DE3218984A1

DE3218984A1 - Waermetauscheranordnung fuer den betrieb mit den abgasen eines kolbenmotors

Info

Publication number: DE3218984A1
Application number: DE3218984A
Authority: DE
Inventors: Oskar Dr.-Ing. 8035 Gauting Schatz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-05-19
Filing date: 1982-05-19
Publication date: 1983-11-24
Anticipated expiration: 2002-05-20
Also published as: DE3218984C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmetauscheranordnung für den Betrieb mit den Abgasen eines Kolbenmotors, insbesondere zur Beheizung von Kraftfahrzeugen.

Wegen des Rückgangs luftgekühlter PKW-Motoren ist die Nutzung der Abgaswärme für Zwecke der Beheizung des Fahrzeuginnenraums in den letzten Jahren stark zurückgegangen. Bei Verwendung wassergekühlter Motoren ist eine leichte Beheizung mit 'dem Kühlwasser möglich, jedoch wird im Zuge der Maßnahmen zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs im Fahrzeugbau das Angebot an Kühlwanne des Motors immer geringer. Auf diese Weise entstehen bei besonders effizienten Motoren Heizungslücken, die durch den Einsatz von Zusatzheizungen behoben werden

15 müssen.

20

Um die Wärmeabgabe des Motors an das Kühlmittel zu steigern, ist es bekannt, die Abgase aufzustauen, wodurch sich jedoch der Kraftstoffverbrauch des Motors und die Temperatur der Abgase, wie auch die Emission

Dr. Schatz - 7 - 3121-22

von Giftstoffen erhöht. Die einzige noch realistische nutzbare Abwärmequelle zur Ausfüllung der beschriebenen Heizungslücken ist die Wärme der Abgase. Wird die Abgaswärme über einen Gas-Wasser-Wärmetauscher gewonnen und damit in das Heiz- und Kühlsystem des Fahrzeugs integriert, dann wird sogar noch eine positive Beeinflussung des Kraftstoffverbrauchs und der Abgasemiss'on über die Anhebung des Temperaturniveaus des Motors möglich.

Einige der früher vorhandenen Probleme bei Abgaswärmetauschern, wie Wärmerisse durch thermische Spannungen und Zersetzung dej Frostschutzmittels hat man dadurch überwunden, daß der Abgas-Wasser-Wärmetauscher im Bypass zum Abgassystem betrieben wird und nur dann mit Abgas beaufschlagt wird, wenn Wärmeleistung erforderlich ist. Dabei wird der Wärmetauscher ständig mit Wasser durchspült und auf diese Weise auf einer etwa konstanten Temperatur gehalten.

Das Kernproblem ist jedoch geblieben, nämlich die Abhängigkeit der nutzbaren Abwärme des Abgases von der Motorleistung. Diese schwankt bei Diesel- und bei Ottomotoren zwischen Höchstleistung und Leerlauf etwa im Verhältnis 200:1. Da die vom Kühlmittel des Motors abtransportierte Wärmemenge, die serienmäßig zur Beheizung des Innenraums zur Verfügung steht, ebenfalls von der Leistung des Motors abhängt, ist der Bedarf an zusätzlicher Heizleistung dort am höchsten, wo die nutzbare Abwärme im Abgas am geringsten ist. Dies führt zu rela-

Dr. Schatz - S^- 312i-22

tiv großflächigen und damit großvolumigen und schweren , Wärmetauschern. Diese Tendenz läuft den Bestrebungen

zur Senkung des Fahrzeuggewichts und der damit verbundenen Verringerung des zur Verfügung stehenden Platzes zuwider. Da andererseits bei geringer Motorleistung nicht nur die Abgasmengen gering sind, sondern auch die Abgastemperatüren, besteht der Wunsch, die Wärraestromdichte durch andere Maßnahmen zu erhöhen.

Eine wirksame Maßnahme ist die Erhöhung der Geschwindigkeit des Abgases entlang der vom Abgas bestrichenen Wärmetauscherfläche. Mit der Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit steigt die Wärmedurchgangszahl, auch k-Wert genannt, welche insbesondere bei Gasen eine Funktion der Strömungsgeschwindigkeit ist. Von diesem k-Wert hängen im hohen Maße Kosten, Bauvolumen und Gewicht eines Wärmetauschers «h_s

Der Erhöhung der Gasgeschwindigkeit sind jedoch wirtschaftliche Grenzen gesetzt. Zur Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit werden die Strömungsquerschnitte verringert. Um die mit der höheren Strömungsgeschwindigkeit erforderliche höhere Druckdifferenz zu erbringen, müssen zur Förderung des Gases dienende Gebläse, sowie die Motoren zum Antrieb dieser Gebläse> entsprechend aufwendiger ausgelegt werden. Weiterhin steigen die Betriebskosten durch den höheren Energieverbrauch beträchtlich.

