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Wärmetauscher
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Ein derartiger Wärmetauscher ist aus der DE-OS 22 43 617 bekannt.
Bei diesem Wärmetauscher wird durch ein in seinem Gehäuse angeordnetes Regelorgan
der Durchflußquerschnitt für einen Wärmeträger bis in eine Schließstellung verändert.
Falls ein Umlauf des Wärmeträgers weiterhin notwendig oder erwünscht ist, muß für
den Wärmeträger ein Bypass zum Wärmetauscher vorgesehen werden, was mit hohen Kosten
verbunden ist. Eine Veränderung des Wärmeübergangs innerhalb des Wärmetauschers
erfolgt, abgesehen von der Durchflußmenge und damit der Strömungsgeschwindigkeit
des Wärmeträgers, durch das Regelorgan nicht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher zu schaffen,
der bei Aufnahme der gesamten anfallenden Wärmeträgermenge unterschiedliche Wärmeübergänge
und damit auch unterschiedliche Wärmemengenübergänge auf den anderen Wärmeträger
ermöglicht.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe ist durch die im Kennzeichen des Anspruchs
1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Wärmetauscher kann im Gegensatz
zu den bekannten Wärmetauschern auch bei unveränderter Durchflußmenge des Wärmeträgers
die übertragene Wärmemenge verändert werden, indem die Wärmeübergangszahl verändert
wird, die in bekannter Weise von der Strömungsgeschwindigkeit des Wärmeträgers und
von einer den Durchflußquerschnitt repräsentierenden Länge abhängt. Diese beiden
Werte können unmittelbar an der Wärmeaustauschwand durch das Regelorgan verändert
werden, und zwar in einer die Wärmeübergangszahl und damit die übertragene Wärmemenge
im gleichen Sinne beeinflussender Richtung. Es ist damit möglich, eine Regelung
der im Wärmetauscher übertragenen Wärmemenge vorzunehmen,ohne die Durchflußmenge
des Wärmeträgers zu verringern oder diesen umzuleiten. Die Erfindung hat den weiteren
Vorteil, daß der IVärmet2uscher zumindest von einem Wärmeträger durchströmt wird
und damit immer eine Restkühlung vorhanden ist, so daß der Wärmetauscher aus verhältnismäßig
wenig warmfestem und damit billigem Material hergestellt werden kann.
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Mit Hilfe der im Anspruch 2 angegebenen Merkmale kann die Wärmeübergangszahl
und damit die übertragene Wärmemenge in noch weiteren Grenzen verändert werden.
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Die im Anspruch 3 angegebenen Merkmale stellen eine besonders einfache
und wirkungsvolle Ausbildung des Regelorgans dar.
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Die Merkmale des Anspruchs 4 vergrößern weiter die Wärmeübergangszahl,
da die Rippen im Bereich der bei kleinem Durchflußquerschnitt erzeugten Wirbel hinter
dem Regelorgan liegen.
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Mit der im Anspruch 5 angegebenen Maßnahmen wird die mögliche Wärmeübergangsmenge
weiter erhöht.
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Die Ausbildung gemäß dem Anspruch 6 stellt eine besonders günstige
Anwendungsform des Wärmetauschers dar.
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Bei niedriger Temperatur des Kühlwassers und bei hohem Wärmebedarf
aus diesem beispielsweise für die Fahrzeugheizung ist oft wegen geringer Last der
Brennkraftmaschine die Abgasmenge gering. Mit dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher
kann durch weitgehendes Schließen der Drosselklappe auch aus einer solchen geringen
Abgasmenge eine hohe Wärmemenge auf das Kühlwasser übertragen werden, so daß sich
dieses schnell erwärmt und ihm eine hohe Wärmemenge entnommen werden kann. Zusätzlich
ergibt sich der Vorteil, daß der durch die Drosselklappe auf die Abgase erzeugte
Widerstand eine Belastung der Brennkraftmaschine darstellt, die zu deren schnellen
Erwärmung beiträgt. Bei voll geöffneter Drosselklappe werden nur geringe Wärmemengen
von den Abgasen auf das Kühlwasser übertragen. Auch große Abgasmengen können den
Wärmetauscher mit nur geringem Widerstand durchströmen, so daß ein besonderer den
Wärmetauscher umgehender Bypass für die Abgase nicht erforderlich ist.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen: Fig. 1 einen Wärmetauscher zwischen
den Abgasen und dem Kühlwasser einer Brennkraftmaschine mit voll geöffnetem Regelorgan
und Fig. 2 den Gegenstand der Fig. 1 mit dem Regelorgan in seiner Endstellung in
Schließrichtung.
