DE3836583C2 - Kühlvorrichtung zur Abführung von Abwärme aus einem U-Boot an das Seewasser - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Kühlvorrichtung zur groß­ flächigen Abführung von in einem U-Boot erzeugter Abwärme an das das U-Boot umgebende Seewasser, bestehend aus einem Kreislaufsystem mit wenigstens einem im Außenwandbereich des U-Boote s vorgesehenen Wärmeübertragungsraum zur Abgabe der ihm mittels eines in dem System zirkulierenden Wärmeübertra­ gungsmediums zugeführten Abwärme an das Seewasser.

Eine ähnliche Vorrichtung ist aus der DE-PS 36 34 936 be­ kannt und ermöglicht es, daß das U-Boot nur schwer oder überhaupt nicht durch Infrarot-Ortung festgestellt werden kann. Die Vorrichtung arbeitet derart, daß die in dem U-Boot erzeugte Abwärme, die in der Regel nach außerhalb des U-Bootes abgeführt werden soll, zunächst mittels des Wärmeübertragungsmediums aus einem zentralen Wärmetauscher dem Wärmeübertragungsraum zugeführt wird und von dort durch die Außenwand diese s Raumes hindurch an das Seewasser abgegeben wird, ohne daß das U-Boot seine Tauchtiefe verändert. Der fragliche, außerhalb des Druckkörpers des U-Bootes liegende Raum steht über Leitungsdurchführungen mit dem übrigen im Inneren des U-Bootes vorgesehenen Kreislaufsystem für das Wärmeübertra­ gungsmedium (Kühlmedium) in Verbindung. Weiterhin ist der Wärmeübertragungsraum so gestaltet, daß das in ihm befindliche und erwärmte Kühlmedium mittels Ventileinrichtungen auch direkt mit dem Seewasser ausgetauscht werden kann, was in der Regel in großen Tauchtiefen erfolgt, um die Infrarot-Ortung zu min­ dern oder zu vermeiden.

Bei dieser Kühlvorrichtung ist nachteilig, daß ein dem Tauch­ druck standhaltendes Kreislaufsystem für das Wärmeübertragungs­ medium erforderlich ist. Aufgrund der somit stärkeren Dimen­ sionierung des gesamten Kreislaufsystems ergeben sich ferner ein hohes Gewicht dieses Systems sowie eine höhere Gefähr­ dung des U-Bootes durch Wanddurchbrüche in seinem Druckkörper.

Bei Überwasserfahrzeugen sind Außenhautkühlsysteme, wie zum Beispiel aus der DE-Z. "Hansa", 1979, Seite 731,736 und der US- Z. "Naval Forces", No. VT/1982, allgemein bekannt. Einen Hin­ weis für die Verwendung derartiger Anlagen bei Unterseebooten zur Verringerung der Infrarotortbarkeit können diese Druck­ schriften aber nicht geben.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Verbesserung einer Kühlvorrichtung der einleitend angeführten Art dahin gehend, daß die Vorrichtung vom Wasserdruck außerhalb des U-Bootes vollständig unabhängig ist.

Die Lösung dieser Aufgabe geht von der einleitend angeführten Kühlvorrichtung aus und kennzeichnet sich weiter dadurch, daß der Wärmeübertragungsraum an der Innenseite des den Außenwandbereich bildenden Druckkörper s des U-Bootes vor­ gesehen ist.

In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kühl­ vorrichtung ist der zusammen mit der Außenwand des Druck­ körpers gestaltete Wärmeübertragungsraum durch ein innen­ seitiges, mit Versteifungsrippen versehenes Plattenelement gebildet, das sich in seiner Breite im wesentlicher über den Abstand zwischen den Spanten des Druckkörpers des U-Bootes erstreckt. Die Versteifungsrippen sind dabei so angeordnet, daß sie in den Wärmeübertragungsraum vorstehen und in diesem Raum einzelne Kanäle ausbilden, die mitein­ ander kommunizieren. Vorzugsweise liegen die Versteifungs­ rippen an der Wand des Druckkörpers an und bestehen aus sickenartigen Profilierungen des Plattenelementes oder aus an dem Plattenelement montierten, länglichen Bauteilen.

