DE3508240A1 - Heat exchanger, in particular charge air cooler with optimised flow resistances for all heat-exchanging media - Google Patents
Heat exchanger, in particular charge air cooler with optimised flow resistances for all heat-exchanging mediaInfo
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Abstract
Description
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere Ladeluftkühler für aufgeladene Brennkraftmaschinen, bestehend aus zumindest einem Kühlelement mit einem Einlaß und einem Auslaß, deren Strömungsquerschnitte in Durchströmrichtung der beteiligten Kühl- oder Heizmedien zunehmen oder abnehmen.The invention relates to a heat exchanger, in particular a charge air cooler for supercharged internal combustion engines, consisting of at least one cooling element with an inlet and an outlet, the flow cross-sections of which are in the flow direction of those involved Cooling or heating media increase or decrease.
Wärmetauscher an Brennkraftmaschinen dienen als Rückkühlorgan z. B. für Ladeluft, Motoröl, Kühlwasser und Abgas und sind vielfach fest am Motor integriert.Heat exchangers on internal combustion engines serve as a recooling device for. B. for charge air, engine oil, cooling water and exhaust gas and are often permanently integrated into the engine.
Heute verwendete Wärmetauscher, sowohl Lamellen- wie auch Röhrenwärmetauscher sind so aufgebaut, daß die Wärmetaustauschflächen gleich sind, d. h. gleiche Längen und Durchmesser der Lamellen bzw. Rohre gegeben sind. Diese Auslegung hat für beide austauschenden Medien zur Folge, daß der Durchströmwiderstand im Wärmetauscher sich ständig verändert und somit der Gesamtdruckverlust höher als notwendig und der Wärmeaustausch geringer als möglich ist. Hinsichtlich der Leistung und des Bauvolumens sind solche Wärmetauscher nicht optimal ausgelegt.Heat exchangers used today, both lamellar and tubular heat exchangers, are designed in such a way that that the heat exchange areas are equal, d. H. the same lengths and diameters of the fins or tubes given are. The consequence of this design for both exchanging media is that the flow resistance in the heat exchanger is constantly changing and thus the total pressure loss is higher than necessary and the heat exchange is less than possible. In terms of performance and volume, such heat exchangers are not optimally designed.
Ein der Erfindung gattungsgemäßer Wärmetauscher ist aus dem DE-GM 19 26 029 bekannt. Hierbei ist die Kühlmittelführung derart gestaltet, daß durch einfachen Umbau wahlweise Kühlluft oder auch Kühlwasser als Kühlmittel Verwendung finden kann, um so den Wärmetauscher im Fahrzeug- und Aggregatbau mit Brennkraftmaschinenantrieb unabhängig von dessen Kühlungsart universell einsatzfähig zu machen. Durch den abnehmenden Strömungsquerschnitt der Ladeluftkühlelemente wird insbesondere der Tatsache Rechnung getragen, daß der Druckwiderstand des gasförmigen Mediums Ladeluft in einem Strömungsrohr — abgesehen von seiner Strömungsgeschwindigkeit und seiner Zähigkeit — im wesentlichen eine Funktion der Temperatur ist. so daß durch diese Maßnahme der Druckverlust im Luftkühlelement minimiert werden kann.A heat exchanger of the generic type of the invention is known from DE-GM 19 26 029. Here is the Coolant guide designed in such a way that, by simple conversion, either cooling air or cooling water as Coolant can be used, so as to heat exchangers in vehicle and assembly construction with internal combustion engine drives to make it universally usable regardless of its type of cooling. Due to the decreasing flow cross-section of the charge air cooling elements is particularly taken into account that the pressure resistance of the gaseous medium Charge air in a flow tube - apart from its flow velocity and its viscosity - is essentially a function of temperature. so that by this measure the pressure loss in Air cooling element can be minimized.
An Brennkraftmaschinen im heutigen Fahrzeug- und Aggregatebau werden vielfach Forderungen im Zusammenhang mit dem Kühlsystem gestellt, denen der bekannte Wärmetauscher nicht gerecht werden kann. Der häufig verwendete hydrodynamische oder hydrostatische Abtrieb erfordert eine Rückkühlung des Hydrauliköls. Diese Forderung bezieht sich auch auf den Einsatz von Retardern.On internal combustion engines in today's vehicle and aggregate construction, there are often related demands with the cooling system, which the known heat exchanger cannot do justice to. Of the Frequently used hydrodynamic or hydrostatic output requires a recooling of the hydraulic oil. This requirement also applies to the use of retarders.
Weiter entstehen Forderungen nach Rückkühlung im Fahrzeugbau bei Verwendung von Wärmepumpen und Klimaanlagen, die mit kondensierenden und verdampfenden Medien arbeiten.There are also demands for recooling in vehicle construction when using heat pumps and Air conditioning systems that work with condensing and evaporating media.
