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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 und
bei dem das Kühlmittel
im Kabinenwärmetauscher
durch in Reihe geschaltete Stufen mit jeweils einer Vielzahl parallel
durchströmter
Kühlmittelkanäle strömt, in denen
die Heizleistung kühlmittelseitig übertragen
und mittels Außenberippung
an die in die Kabine geförderte
Luft übertragen
wird.
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Es ist bekannt, dass die Durchsätze von Kühlmittel
und Luft, der Wirkungsgrad des Kabinenwärmetauschers, die wärmeaktiven
Massen des Heizkreislaufs und die Temperaturverteilung entlang des
Heizkreislaufs maßgebliche
Parameter bei der Verbesserung der Kabinenheizleistung sind.
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Eine anhand aktueller Berechnungen
und Versuchsergebnisse nachgewiesene Verbesserung der Kabinenheizleistung
mittels Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes – bis noch
vor wenigen Jahren wurde dies als physikalisch nicht sinnvoll erachtet – reagiert
vor diesem Hintergrund sehr sensibel auf den bei gegebenem Package
und Gewicht erreichbaren Kabinenwärmetauscherwirkungsgrad.
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Dies gilt zum einen für die in
dieser spezifischen Anwendung aufgrund des prinzipbedingt wesentlich
besseren Wirkungsgrads bevorzugt für den Kabinenwärmetauscher
zu verwendende Gegenstrombauart, noch wesentlich mehr aber für Anwendungen
mit der bis heute in KFZ i.a. noch zu findende Kreuzstrombauweise.
Wie die am Markt verfügbaren Kabinenwärmetauscher
in Kreuzstrombauart zeigen, sind diese nicht oder nur sehr bedingt
dazu geeignet, um über
eine Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes eine
Verbesserung der Heizleistung zu erzielen. Die Gesamtsystemvorteile
bezüglich
der geringeren aufzuheizenden wärmeaktiven
Masse bei höherem Temperaturgradienten über Kabinenwärmetauscher und
Motor werden durch die Wirkungsgradeinbußen konvenzioneller Kreuzstromwärmetauscher
bei Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes
weitgehend aufgezehrt. Ansatzpunkte für zusätzliche Verbesserungen der
für KFZ üblichen
Kreuzstrombauart, z.B. über
eine Erhöhung
der Rippendichte auf der Luftseite, Erhöhung der Anzahl der Wasserrohre,
Turbulatoren bzw. Zusatzrippen auf der Wasserseite etc., sind bekannt,
doch zeigen Versuche an entsprechenden Prototypen deren Begrenztheit
im realen Fahrzeugbetrieb, ganz zu schweigen von den assoziierten
Package-Problemen.
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Vor diesem Hintergrund wird sich
voraussichtlich in den meisten Anwendungen mitttel- bis langfristig
die Gegenstrombauweise durchsetzen. Für die Übergangsphase machen insbesondere
die potenzielle Weiternutzung bestehender Fertigungseinrichtungen
und das Potenzial – unter
Inkaufnahme von Wirkungsgradeinbußen – mit einem geringeren Druckverlust
bzw. höheren
Durchflussregelbereich zu arbeiten, auch Wirkungsgradverbesserungen
für den
unteren Durchflussbereich bei Kreuzstrombauweise bedeutsam.
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Die Untersuchung einer Vielzahl im
Serieneinsatz zu findender KFZ-Wärmetauscher
und zu Versuchszwecken zur zusätzlichen
Wirkungsgradsteigerung entworfener Prototypen zeigt in diesem Zusammenhang
nicht nur starke Wirkungsgradstreuungen in Abhängigkeit von der Bauart, sondern
sogar bei baugleichen Typen, u.a. in Abhängigkeit von den Fertigungstoleranzen,
vom Alterungs- bzw. Verschmutzungszustand, der Kühlmittelzusammensetzung und
vom Aufheizgradienten des Motors bzw. des Kühlmittels sowie dem zeitlichen
Profil des Luftdurchsatzes.
