WO1996006748A1 - Kfz-wärmetauscher - Google Patents

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Johann Himmelsbach
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Johann Himmelsbach
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    • F28D2021/0091—Radiators
    • F28D2021/0096—Radiators for space heating

Definitions

  • the invention relates to a method for heating the cabin of motor vehicles with the waste heat of the drive motor via the liquid or gaseous coolant, which is conducted to heat the passenger compartment in coolant lines via a cabin heat exchanger and then back to the engine, and a device for carrying out the method .
  • the invention has for its object to provide an efficient and inexpensive method for reducing heat losses to the environment for motor vehicles with a coolant-heated cabin, so that as little additional heating energy is required for heating the cabin, where possible at the same time Heating time of the engine is reduced and undercooling of the engine is to be avoided during stationary driving and at the same time as few changes to existing vehicle components are to be made.
  • a device for carrying out the method is to be created which can be produced and used as simply and inexpensively as possible.
  • the object is achieved in that a cabin heat exchanger with a counterflow characteristic is used and in that the coolant mass flow through the engine and / or cabin heat exchanger to increase the heating output delivered to the cabin at least temporarily in the direction of the permissible limit values of the engine cooling certain dimension is reduced.
  • the limits of engine cooling and thus the potential reduction in the coolant mass flow are known to be due to the maximum permissible pressure or the maximum permissible temperature in the cooling system, the amount of heat to be dissipated by the engine, the ambient temperature, the temperature of the coolant when it enters the engine and the specific heat capacity of the coolant.
  • the coolant mass flow through the engine is a multiple in many operating situations, regardless of the heating power required in the cabin , often more than ten times the value required for engine cooling. This also applies to the coolant mass flows through the cabin heat exchanger when the thermostat is closed in winter driving operation.
  • the reduction of the coolant mass flow through the engine and / or cabin heat exchanger according to the invention is extremely expedient, since in addition to the heat transfer between engine and coolant, coolant and cabin heat exchanger fins, as well as coolant heat exchanger fins and cabin air, the losses to the environment must also be taken into account, which has not hitherto occurred.
  • the cabin heating systems with crossflow cabin heat exchangers there are partial differences in the coolant temperatures at the engine inlet and outlet of less than 10 K. The same applies to the cabin heat exchanger when the engine is warm.
  • the temperature difference between the engine inlet and outlet in coolant systems with a cabin heat exchanger lying parallel to the small coolant circuit can be considerably smaller.
  • the coolant mass flow is simultaneously reduced, for example by a factor of 5, the temperature drop at the cabin heat exchanger increases from 10 K to 50 K, while the air outlet temperature hardly changes, ie there is initially no change in the heating output in the cabin.
  • the heat losses on the flow path from the cabin heat exchanger outlet to the engine are drastically reduced as a result.
  • the coolant line leading back to the engine is of minor importance in this connection due to the reduced temperature level.
  • the "Maximum heating output” option can be set via a valve in the coolant circuit.
  • the coolant mass flow can also be automatically determined by switching or control valves which are activated, for example, when a certain ambient temperature is exceeded.
  • the load state of the engine can be detected by means of circuits and the reduction of the coolant mass flow when a limit load or a limit speed is exceeded, for example exceeding 2/3 of the nominal speed or 2/3 of the nominal torque, can be eliminated. This measure is expediently used in parallel with the detection of the heating requirement, for example via the coolant temperature or the ambient temperature.
  • Another control strategy is, for example, the detection of the temperature difference of the coolant between the engine outlet and inlet. By detecting this variable, it can be avoided, for example, that excessive mechanical stresses arise from temperature gradients in the engine block. Indirectly, switching off from a specified temperature difference can also prevent an excessive temperature in the motor.
  • the outlet temperature of the coolant from the counterflow cabin heat exchanger can be close to the ambient temperature, resulting in the lowest heat losses to the environment .
  • an oil heat exchanger in the area of the coolant outlet is expedient.
  • the reduction of the coolant mass flow according to the invention by the engine and cabin heat exchanger in conjunction with a counterflow cabin heat exchanger is a very effective measure to increase the heating power in the cabin - by going through the reduction of heat losses to the environment increase, but even if the coolant mass flow is reduced only by the engine, a significant improvement in the cabin heating power is possible while reducing the losses to the environment, since this increases the coolant temperature to an increased value. This leads to an almost linear increase in the cabin heating power used for the motor vehicle.
  • a potential increase in the losses of the supply line to the cabin heat exchanger to the environment is compensated for by the increased heat removal from the coolant, which results both from the increase in the supply temperature and from the counterflow arrangement, the reduction in the diameter of the supply line resulting in the Heat losses can be further reduced.
  • the air temperature at the outlet from the cabin heat exchanger is at an elevated level, which can be equated to an increase in the heating output of the cabin heat exchanger.
  • the comfort in the cabin is not determined by the heating power of the cabin heat exchanger, but mainly by the temperature and the humidity in the cabin.
  • the target value for the air temperature in the cabin is about 20-30 ° C., which means for vehicles without recirculated air that the entire air mass flow leaves the cabin at this temperature.
  • an ambient temperature of -20 ° C and an air temperature at the exit of the cabin heat exchanger of +50 ° C means an exhaust air temperature of +25 ° C, a heat efficiency in the cabin of 35.7%.
  • the potential reduction of the fresh air mass flow in connection with the reduction of the coolant mass flow according to the invention by the engine or by the countercurrent heat exchanger is in consideration of these boundary conditions in primarily limited by the risk of the windshield misting up.
  • the high temperatures of the air at the nozzle outlet of the windshield defrosting largely compensate for the effect of the lower air speed or the lower air mass flow.
  • the outlet speed of the air can also be adapted to prevent the windshield from fogging up.
  • the humidity of the ambient air is so low that after it has been heated to a temperature of +25 ° C in the cabin, even when the fresh air mass flow is reduced, the windows do not fog up is to be expected.
  • the risk of fogging is significantly greater for ambient temperatures around 0 ° C, but the available heating power is generally sufficient without special measures to ensure a pleasant cabin temperature.
  • automatic actuators are particularly suitable for this purpose, which reduce the fresh air throughput when the ambient air falls below a certain temperature or when the ambient air falls below a certain humidity.
  • the relative humidity in the cabin can of course also be used as a signal for the reduction in fresh air throughput.
  • Further advantageous embodiments of the method according to the invention result from the subclaims.
  • part of the heating power can come from the regulation of the electrical drive energy.
  • the booster heating output is reduced to a greater or lesser extent without reducing the cooling water mass flow without switching on the additional heating.
  • This reduction initially leads to a slight, then to a disproportionate decrease in the outlet temperature from the cabin heat exchanger, in return the engine outlet temperature of the coolant rising, whereby the decrease in the cabin heating power is partially compensated for.
  • Losses to the environment increase sharply via the increased engine temperature, so that a relatively large coolant throughput through the cabin heat exchanger is required for effective cabin heating of the previously known type.
  • the expediency of the reduction of the coolant mass flow according to the invention is obvious: If, for example, the coolant mass flow through the cabin heat exchanger is reduced in the case of an engine waste heat of 1 kW, after the introduction of 4 kW additional heating power, almost that When the boiling point of the coolant is reached, the method according to the invention results in a very low coolant outlet temperature from the cabin heat exchanger, with almost the entire additional heat and the required engine cooling capacity of 1 kW being used for the cabin.
  • This constellation is particularly the case in electric vehicles, in which, in addition to the waste heat from the motor, the waste heat from the power control may also be used by means of the method according to the invention.
  • the method according to the invention is based on a significant reduction in the heat losses to the environment. If the coolant line leading from the engine to the cabin heat exchanger and the coolant line leading from the cabin heat exchanger outlet to the engine is additionally insulated and / or its cross section is reduced, which is usually possible without problems with reduced coolant throughput, this leads to a further reduction in heat losses to the environment.
  • additional heating and cabin heat exchanger or by motor, which, as already mentioned, can be controlled via valves or can also be carried out by the structural design of the line cross sections, additional heating and cabin heat exchanger thus represents a very effective measure to To increase heating power in the cabin by reducing the heat losses to the environment.
  • actuators valves or switchable throttles
  • the heat output of the additional heating is concentrated on the passenger cabin if necessary, which ultimately leads to an increase in the temperature of the fresh air conveyed into the vehicle interior.
  • Heat exchanger arrangements for heating the cabin of power Vehicles with the waste heat of the drive motor via a cooling medium, in which the cooling medium for heating the passenger cabin is brought into heat exchange with the cabin air via a cabin heat exchanger, are known.
  • Such a heat exchanger is characterized by the features of claim 39, the following sub-claims describing advantageous embodiments.
  • the heat exchanger arrangement according to the invention can be used advantageously.
  • the drastic reduction of the coolant mass flow through the cabin heat exchanger according to the method according to the invention permits significantly smaller flow cross sections of the heat exchanger tubes and also smaller cross sections of the coolant lines and behind the cabin heat exchanger.
  • the heat exchanger arrangement according to the invention has a significantly better heat transfer, so that the number of heat transfer fins can be reduced.
  • both the mass of the heat exchanger and the mass of the coolant lines can therefore be reduced due to a reduced circumference and a smaller wall thickness, and also that of the coolant.
  • the response behavior of the Cabin heating can be improved.
  • the reduction in heat losses from the hose lines to the environment resulting from the cabin heating system according to the invention which can be improved by suitable integration into the cooling circuit of the engine, is also important.
  • This reduction relates both to the reduced surface area of the hose lines and in particular to the reduced temperature of the coolant lines leading back from the cabin heat exchanger to the engine.
  • the heat losses at the coolant pump and the crankcase of the engine can be reduced.
  • the coolant throughput through the cab is advantageous. internal heat exchanger compared to today's values reduced in the order of 50% and more.
  • the coolant throughput with today's water-glycol mixture at low engine speed and an ambient temperature of -20 ° C is less than 1 l / min per kW heat output delivered to the cabin air.
  • the inside diameter of the coolant output connected to the cabin heat exchanger in cars is advantageously less than 11 mm.
  • a device for carrying out the method is characterized in accordance with the invention in that a series connection of at least 3 cross-flow heat exchangers is used as the counterflow heat exchanger arrangement, the cabin air being heated in at least 3 stages and the coolant being cooled via these three stages.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a device according to the invention with counterflow heat exchanger and air-side control
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an inventive moderate device with counterflow heat exchanger with coolant control
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a device according to the invention with counterflow heat exchanger and water-side bypass
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of a further embodiment of the device according to the invention with countercurrent heat exchanger
  • FIG. 5 shows a schematic illustration of a device according to the invention with a bypass which can be closed by means of a throttle point
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a device according to the invention with countercurrent heat exchanger and additional heating
  • FIG. 8 shows a schematic representation of a heat exchanger based on the counterflow principle (8a) and of a conventional heat exchanger based on the crossflow principle (8b),
  • FIG. 10 shows a schematic illustration of a heat exchanger arrangement with a counterflow heat exchanger.
  • the liquid coolant is conveyed from the engine 1 via the feed line 2 to the cabin heat exchanger 3 and then via the return line 4, the thermostats 5 and the coolant pump 6 back to the engine 1.
  • Themostat 5 the large cooling circuit - here indicated by lines 7 and 8 - largely closed as long as there is no excess waste heat.
  • the regulation of the heat given off to the cabin takes place through the adaptation of the fresh air mass conveyed into the cabin by means of the blower 9 from the line 10 through the line 11 via the cabin heat exchanger 3 and the line 13.
  • the temperature of the air conveyed into the cabin via numerous nozzles results as the mixing temperature of the air masses distributed via the control flap 14 to the lines 11 and 12.
  • the control flap is also located behind the cabin heat exchanger.
  • the cabin heat exchanger 3 is provided as a counterflow heat exchanger with a switchable throttling point 18, the actuation of the throttling point being able to be manual or automatic or switchable or controllable.
  • the sensor 17 can be used in connection with the electronics 16, for example. It is now essential that the throttling of the coolant throughput with the help of the throttling point 18 is not carried out with the aim of reducing the heating power in the cabin, but that the throttling is used to increase the heating power effective in the cabin becomes.
  • “throttle open” means reduced heating power in the cabin but warmer engine block
  • Throttling effective means increased heating power in the cabin but colder engine block, whereby the area of the combustion chamber walls remains warm for both throttle positions.
