DE3514474A1

DE3514474A1 - Waermetauscher, der im gegenstromprinzip arbeitet und nur einen endkasten aufweist

Info

Publication number: DE3514474A1
Application number: DE19853514474
Authority: DE
Inventors: Hans Peter 4150 Krefeld Dicks
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Priority date: 1985-04-22
Filing date: 1985-04-22
Publication date: 1986-10-23

Description

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Klöckner-Humboldt-Deutz AG

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5000 Köln 80, den 17. Apr. 1985 D 85/12 DE AE-ZPB LÜ/B

Wärmetauscher,

der im Gegenstromprinzip arbeitet und nur einen Endkasten aufweist

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, vorzugsweise Luft/Luft-, Luft/Öl- oder Luft/Wasser-Wärmetauscher, insbesondere für Brennkraftmaschinen, bestehend aus wechselweise geschichteten Lamellen in Plattenform für das Kühl- und das zu kühlende Medium, die zusammen eine druckfeste Kühleinheit bilden.

Wärmetauscher finden Verwendung an Brennkraftmaschinen als Rückkühleinheit für verschiedene Medien wie z. B. Ladeluft, Motoröl, Kühlwasser und Abgas.

Heute eingesetzte Wärmetauscher an Brennkraftmaschinen sind ausschließlich nach dem Kreuzstrom- oder Kreuzgegenstromprinzip ausgelegt, siehe hierzu die Druckschrift Wärmetauscher, Programmübersicht der Firma AKG, Autokühler Gesellschaft m.b.H.. Eine solche Kühlerfestlegung erzielt einen geringeren Wirkungsgrad im vergleich zum Gegenstromprinzip und damit eine relativ große Wärmeaustauschfläche für das Kühlmedium und das zu kühlende Medium. Das Kühlerbauvolumen ist daher größer und verlangt zwei Endkästen, bedingt durch das Strömungsprinzip.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kompakten Wärmetauscher mit optimalem Rückkühlvermögen zu schaffen, der an Brennkraftmaschinen integriert werden kann.

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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Wärmeaustauschmedien im Gegenstrom durch den wärmetauscher geführt sind.

Mit dem Gegenstromprinzip erzielt man bei Wärmetauschern den größten Wirkungsgrad. Da es auch eine kompakte Baueinheit fördert, ist das Strömungsprinzip besonders vorteilhaft für direkt an Brennkraftmaschinen angebaute Wärmetauscher. Die Beaufschlagung mit dem zu kühlenden Medium erfolgt in gleicher Weise wie bei den bisher bekannten Wärmetauschern. Das zu kühlende Medium wird einseitig zugeführt und wieder abgeführt. Das bedeutet bei einer z. B. stehenden Anordnung des Wärmetauschers in einer Maschine, daß keine zusätzlichen Verbindungsleitungen für das zu kühlende Medium benötigt werden. Ein solcher Wärmetauscher ist so konzipiert, daß die erforderlichen Eintritts- und Austrittskanäle mit in der Anflanschfläche integriert sind.

In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Kanäle für das zu kühlende Medium für den Zulauf und den Ablauf in der Ebene der Lamelle mit integriert sind. Durch diese Anordnung der Zu- und Ablaufkanäle wird eine gleichmäßige Beaufschlagung der Lamelle erzielt und ein optimaler Wärmeübergang erreicht.

Der Erfindungsgedanke beinhaltet im wesentlichen den Vorteil, daß ein Wärmetauscher nach dem Gegenstromprinzip mit nur einem Endkasten ausgelegt ist. Bei gleichem Bauraum im Vergleich zur bisherigen Wärmetauscherbauart läßt sich somit die Kühlleistung weiter steigern bzw. für den Fall konstanter Kühlleistung wesentlich verringern. Der Endkasten beinhaltet die Anschlüsse für den Eintritt und den Austritt für das zu kühlende Medium und reicht über eine Kühlerbreite hinweg. Von diesem Endkasten aus werden auch die einzelnen Kanäle für die Bauaufschlagung der Lamellen

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versorgt, d. h. die Zulaufkanäle und die Ablaufkanäle münden im Endkasten.

