DE19519633A1 - Ladeluftkühler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ladeluftkühler mit einem Rippen­ rohrblock, der insbesondere aus Flachrohren und jeweils zwi­ schen diesen angeordneten lamellenartigen Wellrippen aufge­ baut und in einen festen Rahmen eingesetzt ist, der aus zwei gegenüberliegenden Wasserkästen und aus zwei diese verbinden­ den Seitenteilen aufgebaut ist.

Es ist bekannt, daß bei Ladeluftkühlern dieser Art,die insbe­ sondere für Großmotoren und Motoren für Nutzfahrzeuge verwen­ det werden, auf der Ladelufteintrittsseite Lufttemperaturen von bis zu 250°C auftreten können. Die Wandtemperaturen der Rohre auf der Lufteintrittsseite können daher höher als 110°C werden, so daß im Inneren der Rohre eine schädliche Siedekon­ densation auftreten kann.

Um diese zu starke Aufheizung der mit der heißen Ladeluft in Berührung kommenden ersten Rohre und die dadurch bedingte örtliche Dampfblasenbildung mit Ero­ sion bzw. mit Ausscheidung von Härtebildnern und Salzen zu vermeiden, ist es auch schon bekannt geworden (DE-OS 23 42 787), in den ersten Rohrreihen die Rippen zu entfernen oder dort eine Wärmeisolation anzuordnen und die Anzahl der Rippen in Strömungsrichtung der Ladeluft zu erhöhen. Diese Maßnahmen sind aber relativ aufwendig und machen eine tiefgreifende Än­ derung des Rippenrohrblockes erforderlich, die auch einen ge­ wissen Leistungsabfall hervorruft.

Es ist auch bekannt (DE 37 05 938 C2) zum Ausgleich der Län­ genausdehnung zwischen Rippenrohrblock und Seitenteilen, an­ stelle der Verwendung von umständlichen Schiebeböden das Ver­ hältnis der Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materiales der Seitenteile und der Rohre des Rippenrohrblockes in etwa umge­ kehrt proportional zum Verhältnis der im Betrieb zu erwarten­ den mittleren Temperaturen zu wählen.

Alle diese Maßnahmen können aber nicht verhindern, daß sich die lamellenartigen Wellrippen selbst auf der Lufteintritts­ seite jeweils schlagartig ausdehnen, wenn, was im Betrieb häufig ist, sich mit jedem Gasstoß die Ladelufttemperatur verändert und beispielsweise von 50° auf 230°C angehoben wird. Die relativ dünnen Luftlamellen werden dabei schlagar­ tig heiß, was aufgrund der hohen Rippendichte und des dadurch gebildeten relativ steifen Rippenverbandes insgesamt zu einer Ausdehnung der Wellrippen in Querrichtung von etwa 2 mm (Aufbauhöhe ca. 600 mm) führen kann. Eine solche Maßänderung durch die thermische Dehnung kann über elastische Bewegungen nicht mehr abgefangen werden, so daß die äußeren Luftlamellen zwischen dem steifen Verband der Seitenteile einknicken. Dort treten dann aufgrund von sich laufend wiederholenden Tempera­ turveränderungen der Ladelufttemperaturen Einrisse an den Luftlamellen auf, die wiederum dazu führen, daß dem zugeord­ neten Wasserkanal die Abstützung fehlt und auch hier Ma­ terialbrüche bzw. Risse am kühlmittelführenden Flachrohr auf­ treten können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Lade­ luftkühler der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die im Betrieb zu erwartenden Ausdehnung der Wellrippen in Quer­ richtung zu keiner Beschädigung führen kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgesehen, daß an mindestens einer Stelle ein parallel zu den Rohren verlaufender, als Dehnungsfuge dienender Spalt vorgesehen ist, der sich über die Länge der Rohre, aber in Strömungsrichtung der Luft nur bis zu einer Tiefe des Rippenrohrblockes erstreckt, an der eine Temperatur der Luft erreicht ist, die keine zu einer Werkstoffüberlastung führende Wärmedehnung der Wellrippen mehr bewirkt.