Mit dem bekannten Wärmetauscher ist nur ein Medium kühlbar, so daß bei den beschriebenen Anwendungsgebieten mehrere verschiedene Wärmetauscher an der Antriebseinheit vorgesehen sein müssen, die einen erheblichen Platzbedarf beanspruchen. Der bekannteWith the known heat exchanger, only one medium can be cooled, so that in the areas of application described several different heat exchangers must be provided on the drive unit, which have a significant Take up space. The known
Wärmetauscher ist so ausgelegt, daß für die Ladeluft (zu kühlendes Medium) im gesamten Kühler ein nahezu konstanter Strömungswiderstand herrscht. Eine entsprechende Anpassung auf der Kühlmittelseite wird dagegen nicht vorgenommen.The heat exchanger is designed in such a way that almost a constant flow resistance prevails. A corresponding adjustment on the coolant side is against it not made.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmetauscher der eingangs genannten Gattung in einfacher Weise dahingehend zu verbessern, daß für beide Austauschmedien im Wärmetauscher eine Reduzierung der Gesamtströmungsverluste bei Erhöhung des Wirkungsgrades des Wärmetauschers gegeben ist.It is the object of the present invention to provide a heat exchanger of the type mentioned in the introduction in a simple manner Way to improve to the effect that a reduction for both exchange media in the heat exchanger the total flow losses are given when the efficiency of the heat exchanger is increased.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Wärmetauscher als schräggeteilter Block ausgeführt ist und eine geometrische Gestalt aufweist, die einen konstanten Strömungswiderstand in allen Bereichen des Wärmetauschers bewirkt, für das durch die Lamellen bzw. Rohre geführte zu kühlende Medium wie auch für das Kühlmedium. Eine stetige Querschnittsanpassung in Durchströmrichtung für das zu kühlende Medium steht in direktem Zusammenhang mit der erzielten Temperaturabsenkung. Damit wird der Tatsache Rechnung getragen, daß bei Gasen der Widerstand — abhängig von der Geschwindigkeit und Zähigkeit — im wesentlichen eine Funktion der Temperatur ist; d. h. der Strömungwiderstand von gasförmigen Medien fällt mit der Temperatur. Flüssige Medien haben dagegen einen umgekehrten Effekt; d. h. der Strömungswiderstand steigt mit der abnehmenden Temperatur.According to the invention, this object is achieved in that the heat exchanger is designed as an obliquely divided block and has a geometric shape that has a constant flow resistance in all areas of the heat exchanger causes the medium to be cooled, such as that passed through the fins or tubes also for the cooling medium. A constant cross-section adjustment in the flow direction for that to be cooled The medium is directly related to the temperature reduction achieved. That becomes the fact Into account that the resistance of gases - depending on the speed and viscosity - im is essentially a function of temperature; d. H. the flow resistance of gaseous media also falls the temperature. Liquid media, on the other hand, have the opposite effect; d. H. the flow resistance increases with decreasing temperature.
Beispielsweise ist bei einem Ladeluftkühler nach dem Erfindungsgedanken der Wärmetauscher schräggeteilt, wobei die Strömungsquerschnitte vom Eintritt zum Austritt stetig abnehmen, entsprechend der fallenden Ladelufttemperatur. Ein umgekehrter Wärmetauscheraufbau, d. h. Vergrößerung der Strömungsquerschnitte für das zu kühlende Medium in Durchströmrichtung, ergibt sich nach dem Erfindungsgedanken bei einer Beaufschlagung mit einem flüssigen Medium. Dieses Wärmetauscherkonzept gestattet weiter die Rückkühlung verschiedener Medien und auch die Kombination von flüssigen und gasförmigen Medien unter Berücksichtigung der physikalischen Eigenschaften wie Widerstandserhöhung für Flüssigkeiten bei fallenden Temperaturen bzw. abnehmender Widerstand für gasförmige Medien bei fallenden Temperaturen.For example, in a charge air cooler according to the inventive concept, the heat exchanger is diagonally divided, whereby the flow cross-sections steadily decrease from inlet to outlet, corresponding to the decreasing ones Charge air temperature. A reverse heat exchanger design, i. H. Enlargement of the flow cross-sections for the medium to be cooled in the flow direction, results according to the concept of the invention when it is acted upon with a liquid medium. This heat exchanger concept also allows recooling different media and also the combination of liquid and gaseous media under consideration the physical properties such as increased resistance for liquids with falling temperatures or decreasing resistance for gaseous media with falling temperatures.
Auf diese Weise ist dieses Wärmetauscherprinzip für breite Anwendungsgebiete sowohl des Fahrzeugbaues, des Aggregatebaues als auch beispielsweise des Anlagenbaues einsetzbar. Mit fertigungstechnisch einfachen Mitteln ist dieser Wärmetauscher herstellbar. Ferner bietet diese Gestaltung die Möglichkeit, unter Beibehaltung der strömungstechnisch günstigen Gestaltung der Austauschflächen des bekannten Wärmetauschers ein weiteres bzw. mehrere weitere Medien, je nach Bedarfsoder Anwendungsfall, im gleichen Wärmetauscher zu kühlen bzw. deren Energiepotential zur Erhitzung bzw. Kühlung zu nutzen. Die Dimensionierung und Anordnung der einzelnen Kühlelemente des Wärmetauschers kann dabei im Sinne der Erfindung je nach Bedarfsfall unterschiedlich sein.In this way, this heat exchanger principle is suitable for a wide range of applications in both vehicle construction, the aggregate construction as well as, for example, the plant construction can be used. With technically simple This heat exchanger can be produced by means of a medium. Furthermore, this design offers the possibility of maintaining the aerodynamically favorable design of the exchange surfaces of the known heat exchanger further or several further media, depending on requirements or application, in the same heat exchanger cool or use their energy potential for heating or cooling. The dimensioning and arrangement the individual cooling elements of the heat exchanger can be used in the context of the invention as required be different.
