DE102005047440A1

DE102005047440A1 - Wärmeübertrager und Verfahren zur Kühlung von Ladeluft

Info

Publication number: DE102005047440A1
Application number: DE102005047440A
Authority: DE
Inventors: Roland Dipl.-Phys. Burk
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2006-04-13

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager (1) zur Kühlung von Ladeluft, welchem Wasser, insbesondere Kondenswasser, in Tröpfchen- und/oder Nebelform zuführbar ist, wobei der Wärmeübertrager (1) zumindest in einem Teilbereich eine hydrophobe Oberfläche aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, sowie ein Verfahren zur Kühlung von Ladeluft gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 11.

Zur Leistungssteigerung von Motoren werden Turbolader zur Verdichtung der Luft verwendet. Hierbei erfolgt jedoch eine Erwärmung der Luft, im folgenden als Ladeluft bezeichnet, infolge der Kompression im Turbolader auf Temperaturen von über 150°C. Um eine derartige Lufterwärmung zu vermindern, werden Luftkühler verwendet, die vorne im Kühlmodul angeordnet sind und zur Kühlung der Ladeluft dienen. Die Ladeluft strömt dabei durch einen Wärmeübertrager, der von Umgebungsluft durchströmt und damit gekühlt wird. Dadurch ist eine Abkühlung der Ladeluft auf eine Temperatur möglich, die etwa 20-90 K über der Temperatur der Umgebungsluft liegt. Die Kühlung der Ladeluft ermöglicht eine Leistungssteigerung des Motors.

Eine zweistufige Vorrichtung zur Kühlung von Ladeluft sowie ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Vorrichtung ist beispielsweise aus der DE 102 54 016 A1 bekannt, welche eine weitere Leistungssteigerung infolge der verbesserten Ladeluftkühlung ermöglicht.

Aus der DE 28 14 593 C2 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb einer aufgeladenen Brennkraftmaschine bekannt, welche ein Sammeln des im Ladeluftkühler ausfallenden Kondenswassers, Abführen desselben aus dem Ladeluftkühler, Sammeln in einem getrennt vom Ladeluftkühler angeordneten Sammelbehälter und Zuführen des gesammelten Kondenswassers in Strömungsrichtung vor der Abgasturbine in die Abgasleitung der Brennkraftmaschine vorsieht. Hierfür ist eine Pumpe oder zumindest ein ausreichendes Druckgefälle vorgesehen, welche beziehungsweise welches das Kondenswasser vom Sammelbehälter in die Abgasleitung fördert.

Wärmeübertrager, die zur Abkühlung von Luft verwendet werden, sind zur verbesserten Ableitung von sich in demselben ansammelnden Kondenswasser mit einer hydrophilen Beschichtung versehen, da man üblicherweise flüssige Wasseranteile in der gekühlten Luft vermeiden will.

Derartige Wärmeübertrager lassen jedoch noch Wünsche offen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Wärmeübertrager der eingangs genannten Art zu verbessern.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Wärmeübertrager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß ist ein Wärmeübertrager zur Kühlung von Ladeluft, welcher Wasser, insbesondere Kondenswasser, in Tröpfchen- und/oder Nebelform zuführbar ist, vorgesehen, wobei der Wärmeübertrager zumindest in einem Teilbereich eine hydrophobe Oberfläche aufweist. Durch das Vorse hen einer hydrophoben Oberfläche im Gegensatz zu dem bekannten Vorsehen einer hydrophilen Oberfläche, welche das Kondenswasser in Folge der Schwerkraft gut nach unten ableitet, sammelt sich das Kondenswasser an der hydrophoben Oberfläche in Tropfenform, wobei die Tropfen in den Strömungskanal ragen, so leicht mitgenommen und letztendlich abgerissen und in Tröpfchen- und/oder Nebelform im Ladeluftstrom mitgeführt werden. Für das Versetzen der Ladeluft mit Kondenswasser ist hierbei – im Gegensatz zum Stand der Technik – keine spezielle Vorrichtung erforderlich, um das Kondenswasser in Form von Tropfen oder Nebel dem Ladeluftstrom zuzuführen. Das wieder der Ladeluft zugeführte Kondenswasser kühlt die Ladeluft und trägt somit zu einer Leistungssteigerung des Motors bei.

Im Gegensatz zur herkömmlichen Ableitung des auskondensierten Wassers erfolgt erfindungsgemäß eine gezielte Wasserbeimischung, so dass die Kühlleistung erhöht werden kann, wohingegen diese herkömmlicher Weise verloren geht. Im Falle einer herkömmlichen Abkühlung von Ladeluft mittels einer zweiten Kühlstufe, deren Kühlleistung zum Beispiel von einem Kältekreislauf erbracht wird, ist somit eine erhebliche Verschlechterung der Effizienz des Kühlsystems verbunden. Andererseits ist es aber unerwünscht, das auskondensierte Wasser dem Kraftfahrzeugmotor unkontrolliert, das heißt örtlich und zeitlich inhomogen, zuzuführen.