Durch diese Ausgestaltung wird im Bereich des Ladeluftein­ trittes, wo die hohen Temperaturen zu erwarten sind, minde­ stens ein Ausgleichsspalt, besser zwei, vorgesehen, der übri­ ge Rippenrohrblock bleibt aber unverändert. Eine Aufteilung des Rippenrohrblockes in mehrere, nebeneinander angeordnete Teilblöcke und die dadurch hinzunehmende Leistungseinbuße sind daher nicht notwendig. Dennoch wird die gefährliche Querausdehnung der Wellrippen in dem Bereich aufgefangen, in dem Beschädigungen durch Dehnungen zu erwarten sind.

In Weiterbildung der Erfindung kann die Dehnungsfuge durch den gegenseitigen Abstand von zwei, nur einen Bruchteil der Breite zwischen benachbarten Rohren aufweisenden Wellrippen gebildet sein, die jeweils an einer Rohrwand anliegen und mit dieser verlötet sind. Durch diese Maßnahme kann man im Gegen­ satz zu dem eingangs erwähnten Vorschlag, wo die Wellrippen im Eintrittsbereich der Ladeluft vollkommen entfernt sind, eine ausreichende Druckabstützung der der Dehnungsfuge zuge­ wandten Rohrwände erreichen. Wellrippen in der bekannten Aus­ gestaltung oder in der bekannten Ausgestaltung als Turbulenz­ fläche weisen, wenn sie an der Rohrwand angelötet sind, eine ausreichende Abstützkraft aus, um ein Ausbeulen der Flachroh­ re an diesen Stellen zu vermeiden.

In Weiterbildung der Erfindung kann die Breite der im Bereich der Dehnungsfuge vorgesehenen Wellrippen etwa ein Drittel des Abstandes zwischen benachbarten Rohren betragen. Die verblei­ bende Dehnungsfuge weist dann auch eine Breite von einem Drittel des Abstandes zwischen benachbarten Rohren auf. Es hat sich gezeigt, daß diese Spaltgröße, wenn bei üblichen Ladeluftkühlern zwei solcher Spalte über die Breite der Ein­ trittsseite verteilt sind, für die gewünschte Aufnahme der Längenausdehnung ausreicht. Aufgrund der hohen spezifischen Kühlleistung hat sich die Ladeluft mit z. B. einer Eintritts­ temperatur von 230°C bereits in einer Tiefe des Rippenrohr­ blockes von etwa 60 mm schon auf einen Wert von 120°C abge­ kühlt. Dies ist ein Temperaturwert, bei dem eine Beschädigung der Wellrippen durch Querdehnung und mangelnder elastischer Abstützung nicht mehr befürchtet werden braucht.

In Ergänzung zum erfindungsgemäßen Vorschlag können in den Bereichen, in denen keine Dehnungsfugen zwischen benachbarten Rohren vorgesehen sind, im übrigen Eintrittsbereich der Luft zwischen benachbarten Rohren Wellrippen zugeordnet werden, deren Wärmeübertragungsfähigkeit geringer als jene der danach vorgesehenen, vorzugsweise geschlitzten Wellrippen ist. So hat es sich beispielsweise als vorteilhaft erwiesen, wenn im Eintrittsbereich etwa über ein Drittel oder ein Viertel der Länge der erfindungsgemäß vorgesehenen Dehnungsfugen als Wellrippen glatte, lediglich im Zickzack gefaltete Metallbän­ der vorgesehen sind, deren Kühlfläche im Vergleich zu den für die Herstellung von Rippenrohrblöcken sonst verwendeten Well­ rippen klein ist. Die Anordnung solcher glatter Wellrippen erfolgt dabei im wesentlichen in dem Eintrittsbereich des Kühlers, in dem die Seitenteile und die Wasserkästen einen umlaufenden, ringartigen Flansch bilden, der eine besondere Steifigkeit aufweist. In diesem Eintrittsbereich gilt es ganz besonders, eine Querdehnung so weit als möglich zu vermeiden und auch die eingangs schon erwähnten Voraussetzungen einzu­ halten, um Schäden auch innerhalb der Rohre zu vermeiden.