Nach Anspruch 4 ist die Lamelle für das zu kühlende Medium in Trapezform ausgebildet und so auf dem Endkasten angeordnet, daß sie sich beidseitig vom Endkasten aus gesehen zum anderen Ende hin verengt. Durch diese Ausgestaltung wird auch die Form des Zulaufkanals und des Ablaufkanals festgelegt. Die Strömungsquerschnittsverengung kann damit der Durchflußmenge angepaßt werden. Die Lamellenfläche für das zu kühlende Medium ist um den Flächenbetrag des Zu- und Ablaufskanals kleiner als die der Luftlamelle. Eine Lamellenform in umgekehrter Trapezform ist ebenfalls für dieses Wärmetauscherkonzept anwendbar.

Eine weitere Gestaltungsmöglichkeit für die Lamelle ist die Rechteckform, die ebenfalls von der Fläche her kleiner ausgeführt ist als die Luftlamelle. Die Lamellenausbildung bewirkt eine gleichmäßige Beaufschlagung und Anströmung der Lamelle.

Nach Anspruch 6 ist die Lamelle für das zu kühlende Medium auch in Form eines Parallelogramms darzustellen. Die Lamelle in parallelogrammform ist so angelegt, daß bei angenommener stehender Bauweise des Wärmetauschers der Zulauf sich VOiTi Endkasten aus gesehen zum anderen Ende hin weitet und der Ablauf sich nach unten hin verengt. Das Parallelogramm kann jedoch ebenso umgekehrt im Wärmetauscher angeordnet sein, d. h. der Zulauf verengt sich und der Ablauf weitet sich jeweils mit der Entfernung vom Endkasten aus. Bei dieser unterschiedlichen Gestaltungsmöglichkeit ist beispielsweise an wärmetauscher gedacht, die wahlweise für verschiedene Medien eingesetzt werden.

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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung, die Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellt und nachfolgend näher beschrieben ist. Es zeigt:
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Fig. 1 vereinfacht in einer perspektivischen Explosionsdarstellung einen Wärmetauscher im Gegenstromprinzip mit nur einem Endkasten,

Fig. 2 a) - f) die verschiedenen Gestaltungsformen der Lamelle für das zu kühlende Medium, Fig. 3 g) - i) weitere Gestaltungsformen der Lamelle für

das zu kühlende Medium.

Bei dem gezeigten wärmetauscher ist Luft, öl oder Wasser das zu kühlende Medium und Luft das Kühlmedium. Der Wärmetauscher ist stehend angeordnet, d. h. die Lamellen 1 des zu kühlenden Mediums und die Luftlamellen 2 stehen senkrecht und sind parallel wechselweise zueinander in Plattenform aneinander gereiht. Der Wärmetauscher wird mit dem zu kühlenden Medium beaufschlagt, das in den Endkasten 6 eintritt. Der Endkasten 6 ist in eine Eintrittskammer 7 mit der Eintrittsbohrung 13 und eine Austrittskammer 8 mit der Austrittsbohrung 14 aufgeteilt. Das zu kühlende Medium gelangt in den Wärmetauscher durch den Eintritt 13 in die Eintrittskammer und ist mit dem Pfeil c gekennzeichnet und nimmt folgenden Weg: von der Eintrittskammer wird über den Zulaufkanal 4 die Lamelle 1 mit dem zu kühlenden Medium versorgt. Der Staudruck, der sich im Zulaufkanal 4 aufbaut, bewirkt, daß das zu kühlende Medium gleichmäßig verteilt durch die Lamelle 1 zur anderen Kühlerseite in den Ablaufkanal 5 gelangt, gekennzeichnet mit dem Pfeil e. Die Fläche der Lamelle 1 ist um die Flächen des Zulaufkanals 4 und des Ablaufkanals 5 kleiner als die der Luftlamelle 2. Die Bauhöhe der Lamelle 1 und der Luftlamelle 2 ist

