WÄRMETAUSCHER

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] Derartige Wärmetauscher werden beispielsweise in Kühltürmen eingesetzt. Eine zu kühlende Sole wird durch ein Rohrregister transportiert, das von außen mit Wasser berieselt und im Gegenstrom hierzu von Luft durchströmt wird. Durch die Verdunstungskühlung des Wassers wird die Wärme aus der Sole an die Außenluft abgeführt. In einer typischen Ausbildung besteht das Rohrregister aus 15 mm starken Edelstahlrohren. Da jedoch, um wirtschaftliche Wirkungsgrade zu erreichen, große Wärmeaustauschflächen erforderlich sind, ist die Errichtung eines Kühlturms mit hohen Kosten verbunden. Auch wenn statt der Edelstahlrohre verzinkte Stahlrohre verwendet werden, sind der finanzielle Aufwand für den Wärmetauscher noch sehr groß und auch der Platzbedarf erheblich. Es werden daher im allgemeinen nur geschlossene Kühltürme mit relativ niedrigen Wirkungsgraden oder trotz des Risikos der Verschmutzung offene Kühltürme, bei denen die Sole direkt in einen Luftstrom gesprüht wird, eingesetzt.

[0003] Aus der DE 32 16 877 C1 ist bereits ein in eine Rohrleitung mit rechteckigem Querschnitt einbaubares Wärmeaustauschelement bekannt, das aus wenigstens einem aus sich gitterartig kreuzenden flexiblen Kunststoffrohren von etwa 2 mm Durchmesser, sogenannten Kapillarrohren gebildeten Mattenkörper besteht. Dieser stellt eine die Rohrleitung quer zu ihrer Längsrichtung durchgreifende Wand dar und kann durch Faltung um senkrecht zu seiner Achse liegende Linien zu einem mehrere hintereinandergeschaltete Lagen aus gitterförmig sich kreuzenden Rohren aufweisenden Wärmeaustauschelement ausgebildet sein. Dieses wird jedoch nicht mit Wasser berieselt.

[0004] Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmetauscher mit einem Rohrregister, durch welches ein zu kühlendes oder zu erwärmendes Fluid geführt wird, wobei das Rohrregister im Gleichstrom mit dem Fluid mit Wasser berieselt und im Gegenstrom zum Fluid von Luft durchströmt wird, welcher beispielsweise in einen geschlossenen Kühlturm einsetzbar ist, zu schaffen, der trotz geringem Kostenaufwand einen hohen Wirkungsgrad aufweist und eine kompakte Bauform besitzt.

[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Wärmetauschers ergeben sich aus den Unteransprüchen.

[0006] Dadurch, daß das Rohrregister aus parallel geführten Kapillarrohren besteht, die derart gefaltet sind, daß sie zur Bildung übereinanderliegender Lagen des Rohrregisters um eine oder mehrere senkrecht zu ihrer Längsrichtung verlaufende Linien zurückgebogen sind, und daß die Räume zwischen den Kapillarrohren zumindest teilweise durch Schaumstoff ausgefüllt sind, wird gegenüber den herkömmlichen Wärmetauschern die Wärmeaustauschfläche zum einen durch die Kapillarrohre, die einen wesentlich kleineren Durchmesser als die bisher verwendeten Rohre haben, und zum anderen durch den Einsatz des Schaumstoffes vervielfacht. Die vorteilhaft aus Kunststoff bestehenden Kapillarrohre und der Schaumstoff sind preiswert herzustellen.

[0007] Der Schaumstoff besteht zweckmäßig aus zwischen benachbarten Lagen der Kapillarrohre angeordneten Matten oder der Raum zwischen den Kapillarrohren ist vollständig ausgeschäumt.

[0008] Ein herkömmlicher Glattrohr-Wärmetauscher aus Rohren mit einem äußeren Durchmesser von z.B. 15 mm hat bei einer Bautiefe von 100 cm eine Wärmeaustauschfläche von 60 m² pro m² Lufteintrittsfläche.

[0009] Werden diese Rohre erfindungsgemäß durch Kapillarrohre mit einem Außendurchmesser von beispielsweise 3 mm ersetzt, steigt diese Fläche bereits auf das Fünffache, nämlich 300 m²/m² Lufteintrittsfläche.

