DE10143092A1

DE10143092A1 - Gegenstromwärmetauscher mit thermischer Schichtung zur Kabinenbeheizung von Kraftfahrzeugen

Info

Publication number: DE10143092A1
Application number: DE2001143092
Authority: DE
Inventors: Johann Himmelsbach
Original assignee: AutomotiveThermoTech GmbH
Current assignee: AutomotiveThermoTech GmbH
Priority date: 2001-09-03
Filing date: 2001-09-03
Publication date: 2003-03-20

Abstract

Bei einer Heizungsvorrichtung für Kraftfahrzeuge mit einem Kabinenheizkreislauf, in dem Kühlmittel an einer Wärmequelle erwärmt und mittels einer Pumpe zum Kabinenwärmetauscher gefördert wird, am Kabinenwärmetauscher Wärme an die in die Kabine geförderte Luft abgibt und dann zurück zur Wärmequelle strömt, wird durch eine Reihenschaltung von mindestens 3 Kreuzstromwärmetauschern eine Gegenstromcharakteristik des Wärmeübergangs im Kabinenwärmetauscher erzielt. Gleichzeitig wird eine thermische Schichtung mit Erhöhung der Luftaustrittstemperatur im unteren Wärmetauscherbereich dadurch erzeilt, dass die Kühlmittelzuflüsse der einzelnen Kreuzstromwärmetauscher unten angeordnet sind und die Kühlmittelabflüsse oben, wobei das Kühlmittel von den oben angeordneten Kühlmittelabflüssen mittels Einzelrohren an die unteren Kühlmittelzuflüsse des jeweils nachfolgenden Kreuzstromwärmetauschers geleitet wird. DOLLAR A Es werden verschiedene Bauvarianten, einschließlich einer Variante mit im Stapel liegend eingebauten Kreuzstromwärmetauschern, vorgestellt, die selbst bei ganz besonders geringen Kühlmittelvolumenströmen und kleinen Leitungsquerschnitten eine sichere Funktion mit guter Heizleistung gewährleisten.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Heizungsvorrichtung für Kraftfahrzeuge mit einem Kabinenheizkreislauf, in dem Kühlmittel an einer Wärmequelle erwärmt und mittels einer Pumpe zum Kabinenwärmetauscher gefördert wird, am Kabinenwärmetauscher Wärme an die in die Kabine geförderte Luft abgibt und dann zurück zur Wärmequelle strömt.
Es ist bekannt, dass der Wirkungsgrad des Kabinenwärmetauschers, die wärmeaktiven Massen des Heizkreislaufs und die Temperaturverteilung entlang des Heizkreislaufs maßgebliche Parameter bei der Verbesserung der Kabinenheizleistung sind. Vor diesem Hintergrund ist es auch bekannt, dass es bei der Beheizung von PKW durchaus vorteilhaft sein kann, von der üblicherweise eingesetzten Kabinenwärmetauscherbauart im Kreuzstrom zu Wärmetauschern mit Gegenstromcharakteristik überzugehen, obwohl diese i. a. bauartbedingt einen erhöhten wasserseitigen Druckverlust aufweisen. Dabei ist es eine unangenehme Eigenschaft der Gegenstrombauweise, dass sie im Gegensatz zur Kreuzstrombauweise nicht die einfache Möglichkeit bietet, eine gezielte thermische Schichtung der Luftaustritttemperatur in der Art zuzulassen, dass unten, d. h. nahe des Fußraums, eine erhöhte Temperatur vorliegt. Bei der Kreuzstrombauweise ist dies z. B. auf einfache Weise möglich, indem bei diesem die Wärmetauscherrohre von unten nach oben durchströmt werden. Der wasserseitige Temperaturabfall des Kabinenwärmetauschers von üblicherweise ca. 5-8K findet sich dann mehr oder weniger zwangsläufig auch in der Luftaustrittstemperatur aus dem Kabinenwärmetauscher, so dass eine Temperaturschichtung in einer Größenordnung vorliegt, wie diese aus Komfortgründen i. a. angestrebt ist.