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gleich, bis auf die Höhe von Zwischenblech 12, das oberhalb der Lamelle 1 angebracht ist. Der Ablaufkanal 5 mündet in die Austrittskammer 8 im Endkasten 6 des Wärmetauschers. Von dort gelangt das zu kühlende Medium durch den Austritt 14, mit dem Pfeil d gekennzeichnet, z. B. bei einer Brennkraftmaschine in den Schmierölkreislauf des Motors. Die Luft, das Kühlmedium, gelangt druckbeaufschlagt, z. B. durch ein Gebläse, in den Wärmetauscher. Der Lufteintritt ist mit dem Pfeil a angezeigt. Entgegengesetzt,

d. h. im Gegenstromprinzip, zur Richtung des zu kühlenden Mediums im Wärmetauscher wird die Kühlluft durch den Kühler geführt. Der Austritt wird durch den Pfeil b angezeigt. Der Wärmeaustausch bzw. Wärmeübergang vom zu kühlenden Medium zum Medium Luft erfolgt im Flächenbereich der Lamelle 1.

Anhand eines Ausführungsbeispiels werden alle Bauteile des Wärmetauschers der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Lamellen 1 und Luftlamellen 2 stehen parallel und sind wechselweise angeordnet. Einseitig auf den Lamellen 1, 2 liegend befindet sich der Endkasten 6. Vom Endkasten aus besteht eine Verbindung zwischen der Eintrittskammer 7 und dem Zulaufkanal 4 bzw. dem Ablaufkanal 5 und der Austrittskammer 8. Zwischen dem Endkasten 6 und den Kanälen 4,5 besteht eine öldichte, druckfeste Verbindung. Die Kanäle 4, 5 sind mit verschiedenen Bauelementen verschlossen. Die seitliche Abdichtung gegenüber der Lamelle 1 erfolgt mit Hilfe der Leiste 11. Das Endblech 10 schließt die Kanäle 4, 5 zur entgegengesetzte Seite vom Endkasten 6 ab, ein gleiches Blech 10 befindet sich auf dem Endkasten 6. Oberhalb der Lamelle 1 ist das Zwischenblech 12 angebracht. Die Endlamellen des Wärmetauschers, gleich, ob Luft- oder Lamelle des zu kühlenden Mediums, werden durch

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die Seitenplatten 9 abgedeckt, die zusätzlich zur Abdichtung der Kanäle zur Stabilität und Festigkeit des Wärmetauschers beitragen, dies gilt auch für die Endbleche 10.

Weitere Gestaltungsmöglichkeiten der Lamelle für das zu kühlende Medium sind in Fig. 2, a) - f) und Fig. 3 g) - i) abgebildet. Die Trapezform, siehe Abb. a) bis f), gestattet es, abgestimmt auf das zu kühlende Medium, die Kanäle 4, 5 optimal auszulegen. In Abb. a) ist beispielsweise der Zulaufkanal 4 so angelegt, daß dieser sich mit zunehmender Länge, vom Endkasten aus gesehen, verengt. Der Ablaufkanal 5 dagegen weitet sich zum Endkasten hin gesehen. Diese Kanalausbildung, die folglich auch Einfluß nimmt auf die Form der Lamelle 1, zeigt Querschnitte, die der Durchflußmenge angepaßt sind, d. h. Querschnittsverengung bei Abnahme der Durchflußmenge und Querschnittsvergrößerung bei Zunahme der Durchflußmenge. In Abb. b) sind die Kanäle in der Form dargestellt, daß sich der Querschnitt jeweils mit Zunahme der Entfernung vom Endkasten vergrößert. Bei dieser Ausbildung des Zulaufkanals 4 sind die Strömungswiderstände berücksichtigt, indem sich der Querschnitt mit zunehmender Länge vergrößert. In den Abb. c) und d) sind die Ablaufkanäle 5 gleich gestaltet, der Querschnitt ist über die gesamte Länge gleich gehalten. Die Zulaufkanäle 4 dagegen sind unterschiedlich. In Abb. c) vergrößert sich der Zulaufkanal mit zunehmender Länge und soll damit Strömungsverluste ausgleichen. In Abb. d) dagegen verkleinert sich der Zulaufkanal mit zunehmender Länge und soll der Durchflußmenge angepaßt sein. Abb. e) und f) zeigen gleich gestaltete Zulaufkanäle 4, die gleiche Querschnitte über die gesamte Kanallänge aufweisen. Der Ablaufkanal 5 in Abb. e) zeigt eine Querschnittszunahme zum Endkasten hin gesehen. In Abb. f) verkleinert sich der Querschnitt des Ablaufkanals 5 zum Endkasten.

