ОТОПИТЕЛЬНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК ВЫСОКОЙ МОЩНОСТИ ДЛЯ АВТОМОБИЛЕЙ, А ТАКЖЕ УСТРОЙСТВО ОТОПЛЕНИЯ-КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ С ОТОПИТЕЛЬНЫМ ТЕПЛООБМЕННИКОМ ВЫСОКОЙ МОЩНОСТИ
HEATING HIGH-DUTY HEAT EXCHANGER FOR AUTOMOBILES, AS WELL AS HEATING-CONDITIONING DEVICE WITH HEATING HIGH-DUTY HEAT EXCHANGER

Изобретение относится к отопительному теплообменнику высокой мощности для кондиционирования салона изготавливаемых большими сериями легковых автомобилей отходящим теплом охлаждаемых жидкостью приводных компонентов, в частности отходящим теплом охлаждаемых жидкостью двигателей внутреннего сгорания, который имеет паяную матрицу переноса тепла. Кроме того, изобретение относится к устройству отопления-кондиционирования с таким отопительным теплообменником высокой мощности и к автомобильной платформе с автомобилями, которые имеют такое устройство отопления-кондиционирования или такой теплообменник.
Широко распространенным признаком современных легковых автомобилей является то, что они специально для дизельных автомобилей имеют в устройстве отопления-кондиционирования электрический дополнительный нагреватель с постоянным температурным коэффициентом (РТС) для дополнительного нагревания нагретого отопительным теплообменником воздуха салона. При одинаковом по конструкции базисном устройстве отопления-кондиционирования дизельный вариант при таком принципе действия имеет дополнительный РТС-нагреватель, а вариант с бензиновым двигателем не имеет такого дополнительного нагревателя. Для экономии значительных затрат на дополнительный РТС-нагреватель большинство изготовителей автомобилей предлагают для дизельных вариантов серийную установку дополнительных нагревателей в зависимости от состояния автомобильного рынка или даже лишь в виде опции.
Кроме того, современное развитие устройств отопления-кондиционирования в серийном производстве легковых автомобилей характеризуется тем, что применяются все более компактные отопительные теплообменники. В частности, отмечается переход к паяным теплообменникам из алюминия, при которых сознательно идут на некоторое увеличение стоимости изготовления по сравнению с собираемыми посредством чисто механического сочленения, т.е. без пайки, теплообменниками с целью экономии конструктивного пространства.
Общая оценка специалистов, что дальнейшее повышение эффективности отопительных теплообменников не принесет заслуживающих внимания преимуществ относительно нагревательной мощности, поскольку отопительные теплообменники находятся обычно в термическом насыщении, а также что специально взаимодействие электрического дополнительного РТС-нагревателя и обычного отопительного теплообменника обеспечивает эффективную относительно затрат нагревательную мощность в дизельных автомобилях, привела к тому, что многие устройства отопления-кондиционирования для легковых автомобилей имеют в настоящее время аналогичную конструкцию, содержащую стандартный отопительный теплообменник, включенный за ним со стороны воздуха дополнительный РТС-нагреватель и регулирование нагревания со стороны воздуха. В частности, новые технологии изготовления и сплавы алюминия используются на этом фоне в последние годы, прежде всего для того, чтобы уменьшить дополнительно конструктивное пространство для отопительного теплообменника, соответственно, устройства отопления-кондиционирования при сохранении коэффициента полезного действия отопительного теплообменника.
При паяных, полностью алюминиевых отопительных теплообменниках для легковых автомобилей плотность размещения труб теплообменника со стороны охлаждающего средства, а также ребер переноса тепла со стороны воздуха находится в настоящее время во многих применениях на уровне, который можно было едва представить 10 лет тому назад. В этой связи в настоящее время максимальную плотность размещения в чисто легковых автомобилях имеют теплообменники BMW третьей серии с межцентровым расстоянием t_Rohr между трубами около (3,9+1,3=5,2 мм) и (средним) межцентровым расстоянием t_Rippe между ребрами около 0,85 мм. Для определения t_Rohr и t_Rippe в рамках изобретения на фиг.3 показаны эти оба размера в паяном теплообменнике с входом 1 и выходом 2 для охлаждающего средства, а также с расположенными со стороны охлаждающего средства плоскими трубами 3 и расположенными со стороны воздуха ребрами 4, которые с помощью пайки образуют матрицу теплообменника. В направлении воздушного потока, т.е. перпендикулярно плоскости изображения на фиг.3, в рамках изобретения принимается, что пустые промежуточные пространства между отдельными группами труб теплообменника в направлении воздушного потока относятся к объему матрицы, если через эти промежуточные пространства может проходить поток воздуха. При этом неизбежные в отопительных теплообменниках большой мощности для легковых автомобилей, расположенные со стороны воздуха пазы в ребрах (прорези) для упрощения не изображены. Объем матрицы теплообменника, т.е. объем пронизываемой воздухом зоны теплообменника, составляет при этом около 0,98 л, конструктивная глубина матрицы в направлении воздушного потока составляет примерно 27 мм. Бак для воды увеличивает конструктивную глубину отопительного теплообменника для автомобилей обычно выше среднего класса, т.е. со слегка повышенными требованиями к отопительному комфорту, до 32 мм.
Отопительные теплообменники других массовых производителей в том же классе автомобилей имеют при слегка меньшей плотности размещения плоских труб и ребер слегка больший объем матрицы отопительного теплообменника, однако и в этом случае наблюдается тенденция к увеличению плотности размещения матрицы, соответственно, к уменьшению конструктивного объема. Если еще 10 лет тому назад при паяных отопительных теплообменниках были вполне обычными объемы матрицы около 1,2-1,5 л в классе Golf, а также в повышенном среднем классе, то сегодня соответствующие значения в новых автомобилях, как правило, составляют примерно 0,7-1,1 л. Менее компактные паяные отопительные теплообменники с межцентровым расстоянием между плоскими трубами более 7 мм можно найти, в частности, в совсем новых автомобилях лишь в виде исключения. Таблица на фиг.4, пояснение которой будет приведено ниже, показывает в этой связи обзор размеров типичных отопительных теплообменников для легковых автомобилей, которые устанавливаются в настоящее время при массовом производстве, при этом показанный там Honda Odyssee уже относится к сектору больших лимузинов.
Все известные устройства отопления-кондиционирования имеют общим то, что дополнительный РТС-нагреватель в соединении с паяными, а также механически сочлененными отопительными теплообменниками, приводит к значительным дополнительным расходам: с одной стороны, в автомобилях с дизельным двигателем для установки компонентов дополнительного РТС-нагревателя, с другой стороны, также в автомобилях с бензиновым двигателем, т.е. до настоящего время, как правило, без дополнительного РТС-нагревателя: в этом случае возникают обусловленные дополнительным нагревателем с постоянным температурным коэффициентом дополнительные расходы, например, для предусмотрения на одинаковом по конструкции базисном устройстве отопления-кондиционирования конструктивного пространства и условий для размещения дополнительного электрического нагревателя для дизельных вариантов. К этому добавляется значительный дополнительный расход топлива во всех рабочих ситуациях, в которых работает дополнительный РТС-нагреватель. Применяемые в настоящее время в серийных легковых автомобилях альтернативные концепции дополнительного нагревания отличаются от дополнительного РТС-нагревателя еще более высоким расходом топлива и/или еще более высокими дополнительными расходами.
С учетом этого существует задача создания отопительного теплообменника высокой мощности и имеющего его устройства отопления-кондиционирования для серийных легковых автомобилей, которые обеспечивают в качестве альтернативы к современным стандартным теплообменникам или устройствам отопления-кондиционирования в дизельных легковых автомобилях не только требуемые значения отопительной мощности, но также обеспечивают возможность одновременного снижения стоимости изготовления и уменьшения расхода топлива. Кроме того, должна быть создана соответствующая, пригодная к изготовлению большими сериями автомобильная платформа.
Теплообменник высокой мощности и устройство отопления-кондиционирования, согласно независимым пунктам формулы изобретения, решают эту задачу.
2
2
2
2
2
С помощью отопительного теплообменника высокой мощности, согласно пункту 1 формулы изобретения, можно создавать в соединении с подходящей интеграцией в автомобиль высокоэффективное и экономичное отопление автомобиля с отказом от дополнительного РТС-нагревателя для дизельных автомобилей, которые базируются на широком применении уже имеющихся на рынке технологий изготовления и полуфабрикатов для отопительных теплообменников высокой мощности с паяной матрицей теплообменника, т.е. на расположенных со стороны охлаждающего средства плоских трубах и расположенных со стороны воздуха ребрах с множеством следующих друг за другом в направлении воздушного потока, создающих турбулентности пазов (прорезей). Таким образом, теплообменник, согласно изобретению, или устройство отопления-кондиционирования, согласно изобретению, предпочтительно предназначены для дизельного автомобиля или устанавливаются в таком автомобиле, который предпочтительно не имеет расположенного со стороны воздуха теплообменника или вообще не имеет дополнительного РСТ нагревателя или другого дополнительного нагревателя. Предпочтительно удельный объем V_Spec теплообменника превышает нижнее пороговое значение 0,170 или 0,180 м, или 0,20 или 0,25 м. При этом удельный объем V_Spec теплообменника, согласно изобретению, может быть меньше или равным 0,60-0,70 м, например меньше или равным 0,50-0,40 м, или меньше 0,25-0,30 м, но не ограничиваясь этим.
При этом расположенные со стороны воздуха проточные каналы предпочтительно образованы из противоположных охлаждающему средству поверхностей расположенных со стороны охлаждающего средства каналов теплообменника и припаянных к ним, расположенных со стороны воздуха металлических ребер с множеством создающих турбулентности пазов на расположенных со стороны воздуха ребрах переноса тепла поперек воздушного потока.
Luft,HWT-Eintritt
Kuelmittel,HTW-Eintritt
Luft,Fussausstroemer,vorne
Независимо или в комбинации с теплообменником, согласно пункту 1 формулы изобретения, задача решена с помощью устройства отопления-кондиционирования по п.21 формулы изобретения, которое имеет передние выходы для потока воздуха, которые нагретый с помощью устройства кондиционирования воздух подают в пространство для ног салона автомобиля, и которое имеет теплообменник, который выполнен так, что он в особенно релевантной для отопления рабочей точке при температуре входного воздуха -20°С (T) и входной температуре охлаждающего средства 50°С (T) придает массовому потоку отопительного воздуха 5 кг/мин и при расходе охлаждающего средства 5 л/мин при фокусировании воздушного потока и тем самым отопительной мощности на выходах к ногам такую высокую среднюю температуру выходного воздуха на передних выходах к ногам (T), что общий тепловой коэффициент Phi полезного действия, вычисляемый по формуле
Luft,Fussausstroemer,vorne
Luft,HWT-Eintritt
Kuelmittel,HTW-Eintritt
Luft,HWT-Eintritt
Phi=100·(T-T)/(T-T),
2
превышает без расположенного со стороны воздуха дополнительного нагревателя значение 85%, 90% или 95%. Это достигается посредством подходящего выбора удельного объема V_Spec теплообменника, при этом заслонки регулирования температуры отопительного устройства должны быть выполнены с достаточным уплотнением для исключения мест утечки и минимизации потерь со стороны отопительного устройства. При этом теплообменник устройства кондиционирования предпочтительно имеет паяную матрицу переноса тепла, которая предназначена для обтекания потоком отопительного воздуха, и расположенные со стороны охлаждающего средства плоские трубы, и расположенные со стороны воздуха ребра имеют множество следующих друг за другом в направлении воздушного потока, создающие турбулентности пазы, или состоят из них. Матрица переноса тепла может быть выполнена так, что удельный объем V_Spec теплообменника, вычисляемый по формуле V_Spec=V_Matrix/(t_Rohr+(4·t_Rippe)), превышает нижнее предельное значение 0,140 м. Устройство отопления-кондиционирования предназначено для использования, в частности, для кондиционирования салона легковых автомобилей с порожним весом меньше 2000 кг в рамках автомобильной платформы с более чем 50000 автомобилей в год, при этом кондиционирование может осуществляться с помощью отходящего тепла охлаждаемого жидкостью приводного двигателя и/или его компонентов или других источников тепла охлаждающего и/или отопительного циркуляционного контура.
