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Die
Erfindung betrifft ein Zusatzheizgerät für mobile Anwendungen, und ein
Fahrzeug, das mit diesem Zusatzheizgerät ausgestattet ist.
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Zusatzheizgeräte für mobile
Anwendungen, mit einem Brenner und einem Wärmeübertrager, werden als so genannte
Zusatz-Luftheizgeräte
oder Zusatz-Wasserheizgeräte bei Fahrzeugen,
wie beispielsweise Personenwagen, Nutzfahrzeugen, Bussen, Eisenbahnwagons
oder Schiffen, eingesetzt. Sie dienen in der Regel zum Beheizen
eins Fahrgastraumes oder zum Vorwärmen des Kühlwassers eines Verbrennungsmotors
des Fahrzeugs.
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Bei
derartigen Zusatzheizgeräten
wird im Brenner ein in der Regel flüssiger Brennstoff mit Luft gemischt,
gezündet
und in einem am Brenner angeordneten Flammrohr verbrannt. Das Flammrohr
ist von dem eingangs genannten Wärmeübertrager
umgeben. Es lenkt das bei der Verbrennung entstehende heiße Abgas
zum Bodenabschnitt der Wand des Wärmeübertragers, wo es weiter von
der Innenseite des Flammrohres an dessen Außenseite umgelenkt wird. Das
Abgas strömt
nachfolgend zwischen der Außenseite
des Flammrohres und einem an den Bodenabschnitt anschließenden Zylinderabschnitt
der becherförmigen
Wand des Wärmeübertragers.
Dabei gibt das Abgas seine Wärmeenergie
an die Wand ab.
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An
der Außenseite
der Wand des Wärmeübertragers
strömt
ein gasförmiger
oder flüssiger
Wärmeträger, wie
beispielsweise Heizluft für
einen Fahrgastraum oder Kühlflüssigkeit
eines Verbrennungsmotors. Dieser Wärmeträger wird von der Wand des Wärmeübertragers
erwärmt.
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An
der dem Flammrohr bzw. dem Brenner zugewandten Innenseite des Bodenabschnitts
der Wand sind bei derartigen Zusatzheizgeräten oftmals Erhebung ausgebildet,
um den Wärmeübergang
vom Abgas zum Wärmeträger insbesondere
im Bereich des vom Abgas besonders stark erhitzten Bodenabschnitts
zu verbessern. Aus den Druckschriften
DE 196 13 759 A1 ,
DE 196 13 760 A1 ,
DE 199 09 395 A1 und
DE 199 26 264 A1 sind
solche Erhebungen bekannt, die als Stifte ausgestaltet sind.
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Bei
der in der
DE 199
26 264 A1 beschriebenen becherförmigen Wand des Wärmeübertragers sind
an dem Zylinderabschnitt der Wand innenseitig axiale Rippen ausgebildet,
um den Wärmeübergang vom
Abgas auf die Wand zu verbessern.
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Aus
der
DE 197 34 814
C1 ist ein Wärmeübertrager
bzw. Wärmetauscher
bekannt, an dessen Innenwand ebenfalls axiale Rippen vorstehen.
Die Rippen erstrecken sich im wesentlichen über die gesamte axiale Länge eines
Ringraums, der zwischen der Innenwand und einem Flammrohr gebildet
ist. Um den Wirkungsgrad des Wärmeübertragers
zu erhöhen,
sind die Rippen so gestaltet, dass ihre Höhe ausgehend von einer minimalen
Höhe am
Abgasaustritt in der Nähe
des Brenners zu einer maximalen Höhe am gegenüberliegenden Bereich zunimmt.
Dieser gegenüberliegende
Bereich ist als zugespitztes Ende der Innenwand gestaltet. Das zugespitzte
Ende mündet
in einem kleinen verdickten Bodenabschnitt, an dem keine Rippen
ausgebildet sind.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Zusatzheizgerät zu schaffen,
das einen erhöhten Wirkungsgrad
aufweist und bei dem insbesondere der Wärmeübergang zwischen dem Abgas
und der Wand des Wärmeübertragers
weiter verbessert ist.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben.
