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.Zylindrischer gasgekühlter Gas- oder Zwischenkühler, z. B. für Ladeluft
von Brennkraftmaschinen Bei Flugmotorenladern, insbesondere bei mehrstufigen Ladern
oder Verdichtern, sind Zwischenkühler erforderlich, da sonst die Anfangstemperatur
im Motor und die erforderliche -Verdichterleistung zu . hoch werden. Diese Maßnahme
ist vom stationären Maschinenbau auf den Flugmotorenbetrieb übernommen worden.
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Die gebräuchlichen und bekannten Zwischenkühler haben den Nachteil,
daß sie durch Strömungswiderstände sowohl auf der Seite der zu kühlenden als auch
auf der Seite der kühlenden Luft einen hohen Leistungsbetrag der Anlage »Motor und
Flugzeug« verzehren. Auf der Seite der zu kühlenden verdichteten Luft entsteht der
Leistungsverlust durch einen verhältnismäßig hohen Druckabfall, der durch Wirbelbildung
und plötzliche Querschnittserweiterungen im Kühler verursacht wird. Da wegen des
praktisch gleichen Wärmeabganges auf beiden Seiten der Kühlwand nur Kühler mit unmittelbarer
Kühlfläche geeignet sind, scheiden Rippenrohr- und Lamellenkühlerbauarten als Zwischenkühler
im vorliegenden Fall aus. Es bleiben nur die sog. Wabenkühler oder Luftröhrchenkühler
als brauchbare Zwischenkühler übrig. Ein Schnitt durch einen derartigen Kühler zeigt
sofort, wo die Widerstände erzeugt werden, nämlich r. an den Ein- und Austritten,
den sog. Wasserkammern, und -2. an den dauernden Umlenkungen der Luft bei der Umströmung
der Kühlrohre, die bei Rundrohren noch durch plötzliche Erweiterungen unterstützt
werden.
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Uin diese Widerstände klein zu halten, muß man sehr große Kühlerquerschnitte
anwenden; die jedoch auf der Seite der kühlenden Luft den Luftwiderstand, d. h.
den Fahrwiderstand und das Gewicht des Flugzeuges erhöhen.
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Es wurde bereits bei Kühlern vorgeschlagen, vor, der Eintrittseite
der Kühlerrotere
Lenkflächen zur gleichmäßigen Beaufschlagung des
durch die Kühlrohre strömenden Mittels vorzusehen. Ebenso ist es bekannt, Erweiterungen
der Kühlrohre auf der ustrittseite von Kühlern anzuordnen.
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Die bekannten Einrichtungen bewirken an der Ein- und Austrittseite
des Kühlers eine Wirbelbildung, wodurch der Strömungs-Gviderstand des Kühlers für
die zu kühlende Luft groß wird.
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Nach der Erfindung wird eine Druckerhöhung aus der Geschwindigkeitsenergie
durchgeführt, um eine Ein- und Durchströmung der zu kühlenden Luft verlustlos und
ohne Wirbelbildung zu erreichen. Zii diesem Zweck «erden die Lenkflächen vor der
Eintrittseite von konzentrisch ineinander angeordneten Leitringen gebildet, die
von der Zuführungsleitung bis kurz vor den Rohrboden reichen und sich in Strömungsrichtung
im Querschnitt erweiternde Kanäle ergeben. Auf der Austrittseite weisen die Kühlrohre
Erweiterungen auf, die als langgezogene Diftisoren ausgebildet sind.
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Der aus flachen, an den Enden zur Befestigung mit rund gehaltenen
Rohren, vorzugsweise Leichtmetallrohren, gebaute Zwischenkühler wird in seinen Strömungsquerschnitten
derart ausgebildet, daß die Strömungsgeschwindigkeit der zu kühlenden Luft auf dem
Wege vorn Verdichter zum Verbraucher durch die Leitringe und Diffusoren umgeformt
und auf den jeweils günstigsten Wert gebracht und starke und häufige Richtungsänderungen
der Strömung vermieden «-erden. Dadurch wird der Strömungswiderstand des Kühlers
für die zti kühlende Luft sehr klein, und der Kühler kann mit verhältnismäßig hoher
Geschwindigkeit betrieben werden. Die Flachrohre ergeben bei der erfindungsgemäßen
Anordnung einen sehr kleinen Widerstandsbeiwert auf der Seite des kühlenden Fahrwindes,
so daß auch auf dieser Seite der Kühler mit hoher Geschwindigkeit betrieben werden
kann. Durch die Wahl von größenordnungsmäßig gleicher, hoher L uftgeschwindigheit
auf beiden Iiülilerseiten wird eine hohe Wärmedurchgangszahl erreicht, die mit kleinen
Kühlflächen auszukommen gestattet.