Der Erfindungsgedanke sieht weiter vor, den Widerstand des Kühlmediums über die gesamte Fläche des Wärmetauschers konstant zu halten. Durch strömungsbeeinflussende Maßnahmen wird eine konstante Widerstandshöhe über die gesamte Wärmetauscherfläche erreicht. Nach diesem erfindunggemäßen Vorschlag wird das Kühlmedium optimal genutzt. Beispielsweise bei Verwendung des Kühlmediums Luft wird erreicht, daß über den gesamten Querschnitt eine gleichmäßige Aufheizung erfolgt und somit der Leistungsverlust für die Kühlung der betreffenden Medien ein Minimum ist.The idea of the invention also provides for the resistance of the cooling medium over the entire surface of the To keep the heat exchanger constant. Flow-influencing measures ensure a constant level of resistance Reached over the entire heat exchanger surface. According to this proposal according to the invention the cooling medium is optimally used. For example, when using the cooling medium air it is achieved that Uniform heating takes place over the entire cross-section and thus the loss of power for the Cooling of the media concerned is a minimum.
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Wärmetauscher aus mehreren schräg geteilten Blöcken besteht. Diese Anordnung hat den Vorteil einer kompakten Bauform des Wärmetauschers und einer vereinfachten Kühlluftführung für das Kühlmedium Luft im Vergleich zu mehreren einzeln angeordneten Wärmetauschern.In an embodiment of the invention it is provided that the heat exchanger consists of several obliquely divided Blocks. This arrangement has the advantage of a compact design of the heat exchanger and a simplified cooling air routing for the cooling medium air compared to several individually arranged Heat exchangers.
ίο Der Erfindungsgedanke nach Anspruch 3 gestattet, den Wärmetauscher mit einem weiteren Medium, beispielsweise Abgas, Schmieröl, Hydrauliköl, Kühlwasser oder ein anderes gasförmiges oder flüssiges Medium zu beaufschlagen. Mit dieser Möglichkeit erhöhen sich die Anwendungsfälle bei gleichzeitiger Verringerung der Variantenzahl, d. h. Reduzierung verschiedener Wärmetauscherausführungen. ίο The inventive idea according to claim 3 allows the heat exchanger with another medium, for example exhaust gas, lubricating oil, hydraulic oil, cooling water or to apply another gaseous or liquid medium. With this possibility, the Use cases with a simultaneous reduction in the number of variants, d. H. Reduction of different heat exchanger designs.
Nach Anspruch 4 ist der Wärmetauscher besonders geeignet für V-Motoren, bei denen jede Zylinderreihe des V-Motors mit einer eigenen Aufladevorrichtung, beispielsweise Abgasturbolader, versehen ist. Mit diesem Konzept kann jeder Zylinderreihe die Verbrennungsluft getrennt und unabhängig voneinander zugeführt werden. Weiter bietet sich dieser Wärmetauscher für eine zweistsufige Aufladung an.According to claim 4, the heat exchanger is particularly suitable for V-engines in which each row of cylinders of the V-engine is provided with its own charging device, for example an exhaust gas turbocharger. With this Concept, the combustion air can be fed to each cylinder bank separately and independently of one another will. This heat exchanger is also suitable for two-stage charging.
Im Anspruch 5 ist eine Besonderheit der V-Motoren berücksichtigt. Bei V-Motoren können abhängig von
der Zylinderzahl, dem V-Winkel und dem Zündabstand Druckschwankungen in der Ladeluftleitung auftreten,
die den Liefergrad einzelner Zylinder nachteilig beeinflussen können. Zur Vermeidung bzw. Verringerung von
Druckschwankungen bietet sich bei dieser Anordnung des Wärmetauschers (Ladeluftkühler) die Möglichkeit
an, in der Mitte des Wärmetauschers eine Verbindung zwischen beiden Kühlerteilen derart herzustellen, daß
auf der Ladeluftseite jederzeit ein Druckausgleich zwischen den beiden Luftströmen bewirkt wird. Dieser
Übergang ersetzt die heute übliche zusätzliche Verbindungsleitung zwischen den Ansaugsammelleitungen der
beiden Zylinderreihen des V-Motors. Bei Verwendung dieses Wärmetauschers für eine zweistufige Aufladung
entfällt diese Querverbindung zwischen diesen Kühleinheiten.
Bei Verwendung des Wärmetauschers zur Rückkühlung von zwei gasförmigen Medien, z. B. Ladeluft für
eine zweistufig aufgeladene Brennkraftmaschine mit Zwischenkühlung der Ladeluft, wird die Ladeluft in den
Wärmetauscher, der die Form eines schräggeteilten Blocks aufweist, geführt. Mit der im Gegenstrom durch
den Wärmetauscher geführten Ladeluft und den jeweils abnehmenden Querschnitten in Strömungsrichtung
folgt man dem physikalischen Gesetz von Gasen, das besagt, daß der Strömungswiderstand im wesentlichen
eine Funktion der Temperatur ist, d. h. fallend mit der Temperatur. Auch der unterschiedlichen Dichte der beiden
Ladeluftströme kann in einfacher Form Rechnung getragen werden.In claim 5, a special feature of the V-engines is taken into account. In V-engines, depending on the number of cylinders, the V-angle and the ignition interval, pressure fluctuations can occur in the charge air line, which can adversely affect the degree of delivery of individual cylinders. To avoid or reduce pressure fluctuations, this arrangement of the heat exchanger (charge air cooler) offers the option of establishing a connection between the two cooler parts in the middle of the heat exchanger in such a way that pressure equalization between the two air flows is achieved on the charge air side at all times. This transition replaces the additional connecting line between the intake manifolds of the two cylinder rows of the V-engine, which is customary today. When using this heat exchanger for two-stage charging, there is no need for this cross-connection between these cooling units.
