DD269073A3

DD269073A3 - Wirbelbleche fuer waermeuebertrager

Info

Publication number: DD269073A3
Application number: DD30205787A
Authority: DD
Inventors: Werner Steinmetz; Conrad Gerhard; Hartmut Pabst
Original assignee: Energie & Transportforsch Inst
Priority date: 1987-04-23
Filing date: 1987-04-23
Publication date: 1989-06-21
Also published as: DE3813007A1; DE3813008A1

Abstract

Das Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Abwaermenutzung aus dem Abgas von Verbrennungsmotoren und die Schmieroelkuehlung bei Verbrennungsmotoren. Ziel der Erfindung ist es, bei Oel/Wasser-Waermeuebertragern (OeWUe) nach WP 97 710 und WP 245 701 die Waermeuebertragerleistung wesentlich zu erhoehen und die Fertigungskosten zu senken. Es steht dabei die technische Aufgabe, auf Abgas-, Oel- und Wasserseite der OeWUe bzw. AWUe durch entsprechende Wirbelbleche einen im Sinne hoher Waermeuebergangszahlen effektiven Stroemungsverlauf zu realisieren. Die Aufgabe wird geloest durch zwei Grundtypen von Wirbelblechen WB I und WB II. Wirbelbech WB I ist vorzugsweise fuer die Wasserseite bestimmt. Es stellt einen Kamm dar, der aus einem durchgehenden Steg und zueinander parallelen, profilierten Zinken besteht. Kurze Zinken wechseln sich mit langen Zinken ab. Wirbelblech WB II ist fuer Oel- und Gasseite bestimmt. Es besitzt Ausklinkungen, deren gestreckte Laenge wesentlich kleiner ist als die Breite der Fenster, aus denen sie ausgestanzt wurden.

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Ein Anwendungsgebiet ist die Abwärmenutzung aus dem Abgas von Verbrennungsmotoren. Ein zweites ist die Schmierölkühlung bei Verbrennungsmotoren. Die Erfindung wird dabei vorzugsweise eingesetzt in Abgas/Wasser-Wärmeübertragern (AWÜ) nach WP 245701 und DE P 3629443.8, ferner in Öl/Wasser-Wärmeübertragern (ÖWÜ) nach DD WP 97710 bzw. DD WP 128259 und in Evolventen-Wärmeübertragern (EWU) nach DD WP 221540 A 1.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Zur Erhöhung des Wärmeüberganges sind turbulenzverstärkende Wirbelelemente bei ÖWÜ seit langem bekannt. Moderne« ÖWÜ in Plattenbauweise haben auf der Ölseite sogenannte Wirbelzellen, die die Wärmeübergangszahlen auf ein mehrfaches gegenüber WÜ-Flächen ohne Wirbelelemente orhöhen. Diese Wirbelzellen sind jedoch nicht bei in Strömungsrichtung gekrümmten und dazu im Querschnitt konischen Kanälen, wie sie zugenannten Anwondungsfällen vorliegen, einsetzbar. Auch ein Demontieren der Wirbelzellen zum Zwecke der leichten Reinigung der WÜ-Kanäle ist nicht möglich. Bei AWÜ sind bisher keine Wirbelelemente auf der Abgasseite bekanntgeworden. Aus der Firmenschrift der FIAT-Automobil-AG ist ein AWÜ bekannt, der in einem Gasmotor-Generator-Aggregat, genannt TOTEM, eingesetzt ist. Es handelt sich um ein Druckgußteil, bei dem die WÜ-Flächen in Strömungsrichtung sinusförmig gewellt gegossen sind. Eine solche Maßnahme ist bezüglich ihrer Turbulenzerhöhung nahezu unwirksam, zumindest auf der Abgasseite.