Es ist ebenfalls bekannt, mittels der Reihenschaltung mehrer Kreuzstromwärmetauscher unter Verwendung gemeinsamer Wasserkästen eine Gegenstromcharakteristik des Wärmetauschers zu erzielen. Auch hier stellt sich das Problem, dass es sehr schwierig ist, eine thermische Schichtung der Luftaustrittstemperatur zu realisieren: Je mehr man sich durch eine möglichst große Anzahl von Kreuzstromwärmetauschern dem hohen Wirkungsgrad der optimalen Gegenstromwärmeübertragung annähert, desto weniger thermische Schichtung kann realisiert werden. Darüber hinaus ist hier eine thermische Schichtung nur mit Anordnungen möglich, die in Bezug auf die Entlüftung des Heizkreislaufs und gegebenenfalls auch in Bezug auf die Entlüftung des gesamten Mortorkühlsystems nicht unproblematisch sind. Die Entlüftung wird hierbei insbesondere umso problematischer, je geringer die Kühlmitteldurchflüsse sind. Gerade deutlich reduzierte Kühlmitteldurchflüsse sind aber für zukünftige Heizkreisläufe von besonderem Interesse.
Konventionelle Gegenstromwärmetauscher weisen zwar das Entlüftungsproblem nicht auf, sind aber nicht zuletzt aus Package- und Fertigungsgründen der Variante mit der Reihenschaltung mehrer Kreuzstromwärmetauscher deutlich unterlegen.
Demgegenüber hat die erfindungsgemäße Vorrichtung die Aufgabe, die Gegenstromcharakteristik zu realisieren und dennoch eine hinreichend große thermische Schichtung ohne Probleme beim Befüllen und mit der Entlüftung während der Fahrt zu ermöglichen. Die Heizvorrichtung soll hierbei auch für kleine Kühlmittelvolumenströme geeignet sein und die verfügbare Wärmetauscherfläche möglichst effizient nutzen. Insbesondere soll das Verhältnis von Aufwand zu Nutzen besser sein, als bei der Anwendung eines konventionellen Gegenstromwärmetauschers, und es sollen bereits verfügbare Bauelemente und Fertigungseinrichtungen heutiger Wärmetauscherfertigung weiterverwendet werden können.
Diese Aufgaben werden von dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher gemäß des Patentanspruchs 1 gelöst.
Dabei wird die Gegenstromcharakteristik z. B. unter Verwendung bekannter Bauteile auf einfache Weise durch eine Reihenschaltung von 3 oder mehr Kreuzstromwärmetauschern erzeugt. Die einzelnen Kreuzstromwärmetauscher werden alle in gleicher Richtung vom Kühlmittel durchströmt, so dass sich eine thermische Schichtung entlang der einzelnen Kreuzstromwärmetauscher und damit auch der Luftaustritttemperatur einstellt. Dabei ist zu beachten, dass der Kühlmittelvolumenstrom nicht zu groß ist, da sonst der Wärmeabfall bei der Durchströmung der einzelnen Kreuzstromwärmetauscher zu gering ist, um eine nennenswerte thermische Schichtung zu bewirken. Da insbesondere thermische Schichtungen von mehr als 5K angestrebt werden, ist hier eine konventionelle Gestaltung des Kühlmitteldurchflusses mit einem Gesamttemperaturabfall des Kühlwassers von 5-8K am Kabinenwärmetauscher nicht zielführend.