Durch die erfindungsgemäße Lösung ist das Kreislaufsystem einschließlich des oder jedes Wärmeübertragungsmediums zwecks Wärmeabgabe an das Seewasser nicht mehr dem hohen Druck des See­ wassers, insbesondere dem Druck der maximalen Tauchtiefe des U-Bootes, ausgesetzt, weil der Druckkörper zwecks Füh­ rung des Wärmeübertragungsmediums zum Wärmeübertragungsraum nicht mehr durch irgendwelche Durchführungen oder dergleichen durchbrochen ist. Auch weist der Wärmeübertragungsraum keine Strömungsverbindung mit dem Seewasser auf. Die großflächige Wärmeabgabe an das Seewasser erfolgt durch die Wandung des Druckkörpers, die den äußeren Wandbereich des Wärmeübertragungs­ raumes bildet hindurch nach außen. Daraus ergibt sich der weitere Vorteil, daß bei einem Defekt im Kreislaufsystem für das Wärmeübertragungsmedium ein Eindringen von Seewasser un­ ter hohem Druck in das U-Boot nicht möglich und somit eine Gefahr für die Besatzung und das Boot vermieden ist. Weiterhin ist vorteilhaft, daß das Kreislaufsystem für das Wärmeübertra­ gungsmedium einschließlich aller Aggregate und sonstiger Ein­ richtungen, wie z. B. Armaturen und Pumpen, schwächer dimensioniert sein kann, was eine erhebliche Gewichtseinsparung bedeutet und die Baukosten senkt. Da ferner z. B. die Pumpen des Sekundärabschnittes des Kreislaufsystems nicht mehr dem hohen Wasserdruck ausgesetzt sind, können sie leichter gebaut werden. Auch ist die Geräuschabstrahlung in das umgebende Seewasser geringer, was wiederum die Ortung des U-Bootes erschwert. Das Vorsehen des oder der Wärmeübertragungsräume an der Innenseite der durch Spanten verstärkten Wandung des U-Boot-Druckkörpers hat den weiteren Vorteil, daß der im allgemeinen nicht genutzte Platz zwischen den Spanten nunmehr ausgenutzt ist, so daß sich das Volumen bzw. die Größe des U-Bootes nicht vergrößert und trotzdem ausreichend große Wärmeübertragungsräume zur Verfügung stehen, ohne daß andere Räume des U-Bootes, wie z. B. innen und außen liegende Tanks, zum Wärmeaustausch benutzt werden müssen. Ferner wird die Entstehung einer Gasblasenbahn vermieden, die sich sonst bei Erwärmung des Seewassers durch konzentriert ab­ geführte Bootswärme ausbildet. Auch wird eine kathodische Korrosionsschutzanlage eingespart, und für die gesamte Wärme­ tauschanlage können billigere Materialien verwendet werden.

Die Erfindung ist nachstehend anhand eines in den anliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein U-Boot,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II in den Fig. 1 und 3,

Fig. 3 eine teilweise Ansicht gemäß dem Pfeil A in Fig. 1,

Fig. 4 eine Aufsicht auf die Darstellung nach Fig. 3,

Fig. 5 eine abgeänderte Ausführungsform des Beispiels nach Fig. 2,

Fig. 6 und 7 weitere Abänderungen des Ausführungsbeispieles.