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Die
erfindungsgemäß am Bodenabschnitt vorgesehene
Rippe dient weniger der Vergrößerung der
Oberfläche
am Bodenabschnitt, um den Wärmeübergang
vom Abgas auf die Wand des Wärmeübertragers
zu verbessern. Stattdessen wird mit der erfindungsgemäßen Rippe
der vom Inneren des Flammrohres austretende Abgasstrom beim Verlassen
des Flammrohres in zwei zumindest annähernd gleiche Teilströme geteilt.
Diese Teilströme
werden je einzeln am Bodenabschnitt umgelenkt und nachfolgend zwischen
der Außenseite
des Flammrohres und dem Zylinderabschnitt der Wand des Wärmeübertragers zum
Abgasaustritt geleitet. Nach dem Verlassen des Flammrohres kann
bei dem erfindungsgemäßen Zusatzheizgerät zwischen
den Teilströmen
kein Druckausgleich mehr erfolgen. Die beiden Teilströme werden
erst kurz vor dem Abgasaustritt zusammengeführt, in der Regel in einem
dafür vorgesehenen
ringförmigen
Sammelraum.
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Die
beiden Teilströme
des Abgasstroms sind so erfindungsgemäß über den Bodenabschnitt und insbesondere
auch über
den Umfang des Zylinderabschnitts gleichmäßig verteilt. Es ergeben sich
nahezu keine über-
und insbesondere keine unterbelasteten Bereiche an der Wand des
Wärmeübertragers.
Dadurch wird der Wärmeübertrager
hinsichtlich des Wärmeübergangs
vom Abgas auf den Wärmeüberträger besser
genutzt. Der Wärmeübertrager
kann im Vergleich zu bekannten Wärmeübertragern
insgesamt höher
belastet werden, da die Belastungsgrenze nicht bereits an wenigen
besonders hoch belasteten Wandabschnitten erreicht wird.
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Insgesamt
weist der erfindungsgemäße Wärmeübertrager
bei gleicher Baugröße einen
höheren
Wirkungsgrad als herkömmliche
Wärmeübertrager
auf und kann daher pro Zeiteinheit eine größere Energiemenge vom Abgas
auf den jeweiligen Wärmeträger übertragen.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Bei
einer ebenfalls vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist
die Wand des Wärmeübertragers
einen Zylinderabschnitt auf, der sich vom Bodenabschnitt ausgehend
in Richtung des Brenners erstreckt und an einem dem Brenner zugewandten Endbereich
einen Abgasaustritt aufweist. Dabei ist in einem zur Längsachse
senkrechten Querschnitt des Zylinderabschnitts vom Mittelpunkt des
Bodenabschnitts ausgehend durch den Abgasaustritt eine Austrittsrichtung
definiert. Die Rippe am Bodenabschnitt erstreckt sich dann im wesentlichen
quer zu dieser Austrittsrichtung. Die Rippe unterteilt damit den
Abgasstrom in einen dem Abgasaustritt zugewandten und einen vom
Abgasaustritt abgewandten Teilstrom. Ziel ist es, den vom Abgasaustritt
abgewandten Teilstrom entlang der Wärmeträgerwand strömen zu lassen, ohne dass sich
der Druck mit dem Teilstrom ausgleicht, der dem Abgasaustritt zugewandt
ist, und ohne dass die Teilströme
sich am Bodenabschnitt wesentlich vermischen.
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Ferner
ist der Abgasaustritt vorteilhaft als Abgasstutzen gestaltet, der
tangential zum Zylinderabschnitt mündet, wobei sich die Rippe
am Bodenabschnitt im wesentlichen in einem Winkel von 45 ° zur Längsrichtung
des Abgasstutzens erstreckt. Der tangential einmündende Abgasstutzen sammelt
insbesondere den mittelbar zum Abgasaustritt strömenden Teilstrom vorteilhaft,
ohne dass sich dabei Rückström- oder
Totgebiete ergeben.