  • the control sets the throttling of the coolant when a precisely defined upper limit of the coolant temperature is reached. throughput.
  • the switchability of the throttle point 18 can be dispensed with and a fixed throttle point can be installed become.
  • the dimensioning of the coolant-side flow cross sections of the cabin heat exchanger 3 can also take on the throttle function.
  • the thermostat 5 of the large coolant circuit must be opened if the coolant energy is not dissipated from the cabin heat exchanger 3.
  • a speed variation of the coolant pump can also be used.
  • an electric pump can also be used, in which the coolant mass flow is adapted, for example, by switching it on and off and by polarity reversal or regulation.
  • Fig. 2 shows a n nth sp e ch e ning circuit with coolant control.
  • the control flap 14 opens here the water-side bypass 15 to reduce the amount of heat given off to the cabin.
  • a water-side bypass 15 is provided within the small cooling circuit in addition to the circuit shown in FIG. 1, so that only part of the coolant conveyed in the small circuit flows over the cabin heat exchanger. This is mainly used in temperature-sensitive engines in order to ensure the most homogeneous possible temperature distribution in the engine block and in the cylinder head.
  • the circuit shown in FIG. 4 is mainly used in temperature-insensitive engines with a corresponding design of the engine-side coolant channels. In order to reduce the heating output, the coolant throughput through the cabin heat exchanger is reduced and in extreme cases even blocked.
  • the thermostat 5 can also be seated on the branch of the large cooling circuit (line 8) at the engine outlet.
  • throttle point 18 can be integrated into the control flap 14 by means of a corresponding design.
  • FIG. 5 Another variant (FIG. 5) only reduces the coolant throughput through the engine, in that the bypass 15 is partially or completely closed via the orifice 18.
  • the coolant mass flow through the engine 1 is reduced, while the coolant mass flow through the cabin heat exchanger 3 increases. This increases the coolant temperature at the engine outlet, but also the heat loss from the supply line 2 to the environment.
  • the coolant outlet temperature from the cabin heat exchanger 3 is at a higher level than the optimal variant, which results in additional heat losses via return line 4 and engine block.
  • the coolant throughput through the cabin heat exchanger 3 z. B.
  • the coolant temperature at the cabin heat exchanger outlet is still at a reduced level even after the increase in throughput by closing the valve 18.
  • a self-regulating throttle point should be used instead of the switchable throttle point, which generates a greater relative pressure drop at a low coolant mass flow, ie also at a low engine speed, than at high speed, such as a spring-loaded check valve, preferably with a degressive spring characteristic.
  • 6 shows a device for heating a passenger cabin with an additional heater 19 using the waste heat from the engine 1. The coolant is transferred from the engine 1 via the flow line 2 into the additional heater 19 to the cabin heat exchanger 3 and then via the return line 4 , the thermostat 5 and the coolant pump 6 back to the engine 1.
  • the additional heater 19 can, for. B. consist of a unit operated with liquid fuel, an electrical heating coil or a heat accumulator.
  • the control of the heat given off to the cabin is carried out by switching the additional heater 19 on and off and by adapting the air mass conveyed from the line 10 through the line 11 via the cabin heat exchanger 3 and the line 13 into the cabin by means of the blower 9 .
  • the coolant throughput through the cabin heat exchanger 3 can be largely reduced or blocked.
  • the reduction of the air or the modification of the coolant mass flow through the cabin heat exchanger 3 is used to adapt the power output in the cabin.
  • auxiliary heater 19 supplies only a relatively small proportion of the heating power
  • a simultaneous reduction in the coolant throughput by means of the auxiliary heating 19 and cabin heat exchanger 3 would be ineffective without the changes according to the invention without the changes according to the invention, in order to increase the heating power in the cabin when the engine 1 is warm and the auxiliary heating 19 is switched on , because the air outlet temperature could only be increased a little even with full additional heating power due to the crossflow cabin heat exchanger normally used.
  • the additional heater 19 can also be used in the other devices according to the invention according to FIGS. 1-4.
  • a counterflow heat exchanger construction according to FIG. 8a is particularly suitable for geometric reasons and because of the specific advantages during installation, which by modification of a conventional cabin heat exchanger of the crossflow construction according to FIG. 8b for high heat transfer rates while increasing the number of Partitions 7 within the water boxes 20 and 21 from one partition to three is available.
  • Coolant flow to a level that is greatly reduced compared to values in conventional cross-flow heat exchangers may require an adjustment of the coolant line cross-section. cuts or the heat exchanger tube cross sections.
  • the cabin heat exchanger can be used without taking into account cross-sensitivities with regard to the cooling of the engine, since even in conventional embodiments the extreme state of a completely blocked coolant throughput through the cabin heat exchanger is taken into account.
  • the original diameters of the coolant inflow and outflow lines 2 and 4 are oversized with a significant reduction in the coolant throughput.
  • the line cross sections on the cabin heat exchanger or on the coolant hoses and the wall thickness of the hoses can therefore be reduced.
  • both the dimensions of the heat transfer tube 22 and the heat transfer fins are reduced compared to conventional arrangements.
  • a heat exchanger is shown in which the cross-flow heat exchangers are connected in series via the heat exchanger tubes 22 through which flow flows in parallel in connection with semicircular flow deflections 25, so that the cabin air is heated in this way in four stages and the coolant is cooled down via the four stages.
  • This in particular results in a reduction in the pressure loss on the coolant side, since there are lower flow losses at the inlet and outlet into the heat transfer tubes 22.
  • This is of particular importance in the heat exchanger according to the invention since, depending on the application, this has a relatively high flow rate of the cooling by means in the heat transfer tubes, so that strong impulse and thus pressure losses result at a heat exchanger according to FIG. 8a, in particular at discontinuities and at the flow outlets from the individual heat transfer tubes 23.
  • the surface of the water tank 20 in contact with coolant or the volume filled with coolant is significantly reduced in the embodiment according to FIG. 8a.
  • the water tank 21 according to FIGS. 8a, b is completely eliminated and is replaced by the housing 26, which is essentially in contact with air.
  • the housing 26 which is essentially in contact with air.
  • the flow through the housing 26 with a corresponding bending radius of the heat transfer tube 22 can be prevented by a special screen 27.
  • a heat exchanger according to the invention can be produced in a first step by providing all the parallel heat exchanger tubes 22 with the necessary fins 23 before the semicircular flow deflections 25 are bent, and only then are the water tanks 20 and 21 attached. This ensures that there is no heat conduction against the flow direction within the fins 23.
  • the coolant supply and return lines in the water tanks 20 and 21 have a nozzle-like or diffuser-like zone within the water tank, optionally also outside the same, to improve the flow behavior, so that pressure losses in the cabin heat exchanger on the cooling water side are reduced.
  • this is just like the design of the heat transfer tubes 22 as shown in FIG. 9, essential for the present invention.
  • FIG. 10 shows a cabin heat exchanger in which the coolant supply 2 and the coolant discharge 4 take place laterally and in which the cross sections of the lines within the water tank 20 are expanded.
  • the cross sections of the lines can also be expanded outside the water tank 20.
  • the coolant introduced into the water tank 20 is delayed largely free of detachment by a diffuser 28, so that the dynamic pressure of the coolant flowing in a hose which is considerably smaller in comparison to FIG. 8a and with a higher flow rate is at least partially recovered becomes. Because of the low flow velocity, not only are the outflow losses from the coolant supply line 2 relatively low, but also the flow losses when distributing the coolant to the individual heat exchanger tubes 22.
  • the flow line 2 or the return line 4 can be perforated to avoid flow separation.
  • the flow coefficient of a cabin heat exchanger in cross-flow design with double-flow coolant guidance according to the conventional design can be achieved.
  • the cabin heat exchanger according to the invention can be further improved in that, in addition, the transitions to the comparatively thick coolant outlet and return line cross sections on the engine are made like nozzles or diffusers. are led. This saving in pressure losses can ultimately also be converted into a further reduction in the line cross sections.
  • the measures mentioned to prevent heat conduction against the air flow should preferably be carried out in the middle between the individual floods. As a positive side effect, these measures also increase the turbulence of the air flow and thus the heat transfer.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beheizung der Kabine von Kraftfahrzeugen mit der Abwärme des Antriebsmotors (1) über das Kühlmedium, welches zur Erwärmung der Fahrgastzelle in Kühlmittelleitungen über einen Kabinewärmetauscher (3) zum Motor (1) zurückgeführt wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Durch Verwendung eines Kabinenwärmetauschers (3) mit Gegenstromcharakteristik und Reduzierung des Kühlmittelmassenstromes durch Motor (1) und/oder Kabinenwärmetauscher (3) in Richtung auf ein durch die zulässigen Grenzwerte der Motorkühlung bestimmtes Maß kann die an die Fahrgastkabine abgegebene Heizleistung deutlich gesteigert werden. Dabei ist insbesondere durch Reihenschaltung herkömmlicher Querstromwärmetauscher eine Gegenstromcharakteristik erzielbar. Durch besondere Ausgestaltung der Wärmeübertragungsrippen sowie der Dimensionierung und Isolierung der kühlmittelführenden Rohre (2, 4) sind weitere Verbesserungen möglich. Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere auch bei zusätzlichen, dem Kabinenwärmetauscher vorgeschalteten Wärmequellen einsetzbar.

Description

KFZ-Wärmetauscher
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beheizung der Kabine von Kraftfahrzeugen mit der Abwärme des Antriebsmotors über das flüssige oder gasförmige Kühlmittel, welches zur Erwärmung der Fahrgastzelle in Kühlmittelleitungen über einen Kabinen¬ wärmetauscher und dann zurück zum Motor geleitet wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Vor dem Hintergrund ständiger Verbesserungen der Wirkungsgrade von Verbrennungsmotor, Antriebstechnik und Aerodynamik im Kraftfahrzeugbau wird anhand einfacher ther odynamischer Über¬ legungen sehr schnell klar, daß in Zukunft wesentlich effi- zienter bei der Verwendung der Abwärme aus dem Antriebsmotor für Heizzwecke, insbesondere bei der Beheizung der Fahrgast¬ zelle, umgegangen werden muß.
Je nach Wirkungsgrad und Fahrsituation weisen bei extremen klimatischen Bedingungen bereits heute am Markt befindliche Fahrzeuge mit hocheffizienten Dieselmotoren Probleme bei der Beheizung der Kabine auf: Neben einem sehr langsamen Aufheizen von Motor und Kabine reicht im Fahrbetrieb mit geringer Last die Heizleistung auch nach längerer Fahrt oftmals nicht aus, um ein komfortables Klima in der Kabine zu erreichen.
Deshalb versuchen einige Kraftfahrzeughersteller dieses Heiz¬ leistungsdefizit durch eine zusätzliche, kraftstoffbefeuerte bzw. elektrisch beheizte Wärmequelle zu beheben, da lediglich durch Optimierung des Kühlmittelsystems eine hinreichende Heizleistung für die Kabine nicht bereit gestellt werden konnte. Dies verwundert zunächst nicht, sind doch die derzeit am Markt befindlichen Kühlmittel-/Heizsysteme das Resultat langjähriger Optimierung unter Variation von Kühlmittel-, Frischluft- und Umluftmassenströmen und unter Variation von Geometrie und Anordnung der Kabinenwärmetauscher und Regelven¬ tile. Desweiteren können die Wärmeverluste an die Umgebung bei¬ spielsweise durch die thermische Kapselung des Motors, die Verbesserung der Isolation der Kabine, die Rückgewinnung von Wärme aus dem Abgas, durch eine Erhöhung des Umluftmassen- Stroms in der Kabine oder gar durch die Rückgewinnung der Wärmemenge, die in der aus der Kabine in die Umgebung aus¬ tretenden Luft noch enthalten ist, über einen Abluft/Frisch¬ luft-Wärmetauscher, reduziert werden, so daß auf den Einsatz von zusätzlichen Heizsystemen oder zusätzlicher Heizenergie zumindest teilweise verzichtet werden kann.