Nach Fig. 1 ist in dem Druckkörper 1 eines U-Bootes 2 ein allgemein mit 3 bezeichnetes Kreislaufsystem zur Ableitung von Wärme vorgesehen. Im dargestellten Fall enthält das Kreislauf­ system 3 einen Primärkreislauf 4, in dem die nicht gezeigten Wärmeerzeuger liegen, z. B. die Brennkraftmaschinen zum Antrieb des U-Bootes 2, wenn dieses nicht durch Batteriebetrieb ange­ trieben wird, oder zum Aufladen der Batterieanlage, wobei un­ erwünschte Wärme entsteht, und einen Sekundärkreislauf 5, in dem ein Wärmetauscher 6 zur Übernahme der Abwärme aus dem Primärkreislauf 4 und wenigstens ein Wärmeübertragungsraum 7 zur Abgabe der übernommenen Abwärme an das Seewasser, das das U-Boot 2 umgibt, vorgesehen ist. Der Sekundärkreislauf 5 enthält ferner in seinem üblichen Rohrleitungssystem eine Umwälzpumpe 8, ein Regelventil 9, ein Ausdehnungsgefäß 10, ein Entlüftungs­ ventil 11, ein Ablaß- und Auffüllventil 12, Absperrventile 13 und 14 sowie mehrere (nicht gezeigte) Manometer und Thermometer. Der Primärkreislauf 4 kann aber auch entfallen, so daß das Glied 6 selbst der Wärmeerzeuger ist.

In Abänderung des Kreislaufes 5 ist es möglich, daß das Regel­ ventil 9, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, entfallen kann, so daß zwangsläufig die gesamte Menge des Wärmeübertragungsmediums durch den Raum 7 strömen muß.

In einer alternativen Ausführung kann das Kreislaufsystem 3 auch aus einem einzigen Kreislauf bestehen, das heißt, daß die abzuführende Wärme der fraglichen Maschine oder von anderen Stellen, an denen unerwünschte Wärme entsteht, direkt über ein Rohrleitungssystem, gegebenenfalls mit Steuerelementen, zu dem oder jedem Wärmeübertragungsraum 7 geleitet wird.

Wenn es gewünscht wird, kann der oder jeder Wärmeüber­ tragungsraum 7 zum Bootsinneren hin mit einer Wärmeiso­ lierung 15 versehen sein.

Wie aus Fig. 1 entnehmbar ist, ist der oder jeder Raum 7 an der Wandinnenseite des Druckkörpers 1 vorgesehen und im wesentlichen durch die Druckkörperwand und durch ein Plattenelement 16 aus Metall oder Kunststoff gebildet, das vorzugsweise der Umfangskrümmung der Druckkörperwand ange­ paßt ist, um dadurch eine erhöhte Formsteifigkeit zu er­ langen. Die Umfangslänge des Wärmeübertragungsraumes 7 kann beliebig gewählt sein und hängt von den jeweiligen Erforder­ nissen und Platzverhältnissen ab. Es ist klar, daß, wenn das Wärmeübertragungsmedium (Kühlmedium) des Sekundärkreislaufes 5 den oder jeden Raum 7 durchströmt, die Wärme dieses Me­ diums durch die Wand des Druckkörpers 1 hindurch groß­ flächig an das umgebende Seewasser abgegeben wird, wobei sich das Seewasser nicht so erwärmt, daß das U-Boot 2 mittels Infrarot-Detektion festgestellt werden kann.

In den Fig. 2, 3 und 4 ist eine genaue Ausbildung des oder jedes Wärmeübertragungsraumes 7 dargestellt. Fig. 2 zeigt, daß sich der Raum 7 in seiner Breite vorzugsweise im wesentlichen über den Abstand zwischen zwei Spanten 17 und 18 des Druckkörpers 1 erstreckt, indem das Plattenele­ ment 16 eine entsprechende Breite aufweist. Am Druckkörper 1 sind z. B. zwei niedrige Rippen 19 und 20 befestigt, an denen wiederum das Plattenelement 16 montiert ist, wodurch der seitliche Abschluß des Raumes 7 gebildet ist. Die Höhe der Rippen 19, 20 ist so gewählt, daß der Raum 7 eine Höhe H von vorzugsweise 10 bis 25 mm aufweist.

Das Plattenelement 16 ist mit sich in seiner Längsrichtung erstreckenden Versteifungsrippen 21 versehen, die z. B. aus sickenartigen Profilierungen (wie dargestellt) be­ stehen. Alternativ können auch gesonderte, längliche Bau­ teile innenseitig an dem Plattenelement 16 montiert sein. Die Versteifungsrippen 21 können in den Wärmeübertragungsraum 7 vorstehen oder alternativ von dem Plattenelement 16 nach außen vorstehen. Durch die Versteifungsrippen 21 ist die Formsteifigkeit des Plattenelementes 16 weiter gesteigert.

