WO2014198846A1 - Wärmeübertrager - Google Patents

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WO2014198846A1
WO2014198846A1 PCT/EP2014/062275 EP2014062275W WO2014198846A1 WO 2014198846 A1 WO2014198846 A1 WO 2014198846A1 EP 2014062275 W EP2014062275 W EP 2014062275W WO 2014198846 A1 WO2014198846 A1 WO 2014198846A1
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tubes
heat exchanger
fluid
sectional area
tube
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PCT/EP2014/062275
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French (fr)
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Simon HUND
Albrecht Siegel
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Mahle Behr GmbH and Co KG
Original Assignee
Behr GmbH and Co KG
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    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
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    • F28D7/163—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation with conduit assemblies having a particular shape, e.g. square or annular; with assemblies of conduits having different geometrical features; with multiple groups of conduits connected in series or parallel and arranged inside common casing
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    • F28D7/1661—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation with conduit assemblies having a particular shape, e.g. square or annular; with assemblies of conduits having different geometrical features; with multiple groups of conduits connected in series or parallel and arranged inside common casing the conduit assemblies having a square or rectangular shape with particular pattern of flow of the heat exchange media, e.g. change of flow direction
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    • F02M26/13—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories
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    • F28D7/1607—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation with particular pattern of flow of the heat exchange media, e.g. change of flow direction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2210/00—Heat exchange conduits
    • F28F2210/08—Assemblies of conduits having different features

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger with a first header, with a second header and with a plurality of tubes, wherein the tubes are respectively received end in one of the collection box and produce a fluid connection between the first header and the second header, wherein a first Number of first tubes is provided, each having a first flow cross-sectional area, and at least a second tube is provided, which has a second flow cross-sectional area.
  • Heat exchangers are used in a variety of ways to transfer wires between two fluids.
  • a first fluid is brought into a heat exchange with a second fluid, whereby the temperature of the one fluid is relatively increased and the temperature of the other fluid is relatively lowered.
  • the fluids used are, for example, air, coolant or a refrigerant.
  • heat exchangers are used in a tube-fin construction. Here a plurality of tubes are spaced from each other between two headers. A medium to be cooled can flow through the pipes, for example, while a medium to be heated flows around the pipes.
  • additional heat transfer elements such as corrugated fins, can be provided between the pipes.
  • a known design provides for a heat exchanger, which is flowed through in a so-called I-flow principle.
  • the fluid flows from a collection box into the pipes and from there into the second collection box.
  • the fluid is introduced from a fluid circuit in the first collection box and discharged from the second collection box.
  • a heat exchanger can be flowed through according to the so-called U-flow principle.
  • a fluid is introduced from a fluid circuit in the first collection box. From there, it flows through a first number of tubes into the second collection box and from there over a second number of tubes back into the first collection box. From there, the fluid is discharged from the first collection box.
  • the first collection box is divided, for example by a partition in two independent areas.
  • the tubes which form the fluid connection from the first collection box into the second collection box usually correspond in size, shape and number to the tubes which form the fluid connection from the second collection box into the first collection box.
  • the U-flowed heat exchanger regularly offers twice the cooling distance compared to a L-flowed heat exchanger, but at the same time it offers only half the flow cross-sectional area. Although this is generally positive for the cooling ⁇ performance of the heat exchanger, but mostly negative for the pressure loss occurring.
  • a disadvantage of the solutions in the prior art is in particular that by using the same pipe dimensions both for the fluid connection from the first to the second collection box and for the fluid connection from the second to the first collection box tubes of the same dimensions and often in the same number are used, which has a negative effect on the resulting pressure loss in the U-flow heat exchanger.
  • An embodiment of the invention relates to a heat exchanger with a first header, with a second header and with a plurality of tubes, wherein the tubes are each end in one of the header boxes and create a fluid connection between the first header and the second header, wherein a first Number of first tubes is provided, each having a first flow cross-sectional area, and at least a second tube is provided, which has a second flow cross-sectional area, wherein the first flow cross-sectional area is substantially smaller than the second flow cross-sectional area.
  • first tubes in each case have a smaller cross section than the cross section of the individual second tube, a plurality of first tubes can be used with the same installation space, in particular in a tube bundle, whereby the resulting Heat exchanger surface increases, which means that a larger cooling line can be generated.
  • the heat exchanger is flowed through by a U-flow principle.
  • Fluid is passed from a collection box over a portion of the pipes in the second collection box before it is returned via the remaining pipes back into the first collection box.
  • This is particularly advantageous if the space specifications allow only such a heat exchanger.
  • the position of the fluid connections to only one collecting box is advantageous.
  • the flow cross-sectional area of the second flow channel is substantially larger than the flow cross-sectional area of the individual first flow channels. As a result, a return flow can be generated with the lowest possible pressure loss.
  • the second flow channel essentially serves to return the fluid to the first collection box.
  • the heat transfer is realized mainly by the first flow channels.
  • the total flow cross-sectional area of the first tubes occupies a proportion of the total cross-sectional area of the heat exchanger which is greater than half, wherein the total cross-sectional area of the heat exchanger is formed by the sum of the flow cross-sectional areas of the first tube and the second tube.
  • the total flow cross-sectional area of the first tubes compared to the total flow cross-sectional area of the heat exchanger is between 50% and 90%, preferably between 60% and 80%, preferably between 70% and 80%.
  • the highest possible proportion of the total flow cross-sectional area of the first flow channels is advantageous in order to be able to realize the largest possible heat transfer.