Diese Maßnahmen sind jedoch mit erheblichen Zusatzkosten ver¬ bunden, was sie speziell für kleinere Fahrzeuge unattraktiv macht. Durch die geringe Masse hat aber gerade diese Fahrzeug- klasse in Verbindung mit hocheffizienten Motoren bereits heute einen sehr geringen Kraftstoffverbrauch und somit auch wenig Abwärme für Heizzwecke.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für Kraftfahrzeuge mit kühlmittelbeheizter Kabine ein effizientes und kosten¬ günstiges Verfahren zur Reduzierung der Wärmeverluste an die Umgebung zu schaffen, so daß möglichst wenig zusätzliche Heiz¬ energie für die Beheizung der Kabine erforderlich ist, wobei nach Möglichkeit zugleich die Aufheizdauer des Motors redu- ziert und beim stationären Fahrbetrieb eine Unterkühlung des Motors vermieden werden soll und zugleich möglichst wenig Änderungen an bestehenden Fahrzeugkomponenten vorzunehmen sind.
Darüber hinaus soll eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens geschaffen werden, die möglichst einfach und kostengünstig herstellbar und einsetzbar ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Kabi- nenwärmetauscher mit Gegenstromcharakteristik verwendet wird und daß der Kühlmittelmassenstrom durch Motor und/oder Kabi¬ nenwärmetauscher zur Steigerung der an die Kabine abgegebenen Heizleistung zumindest zeitweise in Richtung auf ein durch die zulässigen Grenzwerte der Motorkühlung bestimmtes Maß redu¬ ziert wird.
Die Grenzwerte der Motorkühlung und damit die der potentiellen Reduktion des Kühlmittelmassenstromes sind bekanntermaßen durch den maximal zulässigen Druck bzw. die maximal zulässige Temperatur im Kühlsystem, die vom Motor abzuführende Wärme¬ menge, die Umgebungstemperatur, die Temperatur des Kühlmittels beim Eintritt in den Motor sowie die spezifische Wärmekapazi- tat des Kühlmittels festgelegt.
Bei herkömmlichen Querstrom-Kabinenheizsystemen beträgt zwecks Optimierung hinsichtlich Temperaturverteilung im Motor, Tempe¬ ratur der Brennraumwände, Strömungsgeschwindigkeit des Kühl- mittels sowie hinsichtlich der Wärmeübertragungsleistung an die Kabinenluft der Kühlmittelmassenstrom durch den Motor unabhängig von der in der Kabine erforderlichen Heizleistung, in vielen Betriebssituationen ein Vielfaches, oftmals mehr als das Zehnfache, des für die Motorkühlung erforderlichen Wertes. Dies gilt auch für die Kühlmittelmassenströme durch den Kabi¬ nenwärmetauscher bei geschlossenem Thermostaten im winterli¬ chen Fahrbetrieb.
Darüber hinaus herrscht in der Fachwelt Einigkeit darüber, daß ab einer bestimmten Grenze weder eine Erhöhung des Kühlmittel¬ massenstromes noch der Wärmetauscherfläche eine merkliche Verbesserung der Heizleistung in der Kabine bewirkt. Die Luft¬ temperatur am Kabinenwärmetauscheraustritt ist in der "Sätti¬ gung" .
Die erfindungsgemäße Reduktion des Kühlmittelmassenstromes durch Motor und/oder Kabinenwärmetauscher ist jedoch überaus zweckmäßig, da zusätzlich zum Wärmeübergang zwischen Motor und Kühlmittel, Kühlmittel und Kabinenwärmetauscherberippung sowie Kühlmittelwärmetauscherberippung und Kabinenluft auch die Verluste an die Umgebung zu berücksichtigen sind, was bisher nicht erfolgt ist. Bei den bisher bekannten Kabinenheizsystemen mit Querstrom- kabinenwärmetauschern liegen teilweise Differenzen der Kühl¬ mitteltemperaturen am Motorein- und -austritt von weniger als 10 K vor. Das gleiche gilt bei warmem Motor auch am Kabinen- Wärmetauscher. Dabei kann die Temperaturdifferenz zwischen Motorein- und -austritt bei Kühlmittelsystemen mit parallel zum kleinen Kühlmittelkreislauf liegendem Kabinenwärmetauscher noch wesentlich geringer sein.
Dies begründet die bisherige Auffassung, daß ein Gegenstrom- Kabinenwärmetauscher kaum Vorteile bringt, da hier die Luft¬ temperatur am Austritt aus dem Kabinenwärmetauscher nahe der "Sättigung" liegt, d.h. die Lufttemperatur fast so hoch ist, wie die Kühlmitteltemperatur. So kann bei kühlmittelseitigem Temperaturabfall von 10 K bei einem Gegegenstrom- anstelle eines Querstrom-Kabinenwärmetauschers lediglich mit einer Erhöhung der Lufttemperatur am Wärmetauscheraustritt in der Größenordnung von 5 K gerechnet werden. Dies rechtfertigt die deutlich höheren Kosten der Gegenstrombauart in Kraftfahr- zeuganwendungen nicht. Darüber hinaus treten unnötig hohe Wärmeverluεte in den vom Kabinenwärmetauscher zum Motor zu¬ rückführenden Kühlmittelleitungen, in der Kühlmittelpumpe und im Kurbelgehäuse des Motors auf. Speziell das Kurbelgehäuse gibt nicht nur über eine große Fläche Wärme ab, sondern hat zusätzlich an der Motoraufhängung und den angeflanschten Kom¬ ponenten noch weitere "Wärmebrücken".
Wird jedoch erfindungsgemäß gleichzeitig der Kühlmittelmassen¬ strom z.B. um den Faktor 5 reduziert, so erhöht sich der Temperaturabfall am Kabinenwärmetaυscher von 10 K auf 50 K, während sich die Luftaustrittstemperatur kaum ändert, d.h. es liegt zunächst eine unveränderte Heizleistung in der Kabine vor. Die Wärmeverluste auf dem Strömungsweg vom Kabinenwärme¬ tauscher-Austritt zum Motor sind hierdurch jedoch drastisch reduziert. Eine zusätzliche Verbesserung der Isolierung der zum Kabinenwärmetauscher führenden Kühlmittelleitung und/oder deren Querschnittsreduzierung, welche bei reduziertem Kühl¬ mittelmassenstrom problemlos möglich ist, führt zu einer wei- teren Reduktion der Wärmeverluste an die Umgebung. Die zum Motor zurückführende Kühlmittelleitung ist in diesem Zusammen¬ hang aufgrund des reduzierten Temperaturniveaus von unterge¬ ordneter Bedeutung.
Wesentlich ist nun für das erfindungsgemäße Verfahren, daß aufgrund der Reduktion der Wärmeverluste an die Umgebung in Verbindung mit der unveränderten Abwärme aus dem Verbrennungs¬ prozeß eine Erhöhung der Motoraustrittstemperatur des Kühl- mittels erfolgt und hierdurch auch die Heizleistung des Kabi¬ nenwärmetauschers deutlich erhöht ist, da diese - unabhängig vom Kühlmittelmassenstrom - in erster Näherung direkt propor¬ tional zur Kühlmitteleintrittstemperatur ist, solange Systeme betrachtet werden, bei denen die Kabinenluft temperaturseitig in die "Sättigung" geht. Eine Temperaturerhöhung im Bereich des Zylinderkopfes und in der zum Kabinenwärmetauscher führen¬ den Kühlmittelleitung wird durch die Reduktion der Verluste bei weitem überkompensiert. Letztlich ist der Temperaturabfall am Kabinenwärmetauscher durch die Reduktion des Kühlmittel- durchsatzes um den Faktor 5 nicht von 10 auf 50 K angestiegen, sondern beispielsweise von 10 auf 60 K.
Negative Auswirkungen des erfindungsgemäßen Verfahrens auf den Verbrennungsprozeß bzw. die Schadstoffemissionen des Motors sind nicht zu erwarten. Im Gegenteil, in unmittelbarer Nähe der Brennraumwände liegt eine höhere Kühlmitteltemperatur vor als bei der Ausgangsanordnung.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist nicht nur eine Steigerung der maximalen Heizleistung unter extremer Winter¬ kälte, sondern in vielen Fahrsituationen mit Kabinenbeheizung auch eine Verkürzung der Aufheizdauer des Motors zu erzielen.
Es ist jedoch nicht immer zweckmäßig, möglichst viel Heizlei- stung auf die Kabine zu konzentrieren. Bei geringem Heizlei¬ stungsbedarf kann die erfindungsgemäße Reduktion des Kühl¬ mittelmassenstromes eine zu hohe Kühlmittelaustrittstemperatur aus dem Motor bedingen, was zu folgenden unerwünschten Effek- ten führen kann:
lokale Überhitzung innerhalb des Motors, Dampfblasenbil- dung,
überhöhte Wärmeverluste an die Umgebung durch hohe Kühl¬ mitteltemperatur im gesamten Kühlmittelkreislauf,
drastisch erhöhte Wärmeverluste an die Umgebung durch Öffnen des Thermostaten für den großen Kühlmittelkreis¬ lauf,
unnötige Erhöhung der Pumpleistung der Kühlmittelpumpe.
In derartigen Betriebszuständen ist es zweckmäßig, die Reduk¬ tion des Kühlmittelraassenstromes ganz oder zumindest teilweise aufzuheben.
Zur Definition bzw. zur Erfassung des Zeitpunktes, ab welchem die Konzentration der Abwärme auf die Kabine nicht mehr zweck¬ mäßig ist, sind unterschiedliche Regelstrategien denkbar. Mittels eines manuell zu betätigenden Schalters kann z.B. im Winter die Option "Maximale Heizleistung" über ein Ventil im Kühlmittelkreislauf eingestellt werden. Es kann aber auch eine automatische Festlegung des Kühlmittelmassenstromes durch Schalt- oder Regelventile erfolgen, die beispielsweise beim Überschreiten einer bestimmten Umgebungstempereatur aktiviert werden. Desweiteren kann der Lastzustand des Motors mittels Schaltungen erfaßt und die Reduktion des Kühlmittelmassen- Stromes beim Überschreiten einer Grenzlast oder einer Grenz¬ drehzahl, beispielsweise Überschreiten von 2/3 der Nenndreh¬ zahl oder 2/3 des Nenndrehmomentes, aufgehoben werden. Diese Maßnahme wird zweckmäßigerweise parallel zur Erfassung des Heizbedarfs, beispielsweise über die Kühlmitteltemperatur oder die Umgebungstemperatur, angewandt. Da die angesprochenen Me߬ bzw. Regelgrößen für die Motorregelung ohnehin erfaßt werden müssen, bietet sich hier eine Einbindung ins Motormanagement an. Eine weitere Regelstrategie ist z.B. die Erfassung der Tempe¬ raturdifferenz des Kühlmittels zwischen Motoraus- und -ein¬ tritt. Durch die Erfassung dieser Größe kann beispielsweise vermieden werden, daß überhöhte mechanische Spannungen durch Temperaturgradienten im Motorblock entstehen. Indirekt kann durch das Abschalten ab einer vorgebenen Temperaturdifferenz auch eine zu hohe Temperatur im Motor verhindert werden.
Das Überhitzen des Motors bzw. das Öffnen des Thermostaten für den großen Kühlmittelkreislauf kann durch Messung der Kühl¬ mitteltemperatur am Motoraustritt, des Dampfdrucks im Kühl¬ mittel oder durch die Erfassung der Druckpulsation im kleinen Kühlkreislauf vermieden werden. In der einfachsten Ausgestal¬ tung ist die Reduktion des Kühlmittelmassenstromes aufzuheben, sobald die angesprochenen Meßgrößen einen Grenzwert über¬ schreiten. Es sind aber auch feinfühligere Anwendungen mit Regelung des Kühlraittelmassenstromes denkbar.
Zur Erzielung hoher Heizleistungssteigerungen ist es zweck- mäßig, den Kühlmittelmassenstrom möglichst stark zu reduzie¬ ren. Im Extremfall kann so die Austrittstemperatur des Kühl¬ mittels aus dem Gegenstromkabinenwärmetauscher nahe der Umge¬ bungstemperatur liegen, wodurch sich die geringsten Wärme¬ verluste an die Umgebung ergeben. Hierzu ist es zweckmäßig, den Kühlmittelmassenstrom in Abhängigkeit von der Kühlmittel¬ temperatur am Wärmetauscheraustritt oder der Differenz zur Umgebungstemperatur zu regeln. Wie groß diese Temperaturdiffe¬ renz zur Umgebungstemperatur oder das absolute Temperaturni¬ veau letztendlich sind, hängt davon ab, ob eine zusätzliche Kontrolleinheit zur Überwachung des Motors auf lokale Überhit¬ zung vorhanden ist. Bei Einhalten eines gewissen Sicherheits¬ abstandes kann u.U. auf diese verzichtet werden, so daß sich entsprechende Kosten einsparen lassen.