When using the heat exchanger for recooling two gaseous media, e.g. B. charge air for a two-stage supercharged internal combustion engine with intercooling of the charge air, the charge air is fed into the heat exchanger, which has the shape of an obliquely divided block. With the charge air passed through the heat exchanger in countercurrent and the respectively decreasing cross-sections in the direction of flow, one follows the physical law of gases, which states that the flow resistance is essentially a function of temperature, ie it decreases with temperature. The different densities of the two charge air flows can also be taken into account in a simple form.
In Ausgestaltung der Erfindung kann der Wärmetauscher auch aus mehreren zusammengesetzten Kühleinheiten bestehen. Jede Einheit für sich ist nach dem Erfindungsprinzip ausgeführt, d. h. der Strömungswiderstand für das zu kühlende Medium ist in allen Bereichen der entsprechenden Kühleinheit konstant. Der Wärmetauscher kann mit unterschiedlichen Medien beaufschlagt werden, ebenso kann das Strömungsverfahren jeder Kühleinheit bestimmt werden, ob Kreuzgegen- oder Kreuzgleichstrom und damit auch der Wirkungsgrad jedes einzelnen Wärmetauschers verändert werden.In an embodiment of the invention, the heat exchanger can also consist of a plurality of cooling units that are put together exist. Each unit is designed according to the principle of the invention, i. H. the flow resistance for the medium to be cooled is constant in all areas of the corresponding cooling unit. The heat exchanger can be acted upon with different media, likewise the flow method can be any one Cooling unit can be determined whether cross countercurrent or cross direct current and thus also the efficiency of each individual heat exchanger can be changed.
Der Wärmetauscher kann ferner aus einer Zusammenfassung von zwei schräggeteilten Kühleinheiten ausgebildet sein, die zusammen einen Wärmetauscher bilden. Durch die Beaufschlagung des Wärmetauschers durch ein flüssiges und gasförmiges Medium, welche im Gleichstrom den Wärmetauscher durchströmen, wird erreicht, daß die speziellen physikalischen Eigenschaften von Flüssigkeiten und Gasen in dieser Wärmetauscher-Konzeption nutzbar angewandt werden. Dieser Wärmetauscher bietet ebenfalls Vorteile im Bauvolumen im Vergleich zu Einzelwärmetauschern.The heat exchanger can also consist of a combination of two diagonally divided cooling units be designed, which together form a heat exchanger. By acting on the heat exchanger by a liquid and gaseous medium, which flow through the heat exchanger in cocurrent achieves that the special physical properties of liquids and gases in this heat exchanger conception usable applied. This heat exchanger also offers advantages in terms of structural volume compared to single heat exchangers.
Ein Wärmetauscher, bestehend aus einem schräggeteilten Block mit zwei Kühleinheiten, die unabhängig voneinander zu beaufschlagen sind, kann auch von zwei gasförmigen oder zwei flüssigen Medien durchflossen werden. Vorteilhaft ist es, diese im Gegenstromprinzip zueinander durch den Kühler zu führen, um die physikalischen Eigenschaften zu nutzen, d. h. bei gasförmigen Medien Widerstandsminderung bei sinkender Temperatur bzw. bei Flüssigkeiten Widerstandserhöhung bei sinkender Temperatur. Dieser Erfindungsgedanke ist von besonderer Bedeutung für kondensierende und verdampfende Medien, da sich die Widerstandsbeiwerte in sehr starkem Maße ändern und zu erheblichen Querschnittsänderungen führen, die ihrerseits wieder Gelegenheiten zu sinnvollen Kombinationen für eine optimale Ausnutzung geben.A heat exchanger consisting of a diagonally divided block with two cooling units that are independent are to be acted upon from each other, can also flow through two gaseous or two liquid media will. It is advantageous to lead them through the cooler using the countercurrent principle in order to reduce the physical Use properties, d. H. In the case of gaseous media, resistance decreases with falling temperature or in the case of liquids, increase in resistance with falling temperature. This inventive idea is of of particular importance for condensing and evaporating media, as the drag coefficients are in change very strongly and lead to considerable cross-sectional changes, which in turn give rise to opportunities to give meaningful combinations for optimal utilization.
Die Kühlmittelführung ist vorteilhaft mit unterschiedlichen turbulenzanregenden Mitteln versehen, die auf der Kühlmittelseite eine gleichmäßige Widerstandshöhe über die gesamte Wärmetauscherbreite bewirken. Die Anordnung ist so, daß in Abhängigkeit der erzielbaren Wirkung die Anzahl der Turbulenzanreger in Strömungsrichtung zweckmäßigerweise abnimmt. Diese fertigungstechnisch einfache Maßnahme ist insbesondere für Kühlmittelführungen in Scheidenbauweise von Bedeutung.The coolant guide is advantageously provided with different turbulence-stimulating means, which on on the coolant side cause an even resistance level across the entire width of the heat exchanger. the The arrangement is such that, depending on the achievable effect, the number of turbulence exciters in the direction of flow expediently decreases. This measure, which is simple in terms of production technology, is in particular important for coolant ducts in sheath design.