Im Bereich der hydrophoben Oberfläche ist der Kontaktwinkel eines Tropfens bevorzugt größer als 90°, vorzugsweise größer als 120° und insbesondere bevorzugt größer als 150°, so dass sich das Kondenswasser perlenartig an der Oberfläche sammelt und leicht vom Ladeluftstrom mitgenommen werden kann. Die hydrophobe Oberfläche ermöglicht eine Ausbildung von nahezu kugelförmiger Tropfen, die bereits bei einer geringen Größe vom Ladeluftstrom transportiert und mitgenommen werden.

Am Wärmeübertrager sind vorzugsweise Abrisskanten vorgesehen, an welchen sich die Tropfen, die sich an der hydrophoben Oberfläche gesammelt haben, vom Wärmeübertrager infolge der herrschenden Ladeluftströmung lösen. Dabei sind die Abrisskanten bevorzugt auch mit einer hydrophoben Beschichtung versehen, so dass die geringen Adhäsionskräfte eine leichte Ablösung der Tropfen von der Oberfläche ermöglichen. Vorzugsweise sind die Abrisskanten durch Enden von Stegrippen oder Kiemen von Kiemenrippen gebildet.

Das Ablösen wird durch Strömungsgeschwindigkeiten von vorzugsweise über 3 m/s, besonders bevorzugt über 6 m/s, unterstützt, weshalb der Wärmeübertrager entsprechend strömungstechnisch ausgelegt ist. Hohe Strömungsgeschwindigkeiten unterstützen zudem, dass die Verweilzeiten an den hydrophoben Oberflächen gering sind, wodurch ein Zusammenwachsen von mehreren Tropfen verhindert werden kann, und die Tropfengröße zum Abrisszeitpunkt kleiner ist.

Zur Unterstützung der Tropfenbildung kann der Wärmeübertrager zumindest in einem Teilbereich der Oberfläche elektrostatisch aufladbar sein, so dass sich die sich bildenden Tropfen in Folge der elektrostatischen Aufladung gegenseitig abstoßen und sich dadurch noch leichter von der Rippenstruktur des Wärmeübertragers lösen. Zudem wird die Tendenz verringert, dass die Tropfen durch in Strömungsrichtung angeordnete Wärmeübertragersturkturen wieder eingefangen werden. Eine elektrostatische Aufladung der Tropfen verhindert auch ein Verbinden derselben im Luftstrom, so dass die Tropfen nicht zu größeren Tropfen zusammenwachsen. Dabei ist die Tendenz von nachfolgenden Rippenstrukturen wieder eingefangen zu werden, bei größeren Tropfen infolge der größeren Trägheitskräfte deutlich größer, so dass möglichst kleine Tropfen erstrebenswert sind.

Die hydrophobe Oberfläche weist vorzugsweise dispergierte, elektrisch leitende Inhaltsstoffe auf, beispielsweise in der Form von Nanopartikeln, welche einen elektrisch leitenden Kontakt zwischen den aufgeladenen hydrophoben Oberflächen und den über die hydrophobe Beschichtung rollenden Tropfen ermöglicht, so dass die elektrische Ladung diesen besser mitgegeben werden kann.

Alternativ zu den elektrisch leitenden Inhaltsstoffen kann der Wärmeübertrager mindestens einen Bereich mit neutraler oder hydrophiler, elektrisch leitender Oberfläche aufweisen, welcher eine elektrostatische Aufladung der Tropfen ermöglicht. Dabei ist der hydrophile Bereich bevorzugt deutlich kleiner ausgebildet als der hydrophobe Bereich.

Die Rippen des Wärmeübertragers weisen bevorzugt einen Abstand von maximal 2 mm, insbesondere maximal 1,5 mm, auf, können also deutlich näher beieinander liegen als die Rippen herkömmlicher Wärmeübertrager.

Eine gute Verteilung der Tropfen in der Ladeluft wird dadurch erreicht, dass die Rippen Abrisskanten in einem Abstand von maximal 5 mm aufweisen.

Eine bevorzugte Ausführungsform besteht darin, die Merkmale einer hydrophoben Oberfläche mit einer mechanischen Schwingungsanregung, vorzugsweise im nicht hörbaren Ultraschallbereich zu kombinieren.

In einer weiteren Ausführungsform wird vorgeschlagen, an den Verdampfer einen Schwingungsgeber anzukoppeln, mit dem Ziel, die sich primär an der Übertragungsfläche des Wärmeübertragers bildenden Kondensattröpfchen von der Oberfläche durch mechanische Schwingungen abzulösen und gegebenenfalls in kleinere Tröpfchen zu zerteilen.

