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Die
Erfindung betrifft eine Kühlanlage
für ein Schienenfahrzeug,
das von einem Verbrennungsmotor angetrieben ist, wobei diese Kühlanlage
bevorzugt für
dieselhydraulisch oder dieselelektrisch angetriebene Lokomotiven
oder Triebwagen Verwendung findet.
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Die
Auslegung einer Kühlanlage
für ein Schienenfahrzeug
hängt von
einer Vielzahl von Faktoren ab. Zunächst entscheidet das Grundkonzept des
Schienenfahrzeugs – ob
es sich also um eine Lokomotive oder einen Triebwagen handelt – über den verfügbaren Bauraum
im Schienenfahrzeug und somit über
die Bauart und Anordnung der Kühlanlage im
Schienenfahrzeug. Während
Triebwagen vorwiegend zur Beförderung
von Personen dienen, werden Lokomotiven vorzugsweise im Güterzugverkehr
eingesetzt und sind ebenso zur schnellen Beförderung von Reisenden geeignet.
Abhängig
vom Grundkonzept des Schienenfahrzeugs ist natürlich auch die Antriebsleistung
desselben. Beim Einsatz von leistungsstarken Lokomotiven fällt natürlich eine
größere Abwärme des
Verbrennungsmotors an, als dies beispielsweise bei leistungsmäßig geringer
ausgeführten
Triebwagen der Fall ist. Die Leistung der Kühlanlage muss somit an die
Leistung des Schienenfahrzeugs angepasst sein. Weiterhin zu beachten
ist die Anzahl der Aggregate, wie beispielsweise Lüfteranlagen
und Klimaanlagen zur Innenraumkühlung
von Triebwagen und Waggons beziehungsweise Hilfsaggregate bei Schieneninstandsetzungsfahrzeugen und
-lokomotiven. Somit sind auch die klimatischen Verhältnisse
am Einsatzort des Schienenfahrzeugs in die Auslegung einer Kühlanlage
mit einzubeziehen. Auch die geografische Lage der Einsatzorte und somit
das Streckenprofil entscheiden über
die Leistungsauslegung des Schienenfahrzeugs und dessen Kühlanlage.
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Derartige
Kühlanlagen
für Schienenfahrzeuge
sind seit langem bekannt. Sie umfassen im Wesentlichen einen oder
mehrere Lüfter
sowie einen oder mehrere Wärmetauscher,
die in wenigstens einem Kühlmittelkreislauf
angeordnet sind. Dabei wird mittels einer Pumpe ein Kühlmedium
im Kühlmittelkreislauf
gefördert,
wobei Abwärme
von dem Verbrennungsmotor und den Aggregaten vom Kühlmedium
aufgenommen wird, um diese über
einen Luftvolumenstrom, der durch relativ große Wärmeabführflächen der Wärmetauscher hindurchströmt, an die
Umgebung abzugeben. Dazu wurden in der Vergangenheit Kühlanlagen
mit einem, zwei oder mehreren getrennten Kühlmittelkreisläufen eingesetzt.
Solche Kühlanlagen
weisen beispielsweise einen Hochtemperaturkühlkreislauf, insbesondere zur
Kühlung
des Verbrennungsmotors und dessen Schmier- beziehungsweise Hydrauliköle, und
einen Niedertemperaturkreislauf, beispielsweise zur Kühlung der
Ladeluft für
den Verbrennungsmotor, auf. Entsprechend dem Kühlkreislauf werden auch Hochtemperatur-
und Niedertemperatur-Wärmetauscher
eingesetzt.
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Bisher
ist es bekannt, die unterschiedlichen Wärmetauscher derart anzuordnen,
dass Hochtemperatur- und Niedertemperatur-Wärmetauscher in Strömungsrichtung
der durch diese hindurchströmenden
Luft gesehen nebeneinander liegen, so dass die Luft gleichzeitig
durch Hochtemperatur- und Niedertemperatur-Wärmetauscher hindurchströmt, so dass
im selben Moment die Aggregate im Hochtemperatur- sowie Niedertemperatur-Kühlkreislauf
optimal gekühlt
werden.