[0010] Wenn zwischen zwei benachbarten Lagen von Kapillarrohren jeweils eine 8 mm starke Formplatte aus Schaumstoff mit einer Porosität von 20 ppi (Poren pro inch) gelegt wird, nimmt der Schaumstoff etwa 50 % des Wärmetauschervolumens ein, so daß die Länge der Kapillarrohre um etwa 50 % gekürzt wird. Dennoch steigt die Wärmeaustauschfläche des Wärmetauschers auf etwa 800 m²/m² Lufteintrittsfläche an, da der Schaumstoff selbst eine innere Oberfläche von etwa 1200 m²/m³ hat.

[0011] An der Oberfläche der Kapillarrohre findet ein Stoff- und Wärmeaustausch zwischen dem durch die Kapillarrohre strömenden Fluid, vorzugsweise Sole, dem über die Kapillarrohre rieselnden Wasser und der diesem entgegenströmenden Luft statt, während im Schaumstoff nur ein Stoff- und Wärmeübergang zwischen dem Wasser und der Luft erfolgt.

[0012] Dennoch sind diese beiden Arten des Wärmeaustausches etwa gleichwertig, da die Wärmeübergangszahl Sole/Wasser mit über 1 000 W/m²K ein Vielfaches des Wärme- und Stoffüberganges auf der Wasser/Luft-Seite beträgt, der bei etwa 150 W/m²K liegt. Die kleinere Wärmeaustauschfläche der Kapillarrohre reicht somit aus, um das Wasser in dem Maße zu erwärmen, wie es in der jeweils nachfolgenden Verdunstungsstrecke im Schaumstoff wieder abgekühlt wird.

[0013] Durch den erfindungsgemäßen Wärmetauscher wird auf diese Weise ein vielstufiger Stoff- und Wärmeübergang erreicht. Dieser besteht aufeinanderfolgend in einer Erwärmung des Wassers an der ersten Rohrlage, Abkühlung des Wassers durch Verdunstung in der ersten Schaumstofflage, Erwärmung des Wassers an der zweiten Rohrlage, Abkühlung des Wassers durch Verdunstung in der zweiten Schaumstofflage, und so weiter.

[0014] Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1

eine schematische Darstellung eines Wärmetauschers im Schnitt senkrecht zu den Kapillarrohren gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2

eine schematische Darstellung eines Wärmetauschers im Schnitt senkrecht zu den Kapillarrohren gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und

Fig. 3

eine schematische Darstellung des in einem Kühlturm eingesetzten Wärmetauschers nach Fig. 2 im Schnitt in der Ebene eines Kapillarrohres.

[0015] Der Wärmetauscher nach Fig. 1 weist mehrere Lagen von zueinander parallel verlaufenden Kapillarrohren 1 aus Kunststoff auf, die einen Durchmesser bis zu etwa 5 mm haben können. Die einzelnen Kapillarrohre 1 sind wie aus Fig. 3 ersichtlich mäanderförmig gefaltet, so daß sie sich jeweils über mehrere Lagen erstrecken. Am in den Figuren oberen Ende der Kapillarrohre 1 wird zu kühlende Sole zugeführt, die das jeweilige Kapillarrohr 1 an dessen unterem Ende im gekühlten Zustand wieder verläßt.

[0016] Das aus den Kapillarrohren 1 bestehende Rohrregister wird gleichmäßig von oben mit Wasser berieselt und durch von unten zugeführte Luft durchströmt. Da die Leitung der Sole von oben nach unten erfolgt, befindet sie sich mit dem Wasser im Gleichstrom und mit der Luft im Gegenstrom. Die zur Verdunstung des Wassers benötigte Wärme wird der Sole entzogen, so daß diese gekühlt wird.

[0017] In Fig. 1 ist zwischen zwei benachbarten Lagen der Kapillarrohre 1 eine Matte aus Schaumstoff 2 angeordnet. Eine derartige Matte befindet sich vorzugsweise zwischen allen benachbarten Kapillarrohrlagen. Durch die große innere Oberfläche des Schaumstoffs 2 wird die zur Verdunstung des Wassers zur Verfügung stehende Oberfläche vervielfacht, so daß die Kühlwirkung erheblich verbessert wird.

