EP2375027B1 - Ausgleichsbehälter für Kühlkreisläufe - Google Patents

Ausgleichsbehälter für Kühlkreisläufe Download PDF

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EP2375027B1
EP2375027B1 EP11000555.0A EP11000555A EP2375027B1 EP 2375027 B1 EP2375027 B1 EP 2375027B1 EP 11000555 A EP11000555 A EP 11000555A EP 2375027 B1 EP2375027 B1 EP 2375027B1
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EP
European Patent Office
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expansion tank
flow
diameter
volume
calming
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EP11000555.0A
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EP2375027A2 (de
EP2375027A3 (de
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Wolfgang Noll
Marc Schellen
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Vaillant GmbH
Original Assignee
Vaillant GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P11/00—Component parts, details, or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F01P1/00 - F01P9/00
    • F01P11/02—Liquid-coolant filling, overflow, venting, or draining devices
    • F01P11/028—Deaeration devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P11/00—Component parts, details, or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F01P1/00 - F01P9/00
    • F01P11/02—Liquid-coolant filling, overflow, venting, or draining devices
    • F01P11/029—Expansion reservoirs

Definitions

  • the invention relates to a surge tank for cooling circuits.
  • the cooling circuit is subject to large temperature fluctuations, so that it comes to volume changes of the coolant.
  • expansion tank usually arranged parallel to the radiator of the engine.
  • a vent valve attached on the warm side of the radiator. From this leads a vent line mostly up in the volume of the expansion tank.
  • water collects at the bottom, while the top is air.
  • a filling line leads from the expansion tank to the cold side of the cooler.
  • the coolant When heated in the cooling circuit, the coolant expands. About the filling line, the coolant can expand into the expansion tank. The air in the expansion tank is then compressed. In motor vehicle engines there is a pressure of 1200 up to 1500 hPa If the pressure exceeds a specified maximum, air is blown off via a safety valve (humid air). If the temperature drops, coolant flows from the expansion tank into the cooling circuit; the pressure in the expansion tank drops. If the pressure drops below a certain pressure, the safety valve opens and air can flow from outside into the expansion tank.
  • a safety valve humidity air
  • Object of the present invention is therefore to make a surge tank such that it allows safe separation of the air with lower heat loss and pressure fluctuations.
  • the filling line has in the region of the connection to the expansion tank on a calming section with increased diameter and further immediately below the calming section on a calming volume with again increased diameter.
  • the vent line opens below the expansion tank in the settling volume of the filling line. This ensures that coolant from the vent line in the calming volume is significantly delayed and the air bubbles from the coolant through the wide calming section can flow up into the expansion tank, as they are not entrained with the coolant at the low speed.
  • a maximum flow velocity of the coolant in the settling volume of less than 0.01 m / s is desired. A continuous flow of the expansion tank with coolant thus does not take place.
  • the coolant in the expansion tank thus serves only to compensate for the temperature-dependent volume compensation and is not heated to the cooling circuit temperature, it is at a level well below the flow temperature, whereby the heat losses are massively reduced.
  • the lower temperature level also reduces the pressure fluctuations in the expansion tank. On a mechanical air separator can be omitted.
  • FIG. 1 shows a surge tank 1 for cooling circuits, at the bottom of a filling line 3 leads away.
  • the filling line 3 begins with a calming section 5 and leads via a calming volume 4 in its further course, which has a significantly smaller diameter than the calming section 5.
  • the calming volume 4 in turn has a significantly larger cross-section than the calming section 5.
  • Vent line 2 opens into the sedative volume 4.
  • such a surge tank has a volume of about 5 liters, and he should take a maximum of one and a half liters of coolant, so that the remaining volume contains air and can absorb pressure fluctuations.
  • the vent line 2 usually has a diameter of 2.5 to 4 mm, while the settling volume 4 has a height and a diameter of about 30 mm.
  • the calming section 5 is 40 to 70 mm long and has a diameter of 10 to 16 mm.
  • the diameter of the calming section 5 should be approximately four times the diameter of the venting line 2.
  • the vent line 2 should preferably enter centrally or even slightly above it into the settling volume 4.
  • FIG. 2 shows an expansion tank 1 according to the invention in conjunction with a motor 6 of a combined heat and power plant.
  • the engine 6 is hydraulically connected to a heat exchanger 7 via a supply and return line 9 of a circuit.
  • a circulating pump 8 is arranged in the return line 9, a circulating pump 8 is arranged.