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Eine maßgebliche Schlussfolgerung
aus diesen Untersuchungen ist, dass die für maximalen Heizungswirkungsgrad
anzustrebende Gleichverteilung des Kühlmittels durch die einzelnen
Wärmetauscherzonen
im praktischen Einsatz nur mit zusätzlichem Aufwand oder mit Unsicherheiten
bezüglich
eines robusten Langzeitbetriebs erzielbar ist. Dies gilt bereits bei
mittleren Kühlmitteldurchsätzen, ganz
besonders aber bei den oben angesprochenen kleinen Kühlmitteldurchsätzen. Insbesondere
folgt für
die Anwendung bisher bekannter KFZ-Heizungswärmetauscherbauarten in Kreuzstrombauweise
bzw. im „U-Flow", dass hier mit starken
Einschränkungen
bezüglich
des bei gegebenem Package robust realisierbaren Wirkungsgrads zu
rechnen ist. Dies gilt ganz grundsätzlich, in verstärktem Maße aber
bei den motorkühlungstypischen
Einschränkungen
bezüglich des
Minimalquerschnitts der Kühlkanäle im Heizungswärmetauscher
zur Vermeidung der Kanalverstopfung durch Schmutzpartikel.
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Demgegenüber hat die erfindungsgemäße Vorrichtung
die Aufgabe, den Wirkungsgrad von KFZ-Heizungswärmetauschern in Gegenstrom-
und Kreuzstrombauart bei weitgehend unveränderten Außenabmessungen zu steigern
und diesen gesteigerten Wirkungsgrad dauerhaltbar und mit geringer
Störungsanfälligkeit,
insbesondere mit Langzeitkonstanz des Wirkungsgrades bei unterschiedlicher
Kühlmittelzusammensetzung,
unterschiedlichem Gesamtkühlmitteldurchsatz
und unterschiedlichem Wärmeentzug
aus dem Kühlmittel
bereitzustellen, so dass der Anwendungsbereich der für hohe Heizleistung
nutzbaren Kühlmitteldurchsätze in Richtung
kleiner Kühlmitteldurchsätze erweitert
wird.
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Diese Aufgabe wird von dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher
gemäß Patentanspruch
1 gelöst.
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Die Reihenschaltung mehrerer Stufen
und das Aufteilen der Kühlmittelkanäle der einzelnen
Stufen mit mindestens 2 Trennwänden,
d.h. in mindestens drei, bevorzugt aber noch deutlich mehr, Kanalgruppen,
führt dazu,
dass ein Quervermischen in den einzelnen inneren Wasserkästen minimiert
bzw. völlig
eliminiert wird. Dies bewirkt eine Addition der Druckverluste der
in Reihe geschalteten Kanalgruppen, wodurch sich Fertigungstoleranzen „herausmitteln", so dass ein etwas
zu großer
Druckverlust in einer Kanalgruppe wesentlich weniger bewirkt, dass die
Strömung
in benachbarte Kanalgruppen ausweicht und somit der lokale Wärmeübergang
einbricht. Je größer die
Anzahl der parallelen Kanalgruppen, desto geringer wird hierbei
die Sensitivität,
dass anstelle einer Umlenkung von Kanal zu einem benachbarten Kanal
der gleichen Kanalgruppe eine Umlenkung von Kanalgruppe zu Kanalgruppe
erfolgt.
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Der fehlende Druckausgleich in den
inneren Wasserkästen
reduziert darüber
hinaus die Empfindlichkeit des ersten und letzten Wasserkastens
auf die Position der Wasseranschlüsse, d.h. auch bei nicht optimaler
Positionierung oder bei geringem Wasserkastenvolumen wirken sich
die Einströmbedingungen
sowie die Strömungsbedingungen
zur Verteilung auf die einzelnen Kanalgruppen weniger aus. Diese strömungsvergleichmäßigende
Wirkung ist um so größer, je
größer der
additive Druckverlust in den einzelnen Stufen relativ zu den Ein-
und Ausströmverlusten
bzw. der statischen Druckverteilung aufgrund des Strömungsfeldes
im ersten und letzten Wasserkasten ist. Deshalb ist es besonders
vorteilhaft, möglichst
viele Stufen und relativ geringe Kanalquerschnitte zu verwenden,
da hierdurch der additive Druckverlust in den Stufen steigt. Da
die Auslegung erfindungsgemäß in Richtung
kleinen Durchsatzes und großen
Kühlmitteltemperaturabfalls
von 25K und mehr erfolgt, eröffnet
sich hier ein besonders erweiterter Auslegungsspielraum.