In einer speziellen Ausgestaltung mit von unten nach oben durchströmten Wärmetauscherrohren sorgt des Wärmeabfall entlang der Rohre für die thermische Schichtung und die von oben nach unten führenden Einzelrohre sorgen mittels einer erhöhten Strömungsgeschwindigkeit für eine ausreichende Entlüftung. Dies ist ganz besonders wichtig, um die erfindungsgemäße Wärmetauscherbauart aufgabengemäß auch für sehr geringe Kühlmittelvolumenströme einsetzen zu können. Darüber hinaus wird in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Kühlmittelvolumenstrom ganz bewusst auf den Wert reduziert, der genau den richtigen kühlwasserseitigen Temperaturabfall für die thermische Schichtung mit sich bringt. Um die Schichtung bei unterschiedlicher Gebläsestellung aufrechtzuerhalten, ist hierbei insbesondere eine zusätzliche Reduktion mit abnehmendem Luftmassenstrom vorteilhaft.
Mit besonders wenig Aufwand können bei der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung verfügbare Wärmetauscherbaugruppen weiterverwendet werden, wenn die einzelnen Kreuzstromwärmetauscher zur Erhöhung des wasserseitigen Wärmeübergangs zu einzelnen Rohrgruppen zusammengefasst werden und mäanderförmig durchströmt werden.
Fig. 1a, 1b und 1c zeigen in einem Quer- und Längsschnitt sowie einer Seitenansicht (1c) eine besonders einfache und effektive Ausgestaltung eines solchen Wärmetauschers, bei dem Wärmeübertragungsrohre 50 von einem Serienwärmetauscher in Kreuzstrombauart weiterverwendet werden können.
In jedem Einzelwärmetauscher sind 5 Wärmetauscherrohre 50 mittels der Trennbleche 55 zu einer Rohrgruppe zusammengefasst und horizontal liegend angeordnet. 4 Rohrgruppen bilden einen Kreuzstromwärmetauscher mit jeweils einem rechten und linken Wasserkasten 51 und 52. Die Zuströmung 53 zu den Wasserkästen der einzelnen Kreuzstromwärmetauscher erfolgt unten, die Abströmung 54 oben. Dabei verbinden Einzelrohre 56, die von oben nach unten durchströmt werden, die einzelnen Kreuzstromwärmetauscher.
Durch die liegende Anordnung der einzelnen Rohrgruppen mit einer mäanderförmigen Durchströmung von unten nach oben erfolgt eine problemlose Entlüftung der einzelnen Kreuzstromwärmetauscher. Die Verbindung der einzelnen Kreuzstromwärmetauscher mit relativ kleinen, bevorzugt runden, Einzelrohren 56 führt trotz des geringen Kühlmittelvolumenstroms auf relativ hohe Strömungsgeschwindigkeiten, so dass Gasblasen problemlos mitgerissen werden und sogar entgegen der Schwerkraft nach unten transportiert werden können. Dabei hilft nicht nur der geringe Querschnitt sondern insbesondere auch die runde Form zur Minimierung von Oberflächenspannungseffekten beim Vorhandensein von Lufteinschlüssen. Die mäanderförmiger Zusammenfassung der Rohrgruppen ist bei diesem Ausgestaltungsbeispiel jedoch nicht nur gewählt worden, um hohe Strömungsgeschwindigkeiten und einen guten Wärmeübergang zu realisieren.
Vielmehr stellt sich aufgrund des geringen Kühlmittelvolumenstroms eine thermische Schichtung der Luftaustrittstemperatur ein, d. h. die Luft ist unten wärmer als oben. Diese Schichtung verbessert nicht nur den Wirkungsgrad, sie ist bei richtiger Ausgestaltung des Heizgeräts ideal für die Beheizung der Kabine gemäß der allgemein bekannten Strategie "Kalter Kopf und warme Füße".
Der relativ hohe Druckverlust durch die vielen Strömungsumlenkungen ist angesichts der erfindungsgemäßen Auslegung ebenfalls ein hilfreicher Zusatzeffekt. Speziell der Druckverlust durch die vielen Umlenkungen hilft, dass der Druckverlust bei warmem Kühlmittel und damit geringer Viskosität nicht zu sehr abfällt, so dass der Kühlmitteldurchsatz weniger variiert.