Bei den ÖWÜ nach DD WP 97710 sind ölseitige Gittereinlagen vorgesehen, die sich loch für in Strömungsrichtung gekrümmte Flächen eignen. Diese Gittereinlagen liegen mit ihren wechselseitigen Ausklinkungen an den Wardungen der ölführenden Kanäle an. Ihre Öldurchtrittsöffnungen haben einen Querschnitt, der einer üblichen Siebmaschenweite entspricht. Der Nachteil dieser Gittereinlagen besteht darin, daß sie mit ihren Ausklinkungen einen zu großen Teil der Wandungen der ölführenden Kanäle abdecken und so die mögliche WÜ-Leistung reduzieren. Außerdem sind die Durchtrittsquerschnitte für das Öl zu klein. Schließlich ist die ser' recht zur Wand gerichtete Komponente der Ölströmung zu klein, was ebenfalls die mögliche WÜ-Leistung begrenzt.

Für Abgas, in Verbindung mit den AWÜ nach WP 245701 und DE P Jl>29443.8 ei(|nen sich die vorgenannten Gittereinlagen nicht, weil sie sicn, insbesondere im Dieselbetrieb, in den zu engen Durchtrittsquerschnitten mit Ruß zusetzen. Sie besitien auch nicht die Warmfoitigkeit, wie sie für Abgase, insbesondere von Otto-Motoren, notwendig ist.

Wasserseitig ctind be i dem ÖWÜ nach WP 97710 vertikal wirkende l.'mlenkelemsnte installiert. Diese als drei Röhrchen ausgebildeten 'Jmlenkelemente haben den Nachteil, daß sich in den wasserführenden Kanälen Totwassergebiete und sogar Dampf- und Luftblasen bilden können. Eine Verringerung der WÜ-Loistung ist die Folge. Außerdem lassen sich din Röhrchen in der Großserienproduktion weder in der Lage zueinander noch in der Tiefe so genau montieren und fixieren, daß ein exaktes StrÖTiungsbild gaiantiert und die sichere Entlüftung des gesamten Kanalquerschnittes gewährleistet ist. Schließlich entstehen durch das E nschlag.?n der Röhrchen infolge dei hohen Einrireßkräft« Hisse und damit Ausschuß nm WÜ-Einsatz. Das trifft um so mehr zu, wenn durch Steigerung der WÜ-Leistung mehre/s drei Röhichen installiert werden müssen.

Ziel dor Erfindung

Ziel der Erfindung ist us, die vorstehend genannten Mängel zu beseitigen und Wiibelbleche zu entwickeln, die die ölkühlung bei Verbrennungsmotoren intensivieren und den Wirkungsgrad dei Wärmerückgewinnung auts den Abgasen von Verbrennungsmotoren erhöhen. Die Fertigungskosten solion dabai minimal gehalten werden.

Darlegung dw Wtsons der Erfindung

Bei dem ÖWÜ nach DD WP 97710 und WP 245701 sind Rt serven der WÜ-Leistung noch nicht eusgenutzt. Die thermodynamwchen Ursachen liegen bei den noch zu nie Jrijien Wärrrmübergangszahlen sowohl auf der Wasser- als auch auf der Öl- bzw. Abwasserte. Abgasseitig kommt beim AWÜ, insbesondere im Dioselbetrieb, hinzu, daß durch Verschmutzung mit Ruß sich zusätzlich die Wärmedurchgangszahl ,K' gravierend verschlechtert. Durch Erhöhung dor Turbulenz und durch eine exakto Makroströmung bei den drei Strömungsmedien läßt sich die WÜ-Leistung bei mininalen Druckverlusten wesentlich erhöhen. Die dazu zu lösende technische Aufgabe beinhaltet die konstruktive Gestaltung folgender Wirbelb.'echvarianton:

— v/aäserseitiges Wirbelblech für ÖWÜ und AWÜ, das beliebig viele Leitelemente für eine mäanderförmiga Strömung vereinigt, eine sichere Lagefixierung gewährleis\et und mit geringen Eindrückkräften montierbar und demontierbat ist.

— ölseitiges Wirbelblech für ÖWÜ, das eir.'o maximale senkrecht zur Wand gerichtete Komponente der Ölströmung erzwingt und daboi eine minimale Fläche der Wand abdeckt.