[0018] Fig. 2 zeigt einen Wärmetauscher, bei dem das aus den Kapillarrohren 1 bestehende Rohrregister im Block eingeschäumt wurde, so daß der gesamte Raum zwischen den Kapillarrohren 1 mit Schaumstoff 2 ausgefüllt ist. Bei diesem Wärmetauscher kann somit unter den im vorstehenden Beispiel genannten Bedingungen die Wärmeaustauschfläche auf etwa 1200 m²/m² Lufteintrittsfläche erhöht werden.

[0019] Fig. 3 zeigt schematisch den Einsatz des Wärmetauschers in einem geschlossenen Kühlturm. In diesem wird die Luft in bekannter Weise vor der Einleitung in den Wärmetauscher in einem vorgeschalteten Füllkörper 3 adiabat durch Verdunstung vorgekühlt und gleichzeitig gereinigt.

[0020] Die Schaumstoffmatten können quer zur Längsrichtung der Kapillarrohre 1 wellenförmig ausgebildet sein. Hierdurch werden die Rohre in ihrer Lage fixiert und weisen einen festen Abstand voneinander auf. Weiterhin können mehrere Kapillarrohre parallel geführt werden, um einen wasserseitigen Druckverlust zu vermeiden.

[0021] Der erfindungsgemäße Wärmetauscher ist nicht nur zur Kühlung des durch die Kapillarrohre strömenden Fluids verwendbar, sondern kann auch für den umgekehrten Wärme- und Stofftransport benutzt werden. Wenn die Temperatur des Fluids unter der Temperatur der zugeführten Luft liegt, kann diese gekühlt und entfeuchtet werden.

[0022] Eine weitere Verwendungsmöglichkeit des Wärmetauschers besteht darin, die Konzentration einer Salzlösung zu erhöhen, indem diese durch den Wärmetauscher gerieselt und die notwendige Verdunstungswärme über das Fluid zugeführt wird. Dieser Vorgang kann jedoch auch umgekehrt erfolgen, um die durchströmende Luft zu kühlen. Über das Fluid wird dann das Salzwasser unter die Taupunkttemperatur der Luft gekühlt, so daß Wasserdampf aus der Luft in die Salzlösung übergeht. Die dabei freiwerdende Kondensationswärme wird über das Fluid abgeführt.

[0023] Es besteht schließlich auch die Möglichkeit, für den Wärmetauscher Kapillarrohre zu verwenden, die bereits bei ihrer Herstellung mit einer Schaumstoffschicht überzogen werden. Der Wärmetauscher wird dann unmittelbar durch Faltung der Kapillarrohre erhalten. Die Rohre können in einem zweistufigen Extruder hergestellt werden, in welchem in der ersten Stufe das Kapillarrohr selbst und in der zweiten Stufe das die Schaumstoffschicht bildende Material extrudiert werden. Zweckmäßig wird als Grundmaterial der Schaumstoffschicht das Material der Kapillarrohre, beispielsweise Polypropylen, verwendet, wobei es zusätzlich mit einem Schaumbildner versetzt ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß die Rohre problemlos verschweißt werden können, da kein Fremdmaterial vorhanden ist.

Ansprüche

1. Wärmetauscher mit einem Rohrregister, durch welches ein zu kühlendes oder zu erwärmendes Fluid geführt wird, wobei das Rohrregister im Gleichstrom mit dem Fluid mit Wasser berieselt und im Gegenstrom zum Fluid von Luft durchströmt wird, und aus zueinander parallel geführten Kapillarrohren (1) besteht, die derart gefaltet sind, daß sie zur Bildung übereinanderliegender Lagen des Rohrregisters um eine oder mehrere senkrecht zu ihrer Längsrichtung verlaufende Linien jeweils zurückgebogen sind, dadurch gekennzeichnet daß die Räume zwischen den Kapillarrohren (1) zumindest teilweise durch Schaumstoff (2) ausgefüllt sind.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einander benachbarte Lagen der Kapillarrohre (1) jeweils durch eine Schaumstoffmatte voneinander getrennt sind.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaumstoffmatten zur Vorgabe definierter Abstände zwischen den parallel geführten Kapillarrohren (1) wellenförmig ausgebildet sind.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen den Kapillarrohren (1) vollständig ausgeschäumt ist.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarrohre (1) jeweils mit einer Schaumstoffschicht überzogen sind.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarrohre (1) und die Schaumstoffschicht aus dem gleichen Material bestehen.