Die Schwingungsrichtung des einkoppelnden Schwingungsgebers wird vorzugsweise so gewählt, dass diese senkrecht zur Wärme übertragenden Fläche ausgerichtet ist. In weiterer Ausgestaltung des Gedankens werden mindestens zwei Schwingungsgeber an den Verdampfer angekoppelt, die örtlich so verteilt sind, dass das den Verdampfer durchsetzende Körperschall-Schwingungsfeld möglichst homogen ist und/oder sich in Ihrer Schwingungsrichtung und Phasenlage so ergänzen, dass eine zirkulare Körperschallschwingung entsteht. Dadurch ist es möglich, alle wärmeübertragenden Flächen mit einer Schwingungskomponente senkrecht zur Oberfläche zu vibrieren.

In weiterer Ausgestaltung kann der Schwingungsgeber in seiner Frequenz und Amplitude so abgestimmt sein, dass Resonanzeffekte auftreten, die Tröpfchen einer ganz bestimmten Größe bevorzugt von der Oberfläche ablösen. Dadurch kann die Leistung des benötigten Ultraschallgebers auf kleine Werte begrenzt werden und die Ablösung kleiner Tröpfchen unterstützt werden. Weiterhin kann die Frequenz und Anordnung des oder der Schwingungsgeber in Kombination mit der Lagerung des Wärmeübertragers und/oder der Anbindung weiterer Schall leitender Komponenten hinsichtlich der Impedanzen so abgestimmt sein, dass stehende Wellen mit einer besonders förderlichen Amplitudenverteilung entstehen.

In weiterer Ausgestaltung des Gedankens, kann die Schwingunsganregung auch dazu genutzt werden, auf der Innenseite des Wärmeübertragers (also der anderen Fluidseite) den Wärmeübergangskoeffizienten zu erhöhen, oder den Druckverlust abzusenken. Insbesondere bei Verdampfern kann durch Kavitationseffekte die Bildung von Blasenkeimen unterstützt werden und/oder laminare viskose Unterschichten aufgebrochen werden. Dies könnte sich besonders bei der Verdampfung von Mehrstoffgemischen (z.B. Kältemittel/Kälteöl) als nützlich erweisen.

Die Einkoppelung mechanischer Schwingungen in die Wärme übertragende Struktur bewirkt eine zumindest zeitweise Ablösung der an der Oberfläche gebildeten Kondensattröpfchen und ermöglicht dadurch einen schnelleren Austrag aus der Struktur durch den die Struktur durchsetzenden Gasstrom.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Detail erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische stark vergrößerte Darstellung eines mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung versehenen Teilbereichs (Kiemenrippen) eines Wärmeübertragers gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, und
2 eine schematische stark vergrößerte Darstellung eines mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung versehenen Teilbereichs (Stegrippen) eines Wärmeübertragers gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
3 eine schematische vergrößerte Darstellung eines Wärmeübertragers gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel.
Ein Wärmeübertrager 1 zur Kühlung von Ladeluft, welche einem Kraftfahrzeugmotor zugeführt wird, weist gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel eine im Prinzip bekannte Struktur mit schräg und parallel zueinander angeordneten Kiemenrippen 2 auf, wobei in 1 nur ein stark vereinfacht und vergrößert dargestellter Schnitt durch einen Teil der Kiemenrippen 2 dargestellt ist. Die Kiemenrippen 2 sind erfindungsgemäß mit einer hydrophoben Oberflächenbeschichtung versehen, welche bewirkt, dass das sich an den Kiemenrippen 2 sammelnde Kondenswasser, was sich aus der Ladeluft an der kühleren Oberfläche des Wärmeübertragers 1 ansammelt, in Tröpfchenform sammelt, wie durch nahezu kreisförmig dargestellte Tropfen 3 in 1 ver deutlicht ist. Dabei weisen die Tropfen 3, welche sich an der hydrophoben Oberfläche des Wärmeübertragers 1 gesammelt haben, einen Kontaktwinkel von mehr als 90° zur Oberfläche des Wärmeübertragers 1 auf, so dass sie von der Oberfläche des Wärmeübertragers 1 abperlen, vom durch Pfeile angedeuteten Ladeluftstrom entlang den Flächen der Kiemenrippen 2 mitgenommen und – nach dem Abreißen an einer Abrisskante 4 – als Kondenswasser-Nebel 5 mitgeführt werden. Hierbei strömt die Ladeluft im Bereich der Abrisskanten 4 mit einer Strömungsgeschwindigkeit von über 6 m/s, so dass ein Abreißen und Mitnehmen der Tropfen 3 gewährleistet ist.
Da das mitgerissene Kondenswasser in der Ladeluft während des Ansaug- und/oder Verdichtungsvorgangs wieder verdampft, wird die Ladeluft weiter abgekühlt, so dass die Motorleistung, zum Beispiel durch Erhöhung der Einspritzmenge und deren Timing weiter gesteigert werden kann.
Gemäß dem zweiten in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Wärmeübertrager 1 eine im Prinzip bekannte Struktur mit parallel und versetzt zueinander angeordneten Stegrippen 12 auf. Entsprechend den Kiemenrippen 2 des ersten Ausführungsbeispiels sind die Stegrippen 12 des zweiten Ausführungsbeispiels mit einer hydrophoben Beschichtung versehen, welche ein Abperlen des sich an den kühleren Stegrippen 12 sammelnden Kondenswasser gewährleist.
Die Funktion der hydrophoben Beschichtung ist die Gleiche, wie beim zuvor beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel, so dass hierauf nicht näher eingegangen wird, jedoch ist der Strömungsverlauf der Ladeluft in Folge der Rippenform gleichmäßiger und es erfolgt keine wesentliche Umlenkung der Ladeluft durch die parallel zum Strömungsverlauf verlaufenden Stegrippen 12.
3 zeigt ausschnittsweise einen Wärmeübertrager 21 mit von einem Fluid 1 durchströmten Strömungskanälen 22, die hier als Rohre ausgebildet sind, und mit Rippen 23, die hier als Wellrippen ausgebildet sind. Durch zwei nicht gezeigte Schwingungsgeber mit im wesentlichen senkrecht zueinander liegenden Schwingungsrichtungen (Anregung 1 beziehungsweise Anregung 2) wird eine senkrecht zur Wärme übertragenden Fläche ausgerichtete Schwingung 24 bewirkt. Das den Wärmeübertrager 21 durchsetzende Körperschall-Schwingungsfeld wird dadurch homogenisiert.

