WO2005057019A1

WO2005057019A1 - Kühlungsverfahren

Info

Publication number: WO2005057019A1
Application number: PCT/CH2004/000698
Authority: WO
Inventors: Ennio Codan
Original assignee: ABB Turbo Systems AG
Current assignee: Accelleron Industries AG
Priority date: 2003-12-09
Filing date: 2004-11-19
Publication date: 2005-06-23
Anticipated expiration: 2006-06-09
Also published as: DE10357711A1; EP1692399A1

Abstract

Auf die mit dem zu verdichtenden, gasförmigen Medium in Berührung kommende Oberfläche des rotierenden Verdichterrades (1) wird eine Kühlflüssigkeit (21) aufgebracht. Die Kühlflüssigkeit verdampft (23) aufgrund der hohen Temperaturen des Verdichterrades mindestens teilweise. Die Temperatur der Kühlflüssigkeit (22) sinkt und die gekühlte Flüssigkeit übt damit eine kühlende Wirkung auf das Verdichterrad aus. Mit Zugabe von kleinen Mengen Flüssigkeit kann der Wärmeübergangskoeffizient alpha zwischen dem Verdichterrad und der Strömung bereits wesentlich erhöht werden.

Description

Kühlungsverfahren

B E S C H R E I B U N G

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der abgasbetriebenen Turbolader. Sie betrifft ein Verfahren zum Kühlen des Verdichterrades eines.

Stand der Technik

In der Technik sind verschiedene Verfahren bekannt, in denen Bauteile, die thermisch beansprucht sind, durch Zirkulation eines flüssigen oder gasförmigen Mediums gekühlt werden. Die Kühlung durch Flüssigkeiten ist sehr wirksam, wenn die Flüssigkeit bis in die Nähe der kritischen Stellen des Bauteils geführt werden kann. Diese Art Kühlung ist jedoch relativ aufwendig, denn in der Regel wird die Flüssigkeit in einem Kreislauf betrieben. Die Kühlflüssigkeit wird durch Kühlkanäle in den zu kühlenden Teilen gepumpt, nimmt dort Wärme auf und gibt die aufgenommene Wärme anschliessend in einem separaten Wärmetauscher wieder ab.

Die Kühlung mit einem Gas ist mit weniger Aufwand verbunden, denn das gasförmige Kühlmedium muss lediglich auf das zu kühlende Bauteil gerichtet werden und dieses umströmen. Oftmals wird das Gas nicht zurückgewonnen, d.h. kein aufwendiger Kreislauf und kein Wärmetauscher sind notwendig. Die Kühlwirkung ist dadurch jedoch beschränkt.

Die maximale Wärmemenge, die abgeführt werden kann, ist durch die Formel geregelt: Q = α S D_t wobei S eine Wärmeübergangsfläche darstellt, D_t ist die mittlere Temperaturdifferenz zwischen Bauteil und Medium und α (alpha) ist ein Wärmeübergangskoeffizient, der typisch in den folgenden Bereichen liegt: α = 1000 - 10000 W K^"1 m^"2 für Wasser, α = 10 - 100 W K^{- 1} m^"2 für Luft.

Kurze Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, effizientes Verfahren zum Kühlen des Verdichterrades eines Abgasturboladers zu schaffen.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Auf die mit dem zu verdichtenden, gasförmigen Medium in Berührung kommende Oberfläche des rotierenden Verdichterrades wird eine Kühlflüssigkeit aufgebracht. Die Kühlflüssigkeit verdampft aufgrund der hohen Temperaturen des Verdichterrades mindestens teilweise. Die Temperatur der Kühlflüssigkeit sinkt und die gekühlte Flüssigkeit übt damit eine kühlende Wirkung auf das Verdichterrad aus.

Vorteilhafterweise wird die Kühlflüssigkeit auf die Oberfläche des Verdichterrades aufgebracht, indem die Kühlflüssigkeit stromauf des Verdichterrades dem gasförmigen Medium zugeführt wird.

