DE3906747A1 - Ladeluftkuehler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ladeluftkühler mit einem Rippen­ rohrblock mit mehreren zwischen zwei Wasserkästen gehaltenen und von einem Wärmetauschmedium, insbesondere von Wasser durch­ strömten Rohrreihen mit senkrecht zu den Rohrachsen verlaufen­ den und zwischen den Rohren liegenden rippenartigen Lamellen sowie mit den Rippenrohrblock seitlich abschließenden Seiten­ teilen, zwischen denen die Ladeluft im wesentlichen senkrecht zu den Achsen der Rohre durch die Lamellen geführt ist, wobei in der Strömungsrichtung der Ladeluft mehrere Rohrreihen hintereinander angeordnet sind.

Ladeluftkühler dieser Art sind bekannt (DE-PS 35 12 891 - D 7298). Bei Ladeluftkühlern dieser Art, die insbesondere für Großmotoren und Motoren für Nutzfahrzeuge verwendet werden, treten auf der Ladelufteintrittsseite Lufttemperaturen von ca. 250°C auf. Die Wandtemperaturen der Rohre auf der Luftein­ trittsseite können daher über 110°C betragen, so daß auf der Kühlmittelseite, d. h. im Inneren der Rohre, Siedekondensation des Wassers eintreten kann. Die an den Stellen der Siedekon­ densation in sich zusammenfallenden Dampfblasen führen zu einer Werkstoffschädigung, zum Beispiel zu einem Werkstoffabtrag an den Trennblechen und Aluminiumprofilen. Dies kann zu Undicht­ heiten und zum vorzeitigen Ausfall des Wärmetauschers führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ladeluftkühler der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die unerwünschte Heißdampfkorrosion (Kavitation) im Bereich der auf der Luftein­ trittsseite liegenden Rohre sicher vermieden wird. Zur Lösung wird gemäß dem Patentanspruch 1 vorgesehen, daß zumindest eine der an der Eintrittsseite der Ladeluft gelegenen Rohrreihen so ausgebildet ist, daß der Wärmeübergang von der Ladeluft an das Wasser kleiner als in den nachfolgenden Rohrreihen ist. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß das in den ersten Rohrreihen fließende Wasser sich nicht über den kritischen Wert erhitzt, so daß zwar die Kühlleistung auf der Eintrittsseite etwas geringer wird, aber sicher vermieden wird, daß die unerwünschte und gefährliche Heißdampfkorrosion eintritt.

Dabei gibt es gemäß den Unteransprüchen 2, 3 und 4 verschiedene Realisierungsmöglichkeiten, um den gewünschten schlechteren Wärmeübergang an den ersten Rohrreihen zu erreichen. Es ist möglich, die an der Eintrittsseite gelegenen Rohrreihen - be­ zogen auf ihre Länge - mit weniger Lamellen zwischen den Rohren zu versehen, so daß der Wärmeübergang von der Luft an dieRohre im Eintrittsbereich wegen der geringeren Wärmeaustauschfläche kleiner wird. Es ist aber auch möglich, die an der Eintritts­ seite gelegenen Rohrreihen mit einer Beschichtung, vorzugsweise auf der Innenseite der Rohre, aus einem Material mit einem schlechten Wärmeübergangskoeffizienten zu versehen, so daß eine Art Isolationsschicht gebildet ist, die ebenfalls den Wärme­ übergang hemmt. Zweckmäßig kann eine Isolationsschicht aus Aluminiumoxid vorgesehen werden, die beispielsweise im Plasma- Flamm-Verfahren auf der Innenseite der Rohre aufgebracht werden kann. Durch diese Maßnahme ist gewährleistet, daß der Lötprozeß für die anschließende Blockfertigung nicht beeinträchtigt ist.