In Anwendungen, wo weniger Druckverlust erwünscht ist, kann die mäanderförmige Ausgestaltung auch entfallen. Zur Erzielung der thermischen Schichtung müssen die Wärmetauscherrohre dann aber senkrecht stehen. Außerdem ist es dann u. U. notwendig, die Wärmetauscherrohre mit einer Innenverrippung zur Verbesserung des Wärmeübergangs zu versehen. Damit ist einer Wärmetauscherauslegung ohne allzu große Rücksicht auf bereits am Markt befindliche Baugrößen der Wärmetauscherrohre bzw. ohne Begrenzung der Anzahl der Einzelrohre der Weg gewiesen. Dabei wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß Fig. 2 anstelle der mäanderförmigen Strömung durch zu Rohrgruppen zusammengefasste Einzelrohre jeder einzelne Kreuzstromwärmetauscher in voller Breite durchströmt.
Die Wasserkästen sind nicht mehr seitlich, sondern oben und unten, wobei die einzelnen Kreuzstromwärmetauscher durch die Bleche 57 voneinander getrennt werden. Die Wärmetauscherrohre 50 werden alle von unten nach oben durchströmt. Wahlweise kann dabei zur Verbesserung des wasserseitigen Wärmeübergangs eine zusätzliche Innenverrippung der Wärmetauscherrohre vorgesehen werden, oder es wird die Bautiefe der einzelnen Kreuzstromwärmetauscher und damit deren wasserseitiger Strömungsquerschnitt reduziert. Die letztere Variante hat einerseits den Nachteil, dass mehr Kreuzstromwärmetauscher und damit mehr Einzelrohre benötigt werden. Andererseits nähert man sich damit mehr und mehr der optimalen Gegenstromcharakteristik an.
Die Ausgestaltungsvariante mit senkrecht stehenden bzw. schräg nach oben geführten und auf voller Breite von unten nach oben durchströmten Wärmetauscherrohren der einzelnen Kreuzstromwärmetauscher ist nicht zuletzt deshalb besonders attraktiv, weil sie eine besonders problemlose Entlüftung aller Wärmetauscherrohre auch bei schräger Lage des Kabinenwärmetauschers sicherstellt. Das vereinfacht zum einen den Fahrzeugeinbau, ist aber auch von ganz besonderem Interesse, weil die Entlüftung sehr unempfindlich gegen eine Neigung des Fahrzeugs beim Befüllen oder eine starke Neigung der Fahrbahn, z. B. in Geländefahrzeugen, ist.
Zur Vereinfachung der Fertigung und des Einbaus ins Heizgerät können die von oben nach unten durchströmten Einzelrohre 56 auch in die Matrix des Wärmetauschers integriert werden (Fig. 3). Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, auch die Umlenkung im Wasserkasten zu plazieren, so wie dies in Fig. 3 exemplarisch mit der Umlenkabdeckung 58 erfolgt. Ebenso können Fertigungsgründe dafür sprechen, die im Vergleich zur Strömungsgeschwindigkeit in den Wärmetauscherrohren 50 auf ein Vielfaches erhöhten Strömungsgeschwindigkeiten in den Einzelrohren 56 zur Verbindung der Kreuzstromwärmetauscher dadurch zu realisieren, dass statt des Einzelrohrs mehrere ganz besonders kleine Rohre mit einer äquivalenten Gesamtquerschnittsfläche verwendet werden. Dabei ist es vorteilhaft, die Querschnittsfläche in der gleichen Größenordnung zu wählen, wie den Querschnitt der Kühlmittelleitungen. Wärmetauscher der erfindungsgemäßen Bauart weisen in ihrer optimalen Ausgestaltung Anschlussstutzen für Kühlmittelleitungen mit einem Innendurchmesser von 6 mm und weniger auf. Der Temperaturabfall ist bei hoher Wärmeentnahme bevorzugt in der Größenordnung von 30K und mehr. Diese Maßnahmen minimieren zum einen Gewicht und wärmeaktive Masse des Wärmetauschers und der Kühlmittelleitungen. Zum andern ergibt gerade der große Temperaturabfall nicht nur eine Reduktion der wärmeaktiven Masse des gesamten Heizkreislaufs, sondern er bewirkt auch die gewünschte Temperaturschichtung. Darüber hinaus folgen aus den Abmessungen der Schlauchleitungen unschätzbare Vorteile bezüglich des Package im Heizgerät und vor allem im Motorraum. Hieran ist nicht nur das benötigte Eigenvolumen der Leitungen beteiligt, sondern vor allem die Möglichkeit die Leitungen in sehr engen Radien zu verlegen. Speziell im Hinblick auf die Vernetzung verschiedener Wärmequellen kommt der wärmeaktiven Masse und dem benötigten Bauraum der Kühlmittelleitungen eine ganz besondere Bedeutung zu.