В качестве альтернативного решения, в одной особенно предпочтительной модификации система настраивается так, что общий коэффициент использования тепла Phi, согласно указанному выше определению, и при указанной выше характерной температуре воздуха -20°С и температуре охлаждающего средства +50°С при профиле скорости движения, согласно MVEGA, при всех скоростях движения, включая холостой ход, остается выше 80% без расположенного со стороны воздуха дополнительного нагревателя.
С учетом потерь тепла в отопительном устройстве, эти данные предполагают наличие в типичных для легковых автомобилей отопительных устройствах выполненного в соответствии с изобретением, экстремально высокомощного отопительного теплообменника с увеличенным конструктивным пространством. При соответствующем согласовании охлаждающего контура относительно прохождения трубопроводов для охлаждающего средства и расхода можно при выполнении этих условий сэкономить используемые в настоящее время в очень многих дизельных автомобилях дополнительные нагреватели РТС в соединении не только с экономией расходов на изготовление, но также с экономией топлива 0,5-1,0 л на 100 км пути по сравнению с работой с дополнительным РТС-нагревателем при одинаковой отопительной мощности.
При этом устройство отопления-кондиционирования, согласно изобретению, обычно является экономичным как при рассматривании лишь одних дизельных автомобилей автомобильной платформы, так и содержащих одинаковое устройство отопления-кондиционирования бензиновых и дизельных автомобилей с учетом общих расходов в автомобильной платформе. Это является особенно предпочтительным на фоне стратегии применения одинаковых частей в рамках автомобильных платформ и частично также за рамками платформ. Все известные на рынке до настоящего времени другие технологии для экономии дополнительного РТС-нагревателя не могут уже по стоимости составлять конкуренцию, не говоря об экономии топлива. При одинаковом устройстве отопления-кондиционирования для бензиновых и дизельных автомобилей лучшая отопительная мощность в автомобилях с бензиновым двигателем является дополнительным преимуществом к общим преимуществам по стоимости для всей платформы.
Таким образом, с помощью изобретения неожиданным образом решена впервые весьма широко распространенная проблема. Так, на фоне общей тенденции к меньшим устройствам отопления-кондиционирования и меньшим конструктивным пространствам для отопительных теплообменников и к двигателям с все меньшим отходящим теплом для отопительных целей кажется на первый взгляд не целесообразным отказаться от использования конструктивного пространства для считающегося особенно эффективным относительно выполнения требований дополнительного нагревателя и использовать на первый взгляд имеющий чрезмерные размеры отопительный теплообменник с использованием конструктивного пространства РТС и с использованием эффективности конструктивного пространства, а также дополнительных расходов на самые современные технологии изготовления для паяных отопительных теплообменников. При этом отказ от конструктивного пространства РТС кажется сначала большой ошибкой. Однако в противоположность общему мнению экспертов, изменение конструкции серийных автомобилей для теплообменника, согласно изобретению, и устройства отопления-кондиционирования, согласно изобретению, показывает, что устройство отопления-кондиционирования, согласно изобретению, при подходящем согласовании контура циркуляции охлаждающего средства и местных расходов через отопительный теплообменник и остальные источники тепла и отводы тепла в системе охлаждения двигателя вполне обеспечивает ту же отопительную мощность, что и современных серийных автомобилях с дорогими дополнительными РТС-нагревателями. При этом измерения в климатической аэродинамической трубе и на дорогах не только подтверждают достаточную мощность отопления салона, но также считающуюся до настоящего времени невозможной экономию расхода топлива при одновременном снижении стоимости устройства отопления-кондиционирования.
При этом решающим для перехода к устройству отопления-кондиционирования, согласно изобретению, является, с одной стороны, понимание того, что неожиданным образом можно действительно отказаться от дополнительного РТС-нагревателя, за счет чего лишь возможно получить при существующих концепциях автомобиля конструктивное пространство для якобы слишком большого отопительного теплообменника, которое в соответствии с изобретением можно использовать для выполнения отопительного теплообменника еще более эффективным. При этом большая конструктивная глубина в направлении воздушного потока обеспечивает возможность по выбору определенного уменьшения потери давления со стороны охлаждающего средства и связанного с этим несколько большего расхода охлаждающего средства, однако предпочтительно в большинстве случаев применять усредняющие поток вторичные меры для особенно равномерной нагрузки теплообменника охлаждающим средством, и/или увеличения скорости потока в трубах теплообменника для улучшения переноса тепла со стороны охлаждающего средства, и/или при необходимости перехода к особенно эффективной конструкции с перекрестными или противоположными потоками. При этом в очень большом количестве применений наиболее эффективной является работа с меньшими расходами охлаждающего средства, чем в современном серийном стандарте. В этой связи необходимо отметить, в частности, преимущества отопления, которые возникают, когда тепловое расширение охлаждающего средства в отопительном теплообменнике и, возможно, также в двигателе повышается за счет уменьшения расхода охлаждающего средства через двигатель и/или отопительный теплообменник без заслуживающего упоминания снижения коэффициента полезного действия отопительного теплообменника.
Устройство отопления-кондиционирования, согласно изобретению, с высокомощным теплообменником приводит за счет своей высокой мощности, при необходимости также за счет дальнейшего понижения отопительной возвратной температуры за счет ограничивающих расход охлаждающего средства мер, в конечном итоге к тому, что охлаждающее средство, конструктивные элементы двигателя и часто также моторное масло нагреваются менее сильно в среднем во всей системе, чем при обычном отопительном устройстве с дополнительным РТС-нагревателем и при одинаковом переносе тепла в воздух салона. За счет меньших поверхностных потерь тепла и меньшей энергии для нагревания активных в переносе тепла масс устройство отопления-кондиционирования, согласно изобретению, может иметь сильно улучшенное отопительное действие.
При этом особым преимуществом теплообменника, согласно изобретению, и устройства отопления-кондиционирования, согласно изобретению, с увеличенным конструктивным объемом отопительного теплообменника является то, что даже при последовательном включении двух или более ступеней с перекрестными или противоположными потоками достаточно давления обычных насосов для охлаждающего средства двигателя. Это относится особенно к применениям, в которых двигатель работает без байпаса радиатора, т.е., например, без ветви 6b на фиг.7, или в которых байпас радиатора, например, при большой потребности в отоплении удерживается закрытым с помощью специального радиаторного термостата 6fzs вместо обычного термостата 6fz или с помощью дополнительного клапана 6bv. В особенно эффективной относительно стоимости упрощенной системе отпадает необходимость, согласно фиг.7b, в наружном органе 2 контролирования расхода, а также в термостате 6dv радиатора двигателя, и вместо байпасного клапана 6bv используется специальный термостат 6fzs, при этом специальные термостаты выполнены в виде термостатов двойного действия и имеют байпасную тарелку с таким удлиненным пружинным ходом, что она закрывает под действием пружины байпасную ветвь 6b при закрытой ветви радиатора. При высоких скоростях вращения двигателя давление всасывания насоса 7 для охлаждающего средства двигателя открывает байпасную ветвь 6b и обеспечивает достаточное охлаждение двигателя. При таком выполнении конструкция отопительного теплообменника и разводка труб для охлаждающей среды в соединении с характеристикой открывания байпасной тарельчатой пружины в специальном термостате 6fzs радиатора задают расход охлаждающего средства через отопительный теплообменник. Так же как на фиг.7а, клапан 6tv термостата на фиг.7b также обеспечивает, что термостат 6fzs радиатора при слишком высокой температуре охлаждающего средства надежно открывается также при сильном отборе тепла в отопительном теплообменнике. При полностью открытой ветви 6а радиатора байпасная тарелка специального термостата 6fzs закрывает байпасную ветвь 6b, как в обычных термостатах. В остальном показанная схематично на фиг.7а,b система охлаждения двигателя и автомобиля для двигателя 1 с теплообменником, согласно изобретению, содержит насос 7 для охлаждающего средства, радиатор 8 двигателя, расширительный бачок 9 и устройство 16 управления двигателем, которые соединены друг с другом изображенными линиями. Кроме того, предусмотрен датчик 15 температуры двигателя, радиатор 30 моторного масла с термостатом 6dv и радиатор 40 масла коробки передач с термостатом 6ev. Устройство 45 отопления-кондиционирования, согласно изобретению, имеет между относящимся к теплообменнику 4m воздушным входом 21 и воздушным выходом 20 испаритель 51 и смесительную заслонку 5 регулирования температуры, которые включены перед теплообменником, при этом теплообменник 4m может быть обойден через байпас 22 для регулирования смесительной температуры.
При небольшой скорости вращения двигателя и температурах охлаждающего средства ниже температур открывания специального термостата 6fzs радиатора и дополнительного клапана 6tv термостата, т.е. при закрытых ветвях 4b, 6a и 6b, это обеспечивает, в частности, определенный резерв давления, так что отопительный расход охлаждающего средства при холостом ходе со скоростью вращения обычно 800-1000 об/мин или в близком к холостому ходу диапазоне (например, при скоростях вращения, превышающих на до 10% или до 15-20% или до 25-50% скорость вращения холостого хода) по существу не уменьшается или не очень уменьшается также при немного более высокой потере давления отопительного теплообменника. Это значительно расширяет возможности конструктивных изменений отопительного теплообменника с целью увеличения переноса тепла, а также увеличения теплового расширения как в отопительном теплообменнике, так и в двигателе, включая эффективное использование радиатора двигателя для генерирования отопительного тепла. Эти относящиеся к особенно эффективной и очень недорогой общей системе со специальным термостатом 6fzs физические взаимодействия уже подробно описаны в предшествующих патентных заявках изобретателя. Там можно найти также другие примеры разводки труб с различными основными задачами выполнения.
Согласно изобретению, паяный теплообменник высокой мощности имеет возможно небольшие ребра и/или расстояния между серединами труб. В качестве альтернативного решения или дополнительно теплообменник имеет возможно меньшую высоту каналов и/или толщину стенок каналов для охлаждающего средства в виде плоских труб. При этом отопительный теплообменник является таким большим, насколько возможно, и при этом при необходимости используется даже считающийся обязательным конструктивный объем для дополнительного РТС-нагревателя, при этом также не предусмотрена альтернативная возможность нагревания.