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Als Mittel zur Herabsetzung des Durchflusses
dienen hierbei bevorzugt die Dimensionierung der Kühlmittelkanäle sowie
die Anzahl der Stufen. Falls zeitweise auch höhere Kühlmitteldurchsätze zum
Einsatz kommen sollen, kann aber auch zusätzlich ein externes Stellglied
Verwendung finden.
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Bevorzugt wird dabei eine Ausgestaltung
mit so vielen Stufen vorgenommen, dass einerseits eine hinreichend
robuste Gleichverteilung der Kühlmitteldurchsätze resultiert
und andererseits aber auch genügend
wasserseitige Wärmeübergangsfläche verfügbar ist,
um den angestrebten Temperaturabfall von mehr als 25K mit hohem
Wirkungsgrad zu realisieren. Dabei ist es vorteilhaft, zur Minimierung
der wärmeaktiven
Massen mit möglichst
kleinen Kühlmittelschlauchdurchmessern,
bevorzugt kleiner als 11 mm Innendurchmesser zu arbeiten. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung
mit erhöhtem
Druckverlust durch Verwirbelung innerhalb des Wärmetauschers macht einen robusten
Betrieb eines Kabinenwärmetauschers
mit derartig dünnen
Wasseranschlussleitungen möglich.
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Wie Versuche gezeigt haben, ist es
mit erfindungsgemäß ausgestalteten
Heizungswärmetauschern
besonders vorteilhaft, die Druckverluste des Kabinenwärmetauschers
deutlich über
das heute im KFZ übliche
Niveau anzuheben und mittels einer kleinen el. Zusatzpumpe das erforderliche
Druckniveau bereitzustellen. Die Kosten für die el. Pumpe werden hierbei
durch Kostenvorteile im Gesamtsystem bei weitem aufgefangen. Neben
der verbesserten Heizleistung bei richtiger Abstimmung des Kühlmittel-
und Luftdurchsatzes im Fahrzeug sind hier u.a. die Einsparungen
durch den Entfall des el. Kühlwasserventils
zu Heizungsregelung, die kleineren Leitungsquerschnitte mit Materialkostenvorteilen
und Packagevorteilen aufgrund der kleineren Biegeradien von ganz besonderer
Bedeutung. Wie Messungen am Fahrzeug zeigen, ist es in diesem Zusammenhang
möglich,
mit Schlauchinnendurchmessern von 6 mm und weniger auszukommen.
Derart kleine Schlauchdurchmesser führen nicht nur zu einer signifikanten Reduktion
der wärmeaktiven
Masse, sondern sie ermöglichen
es, für
die Kabinenheizung nicht die übliche
fahrzeug- und motorspezifische Maßanfertigung mit den motorspezifschen
Biegeradien der Schläuche
zu verwenden, sondern konventionelle Meterware. Die hieraus folgenden
Kostenvorteile bei Fertigung und Lagerhaltung sind erheblich.
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1, 1 b und 1 c zeigen eine Kreuzstromvariante des
erfindungsgemäßen Wärmetauschers.
Dabei zeigt 1a einen Längsschnitt durch
beide Wasserkästen 1 und 6 sowie
die innenverrippten Kühlwasserrohre 7 und
luftseitigen Rippen 8. 1 b
zeigt einen Schnitt durch den Wasserkasten 1 auf der Schlauchanschlussseite
und 1c einen Schnitt durch den Umlenkwasserkasten 6.
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Die bevorzugte Einbaulage ist am
Gravitationspfeil g ersichtlich, wobei sich bei entlüftungsgerechter
Positionierung des Wasserabflusses 3 nahe an der höchsten wasserbefüllten Position
innerhalb des Wasserkastens auch Einbaulagen geneigt bis hin zu
einer horizontalen Lage der Wasserkästen realisieren lassen. Für stehende
Wasserrohre hingegen ist der Wärmetauscher
aufgrund der erfindungsgemäßen Betriebsweise
mit geringem Durchsatz aus Entlüftungsgründen weniger
geeignet.
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Für
einen robusten Betrieb mit hohen Temperaturdifferenzen des Kühlmittels
sind zum einen die Trennbleche 4 und 5 eingefügt, die
den Wärmetauscher
vierstufig ausgestalten. Diese mehrstufige Ausgestaltung, bevorzugt
mit 4 oder mehr Stufen, ist u.a. deshalb besonders vorteilhaft,
weil in den Umlenkungen innerhalb der Wasserkästen stets ein erheblicher
Anteil des dynamischen Drucks durch Verwirbelung dissipiert wird.