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Die
erfindungsgemäß am Bodenabschnitt angeordnete
Rippe erstreckt sich vorteilhaft nicht exakt durch den Mittelpunkt
des kreisrunden Bodenabschnitts, son dern durch einen Punkt, der
vom Mittelpunkt in Austrittsrichtung um eine bestimmte Strecke versetzt
ist. Das Flammrohr eines derart gestalteten Zusatzheizgerätes ist
vorteilhaft mit seiner Längsachse
ebenfalls um die genannte Strecke parallelversetzt in dem Zylinderabschnitt
der Wand angeordnet. Auf diese Weise unterteilt die Rippe den im
Flammrohr strömenden
Abgasstrom in zwei mengenmäßig etwa
gleich große
Teilströme.
Dem Teilstrom, der dem Abgasaustritt zugewandt ist, steht im Vergleich zum
Teilstrom, der vom Abgasaustritt abgewandt ist, aufgrund des Versatzes
nun aber ein kleinerer Wandanteil des Bodenabschnitts und auch des
Zylinderabschnitts der Wand zur Verfügung, um Wärme abzugeben. Diese Art der
Aufteilung der Teilströme gleicht
die Wärmebelastung
der Wand weiter aus.
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Die
erfindungsgemäße Rippe
erstreckt sich im montierten Zustand des Wärmeübertragers über dem Flammrohr vorteilhaft
vom Bodenabschnitt ausgehend bis an den dem Bodenabschnitt zugewandten
Rand des Flammrohres. Alternativ kann die Rippe bis nahe an das
Flammrohr reichen oder auch in dieses hineinragen. Der Zylinderabschnitt
weist vorteilhaft an seiner dem Flammrohr zugewandter Innenseite
zumindest zwei sich im wesentlichen axial erstreckende Stege auf,
von denen insbesondere je einer am Bodenabschnitt an einen Endbereich
der Rippe anschließt.
Die Stege führen
das Abgas entlang der Außenseite
des Flammrohres bzw. entlang der Innenseite des Zylinderabschnitts
der Wand und verhindern dabei einen Druckausgleich der Teilströme untereinander.
Neben der sich über
den gesamten Bodenabschnitt diametral erstreckenden Rippe können weitere
sich im wesentlichen radial erstreckende Rippen am Bodenabschnitt
vorgesehen sein, mit deren Hilfe der Abgasstrom in mehr als zwei
Teilströme
unterteilt wird. An die Enden dieser Rippen können sich ebenfalls Stege anschließen.
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Die
genannten Stege können
an ihrem dem Brenner zugewandten Endbereich des Zylinderabschnitts
vorteilhaft zugleich zur Begrenzung eines Ringkanals bzw. Sammelraums
für das
austretende Abgas genutzt werden, indem ihr Ende um eine entsprechende
Strecke vom Ende des Zylinderabschnitts zurückgesetzt ist.
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Die
Enden der Stege sind dabei vorteilhaft derart zurückgesetzt,
dass der gebildete Ringkanal im Bereich des Abgasaustritts eine
größere axiale
Erstreckung aufweist als im diametral gegenüberliegenden Bereich, insbesondere
derart, dass die Stege im wesentlichen in einer Ebene enden, die
sich schräg
zur Achse des Zylinderabschnitts erstreckt. Auf diese Weise stehen
den vom Abgasaustritt abgewandten Teilströmen größere Flächen an den Stegen für die Wärmeabgabe
zur Verfügung.
Ferner vergrößert sich
der Strömungsquerschnitt
des Ringkanals in Richtung auf den Abgasaustritt.
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Zusatzheizgerätes anhand
der beigefügten
schematischen Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigt:
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1 eine
Vorderansicht eines Wärmeübertragers
des Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Zusatzheizgerätes, und
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2 den
Schnitt II-II in 1.