Mit dem Absenken der Kühlmitteltemperatur am Motoreintritt ist neben den thermischen Spannungen auch auf die erforderliche Oltemperatur zu achten. Diese ist aus energetischen Gründen von Bedeutung sowie um erhöhten Verschleiß zu vermeiden. Des- halb kann es vorteilhaft sein, einen Teil der erhöhten Kühl¬ mitteltemperatur am Motoraustritt gezielt zur Beheizung des Motoröls einzusetzen. Hierzu ist ein Ölwärmetauscher im Be¬ reich des Kühlmittelaustritts zweckmäßig.
Wie eine vollständige Energiebilanz am Kraftfahrzeug zeigt, ist die erfindungsgemäße Reduktion des Kühlmittelmassenstromes durch Motor und Kabinenwärmetauscher in Verbindung mit einem Gegenstrom-Kabinenwärmetauscher eine sehr effektive Maßnahme, um die Heizleistung in der Kabine - auf dem Umweg über die Reduktion der Wärmeverluste an die Umgebung - zu steigern, wobei aber auch bei Reduzierung des Kühlmittelmassenstromes lediglich durch den Motor bereits eine deutliche Verbesserung der Kabinenheizleistung unter Reduzierung der Verluste an die Umgebung möglich ist, da hierdurch die Kühlmitteltemperatur auf einen erhöhten Wert ansteigt. Dies führt zu einem nahezu linearen Anstieg der für das Kraftfahrzeug genutzten Kabinen¬ heizleistung. Eine potentielle Erhöhung der Verluste der Vor¬ laufleitung zum Kabinenwärmetauscher an die Umgebung wird durch den erhöhten Wärmeentzug aus dem Kühlmittel, der sich sowohl aus der Erhöhung der Vorlauftemperatur als auch durch die Gegenstromanordnung ergibt, kompensiert, wobei durch Ver¬ kleinerung des Durchmessers der Vorlaufleitung die Wärmever¬ luste weiter verkleinert werden können.
Wie bereits beschrieben, befindet sich beim erfindungsgemäßen Verfahren die Lufttemperatur am Austritt aus dem Kabinenwärme¬ tauscher auf einem erhöhten Niveau, was mit einer Steigerung der Heizleistung des Kabinenwärmetauschers gleichzusetzen ist.
Der Komfort in der Kabine ist aber nicht durch die Heiz¬ leistung des Kabinenwärmetauschers, sondern maßgeblich durch die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit in der Kabine be¬ stimmt. Als Zielwert für die Lufttemperatur in der Kabine sind bei winterlichen Temperaturen etwa 20 - 30 °C anzusehen, was für Fahrzeuge ohne Umluft bedeutet, daß der gesamte Luft¬ massenstrom die Kabine mit dieser Temperatur verläßt. Bei einer Umgebungstemperatur von -20 °C und einer Lufttemperatur am Austritt des Kabinenwärmetauschers von +50 °C bedeutet eine Ablufttemperatur von +25 °C, einen Wärmenutzungsgrad in der Kabine von 35,7%.
Bei unverändertem Luftmassenstrom bedeutet z.B. die mit Hilfe der erfindungsgemäßen Reduktion der Wäsmeverluste sicher mög¬ liche Anhebung der Lufttemperatur am Kabinenwärmetauscheraus- tritt von 50 °C auf 60 °C nicht nur eine Steigerung der Heiz¬ leistung des Kabinenwärmetauschers um 14,3 %, sondern es eröffnet sich durch die entsprechende Reduktion des Frisch¬ luftmassenstroms zusätzlich ein Verbesserungspotential des Wärmenutzungsgrades in der Kabine auf 43,8 %. Trotz einer ge¬ steigerten Kabinenheizleistung wird bei entsprechender Re¬ duktion des Frischluftmassenstroms somit immer noch weniger Wärme aus dem Motorkühlkreislauf entzogen, als bei heute üb¬ lichen kühlmittelbeheizten Fahrzeugkabinen. Diese Einsparungen wirken sich über eine entsprechende Erhöhung der Rücklauf¬ temperatur des Kühlmittels zum Motor wiederum auf die Motor¬ austrittstemperatur aus und diese wieder auf die Effizienz des Kabinenwärmetauschers etc.
Der Spielraum für derartige Maßnahmen ist durch die maximal zulässige Kühlmitteltemperatur sowie durch den erforderlichen Mindestluftdurchsatz durch die Kabine begrenzt. Dieser richtet sich bei heutigen Kraftfahrzeugen in erster Linie nach der erforderlichen Geschwindigkeit bzw. dem Austrittsimpuls der Luft an den Düsen, um die Fenster vor dem Beschlagen zu schüt¬ zen, dem erforderlichen Massenstrom, um die Luftfeuchtigkeit abzutransportieren, die von den Fahrgästen herrührt, sowie dem Luftmassenstrom, um dem Kühlmittel hinreichend Wärme für die Kabine zu entziehen. Weiterhin bestimmen Geräuschprobleme und die bei zu hoher Geschwindigkeit als "Zug" empfundene Luft¬ strömung den Massendurchsatz.
Die potentielle Reduktion des Frischluftmassenstroms in Ver¬ bindung mit der erfindungsgemäßen Reduktion des Kühlmittelmas¬ senstromes durch den Motor bzw. durch den Gegenstromwärmetau- scher ist unter der Berücksichtigung dieser Randbedingungen in erster Linie durch die Gefahr des Beschlagens der Windschutz¬ scheibe begrenzt. Speziell durch die hohen Temperaturen der Luft am Düsenaustritt der Windschutzscheibenentfrostung wird der Effekt der geringeren Luftgeschwindigkeit bzw. des gerin- geren Luftmassenstroms aber weitgehend kompensiert. Bei Syste¬ men mit Umluft kann auch eine Anpassung der Austrittsgeschwin¬ digkeit der Luft zur Vermeidung des Beschlagens der Wind¬ schutzscheibe erfolgen.
Unter Berücksichtigung der im praktischen Fahrbetrieb zu er¬ wartenden Bereiche für Temperatur und Feuchte der Umgebungs- luft und unter Berücksichtigung des Anteils der Luftfeuchtig¬ keit, der von den Fahrzeuginsassen stammt, läßt sich zeigen, daß die kritischen Zustände "zu hohe Feuchtigkeit der Kabinen- luft" und "zu geringe Temperatur der Kabinenluft" zumindest bei warmem Motor normalerweise nicht gleichzeitig auftreten.
Bei extrem tiefen Temperaturen, wo z.T. bereits bisher bekann¬ te Fahrzeuge Heizprobleme haben, ist die Feuchtigkeit der Umgebungsluft so gering, daß nach deren Aufheizen auf eine Temperatur von +25 °C in der Kabine auch bei Reduktion des Frischluftmassenstroms nicht mit dem Beschlagen der Scheiben zu rechnen ist. Umgekehrt ist für Umgebungstemperaturen um 0 °C zwar die Gefahr des Beschlagens deutlich größer, doch reicht dort i.a. die verfügbare Heizleistung ohne besondere Maßnahmen aus, um eine angenehme Kabinentemperatur sicher¬ zustellen. Zur Erfüllung extremer Wärmeanforderungen in der Kabine bei tiefen Umgebungstemperaturen ist es daher zweck¬ mäßig, den Frischluftdurchsatz durch den Kabinenwärmetauscher zu reduzieren. Außer manuellen Betätigungseinrichtungen sind hierzu automatische Stellglieder besonders geeignet, die den Frischluftdurchsatz bei Unterschreiten einer bestimmten Um¬ gebungstemperatur oder beim Unterschreiten einer bestimmten Feuchtigkeit der Umgebungsluft reduzieren. Ebenso kann natür- lieh auch die relative Luftfeuchtigkeit in der Kabine als Signal für die Reduktion des Frischluftdurchsatzes Verwendung finden. Weitere vorteilhafte Ausführungen des erfindungsgemäßen Ver¬ fahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen. So kann bei¬ spielsweise bei Kraftfahrzeugen mit Elektromotor als Antrieb ein Teil der Heizleistung aus der Regelung der elektrischen Antriebsenergie stammen.
Oftmals weisen Kraftfahrzeuge für eine zusätzliche Beheizung der Fahrzeugkabine Zusatzheizungen auf. In diesen Fällen ist die Zusatzwärme in erster Linie auf die Fahrzeugkabine zu konzentrieren, wobei dies möglichst effizient und kosten¬ günstig, d. h. mit möglichst wenig zusätzlicher Heizenergie aus nicht dem Fahrzeugantrieb dienenden Quellen erfolgen soll, wobei die Aufheizdauer des Motors nach Möglichkeit zu reduzie¬ ren und möglichst wenig Änderungen an bestehenden Fahrzeug- aufbauten vorzunehmen sind.
Durch Integration der zusätzlichen Wärmequelle in das erfin¬ dungsgemäße Verfahren sowie unter Berücksichtigung der bevor¬ zugten Ausführungsformen ist eine besonders effektive Nutzung der Heizleistung der zusätzlichen Wärmequelle möglich.
Bei bisher bekannten Kabinenheizsystemen mit Querstromwärme¬ tauscher erfolgt ohne Einschalten der Zusatzheizung eine mehr oder weniger große Abnahme der Kabinenheizleistung bei Reduk- tion des Kühlwassermassenstroms. Diese Reduktion führt zu¬ nächst zu einer geringfügigen, dann zu einer überproportiona¬ len Absenkung der Austrittstemperatur aus dem Kabinenwärmetau¬ scher, wobei im Gegenzug die Motoraustrittstemperatur des Kühlmittels ansteigt, wodurch die Abnahme der Kabinenheizlei- stung teilweise kompensiert wird. Über die erhöhte Motortempe¬ ratur nehmen die Verluste an die Umgebung stark zu, so daß für eine wirksame Kabinenheizung der bisher bekannten Art ein relativ großer Kühlmitteldurchsatz durch den Kabinenwärmetau¬ scher erforderlich ist. Das Einbringen zusätzlicher Wärme über eine zusätzliche Wärmequelle zwischen Motoraustritt und Kabi¬ nenwärmetauscher führt bei einem derartigen Kühlmittelsystem mit hohem Kühlmitteldurchsatz somit nur zu einer geringfügigen Steigerung der Kühlmitteltemperatur und der in der Kabine wirksamen Heizleistung. Erst über die allmähliche Steigerung der Motortemperatur, die aufgrund hoher Wärmeverluste an die Umgebung sehr ineffizient ist, ergibt sich letztlich eine spürbare Steigerung der Kabinenheizleistung. So gelangen zum Teil nur 50 % der zusätzlich durch die Zusatzheizung einge¬ brachten Leistung über den Heizungswärmetauscher in die Ka¬ bine.