Die der Erfindung zugrundeliegende Wärmetauscherkonzeption sieht vor, daß die Kühlmittelführung auch durch an sich bekannte Rippenrohre bzw. Lamellen gebildet werden, die von Kühlflüssigkeit als Kühlmittel durchströmt werden. Hierbei können die Rippenrohre z. B. in Form einer Rohrschlange oder im Kreuzstrom zu den Kühlkanälen den Wärmetauscher durchziehen. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil, daß zusätzlich zu den Führungen für die Kühlmedien die Kühlmittelführung bei Luftkühlung als Kühlkanal für ein weiteres Medium genutzt werden kann, wobei bei einem gasförmigen Kühlmedium die Kühlmittelführung mit turbulenzanregenden Mitteln in der in Anspruch 9 vorgeschlagenen Weise versehen ist.The heat exchanger concept on which the invention is based provides that the coolant guide also by finned tubes or fins known per se are formed, which are flowed through by coolant as a coolant. Here, the finned tubes z. B. pull through the heat exchanger in the form of a pipe coil or in a cross flow to the cooling channels. This configuration offers the advantage that, in addition to the guides for the cooling media, the coolant guide can be used as a cooling channel for a further medium in the case of air cooling, with one gaseous cooling medium the coolant conduction with turbulence-stimulating means in the in claim 9 proposed way is provided.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, die Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch darstellen. Es zeigtFurther features of the invention emerge from the following description and the drawings, represent the embodiments of the invention schematically. It shows
Fig. 1 einen Ladeluft/Wasser-Wärmetauscher, der nach dem abgewandelten Kreuzgegenstromprinzip arbeitet, Fig. 1 shows a charge air / water heat exchanger which works according to the modified cross-countercurrent principle,
Fig. 2 einen zweistufigen Ladeluftkühler, mit dem Durchströmprinzip Kreuzgleich- und Kreuzgegenstrom; als Kühlmedium dient Wasser, Fig. 2 is a two-stage intercooler with the throughflow Kreuzgleich- and cross-counterflow; water is used as the cooling medium,
Fig. 3 einen Ladeluft/Kühlluft-Wärmetauscher im Kreuzgegenstrom, bestehend aus zwei Kühleinheiten, Fig. 3 is a charge-air / cooling-air heat exchanger in countercurrent flow, consisting of two cooling units,
Fig. 4 einen Wärmetauscher Ladeluft/Wasser, mit einer Kühlereinheit im Kreuzgleichstrom und einer weiteren im Kreuzgegenstrom, Fig. 4 shows a heat exchanger the charge air / water, with a condenser unit in cross-cocurrent and another in the cross-counterflow,
Fig. 5 einen Wärmetauscher mit dem Kühlmedium Luft und den zu kühlenden Medien Ladeluft und öl; die Austauschmedien arbeiten nach dem Kreuzstromprinzip, Fig. 5 is a heat exchanger with the cooling medium and the air to be cooled media charge air and oil; the exchange media work according to the cross-flow principle,
Fig. 6 einen Wärmetauscher, der für die zu kühlenden Medien Ladeluft und Abgas und das Kühlmedium Luft vorgesehen ist; nach dem Kreuzstrom arbeitend. Figure 6 is a heat exchanger which is provided for the media to be cooled charge air and exhaust gas and the cooling medium is air. working according to the cross flow.
Fig. 7 einen Wärmetauscher, vorgesehen für zweistufige Aufladung mit Zwischenkühlung, mit dem Kühlmedium Wasser und dem zu kühlenden Medium Ladeluft. Fig. 7 shows a heat exchanger, intended for two-stage supercharging with intermediate cooling, with the cooling medium is water and the medium to be cooled charge air.
Der in Fig. 1 dargestellte Wärmetauscher 1 zeigt einen von Kühlwasser beaufschlagten Ladeluftkühler im abgewandelten Kreuzgegenstrom, wie er sich insbesondere für hochaufgeladene Motoren mit höheren Temperaturdifferenzen der Ladeluft zwischen Ein- und Austritt anbietet. Das zu kühlende Medium Ladeluft gelangt in den Wärmetauscher 1 und dort in den Eingangsquerschnitt vom schräggeteilten Block 7, der sich zum entgegengesetzten Kühlerende verjüngt. Im Umkehrbereich 9 des Wärmetauschers, der vereinfacht dreieckförmig dargestellt ist, wird das Kühlmedium umgeleitet. Der Eingangsquerschnitt des Kühlerteils 8 ist gleich dem Ausgangsquerschnitt vom Kühlerteil 7. Die Kühlereinheit 8 verjüngt ebenfalls vom Eintritt zum Austritt. Die Schrägteilung bewirkt einen konstanten Durchströmwiderstand für die Ladeluft. Die physikalische Eigenschaft von gasförmigen Medien wird genutzt, d. h. vereinfacht, der Strömungswiderstand von Gasen verringert sich mit abnehmender Temperatur. Die Ladeluft tritt daher am größten Kühlerquerschnitt 1 ein und am engsten Kühlerquerschnitt 2 aus.The heat exchanger 1 shown in Fig. 1 shows a charge air cooler acted upon by cooling water in a modified cross-countercurrent, as it is particularly suitable for highly charged engines with higher temperature differences of the charge air between inlet and outlet. The medium to be cooled, charge air, enters the heat exchanger 1 and there it enters the inlet cross-section of the obliquely divided block 7, which tapers towards the opposite end of the cooler. In the reversal area 9 of the heat exchanger, which is shown in a simplified triangular shape, the cooling medium is diverted. The inlet cross section of the cooler part 8 is the same as the outlet cross section of the cooler part 7. The cooler unit 8 also tapers from the inlet to the outlet. The diagonal division causes a constant flow resistance for the charge air. The physical property of gaseous media is used, ie simplified, the flow resistance of gases decreases with decreasing temperature. The charge air therefore enters the largest radiator cross section 1 and exits the narrowest radiator cross section 2.