Было установлено, что теплообменник, согласно изобретению, или содержащее его устройство отопления-кондиционирования являются особенно эффективными при применении в выпускаемых большими сериями легковых автомобилях с порожним весом менее 2000 кг. При этом под большими сериями понимается изготовление в год более 50000 автомобилей, которые все содержат одинаковое отопительное устройство, соответственно, одинаковый теплообменник. Преимущества данного изобретения особенно проявляются при таких объемах производства, в частности, с паяными алюминиевыми отопительными теплообменниками.
Изобретение, в противоположность уровню техники, нацелено, с одной стороны, на применение возможно более эффективно использующего конструктивное пространство паяного отопительного теплообменника и, с другой стороны, на выбор значительно большего объема отопительного теплообменника, чем это было до настоящего времени при переходе на паяные алюминиевые отопительные теплообменники. В противоположность стремлению всех изготовителей применять в настоящее время возможно меньшие по объему и особенно дешевые отопительные теплообменники и тем самым экономить на стоимости отопительного теплообменника, данное изобретение осознанно выбирает противоположный путь, при этом в противоположность менее эффективным сочлененным теплообменникам, таким как, например, долгие годы применяемые в VW Golf 2 и 3, используются, согласно изобретению, паяные теплообменники высокой мощности, в частности, из алюминия.
В качестве основы для сравнения современных автомобилей с типичными представителями паяных отопительных теплообменников на фиг.4 показана в этой связи таблица с характерными признаками для классификации. Имеющие наибольший объем паяные теплообменники имеют при этом объем матрицы примерно 1,5 л, соответственно, 1,6 л, однако со сравнительно большим расстоянием между расположенными со стороны охлаждающего средства плоскими трубами, равным примерно 9 мм, соответственно, 10,5 мм. Специально в более новых конструкциях отопительных теплообменников с особенно небольшими межцентровыми расстояниями t_Rohr между трубами и межцентровыми расстояниями t_Rippe между ребрами объем матрицы в классе Golf уменьшается до примерно 0,7 л. И даже в более крупных автомобилях, таких как BMW третьей и пятой серии, соответственно, Mercedes Е-класса, матрица отопительного теплообменника имеет, вследствие прогресса в изготовлении относительно уменьшения труб и ребер, объем лишь около 1 л. Возможность уменьшения межцентрового расстояния t_Rohr между трубами при одновременном уменьшении межцентрового расстояния t_Rippe между ребрами со стороны воздуха является достаточным основанием для возможности уменьшения объема отопительных теплообменников в легковых автомобилях серийного производства на практике.
Образованная в качестве «удельного объема теплообменника» характеристика V_Spec, согласно формуле V_Spec=V_Matrix/(t_Rohr)+(4·t_Rippe)), отражает эту взаимосвязь. Опосредованно в ней отражается также то, что технически и экономически уже возможно применение также очень тонкостенных материалов для ребер и труб, а также реализация очень небольшой высоты каналов со стороны охлаждающего средства.
2
2
2
Сравнение приведенных на фиг.4 типичных паяных отопительных теплообменников для легковых автомобилей показывает, что удельный объем теплообменника V_Spec, вычисленный по формуле V_Spec=V_Matrix/(t_Rohr)+(4·t_Rippe)), в типичных серийных легковых автомобилях имеет верхнее предельное значение 0,118 м, и что это значение даже при наибольшем известном изобретателю значении не превышает в теплообменнике для пассажирского мини-фургона 0,122 м. Если рассматривать наряду с Ford Focus, в котором из-за принципиального отказа от расположенного со стороны двигателя байпаса 6b радиатора в некоторых двигателях этого типа автомобилей величина отопительного теплообменника определяется двигателем, остальные автомобили класса Golf, то в настоящее время удельный объем V_Spec теплообменников серийных автомобилей составляет порядка 0,07-0,08 м. Характеристика V_Spec более крупных и дорогих автомобилей, таких как, например, Audi F4, BMW третьей и пятой серии, а также Mercedes Е-класса, равная 1,0 л, лежит несколько выше, но явно ниже, чем в Ford Focus.
При сохранении ребер со стороны воздуха и труб со стороны охлаждающего средства меры, согласно изобретению, приводят, как правило, к получению отопительных теплообменников, которые имеют в 1,5-2,5 раз больший объем матрицы отопительного теплообменника, чем серийно применяемые в настоящее время. На фиг.5 и 6 в этой связи еще раз показана взаимосвязь между переходом от рассматривания чисто объема V_Matrix матрицы теплообменника, согласно фиг.5, к рассматриванию специальной характеристики V_Spec матрицы теплообменника, применительно специально к приведенным на фиг.4 серийным отопительным теплообменникам.
Предпочтительные модификации следуют из зависимых пунктов формулы изобретения.
Объем V_Matrix матрицы теплообменника, согласно изобретению, может составлять ≥1-1,25 л или ≥1,3-1,4 л, например ≥1,5-1,75 л или ≥1,8-2,0 л, в частности также ≥2,25-2,5 л. Объем V_Matrix матрицы теплообменника может составлять ≤4-5 л или ≤3-3,5 л, например, ≤3,25-3,0 л или же ≤2,5-2,75 л, но не ограничиваясь этим. Предпочтительно объем матрицы отопительного теплообменника лежит в диапазоне между 1,4 л и 2,5 л.
Межцентровое расстояние t_Rippe между ребрами теплообменника со стороны воздуха может составлять ≤2,5-3 мм или ≤1,5-2 мм, в частности ≤1,1-1,25 мм, предпочтительно ≤0,9-1 мм, особенно предпочтительно ≤0,7-0,8 мм. Межцентровое расстояние t_Rippe между ребрами теплообменника со стороны воздуха может составлять ≥0,2-0,25 мм, ≥0,3-0,4 мм или ≥0,5-0,6 мм, но не ограничиваясь этим. При этом межцентровое расстояние является расстоянием между ребрами на высоте их середин, т.е. посредине между противоположными ребрами. Таким образом, межцентровое расстояние соответствует также длине снабженных ребрами участков трубы, разделенной на число предусмотренных на этом участке ребер. Если расстояние между ребрами изменяется, например, когда предусмотрены различные трубы или участки труб с различными межцентровыми расстояниями между ребрами, то имеется в виду среднее межцентровое расстояние между ребрами.
Эти параметры показаны на фиг.3.
Межцентровое расстояние t_Rohr между трубами может составлять ≤15-17,5 мм, в частности ≤12-13 мм, или же ≤11 мм или ≤7-10 мм. Межцентровое расстояние t_Rohr между трубами может составлять ≥2-3 мм или ≥4-5 мм, например ≥5-6 мм или ≥7-8 мм, но не ограничиваясь этим. При этом межцентровое расстояние между трубами является расстоянием между серединами труб. Если расстояние между трубами изменяется, например, когда предусмотрены зоны с различными расстояниями между трубами, то имеется в виду среднее межцентровое расстояние между трубами.
Высота расположенных со стороны охлаждающего средства плоскотрубчатых проточных каналов может составлять ≤2,5-2,75 мм, в частности ≤1,75-1,8 мм, или же ≤1,5-1,25 мм или ≤1 мм. Высота каналов может составлять ≥0,3-0,5 мм или ≥0,6-0,75 мм, например ≥0,8-0,90 мм, но не ограничиваясь этим. При этом высота каналов является размером поперечного сечения трубы с меньшим размером относительно ширины канала.
В частности, (возможно среднее) межцентровое расстояние t_Rohr между параллельными, расположенными со стороны охлаждающего средства проточными каналами может составлять менее 7 мм и/или (возможно среднее) межцентровое расстояние между параллельными, расположенными со стороны воздуха ребрами может составлять менее 1 мм. Расположенные со стороны охлаждающего средства проточные каналы могут быть также выполнены в виде плоскотрубчатых каналов с высотой каналов менее 1 мм, и/или (возможно среднее) межцентровое расстояние t_Rohr между трубами параллельных, расположенных со стороны охлаждающего средства проточных каналов может составлять менее 7 мм. Расположенные со стороны охлаждающего средства проточные каналы могут быть также выполнены в виде плоскотрубчатых каналов с высотой каналов менее 1 мм, и/или (возможно среднее) межцентровое расстояние между параллельными, расположенными со стороны воздуха ребрами может составлять менее 1 мм. Можно также указанные межцентровое расстояние между трубами, межцентровое расстояние между ребрами и высоту канала комбинировать друг с другом.
На фиг.1 показано внутри границы 52а системы типичное отопительное устройство 45, которое применяется в настоящее время в выпускаемых большими сериями легковых автомобилях, с изменением, согласно изобретению. В этом примере выполнения вентилятор 50 всасывает свежий воздух через вход 5fe и подает его через испаритель 51 установки кондиционирования и в режиме отопления при дефиците тепла, т.е. при установке смесительной заслонки 5b/5c регулирования температуры на максимальный обогрев, за исключением определенных утечек, по меньшей мере, по существу полностью через отопительный теплообменник 4m, согласно изобретению. При этом отопительный теплообменник 4m занимает обозначенный позициями 4 и 90 объем обычного серийного отопительного теплообменника 4 и серийного дополнительного РТС-нагревателя 90. Соответствующее положение установки соответствующих серийных устройств показано на фиг.2 с отопительным теплообменником 4 и электрическим дополнительным РТС-нагревателем 90. При установке на максимальную отопительную мощность, как правило, большая часть вводимого в пассажирскую кабину воздуха направляется через выход 5ff в ножное пространство. В зависимости от класса автомобиля и требований к климатической комфортности, некоторые автомобили имеют лишь выход в ножное пространство в зоне передних сидений, или при более высоких требованиях - также в зоне задних сидений.
Наряду с выходом через выход в ножное пространство, можно с помощью регулировочных заслонок, например, 5fd для лобовых стекол и/или 5fm в виде так называемых маннановых выходов, регулировать в соответствии с потребностями распределение воздуха. Кроме того, обычно всегда часть воздуха салона подается на стекла для предотвращения их запотевания. При частичной отопительной нагрузке смесительная заслонка 5b/5с выполняет дросселирование отопления, при необходимости в согласовании с уменьшением мощности вентилятора. При этом упор 5е для смесительной заслонки 5b создается экраном 5е, при этом позицией 5а обозначен входящий в теплообменник холодный воздух, позицией 5f - темперированный воздух салона (температура смешивания из проточных путей 5b и 5с), 5d - путь нагретого воздуха (несмешанного воздуха из теплообменника) и 5g - заслонка регулирования температуры.
Существенным для изобретения является то, что, как показано на фиг.1, используется существенно более мощный, а также имеющий больший объем отопительный теплообменник 4m, чем обычно, и, в частности, то, что в направлении потока за отопительным теплообменником больше нет конструктивного пространства для дополнительного РТС-нагревателя или оно не предусмотрено.