— a'ogasseitiges Wirbelblech für AWÜ, da» zusätzlich zu den Forderungen für ÖWÜ Querschnittsverengungen, die durch die Ausklinkungen verursacht werden, besaitigt, aas ferner Antihafteigencchaften aufweist, das für unterschiedliche Abgas-Volumenströme variierbar ist, temperaturbeständig bis 700⁰C ist und sich zwecks Reinigung leicht demontieren läßt.

Diese technische Aufgabe wird gelöst durch zwei Grundtypen von Wirbelb'achen, von denen der eine Grundtyp WBI

vorzugsweise für die Wasserseite und der zweite Grundtyp WB Il für Öl und Gasseite bestimmt ist. Die Verwendung des gleichen

Wirbelblechtyps WB Il für öl und Abgas bezieht sich auf die Geometrie des; Wirbelbleches und auf dessen Fertigung mit den

gleichen Werkzeugen. Bezüglich Einbau, Werkstoff und Oberflächenbehandlung unterscheiden sich dann die Varianten des

Wirbelblechs WB Il für Öl und Abgas. Das erfindungsgemäße Wirbelblech WF31 stellt einen Kamm dar, daraus einem durchgehenden Steg und zueinander parallelen

profilierten Zinken besteht. Kurze Zinknn wechseln sich mit langen Zinken nb. Die Zinken weisen einen glockenförmigen

Querschnitt und einen konischen Längsschnitt auf. ßei den kurzen Zinken geht das glockenförmige Querschnittsprofil durch den Steg hindurch. Dagegen läuft das Glockenprofil bei den langen Zinken in bestimmtem Abstand vor dem äußeren oberen Rand

des Steges aus. Die langen Zinken lassen so jeweils einen Durchtritt für das Wasser im oberen Teil des Kanals, während diekurzen Zinken den Kanal im unteren Teil jeweils freigeben. Diese erfindungsgemäßen Merkmale sichern so eine mäanderförmige

Kanalströmung in beliebig enger Folge. Einem weiteren Merkmal zufolge ist das Wirbelblech WBI so in den Wasserkanal eingesetzt, daß ein kleiner Spalt von etwa

0,5...1 mm zwischen den langen Zinken und dem Deckel vorhanden ist.

Schließlich weist Wirbelblech WB ! an den Übergängen von den langen Zinken zum Steg Öffnungen auf, die eine geringe Strömung auch in dem von den langen Zinken abgedeckten Wandbereich sichern. Einem zusätzlichen Merkmal zufolge wird das Wirbelblech WB I bei Dieselmotoren in Fällen hartnäckiger Verrußung auch auf

der Abgasseite des AWÜ eingesetzt.

Das erfindungsgemäße Wirbelblech WB Il besitzt an sich bekannte Ausklinkungen und entsprechende Fenster, aus denen sie

ausgestanzt wurden. Erfindungsgemäßes Merkmal ist es, daß die gestreckte Lingo dieser Auskiinkungen wesentlich kleiner istals die Breite der Fenster. Dadurch hat der durch das Fenster hindurchtretende öl- bzw. Abgasstrom maximalen Kontakt mit dor

Wandfläche. Ein weiteres Merkmal des erfindungsgemäßen Wirbelblechs WB Il ist es, daß es ;;ur Erreichung einer maximalen Wärmeüherg&ngszahl mit der Brust des Fensters gegen die Strömung im Öl- bzv/. Abgaskanal installiert ist. Dagegen ist einem

entsprechenden Merkmal zufolge für maximale Di uckverluste das Wirbelblech WB Il mit der Brust des Fensters In

Strömungsrichtung eingesetzt. Entsprechend weitere,! Merkmalen ist das Wirbelblech WB Il bei ÖWÜ aus Aluminium und bei AWÜ, insbesondere in Gas/

„Otto'-Motoren, aus warmfestem Stahl. Schließlich ist das Wirbelblech WB Il für den Anwendungsfall bei Dieselabgasen miteinem Antihaftüberzug versehen.

Ausföhrungsbelsplel

Anhand von zwei Ausführungsbeispielen soll die Erfindung näher erläutert werden. Die zugehörigen Abbildungen zeigen:

Fig. 1: Den Längsschnitt des gestreckten Wasserkanals mit eingesetztem Wirbelblech WBI

Fig.2: den Schnitt A-A nach Fig. 1

Fig.3: den Schnitt B-B nach Rg. 1

Fig.4: Wirbelblech WB Il

Fig. 5: Wirbelblech WB Il im Schnitt, eingesetzt im Ölkanal eines ÖWÜ.