Beim Einsatz in Kraftfahrzeugen, insbesondere bei

Personenkraftwagen, wiegen die Maßnahmen zur Erhöhung

Dr. Schatz

3121-22

der Strömungsgeschwindigkeit bei Wärmetauschern besonders schwer. Durch die geräteseitige.n Veränderungen werden Kosten, Gewicht und Bauvolumen negativ beeinflußt. Das Aufbringen der für den Betrieb der Wärtnetauscher erforderlichen Gebläseenergie erfordert weitere Maßnahmen. Zunächst muß sichergestellt werden, daß die erforderliche Gebläseleistung dem Gebläsemotor zugeführt werden kann, hierzu wäre eine Verstärkung der Lichtmaschine erforderlich, was weitere Gewichtsnachteile und auch eine nachteilige Vergrößerung des Bauvolumens mit sich bringen würde. Der wichtigste Faktor bei dem Betrieb eines Gebläses mit höherer Druckleistung ist jedoch der besonders ungünstige Wirkungsgrad beim Aufbringen der erforderliehen Antriebsleistung. Zunächst muß die Druckenergie, die für eine Erhöhung der Durchflußgeschwindigkeiten erforderlich ist, um ein Mehrfaches angehoben werden. Zudem sind die Wirkungsgrade im Kraftfahrzeug sehr ungünstig, weil mehrere Geräte mit schlechtem Wirkungsgrad multiplikativ miteinander verbunden sind. Die Kette besteht aus folgenden Gliedern:

höhere Druckenergie χ schlechter Wirkungsgrad des Kreiselgebläses χ schlechter Wirkungsgrad des Gebläseraotors χ schlechter Wirkungsgrad der Lichtmaschine χ schlechter Wirkungsgrad des Fahrzeugmotors.

Ein Teil der Verluste des Kraftfahrzeugsmotors kann zwar für Heizungszwecke rückgewonnen werden, die Verluste bei Lichtmaschine, Gebläsemotor und Gebläse selbst sind jedoch in vollem Umfang zu berücksichtigen.

Dr. Schatz -10 - 3121-22

Aus diesem Grunde wird es bisher für unwirtschaftlich gehalten, Wärmetauscher für Fahrzeuge mit hohen Geschwindigkeiten zu beaufschlagen. Daraus erwuchs die branchenübliche Norm, Wärmetauscher bei Kraftfahrzeugen mit einem möglichst niedrigen Druckverlust zu betreiben, d.h. mit einer möglichst niedrigen Strömungsgeschwindigkeit. Daraus ergeben sich branchenübliche Wärmeduchgangszahlen (k-Werte) zwischen 20-50 Watt/n²/°Kelvin.

Es ist bekannt, Abgaswärmetauscher von Kraftfahrzeugen mit Kolbenmotoren direkt mit dem Auspuffsystem des Motors zu verbinden, so daß die Verwendung eigener Gebläse überflüssig wird. Aufgrund der branchenüblichen Norm, Wärmetauscher mit niedrigem Druck und niedrigen Durchströmgeschwindigkeiten zu betreiben, werden auch diese Wärmetauscher konventionell ausgelegt. Dies ist, wie sich nachfolgend noch ergibt, die Folge eines unbegründeten Vorurteils.

Abgaswärmetauscher konventioneller Bauart weisen den

Nachteil auf, daß sie umso effektiver sind, je höher die Motorbelastung ist und je weniger sie deshalb gebraucht werden, und umso ineffizienter, je geringer die Motorbelastung ist, also je mehr sie gebraucht werden. 25

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Wärtneangebot des Wärmetauschers weitgehend den Bedürfnissen anzupassen, unter besonderer Berücksichtigung von Bauvolumen, Gewicht, Motorrückwirkung und Kraftstoffverbrauch.

- 10 -

Dr. Schatz - IjE^ - 3121-22

Dabei soll eine Lösung angestrebt werden, die sowohl die Möglichkeit bietet, Fahrzeuge mit einer für den jeweiligen Fahrzeugtyp besonders geeigneten Wärmetau sehe ran Ordnung ausrüsten zu können und dabei zugleich durch Variationsmöglichkeiten an zum Einbau bestimmten Geräten die Lagerhaltung zu vereinfachen, wie auch die Möglichkeit, eingebaute Wärmetauscheranordnungen dem jeweils herrschenden Betriebszustand anpassen zu können. Diese Variationsmöglichkeiten sollen bei grosser Zuverlässigkeit mit verhältnismäßig geringem Aufwand an Gewicht und Bauvolumen verwirklicht werden«,

Die Lösung der gestellten Aufgabe besteht darin, daß in dem Strömungsweg der Abgase zumindest ein Intensivwärmetauscher angeordnet ist, dessen Abmessungen so dimensioniert sind, daß an ihm ein Druckunterschied in der Größenordnung von o,01 - 0,5 bar auftritt, sowie zumindest ein als Stauvorrichtung dienender Reibungswärmetauscher, dessen Abmessungen so dimensioniert sind, daß an ihm ein Druckunterschied in der Größenordnung von 0,1 - 5 bar, zumindest aber ein größerer Druckunterschied als an dem Intensivwärmetauscher bzw. den Intensivwärme tauschern auftritt, und daß im Strömungsweg der Abgase zumindest ein Reibungswärmetauscher wahlweise in oder außer Funktion