  • the flow cross-sectional area of the second flow channel must be large enough not to generate too great a pressure loss for the fluid flowing back.
  • the heat exchanger can be flowed through by a first fluid from the first collecting tank through the first pipes to the second collecting tank and from the second collecting tank through the second pipe to the first collecting tank.
  • the heat exchanger can be flowed through by a first fluid from the first collecting tank through the second pipe to the second collecting tank and from the second collecting tank through the first pipes to the first collecting tank.
  • This has the advantage that initially takes place less cooling with a small pressure drop in the second tube and then there is a greater cooling due to the larger heat transfer surface of the many individual first tubes.
  • the heat exchanger can be flowed through by a first fluid, wherein the flow takes place from the first header through the first tubes to the second header and from the second header through the second tube to the first header.
  • the U-flow principle is particularly advantageous when space restrictions provide for the use of a U-flowed Wirmeübertragers.
  • a preferred embodiment is characterized in that the first header has a fluid inlet and a fluid outlet, wherein the first header is divided into a first chamber and a second chamber and the first chamber is in fluid communication with the first tubes and the second chamber is in fluid communication Tube is in fluid communication.
  • a division of the first collecting tank into two chambers is particularly advantageous in order to allow a flow according to the U-flow principle.
  • a fluid-tight separation of the two chambers from each other is particularly advantageous to prevent unwanted leakage currents between the two chambers.
  • first tubes are arranged in a juxtaposition of two mutually adjacent tube rows and the second tube is arranged below or above or laterally of the two tube rows.
  • a housing which receives the first tubes and the second tube, and which is bounded laterally by the two header boxes, wherein the first tubes and the second tube of second fluid within the housing are flowed around while they can be traversed by a first fluid.
  • a fluid such as a coolant
  • the first fluid can be supplied and discharged via a collecting box, wherein a second fluid can be fed into the housing in the region of the first collecting box and can be removed from the housing in the region of the second collecting box.
  • heat transfer elements such as corrugated ribs
  • the heat transfer elements By the heat transfer elements, the heat transfer between the fluid inside the tubes and the fluid flowing around the tubes can be increased. As a result, the cooling capacity of the heat exchanger can be improved overall.
  • the heat exchanger according to the invention is advantageously an exhaust gas cooler in one embodiment.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a heat exchanger according to the invention
  • Fig. 2 is a perspective view of a heat exchanger according to the invention, wherein the viewer facing the collection box is not shown, whereby an insight into the flow channels is achieved, and
  • Fig. 3 is a further perspective view of a heat exchanger according to Figure 2 wherein in addition, the housing is not shown, whereby an insight into the heat exchanger is achieved.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a heat exchanger 1.
  • the heat exchanger 1 is essentially formed from a housing 2 to which a first collecting box 8 and a second collecting box 9 are connected at the end.
  • the collection box 9 facing away from the viewer has a fluid connection 3 at its upper area.
  • a fluid in the Wirmeübertrager 1 fed or discharged from this.
  • the first collection box 8 is arranged at the end portion of the heat exchanger 1, which faces the viewer.
  • This collecting box 8 has a fluid connection 4, which is in fluid communication with the fluid connection 3 via the housing 2,
  • a fluid can be introduced into the heat exchanger 1 or be discharged from the heat exchanger 1.
  • the collecting box 8 also has a fluid connection 5 and a fluid connection 6 arranged underneath.
  • the fluid connections 5 and 6 are for the Eintial. Discharging a second fluid into the heat exchanger usable.
  • the first fluid is preferably a coolant
  • the second fluid which can be introduced or removed through the fluid ports 5 and 6, is preferably an exhaust gas from an internal combustion engine.
  • the fluid connection 6 has a flange 7, which makes it possible to connect a pipeline, not shown in the figure, to the fluid connection 6.
  • the fluid connection 5 has holding means to which a pipeline can be connected.
  • the fluid which flows into the collecting box 8 via the fluid connection 5 or 6, is distributed within the collecting box to tubes which run inside the housing 2.
  • the exact structure and arrangement of the tubes are shown in the following figures.
  • FIG. 2 shows a perspective view of the heat exchanger 1 according to FIG. 1.
  • the collection box 8 facing the viewer is not shown. This allows a view of the flow channels 11, 12 allows.
  • first flow channels 11 are arranged inside the housing 2 .
  • the first flow channels 11 are arranged in two rows next to each other.
  • a second flow channel 12 is arranged below the two rows of tubes of the first flow channels 11.
  • the second flow channel 12 in this case has a substantially larger flow cross-sectional area than the individual first flow channels 11.
  • the arrangement can also be above or to the side thereof.
  • the sum of the flow cross-sectional areas of the individual first flow channels 11 is greater than the flow cross-sectional area of the second flow channel 12.
  • the sum of the flow cross-sectional areas of the first flow channels 11 has a proportion of more than 50% in the total flow cross-sectional area of the first flow channels 11 and the second flow channel 12 ,
  • the heat exchanger 1 flows through a so-called U-flow principle.
  • the second collection box 9 establishes fluid communication between the uppermost first flow channels 11 and the lower second flow channel 12. Through the second flow channel 12, the fluid finally flows back into the first collection box 8.
  • the first collection box 8 is separated in the interior via a partition in two independent areas.
  • the first upper area stands with the first stream mungskanälen 11 in fluid communication
  • the lower second area is in fluid communication with the lower second flow channel 12.