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Sinngemäß kann der Kühler zum Kühlen von Abgas und anderen heißen
Gasen benutzt werden; es werden dann lediglich Rohre höherer Warmfestigkeit benutzt.
Für Gaskühlungszweeke ergeben sich zahlreiche An-«-endungsmöglichkeiten, insbesondere
für Regeneration, I`iililtnig von VerbrenntiriIrsabgasen von Gasturhinenanlagen
und anderen t-erbrennungsmotorischen Einrichtungen.
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In der Zeichnung zeigt Abb. i einen Schnitt durch. einen erfindungsgemäßen
Kühler, der in Richtung der eingezeichneten Pfeile VOM
zu 1Liihlenden Mittel
durchströmt wird, (las durch die Leitringe a. auf den Rohrboden h ausgebreitet
und auf die einzelnen Kühlrohre c verteilt wird. Die Rohre c liegen mit ihrem flachen
Teil im Kühlmittel, vorzu.-:#-weise im Fahrwind, dessen Sti-öniungsr1(71itung in
Abb. i in Blickrichtung. d. h. senkrecht zu den Rohren c verläuft. Auf der änderen
Seite sind die Rohre c im Bodei il gehaltert und münden in langgezogene Difftisoren
e, in denen Druckenergie zurückgewonnen wird= Dann tritt das. zii kühlende Mittel
in die Sammelkammer f, von W" e; fortgeleitet wird.
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Zum besseren Verständnis des Sti-('#mtuig:-verlaufes ist über der
Abb. i ein Druckverlaufdiagramin (Abb. i a) aufgetragen. Das zti kühlende Mittel
strömt mit dem Druck pt in die Leitringe a, wobei der Druck am ho sie der Leitringe
auf p2 gestiegen ist. Dieser Drircl; wird zur gleichmäßigen Verteilung des \littels
derart benutzt, daß im Rohrboden h eine düsenartige Ouerschnittsverengung unter
Druckabfall auf p3 und Geschwindigkeitsanstieg stattfindet. Auf der Strecke z«-i:chen
der: Rohrböden h und d bleibt der Druck p;; angenähert gleich. In den Diffusoren
c stcigt der Druck auf p .i an und fällt beim Cber"ang von der Sammelkammer f in
die Ableitun, wieder auf p; ab. Der Betrag clp gibt an, welcher Druckverlust im
ganzen Kühler cnistanden ist. Ohne die Leitringe a und diu Austrittdiffusoren e
ist der Druckverlauf entsprechend der gestrichelten Linie, (l. 1i. der Druckverlust
dp beträgt ein @"ielfa>lhes. Die Kühlrohre c haben zwischen den Rohrböden praktisch
gleichbleibenden Querschnitt.
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Abb. 2 zeigt ein einzelnes Kühlrohr: die Bezeichnungen sind dieselben
wie in Abt). i. Am Rohrboden b, d. 1i. am Eintritt (le: zti kühlenden Mittels, ist
das Rohr dü;vn:trrig ausgebördelt. Zwischen den Rolli"1)öden. il.li. auf der Strecke
.9, ist das Rohr mit annähernd , gleichbleibendem Querschnitt ausgeführt, <leivom
kreisförmigen in den flachen Quer;clmitt gemäß Schnitt Y-I' übergeht und im Boden
il wieder rund wird. Hinter dem Boden il gulit das Rohr in den Diffusor e über,
der beispiel;- i weise in eine kelchartige Aufwertung des Rohres eingesteckt und
verlötet oder ve rschweißt sein kann. Durch den gleiclii-ilciiieiiden, ohne Richtungsänderung
für die Strömung ausgebildeten Querschnitt wird auf der Kühlstrecke ein sehr niedriger
@nerie@-erlust erreicht. Die Strömungsgeschwin<ligl;eit aui der Strecke _1 wird
so groß gehalten, daß chiu für den Wärmeübergang genügende im-litilente Strömung
im Rohr auftritt.