Durch den Einsatz des Reibungswärmetauschers ergibt sich eine erhebliche Spannweite des Zustandes der zu verarbeitenden Abgase, z.B. 700 C bei 3 bar abs. am Eintritt und 50°C bei 1 bar abs. am Austritt der Wärmetauscher-

- 11 -

Dr. Schatz

3121-22

anordnung, mit entsprechenden Änderungen des Volumenstroms, ,

Eine bevorzugte Ausgestaltung besteht darin, daß mehrere Reibungswärmetauscher wahlweise in oder außer Funktion setzbar sind. Damit ergibt sich eine große Variationsbreite, wobei man sowohl eine besonders gute Anpassung an den Fahrzeugtyp wie an die jeweiligen Betriebszustände erreichen kann. Eine weitere zweckmässige Ausführungsform besteht darin, daß stromauf und stromab vom Intensivwärmetauscher eine unterschiedliche Zahl von Reibungswärmetauschern angeordnet ist. Damit ergibt sich die Möglichkeit, durch Einbau einer solchen Wärmetauscheranordnung im einen oder anderen Strömungssinn unterschiedlichen Voraussetzungen gerecht zu werden.

Da die Hauptparameter für den Wärmetausch Temperaturdifferenz, Gasdichte und Gasgeschwindigkeit (Volumenstrom) sind, kommt eine Aufgliederung der Wärmetauscheranordnung in wahlweise zu- und abschaltbare Wärmetaur scherSektionen einer optimalen Auslegung der Wärmetauscheranordnung entgegen.

Wird dem Reibungswärmetauscher, der insbesondere die Wärmeleistung des Motors steigert, ein Intensivwärmetauscher vorgeschaltet, so kann dieser Intensivwärmetauscher wirkungsvoll bei hohem Druck (Dichte) und hohem Temperaturniveau arbeiten. Stromab vom Reibungswärmetauscher können dann Druck und Temperatur weit-

- 12 -

Dr„ Schatz - 12 - 3121-22

gehend abgebaut 'sein. Die dann noch im Abgas enthaltene Energie setzt sich hauptsächlich aus der Kondensationswärme des bei der Verbrennung entstandenen Wasserdampfs zusammen. Zur Gewinnung der Kondensationswärme ist die Abkühlung der Abgase unter den Taupunkt (ca. 60 C bei atmosphärischem Druck) erforderlich. Dies wird durch die Nachschaltung eines Intensivwärmetauschers möglich, der für niedrige Temperaturen und Drücke ausgelegt ist und insbesondere die korrodierende Wirkung kondensierender Abgase berücksichtigt.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, daß ein von einem Gehäuse umschlossener Raum durch zwei zueinander parallele Zwischenwände in drei Abschnitte unterteilt ist, daß die beiden äußeren Abschnitte durch den mittleren Abschnitt durchquerende Kanäle mit unterschiedlichem Querschnitt verbunden sind, daß der mittlere Abschnitt mit einer Ein- und einer Ausströmöffnung für ein zu erwärmendes Strömungsmittel versehen ist, daß der durch die beiden äußeren Abschnitte und die Kanäle gebildete Raum mit einer Ein-und einer Ausströmöffnung für das Abgas versehen ist und daß der Strömungsweg des Abgases durch die Kanäle durch mindestens ein zwischen einer wirksamen und einer unwirksamen Stellung verstellbares Sperrorgan veränderbar ist, wobei die Kanäle vorzugsweise parallel zueinander angeordnet sind.

Eine zweckmäßige Weiterbildung besteht darin, daß durch gegeneinander versetzte Trennwände in den

Dr. Schatz - \Ιϋ - 3121-22

äußeren Abschnitten ein zumindest einen Teil der Kanäle in Reihe durchziehender Strömungsweg gebildet ist und daß zumindest eine der Trennwände als verstellbares Sperrorgan ausgebildet ist.
5

Weitere vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen in Verbindung mit der Beschreibung.

Anhand der nun folgenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung wird diese näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch eine erste Ausführungsform einer in einem gemeinsamen Gehäuse untergebrachten erfindungsgemäßen Wärmetauscheranordnung,
eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmetauscheranordnung,

eine Variante der in Fig. 2 gezeigten Wärmetauscheranordnung,

noch eine andere Ausführungsform einer Wärmetauscheranordnung mit größeren Variationsmöglichkeiten,

eine Variante zur Wärme tau scher anordnung nach Fig. 4,

eine andere Variante der Wärmetauscheranordnung nach Fig. 4 und

Fig. 7 eine weitere Ausführungsform der Wärmetauscheranordnung.

- 14 -

Fig.	2
Fig.	3
Fig.	4
Fig.	5
Fig.	6
Fig.	7

• · · · t ♦

Dr. Schatz - Iff - 3121-22

Bei sämtlichen Ausführungsbeispielen ist die Wärmetauscheranordnung als kompakte Einbaueinheit ausgebildet, welche lediglich mit den vorgesehenen Anschlüs-. sen für das Motorabgas und das Heizmedium und mit dem Stellorgan bzw. den Stellorganen für umstellbare Sperrorgane verbunden werden muß.