  • the flow direction through the heat exchanger 1 can also be reversed, so that the second flow channel 12 forms the Hinströmsize between the collecting box 8 and the collecting box 9 and the first flow channels 11, the return flow from the collecting box 9 to the collection box. 8
  • the flow channel 12 has a much lower pressure loss compared to the flow channels 11. This is due to the overall large flow cross-sectional area of the second flow channel 12. The largest part of the cooling of the exhaust gas, which flows through the flow channels 11 and 12, is achieved within the flow channels 11. This is especially re due to the larger wall surface and thus the higher heat transfer area between the exhaust gas and the coolant.
  • the heat exchanger 1 can be influenced by an adaptation of the number of the first flow channels 11 or the size of the second flow channel 12 with regard to the resulting pressure loss and the maximum achievable cooling capacity.
  • FIG. 3 shows a further perspective view of the heat exchanger 1 according to the representation of FIG. 2.
  • the housing 2 is not shown in FIG. It can be seen that the first flow channels 11 are formed by tubes 15 which are arranged in two rows next to one another in a stack arrangement, and the second flow channel 12 is formed by a tube 16.
  • the arrangement of the heat transfer elements is optional.
  • the coolant which can flow into and out of the housing 2 via the fluid connection 3 or 4, can flow around the tubes 15 and 16, respectively. In this way, a maximum possible heat transfer between the exhaust gas in the first and second flow channels 11 and 12 and the cooling medium within the housing 2 is ensured.
  • the number of channels shown and the geometric design of the individual flow channels may differ from the embodiments shown in FIGS. 1 to 3.
  • the embodiment of the heat exchanger shown in FIGS. 1 to 3 is by way of example and should in particular clarify the concept of the invention.
  • Particularly advantageous in the embodiment of the heat exchanger 1 is the recirculation of the exhaust gas through the second flow channel 12, which has a relatively large flow cross-sectional area.
  • the occurring pressure loss for the return flow path can be kept small above this.
  • the heat exchanger 1 shown thus combines the installation space technical advantages of a U-flow heat exchanger 1, which is characterized in particular in that the fluid connections are arranged on only one of the collecting tanks, with the high efficiency of a I - trimströmten heat exchanger.
  • the second flow ungskanai 12 arises for the return flow only a very small pressure loss.
  • the heat exchanger 1 can be built very compact.
  • Figures 1 to 3 are exemplary and are not limiting in nature.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager (1) mit einem ersten Sammelkasten (8), mit einem zweiten Sammelkasten (9) und mit einer Mehrzahl von Rohren (15, 16), wobei die Rohre (15, 16) jeweils endseitig in einem der Sammelkästen (8, 9) aufgenommen sind und eine Fluidverbindung zwischen dem ersten Sammelkasten (8) und dem zweiten Sammelkasten (9) erzeugen, wobei eine erste Anzahl von ersten Rohren (15) vorgesehen ist, die jeweils eine erste Strömungsquerschnittsfläche aufweisen, und zumindest ein zweites Rohr (16) vorgesehen ist, das eine zweite Strömungsquerschnittsfläche aufweist, wobei die erste Strömungsquerschnittsfläche wesentlich geringer ist als die zweite Strömungsquerschnittsfläche.

Description

Wärmeübertrager
Beschreibung
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit einem ersten Sammelkasten, mit einem zweiten Sammelkasten und mit einer Mehrzahl von Rohren, wobei die Rohre jeweils endseitig in einem der Sammelkasten aufgenommen sind und eine Fluidver- bindung zwischen dem ersten Sammelkasten und dem zweiten Sammelkasten erzeugen, wobei eine erste Anzahl von ersten Rohren vorgesehen ist, die jeweils eine erste Strömungsquerschnittsfläche aufweisen, und zumindest ein zweites Rohr vorgesehen ist, das eine zweite Strömungsquerschnittsfläche aufweist.
Stand der Technik
Wärmeübertrager werden in vielfältiger Weise zum Übertragen von Wirme zwischen zwei Fluiden eingesetzt. Hierbei wird ein erstes Fluid mit einem zweiten Fluid in ei- nen Wärmeaustausch gebracht, wodurch die Temperatur des einen Fluids relativ erhöht wird und die Temperatur des anderen Fluids relativ erniedrigt wird. Regelmäßig handelt es sich bei den verwendeten Fluiden beispielsweise um Luft, Kühlflüssigkeit oder ein Kältemittel. Es sind dabei unterschiedliche Bauformen für Wärmeübertrager bekannt. Unter anderem werden Wärmeübertrager in einer Rohr-Rippen-Bauweise eingesetzt. Hier sind eine Mehrzahl von Rohren zueinander beabstandet zwischen zwei Sammelkästen geführt. Ein zu kühlendes Medium kann dabei beispielsweise durch die Rohre strömen, während ein zu erwärmendes Medium um die Rohre strömt, Um den Wärmeübertrag zu verbessern können zwischen den Rohren zusätzlich Wärmeübertragungselemente, wie beispielsweise Wellrippen, vorgesehen sein.
Eine bekannte Bauform sieht dabei einen Wärmeübertrager vor, der in einem sogenannten I-Durchströmungsprinzip durchströmt wird. Dabei strömt das Fluid von einem Sammelkasten in die Rohre und von dort in den zweiten Sammelkasten. Das Fluid wird dabei aus einem Fluidkreislauf in den ersten Sammelkasten eingeleitet und aus dem zweiten Sammelkasten ausgeleitet.
