DE3908994C2

DE3908994C2 -

Info

Publication number: DE3908994C2
Application number: DE3908994A
Authority: DE
Inventors: Friedrich 7053 Kernen De Baehrle; Helmut Dipl.-Ing. 7302 Ostfildern De Wulf; Helmut Dr.-Ing. 7758 Meersburg De Kreeb
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1989-03-18
Filing date: 1989-03-18
Publication date: 1992-04-02
Also published as: FR2644402A1; FR2644402B1; GB2230082A; US5016705A; GB9005884D0; GB2230082B; DE3908994A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Fahrgastraumheizung, insbesondere eine Omnibusheizung, mit geschlossenem Kreislauf und seriell angeordneten Heizkörpern. Eine derartige Heizung ist aus der Fahrzeugheiztechnik bekannt und beispielsweise in der DE-OS 30 41 710 veröffentlicht. Um den benötigten Energiebedarf derartiger Heizungssysteme zu verringern, sind unterschiedliche Konzepte bekannt.

So betrifft die DE-OS 38 21 138 einen geschlossenen Kreislauf mit einem Arbeitsmedium, der über einen Verdampfer dem Abgas Wärme entzieht, wobei das Arbeitsmedium verdampft. Das gasförmige Arbeitsmedium wird anschließend einem im Bereich des Kühlwassers der Brennkraftmaschine des Fahrzeuges angeordneten Kondensator zugeleitet, wo es unter Abgabe seiner gespeicherten latenten Wärme kondensiert, wodurch das Kühlmittel geheizt wird. Das flüssige Arbeitsmedium wird zurück in den Verdampfer transportiert.

Des weiteren ist aus der DE-OS 37 25 271 eine Vorrichtung bekannt, mit der dem Kühlmittel durch eine Zusatzheizung und durch die Abwärme des Schmieröls Wärme zugeleitet wird. Hierzu ist im Bereich des Schmieröls und im Bereich des Kühlmittels je ein Wärmetauscher angeordnet, die einerseits mit der Zusatzheizung und andererseits untereinander wärmeleitend verbunden sind. Hat nun das Schmieröl eine bestimmte Temperatur erreicht, so wird die Zusatzheizung abgeschaltet und dem Kühlmittel nur noch seitens des Schmieröls Wärme zugeführt.

Schließlich geht aus der DE-OS 30 41 710 eine Vorrichtung zum Kühlen von Abwärme erzeugenden Aggregaten als bekannt hervor, bei der ein Wärmerohr mit seinem wärmeaufnehmenden Teil am Aggregat und mit einem wärmeabgebenden Teil im Bereich der Umgebungsluft angeordnet ist.

Bei allen seriellen Heizkörperanordnungen von Fahrgastraumheizungen und insbesondere von Omnibusheizungen, ist jedoch zu bemängeln, daß, aufgrund der Wärmeabgabe, sich das Wärmeträgermedium stetig abkühlt und dadurch in jedem Heizkörper eine unterschiedliche Temperatur vorliegt. Dies kann im Extremfall dazu führen, daß die Heizkörper, und damit verbunden der Fahrgastraum in einem erheblichen Ausmaß unterschiedlich warm wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die beschriebene Fahrgastraumheizung dahingehend weiterzuentwic keln, daß die Temperatur in allen wärmeabgebenden Heiz körpern nahezu gleich ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Durch die Heizkörper wird ein Flüssigkeits-Dampf-Gemisch eines Wärmeträgermediums geleitet, das an der einen Seite des Verdampfers - Dampfseite - nahezu vollständig verdampft ist. Solange das Wärmeträgermedium als Zweiphasengemisch - Flüssigkeits-Dampf-Gemisch - vorliegt, weisen die seriell angeordneten Heizkörper des wärmeabgebenden Teiles nahezu die gleiche Temperatur auf Naßdampf-Temperatur. Dies ist auf die Änderung des Aggregatzustandes einzelner Voluminen des Wärmeträgerme diums zurückzuführen. Die von den Heizkörpern abgestrahlte Wärme wird von der im Dampf gespeicherten latenten Wärme aufgebracht, die bei der Kondensation des Dampfes in einem nahezu isothermen Prozess frei wird. Sinnvolle Aus gestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen ent nehmbar.