In Weiterbildung der Erfindung kann schließlich auch noch vorgesehen werden, daß bei einem Ladeluftkühler mit in den Seitenteilen angeordneten Kühlkanälen diese Kühlkanäle unmit­ telbar an die den Seitenteilen zugeordneten Wellrippen an­ grenzen, so daß die Wellrippen, jedenfalls im Bereich der Seitenteile, gekühlt und weitgehend von einer Längendehnung in Querrichtung ausgenommen werden können. Dabei können die Kühlkanäle auf der den Wellrippen zugewandten Seite durch dünne Wandbleche begrenzt sein, die mit den Wellrippen verlö­ tet sind.

Umgekehrt wird die Wärme der äußersten Luftlamelle an die Kühlmittelseite weitergeleitet und durch den direkten Kontakt des Kühlmittels mit dem Seitenteilwerkstoff eine Tempera­ turannäherung der Seitenteile zum benachbarten Kühlmittelka­ nal erreicht. Dadurch werden die Längendehnungen von Seiten­ teil und Kühlmittelkanal angenähert und damit Spannungsüber­ höhungen vermieden.

Die Erfindung ist in der Zeichnung anhand eines Ausführungs­ beispieles dargestellt und wird im folgenden erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Frontansicht eines erfindungsgemäßen Ladeküh­ lers,

Fig. 2 die schematische Darstellung des Rippenrohrblockes des Ladeluftkühlers der Fig. 1,

Fig. 3 den Schnitt durch den Rippenrohrblock der Fig. 2 und die daran angrenzende Seitenteile längs der Linie III-III,

Fig. 4 eine vergrößerte Detaildarstellung des linken unteren Bereiches des Rippenrohrblockes der Fig. 2,

Fig. 5 eine vergrößerte Darstellung des linken unteren Teil­ bereiches der Fig. 3,

Fig. 6 eine schematische, perspektivische Teilansicht einer zum Aufbau des Rippenrohrblockes der Fig. 2 bis 5 verwendeten Wellrippe,

Fig. 7 perspektivische Teilansicht einer anderen, ebenfalls zum Aufbau des Rippenrohrblockes nach der Erfindung verwendeten Wellrippe, und

Fig. 8 eine weitere Art der für den Aufbau des Rippenrohr­ blockes nach der Erfindung eingesetzten Wellrippen.

In den Fig. 1 bis 3 ist zu erkennen, daß ein Rippenrohr­ block (1) in einen steifen Rahmen eingespannt ist, der aus zwei gegenüberliegenden Wasserkästen (2 und 3) und den beiden Seitenteilen (4) besteht. Wie die Fig. 3 erkennen läßt, bil­ den dabei die Seitenteile (4) einen quer zur Strömungsrich­ tung (5) der Luft liegenden Flansch (6), der zur Anbringung von Befestigungsstellen dient und besonders steif ist.

Der Rippenrohrblock (1) ist aus einer Reihe von nebeneinander und hintereinander in den nicht näher gezeigten Rohrböden ge­ haltenen Flachrohren (7) aufgebaut, die jeweils im gleichen Abstand zueinander gleichmäßig auf den gesamten Eintritts­ querschnitt des Ladeluftkühlers verteilt sind. Dabei sind in den Fig. 2 und 3 bzw. 4 und 5 nur die im Bereich der Sei­ tenteile (4) und zwei weitere, symmetrisch zu einer Mittel­ längsebene des Rippenrohrblocks (1) angeordnete Flachrohre (7) gezeigt. Wie Fig. 1 und 3 zeigt, sind zwischen diesen beiden mittleren Rohrpaaren jeweils Dehnungsfugen (8) gebil­ det. Diese Dehnungsfugen (8) erstrecken sich dabei zwar über die gesamte Länge der Rohre (7), also etwa vom unteren Was­ serkasten (2) bis zum oberen Wasserkasten (3), jedoch in der Strömungsrichtung (5) der Luft nur über eine Teillänge der Rippenrohrblocktiefe. Die Tiefe der Dehnungsfugen (8) wird dabei beim Ausführungsbeispiel so bestimmt, daß in dieser, jeweils durch die Enden der Dehnungsfugen (8) gehenden Ebene des Rippenrohrblockes Lufttemperaturen gemessen werden, die etwa bei 120°C liegen. Die heiße Eintrittsluft mit Temperatu­ ren von ca. 230°C hat sich daher bis in diese Endebene der Dehnungsfugen (8) so weit abgekühlt, daß die zur erwartende Temperaturerhöhung in diesem Bereich zu keiner Beschädigung mehr führen kann.