Ist die Verbrennungsmotorabwärme geringer als die über die Zusatzheizung eingespeiste Wärme, so ist die Zweckmäßigkeit der erfindungsgemäßen Reduktion des Kühlmittelmassenstroms offensichtlich: Wird beispielsweise bei einer Motorabwärme von 1 kW der Kühlmittelmassenstrom durch den Kabinenwärmetauscher derart reduziert, daß nach Einbringen von 4 kW Zusatzheiz- leistung nahezu die Siedetemperatur des Kühlmittels erreicht wird, so resultiert bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine sehr geringe Kühlmittelaustrittstemperatur aus dem Kabinen¬ wärmetauscher, wobei nahezu die gesamte Zusatzwärme sowie die erforderliche Motorkühlleistung von 1 kW für die Kabine ge- nutzt werden. Diese Konstellation ist insbesondere bei Elek- trofahrzeugen gegeben, bei denen mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens neben der Abwärme des Motors ggfs. auch die Abwärme aus der Leistungsregelung genutzt wird.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit - ausgehend von einem reduzierten Grundniveau der Motorein- und Austritts¬ temperatur - bei reduziertem Kühlmittelmassenstrom mittels der Zusatzheizung eine Anhebung der am Kabinenwärmetauscher ver¬ fügbaren Kühlmitteltemperatur um einen bestimmten Betrag not- wendig. Dies erfordert, verglichen mit bisher bekannten Ver¬ fahren, eine nur moderate Steigerung der Kühlmitteltemperatur am Eintritt in den Kabinenwärmetauscher. Dementsprechend ist zur Einhaltung einer vorgegebenen Heizleistung am Kabinen¬ wärmetauscher verglichen mit bisher bekannten Verfahren eine geringere Kühlmitteltemperatur am Motoraustritt erforderlich. Hierdurch kann das Verhältnis der Wärmeverluste über die Ober¬ fläche von Motor und Kühlmittelleitungen an die Umgebung ver¬ glichen mit der nicht angehobenen Wärmeleistung am Kabinen- Wärmetauscher gegenüber einer Ausführungsform ohne Zusatz¬ heizung drastisch reduziert werden. Letztlich kann somit trotz unveränderter Kabinenheizleistung die Leistung der Zusatz¬ heizung zurückgenommen werden.
Auch bei Motoren mit Bypass im Kühlmittelkreislauf ergibt die erfindungsgemäße Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes durch Zusatzheizung und Kabinenwärmetauscher eine signifikante Ver¬ besserung. Da sich jedoch aufgrund der Mischung zwischen dem durch die Bypassleitung geförderten Kühlmittelstrom mit dem aus dem Kabinenwärmetauscherzweig stammenden Kühlmittelstrom eine Mischtemperatur am Motoreintritt auf erhöhtem Niveau einstellt, sind die Vorteile gegenüber herkömmlichen Verfahren in diesem Falle etwas geringer.
Wie bereits beschrieben, basiert das erfindungsgemäße Verfah¬ ren auf einer signifikanten Reduktion der Wärmeverluste an die Umgebung. Wird die vom Motor zum Kabinenwärmetauscher sowie die vom Kabinenwärmeaustauscheraustritt zum Motor führende Kühlmittelleitung zusätzlich isoliert und/oder deren Quer¬ schnitt reduziert, was bei reduziertem Kühlmitteldurchsatz meist problemlos möglich ist, führt dies zu einer weiteren Reduktion der Wärmeverluste an die Umgebung.
Die erfindungsgemäße Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes durch Zusatzheizung und Kabinenwärmetauscher bzw. durch Motor, wel¬ che wie bereits erwähnt über Ventile steuerbar oder auch durch die konstruktive Ausgestaltung der Leitungsquerschnitte vor¬ genommen werden kann, Zusatzheizung und Kabinenwärmetauscher stellt somit eine sehr effektive Maßnahme dar, um die Heizlei¬ stung in der Kabine durch Reduktion der Wärmeverluste an die Umgebung zu steigern. Insbesondere wird hierbei beim Einsatz von Stellgliedern (Ventile oder schaltbare Drosseln) die Wär¬ meleistung der Zusatzheizung bei Bedarf auf die Fahrgastkabine konzentriert, was letztlich zu einer Erhöhung der Temperatur der ins Fahrzeuginnere geförderten Frischluft führt.
Wärmetauscheranordnungen zur Beheizung der Kabine von Kraft- fahrzeugen mit der Abwärme des Antriebsmotors über ein Kühl¬ medium, bei denen das Kühlmedium zur Erwärmung der Fahrgast¬ kabine über einen Kabinenwärmetauscher mit der Kabinenluft in Wärmeaustausch gebracht wird, sind bekannt.
Es besteht jedoch insbesondere nach dem oben gesagten das Bedürfnis nach einer effizienten und kostengünstigen Beheizung der Kabinenluft unter Reduzierung der Wärmeverluste an die Umgebung sowie nach einem verringerten Einbauvolumen und - gewicht. Insbesondere soll eine derartige Wärmetauscheran¬ ordnung möglichst wenig Änderungen an bestehenden Fahrzeug¬ komponenten bedingen und gegebenenf lls gegen herkömmliche Wärmetauscheranordnungen einfach austauschbar oder aus deren Komponenten leicht herstellbar sein.
Ein derartiger Wärmetauscher ist durch die Merkmale des An¬ spruchs 39 gekennzeichnet, wobei die nachfolgenden Unteran¬ sprüche vorteilhafte Ausführungsformen beschreiben. Insbeson¬ dere in Verbindung mit dem erfindungsgemäß beanspruchten Ver- fahren sowie mit der Vorrichtung zur Durchführung des Ver¬ fahrens ist die erfindungsgemäße Wärmetauscheranordnung vor¬ teilhaft einsetzbar.
So erlaubt die drastische Reduzierung des Kühlmittelmassen- Stromes durch den Kabinenwärmetauscher gemäß dem erfindungs¬ gemäßen Verfahren bei unverändertem Druck der Kühlmittelpumpe und entsprechender Ausgestaltung der an den Wärmeübertragungs- rohren vorgesehenen Kühlrippen wesentlich geringere Strömungs¬ querschnitte der Wärmetauscherrohre als auch geringere Quer- schnitte der Kühlmittelleitungen vor und hinter dem Kabinen¬ wärmetauscher. Gleichzeitig weist die erfindungsgemäße Wärme¬ tauscheranordnung aufgrund der Gegenstromcharakteristik einen wesentlich besseren Wärmeübergang auf, so daß die Anzahl der Wärmeübertragungsrippen reduziert werden kann. Insgesamt ist somit sowohl die Masse des Wärmetauschers als auch die Masse der Kühlmittelleitungen aufgrund eines verringerten Umfanges sowie einer geringeren Wandstärke, als auch die des Kühl¬ mittels reduzierbar. Hierdurch kann das Ansprechverhalten der Kabinenheizung verbessert werden. Desweiteren ist durch die aus dem erfindungsgemäßen Kabinenheizsystem resultierende Reduktion der Wärmeverluste von den Schlauchleitungen an die Umgebung, welche durch geeignete Einbindung in den Kühlkreis- lauf des Motors noch verbesserbar ist, von Bedeutung. Diese Reduktion bezieht sich sowohl auf die verringerte Oberfläche der Schlauchleitungen als auch insbesondere auf die reduzierte Temperatur der vom Kabinenwärmetauscher zum Motor zurück¬ führenden Kühlmittelleitungen. Insbesondere durch Erhöhung des Druckes der Kühlmittelförderpumpe und des Druckverlustes am Kabinenwärmetauscher sind die Wärmeverluste an der Kühlmittel¬ pumpe und am Kurbelgehäuse des Motors verringerbar.
Vorteilhafterweise ist der Kühlmitteldurchsatz durch den Kabi-. nenwärmetauseher im Vergleich zu den heute üblichen Werten in der Größenordnung von 50 % und mehr reduziert, insbesondere beträgt der Kühlmitteldurchsatz bei dem heute üblichen Wasser- Glycolgemisch bei geringer Motordrehzahl und einer Umgebungs- temepratur von -20 °C weniger als 1 1/min pro kW an die Kabi- nenluft abgegebene Heizleistung. Vorteilhafterweise ist der Innendurchmesser der am Kabinenwärmetauscher angeschlossenen Kühlmittelleistung bei PKWs geringer als 11 mm.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist erfin- dungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß als Gegenstromwärme- tauscheranordnung eine Reihenschaltung von mindestens 3 Quer¬ stromwärmetauschern eingesetzt wird, wobei die Kabinenluft in mindestens 3 Stufen erwärmt und das Kühlmittel über diese drei Stufen abgekühlt wird.
Die Erfindung ist im folgenden beispielhaft erläutert und anhand der Figuren beispielhaft veranschaulicht. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsge- mäßen Vorrichtung mit Gegenstromwärmetauscher und luftseitiger Regelung,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsge- mäßen Vorrichtung mit Gegenstromwärmetauscher mit kühlmittelseitiger Regelung,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsge- mäßen Vorrichtung mit Gegenstromwärmetauscher und wasserseitigem Bypass,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer weiteren Aus¬ führungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Gegenstromwärmetauscher,
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer erfindungsge¬ mäßen Vorrichtung mit über eine Drosselstelle ver¬ schließbaren Bypass,
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer erfindungsge¬ mäßen Vorrichtung mit Gegenstromwärmetauscher und Zusatzheizung,
Fig. 7 eine weitere Ausführungsform mit Zusatzheizung,
Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Wärmetauschers nach dem Gegenstromprinzip (8a) und eines herkömm¬ lichen Wärmetauschers nach dem Querstromprinzip (8b),
Fig. 9 eine weitere Ausführungsform eines Wärmetauschers nach dem Gegenstromprinzip,
Fig. 10 eine schematische Darstellung einer Wärmetauscher¬ anordnung mit Gegenstromwärmetauscher.
In der in Fig. 1 gezeigten Anordnung mit luftseitiger Regelung der Kabinentemperatur wird das flüssige Kühlmittel vom Motor 1 über die Vorlaufleitung 2 zum Kabinenwärmetauscher 3 und dann über die Rücklaufleitung 4, den Thermostaten 5 und die Kühlmittelpumpe 6 zurück zum Motor 1 gefördert. Hierbei ist zu beachten, daß der Themostat 5 den großen Kühlkreislauf - hier angedeutet durch die Leitungen 7 und 8 - weitgehend verschließt, solange keine überschüssige Abwärme vorhanden ist.
Die Regelung der an die Kabine abgegebenen Wärme erfolgt durch die Anpassung der mit Hilfe des Gebläses 9 von der Leitung 10 durch die Leitung 11 über den Kabinenwärmetauscher 3 und die Leitung 13 in die Kabine geförderten Frischluftmasse. Hierbei ergibt sich die Temperatur der über zahlreiche Düsen in die Kabine geförderten Luft als Mischtemperatur der über die Re¬ gelklappe 14 auf die Leitungen 11 und 12 verteilten Luftmas¬ sen. Bei manchen Anwendungen sitzt die Regelklappe auch hinter dem Kabinenwärmetauscher.
In erfindungsgemäßer Weiterentwicklung des Heizungskreislaufs ist der Kabinenwärmetauscher 3 als Gegenstromwärmetauscher mit schaltbarer Drosselstelle 18 vorgesehen, wobei die Betätigung der Drosselstelle manuell oder automatisch bzw. schaltbar oder regelbar sein kann. Hierzu kann beispielsweise der Sensor 17 in Verbindung mit der Elektronik 16 verwendet werden. Wesent¬ lich ist nun, daß die Drosselung des Kühlmitteldurchsatzes mit Hilfe der Drosselstelle 18 nicht mit der Zielsetzung vorgenom¬ men wird, die Heizleistung in der Kabine zu reduzieren, son¬ dern daß die Drosselung zur Steigerung der in der Kabine wirk- samen Heizleistung verwendet wird. Mit anderen Worten: "Drossel geöffnet" bedeutet reduzierte Heizleistung in der Kabine aber wärmerer Motorblock; "Drosselung wirksam" bedeutet erhöhte Heizleistung in der Kabine aber kälterer Motorblock, wobei der Bereich der Brennraumwände dennoch für beide Stel- lungen der Drossel warm bleibt.
Die Feinregulierung bei reduziertem Heizleistungsbedarf muß hierbei berücksichtigen, daß der Thermostat 5 für den großen Kühlmittelkreislauf nicht durch einen zu starken Anstieg der Kühlmitteltemperatur geöffnet wird. Deshalb setzt die Regelung in einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltung des erfindungs¬ gemäßen Verfahrens bei Erreichen einer genau definierten Ober¬ grenze der Kühlmittemperatur die Drosselung des Kühlmittel- durchsatzes zurück.