Таким образом, объем теплообменника, согласно изобретению, можно увеличить, по меньшей мере, на объем дополнительного РТС-нагревателя, при необходимости с добавлением монтажного промежуточного зазора между отопительным теплообменником и дополнительным РТС-нагревателем. Особенно предпочтительно, когда устройство отопления-кондиционирования выполнено с паяным отопительным теплообменником высокой мощности, предпочтительно из алюминия, меди или латуни, который отличается тем, что отопительный теплообменник создан, по меньшей мере, из одной ступени, предпочтительно, однако, из двух или более ступеней, состоящих из
- паяной, состоящей из труб и ребер матрицы теплообменника, выполненной с перекрестными потоками (как типично для легковых автомобилей), содержащей
- плоскотрубчатые каналы теплообменника для жидкого охлаждающего средства и
- расположенные со стороны воздуха проточные каналы, образованные из противоположных охлаждающему средству поверхностей расположенных со стороны охлаждающего средства каналов теплообменника и припаянных к ним со стороны воздуха металлических ребер, которые снабжены
- множеством создающих турбулентность пазов (прорезей) в расположенных со стороны воздуха ребрах переноса тепла поперек воздушного потока.
Такой высокомощный отопительный теплообменник предпочтительно имеет (среднее) межцентровое расстояние t_Rippe между параллельными, расположенными со стороны воздуха ребрами переноса тепла менее 1,3 мм или менее 1,15-1,0 мм, и/или (среднее) межцентровое расстояние t_Rohr между параллельными, расположенными со стороны охлаждающего средства проточными каналами менее 7 мм. Кроме того, предпочтительно выполнять расположенные со стороны охлаждающего средства проточные каналы в виде плоскотрубчатых каналов с высотой канала меньше 1 мм, при этом высота является меньшим размером поперечного сечения канала.
Если имеются ограничения в оборудовании для изготовления, которые не позволяют выполнять очень тонкостенные расположенные со стороны охлаждающего средства проточные каналы, то можно с определенными ограничениями относительно общего отопительного потенциала использовать также матрицу со (средним) межцентровым расстоянием между расположенными со стороны воздуха ребрами переноса тепла меньше 0,8 мм. При этом (среднее) межцентровое расстояние между параллельными, расположенными со стороны охлаждающего средства проточными каналами составляет предпочтительно 9-11 мм. В этом случае расположенные со стороны охлаждающего средства проточные каналы в таком отопительном теплообменнике предпочтительно выполнены в виде плоскотрубчатых каналов с высотой канала 1-2 мм. При этом объем матрицы может составлять, по меньшей мере, 1,7 л или предпочтительно даже 2,0 л или больше. При этом предпочтительными являются большее межцентровое расстояние между трубами и больший объем матрицы для удерживания в границах потери тепла в этой конфигурации. Кроме того, больший объем V_Matrix матрицы и особенно небольшое расстояние t_Rippe между ребрами компенсируют определенные дефициты при переносе тепла со стороны охлаждающего средства.
Теплообменники с высокомощной матрицей теплообменника в принципе известны, как, например, из современных BMW третьей серии (другие примеры смотри на фиг.4). Однако новым является использование само по себе известной высокомощной матрицы теплообменника с намного увеличенным по сравнению с известными решениями конструктивным объемом, а также то, что хотя изготовители до настоящего времени исходили из того, что серийные отопительные теплообменники уже работают с тепловым насыщением и поэтому их увеличение не имеет смысла, а также не реализуемо из-за требуемого конструктивного пространства для РТС-нагревателя. Таким образом, сильное увеличение конструктивного объема возможно на практике лишь, как указывалось выше, при понимании того, что можно за счет изобретения действительно отказаться от дополнительного РТС-нагревателя. Неожиданным образом, в устройстве отопления-кондиционирования, согласно изобретению, нет необходимости в дополнительном РТС-нагревателе. При этом дополнительной важной возможностью изобретения является также возможность компенсации значительного увеличения потерь давления со стороны воздуха отопительного теплообменника. В простейшем случае, согласно изобретению, сохраняется уже сильно компактная матрица серийного отопительного теплообменника, и теплообменник выполняется в направлении воздушного потока с большей в 1,5-2,5 раза или больше глубиной, т.е. объем матрицы увеличивается в 1,5-2,5 раза или больше. Тем самым, несмотря на отсутствие дополнительного РТС-нагревателя, увеличиваются также потери давления со стороны воздуха в теплообменнике почти во столько же раз. Однако, как показывают практические опыты, это является в очень многих случаях приемлемым, в противоположность к ожидаемым на первый взгляд проблемам с прохождением воздуха. Во вновь разрабатываемых автомобилях можно, естественно, увеличивать ширину или высоту матрицы для увеличения, согласно изобретению, объема матрицы.
Увеличение, согласно изобретению, глубины матрицы в направлении воздушного потока открывает также широкие возможности оптимального согласования потерь давления со стороны охлаждающего средства, соответственно, прохождения охлаждающего средства через отопительный теплообменник, с соответствующим случаем применения. Это в принципе представляет интерес в зависимости от спектра двигателей соответствующей автомобильной платформы, а также особенно для предусмотрения мер для обеспечения равномерности прохождения потока через трубы теплообменника со стороны охлаждающего средства по ширине теплообменника, а также для перехода к особенно эффективной конструкции с перекрестными противоположными потоками с двумя или более ступенями.
Хорошо измеряемой величиной для разграничения особенно эффективного выполнения отопительного устройства, согласно изобретению, с отопительным теплообменником высокой мощности, согласно изобретению, от уровня техники является так называемое значение Q100, которое описывает отдачу мощности отопительного теплообменника при прохождении потоков с разницей температур 100 К между температурой охлаждающей среды и входной температурой воздуха. Хорошие отопительные теплообменники для легковых автомобилей имеют в настоящее время при массовом расходе воздуха 6 кг/мин и массовом расходе охлаждающего средства 10 л/мин при смеси 50 на 50 объемн.% воды и гликоля значение Q100, равное примерно 8,0-9,0 кВт. При рассматривании предлагаемых на рынке теплообменников для легковых автомобилей с наибольшей мощностью относительно объема матрицы вплоть до приподнятого среднего класса, которые имеют объем матрицы теплообменника примерно 0,72-1,1 л, то в соединении с указанными выше значениями Q100 в 8,0-9,0 кВт получаются максимальные отнесенные к объему мощности современных отопительных теплообменников высокой мощности для легковых автомобилей, равные 11-12,5 кВт на 1 л объема матрицы теплообменника. На этом фоне означает увеличение, согласно изобретению, объема матрицы теплообменника, например, с 1,0 л до 1,4 л, осознанное уменьшение удельной мощности до значений явно ниже 7,1 кВт/л (=10 кВт/1,4 л), например до ≤6,7-6,85 кВт/л, ≤6,5-6 кВт/л или же ≤4,5-5 кВт/л. При этом удельная мощность может составлять ≥2-2,5 кВт/л или ≥2,75-3 кВт/л, например ≥3,5-3,75 кВт/л или ≥4 кВт/л.
Особенно предпочтительное включение, согласно изобретению, двух или более отопительных теплообменников высокой мощности с перекрестными потоками в перекрестном противотоке означает в этой связи, что отнесенная к объему мощность более 8-9 кВт/л или больше 10-11 кВт/л отдельных теплообменников с перекрестными потоками за счет последовательного соединения, несмотря на режим перекрестных противоположных потоков, сознательно снижается до менее 7,1 кВт/л, как указывалось выше. На практике уменьшение удельной мощности даже еще несколько больше, поскольку, среди прочего, в некоторых применениях необходимо делать определенные компромиссы относительно расстояния между ребрами со стороны воздуха с целью удерживания потерь давления в границах со стороны воздуха отопительного теплообменника, согласно изобретению.
Даже когда изобретение первично нацелено на полный отказ от дополнительного РТС-нагревателя, то в принципе вполне естественно предусматривать увеличение, согласно изобретению, удельного объема V_Spec матрицы в соединении с электрическим дополнительным РТС-нагревателем. Важным в этой связи является, естественно, объем соответственно большего конструктивного пространства, что на практике потребуется лишь в исключительных случаях. Первоначальная постановка задачи в этом случае смещается в сторону ограничения возможно небольшой электрической мощности, соответственно, времени включения и тем самым возможно меньшего расхода топлива, или же ограничения установки РТС-нагревателя странами с холодным климатом и/или уменьшения вызванных РТС-нагревателем дополнительных расходов на более крупные генераторы и т.д.
Однако наибольшую пользу изобретение приносит лишь тогда, когда РТС-нагреватель полностью исключается из всех применений конструктивного ряда автомобилей, так что устройство отопления-кондиционирования, согласно изобретению, не требует подготовительных мер, в частности, резервирования конструктивного объема или крепежных устройств или электрических соединений для расположенного со стороны воздуха дополнительного РТС-нагревателя или других дополнительных устройств в устройстве отопления-кондиционирования.
Особенно эффективным является отопительное устройство, согласно изобретению, когда теплообменник высокой мощности выполнен, по меньшей мере, из двух, предпочтительно 3 или 4, теплообменников с перекрестными потоками в перекрестном противотоке. При этом, в частности, предпочтительно, когда охлаждающее средство перед или при переводе из одной ступени теплообменника к следующей ступени перемешивается с помощью сужений поперечного сечения и за счет этого слегка дросселируется. Эта мера особенно положительно сказывается на вступлении в действие отопительного теплообменника при очень холодном охлаждающем средстве и неравномерной загрузки воздухом, поскольку при этом каждая отдельная ступень имеет более гомогенные входные температуры охлаждающего средства по ширине бака для воды. Негомогенность охлаждающего средства усиливается за счет этих мер в перекрестном противотоке меньше от ступени к ступени, поскольку менее сильно вызывается отклонение потока охлаждающего средства к каналам с более высокой температурой охлаждающего средства, соответственно, с меньшей вязкостью охлаждающего средства. Дроссельное действие этих мер во многих применениях является желательным побочным действием, поскольку разброс температуры охлаждающего средства в отопительном теплообменнике и возможно также в двигателе повышается и тем самым улучшается, при достаточных размерах отопительного теплообменника, отопление.
Особенно эффективно и просто перемешивание можно осуществлять за счет того, что весь объем охлаждающего средства первого бака для воды через общее отверстие или общий соединительный трубопровод направляется к следующему баку для воды следующей ступени. На фиг.8 показан выполненный соответствующим образом отопительный теплообменник в режиме перекрестных противоположных потоков. При этом поток охлаждающего средства проходит через вход 204, первая ступень с перекрестным потоком образована рядом 206 плоских труб, с первым обычным отклонением в баке 211 для воды ко второй ступени 207 с перекрестным потоком. Перевод от второй к третьей ступени 208 с перекрестным потоком происходит через наружный соединительный трубопровод 202/200, в котором происходит принудительное перемешивание и тем самым тепловое выравнивание охлаждающего средства перед третьей ступенью, что независимо от примера выполнения может происходить обычно перед третьей или последней ступенью. Место перемешивания может быть также интегрировано в баке для воды, например, с помощью одного или нескольких экранов или отклонителей потока, что можно использовать независимо от примера выполнения. Особенно предпочтительно, что максимальное выравнивание температуры охлаждающего средства происходит перед третьей ступенью или в общем случае перед последней ступенью. В зависимости от положения установки и потребности в вентиляции, дополнительное вентиляционное отверстие обеспечивает при необходимости, по меньшей мере, в одной, нескольких или всех зонах бака для воды, например в разделительных металлических листах 212 и/или 203/201 бака для воды, надежную работу. Стрелки 209а, 210а на фигурах обозначают направления входа и выхода потоков холодного воздуха. Аналогичное выполнение показано на фиг.9, при этом на фиг.9 трубопровод 202 с выполняет задачу перемешивания за счет подачи охлаждающего средства первой ступени 206 с перекрестными потоками в оба параллельно лежащих рядов 207 и 208 труб второй, соответственно, последней ступени с перекрестными потоками, что можно выполнять независимо от примера выполнения.