Ein Ausführungsbeispiel ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden erläutert:

Fig. 1 die Fahrgastraumheizung in sche matischer Darstellung und

Fig. 2 einen Teil der Querschnittsfläche des Verdampfers.

Die Fahrgastraumheizung nach Fig. 1 ist in einen wärme aufnehmenden Teil 28 und einen wärmeabgebenden Teil 29 gegliedert, die zusammen einen geschlossenen Kreislauf mit unidirektional hindurchströmendem Wärmeträgermedium bil den. Der wärmeaufnehmende Teil 28 ist ein als Verdampfer 1 betriebener Wärmetauscher, der im wesentlichen als poröse Wand 4, die die reine Flüssigkeitsseite 5 von der nahezu reinen Dampfseite 6 der Fahrgastraumheizung trennt, ausge bildet ist. Die weitere bauliche Ausgestaltung der Fahr gastraumheizung wird in Strömungsrichtung des Wärmeträger mediums nach dem Verdampfer 1, beginnend von der Dampfseite 6, beschrieben.

Auf der Dampfseite 6 der Fahrgastraumheizung folgt nach dem Verdampfer 1 ein Auffangbehälter 20, der geodätisch nahezu höhengleich wie der Verdampfer 1 angebracht ist. Der Auffangbehälter 20 ist mit einer im Durchfluß mittels eines Ventils 25 steuerbaren und verschließbaren Rückflußleitung 21 versehen, die die Dampfseite 6 mit der Flüssigkeitsseite 5 der Fahrgastraumheizung verbindet. Von dem Auffangbehälter 20 geht ferner noch eine Zufuhrleitung 23 zu dem wärmeabgebenden Teil 29 der Fahrgastraumheizung ab. Der wärmeabgebende Teil 29 ist durch drei seriell hintereinander angeordnete und im zu heizenden Fahrgastraum angebrachte Heizkörper 7, 8, 9 dargestellt. Die die Heizkörper 7, 8, 9 verbindende Leitungen 24 weisen ein stets eindeutiges Gefälle in Richtung der Flüssigkeitsseite 5 der Fahrgast raumheizung auf, damit die flüssige Komponente des durch strömenden Zweiphasengemisches des Wärmeträgermediums ebenfalls eindeutig der Flüssigkeitsseite 5 der Fahrgast raumheizung zugeleitet wird. Der in Strömungsrichtung letzte Heizkörper 9 des wärmeabgebenden Teiles 29 ist an eine Abfuhrleitung 26, die den wärmeabgebenden Teil 29 mit der Flüssigkeitsseite 5 verbindet, angeschlossen. Die Flüssigkeitsseite 5 ist ferner mit einem Auffangspeicher 19 verbunden, der im Volumen steuerbar und zur gezielten Entnahme bzw. Rückspeisung des flüssigen Wärmeträgermedi ums vorgesehen ist.

Der funktionelle Zusammenhang ist dabei wie folgt. Der geschlossene Kreislauf der Fahrgastraumheizung wird von einem Wärmeträgermedium durchströmt, das mit der Vorlauf temperatur dahingehend abgestimmt ist, daß in jedem der Heizkörper 7, 8, 9 ein Flüssigkeits-Dampf-Gemisch des Wärme trägermediums vorliegt. Die Vorlauftemperatur ist, da ein Flüssigkeits-Dampf-Gemisch bei konstantem Druck immer die gleiche Temperatur aufweist, bei allen seriell angeord neten Heizkörpern 7, 8, 9 des wärmeabgebenden Teiles 29 nahezu gleich.

