DE3705938C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ladeluftkühler nach dem Ober­ begriff des Patentanspruches 1.

Solche Wasser/Ladeluftkühler sind bekannt (Prospekt Ladeluft­ kühler der Süddeutschen Kühlerfabrik Julius Fr. Behr GmbH & Co. KG, Stuttgart). Sie werden beispielsweise für große Diesel­ motoren, wie sie für Schiffe oder für Notstromaggregate ein­ gesetzt werden, vorgesehen und dem Motor zugeordnet, um den Liefergrad so groß als möglich zu gestalten. Nachteilig ist bei den bekannten Bauarten, daß die wasserdurchflossenen Rippen­ rohrblöcke zwischen den beiden Seitenteilen starr eingespannt sind. Bei der Durchströmung des Kühlers mit der Ladeluft ent­ steht eine erhebliche Temperaturdifferenz zwischen den Seiten­ teilen und dem Rippenrohrblock im Betrieb, weil die vom Wasser durchflossenen Rohre des Rippenrohrblockes wesentlich kühler bleiben, als die von der heißen Ladeluft angeströmten Seiten­ teile. So beträgt bei manchen Bauarten die Temperatur der Ladeluft beispielsweise 245°C, während die Temperatur des für den Kühlvorgang vorgesehenen Wassers Werte von unterhalb 30°C besitzt. Auch wenn sich die mittlere Temperatur der Rohre im Betrieb erhöht und die Seitenteile die Temperatur der Ladeluft nicht vollständig annehmen, ergeben sich doch noch so erheb­ liche Temperaturdifferenzen, daß, bedingt durch die verschie­ denen Längenänderungen der Bauteile, Spannungen, insbesondere im Eckbereich zwischen Seitenteilen und Wasserkästen, auf­ treten, die zur Beschädigung des Rippenrohrblockes führen können.

Es ist deshalb auch schon vorgeschlagen worden, sogenannte Schiebeböden für den Rippenrohrblock vorzusehen, die zum Aus­ gleich der Längenänderungen dienen können. Solche Bauarten sind aber aufwendig.

In der US-PS 36 27 035 ist zwar auch das Problem angesprochen, Wärmedehnungen der Rohre von den Seitenwänden auffangen zu lassen. Dies wird dort aber durch Expansionsteile erreicht, die teleskopartig gegeneinander verschiebbare Platten aufweisen, so daß die Seitenwände aus gegeneinander verschiebbaren Teilen be­ stehen und die unterschiedlichen Wärmedehnungen der Rohre mit­ machen können. Eine solche Lösung ist ähnlich der vorher er­ wähnten Bauart mit Schiebeböden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ladeluftkühler der eingangs genannten Art so auszubilden, daß auf Längenaus­ gleichsmaßnahmen wie z. B. Schiebeböden verzichtet werden kann, ohne daß die Gefahr einer Beschädigung des Rippenrohrblockes, insbesondere der Rohr/Bodenverbindung im Betrieb auftritt.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden bei einem Ladekühler die Merkmale des Patentan­ spruches 1 vorgesehen. Die Erfindung geht dabei von der Überle­ gung aus, daß es durch die Wahl des Materiales für die Bauteile möglich sein muß, die an sich durch die unterschiedlichen Temperaturen auftretenden unterschiedlichen Wärmedehnungen so aufeinander abzustimmen, daß keine wesentlichen Längenunter­ schiede in den Bereichen auftreten, wo verschiedene Bauteile aus verschiedenem Material zusammenkommen. Dies wird in beson­ ders einfacher Weise dann möglich, wenn der Wärmeausdehnungs­ koeffizient der Seitenteile nur etwa die Hälfte des Wärmeaus­ dehnungskoeffizienten der Rohre beträgt und wenn die Seiten­ teile aus einem ganz bestimmten austenitischen Gußeißen herge­ stellt werden, während für die Rohre des Rippenrohrblockes, für die auch der Wärmeübergang an die zu kühlende Ladeluft eine entscheidende Bedeutung hat, eine Titanlegierung gewählt wird. Es hat sich gezeigt, daß bei Ladeluftkühlern in dem vorher erwähnten Temperaturbereich die im Betrieb und auch beim An- und Abfahrvorgang auftretenden Temperaturdifferenzen zu keiner Beschädigung des Rippenrohrblockes führen können, weil aufgrund der Materialauswahl Spannungen, insbesondere in den Eckberei­ chen zwischen Wasserkästen und Seitenteilen, weitgehend ver­ mieden werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines schematischen Aus­ führungsbeispieles beschrieben, wobei die