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Auch
sind Kühlanlagen
für Schienenfahrzeuge
bekannt, bei denen die Luft nacheinander durch die Wärmeabführflächen eines
Niedertemperatur- und anschließend
durch die eines Hochtemperatur-Wärmetauschers
strömt,
so dass beide Wärmetauscher
in Strömungsrichtung
der Luft gesehen hintereinander angeordnet sind. Bei gleicher räumlicher Anordnung
können
Nieder- und Hochtemperaturwärmetauscher
auch in einem (beziehungsweise mehreren) Kombikühlelementen angeordnet sein.
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Obwohl
die bekannten Kühlanlagen
für Schienenfahrzeuge
verschiedener Hersteller zur Zufriedenheit ihrer Kunden arbeiten,
ist die Effizienz solcher Kühlanlagen
während
des Betriebes des Schienenfahrzeuges unerwünschten Einschränkungen
unterworfen. Die Ursache hierfür
ist teilweise auf die Strömungsverluste
des im Kühlkreislauf
strömenden Kühlmediums
sowie die abhängig
von der Dicke der Wärmetauscher
erzeugten luftseitigen Druckverluste zurückzuführen. Diese Strömungsverluste
vergrößern sich,
je mehr Wärmetauscher
in den Kühlkreislauf
eingesetzt werden und je größer die
Tiefe der Wärmetauscher – beispielsweise
bei parallel hintereinander geschalteten Hochtemperatur- und Niedertemperatur-Wärmetauschern – gewählt wird,
so dass der Lüfter
einer größeren Dimensionierung
bedarf, um einen dementsprechenden Luftdurchsatz durch die Wärmetauscher
zu erzielen und um eine entsprechende Kühlleistung zu liefern. Ein
größerer Lüfter bringt
neben einer größeren Leistungsaufnahme auch
ein höheres
Gewicht mit, was sich im Nachhinein während des Betriebes negativ
auf den Kraftstoffverbrauch auswirkt.
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Heutige
Entwicklungen fordern immer geringere Schadstoff- und Lärmemissionen,
deren Grenzwerte vom Gesetzgeber festgelegt werden, wobei eine Möglichkeit,
dem beizukommen, eine Energieeinsparung oder -optimierung darstellt.
Entsprechend müssen
Kühlanlagen
effizienter werden und weniger Energie verbrauchen. Werden Kühlanlagen kleiner
und leichter ausgeführt,
so werden meistens die Wärmetauscher
von der Dicke her reduziert, was jedoch im Inneren Druckverluste
des Kühlmediums und
eine unzureichende Wärmeabfuhr
an den Wärmeabführflächen durch
die Luft mit sich bringt, wodurch wiederum eine größere Lüfterleistung
nötig wird.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühlanlage für ein Schienenfahrzeug, das
von einem Verbrennungsmotor angetrieben ist, anzugeben, welche es
ermöglicht,
die vorhandene Energie effizienter zu nutzen, die Größe und das
Gewicht der Kühlanlagen
und somit der einzelnen Komponenten wie Wärmetauscher zu verringern sowie
die Druckverluste durch die Kühlmedien
zu minimieren. Dies bedeutet ebenso eine Reduktion der Größe der Wärmeabführflächen der
eingesetzten Wärmetauscher wie
auch die Einsparung von Kraftstoff abhängig vom Betriebszustand des
Schienenfahrzeugs sowie die Verbesserung des Wirkungsgrades der
Kühlanlage.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe
wird durch eine Kühlanlage
für ein
Schienenfahrzeug nach dem unabhängigen
Anspruch gelöst.
Die abhängigen
Ansprüche
stellen bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung dar.