Eine möglichst
hohe Anzahl an Stufen hat daher den Vorteil, dass diese Form der Durchflussbegrenzung
bzw. Druckanpassung weniger sensitiv auf temperaturbedingte Variationen
der momentanen bzw. lokalen Viskosität reagiert als die rein viskose
Dissipation durch besonders kleine Kanalquerschnitte. Bereits aus
diesem Grunde ist der efindungsgemäße Wärmetauscher gemäß 1 bisher bekannten ein-
und zweistufigen Kreuzstromkabinenwärmetauschern überlegen,
ganz zu schweigen von deren Problemen mit der Gleichverteilung des
Durchflusses bei hohem Temperaturabfall von 25K und mehr. Zur weiteren
Erhöhung
der Robustheit gegen Störungen
der Strömungsgleichverteilung sind
zusätzlich
die Trennbleche 9a und 10a an den Ein- bzw. Austritten
des Kühlmittels
aus den innenverrippten Rohren 7 eingefügt sowie die Trennbleche 9b und 10b zwischen
den innenverrippten Rohren 7. Diese Trennbleche führen in
Verbindung mit den Trennblechen 4 und 5 dazu,
dass 4 parallele Strömungskanäle gebildet
werden, die sich abgesehen von gegebenenfalls zugelassenen Leckagen
nur im Nahbereich des Kühlmitteleintritts 2 und
des Kühlmittelaustritts 3 innerhalb
des Wasserkastens 1 mischen. Hieraus folgt die bereits
diskutierte Addition der Druckverluste über vier Stufen, verbunden
mit der Mittelung der Toleranzen in Fertigung und Temperaturverteilung
und den entsprechenden Vorteilen bezüglich der Strömungsgleichverteilung
sowie der Robustheit des Kabinenwärmetauscherwirkungsgrades.
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Die efindungsgemäße Ausgestaltung in Richtung
relativ großer
Druckverluste durch Verwirbelung an den Umlenkstellen der Wasserkästen hilft hierbei,
die bei hohem Temperaturabfall unvermeidbaren Viskositätseffekte
in tolerierbaren Grenzen zu halten. Daneben hat der efindungsgemäße Wärmetauscher
den Vorteil, dass bereits die Basis bei homogener Temperaturverteilung
eine besonders gute Gleichverteilung der Strömung aufweist. Die selbstverstärkende Wirkung,
dass geringer Durchfluss einen höheren
Temperaturabfall zu Folge hat und diese viskositätsbedingt wiederum eine zusätzliche
Reduktion des Durchflusses, wird so deutlich abgemildert.
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Zur weiteren Reduktion des Risikos,
dass die der kalten Luftseite zugewandten Kühlwasserkanäle bei hohem Wärmeentzug
bzw. Temperaturabfall im Kühlmittel
im Durchfluss stark abfallen, ist es besonders vorteilhaft, diese
Zone so auszugestalten, dass diese bei homogener Temperaturverteilung
des Kühlmittels
einen reduzierten Druckverlust aufweisen, so dass sich bei maximaler
Heizleistungsentnahme und damit hoher Temperaturdifferenz die angestrebte Gleichverteilung
des Kühlmitteldurchsatzes
annähernd
einstellt. Exemplarisch für
diese Vorgehensweise zeigen 2a–2c entsprechend angepasste Wasserkästen, bei
denen auf der kalten Seite – erkennbar
durch den Luftpfeil u – der
Basisdruckverlust dadurch abgesenkt ist, dass dort eine erhöhte Anzahl von
Strömungskanälen parallel
liegt, d.h. es sind auf der kalten Seite weniger bzw. gar keine
Trennbleche 9a und 10a vorgesehen. Diese Ausgestaltung
hat insbesondere den zusätzlichen
Vorteil, dass der hohe Temperaturabfall des Kühlmittels keine überdimensionale
Zunahme des Druckverlusts aufgrund der starken Zähigkeitszunahme von Kühlmittel
bewirkt.
