DE2158505C2 - Wärmetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Wärmetauscher, insbesondere zur Verwendung in Trocken-Kühltürmen.

Wärmetauscher der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art sind bekannt, es ist jedoch offen, in welchem Abstand mehrere solche rippenartigen Vorsprünge vorzusehen sind, und vor allem, wie diese angeordnet sind (DE-PS 7 45 680).

Bei derartigen Wärmetauschern stört es, wenn die durchströmenden Gase an den rippenartigen Vorsprüngen laminar entlangströmen, weil eine solche laminare Strömung den Wärmeübergang von den Rippen zum durchströmenden Gas stark behindert. Je größer die in Strömungsrichtung gemessene Länge der Rippenstücke ist, über eine um so größere Strecke erstreckt sich die laminare Strömung, so daß der Wärmeübergangswiderstand groß wird. Umgekehrt, je kleiner die in Strömungsrichtung gemessene Länge der Rippenstücke ist, um so turbulenter wird die Strömung, so daß der Wärmeübergang verbessert wird; andererseits steigt jedoch bei turbulentem Gasstrom der Strömungswiderstand stark an, und es ist nicht bekanntgeworden, daß und wie diesen einander widerstreitenden Anforderungen Rechnung getragen werden kann.
Es ist ferner ein Wärmetauscher bekanntgeworden, der aus einer Reihe von Leitungen für einen Wärme austauschenden Stoff und Fahnen besteht, die in den Zwischenräumen zwischen den Leitungen angeordnet sind und von einem Gas durchquert werden können, wobei sich jede Fahne zwischen einer Leitung und einer dieser benachbarten Leitung erstreckt, und jeweils zwischen zwei benachbarten Leitungen mehrere Fahnensätze vorgesehen sind, wobei die Fahnen jedes Satzes relativ zueinander ausgefluchtet sind und relativ zu den Fahnen jedes anderen Satzes sowohl in Richtung des beabsichtigten Gasstroms als auch in Richtung quer dazu in einer Ebene parallel zu den durch die Leitungen definierten Ebenen versetzt sind und schräg zueinander verlaufen. Eine solche Fahnenanordnung resultiert in einer unkontrollierten Turbulenz des durchgehenden Gasstroms, so daß der Strömungswiderstand sehr hoch wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Wärmetauscher der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art den bei der Störung der laminaren Grenzschicht resultierenden Druckanstieg so klein wie möglich zu halten, mit anderen Worten, eine kontrollierte Turbulenz zu erreichen, d. h. gerade so viel Turbulenz zu erzeugen, daß die laminare Strömung gestört, aber der Druckverlust (oder der Druckanstieg) so klein wie möglich gehalten wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 aufgeführten Maßnahmen gelöst.

« Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Anordnung kann am besten in Verbindung mit Fig.3 der Zeichnung erläutert werden: Wenn der in F i g. 3 angegebene Luftstrom auf eine der beiden mittleren Fahnen der obersten Reihe auftrifft, entsteht zunächst in geringem Umfang eine laminare Strömung genau wie bei den bekannten Wärmetauschern. Sobald der Luftstrom das Ende dieser Fahne erreicht, wied jedoch durch die Unterbrechung Turbulenz hervorgerufen, ebenso wie bei den bekannten Wärmetauschern.

Abweichend von den bekannten Wärmetauschern entsteht dadurch jedoch eine turbulente Zone an den Stirnflächen der unmittelbar folgenden Fahne, die zu den vorangehenden auf Lücke stehen, so daß diese zweite Fahnenreihe überhaupt keiner laminaren Strömung ausgesetzt ist. Andererseits können sich aber Wirbel nur maximal bis zur Größe des Abstandes zwischen den Fahnen eniwickeln, diese Wirbel werden also in genau definierten Grenzen gehalten, so daß der Luftwiderstand und damit der Druckverlust oder Druckanstieg ebenfalls in sehr engen Grenzen gehalten wird. Es ergibt sich also durch den gesamten Wärmetauscher eine kontinuierlich kontrollierte Turbulenz, die beim Stand der Technik bisher weder bewußt angestrebt noch erreicht worden ist. Durch eine solche »kontrollierte Turbulenz« ist es aber möglich, die obenerwähnten einander widersprechenden Grundforderungen für hohe Wärmetauscherleistung zu erreichen, nämlich sowohl sehr guten Wärmeübergang (durch Turbulenz) als auch geringen Strömungswiderstand

b5 oder Druckverlust (durch geringe Turbulenz). Da erfindungsgemäß die Turbulenz der Kühlluft gerade in dem Maße erzeugt wird, daß die isolierende laminare Gasschicht an den Fahnen zerstört wird, eine weitere

Ausbreitung der Turbulenz dagegen verhindert wird, werden diese beiden einander widersprechenden Forderungen in optimaler Weise erfüllt

Spezielle Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 4.

Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden; es zeigt

F i g. 1 eine schematische Ansicht einer Wärmetauschereinheit,

Fig.2 eine perspektivische Teilansicht der Einheit nach F ig. 1,

F i g. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 in F i g. 1 und

Fig.4 schematisch einen Wärmetauscher nach Montage in einem Kühlturm.

Der in der Zeichnung dargestellte Wärmetauscher is besetht aus einw Reihe von parallelen Strömungsmittelleitungen 10, die im Gebrauch im wesentlichen vertikal angeordnet sind und sich über die Breite der Einheit erstrecken, wobei ein Sammler 12 auf der Oberseite und ein zweiter Sammler 14 an der Unterseite der Einheit vorgesehen sind. Das zu kühlende Strömungsmittel tritt in den unteren Sammler 14 ein und fließt durch die Leitungen 10 aufwärts in den oberen Sammler 12, den es verläßt, um durch einen geschlossenen Kreislauf zu zirkulieren, wonach es wieder in den unteren Sammler eintritt. Um was für einen Kreislauf es sich handelt, und für welchen Zweck das Strömungsmittel gekühlt werden muß, ist für die vorliegende Erfindung ohne Bedeutung, das Strömungsmittelsystem im Wärmetauscher kann jedoch ohne weiteres ein Vielstufensystem sein.

Der Luftstrom, mit dem die Strömungsmittelpassagen gekühlt werden, tritt horizontal und in einer Richtung in die Einheit ein, die parallel zur Breitseite der Leitungen liegt, das heißt rechtwinklig zur Zeichenebene.

Die Leitungen haben flache Seiten und im wesentlichen gestreckten Querschnitt, insbesondere einen strömungsgünstigen Querschnitt, und sind in gewissen Abständen mit eingeprägten Rippen versehen.

Zwischen benachbarte Leitungen ist eine Reihe von Fahnen 22 eingeschaltet. Die Fahnen dienen als Abstandshalter zwischen den Leitungen, und die Leitungen und Fahnen werden zwischen zwei Wangenplatten 24 mit einer Reihe von sich quer erstreckenden Bolzen 26 und Muttern 28 gehalten.

Getrennt von ihrer Aufgabe als Abstandshalter dienen die Fahnen dazu. Wärme durch Leitung von den Wänden der Leitungen aufzunehmen und sie an den Luftstrom abzugeben. Um den Wärmefluß von den Leitungen zu den Fahnen zu fördern, wird die Einheit mit den Bolzen fest zusammengepreßt, um einen positiven mechanischen Druck an den Grenzflächen von Leitungen und Fahnen zu gewährleisten. Während des Durchströmens von Strömungsmittel durch die Leitungen erhöht der aufgebaute hydrostatische Druck den mechanischen Druck zwischen den Leitungen und den Fahnen.

Wenn die natürliche Elastizität der Leitungswände und der Fahnen nicht ausreicht, die unterschiedlichen Spannungen in den Bolzen 26 aufzunehmen, die durch bo Temperaturänderungen innerhalb der Einheit im Betrieb auftreten können, können zwischen den Muttern 28 und den Wangenplatten 24 Druckfedern 34 vorgesehen werden.

Durch den positiven mechanischen Druck an den es Grenzflächen, der jederzeit vorhanden ist, wird die Wärmeleitung der Einheit verbessert, und das kann noch weiter dadurch verbessert werden, daß nachgiebige Packungen mit guten Wärmeleitungseigenschaften zwischen die Fahnen und die Leitungen während der Montage der Einheit eingesetzt werden. Geeignete Werkstoffe sind beispielsweise Lot, Metallpaste oder Metallkitt, Blei, Aluminium, Zink oder metallhaltige Farben. Statt dessen kann eine gute Leitfähigkeit zwischen den Fahnen und den Leitungen dadurch gewährleistet werden, daß die Berührungspunkte hartgelötet, geschweißt oder weichgelötet werden, oder daß die Einheit verzinkt wird.

Das Vorhandensein der Fahnen zwischen den Leitungen erhöht notwendigerweise den Widerstand gegen den Luftstrom durch die Einheit, und das ist von besonderer Bedeutung, wenn der Luftstrom durch natürliche Kräfte induziert wird, wie das bei einem Kühlturm mit Einschnürung der Fall ist, bei dem der Druckunterschied niedrig ist. Um den Widerstand gegen Luftstrom herabzusetzen, können die Fahnen stromlinienförmigen Querschnitt haben.

