2.3 Arten und Varianten der Flüssigkeitskühlung

Pumpenumlaufkühlung

Bei der Pumpenumlaufkühlung wird ein Kühlmittelzwangsumlauf mittels einer Kühlmittelpumpe erreicht. Die Temperaturdifferenz zwischen Eintritts- und Austrittstemperatur an Motor und Kühler sowie anderer ggf. verwendeter Kühlkreislaufelemente kann in Abhängigkeit vom umlaufenden Kühlmittelstrom klein gehalten werden. Ein wachsender Kühlmittelstrom erfordert jedoch auch eine größere Pumpenantriebsleistung. Außerdem steigt je nach Anschlussstelle des Ausgleichbehälters die Druckbelastung der Kühlkreislaufbauteile mit größerem Pumpendifferenzdruck. Bei der Auslegung des Kühlsystems und hier speziell des Kühlkreislaufes ist daher auf eine sorgfältige Abstimmung der wärme- und strömungstechnischen Einflussgrößen zu achten.

Für den Kühlmittelumlauf werden derzeit fast ausschließlich Kreiselpumpen verwendet, die vom Motor angetrieben werden. Sie ändern ihre Drehzahl in Abhängigkeit von der Motordrehzahl, damit ändern sich der umlaufende Kühlmittelstrom und die Förderenergie bzw. der Förderdruck der Pumpe.

Nachfolgende Bilder zeigen einen einfachsten Pumpenumlaufkühlkreislauf und für diesen Kreislauf die Abhängigkeit des Kühlmittelstromes und der spezifischen Förderenergie der Pumpe von der Pumpendrehzahl:

Der jeweilige Arbeitspunkt der Kühlmittelpumpe liegt im Schnittpunkt der Kennlinien von Pumpe und Strömungswiderstand des Kühlkreislaufes. Für die maximale und minimale Drehzahl des Motors ergeben sich die Arbeitspunkte \bf {A_{max}}, \bf{A_{min}} mit den Kühlmittelströmen \bf {\dot V_{max}}, \bf {\dot V_{min}} .

Der umlaufende Kühlmittelstrom kann auch durch Einbau eines thermostatisch beeinflussten Ventils geregelt werden. Bei einer Drosselung auf einen Strömungswiderstand R‘ ergeben sich die im Bild dargestellten Arbeitspunkte A’max und A’min mit den entsprechenden kleineren Kühlmittelströmen.

Im Allgemeinen wird jedoch eine Bypassregelung mit Kurzschlussleitung und einem thermostatisch betätigten Dreiwegeventil verwendet, welches bei Unterschreitung einer festgelegten Kühlmitteltemperatur den Abzweig zum Kühler schließt, so dass der Gesamtvolumenstrom über die Kurzschlussleitung fließen muss:

 

Druckkühlung

Bei einem offenen, unter Atmosphärendruck stehenden Kühlkreislauf hängt die erreichbare Kühlmitteltemperatur vom Kavitationswert der Kühlmittelpumpe NPSY bzw. NPSH und dem sich daraus errechneten erforderlichen Saugdruck zur Kavitationsvermeidung ab (s. Menüpunkt 5 Kavitation). Die Kühlmitteltemperatur kann deshalb, abhängig von der Zusammensetzung des verwendeten Kühlmittels, nicht wesentlich höher als 85 °C sein. Zur Erzielung höherer Temperaturen im Kühlkreislauf werden höhersiedende Kühlmittelgemische und/oder der Druck im Kühlkreislauf erhöht.

In einem geschlossenen Kühlkreislauf kann also durch Druckerhöhung die Kühlmitteltemperatur wesentlich erhöht werden, wobei bei gleicher Temperatur für ein Kühlmittelgemisch mit einem Frostschutzanteil ein geringerer Überdruck im Ausgleichbehälter notwendig ist als bei Verwendung von reinem Wasser.

Mit der bei Druckkühlung möglichen Kühlmitteltemperaturerhöhung verringern sich auch die erforderlichen Wärmeübertragungsflächen der Kühler, da die luftseitige Wärmeabfuhr proportional mit der Steigerung der mittleren Temperaturdifferenz zwischen Kühlluft und Kühlmittel zunimmt. Größe und Masse der Kühler werden verringert. Der Motorwirkungsgrad erhöht sich, weil bei höherer Kühlmitteltemperatur die Reibungsverluste des Motors geringer sind und weniger Reibungsverlustwärme vom Motor abgeführt wird. Außerdem kann die Lüfterleistung bei gleichbleibenden Kühlerabmessungen durch Drehzahlverringerung herabgesetzt und damit Lüftergeräusch sowie Lüfterantriebsleistung verringert werden.