Bereits mit Zugabe von kleinsten Mengen Flüssigkeit (im Bereich 1 bis 3%) kann der Wärmeübergangskoeffizient α zwischen dem Verdichterrad und der Strömung wesentlich erhöht werden. Im extremen Fall kann α sogar negativ werden, d.h. die Wärme fliesst von dem kälteren Bauteil in die wärmere Strömung.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden wird anhand einer Figur das erfindungsgemässe Verfahren näher erläutert.

Die Figur zeigt schematisch die erfindungsgemässe Kühlung an einem Verdichterrad. Weg zur Ausführung der Erfindung

Ein Abgasturbolader besteht hauptsächlich aus einem Verdichter und einer Abgasturbine. Der Verdichter umfasst hauptsächlich ein Gehäuse und ein im Gehäuse auf einer Welle drehbar angeordnetes Verdichterrad. Das Gehäuse umgibt einen Anströmkanal, durch welchen die Luft als zu verdichtendes Medium auf das Verdichterrad geführt wird. Durch Schaufeln auf dem Verdichterrad wird die Luft komprimiert und anschliessend durch einen Abströmkanal einem Brennstoffmotor zugeführt.

Im erfindungsgemässen Verfahren wird dem zu verdichtenden Medium stromauf des Verdichterrades, also bevor die Strömung das Verdichterrad erreicht und demzufolge noch unverdichtet ist und eine entsprechend tiefe Temperatur aufweist, eine verdampfungsfähige Kühlflüssigkeit zugegeben.

Bei der Kühlflüssigkeit handelt es sich um Wasser oder ein Wassergemisch. Vorteilhafterweise wird die Kühlflüssigkeit mittels mindestens einer Düse als Nebel aus vielen, sehr feinen Tröpfchen in den Strömungskanal eingedüst. Die Tröpfchen weisen vorteilhafterweise einen Durchmesser kleiner als 20 Mikrometer auf, mit speziellen Düsen lassen sich sogar Tröpfchen mit einem Durchmesser unter 3 Mikrometer erzeugen. Je feiner die Tröpfchen sind, desto besser ist die Verdampfungsfähigkeit. Kurz nach der Eindüsung, findet aufgrund der grosse Reibungswärme erzeugenden Vermischung mit der starken Strömung eine teilweise Verdampfung der Tröpfchen statt, welche die Temperatur des eingedüsten Flüssigkeitsnebels senkt.

Anschliessend wird die weitere Verdampfung in der Strömung stark verlangsamt, da die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen Strömung u nd den mitgeschleppten Tröpfchen sehr klein wird. Demzufolge bekommen die Tröpfchen zu wenig Wärme von der Strömung, um signifikant weiter zu verdampfen.

Das Verdichterrad muss die Verbrennungsluft für den Motor möglichst hoch verdichten. Obwohl die Luft durch die Verdichtung erwärmt wird, ist aufgrund der schnellen Hauptströmung in den Verdichterkanälen die statische Temperatur in den Verdichterkanälen nicht besonders hoch ist. Allerdings fliesst Wärme, welche sich durch die Verzögerung und die intensive Reibung an der Rückseite des Verdichterrades bildet, von der Rückseite durch das Material des Verdichterrades und wird über die Oberfläche in die Hauptströmung abgegeben.