Die in Fig. 1 gezeigte Wärmetauscheranordnung besteht aus einem Gehäuse 10, welches mit einem Einströmstutzen 12 und einem Ausströmstutzen 14 versehen ist und dessen Innenraura durch zwei zueinander parallele Zwischenwände 18 und 20 in drei Abschnitte unterteilt wird, von Welchen der mittlere Abschnitt als Kammer 16 für das Heizmedium dient. Diese Kammer 16 ist mit einer Ein-» und einer Ausströmöffnung versehen, welche jedoch in der Zeichnung nicht dargestellt ist.

Der zwischen dem Gehäuse 10 und der Zwischenwand 18 liegende Abschnitt weist dem Einströmstutzen 12 benachbart eine Einströmkammer 22 und daneben, durch eine Trennwand 26 von der Einströmkammer 22 getrennt, eine Umlenkkammer 24 auf. Von der Einströmkammer 22 aus ,erstreckt sich ein Kanal 28 mit verhältnismäßig grossem Querschnitt durch die Kammer 16 in eine Umlenkkammer 30, welche in dem Abschnitt zwischen dem Gehäuse 10 und der Zwischenwand 20 angeordnet ist. Der Querschnitt des Kanals 28 ist so dimensioniert, daß an ihm ein Druckunterschied von 0,01 - 0,5 bar auftritt, gemäß der eingangs gegebenen Definition handelt es sich somit bei dem Kanal 28 um einen "Intensivwärmetauscher".

- 15 -

■ · ·· · » · · Dr. Schatz - If- 3121-22

Von der Umlenkkammer 30 aus erstreckt sich ein Kanal 32a quer durch die Kammer 16 und parallel zum Kanal 28 in die Umlenkkammer 24, von wo aus ein weiterer Kanal 32b wiederum quer durch die Kammer 16 und paral-IeI zu den beiden anderen Kanälen 28 und 32a zu einer dem Aüsströmstutzen 14 benachbarten Ausströmkammer 34 verläuft. Der Querschnitt der Kanäle 32a und 32b ist gegenüber dem Querschnitt des Kanals 28 wesentlich geringer und so dimensioniert, daß ein Druckunterschied in der Größenordnung von 0,1 - 5 bar auftritt, gemäß der gegebenen Definition handelt es sich somit bei den Kanälen 32a und 32b um "Reibungswärmetauscher". Die Ausströmkamraer 34 ist von der Umlenkkammer 30 durch eine Trennwand 36 getrennt, in welcher sich ein bewegliches Sperrorgan in Form einer Klappe 38 befindet, die mittels eines Bedienungselements 40 in eine die Trennwand 36 schließende, oder aber in eine diese Trennwand 36 weitgehend unwirksam machende, geöffnete Stellung überführbar ist,

Befindet sich die Klappe 38 in ihrer geöffneten Stellung, so werden die Abgase vom Intensivwärmetauscher 28 direkt dem Ausströmstutzen 14 zuströmen. Ist die Klappe 38 geschlossen, werden die Abgase gezwungen, nach dem Durchströmen des Intensivwärmetauschers 28 die beiden als Stauvorrichtung wirkenden Reibungswärmetauscher 32a und 32b zu durchströmen, wobei dann durch deren Wirkung die Wärmeleistung des Motors gesteigert wird. Zugleich wird der Intensivwärmetauscher 28 auf das vor den Reibungswärmetauschern 32a und 32b liegende

- 16 -

Dr. Schatz - ίψ- 3121-22

if hohe Druckniveau gelegt. Das höhere Druck- und Tempera-

;j turniveau erhöht in erheblichem Umfang die flächenspezifische Wärmestromdichte am Intensivwärmetauscher 28, ¹ so daß der Intensivwärmetauscher sowohl vom Flächen-

5 angebot wie von der Größe der Durchströmquerschnitte her kleiner gehalten werden kann. Auch die Reibungs- 3 wärmetauscher werden kleiner, weil das niedrigere

I⁵ '

;. Temperaturniveau hinter dem Intensivwärmetauscher 28

ff ■■ ■ '

■£ zu höherer Gasdichte und folglich kleinerem Quer-

V 10 schnittsbedarf der Kanäle 32a und 32b führt, was seiner- U seits das Verhältnis von Wärmetauscherfläche zu Kanal-

·,- volumen verbessert.

Die Klappe 38 kann durch geeignete Sensorsignale ge-15 steuert werden. Wenn der Motor des Kraftfahrzeuges sich - in einem Betriebszustand befindet, in welchem durch das

; Abgas ein großes Wärmeangebot bereitgestellt wird, wird

,■ die Klappe 38 geöffnet, so daß nur der Intensivwärmetauscher 28 in Funktion tritt, um den im Vergleich zum 20 Angebot kleinen Bedarf an Heizwärme dem Abgas zu entnehmen. Bei sinkendem Wärmeangebot wird die Klappe 38 geschlossen,

Bei. der Ausführungsform nach Fig. 2 ist wieder ein Ge-25 häuse 42 mit Einströmstutzen 44 und Ausströmstutzen 46 durch parallele Zwischenwände 50 und 52 in eine Kammer 48 für das Heizmedium und zwei äußere Abschnitte unterteilt. Dem Einströmstutzen 44 benachbart befindet sich eine Einströmkammer 54 und neben dieser eine Umlenk-30 kammer 56, wobei beide Kammern 54 und 56 durch eine Trennwand 58 getrennt sind, in der sich eine als