Wenn die Versteifungsrippen 21 nach innen vorstehen, liegen sie vorteilhaft an der Wand des Druckkörpers 1 an. Dadurch ist der Raum 7 in einzelne Kanäle 22 unterteilt, die unter­ einander verbunden sind, so daß das den Raum 7 bzw. die Kanäle 22 durchströmende Medium eine längere Verweildauer in dem Raum 7 und/oder einen längeren Kontakt mit der Druck­ körperwand aufweist, wodurch eine bessere Kühlwirkung er­ zielt wird. Die Kanäle 22 können in Umfangsrichtung (wie gezeigt) und/oder Längsrichtung des Druckkörpers 1 ver­ laufen, was durch einen entsprechenden Verlauf der Rippen 21 oder - wenn besondere Versteifungsrippen 21 auf der Außen­ seite des Plattenelementes 16 vorgesehen sind - durch ent­ sprechende Trennwände in dem Raum 7 erreicht wird.

Das Anliegen der innenseitigen Versteifungsrippen 21 oder von entsprechenden, vorerwähnten Trennwänden an der Wand des Druckkörpers 1 hat den weiteren Vorteil, daß das Platten­ element 16 aus relativ dünnem Material bestehen kann und trotzdem auf einfache Weise eine schockfeste Lage des als Begrenzungswand des Wärmeübertragungsraumes 7 dienenden Plattenelementes 16 erreicht ist.

Die Fig. 3 und 4 zeigen insbesondere den Zuleitungsan­ schluß des Wärmeübertragungsraumes 7 im Sekundärkreis­ lauf 5. An dem Oberende dieses Raumes 7 ist ein Anschluß 23 vorgesehen, der den Raum 7 mit dem Rohrleitungssystem 24 des Kreislaufes 5 verbindet. In gleicher Weise ist das Unterende des Raumes 7 ausgebildet, um das Kühlmedium aus dem Raum 7 wieder in das Rohrleitungssystem 24 einzuleiten.

In einer Abänderung des vor stehend beschriebenen Ausführungsbei­ spiels kann auch gemäß der Ausführung nach Fig. 5 vorgegangen werden. Für sehr hohe Kühlmediumtemperaturen kann eine Ver­ doppelung des Übertragungsraumes 7 vorgesehen werden, indem ein weiteres Plattenelement 25 auf dem ersten Plattenelement 16 befestigt ist, so daß ein weiterer Wärmeübertragungsraum 26 geschaffen ist. Das weitere Element 25 bzw. der weitere Raum 26 können dabei so ausgebildet sein, wie es in Verbindung mit den Plattenelementen 16 und Räumen 7 beschrieben ist, so daß sich eine wei­ tere Erläuterung erübrigt. Selbstverständlich kann auch der weitere Raum 25 von einer Isolierung 15 eingefaßt sein. Durch diese Ausgestaltung wirkt der Wärmeübertragungsraum 7 als Wärmepuffer oder Wärmespeicher, wodurch zu hohe Temperaturen an der Außenseite des Druckkörpers 1 vermieden werden.

Ferner können die Plattenelemente 16 und 25 sowohl aus Metall als auch aus Kunststoff hergestellt sein. Schließlich ist es möglich, daß die Strömungswege durch entsprechende Umlenkungs­ elemente innerhalb der Wärmeübertragungsräume 7 und 26 mehr­ dimensional verlaufen, so daß eine relativ lange Verweilzeit des Kühlmediums in diesen Räumen 7, 26 erreicht wird.