Das erste Ausführungsbeispiel bezieht sich auf einen Öl-Wasser-Wärmeübertrager (ÖWÜ) nach DD WP 97710, bei dem in den wasserseitigen Kanälen das erfindungsgemäße Wirbelblech WBI (Fig. 1-3) und in den ölseitigan Kanälen das erfindungsgemäße Wirbelblech WB Il (Fig.4 und 5) installiert ist. Wirbeiblech WB I ist gemäß Fig. 1 als Kamm mit sieben Zinken ausgeführt. Die vier langen Zinken 2 und die drei kurzen Zinken 3 sitzen in gleichmäßigen Abständen parallel am Steg 1.Auf Grund der leichten Verformbarkeit des Steges 1 läßt sich das gesamte Wirbelblech WBI leicht an den evolventenförmigen Verlauf des Wasserkanals angleichen und in diesen eindrücken. Mit ihrem glockenförmigen Querschnitt 4 klemmen die Zinken unter leichter Vorspannung im Wasserkanal 6.

Dabei weist der konische Längsschnitt 5 der Zinken die gleiche Kontur auf wie der konische Querschnitt des Wasserkanals β und versperrt dadurch im Wechsel der Zinken jeweils den oberen bzw. unteren Toil des Wasserkanals. Ua bei den langen Zinken 2 jeweils der glockenförmige Querschnitt 4 in einem Abstand 16 von etwa 10 mm vor dem äußeren Rand 7 endet, ergibt sich so ein entsprechender Wasserdurchfluß im oberen Tei! des Wasserkanal. Die kurzen Zinken 3 dagegen lassen im unteren Teil des Wasserkanal einen Wasserdurchtritt von ebenfalls etwa 10mm. So ergibt sich ein mäanderförmiges Strömungsbild 17 mit sieben Umlenki mnnn. Die langen Zinken 2 haben am Auslauf des glockenförmigen Querschnitts 4 eine kleine Öffnung 15, dia in Verbindung mit dem Spalt 13 gewährleistet, daß auch der von den langen Zinken abgedeckte Wandbereich vom Wasser angeströmt wird. Der Spalt 13, der etwa 0,5 bis 1 mm beträgt, ermöglicht außerdem das vollständige Entleeren des ÖWÜ bei Montagearbeiten am Motor.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Wirbelblechs WB I gemäß Fig. 1-3 sind wirtschaftliche Fertigung als Stanz- und Ziehteil, einfache Montage, genaue Justierung, exakte Ström jngsführung, sichere Entlüftung, hohe wasserseitige Wärmeübergangszahl.

Zum ersten Ausführungsbeispiel in Verbindung mit dem ÖWÜ nach DD WP 97710 gehört des weiteren das erfindungsgemäße ölseitige Wirbelblech WB Il entsprechend Fig. 4 und 5. Wirbelblech WB Il hat auf der gesamten Fläche wechselseitige Ausklinkungen 8, die unter Vorspannung an den Wänden des evolventenförmig gekrümmten ölkanals anliegen. Die gestreckte Länge 9 dieser Ausklinkungen 8ist wesentlich kleinerals die Breite 10der Fenster 11, aus denensie jeweils ausgestanzt wurden. Diese Dimensionierung ist besonders für den unteren engen Teil des konischen Kanalquerschnitts wichtig. Würde entgegen dieser erfinderischen Absicht die gestreckte Länge der Ausklinkung aus naheliegenden technologischen Gründen gleich groß wie die Breite des Fennters, so würde die senkrecht zur Wand gerichtete Strömungskomponente wesentlich kleiner, des weiteren würde ein großer Teil der Wand abgedeckt werden und drittens würde der kleinste Strömungsquerschnitt noch enger. Mit der erfindungsnemSßep. Dirnefisicniarüng von A'ipkiinkung 8 und Fenster 11 werden somit die ölseitige Wärmeübergangszahl und damit die WÜ-Leistung wesentlich erhöht. Gemäß Fig. 5 ist das Wirbolblech WB Il so in den ölkanal eingesetzt, daß die Brust 12 gegen die Strömung 18 gerichtet ist. Das Wirbelblech WB Il ist aus Aluminium.