Установка отопительных теплообменников, согласно фиг.8 и 9, происходит предпочтительно в лежачем положении (т.е. с лежачими в положении установки трубами теплообменника), что относится ко всем случаям, независимо от примера выполнения, при этом вход 204 для охлаждающего средства лежит внизу. Независимо от этого, установку можно осуществлять со стоящими трубами теплообменника (стоящие трубы 206, 207 и 208 теплообменника).
При этом явным преимуществом показанной конструкции является то, что за счет установки в лежачем положении или в качестве альтернативы в стоячем положении, можно располагать трубы отопительного теплообменника параллельно направлению движения соответствующего автомобиля, поскольку за счет этого обеспечивается более равномерное прохождение потока охлаждающего средства при особенно важной регулировке на максимальное отопление в зоне ножного пространства. В предпочтительном положении установки выходной бак для воды, соответственно, выход 221 для охлаждающего средства лежит при стоящих трубах 206, 207, 208 теплообменника вверху относительно положения установки.
Немного меньшую потерю давления, чем одиночный переливной трубопровод 202, обеспечивает аналогичный способ, в котором перемешивание происходит за счет направления объема охлаждающего средства первого бака для воды через точно два отверстия или точно через два соединительных трубопровода к следующему баку для воды следующей ступени, и разделительные металлические листы в баке для воды разделяют оба пути прохождения потока.
Для уменьшения потери давления со стороны охлаждающего средства в показанном на фиг.8 примере выполнения перемешивание происходит лишь при переходе к последней и тем самым наиболее холодной со стороны охлаждающего средства ступени, что может осуществляться в общем случае независимо от примера выполнения. Поскольку последняя, т.е. наиболее холодная, ступень наиболее чувствительно реагирует на негомогенности температуры на входе отдельных параллельных каналов для охлаждающего средства, то смешивание, согласно изобретению, является здесь особенно эффективным, и за счет особенно гомогенных температур на выходе для воздуха является предпочтительным также для лежащих далее вниз по потоку ступеней.
Отопительное устройство, согласно изобретению, почти во всех применениях обеспечивает улучшенную отопительную мощность. Однако в зависимости от двигателя можно использовать также дополнительные меры со стороны системы охлаждения, с целью достижения во всех рабочих ситуациях одинаковой отопительной мощности, как при современном дополнительном РТС-нагревателе. Так, в частности, особенно предпочтительно выполнять систему охлаждения и нагревания так, что основной поток охлаждающего средства для охлаждения двигателя внутреннего сгорания в первом режиме работы проходит с небольшим отдаваемым в охлаждающее средство отходящим теплом менее 5 кВт (возможно, также менее 10 кВт или менее 20 кВт) первично через отопительный теплообменник и во втором режиме работы проходит с более высоким отходящим теплом и/или температурой охлаждающего средства на 10 К (возможно, 15 К или 20 К) выше относительно устанавливаемой в автомобиле или предварительно установленной с помощью термостата температуры открывания ветви радиатора автомобиля также через радиатор автомобиля и/или байпас радиатора, и что во втором рабочем режиме в диапазоне скорости вращения холостого хода двигателя внутреннего сгорания даже при высокой до максимальной потребности в отоплении салона меньше 2,5-2,25 л/мин охлаждающего средства, например меньше 2,0-1,8 л/мин, проходит через отопительный теплообменник. Скорость вращения холостого хода может лежать, например, до 10% или до 15-20% или до 25-50% выше скорости вращения холостого хода, составляющей обычно от 800 до 1000 об/мин. Отходящее тепло во втором рабочем режиме может быть на ≥25-50% или ≥100-150% или ≥200% выше отходящего тепла первого режима работы. Хотя выполненная так система охлаждения снова противоречит правилам выполнения современных автомобилей с двигателем внутреннего сгорания, поскольку при обычных отопительных теплообменниках и менее чем 2-3 л/мин расходе отопительного и охлаждающего средства эффективность теплообменника резко снижается и во многих случаях является непредсказуемой. При устройстве отопления-кондиционирования, согласно изобретению, это является, однако, допустимым с учетом резервов мощности отопительного теплообменника. Выполненная так система поставляет во втором рабочем режиме достаточную нагревательную мощность, поскольку термостат открывается лишь, начиная с относительно высокой температуры. В первом рабочем режиме проявляется специально на холостом ходу повышенное температурное расширение, что позволяет использовать двигатель, соответственно, моторное масло временно в качестве дополнительного источника тепла для небольшого повышения температуры охлаждающего средства на выходе двигателя, а также для минимизации потерь тепла с поверхности в этой особенно критичной с точки зрения нагревательной мощности рабочей ситуации.
Выполнение изобретения нацелено, в частности, на обеспечение работы отопительного теплообменника в широком диапазоне работы двигателя и в широком рабочем диапазоне расхода охлаждающего средства через отопительный теплообменник вблизи динамически возможного максимального коэффициента полезного действия, обеспечение за счет уменьшения поверхностных потерь тепла и экономии тепловой мощности для нагревания приходящих в контакт с охлаждающим средством и двигателем конструктивных элементов достаточной нагревательной мощности и экономию топлива за счет отсутствия необходимости в электрической мощности для дополнительного РТС-нагревателя. При этом для максимизации теплового коэффициента полезного действия в отопительном теплообменнике и в отопительном устройстве особенно предпочтительно также минимизировать потери со стороны отопительного устройства, которые возникают за счет того, что при регулировании температуры со стороны воздуха определенная часть воздуха салона проходит не через матрицу теплообменника, а через места утечки закрытых заслонок регулирования температуры отопительного устройства. На этом фоне весьма предпочтительно, в частности, в случае, когда устройство отопления-кондиционирования имеет регулирование температуры со стороны воздуха, с помощью высокоэффективных уплотнительных поверхностей на отдельных регулировочных заслонках и/или особенно высоких усилий прижимания с помощью их серводвигателей или с помощью другого подходящего выполнения устройства регулирования температуры обеспечивать прохождение при полностью открытом отоплении более 95% подаваемого в салон воздуха через матрицу отопительного теплообменника. Минимизация мест утечки обеспечивает в этой связи отсутствие излишних ограничений преимуществ отопительного теплообменника, согласно изобретению.
Автомобиль с выполненным, согласно изобретению, устройством отопления-кондиционирования при правильном выполнении контура циркуляции охлаждающего средства двигателя способен отдавать такую же нагревательную мощность, что и современные автомобили с дорогими и интенсивно потребляющими топливо дополнительными РТС-нагревателями. В типичных условиях зимнего испытания отопления, например, в соответствии с инструкциями VDA, обеспечивается удовлетворительная отопительная мощность, даже когда охлаждающее средство двигателя остается более холодным, чем при современном режиме РТС. Особенно предпочтительное согласование всей системы, согласно изобретению, во многих случаях применения можно распознавать на основании того, что устройство отопления-кондиционирования в легковом автомобиле с дизельным двигателем не имеет дополнительного РТС-нагревателя или другого дополнительного нагревателя со стороны воздуха и при типичном постоянном движении в зимних условиях в соответствии с инструкциями VDA
- со скоростью 50 км/ч в автоматически устанавливаемым автоматической коробкой передач диапазоне изменения передаточных отношений или при ручном переключении передач на максимальной для движения без рывков передаче, и
- окружающей температуре -20°С, и
- установке отопительной мощности на максимум в соответствии с инструкцией эксплуатации автомобиля,
в первые 30 минут температура охлаждающего средства не превышает 50°С на входе отопительного теплообменника.
Кроме того, во многих случаях предпочтительным является также согласование, при котором в первые 30 минут температура охлаждающего средства не превышает 40°С на выходе отопительного теплообменника, так что за счет теплового расширения в отопительном теплообменнике обеспечивается дополнительная экономия тепла.
Большое поглощение тепла в отопительном теплообменнике и настройка на относительно большое тепловое расширение в отопительном теплообменнике приводит, в частности, на холостом ходу к тому, что, например, температура охлаждающего средства на выходе отопительного теплообменника непосредственно после первых 30 минут испытания отопления при наружной температуре -20°С и скорости движения 50 км/ч, как указывалось выше, после следующих 15 минут фазы холостого хода при работающем двигателе и стоящем автомобиле падает до температуры ниже 25°С и тем не менее поставляет приблизительно ту же отопительную мощностью, как современные автомобили с включенным дополнительным РТС-нагревателем.
Сильное увеличение объема теплообменника, согласно изобретению, позволяет, в частности, применять отопительные теплообменники с несколькими последовательно включенными в перекрестном противотоке теплообменниками с перекрестными потоками и, несмотря на это, также с очень небольшой высотой плоскотрубчатого канала теплообменника. При небольших окружающих температурах на основе последовательного соединения и небольшой высоты канала проявляется частично определенное замедление теплового пуска, т.е. пока весь отопительный контур циркуляции не будет заполнен частично нагретым охлаждающим средством. Для ускорения этого теплового пуска особенно предпочтительно, когда клапан, который является, в частности, открывающим с определенной разницы температур клапаном, обеспечивает при экстремально низких температурах охлаждающего средства временно частичный или полный байпас нескольких или всех ступеней теплообменника с перекрестными потоками. На фиг.10 показан соответствующий клапан 202 на отопительном теплообменнике, согласно изобретению.
Особенно предпочтительно в этой связи, когда устройство отопления-кондиционирования имеет такую конфигурацию или работает так, что в режиме байпаса обращенные к входу холодного воздуха ступени теплообменник получают более теплое охлаждающее средство, и тем самым охлаждающее средство в следующих расположенных со стороны воздуха ступенях нагревается с помощью воздуха, так что через эти ступени теплообменника за счет происходящего уменьшения вязкости охлаждающего средства проходит все больший поток.
Как указывалось выше, для данного изобретения во многих случаях является весьма предпочтительным отходить от прежних данных загрузки устройств отопления-кондиционирования относительно расхода охлаждающего средства, соответственно, расхода воздуха и допускать большие потери давления в отопительном теплообменнике. Это относится как к стороне воздуха, так и к стороне охлаждающего средства. В целом, для двигателей, которые положительно реагируют на большое тепловое расширение, во многих случаях предпочтительно выполнять отопительный теплообменник так, чтобы он по сравнению с современным стандартом для паяных отопительных теплообменников не создавал потери давления со стороны охлаждающего средства порядка 7-25 мбар при расходе охлаждающего средства 5 л/мин и температуре 80°С, а более 40 мбар или более 45-50 мбар. Хотя увеличение, согласно изобретению, конструктивного объема, соответственно, конструктивной глубины в принципе способствует притягательному на первый взгляд уменьшению давления со стороны охлаждающего средства, для таких двигателей намного лучше использовать потенциал давления для улучшения переноса тепла со стороны охлаждающего средства. Это можно осуществлять, среди прочего, за счет уменьшения высоты канала для охлаждающего средства труб теплообменника или за счет увеличения числа ступеней с перекрестными противоположными потоками или же лишь за счет повышающих потери давления мер, которые обеспечивают более равномерное прохождение потока охлаждающего средства через трубы теплообменника.
