DE10352187A1

DE10352187A1 - Intensivkühler in Kompaktbauweise, insbesondere als Ladeluftkühler für Verbrennungsmaschinen

Info

Publication number: DE10352187A1
Application number: DE10352187A
Authority: DE
Inventors: Klaus Freundel; Bernhelm Göhler; Hans-Robert Mergenthaler; Bodo Truntschka
Original assignee: KF KUEHLERBAU FREIBERG GmbH
Current assignee: Kf Kuehlerbau Freiberg GmbH
Priority date: 2003-11-05
Filing date: 2003-11-05
Publication date: 2004-05-06

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Intensivkühler in Kompaktbauweise unter Einbeziehung des Heat-Piper-Prinzips, wobei das Arbeitsmedium in den hermetisierten Wärmerohren herstellungsgemäß unter einem Gasvordruck oder Vakuum steht, und ein Kühlrohrbündel. Dadurch ist es möglich, die Energieabführung dosiert bis zu einer minimalen Temperaturdifferenz zwischen wärmeabgebendem Medium und Kühlmedium zu gestalten. An einem Ausführungsbeispiel als Ladeluftkühler für Verbrennungsmaschinen wird die Erfindung erläutert. Die Erfindung ist für die chemische Industrie sowie für Verbrennungsmaschinen interessant.