Daszweite Ausführungsbeispiel bezieht sich auf einen Abgas-Wasser-Wärmeübertrager (AWÜ) nach DD WP 245701, bei dem in den wasse eiligen Kanälen erfindungsgemäße Wirbelbleche WB I und in den abgasseitigen Kanälen das erfindungsgemäße Wirbelblech WB Ii installiert ist.

Wasserseitig sind wiederum sieben vertikale Umlenkungen realisiert. Das geschieht abweichend vom 1 .Ausführungsbeispiel durch zwei Wirbelbleche WB I mit jeweils nur drei Zinken und einer in Kanalmitte eingegossenen Umlenkung, welche den in Fig. 1 vorhandenen mittigen kurzen Zinken 3 ersetzt.

Das abg isseitige Wirbelblech WB U ist aus warmfastem, keramikbeschichtetem Stahlblech gefertigt. Es ist so in den Abgaskanal eingesetzt, daß die Brust 12 in Richtung des Abgasstromes zeigt.

Claims

1. Wirbelbleche für Wärmeübertrager, die in den evolventenförmig gekrümmten und im Querschnitt konischen Kanälen von Abgas/Wasser-Wärmeübertragern bzw. Öl/Wasser-Wärmeübertragern eingesetzt sind, wobei in den wasserführenden Kanälen vertikal wirkende Umlenkelemente unter Vorspannung angeordnet sind, während in den ölführenden Kanälen Gittereinlagen eingelegt sind, deren wechselseitige Ausklinkungen mit Vorspannung an den Wandungen anliegen, dadurch gekennzeichnet, daß das vorzugsweise für die Wasserseite vorgesehene Wirbelblech WB I als Kamm ausgeführt ist, der aus einem durchgehenden Steg (1) und einander abwechselnden langen Zinken (2) und kurzen Zinken (3) besteht, wobei die Zinken einen glockenförmigen Querschnitt (4) und einen konischen Längsschnitt (5) aufweisen, wobei ferner der glockenförmige Querschnitt (4) bei den langen Zinken (2) in einem Abstand (16) von dem äußeren Rand (7) des Steges (1) endet, während er bei den kurzen Zinken (3) durch den Steg (1) hindurchgeht, daß das vorzugsweise für die Öl- bzw. Abgasseite vorgesehene Wirbelblech WB Il Ausklinkungen (8) besitzt, deren gestreckt« Länge (9) wesentlich kleiner ist als die Breite (10) der Fenster (11), aus denen sie ausgestanzt wurden.

2. Wirbelblech WB I nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die langen Zinken (2) einen geringen Spalt (13) ;:wischen sich und dem Deckel (14) lassen und des weiteren eine kleine Öffnung (15) am Übergang zwischen Zinken und Steg aufweisen.

3. Wirbelblech WB I nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß es für minimale Druckverluste sowohl auf der Wasser- als auch auf der Abgasseite des Abgas/Wasser-Wärmeübertragers installiert ist.

4. Wirbelblech WB Il nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für minimale Druckverluste die Brust (12) der Fenster (11) in Strömungsrichtung angeordnet ist.

5. Wirbelblech WB Il nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für maximale Wärmeübergangszahlen die Brust (12) der Fenster (11) gegen die Strömung (18) gerichtet ist.

6. Wirbelblech WB Il nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es für Öl/Wasser-Wärmeübertrager aus Aluminium gefertigt ist,

7. Wirbelblech WB Il nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es insbesondere für Abgas/ Wasser-Wärmeübertrager von Gas/Otto-Motoren aus warmfesiem Stahlblech gefertigt ist.

8. Wirbelblech WB Il nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es insbesondere für Abgas/ Wasser-Wärmeübertrager von Dieselmotoren mit einem Antihaft-Überzug versehen ist.