Für den Aufbau des Druckes im geschlossenen Kühlkreislauf wird ein Ausgleichbehälter mit Über- und Unterdruckventil verwendet.
Geschlossene Kühlkreisläufe haben geringe Kühlmittelverdampfungs- bzw. -überlaufverluste und können bei  richtig  ausgelegtem Ausgleichbehälter über eine längere Betriebsdauer wartungsarm bzw. wartungsfrei betrieben werden.

Bei Kfz-Kühlkreisläufen wird in der Regel eine Kombination aus Pumpenumlaufkühlung und Druckkühlung verwendet.

 

Thermosiphonkühlung

Bei der Thermosiphonkühlung wird der Kühlmittelumlauf durch den Dichteunterschied der Kühlmittelsäulen zwischen dem Erwärmungs- und Abkühlungspunkt erzielt, es ist daher  zum Zwangsumlauf des Fluids keine Kühlmittelpumpe erforderlich. Im  Bild, das den prinzipiellen Aufbau der Thermosiphonkühlung zeigt, ist der Erwärmungspunkt auf Motormitte und der Abkühlungspunkt auf Kühlermitte festgelegt.

Aus dem Höhenunterschied \Delta h zwischen dem Erwärmungs- und Abkühlungspunkt und dem Dichteunterschied der Kühlmittelsäulen ergibt sich das Gefälle der spezifischen Energie:

    \[\boldsymbol {Y=\frac{\Delta h\left(\varrho_{A} -\varrho_{E}\right)g}{\varrho_{m}}}\]

Diesem Gefälle steht der Verlust an spezifischer Energie der einzelnen Elemente des Kreislaufes – Motor, Kühler, Verbindungsleitungen – gegenüber:

    \[\boldsymbol {Y_{V}=R\cdot \dot{V}^{2}}\]

Aus diesen Gleichungen lässt sich der Umlaufmengenstrom ermitteln:

    \[\boldsymbol {Y=Y_{V}}\]

    \[\boldsymbol {\dot{V}=\sqrt{\frac{Y}{R}}=\sqrt{\frac{\Delta h\left(\varrho_{A}-\varrho_{E}\right)g}{R\cdot \varrho_{m}}}}\]

Er ist umso größer, je kleiner der Gesamtwiderstand des Kühlkreislaufes und je größer der Abstand zwischen Abkühlungs- und Erwärmungspunkt oder der Dichteunterschied der Strömungsmittelsäulen wird.

Die Vorteile der Thermosiphonkühlung sind im einfachen Aufbau, der geringen Störanfälligkeit und der selbsttätigen Regelung zu suchen.

Nachteilig sind: begrenzte Leistungsfähigkeit, wegen der kleinen Kühlmittelumlaufgeschwindigkeit erforderliche große Kühlerabmessungen, große Kühlmittelfüllung sowie relativ große Temperaturänderungen im Kühlkreislauf.

Diese Kühlart findet nur noch selten Verwendung, jedoch können mit den oben beschriebenen Zusammenhängen die Strömungsverhältnisse berechnet werden, die z.B. bei großem Wärmeeintrag in den Kühlkreislauf nach Volllastfahrt und Motorabstellen ohne Betrieb einer Nachhitzepumpe auftreten.

 

Verdampfungskühlung

Bei der Verdampfungskühlung wird das Kühlwasser beim Umströmen der zu kühlenden Bauteile des Motors zur Verdampfung gebracht.

Durch die Bindung der Verdampfungswärme entzieht das Kühlmittel den zu kühlenden Bauteilen wesentlich größere Wärmemengen als bei einer Erwärmung im flüssigen Zustand bei gleicher Temperaturdifferenz. Die Kühlwirkung ist somit größer als bei einer Wasserumlaufkühlung. Der Dampf wird in einem Kondensator verflüssigt und dem Motor wieder zugeführt. Der luftseitige Wärmeübergang am Kondensator lässt sich durch einen zusätzlichen Lüfter noch verstärken.

Zur Erzielung höherer Temperaturen im Kühlkreislauf kann auch bei der Verdampfungskühlung wie bei der Druckkühlung mit einem entsprechenden Überdruck im Kühlsystem gearbeitet werden. Im Allgemeinen wird auf einen Zwangsumlauf des Kühlmittels verzichtet und nur die beim Verdampfungsprozess auftretende Bewegung ausgenutzt, möglich ist aber auch die Verwendung einer Kondensatpumpe.

 

Kühlung mit unterschiedlichem Temperaturniveau

Ein unterschiedliches Temperaturniveau in Kühlkreisläufen von Verbrennungsmotoren ist z.B. bei der Ladeluftkühlung oder im Zylinder- und Kopfbereich vorteilhaft. Es lässt sich erreichen entweder durch Regelvorgänge im Kühlkreislauf (Bild links) oder durch einen Sekundärkühlkreislauf mit Öl als Kühlmittel z.B. bei der Zylinderbuchsenkühlung oder dem Kühlmittel des Hauptkreislaufes bei der Ladeluftkühlung (Bild rechts):

 

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