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Ein
in 1 und 2 dargestellter Wärmeträger 10 eines
weiter nicht dargestellten Zusatzheizgerätes weist als wesentliches
Bauelement eine becherförmige
Wand 12 auf, die im Betrieb des Zusatzheizgerätes an ihrer
Innenseite von heißem
Abgas eines weiter nicht dargestellten Brenners, und an ihrer Außenseite
von einem Wärmeträger, beispielsweise dem
Kühlwasser
eines Verbrennungsmotors eines Fahrzeugs, umströmt wird.
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Die
becherförmige
Wand 12 hat ein Ende 14, das im montierten Zustand
des Wärmeübertragers 10 dem
Brenner zugewandt ist. Ein nachfolgender gestufter zylinderförmiger Rohr-
bzw. Zylinderabschnitt 16 geht in einen dem Brenner gegenüberliegenden
Bodenabschnitt 18 der becherförmigen Wand 12 über.
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Im
Inneren der becherförmigen
Wand 12 ist bei montiertem Wärmeübertrager 10 ein Flammrohr 20 des
Brenners angeordnet, das in 1 und 2 gestrichelt
dargestellt ist. Das Flammrohr 20 ist im wesentlichen zylinderförmig.
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Das
Innere der becherförmigen
Wand 12 kann in vier Abschnitte eingeteilt werden. Am Ende 14 ist
in dem Rohrabschnitt 16 zunächst ein kreisrunder Ringkanal 22 ausgebildet,
der zum Ableiten von Abgas dient. Der Ringkanal 22 weist
einen Durchmesser D auf. Ein auf den Ringkanal 22 axial
folgender Bereich 24 des Rohrabschnitts ist mit demselben Durchmesser
D hohlzylinderförmig
gestaltet. In diesem Bereich 24 sind jedoch an der Innenseite
des Rohrabschnitts 16 Stege 26 angeordnet, die
sich ausgehend vom Ringkanal 22 axial ins Innere der becherförmigen Wand
erstrecken. Insgesamt sind beispielsweise vierundzwanzig Stege 26 über den
inneren Umfang des Rohrabschnitts 16 regelmäßig verteilt
angeordnet.
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An
den Bereich 24 schließt
axial in Richtung des Bodenabschnitts 18 ein Bereich 28 an,
der ebenfalls hohlzylinderförmig
gestaltet und mit den Stegen 26 versehen ist. Der Bereich 28 weist
jedoch einen Durchmesser d auf, der kleiner als der Durchmesser D
ist. Der Rohrabschnitt 16 verengt sich also ausgehend vom
Ringkanal 22 in Richtung auf den Bodenabschnitt 18,
wobei der Übergang
zwischen dem Bereich 24 und dem Bereich 28 mit
einer Stufe 29 gestaltet ist, deren Kanten bzw. Ecken gerundet
ausgebildet sind. Die Stufe 29 selbst verläuft schräg zur Längsrichtung
des Rohrabschnitts 16.
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Der
vierte Abschnitt im Inneren der becherförmigen Wand 12 ist
der erfindungsgemäß ausgestaltete
Bodenabschnitt 18 des Wärmeübertragers 10.
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Der
Bodenabschnitt 18 ist kreisrund. An ihm sind als Erhebungen
Rippen 30 gestaltet, die sich in Richtung des Brenners
bzw. des Flammrohres 20 erstrecken. Die Rippen 30 schließen mit
ihren radial äußeren Enden
an die sich am Rohrabschnitt 16 bis zum Bodenabschnitt 18 erstreckenden
Stege 26 an. Demnach sind die radial äußeren Enden der Rippen 30 ebenso
wie die Stege 26 am Umfang des Bodenabschnitts 18 regelmäßig verteilt
angeordnet.
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Die
Rippen 30 erstrecken sich radial verschieden weit am Bodenabschnitt 18 nach
Innen, wobei drei unterschiedliche Arten von Rippen gebildet sind.
Kurze Rippen 30a erstrecken sich jeweils nur bis etwa zur
Hälfte
des Radius des Bodenabschnitts 18. Zwischen zwei kurzen
Rippen 30a ist in der Regel je eine lange Rippe 30b angeordnet,
die sich radial bis etwa 4/5 des Radius des Bodenabschnitts 18 erstreckt.