Je nach Einbausituation im Fahrzeug und je nach Heizgerät kann es vorteilhaft sein, den Einbau des erfindungsgemäßen Wärmetauschers liegend vorzunehmen, d. h. die Wärmetauscherrohre verlaufen horizontal und die einzelnen Kreuzstromwärmetauscher sind liegend übereinander gestapelt. Auch hier ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers unter Verwendung der Einzelrohre dazu geeignet, eine thermische Schichtung zu bewirken. So wird z. B. der Wärmetauscher gemäß Fig. 2 bei liegendem Einbau problemlos arbeiten, der Verlauf der thermischen Schichtung wird allerdings zunächst horizontal verlaufen. In dieser liegenden Anordnung wird man, im Gegensatz zu den bisherigen Ausführungen, die Einbaulage der Einzelrohre zur besseren Entlüftung zwar bevorzugt mit Durchströmung von unten vornehmen, doch ist dies nicht zwingend. Bei der erfindungsgemäßen Auslegung auf kleinen Durchmesser und hohe lokale Strömungsgeschwindigkeiten in den Einzelrohren kann je nach Package-Situation eine Durchströmung von oben nach unten, horizontal oder von unten nach oben vorteilhaft sein. Wichtig ist jedoch die Integration der horizontal vorliegenden thermischen Schichtung ins Heizgerät. Diese muss durch eine entsprechende Gestaltung der Luftführung oder der Luftentnahmestellen am Wärmetauscheraustritt so erfolgen, dass die wärmere Luft für den Fußbereich genutzt wird.

Claims

1. Heizungsvorrichtung für Kraftfahrzeuge mit einem Kabinenheizkreislauf, in dem Kühlmittel an einer Wärmequelle erwärmt und mittels einer Pumpe zum Kabinenwärmetauscher gefördert wird, am Kabinenwärmetauscher Wärme an die in die Kabine geförderte Luft abgibt und dann zurück zur Wärmequelle strömt, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Reihenschaltung von mindestens 3 Kreuzstromwärmetauschern eine Gegenstromcharakteristik des Wärmeübergangs im Kabinenwärmetauscher erzielt wird, und dass zur verstärkten Beheizung des Fußraums im Kabinenwärmetauscher eine thermische Schichtung mit lokaler Erhöhung der Luftaustrittstemperatur dadurch erzielbar ist, dass die Kühlmittelzuflüsse der einzelnen Kreuzstromwärmetauscher auf einer gemeinsamen ersten Seite und die Kühlmittelabflüsse auf einer gemeinsamen, der ersten Seite gegenüberliegenden, zweiten Seite angeordnet sind, und das Kühlmittel von den jeweiligen Kühlmittelabflüssen mittels Einzelrohren an die Kühlmittelzuflüsse des nachfolgenden Kreuzstromwärmetauschers geleitet wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich durch eine Begrenzung des Kühlmitteldurchsatzes eine thermische Schichtung von mindestens 5K Temperaturdifferenz zwischen den Luftaustritttemperaturen im Nahbereich der ersten gemeinsamen Seite und den Luftaustrittstemperaturen im Nahbereich der zweiten gemeinsamen Seite der einzelnen Kreuzstromwärmetauscher des Kabinenwärmetauschers ergibt.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kabinenwärmetauscher auf einen hohen Wirkungsgrad bereits bei geringem Kühlmitteldurchsatz ausgelegt ist, so dass sich zumindest zeitweise ein kühlmittelseitiger Temperaturabfall von über 30K ergibt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelzuflüsse der einzelnen Kreuzstromwärmetauscher unten angeordnet sind und die Kühlmittelabflüsse oben, wobei das Kühlmittel von den oben angeordneten Kühlmittelabflüssen mittels Einzelrohren an die unten angeordneten Kühlmittelzuflüsse des nachfolgenden Kreuzstromwärmetauschers geleitet wird.