Eine erhöhte Verweilzeit kann durch eine serpentinenförmige Durchströmung der Kanäle 22 des oder jedes Wärmeübertragungs­ raumes 7, 26 erzielt werden. Hierzu bilden die Versteifungs­ rippen 21 nach Fig. 6 obere und untere Durchgänge 22a in den nebeneinanderliegenden Kanälen 22 aus, so daß das Strömungs­ fluid vom Eintritt 32 bis zum Austritt 23 serpentinenförmig strömt. Um diese im wesentlichen eindimensional erfolgende Strömung zweidimensional zu machen, können von den Rippen 21 zu ihnen querverlaufende Umlenkungselemente 27 ausgehen, wie Fig. 6 ebenfalls zeigt, so daß innerhalb der Serpentinenströmung noch eine schlangenförmige oder zickzackförmige Strömungsabänderung erfolgt, wie es aus den Strömungspfeilen der Fig. 6 ersichtlich ist.

Eine dreidimensionale Durchströmung des oder jedes Raumes 7, 26 kann dadurch erzielt werden, daß die bootsinnere Wand 16 entlang den Kanälen 22 gemäß den Fig. 6 und 7 mit nach innen vorspringenden Querrippen 28, vorzugsweise in Form von Sicken, versehen ist. Dadurch ergibt sich eine Strömung ge­ mäß dem Pfeil in Fig. 7, die mehrere zu der vorstehend be­ schriebenen Strömungsebene im wesentlichen senkrechte Kompo­ nenten erhält mit der Folge einer noch weiter erhöhten Ver­ weilzeit des Strömungsfluides in dem oder den Räumen 7 bzw. 26.

Claims (14)

1. Kühlvorrichtung zur großflächigen Abführung von in einem U-Boot erzeugter Abwärme an das das U-Boot umgebende Seewasser, bestehend aus einem Kreislaufsystem mit we­ nigstens einem im Außenwandbereich des U-Bootes vorge­ sehenen Wärmeübertragungsraum zur Abgabe der ihm mittels eines in dem System zirkulierenden Wärmeübertragungs­ mediums zugeführten Abwärme an das Seewasser, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeübertragungsraum (7) an der Innenseite des den Außenwandbereich bildenden Druck­ körpers (1) des U-Bootes vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zusammen mit der Wand des Druckkörpers (1) gestaltete Wärmeübertragungsraum (7) durch ein innenseitiges, mit Versteifungsrippen (21) versehenes Plattenelement (16) gebildet ist, das sich in seiner Breite im wesentlichen über den Abstand zwischen den Spanten (17, 18) des U-Boot- Druckkörpers (1) erstreckt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Versteifungsrippen (21) in den Wärmeübertragungsraum (7) vorstehen und einzelne Kanäle (22) in diesem Raum ausbilden, die miteinander kommunizieren.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (22) in Umfangsrichtung und/oder in Längs­ richtung des Druckkörpers (1) des U-Bootes verlaufen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Versteifungsrippen (21) an der Wand des Druckkörpers (1) anliegen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Versteifungsrippen (21) aus sicken­ artigen Profilierungen des Plattenelementes (16) oder aus an dem Plattenelement (16) montierten, länglichen Bauteilen be­ stehen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Wärmeübertragungsraum (7) eine Höhe von 10 bis 25 mm aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß auf dem Plattenelement (16) ein weiteres Plattenelement (25) unter Ausbildung eines weiteren Wärme­ übertragungsraumes (26) befestigt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß wenigstens einer der Wärmeübertra­ gungsräume (7, 26) für mehrdimensionale Durchströmung ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattenelemente (16, 25) aus Metall oder Kunststoff bestehen.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Versteifungsrippen (21), durch die in Längsrichtung der Räume (7, 26) verlaufende Kanäle (22) ausgebildet sind, abwechselnd obere und untere Durch­ gänge (22a) ausbilden, um einen serpentinenförmigen Strömungsweg in dem oder jedem Raum (7, 26) zu schaffen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (22) des oder jedes Raumes (7, 26) mit zu den Rippen (21) querverlaufenden Umlenkungselementen (27) versehen sind, derart, daß eine zickzackförmige Durch­ strömung der Kanäle (22) geschaffen ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9, 10, 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattenelemente (16, 25) des oder jedes Raumes (7, 26) mit zu den Kanälen (22) vorspringenden Querrippen (28) versehen sind, um eine zusätzliche, senkrecht zur Zickzackströmung ab­ gelenkte Strömung zu erhalten.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (28) als Sicken ausgebildet sind.