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Eine analoge Vorgehensweise zeigen 3a–3c. Hier sind die Trennbleche 10a und 10b nur
im Umlenkwasserkasten 6 angebracht. Eine derartige Anwendung
hat durch die Begrenzung auf zwei Stufen einen reduzierten wasserseitigen
Druckverlust, verbunden mit den entsprechenden Einbußen bezüglich der
Robustheit des Wirkungsgrades, insbesondere gegen Fertigungstoleranzen
und Temperaturschichtungen. Deshalb ist hier der Zwischenboden 11 mit
Lochblenden eingefügt,
wobei in Richtung erwärmter
Luft eine abnehmender Lochdichte vorgesehen ist. Hierdurch wird
im Heizbetrieb auf der kalten Seite eine Anpassung des Durchflusses
an den Durchfluss auf der warmen Seite bewirkt. Dabei liegt es in
der Natur dieser Lösung,
dass die Anpassung nur näherungsweise
und für
einen bestimmten Betriebspunkt erzielt werden kann. Hieran ist nicht
zuletzt die stark nichtlineare Temperaturabhängigkeit der Viskosität der üblichen
KFZ-Kühlmittel
maßgeblich
beteiligt. Die Lochbleche helfen hier allerdings signifikant, die
Sensitivität
auf die Temperatur zu reduzieren. Dabei zeigt die in 3a–3c gewählte
Position einen Kompromiss bezüglich
der Fertigungskosten, um die Kosten für den Einbau des Lochblechs
im Wasserkasten 1 zu sparen. Dadurch sind die Lochbleche
nicht direkt am Kühlmitteleintritt,
d.h. nicht an der absolut heißesten
Stelle mit absolut gleichen Stoffdaten für alle Kanäle platziert sind, um das Maximum
an Gleichverteilung zu realisieren. Selbst bei Entfall des Lochblechs 11 ist
der Wärmetauscher
gemäß 3a–3c den heute üblichen KFZ-Kreuzstromwärmetauschern aufgrund die Leitbleche 10a und 10b noch überlegen.
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Ist eine ganz besonders gute Konstanz
des Wirkungsgrades und damit der Gleichverteilung des Durchflusses
gefordert, so ist es besonders vorteilhaft, Regelbzw. Stellglieder
in die parallel liegenden Zweige einzufügen. Da ohnehin ein relativ großer Druckverlust
angestrebt ist, lassen sich hier im einfachsten Fall einfache federbelastete
Ventile auf der warmen Seite verwenden. Die Anordnung auf der warmen
Seite hat hierbei den Vorteil, dass alle parallel liegenden Ventile
annähernd
der gleichen Kühlmitteltemperatur
ausgesetzt sind und damit die gleiche Viskosität vorliegt. Dies kommt der
Strömungsgleichverteilung
zu gute. Gleichzeitig können
auf der warmen Seite sehr kleine Ventile eingesetzt werden, um den
Soll-Druckverlust der Ventile klein zu halten.
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Neben dem Primärziel der Stabilisierung der Strömungsgleichverteilung
und damit des Wärmetauscherwirkungsgrades
helfen die Trennbleche 9a, 9b, 10a und 10b,
dass es innerhalb der inneren Wasserkästen nicht zu einem Temperaturausgleich
durch Vermischung kommt. Dies liefert einen signifikanten Zusatzbeitrag
zur Verbesserung des Wärmetauscherwirkungsgrades,
insbesondere bei Kreuzstrombauart der einzelnen Stufen, da die Temperaturschichtung
des Kühlwassers
in den einzelnen Strömungskanälen in Richtung
der erwärmten
Luft aufrecht erhalten wird. Ohne diese Trennbleche geht diese in
jeder Umlenkstufe durch Vermischung verloren.
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4a–4c zeigt eine ganz besonders vorteilhafte
Variante der erfindungsgemäßen Stufung
bzw. Separierung der Kühlmittelströmungskanäle zur Stabilisierung
des Wirkungsgrades von KFZ-Heizungswärmetauschern, bei der durch
die Reihenschaltung der Stufen gleichzeitig eine Gegenstromcharakteristik
des Wärmeübergangs
erzielt wird. Die Teile 4a und 4b sind hier die
Trennwände
und die Teile 9a, 9b sowie 10a, 10b bilden
hier die Stufen, d.h. die Wirkung ist umgekehrt im Vergleich zur
Verwendung der Kreuzstromanordnung gemäß 1–3c.