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Eine
erfindungsgemäße Kühlanlage
für ein Schienenfahrzeug,
das von einem Verbrennungsmotor angetrieben ist, umfasst zwei Kühlmittelkreisläufe, ein
Gehäuse,
einen Lüfter,
wobei an mindestens einer Seite des Gehäuses eine Wärmetauschereinheit vorgesehen
ist, welche an die beiden Kühlmittelkreisläufe angeschlossen
ist, wobei Luft von außerhalb des
Gehäuses
durch Wärmeabführflächen der
Wärmetauschereinheit
ins Innere des Gehäuses
strömt. Dabei
ist die Wärmetauschereinheit
unterteilt in einen ersten Block, umfassend einen Hochtemperaturwärmetauscher,
und einen zweiten Block, wobei der zweite block einen Hochtemperatur-
und einen Niedertemperatur-Wärmetauscher
umfasst. Die beiden Wärmetauscher
sind derart angeordnet, dass deren größere Seitenflächen einander
zugewandt sind, und dass in Strömungsrichtung
der zu kühlenden
Luft zuerst der Niedertemperatur-Wärmetauscher und anschließend der
Hochtemperatur-Wärmetauscher
von der Luft durchströmt
wird. Dabei sind die beiden Blöcke
derart nebeneinander angeordnet, dass die Stirnseiten der beiden
Blöcke
beziehungsweise der Wärmetauscher
einander zugewandt sind.
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Vorteilhaft
weist der zweite Block und insbesondere die beiden Hochtemperatur- und Niedertemperatur-Wärmetauscher
zusammen dieselbe Dicke auf, wie der erste Block, der ein reiner
Hochtemperatur-Wärmetauscher
ist.
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Mit
Vorteil sind in den einzelnen Blöcken mehrere
Wärmetauscher
nebeneinander angeordnet, so dass deren Stirnseiten einander zugewandt sind.
Dies bedeutet, insbesondere, dass die einzelnen Blöcke in Vertikalebenen
geteilt sind und die Stirnseiten in oder im Wesentlichen parallel
zu diesen Ebenen liegen, so dass die Stirnseiten einander zugewandt
sind.
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Mit
Vorteil weist die Kühlanlage
beziehungsweise das Gehäuse
und/oder die Wärmetauschereinheit
beziehungsweise deren Blöcke
und Wärmetauscher
eine prismatische oder zylindrische Form auf. Im Falle der zylindrischen
Ausbildung der Kühlanlage
ist der Lüfter
vorzugsweise an einer Stirnseite des Zylinders angeordnet, wobei
die Wärmetauschereinheiten
radial auf der Manteloberfläche
dieses Zylinders angeordnet sind. Dabei können die Niedertemperatur-Wärmetauscher die Hochtemperatur-Wärmetauscher
umschließen,
so dass die beiden Wärmetauschertypen
in einem Schnitt senkrecht zur Längsachse
des Zylinders gesehen derart angeordnet sind, dass der Hochtemperatur-Wärmetauscher radial innen und
der Niedertemperatur-Wärmetauscher
radial außen
am Umfang des Zylinders angeordnet sind. Dies ist dann vorteilhaft,
wenn der zur Verfügung
stehende Bauraum des Schienenfahrzeugs für die Kühlanlage in der Breite begrenzt
ist, nicht jedoch in der Länge
des Schienenfahrzeugs. Hierzu kann dann die zylindrische Form Verwendung finden,
so dass der Umfang der Kühlanlage
reduziert wird, dafür
aber die Länge
in Fahrtrichtung des Schienenfahrzeugs vergrößert wird.
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Als
Kühlmedium
für die
Wärmetauscher kann
vorzugsweise Wasser beziehungsweise Wassergemische wie Wasser-Glykol
eingesetzt werden. Weiterhin ist es auch denkbar, Öle wie beispielsweise Getriebe-
oder Turbogetriebeöle,
die gleichzeitig das Kühl-
und Arbeitsmedium beispielsweise von hydrodynamischen Getrieben
oder hydrodynamischen Bremsen darstellen zu verwenden. Auch andere
Hydrostatik- und Wärmeträgeröle sind
denkbar.
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Als
Antrieb für
das Schienenfahrzeug ist in erster Linie ein Verbrennungsmotor,
welcher beispielsweise als Dieselmotor ausgeführt sein kann, denkbar. Weiterhin kann
der Antrieb über
dieselelektrische, dieselhydraulische oder hydrostatisch oder mechanisch
gekoppelte Antriebe erfolgen.