  • the heat exchanger 7 is further connected to at least one heat consumer, not shown, usually a hot water tank and / or a radiator.
  • the flow line 10 is connected to the vent line 2, the return line 9 to the filling line 3.
  • a safety valve 11 is further arranged.
  • the engine 6 is often connected to the heat consumer via hydraulic boxes.
  • hydraulic boxes include the heat exchanger 7, the compensation 1, the circulation pump 8 and the corresponding piping.
  • the circulation pump 8 results in a division of the two volume flows through the heat exchanger 7 and the settling volume 4 according to the pressure losses of the two flow paths.
  • a volumetric flow over the settling volume 4 of about 10 l / h is desired.
  • the air in the coolant flows via the calming section 5 into the expansion tank 1, while the cooling liquid, together with the cooling water flow which has been cooled in the heat exchanger 7, is sucked in by the circulation pump 8 and reaches the engine 6 via the return line 9. There, the coolant absorbs the waste heat of the engine 6 and flows at a temperature between 75 and 90 ° C from the engine 6 via the flow line 10, to then be divided again to the heat exchanger 7 and the vent line.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Ausgleichsbehälter für Kühlkreisläufe.
  • Ein derartiger Ausgleichsbehälter wird im EP 0374038A1 gezeigt.
  • In Kühlkreisläufen, insbesondere von Verbrennungsmotoren kann es zur Blasenbildung kommen. Diese Blasen verschlechtern den Wärmeübergang und können aufgrund der Kavitation zu einer Materialermüdung führen.
  • Ferner unterliegt der Kühlkreislauf großen Temperaturschwankungen, so dass es auch zu Volumenänderungen des Kühlmittels kommt.
  • Deshalb sind in derartigen Kühlkreisläufen Ausgleichsbehälter zumeist parallel zu dem Kühler des Motors angeordnet. An der warmen Seite des Kühlers ist zumeist ein Entlüftungsventil angebracht. Von diesem führt eine Entlüftungsleitung meistens oben in das Volumen des Ausgleichsbehälters. Im Ausgleichbehälter sammelt sich unten Wasser an, während oben Luft steht. Unten führt eine Füllleitung vom Ausgleichsbehälter an die kalte Seite des Kühlers.
  • Bei Erwärmung im Kühlkreislauf dehnt sich das Kühlmittel aus. Über die Füllleitung kann sich das Kühlmittel in den Ausgleichsbehälter ausdehnen. Die Luft im Ausgleichsbehälter wird daraufhin komprimiert. Bei Kraftfahrzeugmotoren herrscht hierbei ein Druck von 1200 bis 1500 hPa Übersteigt der Druck ein vorgegebenes Maximum, so wird über ein Sicherheitsventil (feuchte) Luft abgeblasen. Sinkt die Temperatur, so strömt aus dem Ausgleichsbehälter Kühlmittel in den Kühlkreislauf; der Druck im Ausgleichsbehälter sinkt. Wird ein bestimmter Druck unterschritten, so öffnet das Sicherheitsventil und Luft kann von außen in den Ausgleichsbehälter strömen.
  • Hieraus ergibt sich das Problem, dass mit jedem Abblasen feuchte Luft entweicht, während bei dem Einströmen trockenere Luft nachströmt. Es kommt somit im Laufe der Zeit zu einem Kühlmittelverlust im Kühlkreislauf. Bei Motoren von Blockheizkraftwerken wird deshalb der Druck im Kühlkreislauf auf etwa 300 hPa reduziert, so dass es in der Regel zu keinem Austritt von Kühlmittel durch das Sicherheitsventil kommt. Die deutlichen höheren Laufzeiten von Blockheizkraftwerksmotoren im Vergleich zu Kfz-Motoren bedingt, dass ein hoher Kühlflüssigkeitsaustritt zu vermeiden ist. Zudem fällt mit dem Druck auch die Fugazität.
  • Ferner besteht bei Ausgleichsbehältern gemäß dem Stand der Technik das Problem, dass die Kühlflüssigkeit sich im Ausgleichsbehälter durch die Befüllung via Entlüftungsleitung im oberen Bereich in einem Kreislauf befindet und somit auch mit Kühlkreislauftemperatur in den Ausgleichsbehälter einströmt. Da der Ausgleichsbehälter in der Regel nicht wärmegedämmt ist, kommt es zu Wärmeverlusten an die Umgebung.
