Am Beispiel eines Ölkühlers aus der "Steinzeit" der Formel III.
Wasserkühler und Ölkühler im KFZ- Bereich sind weitgehend baugleich. Wesentliche Unterschiede ergeben sich aus der Druckbelastung und aus der unterschiedlichen Aggressivität der Medien. Öl einige Bar, Wasser i.d.R. nur geringer Druck. Moderne Wasserkühler sind teilweise aus Kunststoff (Sammelkästen).
Physikalisch sind Kühler dieser Bauart simple Wärmetauscher.
Heisses Öl (oder eine andere Kühlflüssigkeit) fliesst über die metallische Innenfläche des Kühlers. Diese wird erwärmt, das Metall transportiert die Wärmeenergie, und verteilt sie auf seine Aussenfläche. Hier wird sie von der vorbeiströmenden Luft abgeführt. Ebenso wie das Metall die Wärme transportieren muss ist dies auch im Flüssigkeitsstrom notwendig da sonst nur die direkt mit dem Metall in Kontakt befindliche Flüssigkeits“schicht“ Wärme abgeben könnte.
Geometrisch hat jeder Kühler bestimmte Abmessungen (Breite Höhe Tiefe), die jedoch mit seiner Kühlleistung nur teilweise zu tun haben. (Bild 1)
Für die Kühlleistung entscheidend sind (etwas vereinfacht):
- 1. Das Vermögen des Trägermediums (hier: Öl) Wärme an das Kühlermaterial (hier AL) abzugeben.
- 1.1. Wärmeübergangswert Öl>>AL. In der Praxis bei der Paarung Flüssigkeit / Metall kein entscheidendes Thema.
1.2. überströmte Fläche, also im wesentlichen der Innenfläche der Stege. Die Seitenkästen sind (fast) uninteressant (Bild 2)
1.3. Strömungsgeschwindigkeit, abhängig von der Ölpumpe und deren Antrieb. - .
- 2. Das Vermögen die übergebene Wärme zu transportieren
- 2.1. Wärmeleitfähigkeit von AL.
- 2.2. Übergänge Stege / Lamellen). Hier galt zumindest früher, dass verschweisste / gelötete Übergänge besser / langlebiger seien als gepresste. Meine eigenen Erfahrungen bestätigen das, wobei moderne gepresste KFZ Kühler (Wasser) weitaus häufiger durch Frostschäden, Unfälle oder Steinschlag verröcheln als durch konstruktionsbedingte Mängel.
- 3. Das Vermögen des Kühlermaterial (hier AL) Wärme an das Austauschmedium (hier: Luft) abzugeben.
- 3.1. Wärmeübergangswert AL>>Luft
-
3.2. überströmte Fläche. (Bild 3) Notwendig ist ein Mehrfaches wie beim Übergang Öl>> AL, da der Wärmeübergangswert an gasförmige Stoffe wesentlich schlechter ist. Die Hälfte der Kühlfläche errechnet sich aus der gestreckten Lamellenlänge und deren Tiefe PLUS der Länge der Stege und deren Tiefe. (Hälfte, weil diese Bauteile "Ober-" und "Unterseite" haben)
oelk_lamelt
3.3. Strömungsgeschwindigkeit, gegeben durch Fahrtempo, und Anströmung. Im Stand besteht die (geringe) Kühlleistung fast ausschliesslich durch (langwellige) Wärmeabstrahlung an der gesamten Kühleroberfläche.
Während der Fahrt kann diese Grösse zu Gunsten der Konvektion (Wärmetransport durch erwärmte Luftpartikel) fast vernachlässigt werden.
Entscheidend in der Praxis dürften die Punkte 1.2. und 3.3. sein.
Verstopfte oder verbogene Lamellen kosten Kühlleistung weil die Lamellen nicht durchströmt werden.
Dreckige, verkrustete Oberflächen kühlen schlechter weil zusätzlich weitere, in der Regel wesentlich schlechtere Wärmeübergänge zu überwinden sind.
In Summe:
_Die Innenfläche und damit die Übergangsfläche des Kühlers muss möglichst gross sein. Die Aussenfläche muss noch grösser sein (Lamellen), da der Wärmeübergang von Metall/Luft deutlich schlechter ist als bei Flüssigkeit/Metall.
_Die Innenflächen müssen Kontakt zum Trägermedium haben. Damit wäre es logisch möglichst viele, flache Kanäle einzusetzen damit „kein“ Wärmetransport innerhalb des Trägermediums notwendig ist sondern möglichst „viel Wand“ direkt erreicht wird. Voraussetzung ist, dass der Ölkühler leerläuft wenn der Motor abgestellt wird. Wenn Öl im Kühler verbleibt und erkaltet, wird es schwierig wenn das Thermostat heisses Öl zum Kühler leitet und dies dann dort erst mal das „dickflüssige“ Zeug auftauen muss damit Durchgang geschaffen wird. Hat ein Kanal keinen Mindestquerschnitt, so erzeugt er einen zu hohen Fliesswiderstand und verstopft zu leicht.
Die Querschnitte der Kanäle des Kühlers sind in Summe deutlich grösser als der Zufluss Wird das Kühlmedium am Ablauf nicht „gestaut“ so läuft es schneller ab als es zuläuft. Die/einige Kanäle sind dann nicht komplett gefüllt und sinnlos. Der Rücklaufweg bis zur Ölwanne muss also in der Lage sein so viel Widerstand aufzubauen, dass der Kühler im Betrieb gefüllt ist.
Theoretisch kann auf diese Weise die Kühlflüssigkeit bis auf die Temperatur der vorbeiströmenden Luft gekühlt werden wenn der Kühler ausreichend bemessen ist.
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