Eine andere Lösung des der Erfindung zugrundeliegenden Problems kann gemäß dem Anspruch 7 dadurch erreicht werden, daß zumin­ dest eine der an der Eintrittsseite der Ladeluft gelegene Rohr­ reihe unmittelbar mit einem Teilstrom des mit der Ausgangs­ temperatur in den Wasserkasten eintretenden Wassers versorgt wird. In der Regel werden nämlich Ladeluftkühler im Kreuzgegen­ stromverfahren betrieben, so daß das Kühlwasser bereits mit einer entsprechenden Temperaturerhöhung in den ersten Block bzw. in die ersten Reihen der Rohre an der Lufteintrittsseite eingeleitet wird. Damit ergibt sich auch eine höhere Wand­ temperatur in diesem Bereich. Das kann durch die Maßnahmen des Anspruches 7 vermieden werden, weil durch die Einleitung von Wasser mit der Eintrittstemperatur, die etwa 50°C beträgt, auch die Wandtemperatur der ersten Rohrreihen niedriger bleibt, so daß auch auf diese Weise die unerwünschte Heißdampfkorrosion im Lufteintrittsbereich vermieden werden kann.

Nach den Unteransprüchen 8 und 9 läßt sich diese Teilstrombe­ aufschlagung in sehr einfacher Weise durch einen Bypaß reali­ sieren.

Die Erfindung ist in der Zeichnung anhand von zwei Ausführungs­ beispielen dargestellt und wird im folgenden erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Frontansicht eines erfindungsgemäßen Ladeluft­ kühlers in einer ersten Ausführungsform, bei der der Wärmeübergang durch eine kleinere Lamellenanzahl im Lufteintrittsbereich verringert ist,

Fig. 2 die Teilschnittdarstellung durch den Ladeluftkühler der Fig. 1 längs der Schnittlinie II-II der Fig. 1,

Fig. 3 die Frontansicht eines Ladeluftkühlers gemäß der Erfindung in einer zweiten Ausführung, bei der die Rohrtemperatur im Lufteintrittsbereich durch un­ mittelbare Zuführung eines Kühlwasserteilstromes mit der Wassereintrittstemperatur niedriger gehal­ ten wird,

Fig. 4 den Schnitt längs der Linie IV-IV in Fig. 3 und Fig. 5 und

Fig. 5 die Draufsicht auf den Ladeluftkühler der Fig. 3 und 4 mit schematisch eingezeichneten Pfeilen, welche die Strömung des Kühlwassers andeuten.