Die Flachrohre (7) des Rippenrohrblockes (1) sind, wie die Fig. 4 und 5 insbesondere erkennen lassen, im Abstand (a) zueinander angeordnet, und dieser Zwischenraum mit der Breite (a) wird durch lamellenartige Wellrippen gemäß Fig. 7 ausge­ füllt, mit Ausnahme des Bereiches der Dehnungsfugen (8) und eines Bereiches, der mit der Ebene (9) endet, die um das Maß (c) hinter der Eintrittsebene (10) des Ladeluftkühlers liegt. In dem letzteren, in Strömungsrichtung (5) durch die Ebene (9) begrenzten Bereich, der in etwa auch dem Bereich des Flansches (6) entspricht, sind zwischen benachbarten Flach­ rohren (7) Wellrippen (11) eingesetzt, die sich von den Well­ rippen (12) im übrigen Rippenrohrblock dadurch unterscheiden, daß sie nicht mit Schlitzen (13) versehen sind und auch un­ tereinander auf einen größeren Abstand gefaltet sind. Die Oberfläche der Wellrippen (11) ist daher wesentlich kleiner als jene der Wellrippen (12). Durch die Anordnung der Well­ rippen (11) im Eintrittsbereich wird daher erreicht, daß hier die Wärmeübertragung von der heißen Ladeluft auf die Flach­ rohre eingeschränkt wird.

Die Dehnungsfugen (8), die sich bis zur Tiefe (d) in Strö­ mungsrichtung (5) in den Rippenrohrblock (1) hineinerstrecken, werden dadurch gebildet, daß an den einander zugewandten Wänden der beidseitig an den die Dehnungsfuge (8) bildenden Spalt angrenzenden Rohren (7) jeweils Wellrippen (14) angelö­ tet sind, die in ihrer Ausbildung der Fig. 8 entsprechen können und in Strömungsrichtung (5) die Breite (b) aufweisen, die etwa einem Drittel der Breite (a) entspricht, um die be­ nachbarte Flachrohre (7) auf Abstand stehen. Es verbleibt da­ her zwischen den Wellrippen (14) der Spalt, der die Dehnungs­ fuge (8) bildet, die sich, wie vorher erwähnt, nur so weit in der Strömungsrichtung (5) in den Rippenrohrblock (1) hinei­ nerstreckt, wie eine Gefährdung der Wellrippen durch eine zu starke Aufheizung durch die eintretende Luft befürchtet wer­ den muß. Es hat sich bei einem Ausführungsbeispiel gezeigt, daß schon bei einer Tiefe von d = 60 mm eine Abkühlung einer mit ca. 230°C eintretenden Ladeluft auf rund 120°C erfolgt, so daß die Dehnungsfugen (8) nicht weiter in den Rippenrohr­ block hineinverlegt zu werden brauchen. Es hat sich auch ge­ zeigt, daß die zwei aus Fig. 1 ersichtlichen Dehnungsfugen (8) ausreichen, um dem Rippenrohrblock bzw. seinen Wellrippen eine Ausdehnung in Querrichtung zu ermöglichen, die zu keinen Beschädigungen führen kann.

Natürlich wäre es auch möglich, anstelle der in der Fig. 8 gezeigten Ausführungsform der Wellrippen (14) andere Ausfüh­ rungsformen vorzusehen, die mit den Rohrwänden verlötet wer­ den. Es kommt lediglich darauf an, daß die einander zugewand­ ten Wände der Rohre (7) im Bereich der Dehnungsfuge (8) auch auf ihrer einander zugewandten Seite gegen Druck abgestützt sind, was durch die Ausbildung von Wellrippen in einfacher Weise geschehen kann.