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Abb. 3 zeigt einen Blick gegen Sti-<'@tiiuiig;-richtung auf die
Diffusoren e, die zum @@h:erschnittausgleich
unter Berücksichtigung
der versetzten Rohrteilung einer in einer Richtung flach gedrückten Bienenwabe ähnelt.
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Abb. q. zeigt einen Blick in Strömungsrichtung gegen` die Rohreintrittdüsen.
Auch der Rache Teil der Rohre ist in den Abb. 3 und q. gezeigt. Für die Wirkung
des Kühlers ist es nicht nachteilig, wenn der flache Teil der Rohre stetig oder
mit sich allmählich änderndem Radius gekrümmt ist, wie es z. B. bei der Ausführung
als Ringkühler in Betracht käme.
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Das. Anwendungsgebiet des beschriebenen Kühlers sindFahrzeug-und stationärerBetrieb,
im letzten Fall besonders auch die chemische Industrie und die -gesamte Energiewirtschaft.
In jedem Fall, ob als Zwischen- oder Abgas-oder Gaskühler allgemeinster Art, lassen
sich hohe Leistungsersparnisse gegenüber den bekannten Anlagen erzielen. Im Sonderfall
des Flugzeugbetriebes kommen zu den effektiven Leistungsersparnissen noch beträchtliche
Gewichtersparnisse, da der erfindungsgemäße Kühler nur sehr kleiner Kühlflächen
bedarf und als Zwischenkühler aus Leichtmetall, als Abgaskühler aus sehr dünnwandigem
Stahl hergestellt werden kann, da die Rohre in den Böden nicht gelötet zu werden
brauchen. Die Befestigung der Rohre in den Böden erfolgt dadurch, daß die Rohre
durch Fließverformung auf der Innenseite einen Wulst g erhalten und auf der Außenseite
aufgebördelt werden (Abb. 2). Auf der Diftiisorseite wird die Aufbördelung zweckmäßig.derart
ausgebildet, daß eine Führung dz für die Diffusoren e entsteht. Die Herstellung
der Rohre erfolgt durch Einziehen von Rundrohren auf kleinere Enddurchmesser und
Flachdrücken des nicht eingezogenen Teiles. Beim Einziehen entsteht ein konischer
Übergang i, der den Wulst g in seiner Wirkung unterstützt und ihn auch ersetzen
kann. Eine bevorzugte Ausführungsform als Zwischenkühler aus Leichtmetall weist
folgende Abmaßt für das Kühlrohr auf: Innendurchmesser im runden Teil etwa 4,7 mm,
Innenquerschnitt im flachen Teil etwa 14. X 1,2 mm, Wandstärke im flachen Teil etwa
0,5 inin, Wandstärke im runden, eingezogenen Teil etwa 0,7 mm.
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Der Außenumriß im flachen =Teil, d. h. auf der Kühlstrecke, ist 15
X 2,2 min. Die Anordnung der Rohre im Rohrblock erfolgt durch Hintereinanderreihen,
wobei die nebeneinanderliegenden Reihen um eine halbe Rohrbreite versetzt sind (Abb.
3 und q.). Der Abstand K (Abb. d.) . zwischen den Rohren in f.ängsrichtung ist kleiner
als die Dicke l des Rohres. Der Abstand in zwischen den Rohrreihen ist von der verlangten
Geschwindigkeit des Fahrwindes und der Kühlertiefe abhängig. Die angegebenen Maße
haben sich als Anordnung sehr günstig erwiesen und gelten daher auch für Gaskühler
mit Stahlrohren.
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Außer der Verwendung als Gaskühler ist beim Erfindungsgegenstand auch
die Verwendung als Flüssigkeitskühler vorteilhaft, wenn es erforderlich ist, Flüssigkeiten
mit hohen Geschwindigkeiten oder niedrigem Druckverlust durch die Rohre zu leiten.
Außen um die Rohre kann als Kühlmittel ein Gas oder eine Flüssigkeit wirken. Der
Strömungsdruckverlauf ist sinngemäß der gleiche wie bei Gasen. Bei einem flüssigkeitsgekühlten
Gaskühler ist folgende Anordnung vorteilhaft: Die kühlend wirkende Flüssigkeit strömt
mit hoher Geschwindigkeit durch und das zu kühlende Gas mit hoher Geschwindigkeit
um die Rohre. .Zwischen den erwähnten Bauarten sind weitere Kombinationen möglich.