In den Fig. 1 und 2 ist ein Ladeluftkühler (1) gezeigt, der aus einem oberen Wasserkasten (2) und einem unteren Wasserkasten (3) besteht, zwischen deren Rohrböden in bekannter Weise meh­ rere Rohrreihen von Flachrohren (4) verlaufen, zwischen denen jeweils rippenartige Lamellen (5) verlaufen, die im wesent­ lichen senkrecht zu den Achsen der Flachrohre (4) ausgerichtet sind. Die Rohre (4) werden von Kühlwasser durchströmt, das in den Eintrittsstutzen (6) des oberen Wasserkastens (2) in Rich­ tung des Pfeiles (7) eintritt, an einer Trennwand (8) innerhalb des oberen Wasserkastens (2) im Sinne der Pfeile (9) umgelenkt und durch einen Teil der Rohrreihen der Flachrohre (4) zum unteren Wasserkasten (3) geleitet wird, dessen Wassersammel­ kammer durchgehend ist, so daß das Kühlwasser nun in die vor der Trennwand (8) liegenden Rohrreihen der Flachrohre (4) von unten her eintreten und im Sinne der Pfeile (9) durch die Flachrohre in den oberen Wasserkasten (2) zurück und von dort durch einen Austrittsstutzen (11) im Sinne des Pfeiles (10) den Ladeluftkühler wieder verlassen kann. Die Ladeluft selbst tritt zwischen zwei, den oberen und den unteren Wasserkasten (2) und (3) seitlich abschließenden Seitenteilen (12) und (13) im Sinne der Pfeile (14) in den Kühler ein und verläßt ihn in der gleichen Richtung. Die Ladeluft durchströmt dabei die zwischen den Flachrohren (4) angeordneten Lamellen (5). Wie Fig. 2 zeigt, sind dabei im Bereich der ersten beiden Rohrreihen der Flachrohre (4), d. h. im Eintrittsbereich (15) für die Ladeluft, Lamellen (5′) angeordnet, deren Abstand zueinander wesentlich größer ist als der Abstand der Lamellen (5), so daß bezogen auf die Länge der ersten beiden Rohrreihen der Flachrohre (4) weniger Lamellen (5′) im Bereich (15) vorgesehen sind als dies in den beiden nachfolgenden Durchströmungsbereichen (16) der Fall ist. Beispielsweise können im Bereich (15) Lamellen in der Form einer Wellrippe mit etwa 30 Rippen pro Dezimeter (Rohr­ länge) vorgesehen werden, während in den Bereichen (16) Well­ rippen mit etwa 80 Rippen pro Dezimeter angeordnet werden können. Die Wärmeaustauschflächen der Lamellen (5′) sind damit wesentlich geringer als jene der Lamellen (5), so daß der Wärmeübergang von der mit hoher Temperatur eintretenden Lade­ luft im Eintrittsbereich (15) auf die dort vorgesehenen Flach­ rohre (4) wesentlich geringer ist als in den nachfolgenden Bereichen. Dies führt dazu, daß sich das Kühlwasser, das die beiden Flachrohre (4) im Bereich (15) durchströmt, nicht so starkt aufheizt, wie das der Fall wäre, wenn auch im Bereich (15) Wellrippen mit den Lamellen (5) vorgesehen wären. Diese Maßnahme erreicht daher, daß im Eintrittsbereich (15) der Ladeluft die gefürchtete Heißdampfkorrosion nicht auftritt.

Es wäre anstelle der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Lösung mit unterschiedlichen Wellrippen und damit unterschiedlicher Dichte der Lamellen auch möglich, bei Verwendung durchgehend gleicher Wellrippen die ersten beiden Flachrohre (4) im Eintrittsbereich (15) auf ihrer Innenseite mit einer Wärmeisolierschicht zu ver­ sehen, die ausreichende Dicke aufweist, um den Wärmeübergang von der Ladeluft an die Flachrohre (4) im Eintrittsbereich (15) zu verringern. Beispielsweise ist es möglich, auf der Innen­ seite der beiden ersten Rohre (4) eine Aluminiumoxydschicht durch Plasma-Flamm-Spritzen aufzubringen. Die Flachrohre (4) können trotz dieser auf ihrer Innenseite vorgesehenen Isolationsschicht in der bekannten Weise zu dem Rippenrohrblock verlötet werden, der zwischen den beiden Wasserkästen (2) und (3) liegt. Im Lufteintrittsbereich (15) aber wird der Wärme­ übergang an die ersten beiden Rohrreihen der Flachrohre (4) geringer, so daß auch durch eine solche Maßnahme in diesem Ein­ trittsbereich die unerwünschte Heißdampfkorrosion vermieden werden kann.

In den Fig. 3 bis 5 ist eine andere Ausführungsform eines Lade­ luftkühlers gemäß der Erfindung gezeigt, mit der ebenfalls die unerwünschte Dampfbildung im Eintrittsbereich der Ladeluft ver­ mieden werden kann. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 und 4 wird zu diesem Zweck jedoch vorgesehen, daß dem Eintritts­ bereich (15) der in Richtung des Pfeiles (14) durch den Lade­ luftkühler strömenden Luft unmittelbar ein Teilstrom des in den Eintrittsstutzen (60) des oberen Wasserkastens (20) mit der Ausgangstemperatur eintretenden Kühlwassers zugeführt wird. Während daher der grundsätzliche Aufbau des Ladeluftkühlers (1′) der Fig. 3 bis 5 bezüglich der Anordnung eines oberen Wasserkastens (20), eines unteren Wasserkastens (3) und der beiden Seitenteile (13) sowie hinsichtlich der Anordnung der Flachrohre (4) mit den dazwischenliegenden Lamellen (5) dem des Ladeluftkühlers der Fig. 1 und 2 mit Ausnahme der Anordnung durchgehend gleichbleibender Lamellen (5) gleich ist, wird jedoch der obere Wasserkasten (20) anders ausgebildet, um die Teilstromzuführung kalten Wassers zum Eintrittsbereich (15) sicherzustellen.