Description

Die Erfindung des Intensivkühlers in Kompaktaufweise ist vorzugsweise einsetzbar als Ladeluftkühler für Verbrennungsmaschinen sowie in der chemischen Industrie, wo ein energieabgebendes Medium möglichst weit bis zur Temperatur des Kühlmediums dosiert herabgesenkt werden soll.
Für Ladeluftkühler bestehen je nach Anlage unterschiedliche Anforderungen. So sollen Maschinen- und Kühlerschäden durch Korrosion ausgeschlossen werden durch Kühlung bis oberhalb des Taupunktes ( DE 41 09 320 A1 ). Als Lösung werden mehrere Kühlstufen in Reihe vorgeschlagen, die je nach Temperatur der Ladeluft zu- oder abgeschaltet werden können. In DE 711 608 72 wird auch vorgeschlagen das Kühlmedium bei einer Unterschreitung einer Solltemperatur zu beheizen. Wird jedoch eine möglichst niedrige Ladelufttemperatur ohne Rücksicht auf eine Taupunktsunterschreitung gefordert, um dem Motor eine optimale Sauerstoffmenge zuführen zu können, so werden Rohrbündelkühler mit einer Vielzahl von Kühlrohren eingesetzt. Beim Einsatz der Luftladekühler für mobile Verbrennungsmotoren ist die Kühlergröße der Platzfrage wegen von größter Bedeutung. In DE 100 49 314 wird eine verbesserte Kühlung in platzsparender Weise dadurch erreicht, dass zwei Kühler vorgesehen sind, wobei in jedem der Kühler der Ladeluftstrom geteilt und nur jeweils ein Teilstrom gekühlt wird. Auch wird in DE 41 01 708 C2 und DE 42 20 672 A1 die Kühlung durch mehrere Kühler mit unterschiedlichen Kühlmedien, wie z.B. Flüssigkeit und Luft, beschrieben. Zur Beherrschung der Materialfrage bezüglich temperaturbedingter Schädigungen – die komprimierte Ladeluft weist Temperaturen von über 300 °C auf – schlägt DE 199 62 391 A1 vor, mehrere Kühler in Reihe zu schalten und getrennte Kühlmedien mit unterschiedlicher Kühlmedientemperatur einzusetzen, beispielsweise Vorkühler (Ladelufttemperatur von 300 °C auf 180 °C) und Hochtemperaturkühler (von 180 °C auf 110 °C) mit Kühlmediumtemperatur 100 °C sowie Niedertemperaturkühler (von 110 °C auf ca. 60 °C) mit einer Kühlmediumtemperatur von ca. 45 °C. Nach dem Stand der Technik werden zur Ladeluftkühlung meist mehrere in Reihe oder parallel geschaltete Kühler mit einem oder mehreren unterschiedlichen Kühlmedienkreisläufen eingesetzt. Durch Anordnung und/oder Gestaltung der Kühlrohrbündel wird in DE 199 27 807 A1 versucht einen optimalen Kühleffekt zu erreichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei minimalem Platzbedarf eine maximale Kühlwirkung zu erzielen und somit die Temperaturdifferenz zwischen Ladeluft und Kühlmedium am Luftaustritt möglichst klein sowie die temperaturbedingten Schädigungen durch die hohen Ladelufteintrittstemperaturen im Kühler möglichst gering zu haken.
Die Aufgabe wird wie in den Ansprüchen 1 bis 12 beschrieben, dadurch gelöst, dass der Ladeluftkühler in einer kompakten Einheit aus mindestens zwei Abschnitten besteht und die indirekte Kühlung in einem ersten Abschnitt durch mindestens zwei Wärmerohre mit mindestens einem verdampfbaren Arbeitsmedium und in einem zweiten Abschnitt durch ein Bündel von Kühlrohren erfolgt. Das Kühlmedium in Neiden Abschnitten sollte das gleiche sein, wobei die Kühlrohre zuerst zu beaufschlagen sind. Wärmerohre und Kühlrohre können jedoch auch mit getrennten Kühlmedien beaufschlagt werden. Die hermetisierten Wärmerohre nach dem Heat-Pipe-Prinzip können unvollständig unter atmosphärischem Luftdruck mit einem Arbeitsmedium gefüllt sein. Durch den herstellungsgemäßen Gasdruck – auch Unterdruck bzw. Vakuum oder Überdruck – in den Wärmerohren und die Wahl des Arbeitsmediums sind Temperatutstufen bei denen erst die Energieabführung beginnt, vorprogrammierbar. Je nach Wahl des Arbeitsmediums ist ggf. beim Herstellungsprozess unter Inertgas zu arbeiten. Bei einer wässrigen Flüssigkeit, die ggf. mit einem Frostschutzmittel versetzt ist, als Arbeitsmedium und atmosphärtschem Luftdruck in den Wärmerohren beginnt dar Energietransport von der Ladeluft zum Kühlmedium bei ca. 120 °C, wodurch u.a. Materialschäden durch die hohe Kühlereintrittstemperatur der komprimierten Ladeluft von ca. 340 °C minimiert werden. Das Kühlrohrbündel kann auch durch eine Kühlschlange ersetzt werden. Kühlrohr und Wärmerohre sind vorzugsweise rechtwinklig zur Ladeluftströmung so angeordnet, dass die erste Kühlung durch die Wärmerohre und die weitere Kühlung durch die Kühlrohre erfolgt. Die Wärmerohre in einem erfindungsgemäßen Intensivkühler können auch mit unterschiedlichen Arbeitsmedien und/oder Fülldruck beaufschlagt sein und somit spezielle Abschnitts mit unterschiedlichem Beginn der Energieabführung bilden. Die Strömungsrichtungen der Ladeluft und des Kühlmediums sind gegenläufig und können sowohl horizontal, vertikal oder beliebig sein.
Der Intensivkühler in kompakter Bauweise besteht aus einem Kühlblock, in dem die Kühlrohre im unteren und oberen Rohrboden sowie die Wärmerohre nach dem Heat-Pipe-Prinzip in dem oberen Rohrboden gasdicht eingefügt sind und der Kühlblock mit einem unteren und oberen Kammerdeckel zur Führung des Kühlmediums versehen ist. Die Kammerdeckel bilden somit eine Kühlmediumzuführungs- und Kühlmediumsammelkammer. Für eine Ladeluftkühler-Typenreihe können Module mit Wärmerohren und/oder Kühlrohren in das Grundmodul eingefügt werden, wobei dann das Grundmodul aus dem Lufteintrittsteil/Kühlmediumaustritt sowie Luftaustrittsteil/Kühlmediumeintritt besteht und beispielweise zusammengeflanscht sind. Fertigungstechnisch ist es zweckmäßig, die hermetisierten Wärmerohre auch in den unteren Rohboden mit einzubinden.
Die wesentlichen Vorteile des erfindungsgemäßen kompakten Intensivkühlers sind u.a.

– nur ein Kühlkreislauf mit stufenweiser vorprogrammierbarer Energieabführung,
– Minimierung der Materialschädigung durch Temgeraturspannungen,
– regelbare Energieabführung im Anfahrbetrieb,
– Platzersparnis,
– einfache Technologie,
– kostengünstige Herstellung,
– erweiterbar in einer Typenserie,
– universelle Anwendbarkeit.

Die Erfindung soll an einer Figur und einem Beispiel näher erläutert werden.
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Intensivkühler in Explosionsdarstellung.
In der 1 bedeuten

I komprimierte Ladeluft,
II Kühlmedium,
1 Kühlblock als Ladeluftströmungsraum,
2 unterer Kammerdeckel – Kühlmediumeinlauf,
2.2 Kühlmediumzuführungskammer,
3 Oberer Kammerdeckel – Kühlmediumablauf,
3.3 Kühlmediumsammelkammer,
4 oberer Rohrboden,
5 unterer Rohboden,
6 Wärmerohr nach dem Heat-Pipe-Prinzip,
7 Kühlrohr.