An der Stelle zweier gegenüber
angeordneter langer Rippen 30b ist am Bodenabschnitt 18 ferner
eine diametral durchgehende Rippe 30c angeordnet. Die Rippen 30 und
insbesondere auch die Rippe 30c sind in ihrer Höhe so gestaltet,
dass sie bis zu einem dem Bodenabschnitt 18 zugewandten Ende 32 des
Flammrohres 20 reichen.
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Die
Rippe 30c erstreckt sich in der in 1 dargestellten
Vorderansicht (und auch in einem zur Zeichenebene parallelen Querschnitt
des Wärmeträgers 10)
quer zu einem Abgasaustritt 34. Der Abgasaustritt 34 ist
mit einer Austrittsöffnung 36 an
einem Abgasstutzen 38 gestaltet. Die Austrittsöffnung 36 befindet
sich in einem Sammelraum 40 am Ringkanal 22. Der
Abgasstutzen 38 ist tangential zum Rohrabschnitt 16 angeordnet,
wie in 1 zu sehen ist.
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Am
Wärmeübertrager 10 befinden
sich ferner ein Wärmeträgereintritt 42 und
ein Wärmeträgeraustritt 44.
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Schließlich ist
zu beachten, dass das Flammrohr 20 eine Achse 46 aufweist,
die sich parallel und um eine Strecke x von einem Mittelpunkt 48 des kreisrunden
Bodenabschnitts 18 versetzt erstreckt. Das Flammrohr 20 ist
demnach nicht konzentrisch im Rohrabschnitt 16 angeordnet,
sondern versetzt. Die Höhe
der Stege 26 im Rohrabschnitt 16 ist dabei so angepasst,
dass sich alle Stege 26 von außen bis an das Flammrohr 20 erstrecken.
Das Flammrohr 20 ist um die Strecke x in Richtung auf den
Abgasaustritt 34 versetzt. Die Stege 26 am Abgasaustritt 34 sind
demnach kleiner als die gegenüberliegenden
Stege 26.
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Die
Stege 26 sind ferner auch an ihren dem Brenner zugewandten
Enden 50 besonders gestaltet. Diese Enden 50 sind
so aufeinander abgestimmt bemessen, dass sie eine zur Achse 46 des
Flammrohres 20 bzw. zur Längsrichtung des Rohrabschnittes 16 schräge Ebene
bilden, wobei der damit gebildete Ringkanal 22 am Abgasaustritt 34 seine
größte Längserstreckung
aufweist.
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Im
Betrieb des derart gestalteten Zusatzheizgerätes ist insbesondere die Funktion
der Rippe 30c von Bedeutung. Diese Rippe 30c unterteilt
den im Flammrohr 20 gebildeten Abgasstrom, der sich auf den
Bodenabschnitt 18 zu bewegt, in zwei Teilströme. Ein
Teilstrom fließt
an der dem Abgasaustritt 34 zugewandten Seite am Rohrabschnitt 16 entlang,
der zweite Teilstrom fließt
an der gegenüberliegenden Seite.
Die Teilströme
werden dabei von den Stegen 26 geführt. Zwischen den Teilströmen kann
kein Druckausgleich stattfinden, so dass jeder Teilstrom in dem
ihm von der Rippe 30c zugewiesenen Bereich des Bodenabschnitts 18 und
nachfolgend des Rohrabschnitts 16 Wärme an die becherförmige Wand 12 abgibt
und zur Erwärmung
des an der Außenseite
der Wand 12 strömenden
Wärmeträgers in
gleichem Maße
beiträgt.
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Die
Teilströme
gelangen erst im Ringkanal 22 zusammen, wo sie nachfolgend
durch den Abgasstutzen 38 aus dem Wärmeübertrager 10 austreten.