  • Während dies bei Kraftfahrzeugen kein Problem darstellt, da deren Motoren sowieso gekühlt werden müssen und der Ausgleichsbehälter somit auch eine Kühlerfunktion übernimmt, sind bei Blockheizkraftwerken derartige Wärmeverluste in der Größenordnung von etwa 100 W zu vermeiden, da hierdurch der thermische Wirkungsgrad reduziert wird. Blockheizkraftwerke produzieren elektrische Energie, wobei die Abwärme der Aggregate zu Heizzwecken genutzt wird. In Blockheizkraftwerken können sehr unterschiedliche Aggregate zum Einsatz kommen, zum Beispiel Verbrennungsmotoren (Otto, Diesel, Stirling), Dampfturbinen oder Brennstoffzellen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Ausgleichsbehälter derartig zu gestalten, dass er ein sicheres Abscheiden der Luft bei geringeren Wärmeverlusten und Druckschwankungen ermöglicht.
  • Dies wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gewährleistet.
  • Bei einem Ausgleichsbehälter für Kühlkreisläufe mit einer Entlüftungsleitung und einer Füllleitung, die nach unten von dem Ausgleichsbehälter wegführt, verfügt die Füllleitung im Bereich des Anschlusses an den Ausgleichsbehälter über eine Beruhigungsstrecke mit vergrößertem Durchmesser und ferner unmittelbar unterhalb der Beruhigungsstrecke über ein Beruhigungsvolumen mit abermals vergrößertem Durchmesser. Die Entlüftungsleitung mündet unterhalb des Ausgleichsbehälters in das Beruhigungsvolumen der Füllleitung. Hierdurch wird erreicht, dass Kühlmittel aus der Entlüftungsleitung im Beruhigungsvolumen deutlich verzögert wird und die Luftblasen aus dem Kühlmittel durch die breite Beruhigungsstrecke nach oben in den Ausgleichsbehälter strömen können, da sie bei der geringen Geschwindigkeit nicht mit dem Kühlmittel mitgerissen werden. Eine maximale Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels im Beruhigungsvolumen von kleiner 0,01 m/s wird angestrebt. Eine kontinuierliche Durchströmung des Ausgleichsbehälters mit Kühlmittel findet somit nicht statt. Die Kühlflüssigkeit im Ausgleichsbehälter dient somit nur zum Ausgleich des temperaturbedingten Volumenausgleichs und wird nicht auf Kühlkreislauftemperatur erwärmt, sie befindet sich auf einem Niveau deutlich unterhalb der Vorlauftemperatur, wodurch die Wärmeverluste massiv reduziert werden. Durch das geringere Temperaturniveau reduzieren sich zudem die Druckschwankungen im Ausgleichsbehälter. Auf einen mechanischen Luftabscheider kann verzichtet werden.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche.
  • Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen detailliert erläutert.
  • Figur 1 zeigt einen Ausgleichsbehälter 1 für Kühlkreisläufe, an dem unten eine Füllleitung 3 wegführt. Die Füllleitung 3 beginnt mit einer Beruhigungsstrecke 5 und führt über ein Beruhigungsvolumen 4 in ihren weiteren Verlauf, der einen deutlich geringeren Durchmesser aufweist als die Beruhigungsstrecke 5. Das Beruhigungsvolumen 4 hat wiederum einen deutlich größeren Querschnitt als die Beruhigungsstrecke 5. Waagrecht mündet eine Entlüftungsleitung 2 in das Beruhigungsvolumen 4.
  • Üblicherweise verfügt ein derartiger Ausgleichsbehälter über ein Volumen von rund 5 Litern, wobei er maximal anderthalb Liter Kühlflüssigkeit aufnehmen sollte, damit das restliche Volumen Luft enthält und Druckschwankungen aufnehmen kann.
  • Die Entlüftungsleitung 2 hat üblicherweise einen Durchmesser von 2,5 bis 4 mm, während das Beruhigungsvolumen 4 eine Höhe und einen Durchmesser von etwa 30 mm aufweist. Die Beruhigungsstrecke 5 ist 40 bis 70 mm lang und hat dabei einen Durchmesser von 10 bis 16 mm. Der Durchmesser der Beruhigungsstrecke 5 sollte etwa das Vierfache des Durchmessers der Entlüftungsleitung 2 betragen. Die Entlüftungsleitung 2 sollte bevorzugt mittig oder gar etwas darüber in das Beruhigungsvolumen 4 eintreten.