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Die
einzelnen Wärmetauschereinheiten
und Blöcke
können
entlang einer vertikalen Ebene, welche durch die Längsachse
des Schienenfahrzeugs verläuft,
im Gehäuse
zueinander symmetrisch angeordnet sein. Diese können aber auch einander diametral
gegenüberliegen
oder eine beliebige andere Anordnung aufweisen. Die Kühlanlage
kann auch mit lediglich einer, in einem Gehäuse angeordneten und mit einem
Lüfter
versehenen Wärmetauschereinheit ausgestattet
sein.
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Vorteilhaft
kann eine erfindungsgemäße Kühlanlage
unterflur, auf dem Dach oder direkt im Maschinenraum angebracht
sein. Die Kühlanlage kann
auch mit lediglich einer, in einem Gehäuse angeordneten und mit einem
Lüfter
versehenen Wärmetauschereinheit
ausgestattet sein.
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Es
kann auch eine Mehrzahl von Lüftern
vorhanden sein, wobei diese auch elektrisch oder hydrostatisch betrieben
werden können.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der beigefügten Figuren exemplarisch
erläutert
werden.
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Es
zeigen:
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1a eine
Ausgestaltung einer ersten Kühlanlage
gemäß dem Stand
der Technik.
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1b eine
Ausgestaltung einer zweiten Ausführungsform
gemäß dem Stand
der Technik.
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2a eine
perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kühlanlage.
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2b eine
teils geschnittene Draufsicht einer erfindungsgemäßen Kühlanlage
gemäß 2a.
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In 1a ist
eine Kühlanlage,
umfassend ein Gehäuse 1,
in welchem ein Lüfter 2 zur
Erzeugung eines Luftvolumenstroms eingesetzt wird sowie zwei erste
Blöcke 4 und
ein zweiter Block 5 ersichtlich. Die Blöcke 4, 5 stellen
vorliegend eine Wärmetauschereinheit 3 dar,
siehe die strichpunktierte Umrandung. Dabei sind vorliegend zwei
Wärmetauschereinheiten 3 einander
gegenüberliegend
angeordnet und vorliegend symmetrisch zu einer Ebene, die senkrecht
zur Darstellungsebene durch eine gedachte Drehachse des Lüfters 2 verläuft, angeordnet.
Die einzelnen Blöcke 4, 5 der
Wärmetauschereinheit 3 umfassen
jeweils einen Hochtemperatur-Wärmetauscherteil 7 und
einen Niedertemperatur-Wärmetauscherteil 8. Die
beiden Wärmetauscherteile 7, 8 eines
Blocks 4, 5 sind derart angeordnet, dass vom Lüfter 2 angesaugte
Luft von außerhalb
des Gehäuses 6 durch
die Wärmeabführflächen zuerst
des Niedertemperatur-Wärmetauscherteils 8 und
anschließend
durch die Wärmeabführflächen des
Hochtemperatur-Wärmetauscherteils 7 ins
Innere des Gehäuses 6 strömt, um vom
Lüfter 2 wieder
aus dem Gehäuse 6 gefördert zu
werden. Die einzelnen, jeweils artengleichen Kombi-Wärmetauscher
sind jeweils in einem nicht gezeigten Hochtemperatur- und Niedertemperatur-Kühlkreislauf
angeordnet und werden nacheinander vom Kühlmittel durchströmt. Diese
Anordnung ist wärmetechnisch
zwar verhältnismäßig günstig, da die
Kühlluft
des Niedertemperaturkreislaufs nachfolgend für den Hochtemperaturkreislauf
genutzt wird. Jedoch muss der NT-Anteil
der Kühlerblöcke oftmals fertigungsbedingt
dicker ausgeführt
werden, als das aus thermischen oder strömungstechnischen Gründen notwendig
wäre. Eine
solche Überdimensionierung
des NT führt
zu erhöhtem
Gewicht und zu erhöhten
Herstellkosten, vor allem aber ist der luftseitige Druckverlust
unnötig
groß – und damit
auch der Leistungsbedarf des Kühlerlüfters sowie
die Lärmemissionen.