Так же как со стороны воды, практические испытания также со стороны воздуха показывают, что повышение потери давления со стороны воздуха в отопительном теплообменнике, согласно изобретению, вплоть до 2 раз по сравнению с современными примерами больших серий, вполне допустимо. Это объясняется, в частности, тем, что отопительный теплообменник привносит лишь сравнительно небольшую долю в общие потери давления со стороны воздуха, а, с другой стороны, тем, что небольшое уменьшение массового расхода воздуха смещает теплообменник в слегка более благоприятный диапазон теплового коэффициента полезного действия Phi и дополнительно к этому слегка уменьшает также потери тепла за счет выхода частично нагретого воздуха салона из внутреннего пространства автомобиля. На этом фоне было установлено, что не только возможно, но и во многих случаях особенно предпочтительно выбирать также для сильно компактных матриц теплообменника, т.е., в частности, при межцентровом расстоянии между трубами t_Rohr менее 6-7 мм или менее 5 мм, конструктивную глубину матрицы теплообменника в направлении потока воздуха больше 48-52 мм, в частности вплоть до 56-60 мм и больше, и/или допускать изотермические потери давления со стороны воздуха в отопительном теплообменнике более 200 Па или более 225-250 Па при расходе воздуха 6 кг/л при температуре 20°С. Специально по сравнению с сильно компактными вариантами серийных теплообменников, приведенных на фиг.4, это является как весьма значительным увеличением конструктивной глубины - максимальная конструктивная глубина матрицы в направлении воздушного потока в этих вариантах при межцентровом расстоянии между трубами меньше 7 мм составляет 27 мм - так и весьма значительным увеличением потери давления со стороны воздуха, однако при установке прототипов отопительного устройства, согласно изобретению, в современные серийные автомобили были установлены весьма предпочтительные результаты.
Изготовление отопительного теплообменника, согласно изобретению, является с учетом выше сказанного относительно простым, поскольку можно применять уже испытанные в серийном производстве инструменты и полуфабрикаты для плоских труб теплообменника, ребер со стороны воздуха, а также для процесса соединения, соответственно, пайки. Однако для особенно быстрого ввода в серию особенно предпочтительно применять уже изготовленные крупной серией отопительные теплообменники. Полученное за счет отсутствия дополнительного РТС-нагревателя конструктивное пространство позволяет в некоторых автомобилях применять просто два или больше включенных последовательно с перекрестными противоположными потоками отдельных теплообменников, которые имеют, по меньшей мере, максимально одинаковую конструкцию, при этом возможно также применение существующих отдельных отопительных теплообменников, которые изготавливаются крупными сериями. В простейшем случае последовательно включаются два высоко компактных паяных отопительных теплообменника через подводящий и отводящий охлаждающее средство трубопроводы или же с помощью согласования бака для воды. Небольшая конструктивная глубина в направлении воздушного потока некоторых высоко компактных отопительных теплообменников позволяет выполнять это при отказе от дополнительного РТС-нагревателя с современными отопительными устройствами уже при относительно небольших изменениях корпуса отопительного устройства. При подходящем выборе отопительного теплообменника и при необходимости с помощью легких изменений бака для воды можно реализовать таким образом также 3 или больше ступеней с перекрестными противоположными потоками с приемлемыми затратами.
Изобретение в принципе применимо в автомобилях, содержащих и не содержащих байпасную ветвь 67b радиатора.
При этом устройство отопления-кондиционирования может быть предназначено для конструктивного автомобильного ряда с производством более 50000 автомобилей в год или устанавливаться в них, при этом в этом конструктивном ряду автомобилей все двигатели имеют байпасную ветвь 6b и контур охлаждения двигателя с термостатом, который выполнен так, что байпасная ветвь 6b при мощности двигателя ≥50% или ≥75% номинальной мощности и закрытом термостате, по меньшей мере, временно имеет расход охлаждающего средства, который больше расхода отопительного охлаждающего средства.
В случае без байпасной ветви 6b следует обращать внимание на то, чтобы при закрытой ветви 6а радиатора через двигатель проходило достаточное количество охлаждающего средства, чтобы, с одной стороны, надежно предотвращать местный перегрев двигателя при повышенной нагрузке двигателя, а с другой стороны, для обеспечения правильного регулирования термостата двигателя во время процесса открывания термостата. На этом фоне при отсутствии байпасной ветви 6b, в частности, предпочтительно выполнять ветвь отопительного теплообменника для большего потока и/или предусматривать параллельную отопительному теплообменнику и, по меньшей мере, при теплом двигателе всегда открытую ветвь. Как правило, в этом случае предусматривают предпочтительно отопительный теплообменник, согласно изобретению, с еще несколько большим конструктивным объемом с обеспечением более высокого расхода отопительного и охлаждающего средства.
Кроме того, существует потребность в дополнительном улучшении коэффициента полезного действия отопительных теплообменников и/или устройств отопления-кондиционирования, согласно изобретению, при небольшом до среднего расходе охлаждающего средства и тем самым в расширении возможностей максимально возможного увеличения отопительной мощности и/или при том же коэффициенте полезного действия отопительного теплообменника и одинаковой потере давления со стороны охлаждающего средства уменьшения потери давления со стороны воздуха и/или конструктивного пространства отопительного теплообменника.
Для этого предлагается модификация отопительного теплообменника высокой мощности, согласно изобретению, который имеет или состоит из
- паяной матрицы теплообменника, состоящей из расположенных со стороны охлаждающего средства плоских труб и расположенных со стороны воздуха ребер с множеством следующих друг за другом в направлении воздушного потока, создающих турбулентности пазов,
- точно четырех соединенных последовательно в перекрестном противотоке теплообменников с перекрестными потоками и
- на первом конце трубы со стороны охлаждающего средства матрицы теплообменника соединительного бака 301 для воды с подводящим соединением 311 и отводящим соединением 312 для охлаждающего средства, который с помощью 2 разделительных стенок 350 и 352 разделен для образования перекрестного противотока, и
- на другом конце трубы со стороны охлаждающего средства матрицы теплообменника отклоняющего бака 300 для воды с точно одной задающей четыре ступени разделительной стенкой 360,
и при этом дополнительно в качестве альтернативы или в комбинации
(1) отклоняющий бак 300 для воды имеет конструктивную высоту hu со стороны охлаждающего средства, которая составляет меньше 30% конструктивной высоты ho со стороны охлаждающего средства соединительного бака 301 для воды,
и/или
(2) предусмотрена дополнительно средняя разделительная стенка 351 соединительного бака 301 для воды с диафрагменным проточным переходом между ступенями 2 и 3, в котором дросселируется охлажденное в обеих первых ступенях охлаждающее средство и одновременно максимально гомогенизируется.
Кроме того, устройство отопления-кондиционирования автомобиля может содержать такой теплообменник, и автомобильная платформа с более чем 50000 автомобилями в год, которые предпочтительно имеют порожний вес меньше 2000 кг, может быть снабжена таким теплообменником. Все указанные выше выкладки к изобретению относятся также к этой модификации, однако теплообменник, согласно этой модификации, можно также с преимуществом использовать независимо от признаков пункта 1 формулы изобретения.
Реализуемое тем самым дальнейшее улучшение отопительной мощности приводят к значениям отопительной мощности для автомобилей, которые лучше, чем достигаемые с помощью современных дополнительных нагревателей РТС. Однако во многих случаях это не является вовсе необходимым, так что в этом случае новую конструкцию отопительного теплообменника можно использовать для дальнейшего уменьшения потерь давления со стороны воздуха или для дальнейшего уменьшения конструктивного пространства. Кроме того, эти дальнейшие улучшения реализуемы с минимальным увеличением стоимости. За счет сопутствующего конструкции, согласно изобретению, повышения потерь давления со стороны охлаждающего средства возникает определенное снижение расхода охлаждающего средства в нагревательной ветви, которое значительно способствует дальнейшему улучшению всей системы, т.е. эффективной отопительной мощности автомобиля.
При этом отклоняющий бак для воды может иметь со стороны охлаждающего средства такую конструктивную высоту hu, что между входом и выходом плоской трубы для охлаждающего средства и противоположной стороной внутренней стенки отклоняющего бака для воды для каждой отдельной плоской трубы имеется точно одинаковое расстояние, при этом для всех конечных положений плоской трубы вдоль периметра плоской трубы имеется в среднем расстояние меньше 1-3 мм до внутренней стенки отклоняющего бака для воды.
Кроме того, поперечное сечение перелива может иметь площадь проточного поперечного сечения, которая равна или меньше наименьшей площади проточного поперечного сечения подводящего соединения.
Устройство отопления-кондиционирования можно выполнять с имеющим с ним, по меньшей мере, по существу одинаковые основные размеры отопительным теплообменником. Основными размерами являются длина, ширина и высота устройства и теплообменника. Это может относиться ко всему изобретению.
Эта модификация показана в качестве примера на фиг.11-15. Позициями 306-309 обозначены трубы теплообменника. В целом, одинаковые позиции имеют одинаковое значение, в частности, на фиг.8-15.
Четырехступенчатые отопительные теплообменники с перекрестными потоками, согласно изобретению, имеют по сравнению с трехступенчатыми отопительными теплообменниками с перекрестными потоками наряду с особенно высоким коэффициентом полезного действия также технологические преимущества изготовления. Так, отклоняющий бак 300 для воды можно изготавливать проще и с меньшими требованиями к допускам. При этом особенно важной является возможность выполнения отклоняющего бака для воды меньшим и уменьшения конструктивной высоты ho до очень малых значений, т.е. меньше чем 30% соответствующего размера ho верхнего соединительного бака 301 для воды, например меньше 25% или меньше 20% этой высоты, особенно предпочтительно с шириной в свету меньше 1 мм до противоположной стенки бака для воды. При этом конструктивная высота относится к зоне бака для воды в зоне разделения первой ступени от второй ступени и/или третьей ступени от четвертой ступени или же к конструктивной высоте бака для воды в целом, т.е. предпочтительно к конструктивной высоте по всей его длине в направлении потока охлаждающего средства. Кроме того, за счет этого можно получать дополнительное конструктивное пространство для максимального увеличения объема матрицы теплообменника. При этом соединительный бак для воды содержит обычно подводящие и отводящие соединения.
Небольшое расстояние между выходом плоских труб для охлаждающего средства и противоположной внутренней стенкой отклоняющего бака для воды предпочтительно составляет менее 1 мм. При этом небольшое расстояние меньше 1 мм в соединении с четырехступенчатостью и простым выполнением отклоняющего бака 300 для воды связано с особенно небольшими проблемами изготовления и допустимых допусков, поскольку необходимое для равномерного распределения потока выдерживание одинакового расстояния до стенки требуется лишь в отклоняющем баке 300 для воды, а в баке 301 для воды в противоположность этому допустимы даже более грубые допуски, например, при несколько различной длине плоских труб матрицы.
