Wärmeübertrager für höchste Ansprüche

Abwärmenutzung aus dem Abgas wird in den kommenden Jahren dazu beitragen, den Kraftstoffverbrauch von Pkws und Lkws spürbar zu senken. IAV entwickelt dafür Wärmeübertrager, deren einzigartiges Design zu hohen Wirkungsgraden, geringen Herstellungskosten und kompakten Abmessungen führt.

Erste Anwender der Wärmerückgewinnung dürften schon in wenigen Jahren die Hersteller von Nutzfahrzeugen sein. „Wir haben ihren Einsatz in einem Lkw untersucht und dabei eine Verringerung des Kraftstoffverbrauchs um bis zu vier Prozent gemessen“, berichtet Thomas Arnold, Teamleiter Konstruktion/Versuch in der Voraus­entwicklung von IAV. „Bei Pkws sind je nach Fahrprofil zwischen fünf und acht Prozent möglich. Das macht die Wärmerückgewinnung auch hier sehr interessant – spätestens wenn neue Flotten­grenz­werte von teilweise nur noch 75 Gramm CO2 pro Kilometer eingeführt werden.“

IAV beschäftigt sich intensiv mit der sehr erfolgversprechenden Technologie des Organic Rankine Cycle (ORC). Grundprinzip der Wärmeenergie­rückgewinnung mit dem ORC Prozess: Ein Wärme­übertrager entzieht dem Abgasstrom Energie, die in einem Dampf­prozess in mechanische Arbeit umgewandelt wird und so den Motor entlastet. Einer der entscheidenden Faktoren für die Wirtschaftlichkeit derartiger Systeme ist das Design des Wärme­übertragers – denn er bestimmt maßgeblich Wirkungsgrad, Kosten und Bauraum­anforderungen des Systems.

Beim Pkw sitzt der Wärme­übertrager an der Stelle des Mittel­schall­dämpfers, beim Lkw sind ein Wärme­übertrager in der Abgasnach­behandlungs­box und ein weiterer in der Abgasrückführung (AGR) als Ersatz des AGR-Kühlers untergebracht. In beiden Fällen durchströmt das heiße Abgas das Bauteil und gibt dabei Wärmeenergie an den Dampfkreislauf ab. Seit sieben Jahren entstehen im IAV-Entwicklungs­zentrum Chemnitz/Stollberg Prototypen von Wärmeübertragern, die sowohl in Pkws als auch in Lkws eingesetzt werden können. Sie zeichnen sich durch hohe Performance und Verlässlichkeit aus – auch bei Drücken von bis zu 100 bar und Temperaturen von bis zu 1.000 Grad Celsius.

Im Gegensatz zu vielen anderen Unternehmen setzt IAV nicht auf Platten­wärme­tauscher, sondern hat ein eigenes Design entwickelt. „Es basiert auf Rohren, deren Ausführung und Anordnung auf die extremen Anforderungen als Abgas-Wärme­übertrager angepasst sind“, so Arnold. „Das garantiert eine gute Umströmung durch das Abgas und damit einen hohen Wirkungsgrad. Außerdem kann diese Anordnung die thermische Ausdehnung des Wärme­übertragers gut ausgleichen und damit den außergewöhnlichen Anforderungen gerecht werden.“ Das Potenzial dieses Prinzips ist noch nicht ausgereizt, sodass die IAV-Entwickler ihre Komponenten fortlaufend verbessern: „In letzter Zeit ist es uns gelungen, den Wirkungsgrad weiter zu verbessern. Derzeit arbeiten wir daran, die Abmessungen nochmals zu verkleinern“, sagt Arnold. Viele Kunden vertrauen auf die Prototypen von IAV, die sich schon in vielen Projekten bewährt haben. Mögliche Herstellungs­verfahren wurden bereits bewertet, sodass eine Serienfertigung der IAV-Wärme­übertrager relativ kurzfristig starten könnte.