Wenn, wie in der Figur dargestellt, die Tröpfchen 21 in die Nähe oder an die Wand des Verdichterrades 1 kommen, werden sie in der Grenzschicht gebremst (a) und können einen dünnen Film 22 bilden. Dieser Film aus der eingedüsten Kühlflüssigkeit nimmt Wärme einerseits vom heissen Verdichterrad auf (e) und andererseits reibungsbedingt von der Hauptströmung 3, da die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen Hauptströmung und dem Bereich des Films viel höher ist (b). Aufgrund dieser Wärmeaufnahme wird zumindest ein Teil des Filmes 23 durch Verdampfung (c) in die Strömung 3 gasförmig abgetragen. Der nicht verdampfte Teil des Flüssigkeitsfilmes 24 wird du rch die grossen, zentrifugal wirkenden Kräfte wieder in die Strömung abgegeben (d). Die Verdampfung hat eine kühlende Wirkung auf den Film und auf die Oberfläche des Verdichterrades. Die Oberflächentemperatur liegt im Bereich der sogenannten "wet bulb" Temperatur, d.h. die Temperatur, die ein angefeuchtetes Thermometer in der Strömung misst, und welche tiefer ist als die Temperatur der Strömung. Die eingedüste Flüssigkeit und der allenfalls entstehende Wasserfilm führt zu einer wesentlichen Erhöhung des Wärmeübergangskoeffizienten α zwischen dem Bauteil und der Strömung. Im extremen Fall kann α sogar negativ werden, d.h. die Wärme fliesst dann von dem kälteren Bauteil in die wärmere Strömung.

Das erfindungsgemässe Verfahren ist aus Sicht der Kühlwirkung extrem effizient. Trotz des grossen Flüssigkeits- und Energieverbrauchs für die Eindüsung ist die Anwendung des erfindungsgemässen Kühlverfahrens insbesondere bei Verdichtern von Turbolader interessant, da das Verdichterrad mit anderen Verfahren sehr schwierig zu kühlen ist. Zudem verbessert die Abkühlung der Hauptströmung den Verdichterwirkungsgrad und der Wasserdampf reduziert die NOx-Emissionen des mit dem Turbolader verbundenen Verbrennungsmotors.

Die Verdichterräder der gewöhnlichen Turbolader sind aus wirtschaftlichen Gründen aus Aluminium. Die Zeitstandfestigkeit des Materials nimmt sehr stark mit der Temperatur ab, was heute die Einsatzgrenze von Aluminiumverdichter auf Druckverhältnisse von etwa 5 beschränkt. Wird kurz vor dem Radeintritt Wasser in die Luftströmung eingedüst, kann man eine erhebliche Senkung der Materialtemperatur erzeugen, die das Erreichen von Druckverhältnisse bis 6 oder 7 ohne den Wechsel auf mitunter mehrfach teurere Materialien, wie beispielsweise Titan erlaubt.

Bezugszeichenliste

1 Verdichterrad

21 Flüssigkeitstropfen

22 Flüssigkeitsfilm

23 Dampf

24 Flüssigkeitstropfen

Claims

PATE NTANS P R Ü C H E

1. Verfahren zum Kühlen des Verdichterrades eines Turboladers, dadurch gekennzeichnet, dass auf die mit dem zu verdichtenden, gasförmigen Medium in Berührung kommende Oberfläche des rotierenden Verdichterrades eine Kühlflüssigkeit aufgebracht wird, wobei die Kühlflüssigkeit stromauf des Verdichterrades dem unverdichteten und eine entsprechend tiefe Temperatur aufweisenden gasförmigen Medium zugeführt wird, und die Kühlflüssigkeit aufgrund der hohen Temperaturen des Verdichterrades mindestens teilweise verdampft, die Temperatur der Kühlflüssigkeit durch die Verdampfung sinkt und die gekühlte Flüssigkeit damit eine kühlende Wirkung auf das Verdichterrad ausübt.

2. Kühlverfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlflüssigkeit in Form eines Flüssigkeitsfilms auf die Oberfläche aufgebracht wird.

3. Kühlverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlflüssigkeit in Form von Tröpfchen in den Strömungskanal eingedüst wird, und dass die Grosse der Tröpfchen derart gewählt wird, dass die eingedüste Flüssigkeit vor und während dem Verdichtungsvorgang im gasförmigen Medium nicht vollständig verdampft, so dass die Kühlflüssigkeit in flüssigem Zustand in Kontakt mit der Oberfläche des Verdichterrades kommt.

4. Kühlverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlflüssigkeit in Form von Tröpfchen mit einem maximalen Durchmesser von 20 Mikrometer in den Strömungskanal eingedüst wird.