  • Figur 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Ausgleichsbehälter 1 in Verbindung mit einem Motor 6 eines Blockheizkraftwerks. Der Motor 6 ist über eine Vor- 10 und Rücklaufleitung 9 eines Kreislaufs hydraulisch mit einem Wärmeübertrager 7 verbunden. In der Rücklaufleitung 9 ist eine Umwälzpumpe 8 angeordnet. Der Wärmeübertrager 7 ist ferner mit mindestens einem nicht dargestellten Wärmeverbraucher, in der Regel ein Warmwasserspeicher und / oder ein Heizkörper, verbunden. Die Vorlaufleitung 10 ist mit der Entlüftungsleitung 2 verbunden, die Rücklaufleitung 9 mit der Füllleitung 3. Am Ausgleichsbehälter 1 ist ferner ein Sicherheitsventil 11 angeordnet.
  • Bei Blockheizkraftwerken wird der Motor 6 mit dem Wärmeverbraucher häufig über Hydraulikboxen verbunden. Diese Hydraulikboxen beinhalten den Wärmeübertrager 7, das Ausgleichsgemäß 1, die Umwälzpumpe 8 sowie die entsprechende Verrohrung.
  • Beim Betrieb der Umwälzpumpe 8 ergibt sich eine Aufteilung der beiden Volumenströme über den Wärmeübertrager 7 und das Beruhigungsvolumen 4 gemäß den Druckverlusten der beiden Strömungswege. Es wird ein Volumenstrom über das Beruhigungsvolumen 4 von etwa 10 l/h angestrebt. Die Luft im Kühlmittel strömt über die Beruhigungsstrecke 5 in den Ausgleichsbehälter 1, während die Kühlflüssigkeit zusammen mit dem Kühlwasserstrom, der im Wärmeübertrager 7 abgekühlt wurde, von der Umwälzpumpe 8 angesaugt wird und zum Motor 6 über die Rücklaufleitung 9 gelangt. Dort nimmt das Kühlmittel die Abwärme des Motors 6 auf und strömt mit einer Temperatur zwischen 75 und 90°C aus dem Motor 6 über die Vorlaufleitung 10, um dann wieder zum Wärmeübertrager 7 und zur Entlüftungsleitung aufgeteilt zu werden.

Claims (7)

  1. Ausgleichsbehälter (1) für Kühlkreisläufe mit einer Entlüftungsleitung (2) und einer Füllleitung (3), die nach unten von dem Ausgleichsbehälter (1) wegführt, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllleitung (3) im Bereich des Anschlusses an den Ausgleichsbehälter (1) über eine Beruhigungsstrecke (5) mit vergrößertem Durchmesser verfügt und ferner unmittelbar unterhalb der Beruhigungsstrecke (5) ein Beruhigungsvolumen (4) mit abermals vergrößertem Durchmesser angeordnet ist, und die Entlüftungsleitung (2) unterhalb des Ausgleichsbehälters (1) in das Beruhigungsvolumen (4) der Füllleitung (3) mündet.
  2. Ausgleichsbehälter (1) für Kühlkreisläufe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichsbehälter (1) über ein Volumen von rund 5 Litern verfügt.
  3. Ausgleichsbehälter (1) für Kühlkreisläufe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Entlüftungsleitung (2) einen Durchmesser von 2 bis 5 mm hat und / oder das Beruhigungsvolumen (4) eine Höhe und einen Durchmesser von 20 bis 40, vorzugsweise 30 mm aufweist.
  4. Ausgleichsbehälter (1) für Kühlkreisläufe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beruhigungsstrecke (5) ist 30 bis 70 mm, vorzugsweise 40 mm lang ist und einen Durchmesser von 10 bis 16 mm hat.
  5. Ausgleichsbehälter (1) für Kühlkreisläufe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Beruhigungsstrecke 5 das 3-bis 5-fache, vorzugsweise etwa das Vierfache des Durchmessers der Entlüftungsleitung 2 beträgt.
  6. Ausgleichsbehälter (1) für Kühlkreisläufe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Entlüftungsleitung (2) mittig oder etwas darüber in das Beruhigungsvolumen (4) eintritt.
  7. Ausgleichsbehälter (1) für Kühlkreisläufe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgleichsbehälter (1) in einer Hydraulikbox, die zumindest noch einen Wärmeübertrager (7), eine Umwälzpumpe (8), eine entsprechende Verrohrung sowie Anschlüsse zum Verbinden mit einem Wärmeverbraucher sowie einem Blockheizkraftwerks-Aggregat enthält, integriert ist.
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