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Dabei ist die Reihenschaltung mehrerer
Stufen zur Erzielung eines Gegenstromeffekts des Wärmeübergangs
in Bezug auf eine Vergleichmäßigung der
Kühlmitteldurchströmung in
den einzelnen Rohren grundsätzlich
hilfreich, da hieraus eine Erhöhung der
Strömungsgeschwindigkeit
des Kühlmittels
resultiert. Diese verbessert nicht nur den wasserseitigen Wärmeübergang
sondern reduziert auch die Sensibilität bezüglich Ungleichverteilung des
Kühlmitteldurchsatzes
bei geringem Gesamtkühlmitteldurchsatz.
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Bei der erfindungsgemäßen Weitergestaltung
der bekannten Gegenstrom-Heizungswärmetauschertypen
in Richtung sehr geringer Durchflüsse und hohen Temperaturabfalls
verbessert die hohe Stufenanzahl unter Einführung der Trennbleche 4a und 4b die
Robustheit nicht zuletzt deshalb signifikant, weil der dynamische
Druck relativ zu temperaturbedingten Dichte- bzw. Druckgradienten
erhöht wird.
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Ohne diese stabilisierenden Maßnahmen weist
auch die Gegenstrombauweise – zwar
schwächer
aber sonst ganz analog zur oben beschriebenen Kreuzstrombauweise – im Zusammenhang
mit der praktischen Realisierung höchster Wirkungsgrade bei geringem
Kühlmitteldurchfluss
vielfach die Eigenart auf, dass der Kühlmitteldurchfluss in den parallel liegenden
Rohrreihen speziell bei relativ geringen Kühlmitteldurchsätzen und
starkem Temperaturabfall des Kühlmittels
relativ empfindlich auf toleranzbedingte Unterschiede des lokalen
Druckverlustes, der lokalen Wärmeentnahme
sowie der lokalen Temperatur und ganz besonders der Zuund Abströmbedingungen
im ersten und letzten Wasserkasten reagiert. Ungleichverteilungen
des Kühlmitteldurchsatzes
und damit Einbrüche
des Wärmeübergangs
an einzelnen schwach durchströmten
Zonen können
so bereits bei geringen Maßabweichungen
oder sonstigen Störungen
entstehen.
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Diese Probleme lassen sich zwar teilweise auch
ohne die erfindungsgemäßen Verbesserungen durch
ein entsprechendes Design, insbesondere durch die Einschränkung der
Fertigungstoleranzen etc. aber auch durch Erhöhung des Bauvolumens der Wasserkästen sowie
die Positionierung und Ausgestaltung der Kühlmittelanschlüsse eingrenzen,
doch sind hieran u.a. Nachteile bezüglich Package, Gewicht und
wärmeaktiver
Masse gekoppelt. Die Unterbindung des Queraustauschs in allen „Teilwässerkästen" des Umlenkwasserkastens 6 sowie
den inneren „Teilwasserkästen" des Wasserkastens 1 auf
der Anschlussseite wirkt hier in der bereits ausführlich beschriebenen
Weise stabilisierend auf die Strömungsgleichverteilung
in allen Zonen des Wärmetauschers.
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Wie anhand der Kreissymbole 7a mit
Kreuz für
die Einströmung
und 7b mit Punkt für
die Ausströmung
exemplarisch für
den Wasserkasten 1 gezeigt, weist die heiße Seite
4 nacheinander durchströmte Kühlmittelkanäle innerhalb
eines Wasserrohrs 7 auf, während auf der kalten Seite
jeweils 2 solcher Kanäle zusammengefasst
sind und nacheinander durchströmt
werden. Eine übermäßige Zunahme
des Drucks durch den Anstieg der Viskosität in Richtung Kühlwasseraustritt
wird hierdurch vermieden. Dies ist grundsätzlich wichtig, um den Druckverlust
in Grenzen zu halten. Darüber
hinaus ist diese Maßnahme aber
auch hilfreich, um sicherzustellen, dass nicht durch die Dominanz
des viskositätsbedingten
Druckverlustes in der kalten Zone am Wärmetauscheraustritt doch wieder
eine Sensibilisierung der Strömungsgleichverteilung
resultiert.