Der wärmeaufnehmende Teil 28, der als Verdampfer 1 mit einer kapillarwirksamen, porösen Wand 4 ausgebildet ist, transportiert durch die Kapillarkraft flüssiges Wärmeträ germedium auf die dampfseitige Oberfläche 17 der porösen Wand 4. Kapillarität ist das durch die Oberflächenspannung bestimmte Verhalten von Flüssigkeiten in engen Rohren (Kapillaren) , engen Spalten und Poren. Sie beruht auf der Wechselwirkung von Kohäsionskräften zwischen den Molekülen der Flüssigkeit und den Adhäsionskräften zwischen der Flüs sigkeit und dem sie umgebenden Material. Im Sinne der An meldung ist kapillarwirksam als die durch die Kapilarität und damit dem auf dem Kapillardruck basierenden Transport von flüssigem Wärmeträgermedium von der Flüssigkeitsseite 5 auf die Dampfseite 6 zu verstehen. Die poröse Wand 4 bzw. der Kapillarenblock bewirkt somit die Aufrechter haltung einer Druckdifferenz zwischen Flüssigkeitsseite 5 und Dampfseite 6, sowie die Durchlässigkeit bzw. den Transport des flüssigen Wärmeträgermediums auf die Dampf seite 6 der porösen Wand 4 bzw. des Kapillarenblockes. Die dampfseitige Oberfläche 17 ist flächendeckend mit einem aus wärmeleitendem Material gefertigten Teil 2 - Blech - bedeckt, das mit einer Seite seiner Oberfläche der Oberflächenform des wärmeabgebenden Aggregates (nicht eingezeichnet) angepaßt ist. Die flächige Anpassung ergibt einen guten Wärmeübergang. Die andere Seite des Bleches weist entlang der der porösen Wand zugewandten Oberfläche eine mit der Dampfseite 6 offene Kanalstruktur auf. Die Zwischenwände 18 zwischen den Kanälen 3 laufen zur porösen Wand 4 hin schneidenartig aus. An beiden Flanken der Zwi schenwände 18 bilden sich im Bereich der dampfseitigen Oberfläche 17 der porösen Wand 4 Menisken aus. Von der freien Oberfläche der Menisken verdunstet, aufgrund der durch das Blech 2 primärseitig zur Verfügung gestellten Energie bzw. Wärme Q, entsprechend des bei dieser Temperatur herrschenden Dampfdruckes, die für die Bildung dieses Dampfdruckes benötigte Flüssig keitsmenge. Der gesättigte Dampf - das Gas - strömt, be dingt durch die Verdampfung am invertierten Meniskus der Flüssigkeit, gleichmäßig und eventuell unter geringer Kon densatbildung in den ersten Heizkörper 7 des wärmeabge benden Teils 29 der Fahrgastraumheizung. Das in der Zu leitung 23 entstandene Kondensat sammelt sich im Auffang behälter 20 und wird mittels der durch das Ventil 25 ge steuerten Rückflußleitung 21 der Flüssigkeitsseite 5 der Fahrgastraumheizung zugeführt. Im ersten Heizkörper 7 kondensiert teilweise der gesättigte Dampf unter Abgabe der gespeicherten latenten Wärme in einem nahezu isother men Prozeß. Das so entstandene Flüssigkeits-Dampf-Gemisch mit seinen Flüssigkeits- 11, 13 und Dampfblasen 10, 12 strömt durch die in Richtung zur Flüssigkeitsseite 5 mit Gefälle versehene, die Heizkörper 7, 8 verbindende Leitung 24 in den Heizkörper 8. Dort wiederholt sich der Konden sationsprozeß, womit der Anteil der Flüssigkeitsblasen 11, 13, 15 im Gemisch erhöht und der Anteil der Dampfblasen 10, 12, 14, 16 erniedrigt wird. Nach dem in Strömungsrichtung letzten Heizkörper 9 des wärmeabgebenden Teils 29 ist bei idealer Abstimmung der verschiedenen Faktoren - Vorlauftemperatur, Dampfdruck, Flüssigkeits volumen des Wärmeträgermediums, Temperatur des wärmeabgebenden Aggregates und Gesamtvolumen des geschlos senen Kreislaufes der Fahrgastraumheizung - nur noch die flüssige Phase des Wärmeträgermediums vorhanden. Diese Flüssigkeit - vollständig flüssige Phase - gelangt über die Abfuhrleitung 26 auf die Flüssigkeitsseite 5 und an schließend in den Verdampfer 1. Der Verdampfungs-Kondensationskreislauf geht somit stetig weiter.