В противоположность к находящимся уже в серийных автомобилях двухступенчатым отопительным теплообменникам эта мера, несмотря на связанное с этим увеличение потери давления со стороны охлаждающего средства по сравнению с баками для воды обычных размеров, приводит к цели, когда выполнение всей системы, например, в соответствии с указанными выше мерами, согласно изобретению, происходит в направлении меньшего расхода охлаждающего средства в нагревательной ветви, т.е. когда сам отопительный теплообменник используется в качестве дросселирующего органа. При этом небольшая высота ho действует, также как четырехступенчатая конструкция с перекрестными потоками и/или место перелива, в качестве дросселирующего органа в отопительном теплообменнике и вызывает одновременно улучшение равномерного распределения потока со стороны охлаждающего средства и тем самым теплового коэффициента полезного действия. При этом так же важным, как этот эффект, является то, что небольшая высота hu при одинаковых наружных размерах отопительного теплообменника является равнозначной увеличению торцевой поверхности матрицы, а также объема матрицы. Оба фактора непосредственно преобразуются в меньшую потерю давления со стороны воздуха и/или в улучшенный коэффициент полезного действия.
По сравнению с типичными отопительными теплообменниками в современных серийных автомобилях с обычным выполнением верхнего и нижнего бака для воды, первое существенное отличие этой модификации состоит в том, что применяется не одна или две ступени, а четыре ступени. Не типичное для серийного производства выполнение системы с меньшими целевыми значениями расхода отопительного и охлаждающего средства, с одной стороны, но также возможное использование конструктивного пространства для дополнительного РТС-нагревателя, с другой стороны, обеспечивают переход к четырем ступеням без уменьшения в режиме разогрева при небольшой скорости вращения двигателя расхода охлаждающего средства, соответственно, коэффициента полезного действия теплообменника.
Наряду с дросселированием за счет четырехступенчатости, в качестве второго дополнительного места дросселирования отклоняющий бак 300 для воды выполнен так, что конструктивная высота hu отклоняющего бака 300 для воды меньше 30% расстояния до противоположной стенки бака для воды, как указывалось выше. Небольшое расстояние до выхода и входа плоских труб относительно противоположной стенки бака для воды приводит к значительному увеличению местных дроссельных потерь. Однако эти местные дроссельные потери вызывают в свою очередь особенно равномерное прохождение потока через отдельные плоские трубы матрицы теплообменника. Следствием этого является то, что даже при относительно небольшом расходе охлаждающего средства через плоские трубы матрицы все еще обеспечивается очень хорошее распределение потока и температуры.
Обычные серийные теплообменники выполнены в противоположность теплообменникам, согласно изобретению, для большого расхода охлаждающего средства и тем самым для возможно меньших потерь давления. Поэтому во всех известных серийных теплообменниках для автомобилей размер hu существенно больше с целью минимизации потерь давления при отклонении потока охлаждающего средства в отклоняющем баке 300 для воды. Как правило, там размеры hu и ho примерно одинаковые. Неожиданным образом, обусловленное принципом действия увеличение потери давления после модификации в четырехступенчатый теплообменник, включая увеличение потери давления на основании экстремально малого отклоняющего бака для воды, оказалось не недостатком, а скорее преимуществом. При этом важным является то, что конструктивное пространство для дополнительного РТС-нагревателя можно использовать для теплообменника, и вся система в состоянии заменить по мощности дополнительный РТС-нагреватель.
Наконец, на этом пути открываются новые пути снижения стоимости изготовления автомобиля и экономии топлива.
Особенно предпочтительно, специально в применениях, которые требуют особенно небольшие расходы охлаждающего средства, когда, например, как показано на фиг.12, дросселирование расхода охлаждающего средства отопительного теплообменника осуществляется с целью достижения специфичного для применения целевого расхода охлаждающего средства с помощью экрана или переводной трубы 313 между ступенями 2 и 3. За счет этого можно при необходимости выполнять дросселирование в другой стадии. При этом, в частности, предпочтительно, что охлаждающее средство перед или при переводе из второй в третью ступень теплообменника не только дросселируется, но также принудительно очень хорошо перемешивается в этом сужении поперечного сечения.
Эта мера для дросселирования и перемешивания между ступенями 2 и 3 сказывается положительно, в частности, на запуске отопительного теплообменника при очень холодном охлаждающем средстве и неравномерной загрузке воздухом, поскольку таким образом каждая отдельная ступень имеет более гомогенные температуры охлаждающего средства по ширине бака для воды. Негомогенности температуры охлаждающего средства усиливаются за счет этих мер в режиме перекрестных противоположных потоков менее сильно от ступени к ступени, поскольку вызывается менее сильное отклонение потока охлаждающего средства к каналам с более высокой температурой охлаждающего средства, соответственно, меньшей вязкостью охлаждающего средства. При этом равномерному распределению потока возможно способствует также увеличение потери давления при входе и выходе в отклоняющий бак 300 для воды при уменьшенной конструктивной высоте hu. Специфичное для применения согласование потери давления может происходить в конечном итоге через значение hu, или же, что является более простым во многих случаях, с помощью переливного поперечного сечения 313 или с помощью комбинации этих обеих мер.
Поэтому дроссельное действие этих мер со стороны охлаждающего средства является во многих применениях желательным побочным действием, поскольку они повышают тепловое расширение охлаждающего средства в отопительном теплообменнике и возможно также в двигателе и тем самым, при достаточных размерах отопительного теплообменника, улучшают отопление.
Как показано на фиг.12 и 13, специально при относительно небольших целевых значениях расхода отопительного и охлаждающего средства особенно предпочтительно, когда перелив из ступени 2 в ступень 3 происходит, не как обычно в настоящее время в отопительных теплообменниках для автомобилей с целью минимизации потери давления, не по всей ширине бака для воды, а когда для перемешивания весь объемный поток охлаждающего средства направляется через общее отверстие или общий соединительный трубопровод к баку для воды третьей ступени. При этом подвод охлаждающего средства происходит через вход, соответственно, подводящее соединение 311, первая ступень с перекрестными потоками образована рядом 306 плоских труб с первым отклонением в баке 300 для воды ко второй ступени 307 с перекрестными потоками. Перевод из второй ступени в третью ступень 308 с перекрестными потоками происходит через соединительное отверстие 313, в котором принудительно осуществляется перемешивание и тем самым тепловое выравнивание охлаждающего средства перед третьей ступенью. Место 313 перемешивания предпочтительно интегрировано в бак 301 для воды. При этом важно, чтобы происходило максимальное выравнивание температуры охлаждающего средства перед третьей ступенью. В зависимости от положения установки и потребности в вентиляции, небольшое дополнительное вентиляционное отверстие в разделительном металлическом листе 360 или 350/352 бака для воды (соответственно, в целом в разделительной стенке) обеспечивает при необходимости надежную работу.
Одновременный переход к четырем ступеням с перекрестными потоками вместо максимально 2 ступеней в настоящее время в серийных легковых автомобилях и предусмотрение дополнительных мест дросселирования для гомогенизации расхода теплообменника и распределения температуры являются дополнительными предпочтительными шагами для улучшения теплообменника, согласно изобретению. Как показывают соответствующие опыты в автомобилях, можно справляться с обычно связанным с этим увеличением потери давления в отопительной ветви с помощью известных характеристик насосов для охлаждающего средства двигателя. Это, в частности, связано с тем, что во многих применениях уменьшение расхода охлаждающего средства в отопительной ветви с такими отопительными теплообменниками высокой мощности положительно сказывается на отопительной мощности.
Наряду с четырехступенчатостью, теплообменник, согласно изобретению, характеризуется тем, что он имеет внутренние конструктивные признаки, которые, с одной стороны, повышают на основании принципа действия потерю давления со стороны охлаждающего средства и тем самым уменьшают расход охлаждающего средства в отопительном контуре автомобиля и предпочтительно дополнительно с помощью перемешивания между ступенями 2 и 3 обеспечивают пониженное падение коэффициента полезного действия при малых до средних расходах охлаждающего средства. Такой конструктивный признак представляет переливной канал 313. В простейшем случае он реализован в виде смесительного отверстия 313а в разделительном металлическом листе 351. Средняя разделительная стенка 351 соединительного бака 301 для воды имеет при этом диафрагменный проточный переход 313 между ступенями 2 и 3, в котором дросселируется охлажденное в первых двух ступенях охлаждающее средство и одновременно максимально гомогенизируется. Отклоняющий бак 300 для воды на другом конце трубы со стороны охлаждающего средства матрицы теплообменника имеет точно одну задающую четырехступенчатость разделительную стенку 360, т.е. там происходит лишь отклонение потока. При этом поперечное перемешивание является сравнительно небольшим в противоположность к перемешиванию между ступенями 2 и 3 в баке 301 для воды. Понятно, что в целом разделительная стенка выполняет по существу функцию разделительного элемента, тем самым разделительная стенка не должна иметь конструктивную несущую функцию, даже если она ее выполняет.
При этом особенно предпочтительно, когда, как показано в качестве примера на фиг.12 и 13, подводящее соединение 311 и отводящее соединение 312 лежат на одной и той же стороне 400 соединительного бака 301 для воды, а переход 313 для потока разделительной стенки 351 - на противоположной стороне 401 соединительного бака 301 для воды, в частности вблизи максимально удаленной от подающего и отводящего соединений 311/312 плоской трубы матрицы теплообменника. Это расположение приводит к особенно хорошему равномерному распределению потока по отдельным плоским трубам теплообменника. Это объясняется, среди прочего, тем, что динамическое давление в баке 301 для воды на основании поперечного потока относительно плоских труб матрицы теплообменника в сумме максимально выравнивается по всем четырем ступеням. На фиг.14 это символически обозначено длиной стрелок потока в баке 301 для воды: в среднем во всех четырех ступенях находятся одинаково много длинных и коротких стрелок, т.е. мест входа и выхода плоских труб матрицы с увеличенным, соответственно, уменьшенным динамическим и тем самым противоположно изменяющимся статическим давлением.
Как показано на фиг.12 и 13, отопительный теплообменник, согласно изобретению, особенно прост в изготовлении, когда отклоняющий бак 300 для воды имеет точно одну разделительную стенку 360.
Для достижения хорошего перемешивания между ступенями 2 и 3 особенно предпочтительно, когда перепускное поперечное сечение 313 имеет площадь проточного поперечного сечения, которая равна или меньше площади проточного поперечного сечения подводящего соединения 311. При этом дополнительно обеспечивается, что теплообменник также вызывает минимальное дросселирование расхода охлаждающего средства, которое имеется при холодном, также как при теплом охлаждающем средстве, т.е. поток через отопительный теплообменник изменяется меньше в зависимости от температуры охлаждающего средства, чем в отопительном теплообменнике без внутреннего дросселирования, согласно изобретению, с помощью перепускного поперечного сечения 313 и возможно малой конструктивной высоте hu отклоняющего бака для воды.
При выполнении известных инструкций для вентиляции теплообменников отопительный теплообменник, согласно изобретению, можно устанавливать в различных положениях, например вертикально или горизонтально, при необходимости с дополнительными вентиляционными отверстиями в металлическом листе с толщиной, например, в диапазоне 1-2 мм или 2-3 мм.