Die Figuren zeigen auch, daß die Seitenteile (4) mit Kühlka­ nälen (15) versehen sind, die zum einen zur Kühlung der Sei­ tenteile, durch die gewählte Ausgestaltung aber auch zur Küh­ lung der jeweils an die Seitenteile angrenzenden Wellrippen (12′) dienen. Beim Ausführungsbeispiel ist zu diesem Zweck ein Trennblech (16) mit der nach außen gewandten Seite der Wellrippen (12′) verlötet, und dieses Trennblech (16) wird unmittelbar vom Kühlwasser berührt, das durch die Kühlkanäle (15) strömt. Durch diese Maßnahme werden auch die äußersten Wellrippen (12′) im Bereich der Seitenteile an einer Querdeh­ nung weitgehend gehindert, was mit dazu beiträgt, daß hier keine Beschädigungen der Wellrippen im Bereich des von den Seitenteilen und den Wasserkästen gebildeten Rahmens auftre­ ten.

Durch die im Ausführungsbeispiel gezeigte Ausgestaltung bleibt ein steifer Blockverband zur Leistungsübertragung und zur Übertragung mechanischer Spannungen, der lediglich über die Tiefe mit der Abmessung (d) im Eintrittsbereich mit zwei durchlaufenden Spalten versehen ist. Dadurch kann sich der mittlere Blockbereich nach Fig. 1 oder 2 im Bereich der Dehnfugen (8) auf der Ladelufteintrittsseite nach links und rechts bewegen. Die jeweils äußeren Blöcke können sich, da sich die Seitenteile nicht verändern, ebenfalls zur Blockmit­ te bewegen.

Der gesamte Rippenrohrblock kann aus einem Stück gelötet wer­ den. Die Aufteilung in mehrere unabhängige Blöcke würde die Leistung reduzieren und durch zusätzliche Schweißverbindungen oder durch Maßnahmen mit abgekröpften Seitenblechen den Küh­ lerblock komplizieren.

Claims (8)

1. Ladeluftkühler mit einem Rippenrohrblock (1), der insbesondere aus Flachrohren (7) und jeweils zwischen diesen angeordneten lamellenartigen Wellrippen (12) aufgebaut und in einem festen Rahmen eingesetzt ist, der aus zwei gegenüber­ liegenden Wasserkästen (2, 3) und aus zwei diese verbindenden Seitenteilen (4) aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens an einer Stelle auf der Lufteintrittsseite ein parallel zu den Rohren (7) verlaufender Spalt in der Form ei­ ner Dehnungsfuge (8) vorgesehen ist, der sich über die Länge der Rohre (7), aber in Strömungsrichtung (5) der Luft nur bis zu einer Tiefe (d) des Rippenrohrblockes (1) erstreckt, an der eine Temperatur der Luft erreicht ist, die keine zu einer Werkstoffüberlastung führende Wärmedehnung der Wellrippen (12) mehr bewerkt.

2. Ladeluftkühler nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Dehnungsfuge (8) durch den gegenseitigen Abstand von zwei, nur einen Bruchteil (b) der Breite (a) zwi­ schen benachbarten Rohren (7) aufweisenden Wellrippen (14) gebildet ist, die jeweils an einer Rohrwand anliegen und mit dieser verlötet sind.

3. Ladeluftkühler nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Breite (b) der Wellrippen (14) etwa ein Drittel des Abstandes (a) zwischen benachbarten Rohrwandungen beträgt.

4. Ladeluftkühler nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in dem Eintrittsbereich der Luft zwischen be­ nachbarten Rohren (7) Wellrippen (11) vorgesehen sind, deren Wärmeübertragungsfähigkeit geringer als jene der danach vor­ gesehenen, vorzugsweise geschlitzten Wellrippen (12) ist.

5. Ladeluftkühler nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Wellrippen (11) glatte, im Zickzack gefal­ tete Metallbänder vorgesehen sind.

6. Ladeluftkühler nach Anspruch 1, mit in den Seiten­ teilen angeordneten Kühlkanälen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanäle (15) unmittelbar an die den Seitenteilen (4) zugeordneten Wellrippen (12′) angrenzen.

7. Ladeluftkühler nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kühlkanäle (15) auf der den Wellrippen (12′) zugewandten Seiten durch dünne Wandbleche (16) begrenzt sind, die mit den Wellrippen (12′) verlötet sind.

8. Ladeluftkühler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kühlkanäle (15) als Teile des Seitenteiles aus­ gebildet sind.