Zum Einstellen der nutzbaren Flüssigkeitsmenge des Wär meträgermediums ist zweckmäßigerweise auf der Flüssig keitsseite 5 der Fahrgastraumheizung ein über eine Leitung 22 damit verbundener Auffangspeicher 19 vorgesehen. Ist z. B. im letzten Heizkörper 9 zu wenig Dampf im Flüssig keits-Dampf-Gemisch, wird auf der Flüssigkeitsseite 5 flüssiges Wärmeträgermedium entnommen, womit das Flüssigkeitsvolumen im geschlossenen Kreislauf erniedrigt und damit die zu verdampfende Menge von flüssigem Wärmeträgermedium wegen des temperaturabhängigen Sättigungsdampfdruckes, erhöht wird.

Eine weitere sinnvolle Ausgestaltung stellt die in Rich tung zur Dampfseite 6 hin fördernde und im Bereich der Flüssigkeitsseite 5 der Fahrgastraumheizung angeordnete Pumpe 27 dar. Damit kann bei starker Neigung der gesamten Fahrgastraumheizung und dabei eventuell sich negativ auf die Funktion der porösen, kapillarwirksamen Wand 4 auswirkendem hydrostatischen Druck der Flüssigkeitssäule, beispielsweise in der Abfuhrleitung 26, entgegengesteuert werden.

Claims

1. Fahrgastraumheizung mit mehreren in einem geschlossenen Kreislauf wärmeabgabeseitig seriell angeordneten Heizkörpern im Fahrgastraum, insbesondere Omnibusheizung, mit folgenden Merkmalen:

- der Kreislauf ist von einem Wärmeträgermedium unidirektional durchströmt,
- der wärmeaufnehmende Teil weist wenigstens einen als Wärmequelle dienenden Wärmetauscher auf, der primärseitig von einem fest installierten, Wärme, vorzugsweise Abwärme erzeugenden Aggregat gespeist ist, und
- das Wärmeträgermedium tritt in den wärmeabgebenden Teil mit einer bestimmten Vorlauftemperatur ein, die mit dem Wärmeträgermedium derart abgestimmt ist, daß im wärmeabgebenden Teil (29) des geschlossenen Kreislaufes ein zweiphasiges Gemisch aus flüssiger und dampfförmiger Phase des im Sättigungsdampfzustand vorliegenden Wärmeträgermediums vorhanden ist,
- der bzw. die als Verdampfer (1) betriebene(n) Wärmetauscher ist (sind) im wesentlichen als poröse Wand (4) bzw. als ein entsprechender Kapillarenblock ausgestaltet, die bzw. der zwischen der rein flüssigen Seite - Flüssigkeitsseite (5) - und der dampfförmigen Seite - Dampfseite (6) - der Fahrgastraumheizung angebracht ist, und diese Phasen voneinander trennt,
- die poröse Wand (4) bzw. der Kapillarenblock weist innerhalb des Kreislaufes kapillarwirksame Kanäle (3) auf, und
- die primärseitige Wärmezufuhr wird über die poröse Wand (4) bzw. den Kapillarenblock oder auf deren Dampfseite eingespeist.