Die Fahnen haben über ihre Länge keinen gleichförmigen Querschnitt, weil ununterbrochene Fahnenoberflächen dazu neigen, eine dicke, laminare Luftschicht anzuziehen, die den Wärmeübergang von den Fahnen zum Luftstrom behindert Die Fahnenoberflächen werden deshalb diskontinuierlich ausgeführt, um der Bildung der Schicht entgegenzuwirken. Das kann dadurch geschehen, daß eine Anzahl von Fahnen über die Breite der Einheit vorgesehen wird, die eine im Abstand hinter der anderen liegen, das gleiche Ergebnis wird jedoch wirksamer hinsichtlich der Montage erreicht, wenn die Fahnen aus flachgedrückten Wendeln aus Draht oder Band geformt werden, wodurch im Effekt eine Reihe von im Abstand hintereinanderliegenden Fahnen gebildet wird. Eine solche Form ist teilweise in F i g. 2 dargestellt; ein Metallband 38 ist wendelförmig gebogen, flachgedrückt und bildet die Fahnen; das Querschnittsprofil des Bandes ist vorzugsweise stromlinienförmig. Die Wurzeln 40 der Fahnen können in Vertiefungen 42 zwischen Rippen in den Leitungen 10 sitzen, um sie positiv zu lokalisieren.

Wenn die Einheit als Wärmetauscher in einem Kühlturm 44 mit Einschnürung (F i g. 4) verwendet wird, verläuft der Luftstrom durch die Einheit horizontal, muß aber vertikal werden, nachdem er die Einheit verläßt und im Turm aufwärts steigt. Der Wärmetauscher kann so montiert werden, daß die Leitungen «on der Vertikalen abweichen, um die aerodynamischen Verhältnisse zu unterstützen.

Es wurde bereits erwähnt, daß der Luftzug in einem Kühlturm mit natürlichem Zug niedrig ist, so daß es wichtig ist, den Widerstand gegen den Luftstrom durch die Wärmetauschereinheit minima! zu halten. Es wurde festgestellt, daß die Bildung der Fahnen aus stromlinienförmigen Querschnitten eine beträchtliche Hilfe darstellt, und der Strömungswiderstand wird weiter herabgesetzt, wenn die Lage und die Abmessungen der Fahnen sorgfältig gewählt werden. Die Abmessungsbereiche sind: Länge einer Fahne, gemessen im Querschnitt in Richtung des Luftstroms, in Fig.3 mit L bezeichnet, liegt zwischen 3 und 6 mm. Das Verhältnis des Abstandes zwischen zwei Fahnen zur Länge der Fahne (C„/l in Fig.3) liegt im Bereich von 0,25 bis 2,0. Das Verhältnis des Abstandes zwischen aufeinanderfolgenden Fahnen zur Länge der Fahnen (Cp/l in Fig.3) !^;egt im Bereich von 0 bis 1,5. Die optimalen Parameter dürften sein L etwa gleich 4,5 mm; C„/l etwa gleich 0,5 und Cp/l etwa gleich 0,25.

Hierzu 2 Blatt Zeichnuneen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Wärmetauscher, bestehend aus einer Reihe von Leitungen für einen wärmeaustauschenden Stoff, die mit rippenartigen Vorsprüngen versehen sind, die sich in die durch die Zwischenräume zwischen benachbarten Leitungen gebildeten Kanäle für durchströmende Gase erstrecken, bei dem die in Strömungsrichtung gemessene Länge der Rippenstücke weniger als 20 mm beträgt, während der lichte Abstand der Vorsprünge, in Strömungsrichtung gemessen, kleiner als 40 mm, mindestens aber 3 mm ist, dadurch gekennzeichnet, daß die rippenartigen Vorsprünge als mit beiden den von ihnen überbrückten Zwischenraum begrenzenden Leitungen in gut wärmeleitendem Kontakt stehende Fahnen ausgebildet sind, daß die in Strömungsrichtung gemessene Länge L einer Fahne zwischen 3 und 6 mm liegt, daß das Verhältnis Cn/L des Abstandes Cn zwischen benachbarten Fahnen, gemessen senkrecht zur Strömungsrichtung, zur Länge L zwischen 0,25 und 2 liegt, und daß das Verhältnis Cp/L des Abstandes Cp zwischen aufeinanderfolgenden Fahnen, gemessen in Strömungsrichtung, zur Länge L zwischen 0 und 1,5 liegt, so daß die einzelnen Fahnen zu in Strömungsrichtung unmittelbar vorangehenden und/oder nachfolgenden Fahnen auf Lücke stehen.

2. Wärmetauschereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß L=4,5 mm ist, C/t etwa 0,5 ist und Cp_/L etwa 0,25 ist.

3. Wärmetauschereinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmittel führenden Leitungen und Fahnen mit Spannungselementen zusammengepreßt sind, um einen positiven mechanischen Druck an den Anlageflächen zu erhalten.

4. Wärmetauschereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fahnen aus einer Reihe von flachgedrückten Wendeln bestehen, die zwischen benachbarte Strömungsmittel führende Leitungen derart geschaltet sind, daß jede Wendel sich in Richtung des Luftstroms erstreckt.