Fig. 1 die schematische Draufsicht auf die von der Ladeluft angeströmte Kühlerstirnfläche zeigt,

Fig. 2 die schematische Darstellung des Temperaturverlaufes über die Hälfte der Breite des Kühlers der Fig. 1, wenn dieser als Ladeluftkühler eingesetzt ist und

Fig. 3 die schematische Darstellung der Längenänderung zwischen Seitenteil und Rohren im stationären Betriebszustand bei einem Ladeluftkühler nach dem Stand der Technik und nach der Erfindung.

In der Fig. 1 ist zwischen einen oberen Wasserkasten (1) und einen unteren Wasserkasten (2) in an sich bekannter Weise ein Rippenrohrblock (6) eingesetzt, der aus einer Vielzahl parallel zueinander und senkrecht zu Rohrböden (10) verlaufenden Rohren (5) besteht, die senkrecht durch entsprechende Öffnungen in einer Vielzahl von lamellenförmigen Rippen (7) verlaufen. Die Enden der Rohre (5) sind fest und dicht in den Rohrböden (10) gehalten, vorzugsweise durch Hartlöten oder Einwalzen. Die Rohrböden (10) bilden den unteren Abschluß der Wasserkästen (1) bzw. (2). Die Zufuhr des einen Wärmetauschmittels, im Ausfüh­ rungsbeispiel Wasser, erfolgt durch den unteren Wasserkasten (2). Beim Ausführungsbeispiel erfolgt auch der Rückfluß vom Wasserkasten (2) aus, der zu diesem Zweck mit einer quer zur Zulauföffnung (8) verlaufenden und durch die Öffnung der Zulauföffnung (8) sichtbaren Trennwand (9) versehen ist, welche dafür sorgt, daß das zuströmende Wasser zunächst den vorderen und dem Betrachter zugewandten Teil der Rohre (5) zum Wasser­ kasten (1) hin durchströmt, von dort anschließend in entgegen­ gesetzter Richtung zurückströmt und durch die nicht sichtbare Abflußöffnung, welche der Zuflußöffnung (8) gegenüberliegt, wieder ausströmt.

Die Wasserkästen (1 bzw. 2) und ihre Rohrböden (10) sind fest jeweils mit den Seitenteilen (3) bzw. (4) verbunden, was in bekannter Weise durch Verschrauben geschehen kann. Als Material für die beiden Seitenteile (3) bzw. (4) ist austenitisches Gußeisen in der Form von GGG-Ni35 (nach DIN 1694) vorgesehen, das mit Kugelgrafit versehen ist. Dieser Werkstoff hat einen Längenausdehnungskoeffizient (α_S) von 5×10^-6 pro °Kelvin.

Für die Rohre (5) ist als Werkstoff eine Titanlegierung mit einem Längenausdehnungskoeffizienten (α_R) von 9,3×10^-6 pro °Kelvin im Bereich zwischen 20° und 300°C vorgesehen, so daß das Verhältnis der Längenausdehnungskoeffizienten (αS) (Seitenteil) zu (αR) (Rohr) etwa wie 1 : 2 ist.

Diese Werkstoffauswahl bringt den Vorteil mit sich, daß die Längenausdehnungen der Rohre (5) und der Seitenteile (3) bei den im Betrieb auftretenden Temperaturen, die anhand Fig. 2 angedeutet sind, in etwa gleich groß sind. Dadurch können Biegespannungen und Schubspannungen im Rohrboden im Bereich zwischen Seitenteilen und Rippenrohrblock (6) weitgehend vermieden werden. Trotz der starren Befestigung der Seitenteile (3) und der Rohre (5) an den Rohrböden (10) können schädliche Auswirkungen, insbesondere Undichtwerden der Rohr/Boden­ verbindung, die durch Wärmedehnungen bedingt sind, weitgehend vermieden werden.