In Fällen, in denen nur das Heizleistungsdefizit in der Kabine unter extremen klimatischen Bedingungen behoben werden soll und ansonsten ein möglichst effizienter Umgang mit der verfüg¬ baren Abwärme nicht erforderlich ist, kann auf die Schaltbar- keit der Drosselstelle 18 verzichtet werden und eine feste Drosselstelle eingebaut werden. Dabei kann auch die Dimen¬ sionierung der kühlmittelseitigen Strömungsquerschnitte des Kabinenwärmetauschers 3 die Drosselfunktion übernehmen. In diesem Anwendungsfall ohne schaltbare Drossel muß der Ther¬ mostat 5 des großen Kühlmittelkreislaufs geöffnet werden, wenn die Kühlmittelenergie nicht vom Kabinenwärmetauscher 3 abge¬ führt wird. Im Gegensatz zur oben beschriebenen Optimal- Variante mit schaltbarer Drossel bedeutet dies, daß die Ab¬ wärme nicht wahlweise auf die Kabine oder den Motor 1 konzen¬ triert und erst in einigen seltenen Situationen unmittelbar an die Umgebung abgegeben wird. Aus Kostengründen kann es jedoch vorteilhaft sein, auf die Vorteile eines möglichst warmen Motorblocks zu verzichten.
Je nach Bauart des Thermostaten 5 kann es erforderlich sein, diesen nicht in der in Fig. 1 eingezeichneten Position zu belassen, sondern ihn an den Kühlmittelaustritt aus dem Motor zu setzen. Besonders bei extremer Reduktion des Kühlmittel¬ massenstromes durch den Kabinenwärmetauscher ist dann auch ohne zusätzlichen Temperatursensor sichergestellt, daß ein Überhitzen des Motors nicht auftritt.
Statt der Drosselstelle 18 zur Anpassung des Kühlmittelmassen¬ stromes durch den Kabinenwärmetauscher kann auch eine Dreh¬ zahlvariation der Kühlmittelpumpe verwendet werden. Alternativ kann auch eine elektrische Pumpe hinzugezogen werden, bei der der Kühlmittelmassenstrom beispielsweise durch Ein- und Aus- schalten sowie durch Umpolung oder Regelung angepaßt wird.
F i g . 2 z e i gt e i ne n e nt s p rec he nde n Kre i s l au f m i t kühlmittelseitiger Regelung . Hier öffnet die Regelklappe 14 den wasserseitigen Bypaß 15, um die an die Kabine abgegebene Wärmemenge zu reduzieren.
Bei dem in Fig. 3 gezeigten Kühlmittelkreislauf wird innerhalb des kleinen Kühlkreislaufs zusätzlich zur in Fig. 1 darge¬ stellten Schaltung ein wasserseitiger Bypaß 15 vorgesehen, so daß nur ein Teil des im kleinen Kreislauf geförderten Kühl¬ mittels über den Kabinenwärmetauscher strömt. Dies wird vor¬ wiegend bei temperaturempfindlichen Motoren verwandt, um eine möglichst homogene Temperaturverteilung im Motorblock und im Zylinderkopf zu gewährleisten.
Die in Fig. 4 gezeigte Schaltung wird vorwiegend bei tempera¬ turunempfindlichen Motoren mit entsprechender Ausgestaltung der motorseitigen Kühlmittelkanäle eingesetzt. Um die Heiz¬ leistung herabzusetzen, wird hier der Kühlmitteldurchsatz durch den Kabinenwärmetauscher reduziert und im Extremfall sogar blockiert.
Bei den in Fig. 1-4 gezeigten Ausführungsbeispielen kann der Thermostat 5 auch an der Abzweigung des großen Kühlkreislaufes (Leitung 8) am Motoraustritt sitzen.
Für Fig. 2 und Fig. 4 ist hier anzumerken, daß die Drossel- stelle 18 durch eine entsprechende Ausgestaltung in die Regel¬ klappe 14 integriert werden kann.
Eine andere Variante (Fig. 5) reduziert nur den Kühlmittel¬ durchsatz durch den Motor, indem der Bypaß 15 über die Dros- seistelle 18 teilweise oder ganz verschlossen wird. Bei ge¬ eigneter Baugröße des Kabinenwärmetauschers 3 reduziert sich hierbei der Kühlmittelmassenstrom durch den Motor 1, während sich der Kühlmittelmassenstrom durch den Kabinenwärmetauscher 3 erhöht. Damit steigt die Kühlmitteltemperatur am Motoraus- tritt, aber auch die Wärmeverluste der Vorlaufleitung 2 an die Umgebung. Weiterhin liegt die Kühlmittelaustrittstemperatur aus dem Kabinenwärmetauscher 3 auf einem im Vergleich zur Optimalvariante erhöhten Niveau, was zusätzliche Wärmeverluste über Rücklaufleitung 4 und Motorblock bedeutet. Wird jedoch der Kühlmitteldurchsatz durch den Kabinenwärmetauscher 3 z. B. durch einen entsprechenden Druckverlust a priori auf einen wesentlich niedrigeren Wert festgelegt als bei heute üblichen Systemen mit QuerStromkabinenwärmetauscher, so liegt die Kühl¬ mitteltemperatur am Kabinenwärmetauscheraustritt auch nach der Erhöhung des Durchsatzes über das Schließen des Ventils 18 noch auf einem reduzierten Niveau. In Verbindung mit dem bes¬ seren Wärmenutzungsgrad in der Kabine, welche aus der Erhöhung der Lufttemperatur am Kabinenwärmetauscheraustritt resultiert, bedeutet dies immer noch eine signifikante Steigerung der effektiven Heizleistung in der Kabine.
Umgekehrt ist es speziell bei Motoren, bei denen der Bypaß 15 sehr motornah oder gar motorintern angeordnet ist, manchmal auch günstiger, die Drosselstelle 18 nicht wie in Fig. 5 in den Bypaß 15 zu legen, sondern diese direkt in den durch den Kabinenwärmetauscher 3 führenden Leitungszweig, d. h. hinter die Regeldrossel 14, anzuordnen. Hierdurch ergibt sich eine unverändert gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb des Motors 1, was insbesondere bei hochbelasteten Motoren vorteil¬ haft ist, bei gleichzeitiger Reduktion der Wärmeverluste an die Umgebung. Wie bereits beschrieben betrifft diese Aussage die Kühlmittelleitungen ebenso wie die Vorteile bezüglich des Temperaturniveaus der in die Kabine geförderten Luft. Bei dieser Variante kann ganz besonders einfach auf eine nicht verstellbare Drosselung, insbesondere durch den Kabinenwärme¬ tauscher bzw. die Kühlmittelleitungen, übergegangen werden. Dies ist insbesondere auch für die Anwendungen mit der Zu- satzheizung 19 von besonderem Vorteil.
Oftmals dürfte anstelle der schaltbaren Drosselstelle eine selbstregelnde Drosselstelle einsetzbar sein, die bei geringem Kühlmittelmassenstrom, d.h. auch bei geringer Motordrehzahl, einen stärkeren relativen Druckabfall erzeugt als bei großer Drehzahl, wie z.B. eine federbelastete Rückschlagklappe, be¬ vorzugt mit degressiver Federkennlinie. Fig. 6 zeigt eine Vorrichtung zur Beheizung einer Fahrgast¬ kabine mit einer Zusatzheizung 19 unter Nutzung der Abwärme aus dem Motor 1. Das Kühlmittel wird vom Motor 1 über die Vorlaufleitung 2 in die Zusatzheizung 19 zum Kabinenwärme¬ tauscher 3 und dann über die Rücklaufleitung 4, den Ther¬ mostaten 5 und die Kühlmittelpumpe 6 zurück zum Motor 1 ge¬ fördert. Die Zusatzheizung 19 kann hierbei z. B. aus einer mit flüssigem Kraftstoff betriebenen Einheit, einer elektrischen Heizwicklung oder aus einem Wärmespeicher bestehen.
Die Regelung der an die Kabine abgegebenen Wärme erfolgt durch das Ein- bzw. Ausschalten der Zusatzheizung 19 sowie über die Anpassung der mit Hilfe des Gebläses 9 von der Leitung 10 durch die Leitung 11 über den Kabinenwärmetauscher 3 und die Leitung 13 in die Kabine geförderten Luftmasse. Um die Heiz¬ leistung herabzusetzen kann neben der Reduzierung bzw. dem Abschalten der Wärmezufuhr über die Zusatzheizung 19 der Kühl¬ mitteldurchsatz durch den Kabinenwärmetauscher 3 weitgehend reduziert oder blockiert werden. Auch bei Systemen mit Ein/Aus-Regelung der Zusatzheizung 19 wird die Reduktion des Luft- bzw. die Modifikation des Kühlmittelmassenstroms durch den Kabinenwärmetauscher 3 zur Anpassung der Leistungsabgabe in der Kabine eingesetzt.
Speziell bei Systemen, bei denen die Zusatzheizung 19 nur einen relativ kleinen Anteil der Heizleistung liefert, wäre eine gleichzeitige Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes durch Zusatzheizung 19 und Kabinenwärmetauscher 3 zur Steigerung der Heizleistung in der Kabine bei betriebswarmen Motor 1 und eingeschalteter Zusatzheizung 19 ohne die erfindungsgemäßen Veränderungen uneffektiv, da sich die Luftaustrittstemperatur auch bei voller Zusatzheizleistung aufgrund des üblicherweise eingesetzten Querstromkabinenwärmetauschers nur wenig steigern ließe.
Es ist selbstverständlich, daß die Zusatzheizung 19 auch in den anderen erfindungsgemäßen Vorrichtungen gemäß den Fig. 1-4 einsetzbar ist. Für den Einbau in Kraftfahrzeugen eignet sich aus geo¬ metrischen Gründen und aufgrund der spezifischen Vorteile beim Einbau insbesondere eine Gegenstromwärmetauscherbauweise nach Fig. 8a, die durch Modifizierung eines konventionellen Kabi- nenwärmetauschers von der Querstrombauart nach Fig. 8b für hohe Wärmeübertragungsraten unter Erhöhung der Anzahl der Trennwände 7 innerhalb der Wasserkästen 20 und 21 von einer Trennwand auf drei erhältlich ist.
Bei richtigem Anschluß der Wasserzu- und -abfuhr 2 bzw. 4 aus Kühlmittelsystemen ist zwar bereits bei herkömmlichen Quer¬ stromwärmetauschern ein gewisser Gegenstromeffekt erzielbar, speziell die zweiflutige Führung der die beiden Wasserkästen 20 und 21 verbindenden kühlmittelführenden Wärraeübertragungs-? röhre 22, welche die Wärme über die Kühlrippen 23 an die in die Kabine geförderte Luft übertragen, zeigt jedoch, daß in Richtung möglichst hoher Kühlmitteldurchsätze optimiert wurde. Durch eine einfache Modifikation des Gehäuses durch Erhöhung der innerhalb der Wasserkästen 20 und 21 vorgesehenen Trenn- wände 24 von einer Trennwand auf drei kann die Ausführungsform gemäß Fig. 8a erhalten werden.
Hieraus resultiert zwangsläufig eine Reduktion des Kühlmittel¬ massenstroms durch den Kabinenwärmetauscher 3 aufgrund einer Erhöhung des Druckverlustes. Durch die Verdoppelung der Strö¬ mungslauflänge sowie durch erhöhte Verwirbelungsverluste am Ein- und Austritt der Kühlmittelströmung in die einzelnen Wärmeübertragungsrohre 22 aufgrund einer erhöhten Strömungs¬ geschwindigkeit des Kühlmittels.
Je nach Ausgestaltung des kleinen Kühlmittelkreislaufs, mit bzw. ohne motornahem Kühlmittelbypass 15 parallel zum Kabinen¬ wärmetauscher 3, erfolgt deshalb bei Einsatz des Kabinenwärme¬ tauschers 3 nach Fig. 8a eine mehr oder weniger starke Zunahme des Förderdrucks der Kühlmittelpumpe 6. Zur genauen Anpassung des Kühlmittelstroms auf einen im Vergleich zu Werten bei herkömmlichen Querstromwärmetauschern stark reduziertem Niveau ist gegebenenfalls eine Anpassung der Kühlmittelleitungsquer- schnitte bzw. der Wärmetauscherrohrquerschnitte vorzunehmen.
Weist der Motorkühlkreislauf einen kleinen Kühlkreislauf mit motornahem Kühlmittelbypass parallel zum Kabinenwärmetauscher- kreislauf auf, kann der Einsatz des Kabinenwärmetauschers ohne Berücksichtigung von Querempfindlichkeiten bezüglich der Küh¬ lung des Motors erfolgen, da bereits bei herkömmlichen Aus¬ führungsformen der Extremzustand eines vollkommen blockierten Kühlmitteldurchsatzes durch den Kabinenwärmetauscher berück- sichtigt ist. Bei der erfindungsgemäßen Festlegung des Kühl¬ mitteldurchsatzes ist lediglich darauf zu achten, daß der Kühlmitteldurchsatz durch den Kabinenwärmetauscher im Bereich geringer Motorlast und Pumpendrehzahl genau so groß ist, daß ein ausreichender Transport von Wärmeenergie zum Kabinenwärme- tauscher erfolgt und daß gleichzeitig die Lufttemperatur nicht zu stark im "Sättigungsbereich" liegt.