Claims

Wärmeübertrager zur Kühlung von Ladeluft, welcher Wasser, insbesondere Kondenswasser, in Tröpfchen- und/oder Nebelform zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (1) zumindest in einem Teilbereich eine hydrophobe Oberfläche aufweist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der hydrophoben Oberfläche der Kontaktwinkel eines Tropfens (3) größer als 90°, vorzugsweise größer als 120° und insbesondere größer als 150° ist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Wärmeübertrager (1) Abrisskanten (4) vorgesehen sind.
Wärmeübertrager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abrisskanten (4) durch Enden von Stegrippen (12) oder Kiemen von Kiemenrippen (2) gebildet sind.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (1) zumindest in einem Teilbereich der Oberfläche elektrostatisch aufladbar ist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrophobe Oberfläche dispergierte, elektrisch leitende Inhaltsstoffe aufweist.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (1) mindestens einen Bereich mit neutraler oder hydrophiler, elektrisch leitender Oberfläche aufweist.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen des Wärmeübertragers (1) einen Abstand von maximal 2 mm, insbesondere maximal 1,5 mm, aufweisen.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen Abrisskanten (4) in einem Abstand von maximal 5 mm aufweisen.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (1) strömungstechnisch derart ausgelegt ist, dass im Bereich der Abrisskanten (4) die Strömungsgeschwindigkeit im entsprechenden Betriebszustand, der ein Beimischen von Kondenswasser erfordert, ein Wert von 3 m/s, insbesondere 6 m/s, überschritten wird.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager zumindest einen oder zwei mechanische Schwingungsgeber umfasst.
Verfahren zur Kühlung von Ladeluft, wobei die Ladeluft einen Wärmeübertrager durchströmt und der Ladeluft Wasser in Form von Kondenswasser zugegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass die den Wärme übertrager (1) durchströmende Luft das sich an dem Wärmeübertrager (1) bildende Kondenswasser mitreißt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das im Wärmeübertrager mitgerissene Kondenswasser tröpfchenförmig oder nebelförmig in der Ladeluft weitergeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Kondenswasser im Wärmeübertrager an hydrophoben Flächen in Tropfenform sammelt, wobei die sich bildenden Tropfen (3) einen Kontaktwinkel von größer als 90°, vorzugsweise größer als 120° und insbesondere größer als 150° aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in einem Betriebszustand, in welchem der Ladeluft Kondenswasser zugeführt werden soll, die Ladeluft im Wärmeübertrager (1) zumindest im Bereich von Abreißkanten (4) mit einer Strömungsgeschwindigkeit von über 3 m/s, insbesondere von über 6 m/s, strömt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Wärmeübertrager mechanische Schwingungen angeregt werden, insbesondere durch zumindest einen an den Verdampfer angekoppelten Schwingungsgeber.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanischen Schwingungen im wesentlichen senkrecht zu einer wärmeübertragenden Fläche des Wärmeübertragers ausgerichtet sind.