- 17 -

Dr. Schatz - Ig - 3121-22

Sperrorgan dienende Klappe 60 befindet, die durch ein Bedienungselement 62 betätigt werden kann. Von der Einströmkammer 54 aus erstreckt sich ein als Reibungswärmetauscher dimensionierter Kanal 64a quer durch die Kammer 48 in eine Umlenkkammer 66, von der aus ein paralleler, ebenfalls als Reibungswärmetauscher dimensionierter Kanal 64b in die Umlenkkammer 56 führt. Ein als Intensivwärmetauscher dimensionierter Kanal 72 verbindet die Umlenkkammer 56 mit einer weiteren Umlenkkammer 70, die durch eine Trennwand 68 von der Umlenkkammer 66 getrennt ist. Aus der Umlenkkammer 70 führt ein wieder als Reibungswärraetauscher dimensionierter Kanal 74 in eine Ausströrakammer 76, dia von der Umlenkkammer 56 durch eine Trennwand 78 getrennt ist.

Alle Kanäle 64a, 64b, 72 und 74 sind zueinander parallel angeordnet.

Wie bereits beim Beispiel gemäß Fig. 1, wo der dem Intensivwärmetauscher 28 nachgeschaltete Reibungswärraetauscher in zwei Teilwärmetauscher 32a und 32b aufgeteilt wurde, um eine kompaktere Bauweise zu ermöglichen, ist auch hier der dem Intensivwärmetauscher 72 vorgeschaltete Reibungswärmetauscher in zwei Teilwärmetauscher 64a und 64b aufgeteilt, um ebenfalls die kompakte Bauweise zu fördern. Wenn es die Arbeitsbedingungen als gewinnbringend ausweisen, kann man auch den dem Intensivwärmetauscher 72 nachgeschalteten Reibungswärmetaüscher 74 in zwei Teilwärmetauscher aufteilen, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist, wo durch eine

- 18 -

Dr. Schatz - I^ - 3121-22

zusätzliche Trennwand 80 von der Umlenkkammer 70 eine neue Ausströmkammer 82 abgetrennt wird, während die Kammer 76 nun als Umlenkkammer zwischen zwei Kanälen 74a und 74b dient, von welchen der Kanal 74a die Umlenkkammer 70 mit der Umlenkkammer 76 und der Kanal 74b die Umlenkkammer 76 mit der neuen Ausströmkammer 82 verbindet.

Bei großem Wärmeangebot des Motors wird bei den Beispielen nach den Fig. 2 und 3 die Klappe 60 geöffnet, so daß nur der Intensivwärmetauscher 72 und der nachfolgende Reibungswärmetauscher 74 bzw. die Reibungswärmetauscher 74a und 74b in Funktion treten, um den im Vergleich zum Angebot kleineren Bedarf an Heizwärme dem Abgas zu entnehmen. Da durch den nachgeschalteten Reibungswärmetauscher der Intensivwärmetauscher 72 auf mittlerem Druckniveau liegt und wie oben erläutert kleiner wird, da die nachgeschalteten Reibungswärmetauscher 74 bzw. 74a und 74b bei jeder Stellung der Klappe 60 in Funktion bleiben und weil Reibungswärmetauscher kompakter bauen als Intensivwärmetauscher, ist bei gleicher Wärmeleistung die Kombination eines Intensivwärmetauschers mit nachfolgendem Reibungswärmetauscher die Anordnung, welche zur bestmöglichen Verdich- tung der Konstruktion führt.

Dabei ist zu berücksichtigen, daß die Variante nach den Fig. 2 oder 3 bei.jeder Stellung der Klappe einen Überdruckbetrieb durch Stauwirkung zur Folge hat. Diese Betriebsweise ist besonders erwünscht, wenn auch bei

- 19 -

;.χ\: 32189SA

Dr. Schatz . - yf - 3121-22

günstiger Motordrehzahl und -last der Heizwärmebedarf durch bei Umgebungsdruck im Abgas verfügbare Wärme nicht gedeckt werden kann.

Die Anordnung nach den Figo 2 oder 3 ist auch anwendbar, wenn man die Durchströmungsrichtung der Wärmetauscheranprdnung umkehrt, d.h. wein Einströmstutzen 44 und Ausströmstutzen 46 vertauscht angeschlossen werden, so daß das Abgas über den Stutzen 46 einströmt und die Wärmetauscheranordnung über den Stutzen 44 verlaßt. Durch die Umkehrung der Durchströmungsrichtung verändert sich die Wärmeübertragungsleistung in den Wärmetauschern 72 und 74 bzw. 74a und 74b beim Betrieb mit offener Klappe 60. Es bietet sich somit die Möglichkeit, zwei Leistungsstufen der Wärmetauscheranordnung durch das gleiche Gerät bereitzustellen, indem man außerhalb des Gehäuses 42 eine Gasrichtungsumsteuerung in an sich bekannter Art vorsieht, oder indem man das Gerät als Serienprodukt für zwei Leistungsanforderungen mit jeweils unterschiedlicher Durchströmungsrichtung einsetzt, wodurch sich die Lagerhaltung vereinfacht.

