundle heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that the tube bends ( 7 . 7.1 - 7.n ) have a matching geometry. Rohrbündel-Wärmetauscher nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrbögen (7, 7.17.n) als Halbkreisbögen mit einer eben verlaufenden Zentralline (18) ausgebildet sind.Tube bundle heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that the tube bends ( 7 . 7.1 - 7.n ) as semicircular arches with a plane central line ( 18 ) are formed. Rohrbündel-Wärmetauscher nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrwicklungen (1, 1.11.n) eine übereinstimmende Geometrie aufweisen und aneinander anliegend einen Wicklungsstapel bilden.Tube bundle heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that the tube windings ( 1 . 1.1 - 1.n ) have a matching geometry and adjacent to each other form a winding stack. Rohrbündel-Wärmetauscher nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelstellung der Bogenachsen (17, 17.117.n) von Rohrbögen (7, 7.17.n), die an dasselbe Rohrstück (6.16.n) angeschlossen sind, eine Winkelstellung (α) von 60°–150° aufweist.Tube bundle heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that the angular position of the bow axes ( 17 . 17.1 - 17.n ) of pipe bends ( 7 . 7.1 - 7.n ) connected to the same piece of pipe ( 6.1 - 6.n ) are connected, an angular position (α) of 60 ° -150 °. Rohrbündel-Wärmetauscher nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrstücke (6.16.n) und Rohrbögen (7, 7.17.n) jeder Rohrwicklung (1, 1.11.n) stoffschlüssig verbunden sind oder die Rohrwicklung (1, 1.11.n) einstückig ausgebildet ist.Tube bundle heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that the tube pieces ( 6.1 - 6.n ) and pipe bends ( 7 . 7.1 - 7.n ) each pipe winding ( 1 . 1.1 - 1.n ) are cohesively connected or the pipe winding ( 1 . 1.1 - 1.n ) is integrally formed. 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.Exhaust gas heat recovery apparatus having a heat medium evaporator to which an exhaust gas stream of an internal combustion engine is subjected, characterized in that the evaporator comprises a shell and tube heat exchanger according to any one of the preceding claims. Abgaswärmrückgewinnungs-Vorrichtung nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptströmungsrichtung des Abgasstroms im Wesentlichen senkrecht zu den Rohrstücken (6.16.n) des Rohrbündel-Wärmetauschers verläuft.Exhaust gas heat recovery apparatus according to claim 10, characterized in that the main flow direction of the exhaust gas flow substantially perpendicular to the pipe sections ( 6.1 - 6.n ) of the tube bundle heat exchanger. Abgaswärmrückgewinnungs-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrwicklungen (1, 1.11.n) des Rohrbündel-Wärmetauschers aus Edelstahl gebildet sind.Exhaust gas heat recovery device according to one of claims 10 or 11, characterized in that the tube windings ( 1 . 1.1 - 1.n ) of the tube bundle heat exchanger are made of stainless steel.
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