При этом особенно предпочтительным является расположение, при котором теплообменник при установке и снятии сдвигается параллельно плоским трубам теплообменника. Однако в этом случае, возможно также независимо от этого, такой теплообменник особенно эффективно использует конструктивное пространство, когда соединительный бак 301 для воды в установленном состоянии закрывает установочную шахту для установки и удаления отопительного теплообменника, в частности, когда он при этом, по меньшей мере, частично выступает из устройства отопления-кондиционирования. При этом отклоняющий бак 300 для воды и обе боковые поверхности отопительного теплообменника могут прилегать к определяющим поток внутренним стенкам устройства отопления-кондиционирования, или же уплотнены там от воздуха утечки в обход матрицы теплообменника. Наряду с преимуществами при установке и снятии и при уплотнении, при таком расположении имеется особенно небольшое перекрытие воздушного потока, т.е. потеря давления со стороны воздуха за счет небольшой конструктивной высоты hu отклоняющего бака 300 для воды и максимально находящегося вне собственно пути прохождения воздушного потока расположения соединительного бака 301 для воды, является особенно небольшой. Тем самым эффективная величина матрицы теплообменника становится максимальной во многих типичных применениях в автомобилях.
При этом небольшая конструктивная высота hu не является обязательно необходимой, но весьма способствует реализации особенно эффективного в отношении небольшого до среднего расхода охлаждающего средства отопительного теплообменника. На этом фоне четырехступенчатый теплообменник, согласно фиг.15, означает значительное улучшение по сравнению с известными отопительными теплообменниками в серийных автомобилях.
На фиг.15 показан в поперечном разрезе вариант выполнения теплообменника, согласно изобретению, показанного на фиг.13, при этом разделительная стенка 351 имеет также в этом случае диафрагменный проточный переход 313 между ступенью 2 и 3, однако при этом в отличие от фиг.13 верхний и нижний баки 300, 301 для воды имеют по существу одинаковую конструктивную высоту.
Вариант выполнения теплообменника, согласно фиг.11-15, показан в качестве примера на фиг.16-18, при этом на фигурах одинаковые позиции (при необходимости увеличенные на 200) имеют одинаковые значения. Если из последующего не следует другое, то справедливы приведенные выше выкладки, в частности, относительно примера выполнения, показанного на фиг.11-15. Эта модификация является, в частности, предпочтительной в связи с данным изобретением и пунктом 1 формулы изобретения, но также независимо от него.
С помощью примера выполнения, описание которого приведено ниже, решается задача создания отопительного теплообменника для серийных автомобилей, который при небольшом до среднего расходе охлаждающего средства имеет улучшенный коэффициент полезного действия и тем самым расширяет возможности относительно максимально возможного увеличения отопительной мощности, и/или при том же коэффициенте полезного действия отопительного теплообменника и той же потере давления со стороны охлаждающего средства, что и в обычных теплообменниках, уменьшает потерю давления со стороны воздуха и/или конструктивное пространство для отопительного теплообменника, при этом следует выделить, в частности, обусловленные принципом действия преимущества. Это относится, в частности, к отказу от нижнего бака для воды и к возможности применения данного изобретения также в пластинчатых теплообменниках. В частности, при изготовлении в больших количествах можно за счет этого дополнительно снижать стоимость. Кроме того, обеспечивается возможность дальнейшего увеличения эффективного объема матрицы и/или уменьшения потери давления со стороны воздуха.
Подводящее соединение 511 и отводящее соединение 512 могут лежать на одной и той же стороне 60 соединительного бака 501 для воды, а перевод 513 потока разделительной плоскости 551 - на противоположной стороне 601 соединительного бака 501 для воды, в частности, вблизи максимально удаленной от подводящего и отводящего соединений плоской трубы матрицы теплообменника.
Эта модификация также приводит снова неизбежно к некоторому повышению потери давления со стороны охлаждающего средства, чем в обычных четырехступенчатых отопительных теплообменниках с обычным отклонением в баке для воды по всей ширине матрицы, т.е. без места 513 дросселирования и перемешивания.
Особенно предпочтительно, что дросселирование расхода охлаждающего средства отопительного теплообменника осуществляется на специфичное для применения целевое значение расхода охлаждающего средства через диафрагму или перепускную трубу 513 между ступенью 2 и ступенью 3. За счет этого обеспечивает то преимущество, что охлаждающее средство перед или при переводе из второй в третью ступень теплообменника в этом сужении поперечного сечения не только слегка дросселируется, но также очень хорошо принудительно перемешивается. Эта мера для дросселирования и перемешивания между ступенями 2 и 3 сказывается, так же как в предыдущей модификации, особенно положительно на запуск отопительного теплообменника при очень холодном охлаждающем средстве и неравномерной загрузке воздухом.
Как показано на фиг.16, 17, предпочтительно происходит переток из ступени 2 в ступень 3 не по всей ширине бака для воды, как обычно в настоящее время в отопительных теплообменниках для автомобилей с целью минимизации потери давления, а весь объемный поток охлаждающего средства для перемешивания направляется через общее отверстие или общий соединительный трубопровод в следующую ступень. Подача охлаждающего средства осуществляется, как показано на фиг.16, через вход 511, при этом первая ступень с перекрестными потоками образована рядом 506 плоских труб с отдельными каналами 506а и 506b. Отклонение во вторую противоточную ступень 2 осуществляется внутри двойной трубы 506 с помощью перепускной щели 506sp. Простейшим образом это реализуется тем, что двойная труба 506 образована посредством сварки разделительного шва 506tn почти до конца трубы. Короткое прерывание сварного шва на длине, например, 10-15 мм создает в этом случае на каждой отдельной двойной плоской трубе отклонение потока из ступени 1 в ступень 2, соответственно, из ступени 3 в ступень 4. На торцевой стороне двойные трубы 506 и 508 закрыты с помощью закрывающего металлического листа 560. Переток из второй в третью ступень с перекрестными потоками происходит через соединительное отверстие 513, в котором происходит принудительное перемешивание и тем самым тепловое выравнивание охлаждающего средства перед третьей ступенью. Место 513 перемешивания предпочтительно интегрировано в баке 501 для воды. При этом важно, что происходит максимальное выравнивание температуры охлаждающего средства перед третьей ступенью. В зависимости от положения установки и потребности в вентиляции, небольшое вентиляционное отверстие в разделительных стенках 550/552 бака для воды обеспечивает при необходимости надежную работу.
Так же как в модификации, согласно фиг.11-15, в данном случае предусмотрен переливной канал 513, который в простейшем случае может быть образован диафрагменным отверстием 513 в разделительном металлическом листе 551, что подразумевается в последующем. Средняя разделительная плоскость 551 соединительного бака 501 для воды может снова иметь диафрагменный переток 513 между ступенями 2 и 3, в котором охлажденное в первой ступени охлаждающее средство дросселируется и одновременно максимально гомогенизируется. Отклонение между ступенями 1 и 2, а также между ступенями 3 и 4 на другом конце трубы со стороны охлаждающего средства матрицы теплообменника может происходить без поперечного перемешивания внутри отдельных двойных плоских труб 506 и 508.
За счет хорошего выравнивания потока и температуры теплообменника, согласно изобретению, и увеличения объема матрицы за счет отсутствия отклоняющего бака для воды обеспечивается возможность дальнейшего улучшения коэффициента полезного действия теплообменника и/или обеспечивается дополнительное конструктивное пространство для максимизации объема матрицы теплообменника. Кроме того, теплообменник особенно прост в изготовлении.
При этом особенно предпочтительным является расположение, при котором теплообменник при установке и извлечении сдвигается параллельно плоским трубам теплообменника. Если соединительный бак 501 для воды в установленном состоянии закрывает установочную шахту для установки и извлечения отопительного теплообменника, в частности, когда он при этом, по меньшей мере, частично выступает из устройства отопления-кондиционирования, то при этом торцевая сторона и обе боковые поверхности отопительного теплообменника предпочтительно прилегают к задающим поток внутренним стенкам устройства отопления-кондиционирования, и/или уплотнены там от воздуха утечки в обход матрицы теплообменника. Таким образом, при таком расположении имеется особенно небольшое препятствие для потока воздуха, т.е. потеря давления со стороны воздуха является особенно небольшой за счет отсутствия отклоняющего бака 500 для воды и максимально удаленное от собственно пути прохождения воздуха расположение соединительного бака 501 для воды, так что эффективная величина матрицы теплообменника может быть максимальной.
Вместо двух двойных плоских труб можно при достаточно большом производимом количестве переходить на выполнение плоских труб или всего теплообменника в виде пластин. При этом, например, плоские трубы 506а, 506b, 508а и 508b с разделительными плоскостями 506tn и 508tn образуют посредством соединения двух предварительно сформированных пластин, и оба задающих четырехступенчатость перехода 506sp и 508sp потока образуют за счет того, что разделительные плоскости 506tn и 508tn вблизи концов плоских труб имеют разрыв для отклонения потока для следующей противоточной ступени. При этом соединительный бак для воды может быть образован, как показано на фиг.16, тем, что отдельные плоскотрубчатые каналы встроены в соответствующие отверстия дна бака для воды и уплотнены, и что разделительные плоскости 550, 551 и 552 образованы с помощью разделительных металлических листов, соответственно, разделительных стенок и крышки бака для воды с соединениями 511 и 512 для охлаждающего средства.
Для этого примера выполнения справедливо также показанное на фиг.14.
На фиг.17, 18 показано другое особенно предпочтительное выполнение в виде пластинчатого теплообменника. При этом соединительный бак 501 для воды образован за счет формирования отдельных плоскотрубчатых каналов так, что соединение отдельных пластин теплообменника со стороны воды одновременно образует плоскотрубчатые каналы 506a, 506b, 508a, 508b с их местами 506sp и 508sp перехода и четыре коллекторные трубы 501а, 501b, 501c и 501d. Коллекторная труба 501а служит в качестве соединения для подвода охлаждающего средства, коллекторная труба 501d - в качестве соединения для отвода охлаждающего средства, и перепускное соединение 513 выполняет дросселирование и максимальное перемешивание собранного в коллекторной трубе 501b охлаждающего средства второй противоточной ступени перед входом в коллекторную трубу 501 с третьей противоточной ступени. В этом случае также совершенно сознательно происходит собирание охлаждающего средства между ступенями 2 и 3 и перемешивание перед входом в третью ступень для обеспечения определенного дросселирования и одновременно, возможно, хорошего выравнивания температуры.
На фиг.19 схематично показана часть теплообменника в изометрической проекции (фиг.19а), на виде сверху (фиг.19b) и в разрезе по линии А-А (фиг.19с). Расположенные со стороны охлаждающего средства плоские трубы 700, от которых изображены лишь участки, имеют расположенные со стороны воздуха ребра 701 теплообменника, которые могут соединять друг с другом плоские трубы, через которые проходит поток охлаждающего средства в направлении стрелок (черные стрелки). Плоские трубы могут проходить через образующие ребра металлические листы. Понятно, что ребра могут быть образованы другим образом и могут быть соединены с плоскими трубами, так, ребра могут быть образованы, например, зигзагообразными, как показано на фиг.13, 15 и далее. При этом ребра 701 снабжены создающими турбулентности пазами 702, которые могут быть образованы посредством краевых вырубок 703 из ребер, соответственно, металлических листов или возможно также в виде выемок в ребрах. Пазы соседних зон 705а, 705b могут быть ориентированы в различных направлениях относительно направления потока, как показано на фиг.19. Расстояние между ребрами в данном случае является расстоянием между слоями металлических листов поперек или перпендикулярно направлению потока воздуха (открытая стрелка). При этом пустые промежуточные пространства 706 между отдельными группами 707а,b труб теплообменника относятся к объему матрицы, что справедливо в рамках всего изобретения.