Alternativ kann ein Wärmeübertrager nach dem sogenannten U- Durchströmungsprinzip durchströmt sein. Hierbei wird ein Fluid aus einem Fluidkreislauf in den ersten Sammelkasten eingeleitet. Von dort strömt es durch eine erste An- zahl der Rohre in den zweiten Sammelkasten und von dort über eine zweite Anzahl der Rohre zurück in den ersten Sammeikasten. Von dort wird das Fluid aus dem ersten Sammelkasten ausgeleitet. Der erste Sammelkasten ist dabei beispielsweise durch eine Trennwand in zwei unabhängige Bereiche unterteilt. Die Rohre, weiche die Fluidverbindung vom ersten Sammelkasten in den zweiten Sammelkasten bilden, entsprechen dabei zumeist den Rohren, welche die Fluidverbindung vom zweiten Sammelkasten in den ersten Sammelkasten bilden, in Größe, Form und Anzahl. Der U -durchströmte Wärmeübertrager bietet regelmäßig die doppelte Kühlstrecke im Vergleich zu einem l-durchströmten Wärmeübertrager, gleichzeitig bietet er aber nur die halben Strömungsquerschnittsfläche. Dies ist zwar allgemein positiv für die Kühl¬ leistung des Wärmeübertragers, jedoch zumeist negativ für den auftretenden Druckverlust. Nachteilig an den Lösungen im Stand der Technik ist insbesondere, dass durch die Verwendung der gleichen Rohrdimensionen sowohl für die Fluidverbindung vom ersten in den zweiten Sammelkasten als auch für die Fluidverbindung vom zweiten in den ersten Sammelkasten Rohre der gleichen Dimensionen und oft auch in der gleichen Anzahl zum Einsatz kommen, was sich negativ auf den entstehenden Druck- vertust im U-durchströmten Wärmeübertrager auswirkt.
Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Wärmeübertrager bereitzustellen, der gegenüber den Lösungen im Stand der Technik optimiert ist. Hierzu soll insbesondere der entstehende Druckverlust innerhalb der Wärmeübertragers reduziert werden. Die Aufgabe des Wärmeübertragers wird durch einen Wärmeübertrager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit einem ersten Sammelkasten, mit einem zweiten Sammelkasten und mit einer Mehrzahl von Rohren, wobei die Rohre jeweils endseitig in einem der Sammelkästen aufgenommen sind und eine Fluidverbindung zwischen dem ersten Sammelkasten und dem zweiten Sammelkasten erzeugen, wobei eine erste Anzahl von ersten Rohren vorgesehen ist, die jeweils eine erste Strömungsquerschnittsfläche aufweisen, und zumindest ein zweites Rohr vorgesehen ist, das eine zweite Strömungsquerschnittsfläche aufweist, wobei die erste Strömungsquerschnittsfläche wesentlich geringer ist als die zweite Strömungsquerschnittsfläche.
Dadurch, dass die ersten Rohre jeweils einen kleinere Querschnitt aufweisen als der Querschnitt des einzelnen zweiten Rohres, sind bei gleichem Bauraum mehrere ers- te Rohre verwendbar, insbesondere in einem Rohrbündel, wodurch die resultierende Wärmeübertragerfläche zunimmt, was bedeutet, dass einen größere Kühlleitung erzeugt werden kann.
Der Wärmeübertrager ist nach einem U-Durchströmungsprinzip durchströmt. Das
Fluid wird dabei von einem Sammelkasten über einen Teil der Rohre in den zweiten Sammelkasten geleitet, bevor es über die restlichen Rohre wieder in den ersten Sammelkasten zurückgeleitet wird. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Bauraumspezifikationen nur einen solchen Wärmeübertrager zulassen. Hierbei ist insbesondere die Lage der Fluidanschlüsse an nur einem Sammelkasten vorteilhaft, Die Strömungsquerschnittsfläche des zweiten Strömungskanals ist wesentlich größer als die Strömungsquerschnittsfläche der einzelnen ersten Strömungskanäle. Hierdurch kann vorteilhaft eine Rückströmung mit einem möglichst geringen Druckverlust erzeugt werden. Der zweite Strömungskanal dient dabei im Wesentlichen der Fluid rückführu ng in den ersten Sammelkasten. Der Wärmeübertrag wird hauptsächlich durch die ersten Strömungskanäle realisiert.
Weiterhin ist es zu bevorzugen, wenn die Gesamtströmungsquerschnittsfläche der ersten Rohre einen Anteil an der Gesamtströmungsquerschnittsfläche des Wärmeübertragers einnimmt, der größer ist als die Hälfte, wobei die Gesamtströmungsquer- schnittsfläche des Wärmeübertragers durch die Summe der Strömungsquerschnittsflächen der ersten Rohre und des zweiten Rohrs gebildet ist.
Durch einen größere Gesamtströmungsquerschnittsfläche der ersten Strömungskanäle im Vergleich zur Strömungsquerschnittsfläche des zweiten Strömungskanals kann insbesondere erreicht werden, dass eine möglichst große Strömungsquerschnittsfläche zur Abkühlung des in den Strömungskanälen strömenden Fluids zur Verfügung steht. So kann ein möglichst hoher Wärmeübertrag realisiert werden und trotzdem können die baumraumspezifischen Vorteile eines U-durchströmten Wärmeübertragers genutzt werden. Auch ist es vorteilhaft, wenn die Gesamtströmungsquerschnittsflache der ersten Rohre im Vergleich zur Gesamtströmungsquerschnittsfläche des Wärmeübertragers zwischen 50% und 90% liegt, dabei vorzugsweise zwischen 60% und 80% liegt, dabei vorzugsweise zwischen 70% und 80% liegt. Ein möglichst hoher Anteil der Gesamtströmungsquerschnittsfläche der ersten Strömungskanäle ist vorteilhaft um einen möglichst großen Wärmeübertrag realisieren zu können. Gleichzeitig muss die Strömungsquerschnittsfläche des zweiten Strömungs- kanals groß genug sein, um nicht einen zu großen Druckverlust für das rückströmende Fluid zu erzeugen.