Eine weitere Verbesserung der Anpaßbarkeit an unterschiedliche Leistungsanforderungen aus Motorleistung und Heizwärmebedarf bietet die Ausführungsform gemäß Fig. 4, bei welcher die Konstruktion nach Fig. 3 dadurch verändert wird, daß in die Trennwand 80 eine Klappe 84 eingefügt wird, welche durch ein Bedienungselement 86 betätigt werden kann. Mit seinen nun vier Regelstellungen bietet diese Wärmetauscheranordnung

- 20 - ■

Dr. Schatz - 2/J - 3121-22

vier unterschiedliche Wärmeübertragungsieistungen bei konstanter Motorbetriebsstellung, Bezieht man die Verstellmöglichkeit am Motor mit ein, vervielfacht sich die Anpaßbarkeit der Wärmetauscheranordnung entsprechend«, Die unterschiedlichen Wirkungen ergeben sich durch das Verschieben des Abgasdruckniveaus und der daraus folgenden Änderung der Temperatur. Die Wärmeübertragung erfolgt entsprechend den Vorgängen, welche unter Bezugnahme auf die Fig«, 2 und 3 erläutert wurden.

Ergänzend ist zu erwähnen, daß bei Öffnung beider Klappen 60 und 84 nur der Intensivwärmetauscher 72 in Funktion ist, und zwar ohne Drucküberhöhung des Abgases. Der Wärmetauscher bietet in dieser Stellung seine kleinste Wärmetauscherfläche an.

Die Fig. 5 und 6 zeigen weitere Varianten der Wärmetauscheranordnung nach Fig. 4. Sie haben zum Ziel, den dem Intensivwärmetauscher 72 nachgeschalteten Reibungswärmetauscher 74a, 74b nur zur Hälfte sowohl als , Staudruck bildende Drossel wie auch in der Funktion als Wärmetauscher einzusetzen, indem sowohl die Umlenkkammer 76, wie auch alternativ die als Beruhigungskammer wirkende Ausströmkammer 82 direkt mit dem Ausströmstutzen 46 verbunden werden kann. Zu diesem Zweck ist die das Heizmedium enthaltende Kammer 48 dem Reibungswärmetauscher 74b benachbart durch eine die Zwischenwände 50 und 52 verbindende Wand 85 begrenzt, so daß zwischen dieser Wand 85 und dem Gehäuse 42 ein Kanal 82' als Fortsetzung der Kammer 82 gebildet ist, der sich parallel zu den als Wärmetauschern dienenden

- 21 -

Dr. Schatz

3121-22

Kanälen 64a, 64b, 72, 74a und 74b verläuft. Im Eckbereich zwischen der Wand 85 und der Zwischenwand 50 ist eine Klappe 90 derart beweglich angeordnet, daß sie in ihrer einen Endstellung eine Trennwand 88 und in ihrer anderen Endstellung eine Trennwand 89 schließt, wobei diese Trennwände 88 und 89 eine Ausström- und Beruhigungskammer 91 von der Kammer 76 und den Kammern 82, 82' abtrennen.

Ist die Klappe 90 in die die Kammer 82 abschließende Stellung in der Trennwand 89 gelegt, strömt das Abgas nur durch den Reibungswärmetauscher 74a und von der Kammer 76 direkt zum Ausströmstutzen 46. Wegen der halben Länge des durchströmten Reibungswärmetauscherbereichs ist der Druckverlust entsprechend geringer und die angebotene Wärmetauscherfläche ebenfalls. Wird die Klappe 90 in die andere Endstellung überführt, wird auch der Reibungswärmetauscher 74b durchströmt. Es besteht somit eine weitere Möglichkeit für die feingestufte Anpassung von Wärmeangebot und Wärmebedarf.

30

Zur Verstellung der Klappe 90 dient ein Bedienungselement 94.

Eine andere Variante mit weniger Regelelsmenten ist durch die Anordnung gemäß Fig. 6 gegeben, wo die Klappe 84 in der Trennwand 80 fehlt, diese Trennwand 80 also dauernd wirksam ist, so daß bei dieser Anordnung zwar der aus zwei Teilen 74a und 74b

- 22 -

Dr. Schatz - 2$ - 3121-22

bestehende, dem Intensivwärmetauscher 72 nachgeschaltete Reibungswärmetauscher ebenfalls vollständig oder nur zur Hälfte eingesetzt werden kann, während andererseits die Möglichkeit eines staudruckfreien Betriebes entfällt-, was unter bestimmten Anforderungen durchaus den Bedürfnissen entsprechen kann.

Bei den Anordnungen nach den Fig. 5 und 6 mag es von den Lastvorgaben her auch zweckmäßig sein, den partiellen Betrieb des nachgeschalteten Reibungswärmetäuschers auf den dem Intensivwärmetauscher 72 vorgeschalteten Reibungswärmetauscher 64a und 64b zu verlagern. Dies läßt sich leicht dadurch erreichen, daß die Durchströmrichtung bei den Wärmetauschern nach den Fig. 5 oder 6 geändert wird, wie dies oben bereits erläutert ist.