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Die Ausbildung der Lamellenform als Parallelogramm, siehe Fig. 3, Abb. g) und h), ist auf bestimmte Medien zugeschnitten. Die Abb. g) zeigt beispielsweise einen Zulaufkanal 4, der sich vom Endkasten aus gesehen mit zunehmender Länge vergrößert und einen Ablaufkanal 5, der sich zum Endkasten 6 hin vergrößert. In Abb. h) sind die Kanäle genau entgegengesetzt ausgebildet, d. h. der Zulaufkanal 4 verengt sich mit zunehmender Länge vom Endkasten 6 aus gesehen, und der Ablaufkanal 5 verengt sich zum Endkasten hin. Die Flächen beider Lamellen der Beispiele g) und h) sind gleich.

Die Rechteckform der Lamelle, wie in Fig. 3, Abb. i) dargestellt, bewirkt eine gleiche Wärmeaustauschfläche über die gesamte Höhe des Wärmetauschers.

Mit Hilfe der unterschiedlichen Gestaltungsmöglichkeiten kann die Lamellenform an verschiedene Medien angepaßt werden. Darüber hinaus kann die Lamelle druckoptimiert bzw. leistungsoptimiert ausgelegt sein für eine bestimmte vorgegebene Strömungsgeschwindigkeit bzw. für einen bestimmten Strömungsdruck. Weiter ist bei der Vielzahl der Lamellenformen auch gedacht an ein Wärmetauscherprinzip, bei dem durch die Lamellen 1 das Kühlmedium und das zu kühlende Medium durch die Lamellen 2 geführt wird.

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KHD Klöckner-Hiimboldt-Deutz AG Λ\1 Ι%Π LP ; - ' ;" \ . . ';". " 3 514 5000 Köln 80, den 17. Apr. 1985 D 85/12 DE AE-ZPB LÜ/B Patentansprüche

1. Wärmetauscher, vorzugsweise Luft/Luft-, Luft/Öl- oder Luft/Wasser-Wärmetauscher, insbesondere für Brennkraftmaschinen, bestehend aus wechselweise geschichteten Lamellen (1, 2) in Plattenform für das Kühl- und das zu kühlende Medium, die zusammen eine druckfeste Kühleinheit (3) bilden,

dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauschmedien im Gegenstrom durch den wärmetauscher geführt sind.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle für den Zulauf (4) und den Ablauf (5) des zu kühlenden Mediums in die Ebene der Lamelle integriert sind.

3. wärmetauscher nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher nur einen Endkasten (6) aufweist, der aufgeteilt ist in die Eintrittskammer des zu kühlenden Mediums (7) mit der Eintrittsbohrung (13) des Kühlers und der Austrittskammer (8) des zu kühlenden Mediums mit der Austrittsbohrung (14) und in den alle Kanäle der einzelnen Lamellen münden.

4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamelle (1) des zu kühlenden Mediums kleiner als die Luftlamelle (2) ausgeführt ist und einer Trapezform entspricht.

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Klöckner-Humboldt-Deutz AG

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5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamelle (1) des zu kühlenden Mediums kleiner als die Luftlamelle (2) ausgeführt ist und einer Rechteckform entspricht.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamelle (1) des zu kühlenden Mediums kleiner als die Luftlamelle (2) ausgeführt ist und einer
Parallelogrammform entspricht.