Das dargestellte prinzip läßt sich ebenfalls verwenden für übliche, eng verrippte Röhrenkühler, wobei das Kühlmedium, bevorzugt Kühlwasser, innen durch die Rohre und die Ladeluft außen durch die Kühlrippen der Rohre strömt.The principle shown can also be used for conventional, tightly ribbed tube coolers, with the Cooling medium, preferably cooling water, inside through the pipes and the charge air outside through the cooling fins of the Pipes flows.
In Fig. 2 ist der Wärmetauscher 2 dargestellt, der schräggeteilt zwei Kühleinheiten 10,11 bildet. Das Bild zeigt den Wärmetauscher als Ladeluftkühler, bestehend aus den zwei Kühleinheiten 10, 11. Die Ladeluft durchströmt den Kühler im Gegenstrom. Besonders geeignet ist dieser Wärmetauscher (Ladeluftkühler) für V-Motoren. Bei einer Anordnung im V-Winkel kann auf die sonst übliche Verbindungsleitung zwischen beiden Zylinder-Reihen, die für einen Druckausgleich sorgt, verzichtet werden, wenn im Wärmetauscher eine Verbindung zwischen beiden Kühlerteilen derart hergestellt wird, daß auf der Ladeluftseite jederzeit ein Druckausgleich zwischen beiden Luftströmen, und damit zwischen beiden Ansaugleitungen der Zylinderreihen des V-Motors, erreicht wird, in Fig. 2 mit 29 gekennzeichnet. Bei Verwendung dieses Wärmetauschers für eine zweistufige Aufladung entfällt diese Querverbindung zwischen der Kühleinheit 10 und 11. Das Erfindungsprinzip ist auf die Ladeluftseite beschränkt, da der Wärmetauscher auf der Wasserseite in der Regel nur zur geringen Änderung der Temperatur führt. Die Ladeluft tritt wie in Fig. 1 jeweils auf der großen Kühlerquerschnittsfläche der entsprechenden Kühlereinheit 10 oder 11 ein und auf der entgegengesetzten Kühlerseite wieder aus. Die Ladeluft und das Kühlmedium Wasser durchströmen die Kühlereinheit 10 im abgewandelten Kreuzgleichstrom, in der Kühlereinheit 11 dagegen im abgewandelten Kreuzgegenstrom.In Fig. 2, the heat exchanger 2 is shown, which forms two cooling units 10, 11 divided at an angle. The picture shows the heat exchanger as a charge air cooler, consisting of the two cooling units 10, 11. The charge air flows through the cooler in countercurrent. This heat exchanger (charge air cooler) is particularly suitable for V engines. With an arrangement at a V angle, the otherwise usual connection line between the two rows of cylinders, which ensures pressure equalization, can be dispensed with if a connection between the two cooler parts is established in the heat exchanger in such a way that pressure equalization between the two air flows on the charge air side at all times , and thus between the two intake lines of the cylinder rows of the V-engine, is achieved, identified by 29 in FIG. 2. If this heat exchanger is used for two-stage charging, this cross-connection between the cooling unit 10 and 11 is omitted. The principle of the invention is limited to the charge air side, since the heat exchanger on the water side usually only leads to a slight change in temperature. As in FIG. 1, the charge air enters on the large cross-sectional area of the radiator of the corresponding radiator unit 10 or 11 and exits again on the opposite radiator side. The charge air and the cooling medium water flow through the cooler unit 10 in a modified cross-countercurrent, in the cooler unit 11, however, in a modified cross-countercurrent.