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1b zeigt
eine weitere Ausführungsform gemäß dem Stand
der Technik, wobei für
dieselben Bauteile gleiche Bezugszeichen wie in 1a verwendet
werden. Wie hieraus ersichtlich wird, sind die einzelnen Blöcke 4, 5 jeweils
mit artengleichen Wärmetauschern
ausgestattet, so dass im Gegensatz zur 1a die
von außen
in das Gehäuse 1 einströmende Luft
gleichzeitig den Hochtemperatur- und Niedertemperatur-Wärmetauscher
durchströmt,
da Hochtemperatur-Wärmetauscher 7 des
Blocks 4 mit dessen Stirnseite am Niedertemperatur-Wärmetauscher 8 des
Blocks 5 anliegt.
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In
dieser Anordnung wird die Kühlluft,
die den Niedertemperatur-Wärmetauscher 8 durchströmt, nur
schwach erwärmt
und durch den Kühlerlüfter wieder
an die Umgebung abgegeben, ohne dass die Wärmekapazität der Luft im Weiteren noch für die Kühlung des
Hochtemperaturkreislaufes genutzt würde. Dies führt zu einem vergrößerten Raumbedarf
und Gewicht der Anlage sowie zu einer relativen Ineffizienz im Umgang
mit der Antriebsleistung des Kühlerlüfters.
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Die 2a zeigt
eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Kühlanlage. Auch hierbei sind,
wie in den 1a und 1b beschrieben,
zwei Wärmetauschereinheiten 3 (siehe 2b) symmetrisch
zu einer Ebene, die durch einen gedachten Drehpunkt eines nicht
dargestellten Lüfterrades
des Lüfters 2 sowie
entlang der Längsachse (Fahrtrichtung
des Schienenfahrzeugs) verläuft,
angeordnet. Vorliegend ist die Symmetrie zwar gewollt, jedoch nicht
bindend.
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Weiterhin
ist erkennbar, dass die beiden Blöcke 4 einer Wärmetauschereinheit 3 jeweils
einen einzigen Wärmetauscher,
vorliegend einen Hochtemperatur-Wärmetauscher,
aufweisen, wohingegen der zweite Block 5 einen Hochtemperatur-Wärmetauscher 7 und
einen Niedertemperatur-Wärmetauscher 8 umfasst,
die beide derart angeordnet sind, dass in Strömungsrichtung der in das Gehäuse 6 strömenden Luft
zuerst der Niedertemperatur-Wärmetauscher 8 und dann
der Hochtemperatur-Wärmetauscher 7 durchströmt wird.
Die Kühlanlage
kann im Schienenfahrzeug derart angeordnet sein, dass die Längskanten
der Kühlanlage
parallel zur Fahrtrichtung des Schienenfahrzeugs angeordnet sind,
wobei die Außenflächen der
Wärmetauschereinheiten 3 die Außenseiten
der Kühlanlage
bilden, wobei diese den Außenseiten
des Schienenfahrzeugs zugewandt sind.
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Weiterhin
ist in 2b gezeigt, dass jeweils die
größeren Seitenflächen 9 der
einzelnen Wärmetauscher 7, 8 einander
zugewandt sind. Entlang dieser Seitenflächen 9 können die
Wärmetauscher 7, 8 miteinander über ein
Medium in thermischer Koppelung stehen. Weiterhin ist entnehmbar,
dass die Stirnseiten 10 der einzelnen Blöcke 4, 5 und
somit der Wärmetauscher 7, 8 einander
zugewandt sind. Die Stirnseiten 10 der einzelnen Blöcke 4, 5 sind
somit Ebenen, die senkrecht zur Längsachse des Gehäuses 1 liegen,
wobei die Stirnseiten 10 einander zugewandt sind. Die relativ
großen
Seitenflächen 9 der einzelnen
Wärmetauscher 7, 8 des
Blocks 5 liegen vorliegend in parallelen einander zugewandten
Ebenen parallel zur Fahrtrichtung. In Strömungsrichtung der Luft gesehen,
sind die beiden Blöcke 4 und
der Block 5 nebeneinander angeordnet, derart, dass diese
gleichzeitig von der vom Lüfter 2 angesaugten
Luft durchströmt
werden.
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Lüfter
- 3
- Wärmetauschereinheit
- 4
- erster
Block
- 5
- zweiter
Block
- 7
- Hochtemperatur-Wärmetauscher
- 8
- Niedertemperatur-Wärmetauscher
- 9
- Seitenfläche
- 10
- Stirnseiten