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Dimensionierung einzelner Baugruppen des Heizkreislaufs oder einer Regelung ein geringer Kühlmittelvolumenstrom realisiert wird.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Kreuzstromwärmetauscher zur Erhöhung des wasserseitigen Wärmeübergangs jeweils zu einzelnen Rohrgruppen zusammengefasst und mäanderförmig durchströmt werden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Rohrgruppen horizontal liegend angeordnet sind, die Kühlmittelzuströmung zu den Wasserkästen der einzelnen Kreuzstromwärmetauscher unten liegt und die Abströmung oben.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt der Einzelrohre zur Verbindung der einzelnen Kreuzstromwärmetauscher so bemessen ist, dass sich darin eine wesentlich größere Strömungsgeschwindigkeit ergibt, als in den einzelnen Rohrgruppen.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelrohre zur Verbindung der einzelnen Kreuzstromwärmetauscher einen runden Querschnitt aufweisen.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5 sowie 8-9, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Wärmetauscherrohre der Kreuzstromwärmetauscher senkrecht oder zumindest schräg nach oben ausgerichtet stehen, von unten nach oben durchströmt werden und das Kühlmittel jeweils über ein Einzelrohr vom oberen Austritt zum nachfolgenden unteren Eintritt strömt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelrohre zur Verbindung der einzelnen Kreuzstromwärmetauscher innerhalb der Wärmetauschermatrix eingebaut sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel zunächst durch ein Einzelrohr zur Verbindung der einzelnen Kreuzstromwärmetauscher und dann innerhalb des Wasserkastens zum nachfolgenden Kreuzstromwärmetauscher weitergeleitet wird.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelleitungen, der Anschlussstutzen der Kühlmittelleitungen an Kabinenwärmetauscher und Wärmequelle sowie die Einzelrohre zur Verbindung der einzelnen Kreuzstromwärmetauscher einen Innendurchmesser von weniger als 6 mm aufweisen.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Kreuzstromwärmetauscher übereinander gestapelt sind, so dass die Wärmetauscherrohre in den einzelnen Kreuzstromwärmetauschern jeweils parallel und auf gleicher Höhe horizontal durchströmt werden, wodurch die thermische Schichtung zunächst ebenfalls horizontal vorliegt, und dass durch die Luftführung des Heizgeräts die wärmere Luft des Kabinenwärmetauscheraustritts für den Fußbereich verwendet wird.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-14, dadurch gekennzeichnet, dass eine im Vergleich zur Strömungsgeschwindigkeit in den Wärmetauscherrohren 50 auf ein Vielfaches erhöhte Strömungsgeschwindigkeit in den Einzelrohren 56 zur Verbindung der Kreuzstromwärmetauscher dadurch realisiert wird, dass statt eines Einzelrohrs 56 mehrere ganz besonders kleine Rohre 56 mit einer äquivalenten Gesamtströmungsquerschnittsfläche verwendet werden.