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Da
am Übergangsbereich
vom Bodenabschnitt 18 zum Rohrabschnitt 16 je
ein axial äußeres Ende
einer Rippe 30a bis 30c in einen der Stege 26 übergeht,
ist die am Bodenabschnitt durch die Rippen 30 und insbesondere
die Rippe 30c festgelegte Strömungsaufteilung auch für die gesamte
nachfolgend umströmte
innere Mantelfläche
des Rohrabschnitts 16 festgelegt. Die Rippen 30 und
die Stege 26 vergrößern darüber hinaus
auch die Mantelfläche des
Bodenabschnitts 18 und des Rohrabschnitts 16 und
führen
so zu einem verbesserten Wärmeübergang
zwischen Abgas und becherförmiger
Wand 12.
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Durch
die Lage der Austrittsöffnung 36 bzw. des
Abgasaustritts 34 ist vom Mittelpunkt des Bodenabschnitts 48 und
im wesentlichen auch von der Achse des Flammrohrs 20 ausgehend
eine Austrittsrichtung definiert, die in 1 mit einer
Strichpunktlinie 52 markiert ist. Die Rippe 30c erstreckt
sich in einer zu dieser Austrittsrichtung lotrechten Ebene, in der sich
auch die Achse des Flammrohres befindet. Die Rippe 30c teilt
demnach den im Flammrohr 20 auf den Bodenabschnitt 18 zuströmenden Abgasstrom
in genau zwei gleich große
Teilströme,
von denen nachfolgend einer auf der dem Abgasaustritt 34 abgewandten
Seite des Rohrabschnitts 16 zum Ringkanal 22 strömt, während der
andere Teilstrom an der dem Abgasaustritt 34 zugewandten
Seite zu diesem strömt.
Der Strömungsquerschnitt
zwischen der Außenseite
des Flammrohrs 20 und der Innenseite des Rohrabschnitts 16 ist
auf der dem Abgasaustritt 34 zugewandten Seite kleiner
als auf der abgewandten Seite. Daher ist auf der zugewandten Seite
der Strömungswiderstand
im Vergleich zu abgewandten Seite etwas höher, womit sichergestellt wird,
dass ausreichenden Abgas entlang der abgewandten Seite strömt.
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Der
Abgasstutzen 38 mündet
an der Austrittsöffnung 36 tangential
an den Rohrabschnitt 16 bzw. den Ringkanal 22.
Dabei ist zwischen der Ebene, in der die Rippe 30c liegt,
und der in 1 mit 54 markierten
Längsrichtung
des Abgasstutzens 38 ein Winkel von 45° gebildet. Zusammen mit dem
an der Austrittsöffnung 36 ausgebildeten
Sammelraum 40 ist so für
ein nahezu rückström- und turbulenzfreies
Austreten des Abgases gesorgt.
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- 10
- Wärmeübertrager
- 12
- becherförmige Wand
- 14
- einem
Brenner zugewandtes Ende der Wand
- 16
- Rohr-
bzw. Zylinderabschnitt der Wand
- 18
- Bodenabschnitt
der Wand
- 20
- Flammrohr
- 22
- Ringkanal
- 24
- erster
Bereich des Rohrabschnitts
- 26
- Steg
am Rohrabschnitt
- 28
- zweiter
Bereich des Rohrabschnitts
- 30
- Rippe
am Bodenabschnitt
- 30a
- lange
Rippe
- 30b
- kurze
Rippe
- 30c
- sich
diametral erstreckende Rippe
- 32
- Flammrohrende
- 34
- Abgasaustritt
- 36
- Austrittsöffnung
- 38
- Abgasstutzen
- 40
- Sammelraum
- 42
- Wärmeträgereintritt
- 44
- Wärmeträgeraustritt
- 46
- Achse
des Flammrohrs
- 48
- Mittelpunkt
des Bodenabschnitts
- 50
- Ende
des Steges
- 52
- Austrittsrichtung
des Abgases
- 54
- Längsrichtung
des Austrittsstutzens
- x
- Versatzstrecke
vom Mittelpunkt des Bodenabschnitts zur Achse des Flammrohres