Auch ist es vorteilhaft, wenn der Wärmeübertrager mit einem ersten Fluid ausgehend vom ersten Sammelkasten durch die ersten Rohre zum zweiten Sammelkasten und vom zweiten Sammelkasten durch das zweite Rohr zum ersten Sammelkasten durchströmbar ist. Dies hat den Vorteil, dass zunächst eine stärkere Abkühlung aufgrund der größeren Wärmeübertragerfläche der vielen einzelnen ersten Rohre erfolgt und danach eine weitere Abkühlung mit geringerem Druckverlust im zweiten Rohr erfolgt.
Alternativ ist es zweckmäßig, wenn der Wärmeübertrager mit einem ersten Fluid ausgehend vom ersten Sammelkasten durch das zweite Rohr zum zweiten Sammelkasten und vom zweiten Sammelkasten durch die ersten Rohre zum ersten Sammelkasten durchströmbar ist. Dies hat den Vorteil, dass zunächst eine geringere Abkühlung bei kleinem Druckverlust im zweiten Rohr stattfindet und danach ein stärkeres Abkühlen aufgrund der größeren Wärmeübertragerfläche der vielen einzelnen ersten Rohre erfolgt.
Weiterhin kann es besonders vorteilhaft sein, wenn der Wärmeübertrager mit einem ersten Fluid durchströmbar ist, wobei die Durchströmung ausgehend vom ersten Sammelkasten durch die ersten Rohre zum zweiten Sammelkasten und vom zweiten Sammelkasten durch das zweite Rohr zum ersten Sammelkasten stattfindet. Das U-Durchströmungsprinzip ist besonders vorteilhaft, wenn Bauraumrestriktionen einen Einsatz eine U-durchströmten Wirmeübertragers vorsehen.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste Sammelkasten einen Fluideinlass und einen Fluidauslass aufweist, wobei der erste Sammelkasten in eine erste Kammer und eine zweite Kammer unterteilt ist und die erste Kammer mit den ersten Rohren in Fluidkommunikation steht und die zweite Kammer mit dem zweiten Rohr in Fluidkommunikation steht.
Eine Aufteilung des ersten Sammelkastens in zwei Kammern ist besonders vorteil- halt, um eine Durchströmung nach dem U-Durchströmungsprinzip zu ermöglichen.
Eine fluiddichte Trennung der beiden Kammern voneinander ist besonders vorteilhaft, um ungewollte Schleichströme zwischen den beiden Kammern zu unterbinden.
Auch ist es zu bevorzugen, wenn die ersten Rohre in einer Aneinanderreihung von zwei zueinander benachbarten Rohrreihen angeordnet sind und das zweite Rohr unterhalb oder oberhalb oder seitlich der beiden Rohrreihen angeordnet ist.
Durch eine Aneinanderreihung mehrere Rohrreihen aneinander, kann insgesamt eine größere Wärmeübertragungsfläche erzeugt werden als mit einer geringeren An- zahl an größeren Rohren. Daher kann durch eine solche Anordnung insbesondere auf einem definierten maximalen Bauraum ein größtmöglicher Wärmeübertrag realisiert werden.
Auch ist es vorteilhaft, wenn ein Gehäuse vorgesehen ist, welches die ersten Rohre und das zweite Rohr aufnimmt, und das seitlich von den beiden Sammelkästen begrenzt ist, wobei die ersten Rohre und das zweite Rohr von zweiten Fluid innerhalb des Gehäuses umströmbar sind, während sie von einem ersten Fluid durchströmbar sind. Durch das Vorsehen eines Gehäuses, welches mit einem Fluid, wie beispielsweise einem Kühlmittel, durchströmt werden kann, kann ein vorteilhafter Wärmübertrag zwischen einem Fluid innerhalb der Rohre und einem flüssigen Kühlmittel erreicht werden. Auf diese Weise können regelmäßig größere Wärmemengen abgeführt werden als bei einem Wärmeübertrag zwischen einem ersten Fluid und Luft für den Fall, dass die Luft dabei als Kühlmittel dient. Dies kann insbesondere dann noch gesteigert werden, wenn das flüssige Kühlmittel außerhalb des Wärmeübertragers aktiv abgekühlt wird.
Weiterhin ist es zu bevorzugen, wenn das erste Fluid über einen Sammelkasten zuführbar und abführbar ist, wobei ein zweites Fluid im Bereich des ersten Sammelkastens in das Gehäuse zuführbar ist und im Bereich des zweiten Sammelkastens aus dem Gehäuse abführbar ist.
Auf diese Weise kann ein Fluid, welches die Rohre durchströmt, passend zum U- Durchströmungsprinzip des Wärmeübertragers in diesen eingeströmt und aus diesem abgeführt werden. Gleichzeitig kann das Kühlmittel strömungstechnisch optimal in den Wärmeübertrager eingebracht werden, wodurch eine möglichst große Kühlwirkung erreicht werden kann.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass zwischen den ersten Rohren und dem zweiten Rohr Wärmeübertragungselemente, wie beispielsweise Wellrippen, vorgesehen sind und/oder dass in den ersten Rohren Wärmeübertragungselemente, wie beispielsweise Winglets, vorgesehen sind.