Fig. 3 stellt einen mit Kühlluft beaufschlagten Ladeluftkühler im Kreuzgegenstrom dar, ebenfalls geeignet für eine zweistufige Aufladung mit Zwischenkühlung. In dieser Anordnung besteht der Wärmetauscher 3 aus zwei zu einer Einheit aneinandergefügten Einzelwärmetauschern, die jeweils aus den Kühleinheiten 12,13 bzw. Fig. 3 illustrates a loaded with cooling air charge air cooler in countercurrent flow is also suitable for a two-stage supercharging with intermediate cooling. In this arrangement, the heat exchanger 3 consists of two individual heat exchangers joined together to form a unit, each consisting of the cooling units 12, 13 and
16, 17 bestehen. Das zu kühlende Medium Luft tritt unabhängig voneinander zugeführt in die Kühleinheit 12 und 17 ein. Die Durchströmfläche verengt sich zur Wärmetauschermitte hin stetig bis zu den Umkehrbereichen 14,15; diese befinden sich aneinandergeführt an den Enden der einzelnen Kühleinheiten in der Mitte des Wärmetauschers 3. Der Durchströmquerschnitt in den Umkehrbereichen 13,16 ist nahezu konstant. Die Ladeluft tritt jeweils umgelenkt in die Kühleinheiten 13 und 16 ein und verläßt den Wärmetauscher 3 an dessen engsten Strömungsquerschnitten. Die Darstellung zeigt weiter, daß sich der Erfindungsgedanke nicht nur auf einen konstanten Strömungswiderstand für das zu kühlende Medium bezieht, sondern auch Maßnahmen für das Kühlmittel vorsieht, um eine gleichmäßige Wider-Standshöhe über den gesamten Wärmetauscher zu erreichen. Dies kann beispielsweise durch Verringerung turbulenzanregender Mittel bei zunehmender Erwärmung der Kühlluft erreicht werden. Vereinfacht sind diese turbulenzanregenden Mittel in Fig. 3 mit 28 gekennzeichnet dargestellt.16, 17 exist. The medium to be cooled, air, enters the cooling unit 12 and 17, supplied independently of one another. The flow area narrows steadily towards the center of the heat exchanger up to the reversal areas 14,15; these are located next to one another at the ends of the individual cooling units in the middle of the heat exchanger 3. The flow cross-section in the reversal areas 13, 16 is almost constant. The charge air enters the cooling units 13 and 16 in a deflected manner and leaves the heat exchanger 3 at its narrowest flow cross-sections. The illustration also shows that the concept of the invention relates not only to a constant flow resistance for the medium to be cooled, but also provides measures for the coolant in order to achieve a uniform resistance level over the entire heat exchanger. This can be achieved, for example, by reducing turbulence-stimulating agents as the cooling air becomes more heated. These turbulence-stimulating means are shown in simplified form in FIG. 3 with the reference numeral 28.
Fig. 4 zeigt eine Variante zu Fig. 3. Dargestellt ist der Wärmetauscher 4 als Ladeluftkühler, dessen Rückkühlung mit Wasser erfolgt, alternativ ist auch z. B. Öl verwendbar. Als Beispiel der Variantenvielfalt, die der Erfindungsgedanke beinhaltet, ist der rechte Teil des Wärmetauschers 4, bestehend aus den Kühleinheiten 22, 23 und dem Umkehrbereich 21, nach dem Kreuzgegenstrom ausgelegt, dagegen die linke Wärmetauscherhälfte mit den Kühleinheiten 18, 19 und dem Umkehrbereich 20 nach dem Kreuzgleichstrom. Diese Beaufschlagungen bewirken unterschiedliche Wirkungsgrade der Kühler bei gleichen äußeren Abmessungen. Die Erfindung ist auch übertragbar auf Wärmetauscher mit voneinander abweichenden Wärmeaustauschflächen, d. h. die Kühleinheiten 18, 19 sind ungleich zu den Kühleinheiten 22,23. FIG. 4 shows a variant of FIG. 3. The heat exchanger 4 is shown as a charge air cooler, which is recooled with water. B. Oil can be used. As an example of the multitude of variants that the idea of the invention contains, the right part of the heat exchanger 4, consisting of the cooling units 22, 23 and the reversing area 21, is designed according to the cross-counterflow, whereas the left half of the heat exchanger with the cooling units 18, 19 and the reversing area 20 is designed according to the cross direct current. These pressures cause the cooler to have different efficiencies with the same external dimensions. The invention can also be transferred to heat exchangers with heat exchange surfaces that differ from one another, ie the cooling units 18, 19 are not identical to the cooling units 22, 23.
In Fig. 5 ist ein Wärmetauscher im Kreuzstrom dargestellt. Nach dem Erfindungsgedanken, der die physikalischen Eigenschaften von gasförmigen und flüssigen Medien nutzt und in die Wärmetauscherauslegung umsetzt, ist der Wärmetauscher 5 ebenfalls schräggeteilt. Die Kühleinheit 24 weitet sich für das zu kühlende Medium Öl in Durchströmrichtung und bewirkt eine Widerstandssenkung. Dagegen wird die Kühleinheit 25 mit Ladeluft beaufschlagt, für die sich in Durchströmrichtung der Querschnitt verengt. Die zu kühlenden Medien Ladeluft und Öl werden im Gleichstrom durch den Wärmetauscher 5 geführt. Die Schrägteilung des Wärmetauschers gestattet diese Beaufschlagung bei gleichzeitiger Berücksichtigung der spezifischen Eigenschaften. Vereinfacht kann gesagt werden; für ein flüssiges Medium steigt der Widerstand mit fallender Temperatur, dagegen gilt für gasförmige Medien, der Widerstand fällt mit abnehmender Temperatur.In Fig. 5, a heat exchanger is shown in cross flow. According to the concept of the invention, which uses the physical properties of gaseous and liquid media and converts them into the heat exchanger design, the heat exchanger 5 is also divided at an angle. The cooling unit 24 expands in the flow direction for the medium to be cooled, oil, and brings about a reduction in resistance. In contrast, the cooling unit 25 is acted upon with charge air, for which the cross section narrows in the flow direction. The media to be cooled, charge air and oil, are conducted in cocurrent through the heat exchanger 5. The inclined division of the heat exchanger allows this application while at the same time taking into account the specific properties. In simple terms it can be said; for a liquid medium the resistance increases with falling temperature, whereas for gaseous media the resistance falls with decreasing temperature.