Offensichtlich sind die ursprünglichen Durchmesser der Kühl¬ mittel Zu- und Abflußleitungen 2 und 4 bei starker Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes überdimensioniert. Die Leitungsquer¬ schnitte am Kabinenwärmetauscher bzw. an den Kühlmittel¬ schläuchen sowie die Wandstärke der Schläuche können daher reduziert werden. Des weiteren sind gegenüber herkömmlichen Anordnungen sowohl die Abmessungen der Wärmeübertragungsröhre 22 als auch der Wärmeübertragungsrippen reduziert.
In der in Fig. 9 gezeigten Ausführungsform ist ein Wärme¬ tauscher dargestellt, bei dem die Reihenschaltung der Quer¬ stromwärmetauscher über die parallel durchströmten Wärme- tauscherrohre 22 in Verbindung mit halbkreisbogenähnlichen Strömungsumlenkungen 25 erfolgt, so daß die Kabinenluft auf diesem Wege in vier Stufen erwärmt sowie das Kühlmittel über die vier Stufen abgekühlt wird. Hierdurch erfolgt insbesondere eine Reduktion des kühlmittelseitigen Druckverlustes, da sich geringere Strömungsverluste am Ein- und Austritt in die Wärme¬ übertragungsrohre 22 ergeben. Dies ist beim erfindungsgemäßen Wärmetauscher von besonderer Bedeutung, da dieser je nach Anwendung eine relativ hohe Strömungsgeschwindigkeit des Kühl- mittels in den Wärmeübertragungsrohren aufweist, so daß an einem Wärmetauscher nach Fig. 8a insbesondere an Unstetig- keitsstellen und an den Strömungsaustritten aus den einzelnen Wärmeübertragungsrohren 23 starke Impuls- und damit auch Druckverluste resultieren.
Weiterhin ist die mit Kühlmittel in Kontakt stehende Ober¬ fläche des Wasserkastens 20 bzw. das mit Kühlmittel gefüllte Volumen bei der Ausführungsform nach Fig. 8a deutlich re- duziert. Der Wasserkasten 21 nach Fig. 8a, b entfällt völlig und wird durch das im wesentlichen mit Luft in Kontakt stehen¬ de Gehäuse 26 ersetzt. Als Folge der besonderen Ausgestaltung des Wasserkastens 20 sowie des Gehäuses 9 ergibt sich eine weitere Reduktion der wärmeaktiven Masse. Durch eine spezielle Blende 27 kann die Durchströmung des Gehäuses 26 bei entspre¬ chendem Biegeradius der Wärmeübertragungsröhre 22 verhindert werden.
Eine Fertigung eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers kann dadurch erfolgen, daß in einem ersten Schritt alle parallel verlaufenden Wärmetauscherrohre 22 noch vor dem Biegen der halbkreisähnlichen Strömungsumlenkungen 25 mit der erforder¬ lichen Berippung 23 versehen und erst dann die Wasserkästen 20 bzw. 21 angebracht werden. Hierdurch ist sichergestellt, daß keine Wärmeleitung entgegen der Strömungsrichtung innerhalb der Rippen 23 erfolgt.
Des weiteren weisen die Kühlmittelzu- und -rückflußleitungen in die Wasserkästen 20 und 21 zur Verbesserung des Strömungs- Verhaltens eine düsen- bzw. diffusorartige Zone innerhalb des Wasserkastens, wahlweise auch außerhalb desselben auf, so daß kühlwasserseitige Druckverluste im Kabinenwärmetauscher ver¬ mindert werden. Insbesondere im Zusammenhang mit der Reduktion der Strömungsquerschnitte der Kühlmittelleitungen sowie einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit in den Kühlmittel¬ leitungen zur Minimierung der Wärmeverluste an die Umgebung und der wärmeaktiven Masse ist dies ebenso wie die Ausge¬ staltung der Wärmeübertragungsrohre 22 wie in Fig. 9 gezeigt, für die vorliegende Erfindung von wesentlicher Bedeutung.
In Fig. 10 ist ein Kabinenwärmetauscher dargestellt, bei wel¬ chem die Kühlmittelzufuhr 2 und die Kühlmittelabfuhr 4 seit- lieh erfolgen und bei dem die Querschnitte der Leitungen in¬ nerhalb des Wasserkastens 20 erweitert sind. Die Querschnitte der Leitungen können auch außerhalb des Wasserkastens 20 er¬ weitert sein.
Wie im Schnitt A-A verdeutlicht, wird das in den Wasserkasten 20 eingeleitete Kühlmittel durch einen Diffusor 28 weitgehend ablösungsfrei verzögert, so daß der dynamische Druck des in einem im Vergleich zu Fig. 8a wesentlich kleineren Schlauch und mit einer höheren Strömungsgeschwindigkeit strömenden Kühlmittels zumindest teilweise wieder zurückgewonnen wird. Aufgrund der geringen Strömungsgeschwindigkeit sind nicht nur die Ausströmverluste aus der Kühlmittelzufuhrleitung 2 relativ gering sondern auch die Strömungsverluste beim Verteilen des Kühlmittels auf die einzelnen Wärmetauscherrohre 22.
Bei der aus dem Wasserkasten 20 herausführenden Kühlmittel¬ strömung ergeben sich in der das Kühlmittel sammelnden Rück¬ laufleitung 4, welches die Strömung wieder auf die relativ hohe Geschwindigkeit innerhalb der Schlauchleitung be- schleunigt, analoge Vorteile.
Je nach Raumbedarf und Öffnungswinkel der Düse bzw. des Dif- fusors 28 können zur Vermeidung von Strömungsablösungen die Vorlaufleitung 2 bzw. die Rücklaufleitung 4 perforiert sein.
Insgesamt ist mittels der erfindungsgemäßen Kabinenwärme- tauscheranordnungen nahezu der Durchflußbeiwert eines Kabinen¬ wärmetauschers in Querstrombauart mit doppelflutiger Kühl¬ mittelführung nach herkömmlicher Bauweise erreichbar. Der erfindungsgemäße Kabinenwärmetauscher kann dadurch weiter verbessert werden, daß zusätzlich auch die Übergänge zu den vergleichsweise dicken Kühlmittelaustritts- und Rückflu߬ leitungsquerschnitten am Motor düsen- bzw. diffusorartig aus- geführt sind. Auch diese Einsparung an Druckverlusten kann letztlich in eine weitere Reduktion der Leitungsquerschnitte umgesetzt werden.
Durch die Reihenschaltung einer größeren Anzahl von Querstrom¬ wärmetauschern läßt sich nahezu die gleiche Wirkung erzielen, wie mit einem konventionellen Gegenstromwärmetauscher.
Da alle vier in Fig. 8a, b gezeigten Wärmetauscherrohre 22 des Kabinenwärmetauschers 3 über gemeinsame Wärmeübertragungs- rippen 23 verbunden sind, wird ein gewisser Anteil an Wärme durch Wärmeleitung in der Rippe entgegen der Luftströmung transportiert. Deshalb ist es zweckmäßig, die Wärmeüber¬ tragungsrippen 22 zumindest lokal zu unterbrechen oder lokal die Wandstärke dieser Rippen zu reduzieren. Hierbei kann die Beschränkung auf eine lokale Unterbrechung bzw. die Be¬ schränkung auf eine lokale Reduktion der Wandstärke aus ferti¬ gungstechnischen Gründen vorteilhaft sein gegenüber einer Unterbrechung über die gesamte Rippenbreite.
Die angesprochenen Maßnahmen zur Verhinderung der Wärmeleitung entgegen der Luftströmung sind bevorzugt in der Mitte zwischen den einzelnen Fluten vorzunehmen. Als positive Begleiter¬ scheinung wird durch diese Maßnahmen auch die Turbulenz der Luftströmung und damit der Wärmeübergang erhöht.
Liegen verminderte Anforderungen bezüglich der Baugröße vor, so kann die Wärmeleitung natürlich auch durch eine Ver¬ größerung der Abstände zwischen den einzelnen Wärmetauscher¬ rohren eingedämmt werden. KFZ-Wärmetauscher
Bezu szeichenliste
1 Motor 25 Strömungsumlenkung
2 Vorlaufleitung 26 Gehäuse
3 Kabinenwärmetauscher 27 Blende
4 Rücklaufleitung 28 Diffusor 5 Thermostat
6 Kühlmittelpumpe
7 Kühlmittelleitung
8 Kühlmittelleitung
9 Gebläse 10 Frischluftleitungen
11 Frischluftleitungen
12 Frischluftleitungen
13 Frischluftleitungen
14 Regelklappe 15 Bypass
16 Elektronik
17 Sensor
18 Drosselstelle
19 Zusatzheizung 20 Wasserkasten
21 Wasserkasten
22 Wärmeübertragungsrohr
23 Kühlrippe 24 Trennwand

Claims

KFZ-WärmetauscherP en nsprüche
1. Verfahren zur Beheizung der Fahrgastkabine von Kraftfahr¬ zeugen mit der Abwärme des Antriebsmotors über das flüs¬ sige oder gasförmige Kühlmittel, welches zur Erwärmung der Fahrgastkabine in Kühlmittelleitungen über einen Kabinen- Wärmetauscher und dann zurück zum Antriebsmotor geleitet wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß ein Kabinenwärmetauscher (3) mit Gegenstromcharakteristik verwendet wird und daß der Kühlmittelmassenstrom durch den Antriebsmotor (1) und/oder den Kabinenwärmetauscher (3) zur Steigerung der an die Fahrgastkabine abgegebenen Heiz¬ leistung zumindest zeitweise in Richtung auf ein durch die zulässigen Grenzwerte der Motorkühlung bestimmtes Maß reduziert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n ¬ z e i c h n e t, daß lediglich der Kühlraittelmassenstrom durch den Antriebsmotor (1) reduziert und der Kühlmittel¬ massenstrom durch den Kabinenwärmetauscher (3) beibehalten oder erhöht wird, wobei der Kühlmittelmassenstrom durch den Antriebsraotor (1) mindestens um den Faktor 2 geringer ist als in entsprechenden Fahrsituationen ohne maximalen Heizleistungsbedarf in der Fahrgastkabine.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß bei maximalem Heiz¬ leistungsbedarf in der Fahrgastkabine die Abwärme des Antriebsmotors (1) durch Reduzierung des Kühlmittelmassen¬ stroms auf die Fahrgastkabine konzentriert wird und daß bei reduziertem Heizleistungsbedarf die Reduzierung des Kühlmittelmassenstroms unterbleibt, so daß ein erhöhter Anteil der Abwärme der Aufheizung des Motors (1) zugute kommt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Reduktion des Kühl¬ mittelmassenstroms teilweise oder vollständig aufgehoben wird, sobald die Umgebungstemperatur einen bestimmten Grenzwert überschreitet.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Reduktion des Kühl¬ mittelmassenstromes nur im unteren bis mittleren Kennfeld- bereich des Antriebsmotors (1) erfolgt und bei Überschrei¬ ten einer vorgebenen Nenndrehzahl oder eines vorgebenen Nenndrehmoments des Antriebsmotors (1) ausgeschaltet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Reduktion des Kühl¬ mittelmassenstromes teilweise oder vollständig aufgehoben wird, sobald die Temperaturdifferenz des Kühlmittels zwischen Motoraustritt und Motoreintritt eine vorgegebene Obergrenze überschreitet.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Reduktion des Kühl¬ mittelmassenstromes teilweise oder vollständig aufgehoben wird, sobald die Temperatur des Kühlmittels am Austritt des Motors (1) eine vorgegebene Obergrenze überschreitet.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Reduktion des Kühl¬ mittelmassenstromes teilweise oder vollständig aufgehoben wird, sobald der Dampfdruck oder die Druckpulsation des Kühlmittels eine vorgegebene Obergrenze überschreitet.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Reduktion des Kühl- mittelmassenstromes über die Dimensionierung der Leitungs¬ querschnitte und/oder die Geometrie des Kabinenwärmetau¬ schers (3) erfolgt und daß der Kühlmittelmassenstrom durch Öffnen und Schließen eines im großen Kühlmittelkreislauf angeordneten Thermostaten (5) geregelt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Kühlmittelmassenstrom solange reduziert wird, bis die Kühlmitteltemperatur am Austritt aus dem Kabinenwärmetauscher (3) eine vorgegebene Untergrenze erreicht.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Kühlmittelmassenstrom solange reduziert wird, bis das Kühlmittel am Austritt aus dem Kabinenwärraetauscher (3) eine vorgegebene Temperatur¬ differenz zur Motoraustrittstemperatur erreicht.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 11,. d a u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß bei reduziertem Kühl¬ mittelmassenstrom der Frischluftdurchsatz durch den Kabi¬ nenwärmetauscher (3) reduziert wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n ¬ z e i c h n e t, daß die Reduktion des Frischluftdurch¬ satzes durch den Kabinenwärmetauscher (3) nur dann er¬ folgt, wenn die Temperatur oder die Feuchtigkeit der Umge¬ bungsluft einen bestimmten Grenzwert unterschreitet.