Durch die Wärmeübertragungselemente kann der Wärmeübertrag zwischen dem Fluid im Inneren der Rohre und dem Fluid, welches die Rohre umströmt, vergrößert werden. Dadurch kann die Kühlleistung des Wärmeübertragers insgesamt verbessert werden.
Auch kann es zweckmäßig sein, wenn neben der Mehrzahl von ersten Rohren eine Mehrzahl von zweiten Rohren vorgesehen ist, wobei die Anzahl der zweiten Rohre wesentlich geringer ist als die Anzahl der ersten Rohre. Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager ist bei einem Ausführungsbeispiel vorteilhaft ein Abgaskühier.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug- nähme auf d ie Zeichnungen detailliert erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Fig.1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers, wobei der dem Betrachter zugewandte Sammelkasten nicht dargestellt ist, wodurch ein Einblick in die Strömungskanäle erreicht wird, und
Fig. 3 eine weitere perspektivische Ansicht eines Wärmeübertragers gemäß Fig.2 wobei zusätzlich auch das Gehäuse nicht dargestellt ist, wodurch ein Einblick in den Wärmeübertrager erreicht wird.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung Die Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Wärmeübertragers 1. Der Wärmeübertrager 1 ist im Wesentlichen aus einem Gehäuse 2 gebildet, an welches end- seitig ein erster Sammelkasten 8 sowie ein zweiter Sammelkasten 9 angeschlossen sind. Der dem Betrachter abgewandte Sammelkasten 9 weist einen Fluidanschluss 3 an seinem oberen Bereich auf. Über diesen Fluidanschluss 3 kann ein Fluid in den Wirmeübertrager 1 zugeführt bzw. von diesem abgeführt werden. An dem Endbereich des Wärmeübertragers 1 , welcher dem Betrachter zugewandt ist, ist der erste Sammelkasten 8 angeordnet. Dieser Sammelkasten 8 weist einen Fluidanschluss 4 auf, welcher über das Gehäuse 2 mit dem Fluidanschluss 3 in Fluidkommunikation steht,
Über die Fluidanschlüsse 3, 4 kann ein Fluid in den Wärmeübertrager 1 eingeleitet bzw. aus dem Wärmeübertrager 1 abgeleitet werden.
Der Sammelkasten 8 weist weiterhin einen Fluidanschluss 5 sowie einen darunter angeordneten Fluidanschluss 6 auf. Die Fluidanschlüsse 5 und 6 sind für das Einbzw. Ausleiten eines zweiten Fluids in den Wärmeübertrager verwendbar. Bei dem ersten Fluid handelt es sich dabei vorzugsweise um ein Kühlmittel und bei dem zweiten Fluid, welches durch die Fluidanschlüsse 5 bzw. 6 ein- bzw. ausgeleitet werden kann, handelt es sich vorzugsweise um ein Abgas von einem Verbrennungsmotor.
Innerhalb des Wärmeübertragers 1 findet ein Wärmeübertrag zwischen dem Kühlmittel und dem Abgas statt.
Der Fluidanschluss 6 weist einen Flansch 7 auf, welcher es ermöglicht, eine im Bild nicht gezeigte Rohrleitung an den Fluidanschluss 6 anzuschließen. Der Fluidanschluss 5 weist Haltemittel auf, an welche eine Rohrleitung angeschlossen werden kann.
Das Fluid, welches über den Fluidanschluss 5 bzw. 6 in den Sammelkasten 8 ein- strömt, wird innerhalb des Sammelkastens auf Rohre verteilt, welche innerhalb des Gehäuses 2 verlaufen. Der genaue Aufbau und die Anordnung der Rohre sind in den nachfolgenden Figuren gezeigt.
Das Gehäuse 2 des Wärmeübertragers 1 hat insgesamt eine rechteckige bzw. qua- derförmige Grundform. Die Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Wärmeübertragers 1 gemäß der Fig. 1. In der Ansicht der Fig. 2 ist der dem Betrachter zugewandte Sammelkasten 8 nicht dargestellt. Dadurch ist ein Blick auf die Strömungskanäle 11 , 12 ermöglicht.
Im Inneren des Gehäuses 2 ist eine Mehrzahl von ersten Strömungskanälen 11 an- geordnet. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 sind die ersten Strömungskanäle 11 in zwei Reihen nebeneinander angeordnet.
Unterhalb der beiden Rohrreihen der ersten Strömungskanäle 11 ist ein zweiter Strömungskanal 12 angeordnet. Der zweite Strömungskanal 12 weist dabei eine wesentlich größere Strömungsquerschnittsfläche auf als die einzelnen ersten Strömungskanäle 11. Alternativ kann die Anordnung auch oberhalb oder seitlich davon sein.
Insgesamt ist die Summe der Strömungsquerschnittsflächen der einzelnen ersten Strömungskanäle 11 größer als die Strömungsquerschnittsfläche des zweiten Strömungskanals 12 Vorteilhafterweise hat die Summe der Strömungsquerschnittsflächen der ersten Strömungskanäle 11 einen Anteil von mehr als 50% an der Gesamt- strömungsquerschnittsfläche der ersten Strömungskanäle 11 und des zweiten Strömungskanals 12.