Bei weiterem Abstufungsbedarf bietet sich noch die Möglichkeit, die partielle Belastung der Reibungs-Wärmetauscher durch Klappen nach Art der Klappe 90 und einen Abgasweg entsprechend dem Kanal 82' nicht nur im Bereich eines Anschlußstutzens, sondern im Bereich beider Anschlußstutzen, bezogen auf die Fig. 5 und 6 also auch im Bereich des Einströmstutzens 44 vorzusehen.

Die Fig. 7 zeigt eine von den bisher beschriebenen . Wärmetauscheranordnungen im Aufbau wesentlich abweichende Wärmetauscheranordnung mit einem Gehäuse 96, einem Einströmstutzen 98 und einem Ausström-

- 23 -

Dr. Schatz -2^"- 3121-22

stutzen 100. Der vom Gehäuse 96 umschlossene Raum ist wieder durch zwei parallele Zwischenwände 104 und in drei Abschnitte unterteilt, von welchen der mittlere als Kammer 102 für das Heizmedium dient, während die beiden anderen dem Einströmstutzen 98 benachbart als Einströmkammer 108 und dem Ausströmstutzen 100 benachbart als Ausströmkammer 110 dienen.

Von der Einströmkammer 108 erstreckt sich ein Kanal 112, als Vorkammer bezeichnet, bis annähernd in die Mitte der Kammer 102 zwischen beiden Zwischenwänden 104 und 106. Der Kanal 112 wird von als Reibungswärmetauscher dimensionierten Kanälen 114 gleicher Länge aber geringeren Querschnitts umgeben. Die Kanäle 112 und 114 münden gemeinsam in einen die andere Hälfte der Kammer 102 durchquerenden Kanal 116, dessen Querschnitt so dimensioniert ist, daß der Kanal 116 als Intensivwärmetauscher wirksam wird. Die Kanäle 114 münden im Randbereich des Kanals 116 aus, so daß sie geeignet sind, den sie verlassenden Gasstrahl gegen die Wandung des Kanals 116 zu lenken.

Die Öffnung des Kanals 112 im Bereich der Einströmkammer 108 kann durch eine Abdeckplatte 118 verschlossen werden, welche durch ein Bedienungselement 120 betätigbar ist.

Ist die Abdeckplatte 118 vom Kanal 112 abgehoben, durchströmt das Abgas den Kanal 112 und mit relativ geringer Geschwindigkeit, bedingt durch den durch-

- 24 -

Dr₀ Schatz

-2ζ-

3121-22

strömten Gesamtquerschnitt der Kanäle 112 und 114 auch die Kanäle 114. Anschließend wird der Kanal durchströmt. Die Kanäle 112, 114 und 116 wirken dabei insgesamt als Intensivwärmetauscher,

- ■ , "■ ' ■■ ' ■ . .

Wird die Abdeckplatte 118 auf den Kanal 112 gesenkt, treten die Kanäle 114 als Reibungswärmetauscher in Funktion. Der Abgasstrahl tritt mit Geschwindigkeiten von 100 - 500 m/s aus den Kanälen 114 aus. Diese hohe Ausströmgeschwindigkeit, die sich an der Wand des Kanals 116 infolge Reibung sehr rasch abbaut, verstärkt den Wärmeübergang beträchtlich und vermindert deshalb das notwendige Bauvolumen des als Intensivwärme tau scher eingesetzten Kanals 116, .

Da bei dieser Anordnung die Kanäle 114 einmal als Teil eines Intensivwärtnetauschers und einmal als Reibungswärmetauscher wirksam werden, ergibt sich durch diese Funktionskombination eine sehr kompakte Gesamtanordnung, wobei außerdem durch die Düsenwirkung der Kanäle 114 bei Staubetrieb der Kanal 116 klein gestaltet werden kann.

Claims

HELMUT LAMPRECHT PATENTANWALT PROFESSIONAL REPRESENTATIVE BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE CORNELIUSSTR. 42-D-6000 MÜNCHEN 5 · TEL. 089/201 48 67 -TELEX 5 28425 3121-22 Dr.-Ing. Oskar Schatz Teilhöhe 14 8031 Stockdorf p Wärmetauscheranordnung für den Betrieb mit den Abgasen B eines Kolbenmotors. Ansprüche:

1. Wärmetauscheranordnung für den Betrieb mit den Abgasen eines Kolbenmotors, insbesondere zur Beheizung von Kraftfahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Strömungsweg der Abgase zumindest ein , Intensivwärmetauscher (28, 72, 116) angeordnet

ist, dessen Abmessungen so dimensioniert sind, daß ■ an ihm ein Druckunterschied in der Größenordnung von 0,01 -. 0,5 bar auftritt, sowie zumindest ein als Stauvorrichtung dienender Reibungswärmetauscher (32, 64, 64a, 64b, 74, 74a, 74b, 114), dessen Abmessungen so dimensioniert sind, daß an ihm ein