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Durch eine besonders vorteilhafte
Abstimmung der Druckverluste in den einzelnen Stufen, bei der in
der heißen
Zone, insbesondere in der ersten Stufe, besonders hohe Druckverluste
erzeugt werden, lässt
sich die Sensibilität
des Wärmetauscherwirkungsgrades
weitgehend eliminieren, ohne den Gesamtdruckverlust allzu sehr in
die Höhe
zu treiben. Diese Druckverlusterhöhung kann zum einen mittels Verwirbelungseinbauten,
insbesondere mit Lochblechen induziert werden. Einfacher und energetisch
effizienter ist es jedoch, einfach die Druckverluste in der ersten
Stufe dadurch zu erhöhen,
dass der Kanalquerschnitt verkleinert wird bzw. zusätzliche
Innenrippen eingesetzt werden. Die Druckverluste dienen in dieser
Ausgestaltung der ersten Stufe bei Verwendung des Gegenstromwärmetauschers ähnlich 4a gleichzeitig zur Verbesserung des Wärmeübergangs
und der Stabilisierung der Strömungsgleichverteilung.
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Der Wärmetauscher gemäß 4a–4c ist mit den erfindungsgemäßen Verfeinerungen
durch einen außerordentlich
hohen Wirkungsgrad gekennzeichnet und darüber hinaus extrem robust gegen potenzielle
Störungen,
insbesondere durch Bautoleranzen, Verschmutzung einzelner Kanäle, Kühlmitteleintrittstemperatur,
Temperaturabfall etc..
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Entlüftungsprobleme sind – analog
zu den Ausführungen
zu 1 – nicht
zu erwarten, solange die Wärmetauscherrohre
horizontal eingebaut sind.
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Die optimale Anzahl von Stufen richtet
sich wie bereits beschrieben u.a. nach den Randbedingungen bezüglich der
Druckverluste und zum Teil auch der zulässigen Größe des Wasserkastens.
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Besonders effektiv in Bezug auf minimalen Bauraum
und minimale wärmeaktive
Masse zukünftiger
Heizungen in KFZ sind Anwendungen, bei denen die Anzahl der in Reihe
geschalteten Stufen mindestens so groß ist, dass die zur Bereitstellung
des Wärmeübergangs
für die
Beheizung der Kabine mit geringen Kühlmittelströmen und hohem Kühlmitteltemperaturabfall
erforderliche Rippendichte der innenverrippten Kühlmittelrohre auf mindestens
eine Diagonale des Strömungskanalquerschnitts
der Kühlmittelrohre
von mehr als 1,0 mm, und insbesondere auf eine bevorzugte Höhe von mehr
als 1,5 mm und eine Breite von mehr als 0,7 mm führt. Dies erscheint angesichts
der heute für
den Durchschnittsfachmann verfügbaren
Messdaten und Erfahrungen sowie angesichts der entsprechenden Handbücher zur
Heizungsauslegung in Verbindung mit der zusätzlich neu hinzukommenden Anforderung
nach höchsten
Wirkungsgraden bei kleinem Kühlmitteldurchsatz
zunächst
als deutlich zu grobmaschig für
die Bereitstellung eines hinreichenden wasserseitigen Wärmeübergangs
bei dem in KFZ verfügbaren
Packegevolumen. Erst die Kenntnis bezüglich des Zusammenspiels der
efindungsgemäßen Maßnahmen
zur Verbesserung des Wirkungsgrads und dessen Robustheit gegen Störgrößen führen auf
diese Dimensionsvorgaben. Entsprechend gröbere Vorgaben bezüglich der
Verschmutzungsspezifikation beim Motor- und Fahrzeughersteller sind
ein signifikanter Wettbewerbsvorteil des erfindungsgemäßen Wärmetauschers.
Dabei sind die erfindungsgemäß bevorzugten
Abmessungen mit innenverrippten Flachrohren mit Kanalhöhen größer als
1,5 mm und Kanalbreiten größer 0,7
mm – im
Vergleich zu heute üblicherweise eingesetzten
Flachrohren mit Turbulatoren und somit deutlich weniger als 1,0
mm lichter Höhe – bezüglich potentieller
Verstopfung eher weniger kritisch zu werten. Die Diagonale eines
Kanals von mehr als 1,5 × 0,7
ermöglicht
in diesem Zusammenhang das Durchspülen relativ großer Partikel,
die in Motorkühlsystemen,
insbesondere durch abplatzende Schichten, sehr häufig stark von der Kugelform
abweichen. Zur Maximierung des Wärmeübergangs
bzw. Optimierung des Packagevolumens sind die Kanäle hierbei bevorzugt
stehend angeordnet, d.h. es ergibt sich eine Dicke des Falchrohrs
von mehr als 1,5 mm zuzüglich
der zweifachen Wandstärke.