Der Wärmeübertrager 1 , wie er in den Fig. 1 bis 3 dargestellt ist, ist nach einem sogenannten U-Durchströmungsprinzip durchströmt. Dies bedeutet, dass das Fluid, welches durch die Strömungskanäle 11 bzw. 12 strömt, über einen Sammelkasten 8 in den Wärmeübertrager 1 einströmt. Von dort strömt es über die ersten Ström ungs- kanäle 11 in den zweiten Sammelkasten 9. Der zweite Sammelkasten 9 stellt eine Fluidkommunikation zwischen den oben liegenden ersten Strömungskanälen 11 und dem unten liegenden zweiten Strömungskanal 12 her. Durch den zweiten Strömungskanal 12 strömt das Fluid schließlich wieder in den ersten Sammelkasten 8. Der erste Sammelkasten 8 ist dabei im Inneren über eine Trennwand in zwei unabhängige Bereiche getrennt. Der erste obere Bereich steht dabei mit den ersten Strö- mungskanälen 11 in Fluidkommunikation, der untere zweite Bereich steht dabei mit dem unteren zweiten Strömungskanal 12 in Fluidkommunikation.
Die Strömungsrichtung durch den Wärmeübertrager 1 kann dabei auch umgekehrt werden, so dass der zweite Strömungskanal 12 die Hinströmstrecke zwischen dem Sammelkasten 8 und dem Sammelkasten 9 bildet und die ersten Strömungskanäle 11 die Rückströmstrecke vom Sammelkasten 9 zum Sammelkasten 8.
Zwischen den einzelnen Rohren 15, welche die ersten Strömungskanäle 11 ausbilden, sind vorteilhafterweise Wärmeübertragungselemente 13, wie beispielsweise Wellrippen angeordnet. Diese sind in den Fig. 1 und 2 aufgrund des Gehäuses 2 nicht zu erkennen. Ebenfalls sind zwischen den Rohren 15, welche die ersten Strömungskanäle 11 bilden und dem Rohr 16, welches den zweiten Strömungskanal 12 bildet, Wärmeübertragungselemente 13, wie beispielsweise Wellrippen angeordnet. Die Rohre 15 bzw. 16 im Inneren des Gehäuses 2 sind dabei von einem Fluid, insbesondere einem Kühlmittel, umströmt. Das Kühlmittel wird dabei über den Fluidan- schluss 3 bzw. über den Fluidanschluss 4 in das Gehäuse 2 eingeströmt, so dass es innerhalb des Gehäuses 2 die Rohre 15 bzw. 16 umströmen kann. Auf diese Weise wird ein vorteilhafter Wärmeübertrag zwischen dem Abgas, welches innerhalb der ersten Strömungskanäle 11 bzw. des Strömungskanals 12 strömt, auf das Kühlmittel, welches um die Rohre 15 bzw. 16 strömt, sichergestellt.
Durch die Rückströmstrecke, welche durch den einzelnen Strömungskanal 12 gebildet ist, ist es möglich, den Rückstrom derart zu realisieren, dass dabei nur ein gerin- ger Druckverlust entsteht. Der Strömungskanal 12 weist im Vergleich zu den Strömungskanälen 11 einen wesentlich geringeren Druckverlust auf. Dies liegt in der insgesamt großen Strömungsquerschnittsfläche des zweiten Strömungskanals 12 begründet. Der größte Teil der Abkühlung des Abgases, welches durch die Strömungskanäle 11 bzw. 12 strömt, wird innerhalb der Strömungskanäle 11 erreicht. Dies ist insbesonde- re auf die größere Wandfläche und damit die höhere Wärmeübertragungsfläche zwischen dem Abgas und dem Kühlmittel zurückzuführen.
Vorteilhafterweise kann der Wärmeübertrager 1 durch eine Anpassung der Anzahl der ersten Strömungskanäle 11 bzw. der Größe des zweiten Strömungskanals 12 hinsichtlich des entstehenden Druckverlusts und der maximal erzielbaren Kühlleistung beeinflusst werden.
Die Fig. 3 zeigt eine weitere perspektivische Ansicht des Wärmeübertragers 1 gemäß der Darstellung der Fig. 2. Zusätzlich ist in Fig. 3 das Gehäuse 2 nicht darge- stellt. Es ist dabei zu erkennen, dass die ersten Strömungskanäle 11 durch Rohre 15 gebildet sind, die in zwei Reihen nebeneinander in einer Stapelanordnung angeordnet sind, und der zweite Strömungskanal 12 durch ein Rohr 16 gebildet ist.
Zwischen den Rohren 15 und 16 sind Zwischenbereiche 14 gebildet, welche mit Wärmeübertragungselementen 13 ausgefüllt sind. Die Anordnung der Wärmeübertragungselemente ist dabei optional. Das Kühlmittel, welches über den Fluidan- schluss 3 bzw. 4 in das Gehäuse 2 ein- bzw. ausströmen kann, kann die Rohre 15 bzw. 16 umströmen. Auf diese Weise ist ein maximal möglicher Wärmeübertrag zwischen dem Abgas in den ersten und dem zweiten Strömungskanal 11 bzw. 12 und dem Kühlmedium innerhalb des Gehäuses 2 sichergestellt.