POSTSCHECKKONTO MU NCH CN «80 4β -βθβ (BLZ 7OO 100 80)

DEUTSCHS IANK MUNCHEN, PROM β N AO E PLATZ. KONTO-NR. 10/80 (59* (BLZ 70070010)

LAWCLAIMf MUKNCH(N

*" Λ ftiim

It· « ·

Dr. Schatz - 2 - 3121-22

Druckunterschied in der Größenordnung von 0,1-5 bar, zumindest aber ein größerer Druckunterschied als an dem Intensivwärmetauscher (28, 72, 116) bzw. den Intensivwärmetauschern auftritt, und daß im Strömungsweg der Abgase zumindest ein Reibungswärmetauscher (32a, 32b, 64a, 64b, 74a, 74b, 114) wahlweise in oder außer Funktion bringbar ist.

2. Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Strömungsweg in paralleler Anordnung mindestens ein Reibungswärmetauscher (32a,¹ 32b, 64a, 64b, 74a, 74b) und ein Kanal mit gegenüber dem Reibungswärmetauscher vergrößertem Strömungsquerschnitt einbezogen sind und daß wahlweise der Kanal oder der Reibungswärmetauscher in den Strömungsweg einbeziehbar sind.

3. Wärmetäuscheranordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens

ein Reibungswärmetauscher (32a, 32b, 74, 74a, 74b) J stromab vom Intensivwärmetauscher ( 28, 72) angeordnet ist.

4. Wärmetauscheranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß stromauf und stromab vom Intensivwärmetauscher (72) Reibungswärmetauscher (64a, 64b, 74, 74a, 74b) angeordnet sind.

5» Wärmetauscherar.ordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei. Reibungswärmetauscher (64a, 64b, 74a, 74b) zu einer in Reihe angeordneten Gruppe zusammengefaßt sind«

ο Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß von den Reibungswärmetauschern einer Gruppe zumindest einer wahlweise in oder außer Funktion setzbar ist.

7. Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Strömungsweg in paralleler Anordnung mindestens ein Reibungswärmetauscher

(114) und ein gegenüber dem Reibungswärmetauscher (114) einen vergrößerten Strömungsquerschnitt aufweisender Kanal (112) einbezogen sind und daß der parallele Kanal (112) wahlweise zur Veränderung des Gesaratströmungsquerschnitts zu- und abschaltbar ist.

8. Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Reibungswärmetauscher (114) und der parallele Kanal (112) gemeinsam derart dimensioniert sind, daß sie als Intensivwärmetauscher dienen.

9. Wärmetauscheranordnung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Reibungswärmetauscher (114) und der parallele Kanal

Dr. Schatz - 4 - 3121-22

(112) in einen Intensivwärmetauscher (116) münden.

10. Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Reibungswärmetauscher (114) den zu ihnen parallelen Kanal (112) umgeben und der in Strömungsrichtung verlaufenden Wandung des nachfolgenden Intensivwärmetauschers (116) benachbart in diesen ausmünden.

11. Wärmetauscheranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein von einem Gehäuse (10, 42, 96) umschlossener Raum durch zwei zueinander parallele Zwischenwände (18, 20, 50, 52, 104, 106) in drei Abschnitte unterteilt ist, daß die beiden äußeren Abschnitte durch den mittleren Abschnitt (16, 48, 102) durchquerende Kanäle (28, 32a, 32b, 64a, 64b, 72, 74, 74a, 74b, 112, 114, 116) mit unterschiedlichem Querschnitt verbunden sind, daß der mittlere Abschnitt ( 16, 48, 102) mit einer Ein- und einer Ausströmöffnung für ein zu erwärmendes Strömungsmittel versehen ist, daß der durch di-2 beiden äußeren Abschnitte (22, 24, 30, 34, 54, 56, 76, 66, 70, 82, 108, 110) und die Kanäle (28, 32a, 32b, 64a, 64b, 72, 74, 74a, 74b, 112, 114, 116) gebildete Raum mit einer Ein- (12, 44, 98) und einer Ausströmöffnung (14, 46, 100) für das Abgas versehen ist und daß der Strömungsweg des Abgases durch die Kanäle durch mindestens ein zwischen einer wirksamen und einer unwirksamen Stellung

• I II··

Dr. Schatz - 5 - 3121-22

verstellbares Sperrorgan (38, 60, 84, 90, 118) veränderbar ist.

12« Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (28, 32a, 32b, 64a, 64b, 72, 74, 74a, 74b, 112, 114, 116) in zueinander paralleler Richtung verlaufen.

! - ■■"■■.'■

<5 13« Wärmetauscheranordnung nach einem der Ansprüche

11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß durch

jf quer zur Durchströmrichtung der Kanäle (28, 32a,

32b, 64a, 64b, 72, 74, 74a, 74b, 112, 114, 116)

versetzte Trennwände (26, 36, 58, 68, 78, 80, 88)

?, in den äußeren Abschnitten ein zumindest einen

Teil der Kanäle in Reihe durchziehender Strömungsweg gebildet ist und daß zumindest eine der Trennwände (36, 58, 80, 88) als verstellbares Sperrorgan ausgebildet ist.