Diese bezüglich der
potenziellen Verblockung der Kanäle
anhand der lichten Höhe
für Schmutzpartikel
gemachte Aussage wird noch bestärkt
durch die Tatsache, dass die erfindungsgemäße Ausgestaltung vielfach durchaus
auf Strömungsgeschwindigkeiten
in den Kanälen
führt, die
vergleichbar oder sogar größer sind
als bei heutigen Kreuzstromwärmetauschern
und erst recht als bei der potenziellen Anwendung der heutigen Kreuzstromwärmetauscher
bei künstlich
reduziertem Durchfluss und wasserseitige Temperaturdifferenzen von
mehr als 25K.
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Dabei ist die efindungsgemäß in Anspruch genommene
Grenze von mehr als 25K Temperaturabfall zwischen Wärmetauscherein-
und -austritt bei hohem bis vollem Heizbedarf in der Kabine unter dem
Gesichtspunkt gewählt,
eine absolut zweifelsfreie Abgrenzung gegenüber dem heutigen Stand der Technik
mit Kreuzstromwärmetauschern
zu gewährleisten.
Die praktische Erprobung der efindungsgemäßen Wärmetauscher zeigt, dass bei
sorgfältiger Systemabstimmung
noch wesentlich höhere
Temperaturdifferenzen für
optimale Heizwirkung bzw. minimalen Kraftstoffverbrauch vorteilhaft
sind. Dies gilt für
efindungsgemäß optimierte
Kreuzstromwärmetauscher
in spezifischen Anwendungen und ganz besonders für efindungsgemäß optimierte
Gegenstromwärmetauscher,
bei denen aktuelle Anwendungen mit Temperaturdifferenzen von mehr
als 50K die beste Heizwirkung lieferten. Erst die efindungsgemäßen Maßnahmen
erlauben es, ohne unkalkulierbare Risiken in diese Regionen des
Durchflusses für
die in der KFZ-Serienanwendung
doch sehr weit streuenden Betriebsbedingungen vorzustoßen.
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Da die Anzahl der Trennwände nur
wenig Einfluss auf den Druckverlust hat, können bei besonderem Bedarf
an Strömungsgleichverteilung
auch deutlich mehr als 2 Trennwände
vorgesehen werden. Im Extremfall kann sogar beim Wärmetauscher
gemäß 4a–4c jeder Kanal eine Trennwand gegen Strömungsquerausgleich
erhalten, da der Wasserkasten 1 die Entlüftung sicherstellt.
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Die Möglichkeiten, bei Kreuzstrombauart über unterschiedliche
Basisdruckverluste in den Kühlmittelrohren
der einzelnen Stufen bei homogener Temperatur eine allmähliche Anpassung
des Durchsatzes bei zunehmendem Wärmeentzug zu bewirken, wurden
bereits beschrieben. Ebenso wurde bereits ausgeführt, dass eine Stufung der
Basisdruckverluste bei Gegenstrombauart Vorteile liefert. Diese
Druckverlustanpassung kann wahlweise über den lokalen Querschnitt
bzw. die Geometrie der durch die Innenverrippung der Rohre gebildeten Strömungskanäle erfolgen
oder durch die Verwendung einer größeren Anzahl an Einzelrohren
unterschiedlichen hydraulischen Durchmessers sowie durch die unterschiedliche
Zusammenfassung der Kanäle
bzw. Einzelrohre.
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Um die beschriebenen Vorteile bezüglich der Druckverluststufung
in Richtung kälterer
Kanäle
auf der kalten Luftseite zu realisieren, erfolgt im einfachsten
Fall eine Gruppierung von 1, 2, 3 etc. Kanälen. Diese Gruppierung hat
den ganz besonderen Vorteil, dass der aus Verschmutzungsgründen erforderliche Mindestdurchmesser
bzw. Querschnitt für
alle Stufen verwendet werden kann. Damit ist sichergestellt, dass
das Maximalpotenzial bezüglich
Bauraumoptimierung und Innenverrippung im gesamten Wärmetauscherbereich
genutzt wird. Diese Vorgehensweise ist sowohl für Kreuz- und Gegenstrombauweise
vorteilhaft anwendbar.