Ein erfindungsgemäßer Intensivkühler als Ladeluftkühler für Dieselmotoren besteht aus dem Kühlblock 1, durch den die heiße komprimierte Ladeluft I strömt, einem unteren Kammerdeckel 2 zur Bildung der Kühlmediumzuführungskammer 2.2 des Kühlmediums II sowie dem oberen Kammerdeckel 3 zur Bildung der Kühlmediumsammelkammer 3.3. Der Kühlblock 1 wird begrenzt durch den unteren Rohrboden 5 und den oberen Rohrboden 4. Die Kühlrohre 7 und die hermetisierten Wärmerohre 6 sind in den Rohrböden gasdicht eingebunden, wobei die hermetisierten Wärmerohre ihrem Zweck entsprechend in die Kühlmediumsammelkammer 3.3 ragen. Die Wärmerohre 6 sind mit einer wässrigen Flüssigkeit, die mit einem Frostschutzmittel versetzt ist, unter atmosphärischem Luftdruck unvollständig gefüllt. Die Rohrböden 4 + 5 nehmen nur wenig am Wärmeaustausch teil, so dass die Wärmespannungen durch die große Temperaturdifferenz zwischen der ca. 300 °C heißen Ladeluft I bei Eintritt in den Kühlblock 1 und dem Kühlmedium Π in den Kammern 2.2 bzw. 3.3 beherrschbar sind.
Das kalte Kühlmedium II strömt in die Kammer 2.2 und durch die Kühlrohre 7 in die Sammelkammer 3.3. Dabei wird dem bereits durch die Wärmerohre 6 stark gekühlten Ladeluftstrom weitere Wärme entzogen. Das Kühlmedium in der Sammelkammer 3.3 wirkt auf die Wärmerohre 6 kühlend und kondensiert das im Kühlblock 1 verdampfte Arbeitsmedium der Wärmerohren 6. Da die Wärmerohre 6 unter Normaldruck mit einer wässrigen Flüssigkeit gefüllt sind, beginnt die Energieabführung aus der heißen Ladeluft bei etwa 120 °C.

Claims

Intensivkühler in Kompaktbauweise, insbesondere als Ladeluftkühler für Verbrennungsmaschinen, unter Verwendung des Heat-Pipe-Prinzips, dadurch gekennzeichnet, dass die indirekte Kühlung in einem ersten Abschnitt durch mehr als ein hermetisiertes Wärmerohr (6) mit mindestens einem verdampfbaren Arbeitsmedium und in einem zweiten Abschnitt durch ein Bündel von Kühlrohren (7) erfolgt.
Intensivkühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium (II) in beiden Abschnitten das gleiche Medium ist.
Intenisivkühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsrichtungen des wärmeabgebenden Mediums (I) und des Kühlmediums (II) gegenläufig sind, wobei die Kühlrohre (7) und die Wärmerohre (6) rechtwinklig zur Strömungsrichtung des wärmeabgebenden Mediums (I) angeordnet sind.
Intenisivkühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hermetisierten Wärmerohre (6) unvollständig unter einem Gasdruck mit einem Arbeitsmedium gefüllt sind.
Intensivkühler nach mindestens einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hermetisierten Wärmerohre (6) unvollständig unter atmosphärtschem Luftdruck mit einem Arbeitsmedium gefüllt sind.
Intenisivkühler nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die hermetisierten Wärmerohre nach unvollständiger Füllung evakuiert sind.
Intenisivkühler nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium eine wässrige Flüssigkeit mit Frostschutzmittel ist.
Intenisivkühler nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmerohre (6) mit unterschiedlichen Arbeitsmedien zur temperaturabhängig abgestuften Energieabführung gefüllt sind.
Intenisivkühler nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlrohrbündel eine Kühlschlange ist.
Intensivkühler nach einem oder mehreren vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Typenreihe Module mit Wärmerohren (6) und/oder Kühlrohren (7) in das Grundmodul eingefügt sind.
Intenisivkühler nach einem oder mehreren vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühler aus einem Block (1) besteht, in dem die Kühlrohre (7) im unteren (5) und oberen Boden (4) sowie die Wärmerohre (6) im oberen Boden (4) gasdicht eingefügt sind und der Block (1) mit einem unteren Kammerdeckel (2) zur Einleitung des Kühlmediums (II) sowie einem oberen Kammerdeckel (3) zur Ableitung des Kühlmediums (II) versehen ist.
Intenisivkühler nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hermetisierten Wärmerohre (6) im unteren (5) und oberen Rohrboden 4 eingefügt sind.