Fig. 2 zeigt für die linke Hälfte des Kühlers der Fig. 1 den schematischen und mittleren Temperaturverlauf in den Seiten­ teilen und in den Rohren. Die Seitenteile (3) können im Be­ trieb eine Temperatur T_S von etwa 210°C erhalten. Da die Rohre (5) von Kühlwasser mit einer Temperatur unter 30°C durchströmt werden, erhalten die Rohre des Rippenrohrblockes (6) während des Betriebes eine mittlere Temperatur T_Rohr von ca. 100°C bei einer Anströmung des Ladeluftkühlers der Fig. 1 aus der Ebene des Betrachters in die Zeichenebene hinein mit einer Ladeluft von einer Temperatur von ca. 240°C und mit dem für Schiffs­ dieselmotoren üblichen Durchsatz.

In Fig. 3 ist schematisch angedeutet, wie diese Temperatur- Verhältnisse sich auf die Längenausdehnung auswirken.

Mit dem Bezugszeichen 14 ist schematisch ein Längenwert bezeichnet, welcher der sich während des Betriebes bei den vor­ her genannten Temperaturen einstellenden Länge eines Seiten­ teiles entspricht, das nach dem Stand der Technik aus Stahl besteht. Der Längenwert 11 entspricht der Länge der Rohre, die gemäß dem Stand der Technik aus einer Kupferlegierung herge­ stellt sind. Die sich bei den vorgegebenen Temperaturen nach Fig. 2 einstellende Längendifferenz 1_{diff 1} gibt ein Maß für die im Grenzbereich zwischen Seitenteilen und Rohren auftretende Zugspannung in den Rohren.

Mit dem Bezugszeichen 12 ist der Längenwert eines Seitenteiles (3) nach der Erfindung bezeichnet, der sich bei den in Fig. 2 angegebenen Temperaturen einstellt, mit 13 jener der Rohre (5) aus der Titanlegierung, die vorher erwähnt wurde. Wird die sich zwischen diesen Längenwerten ergebende Differenz 1_{diff 2} auf die Längendifferenz 1_{diff 1} bezogen, so ergibt sich eine Verminde­ rung der Längendifferenz auf ca. 8,5%. Dieser Wert entspricht auch der Verminderung der im Eckbereich zwischen Seitenteilen 3 (bzw. 4) und Rohren (5) auftretenden Zugspannung in den Rohren.

Es hat sich daher gezeigt, daß die gewählten Materialien die Wärmedehnungen aufgrund dieser Temperaturdifferenzen aushalten, obwohl die Rohrböden (10) im Prinzip einen unbeweglichen starren Boden darstellen, in dem die Rohre (5) hart eingelötet oder eingewalzt sind. Die Stärke der Rohrböden wird in der Regel, wenn die Rohre hart gelötet werden, bei etwa 3 mm liegen, sollen die Rohre eingewalzt werden, so muß der Boden, wenn 8 mm-Rohre eingewalzt werden sollen, eine Stärke von ca. 10 mm aufweisen. In beiden Fällen aber bilden die Rohrböden (10) mit den Wasserkästen (1 bzw. 2) starre Bauteile, die nicht in der Lage wären, größere Wärmedehnungen aufzunehmen. Durch die Wahl verschiedener Materialien für die Seitenteile (3, 4) und die Rohre (5) und insbesondere durch die Wahl der angegebenen Materialien lassen sich die Wärmedehnungen aber in einem Rahmen halten, der die starre Verbindung zwischen Rippenrohrblock und Seitenteilen ermöglicht.

Das gilt auch für den Anfahr- bzw. Abfahrzustand, wo sich die Temperaturverhältnisse zwar ändern, aber auch dann zu keinen Spannungswerten führen, die zur Beschädigung oder zum Bruch der Rohr/Boden-Verbindung führen können.

Claims (2)

1. Ladeluftkühler für Verbrennungskraftmaschinen, insbe­ sondere für wassergekühlte Dieselmotoren, mit einem von der Ladeluft und von Wasser durchströmten Rippenrohrblock, der zwischen zwei Wasserkästen mit Rohrböden und zwei mit diesen starr verbundenen Seitenteilen angeordnet ist und dessen Rohre fest mit den Rohrböden verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Wärmeausdehnungskoeffizienten (α) des Materiales der Seitenteile und der Rohre des Rippenrohrblockes in etwa umgekehrt proportional dem Verhältnis der im Betrieb zu erwartenden mittleren Temperaturen in °C ist.

2. Ladeluftkühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer mittleren Temperatur der Seitenteile von ca. 200°C und einer mittleren Temperatur der Rohre von ca. 100°C als Material für die Seitenteile (3, 4) GGG Ni-35 und für die Rohre (5) eine Titanlegierung vorgesehen ist.