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Durch eine rohrförmige Abgasleitung 1 strömen in Pfeilrichtung 2 die
Abgase der nicht weiter dargestellten Brennkraftmaschine. Ein Wandteil der Abgasleitung
1 ist als Wärmeaustauschwand 3 des Wärmetauschers 4 ausgebildet, durch die Wärme
von den Abgasen als einem ersten Wärmeträger auf das Kühlwasser der Brennkraftmaschine
als einem zweiten Wärmeträger übertragbar ist.
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Dieses strömt dem Wärmetauscher 4 in Pfeilrichtung 5 durch eine Kühlwasserleitung
6 zu, die sich im Bereich der Wärmeaustauschwand 3 zu einer die Abgas leitung 1
umschließenden Kammer 7 erweitert. Von der Wärmeaustauschwand 3 ragen Rippen 8 in
die Kammer 7, die den Wärmeübergang in das Kühlwasser erleichtern.
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Die Wärmeaustauschwand 3 ist in ihrem in Bezug auf die Strömungsrichtung
2 der Abgase stromaufliegenden Teilbereich von einer Welle 9 einer Drosselklappe
10 durchsetzt, die als. Regelorgan für die im Wärmetauscher 4 übertragene Wärmemenge
dient. In der in
Fig. 1 dargestellten vollständig geöffneten Stellung
der Drosselklappe 10 ist die Wärmeübergangszahl und damit der Wärmeübergang klein,
da die die Wärmeübergangszahl in bekannter Weise bestimmenden Größen Strömungsgeschwindigkeit
der Abgase klein und die den Durchflußquerschnitt repräsentierende Länge 1 zwischen
der Welle 9 und der Wärmeaustauschwand 3 groß ist. Soll die übertragene Wärmemenge
vergrößert werden, wird die Drosselklappe 10 in die in der Fig. 2 dargestellten
Endstellung oder eine Zwischenstellung gedreht. Dadurch vergrößert sich einerseits
die Strömungsgeschwindigkeit der Abgase an der Wärmeaustauschwand 3 und verkleinert
sich die den Durchflußquerschnitt repräsentierende Länge 1 als Abstand zwischen
dem äußeren Rand der Drosselklappe 10 und der Wärmeaustauschwand 3. Die genannten
Veränderungen dieser beiden Größen wirken beide im Sinne einer Vergrößerung der
Wärmeübergangszahl und damit des Wärmeübergangs.
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Der Wärmeübergang wird weiter durch Rippen 11 erhöht, die in bezug
auf die Strömungsrichtung 2 der Abgase unmittelbar stromab der Drosselklappe 10
von der Wärmeaustauschwand 3 in die Abgasleitung 1 ragen. Bei der in Fig. 2 dargestellten
Endstellung der Drosselklappe 10 liegen sie im Bereich der durch sie erzeugten Abgasturbulenzen,
so daß sie große Wärmemengen aufnehmen können.
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Dagegen liegen sie bei der in Fig. 1 dargestellten Offenstellung der
Drosselklappe 10 in der durch sie wenig gestörten glatten Abgasströmung, deren Richtung
der Längserstreckung der Rippen 11 entspricht.
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Die Stellung der Drosselklappe 10 wird in günstiger Weise durch die
Temperatur des Kühlwassers und / oder die Menge der Abgase gesteuert. Bei niedriger
Kühlwassertemperatur sollte der Wärmeübergang groß und damit die Drosselklappe 10
weitgehend geschlossen sein. Dies ist hinsichtlich der Leistungsverluste der Brennkraftmaschine
durch die dabei auftretenden Drosselverluste nicht von Nachteil, da die Brennkraftmaschine
in kaltem Betriebszustand zwecks ihrer Schonung üblicherweise mit geringer Last
betrieben wird, also wenig Abgas erzeugt wird. Dagegen wird das Kühlwasser bei hoher
Last der Brennkraftmaschine durch diese selbst ausreichend erwärmt, so daß der Wärmeübergang
im Wärmetauscher 4 durch Öffnen der Drosselklappe 10 und damit auch der durch sie
erzeugte Strömungswiderstand gering gehalten werden können.