Fig. 6 zeigt den Wärmetauscher 6 im Kreuzstrom, der beaufschlagt wird von zwei gasförmigen Medien, die zueinander den Kühler im Gegenstromprinzip durchströmen. Die Kühleinheit 26 wird von Abgas und die Kühleinheit 27 von Ladeluft durchströmt. Für beide Medien verkleinert sich mit zunehmender Abkühlung der Durchströmquerschnitt. Das in Fig. 6 dargestellte Wärmetauscherprinzip dient vorteilhaft zur besseren Ausnutzung der motoreigenen Wärme, bei dem zunächst Ladeluft und dann das Abgas gekühlt wird. Diese Ausführung ist weiter anwendbar im Zusammenhang mit dem Einsatz von Brennkraftmaschinen zum Antrieb von Wärmepumpen. Bei kondensierenden und verdampfenden Medien ist der Erfindungsgedanke von besonderer Bedeutung, da sich die Strömungswiderstandsbeiwerte temperaturbedingt in sehr starkem Maße ändern und zu erheblichen Querschnittsänderungen führen, die ihrerseits wieder Gelegenheit zu sinnvollen Wärmetauscherkombinationen geben. Fig. 6 shows the heat exchanger 6 in cross flow, which is acted upon by two gaseous media which flow through the cooler to each other on the countercurrent principle. The cooling unit 26 is flowed through by exhaust gas and the cooling unit 27 by charge air. For both media, the flow cross-section decreases with increasing cooling. The heat exchanger principle shown in FIG. 6 is advantageously used for better utilization of the engine's own heat, in which first charge air and then the exhaust gas are cooled. This version can also be used in connection with the use of internal combustion engines to drive heat pumps. In the case of condensing and evaporating media, the concept of the invention is of particular importance, as the flow resistance coefficients change to a great extent due to temperature and lead to considerable changes in cross-section, which in turn give the opportunity to make useful heat exchanger combinations.
Fig. 7 stellt einen Wärmetauscher dar, wie er beispielsweise eingesetzt werden kann für Brennkraftmaschinen mit zweistufiger Aufladung und einer Zwischenkühlung. Der schräggeteilte Wärmetauscher 30 bildet die Kühleinheiten 31,32. Die Darstellung zeigt den Wärmetauscher 30 als Ladeluftkühler, bestehend aus den zwei hintereinander geschalteten Kühleinheiten 31, 32. Die ungleiche Aufteilung der Kühleinheiten 31, 32 verdeutlicht den Erfindungsgedanken. Der Zwischenkühler 31, der als Niederdruckstufe angelegt ist, beansprucht mehr Austauschfläche als der Endkühler, der auch als Hochdruckstufe bezeichnet werden kann. Mit einer ungleichen, für die jeweilige Brennkraftmaschine abgestimmten Aufteilung der Kühleinheiten 31, 32 kann die unterschiedliche Dichte, Temperatur und der unterschiedliche Druck der Ladeluft berücksichtigt werden. Die Ladeluft tritt auf der großen Querschnittsfläche der Kühleinheit 31 ein und auf der entgegengesetzten Seite wieder aus. Der Ladeluftstrom wird dann in einer separaten, nicht dargestellten Aufladevorrichtung verdichtet und gelangt anschließend in die größte Querschnittsfläche der Kühleinheit 32 und verläßt den Wärmetauscher auf der entgegengesetzten Seite. Die Ladeluft und das Kühlmedium Wasser durchströmen die Kühleinheit 31 im abgewandelten Kreuzgleichstrom, in der Kühleinheit 32 im abgewandelten Kreuzgegenstrom. Die Ladeluft in den Kühleinheiten 31,32 dagegen wird im Gegenstrom durch den Wärmetauscher geführt. Fig. 7 illustrates a heat exchanger, such as may be used for example for internal combustion engines with two-stage supercharging and intermediate cooling. The diagonally divided heat exchanger 30 forms the cooling units 31, 32. The illustration shows the heat exchanger 30 as a charge air cooler, consisting of the two cooling units 31, 32 connected in series. The unequal division of the cooling units 31, 32 illustrates the concept of the invention. The intermediate cooler 31, which is designed as a low-pressure stage, takes up more exchange area than the end cooler, which can also be referred to as a high-pressure stage. With an unequal division of the cooling units 31, 32 that is coordinated for the respective internal combustion engine, the different density, temperature and the different pressure of the charge air can be taken into account. The charge air enters on the large cross-sectional area of the cooling unit 31 and exits again on the opposite side. The charge air flow is then compressed in a separate charging device, not shown, and then reaches the largest cross-sectional area of the cooling unit 32 and leaves the heat exchanger on the opposite side. The charge air and the cooling medium water flow through the cooling unit 31 in a modified cross-countercurrent, in the cooling unit 32 in a modified cross-countercurrent. The charge air in the cooling units 31, 32, on the other hand, is passed through the heat exchanger in countercurrent.
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