In alternativen Ausführungsformen können insbesondere die Anzahl der gezeigten Kanäle sowie die geometrische Gestaltung der einzelnen Strömungskanäle von den in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Ausführungsformen abweichen. Die in den Fig. 1 bis 3 gezeigte Ausführung des Wärmeübertragers ist beispielhaft und soll insbesondere den Erfindungsgedanken verdeutlichen. Besonders vorteilhaft an der Ausführung des Wärmeübertragers 1 ist die Rückführung des Abgases durch den zweiten Strömungskanal 12, welcher eine verhältnismäßig große Strömungsquerschnittsfläche aufweist. Über diesen kann insbesondere der auftretende Druckverlust für die Rück- strömstrecke gering gehalten werden. Der gezeigte Wärmeübertrager 1 verbindet somit die bauraumtechnischen Vorteile eines U-durchströmten Wärmeübertragers 1 , welches sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass die Fluidanschlüsse an nur einem der Sammelkästen angeordnet sind, mit der hohen Leistungsfähigkeit eines I -durchströmten Wärmeübertragers. Durch den zweiten Ström ungskanai 12 entsteht für die Rückströmstrecke nur ein sehr geringer Druckverlust. Gleichzeitig kann der Wärmeübertrager 1 sehr kompakt gebaut werden.
Die Fig. 1 bis 3 sind beispielhaft und besitzen keinen beschränkenden Charakter.

Claims

Patentansprüche
1. Wärmeübertrager (1 ) mit einem ersten Sammelkasten (8), mit einem zweiten Sammelkasten (9) und mit einer Mehrzahl von Rohren (15, 16), wobei die Rohre (15, 16) jeweils endseitig in einem der Sammelkästen (8, 9) aufgenommen sind und eine Fluidverbindung zwischen dem ersten Sammelkasten (8) und dem zweiten Sammelkasten (9) erzeugen, wobei eine erste Anzahl von ersten Rohren (15) vorgesehen ist, die jeweils eine erste Strömungsquerschnittsfläche aulweisen, und zumindest ein zweites Rohr (16) vorgesehen ist, das eine zweite Strömungsquerschnittsfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Strömungsquerschnittsfläche wesentlich geringer ist als die zweite Strömungsquerschnittsfläche,
2. Wärmeübertrager (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtströmungsquerschnittsfläche der ersten Rohre (15) einen Anteil an der Gesamtströmungsquerschnittsfläche des Wärmeübertragers (1) einnimmt, der größer ist als die Hälfte, wobei die Gesamtströmungsquerschnittsfläche des
Wirmeübertragers (1 ) durch die Summe der Strömungsquerschnittsflächen der ersten Rohre (15) und des zweiten Rohrs (16) gebildet ist.
3. Wärmeübertrager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtströmungsquerschnittsfläche der ersten Rohre (15) im Vergleich zur Gesamtströmungsquerschnittsfläche des Wärmeübertragers (1 ) zwischen 50% und 90% liegt, dabei vorzugsweise zwischen 60% und 80% liegt, dabei vorzugsweise zwischen 70% und 80% liegt.
4. Wärmeübertrager (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (1 ) mit einem ersten Fluid ausgehend vom ersten Sammelkasten (8) durch die ersten Rohre (15) zum zweiten Sammelkasten (9) und vom zweiten Sammelkasten (9) durch das zweite Rohr (16) zum ersten Sammelkasten durchströmbar ist.
5. Wärmeübertrager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (1) mit einem ersten Fluid ausgehend vom ersten Sammelkasten (8) durch das zweite Rohr (16) zum zweiten Sammelkasten (9) und vom zweiten Sammelkasten (9) durch die ersten Rohre (15) zum ersten Sammelkasten (8) durchströmbar ist,
6. Wärmeübertrager (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Sammelkasten (8) einen Fluideinlass (5, 6) und einen Fluidauslass (5, 6) aufweist, wobei der erste Sammelkasten (8) in eine erste Kammer und eine zweite Kammer unterteilt ist und die erste Kammer mit den ersten Rohren (15) in Fluidkommunikation steht und die zweite Kammer mit dem zweiten Rohr (16) in Fluidkommunikation steht.
7. Wärmeübertrager (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Rohre (15) in einer Aneinanderreihung von zwei zueinander benachbarten Rohrreihen angeordnet sind und das zweite Rohr (16) unterhalb oder oberhalb oder seitlich der beiden Rohrreihen angeordnet ist.
8. Wärmeübertrager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuse (2) vorgesehen ist, welches die ersten Rohre (15) und das zweite Rohr (16) aufnimmt, und das seitlich von den beiden Sammelkästen (8, 9) begrenzt ist, wobei die ersten Rohre (15) und das zweite Rohr (16) von zweiten Fluid innerhalb des Gehäuses (2) umströmbar sind, während sie von einem ersten Fluid durchströmbar sind.
9. Wärmeübertrager (1 ) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Fluid über einen Sammelkasten (8) zuführbar und abführbar ist, wobei ein zweites Fluid im Bereich des ersten Sammelkastens (8) in das Gehäuse (2) zuführbar ist und im Bereich des zweiten Sammelkastens (9) aus dem Gehäuse (2) abführbar ist.
10. Wärmeübertrager (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den ersten Rohren (15) und dem zweiten Rohr (16) Wärmeübertragungselemente (13), wie beispielsweise Wellrippen, vorgesehen sind und/oder dass in den ersten Rohren (15) Wärmeübertragungselemente, wie beispielsweise Winglets, vorgesehen sind.
11. Wärmeübertrager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass neben der Mehrzahl von ersten Rohren (15) eine Mehrzahl von zweiten Rohren (16) vorgesehen ist, wobei die Anzahl der zweiten Rohre (16) wesentlich geringer ist als die Anzahl der ersten Rohre (15).
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