Während bei der Ausführungsform der Fig. 1 und 2 die Trennwand (8) im Inneren des oberen Wasserkastens (2) dafür sorgte, daß der gesamte durch den Eintrittsstutzen (6) eintretende kalte Wasserstrom zunächst nach unten zum unteren Wasserkasten (3) umgelenkt und erst von dort aus wieder nach oben zurück zum Austrittsstutzen (11) geführt wird, ist beim oberen Wasser­ kasten (20) der Fig. 3 bis 5 die entsprechende Trennwand (80) nicht über den gesamten Bereich durchgeführt, sondern durch zwei seitliche Durchlaßkanäle (25) unterbrochen, durch die das in den Eintrittsstutzen (60) im Sinne des Pfeiles (7) mit der Ausgangstemperatur eintretende, noch kalte Kühlwasser in einen Raum (26) eintreten kann, der oberhalb des Eintrittsbereiches (15) der Ladeluft liegt und beim Ausführungsbeispiel über die Breite der beiden ersten Flachrohrreihen verläuft. Das kalte Kühlwasser tritt daher zunächst in den sich über die gesamte Kühlerbreite erstreckenden Eintrittsraum (27) ein, strömt von dort zum einen - in an sich bekannter Weise - nach unten in den hinteren Teil der Flachrohre (4), wird dann - wie auch beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 - im Sinne der Pfeile (9) im unteren Wasserkasten (3) umgelenkt und strömt dann wieder von unten nach oben durch die Flachrohre, die oben von der ringsum laufenden Wandung (28) abgeschlossen werden. Der von der Wandung (28) eingerahmte Raum wiederum steht hinter der Trennwand (80) und neben den Durchströmkanälen (25) mit dem Raum (29) in Verbindung, von dem aus der Austrittsstutzen (110) nach außen führt. Parallel zu diesem Wasserkreislauf wird aber auch ein Teilstrom des kalten Kühlwassers seitlich durch die Kanäle (25), wie vorher angedeutet, in den Raum (26) gelangen, von dort durch die ersten beiden Flachrohre (4) nach unten geführt werden und dann zusammen mit dem übrigen Kühlwasser durch die in den von der Wand (28) hinter der Trennwand gebildeten Raum und von dort aus zum Austrittsstutzen (110) strömen. Dieser Teilstrom ist mit den Pfeilen (30) gekennzeichnet.

Dieser Teilstrom bewirkt, daß die Wandungen der ersten beiden Flachrohre (4), die im Eintrittsbereich der heißen Ladeluft liegen, kälter gehalten werden können als das der Fall ist, wenn in diesem Eintrittsbereich (15) nur Kühlwasser fließen würde, das bereits durch die hintere Gruppe der Rohre geleitet und im Sinne des Pfeiles (9) umgelenkt worden ist. Dieses Kühlwasser hat sich nämlich beim Durchströmen des Ladeluft­ kühlers bereits erheblich aufgeheizt, so daß dann die eingangs erwähnten Nachteile im Eintrittsbereich der heißen Ladeluft auftreten können. Durch die Umleitung eines Teilstromes im Sinne der Pfeile (30) in den Eintrittsbereich (15) bleiben die Flachrohre (4) im Eintrittsbereich etwas kühler und das durch­ strömende, noch kalte Kühlwasser wird nicht über den kritischen Wert aufgeheizt, der zu der unerwünschten Heißdampfkorrosion führen kann.