2. Fahrgastraumheizung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kapillarwirksamen Kanäle (3) jeweils einen lichten Durchmesser im Bereich zwischen 0,5 und 140 µm aufweisen.

3. Fahrgastraumheizung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Oberflächenbereich der porösen Wand (4) bzw. des Kapillarenblockes im Oberflächenverlauf dem ent sprechenden Teil der Oberfläche des wärmeabgebenden Aggre gates angepaßt ist.

4. Fahrgastraumheizung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein zumindest bereichsweise die dampfseitige Oberfläche (17) der porösen Wand (4) bzw. des Kapillarenblockes berührendes, aus wärmeleitendem Material gefertigtes Teil (2) vorgesehen ist, welches im Kontaktbereich zur dampfseitigen Oberfläche (17) eine flächendeckende offene Kanalstruktur zur Abfuhr der gesättigten Dampfphase aufweist.

5. Fahrgastraumheizung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Kanäle (3) der die gesättigte Dampfphase ableitenden Kanalstruktur in dichtem gegenseitigen Abstand angeordnet sind, und daß der Querschnitt der Zwischenwände (18) zwischen zwei benachbarten Kanälen (3) zur porösen Wand (4) bzw. zum Kapillarenblock hin schneidenartig aus läuft.

6. Fahrgastraumheizung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die flächendeckende Kanalstruktur wenigstens bereichs weise eine waffel-, rillen-, oder noppenförmige Struktur aufweist.

7. Fahrgastraumheizung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Flüssigkeitsseite (5) der Fahrgastraum heizung ein im Volumen veränderbarer Auffangspeicher (19) zur gezielten Entnahme bzw. Rückspeisung des flüssigen Wärmeträgermediums angeschlossen ist.

8. Fahrgastraumheizung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Dampfseite (6) zwischen Verdampfer (1) und dem ersten Heizkörper (7) des wärmeabgebenden Teiles (29) der Fahrgastraumheizung ein Auffangbehälter (20) für das in diesem Bereich kondensierte Wärmeträgermedium an geschlossen ist, der geodätisch nahezu höhengleich wie der Verdampfer (1) angeordnet ist.

9. Fahrgastraumheizung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß von dem Auffangbehälter (20) eine im Durchfluß steu erbare Rückflußleitung (21) zur Flüssigkeitsseite (5) der Fahrgastraumheizung führt.

10. Fahrgastraumheizung nach mindestens einem der Ansprü che 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in dem geschlossenen Kreislauf, im Bereich der Flüs sigkeitsseite (5) der Fahrgastraumheizung, eine in Rich tung der Dampfseite (6) der Fahrgastraumheizung fördernde, vorzugsweise fördermengensteuerbare Pumpe (27) vorgesehen ist.

11. Fahrgastraumheizung nach mindestens einem der Ansprü che 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die die Wärme abgebenden Elemente des wärmeabgebenden Teiles (29) des geschlossenen Kreislaufes verbindenden Leitungen (24) zu der Flüssigkeitsseite (5) der Fahrgast raumheizung hin ein stets eindeutiges Gefälle aufweisen.

12. Fahrgastraumheizung nach mindestens einem der Ansprü che 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Siedetemperatur des Wärmeträgermediums bei dem innerhalb des auf der Dampfseite (6) der Fahrgastraumheizung herrschenden Druckes gleich oder kleiner ist als die Temperatur des wärmeabgebenden Aggregates.

13. Fahrgastraumheizung nach mindestens einem der Ansprü che 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeträgermedium ein Fluorkohlenwasserstoff ist.

14. Fahrgastraumheizung nach mindestens einem der Ansprü che 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Wand (4) bzw. der Kapillarenblock aus wär mebeständigem Kunststoff besteht.

15. Fahrgastraumheizung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Wand (4) bzw. der Kapillarenblock wenig stens Polytetrafluoräthylen oder Polyäthylen oder Poly styrol enthält.