14. Verfahren nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n ¬ z e i c h n e t, daß die Reduktion des Frischluftdurch¬ satzes durch den Kabinenwärmetauscher (3) nur dann er¬ folgt, wenn die Temperatur des Motors (1) oder die Tempe- ratur des Kühlmittels am Eintritt des Kabinenwärme¬ tauschers (3) einen bestimmten Grenzwert überschreitet.
15. Verfahren nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n ¬ z e i c h n e t, daß die Reduktion des Frischluftdurch- satzes durch den Kabinenwärmetauscher (3) nur dann er¬ folgt, wenn die Feuchtigkeit der Kabinenluft einen be¬ stimmten Grenzwert unterschreitet.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Reduktion des Kühlmittelmassenstroms manuell außer Betrieb genommen wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 16 für Kraftfahr¬ zeuge mit Elektromotor als Antrieb, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t, daß zumindest ein Teil der Heiz¬ leistung für die Fahrgastkabine aus der Regelung der elek- trischen Antriebsleistung stammt.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Kühlmittel zur Erwär¬ mung der Fahrgastkabine über eine zusätzliche Wärmequelle (19) geführt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, d a d u r c h g e k e n n ¬ z e i c h n e t, daß bei maximalem Heizleistungsbedarf in der Fahrgastkabine die Abwärme des Antriebsmotors (1) und die von der zusätzlichen Wärmequelle (19) eingespeiste Wärme durch Reduzierung des Kühlmittelmassenstroms auf die Fahrgastkabine konzentriert wird und daß bei reduziertem Heizleistungsbedarf die Reduzierung des Kühlmittelmassen¬ stroms unterbleibt, so daß ein erhöhter Anteil der Abwärme der Aufheizung des Motors (1) zugute kommt.
20. Verfahren nach Anspruch 19, d a d u r c h g e k e n n ¬ z e i c h n e t, daß die Reduktion des Kühlmittelmassen¬ stromes teilweise oder vollständig aufgehoben wird, sobald die Temperatur des Kühlmittels am Austritt des Motors (1) oder am Austritt der zusätzlichen Wärmequelle (19) eine vorgegebene Obergrenze überschreitet.
21. Verfahren nach Anspruch 19, d a d u r c h g e k e n n - z e i c h n e t, daß die Reduktion des Kühlmittelmassen¬ stroms genau dann vorgenommen wird, wenn die zusätzliche Wärmequelle (19) Wärme an das Kühlmittel abgibt.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 - 21 für Kraftfahr¬ zeuge mit Verbrennungsmotor als Antrieb, a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß als zusätzliche Wärme¬ quelle (19) ein Abgas/Kühlmittelwärmetauscher Verwendung findet.
23. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 - 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h ¬ n e t, daß der Kabinenwärmetauscher (3) als Gegenstrom- Wärmetauscher ausgeführt ist, der eine stufenweise oder kontinuierliche Erwärmung der Kabinenluft und eine stufen¬ weise oder kontinuierliche Abkühlung des Kühlmittels er¬ möglicht.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t, daß der Kabinenwärmetauscher (3) eine Gegenstromwärmetauscheranordnung mit Reihenschaltung von mindestens 3 Querstromwärmetauschern aufweist, wobei die Kabinenluft in mindestens 3 Stufen erwärmt und das Kühlmittel über diese drei Stufen abgekühlt wird.
25. Vorrichtung nach Anspruch 24, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t, daß die in Reihe geschalteten Querstromwärmetauscher in einem gemeinsamen Gehäuse (26) angeordnet sind, daß die Querstromwärmetauscher kühl¬ mitteldurchströmte Rohrleitungen (22) sowie mit den Rohr¬ leitungen und der Kabinenluft in Kontakt stehende Wärmetauscherrippen (23) aufweisen, so daß die Kabinenluft mittels der Wärmeübertragungsrippen (23) beheizbar ist.
26. Vorrichtung nach Anspruch 25, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t, daß für alle in Reihe geschalte¬ ten Querstromwärmetauscher gemeinsame Wärmeübertra¬ gungsrippen (23) zur Beheizung der Kabinenluft verwendet werden.
27. Vorrichtung nach Anspruch 25 oder 26, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Wärmetauscherrippen (23) so ausgebildet sind, daß die Wärmeleitung entlang der Wärmeübertragungsrippen (23) entgegen der Strömungsrich¬ tung der durch den Wärmetauscher geförderten Kabinenluft vermindert ist.
28. Vorrichtung nach Anspruch 27, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t, daß in den Wärmeübertragungs- rippen (23) im Bereich zwischen den kühlmittelführenden Rohren (22) Aussparungen zur Unterbrechung der Wärmelei- tung entgegen der Luftströmungsrichtung vorgesehen sind und/oder daß die Dicke der Wärmeübertragungsrippen (23) lokal reduziert ist und/oder daß der Abstand der kühl¬ mittelführenden Rohre (22) zueinander so bemessen ist, daß die Wärmeleitung entgegen der Strömungsrichtung der durch den Wärmetauscher (3) geförderten Kabinenluft vernach¬ lässigbar ist.
29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 - 28, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Kühl- mittelleitung (2) vom Motor (1) zum Kabinenwärmetauscher (3) zumindest teilweise einen wesentlich geringeren Strö¬ mungsquerschnitt aufweist, als die vom Kabinenwärme¬ tauscher (3) zum Motor (1) führende Kühlmittelleitung (4).
30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 - 29, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Kühlmit¬ telleitung (2) vom Motor (1) zum Kabinenwärmetauscher (3) zumindest teilweise besser gegenüber der Umgebung isoliert ist, als die vom Kabinenwärmetauscher (3) zum Motor (1) führende Kühlmittelleitung (4).
31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 - 30, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Innen¬ durchmesser der am Kabinenwärmetauscher (3) angeschlosse- nen Kühlmittelleitungen (2, 4) bei Personenkraftwagen geringer als 11 mm ist.
32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 - 31, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß im Nahbereich des Kühlmittelaustritts aus dem Motor (1) eine düsenarti¬ ge, eine weitgehend ablösungsfreie Kühlmittelströmung ermöglichende Verringerung des Leitungsquerschnitts der Kühlmittelleitung vorliegt.
33. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 - 32, d ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß im Nahbereich des Kühlmitteleintritts in den Motor (1) und/oder in das Gehäuse der Kühlmittelpumpe (6) und/oder im Nahbereich des Wärmetauschereintritts eine diffusorartige, eine weit¬ gehend ablösungsfreie Kühlmittelströmung ermöglichende Erweiterung des Leitungsquerschnitts der Kühlmittelleitung vorliegt.
34. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 - 33, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die vom Motor (1) wegführende Kühlmittelleitung (2) in Wärmetausch mit dem Motoröl steht.
35. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 - 34, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß eine zusätz¬ liche Wärmequelle (19) zur Beheizung der Fahrgastkabine vorgesehen ist und daß die Reduktion des Kühlmittelmassen- Stromes bei Wärmeabgabe von der zusätzlichen Wärmequelle (19) an das Kühlmittel erfolgt.
36. Vorrichtung nach Anspruch 35, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t, daß die Reduktion des Kühlmittel- massenstromes durch die zusätzliche Wärmequelle (19) und den Kabinenwärmetauscher (3) über die Dimensionierung der Kühlmittelleitungen und/oder die Geometrie des Kabinen¬ wärmetauschers (3) erfolgt.
37. Vorrichtung nach Anspruch 35 oder 36, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Wärmequelle (19) ein Abgas/Kühlmittelwärmetauscher ist.
38. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 35 - 37, an einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor mit externer Abgasrückfüh¬ rung, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Wärmequelle (19) ein Abgas/Kühlmittelwärmetauscher in der externen Abgasrückführung ist.
39. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 35 - 37, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Wärme¬ quelle (19) ein kraftstoffbeheizter Brenner, eine elek- trische Heizung oder ein Wärmespeicher ist.
40. Wärmetauscheranordnung zur Beheizung der Fahrgastkabine von Kraftfahrzeugen mit der Abwärme eines Antriebsmotors (1) mit geringer Abwärme über das flüssige oder gasförmi- ge, im Kreislauf geführte Kühlmittel, insbesondere Wärme¬ tauscher mit angepaßter Kühlmittelzu- und abflußleitung, mit einer Mehrzahl von kühlmitteldurchströmten, mit der der Kabine zugeführten Luft in thermischem Kontakt stehen¬ den Wärmeübertragungsrohren, d a d u r c h g e k e n n - z e i c h n e t, daß mindestens 3 Querstromwärmetauscher in Reihe geschaltet sind und daß durch entsprechende Füh¬ rung der Luftströmung eine Gegenstromcharakteristik des Wärmeübergangs vorliegt, so daß die Kabinenluft in min¬ destens 3 Stufen erwärmt und das Kühlmittel über diese Stufen abgekühlt wird.
41. Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 40, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Querstromwärme¬ tauscher jeweils mehrere parallel zueinander angeordnete Wärmeübertragungsrohre (22) aufweisen, daß die Wärmeüber¬ tragungsrohre (22) mindestens zwei halbkreisbogenähnliche Strömungsumlenkungen (25) aufweisen und daß die Kabinen¬ luft auf diesem Wege in mindestens drei Stufen erwärmt sowie das Kühlmittel über diese drei Stufen abgekühlt wird.
42. Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 40 oder 41, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Wärme¬ übertragungsrohre (22) Wärmeübertragungsripppen (23) auf¬ weisen und daß in den Wärmeübertragungsrippen (23) im Bereich zwischen den Wärmeübertragungsröhren (22) Aus- sparungen zur Unterbrechung der Wärmeleitung entgegen der Luftströmungsrichtung vorgesehen sind und/oder daß die Dicke der Wärmeübertragungsrippen lokal reduziert ist und/oder daß der Abstand der Wärmeübertragungsrohre zu¬ einander so bemessen ist, daß die Wärmeleitung entgegen der Strömungsrichtung der durch den Wärmetauscher (3) geförderten Kabinenluft vernachlässigbar ist.
43. Wärmetauscheranordnung nach einem der Ansprüche 40 - 42, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Wär- metauscher (3) einen Wasserkasten (20) aufweist und daß der Übergang zwischen dem Strömungsquerschnitt der Kühl¬ mittelzuflußleitung (2) auf den Wasserkasten (20) zur Verteilung des Kühlmittels auf die einzelnen Wärmeüber¬ tragungsrohre (22) eine diffusorartige, eine weitgehend ablösungsfreie Strömung ermöglichende Erweiterung (28) des Rohrquerschnittes mit geringem Öffnungswinkel und/oder daß der Übergang vom Wasserkasten (20) auf den Strömungs¬ querschnitt der Kühlmittelabflußleitung (4) zur Ver¬ einigung des aus den einzelnen Wärmeübertragungsrohren (22) stammenden Kühlmittels eine düsenartige, eine weit¬ gehend ablösungsfreie Strömung ermöglichende Verringerung des Rohrquerschnittes aufweist.
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