In Fig. 3 bis 5 ist schematisch der Verlauf des Teilstromes zu dem Raum (26) angedeutet. Es wird deutlich, daß dieser Teil­ strom im Sinne der Pfeile (30) seitlich durch die beiden Kanäle (25) strömt, während darunter - in dem von der Wand (28) und der Trennwand (80) definierten Raum, der in den Raum (29) über­ geht - die Rückströmung zum Austrittsstutzen (110) erfolgt.

Claims (9)

1. Ladeluftkühler mit einem Rippenrohrblock mit mehreren zwischen zwei Wasserkästen (2, 20, 3) gehaltenen und von einem Wärmetauschmedium, insbesondere von Wasser durchströmten Rohr­ reihen mit senkrecht zu den Rohrachsen verlaufenden und zwischen den Rohren (4) liegenden, rippenartigen Lamellen (5, 5′) und mit den Rippenrohrblock seitlich abschließenden Seiten­ teilen (13), zwischen denen die Ladeluft im wesentlichen senk­ recht zu den Achsen der Rohre (4) durch die Lamellen (5, 5′) geführt ist, wobei in der Strömungsrichtung (14) der Ladeluft mehrere Rohrreihen hintereinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der an der Eintrittsseite (15) der Ladeluft gelegenen Rohrreihen (4) so ausgebildet ist, daß der Wärmeübergang von der Ladeluft an das Wasser kleiner als in den nachfolgenden Rohrreihen ist.

2. Ladeluftkühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Eintrittsseite (15) gelegenen Rohrreihen (4) - bezogen auf ihre Länge - mit weniger Lamellen (5′) versehen sind.

3. Ladeluftkühler nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zur Bildung der Lamellen (5′) verwendeten Wellstreifen an der Eintrittsseite (15) mit wesentlich weniger Rippen pro Rohrlänge als in den nachfolgenden Bereichen ver­ sehen sind.

4. Ladeluftkühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Eintrittsseite (15) gelegenen Rohrreihen (4) mit einer Beschichtung mit schlechtem Wärmeübergangskoeffizienten versehen sind.

5. Ladeluftkühler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung auf der Innenseite der Rohre (4) vorge­ sehen ist.

6. Ladeluftkühler nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Isolationsschicht eine Aluminiumoxydschicht vorgesehen ist.

7. Ladeluftkühler mit einem Rippenrohrblock mit mehreren zwischen zwei Wasserkästen (20, 3) gehaltenen und von einem Wärmetauschmedium, insbesondere von Wasser durchströmten Rohr­ reihen mit senkrecht zu den Rohrachsen verlaufenden und zwischen den Rohren (4) liegenden rippenartigen Lamellen (5) und mit den Rippenrohrblock seitlich abschließenden Seiten­ teilen (13), zwischen denen die Ladeluft im wesentlichen senk­ recht zu den Achsen der Rohre (4) durch die Lamellen (5) ge­ führt ist, wobei in der Strömungsrichtung (14) der Ladeluft mehrere Rohrreihen hintereinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der an der Eintrittsseite (15) der Ladeluft gelegene Rohrreihe (4) unmittelbar mit einem Teilstrom (30) des mit der Ausgangstemperatur in den Wasser­ kasten (20) eintretenden Wassers versorgt wird.

8. Ladeluftkühler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilstrom (30) durch Strömungskanäle (25) geleitet ist, die durch Trennwände (28) von dem Raum (29) des zurückgeführten Wassers getrennt in einen oberhalb der ersten Rohrreihen (4) angeordneten Eintrittsraum (26) führen.

9. Ladeluftkühler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle (25) in beiden seitlichen Bereichen der Eintrittskammer (27) des Wassers im oberen Wasserkasten (20) angeordnet sind.