DE748857C - Zylindrischer gasgekuehlter Gas- oder Zwischenkuehler, z.B. fuer Ladeluft von Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

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

Claims (6)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Zylindrischer gasgekühlter Gas- oder Zwischenkühler, z. B. für Ladeluft von Brennkraftmaschinen, mit in Rohrböden gehaltenen Kühlrohren und mit Lenkflächen zur gleichmäßigen Beaufschlagung vor der Eintrittseite des durch die Kühlrohre strömenden Mittels sowie mit Erweiterungen der Kühlrohre auf der Austrittseite, dadurch gekennzeichnet, daß die Lenkflächen vor der Eintrittseite von konzentrisch ineinander angeordneten Leitringen (a) gebildet werden, die von der Zuführungsleitung bis kurz vor den Rohrboden reichen und sich in Strömungsrichtung @im Querschnitt erweiternde Kanäle ergeben, während die Erweiterungen der Kühlrohre auf der Austrittseite langgezogene Diffusoren (e) sind.
2. 2. Gas- oder Zwischenkühler nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittöffnungen der Diffusoren wabenartig (Abb. 3) ausgebildet sind.
3. 3. Gas- oder Zwischenkühler nach den Ansprüchen i und z, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittöffnungen der Kühlrohre vor dem ersten Kühlerboden düsenartig aufgebördelt sind, q.. Gas- oder Zwischenkühler nach den Ansprüchen i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre in den Rohrböden durch Fließverformung und Aufbördeln des äußeren Endes befestigt sind. 5. Gas- oder Zwischenkühler nach den Ansprüchen i bis q., dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlröhrchen bei Leichtnietallausführung im runden Teil einen lichten Durchmesser etwa von 4,5 bis 5 nim und im flachen Teil einen lichten Ouerschnittvon etwa 1.
4. 4 X 1,2 bis 1.4,
5. 5 X 1-",5 mm haben.
6. 6. Gas- oder Zwischenkühler nach den Ansprüchen i bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die hintereinanderstehenden Kühlröhrchen einen Längsabstand (1i) haben, der kleiner als die Dicke (l) der Flachröhrchen ist. Zur Abgrenzung des Anmeldungsgegenstande$ vom Stand der Technik sind im Erteilungsverfahren folgende Druckschritten in Betracht gezogen worden: deutsche Patentschrift ..... \r.681 i 2o; französische Patentschriften - 3:f6 172, 378 779, 409 899, 421 155- 797 659; britische Patentschriften Nr.9 iii/i gio, 451 293 USA.-Patentschrift ..... - 2 168 i66.