7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarrohre (1) aus Kunststoff bestehen.

8. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarrohre (1) einen Durchmesser von etwa 2 bis 5 mm aufweisen.

9. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der gegenseitige Abstand der Lagen der Kapillarrohre (1) etwa 5 bis 10 mm beträgt.

10. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaum (2) eine Porosität von etwa 10 bis 30 ppi (Poren pro inch) hat.

11. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid Sole ist.

12. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß er in einen Kühlturm eingesetzt ist.

13. Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Schaumstoffschicht überzogenen Kapillarrohre (1) durch Extrudieren hergestellt werden, wobei in einer ersten Stufe das jeweilige Kapillarrohr (1) und in einer zweiten Stufe das die Schaumstoffschicht bildende Material hergestellt werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Stufe das gleiche Material wie in der ersten Stufe, jedoch zusätzlich versetzt mit einem Schaumbildner, verwendet wird.

Claims

1. Heat exchanger with a tube register, through which a fluid to be cooled or heated is conveyed, the tube register being sprayed, in the same direction as the fluid, with water, and air flowing through said register in the opposite direction to the fluid, and comprising parallel capillary tubes (1), which are folded in such a way that they are bent back around one or more lines running perpendicular to their longitudinal direction to form layers lying the one above the other, characterised in that the spaces between the capillary tubes (1) are at least partially filled with foam (2).

2. Heat exchanger according to claim 1, characterised in that adjacent layers of the capillary tubes (1) are separated from one another in each case by a foam mat.

3. Heat exchanger according to claim 2, characterised in that the foam mats are formed undulating to predetermine defined distances between the parallel capillary tubes (1).

4. Heat exchanger according to claim 1, characterised in that the space between the capillary tubes is completely filled with foam.

5. Heat exchanger according to claim 1, characterised in that the capillary tubes (1) are respectively covered with a foam layer.

6. Heat exchanger according to claim 5, characterised in that the capillary tubes (1) and the foam layer consist of the same material.

7. Heat exchanger according to one of claims 1 to 6, characterised in that the capillary tubes (1) consist of plastics.

8. Heat exchanger according to one of claims 1 to 7, characterised in that the capillary tubes (1) have a diameter of roughly 2 to 5 mm.

9. Heat exchanger according to one of claims 1 to 8, characterised in that the mutual spacing of the layers of the capillary tubes (1) is roughly 5 to 10 mm.

10. Heat exchanger according to one of claims 1 to 9, characterised in that the foam (2) has a porosity of roughly 10 to 30 ppi (pores per inch).

11. Heat exchanger according to one of claims 1 to 10, characterised in that the fluid is brine.

12. Heat exchanger according to one of claims 1 to 11, characterised in that it is inserted into a cooling tower.

13. Method of manufacturing a heat exchanger according to claim 5 or 6, characterised in that the capillary tubes (1) covered with the foam layer are manufactured by extrusion, the respective capillary tube (1) being manufactured in a first step and the material forming the foam layer in a second step.

14. Method according to claim 13, characterised in that the same material is used in the second step as is used in the first step, but additionally mixed with a foaming agent.

Revendications

1. Echangeur de chaleur comportant un registre tubulaire par lequel circule un fluide à réchauffer ou à refroidir, le registre tubulaire étant arrosé avec de l'eau dans le sens d'écoulement du fluide et étant parcouru par de l'air dans le sens inverse à celui du fluide, et le registre se composant de tubes capillaires (1) disposés parallèlement les uns aux autres, lesquels sont pliés de façon telle qu'ils sont respectivement recourbés autour d'une ou de plusieurs lignes perpendiculaires à leur direction longitudinale pour former des couches du registre tubulaire disposées les unes sur les autres, caractérisé en ce que les espaces entre les tubes capillaires (1) sont au moins partiellement comblés par un produit alvéolaire (2).

2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les couches de tubes capillaires (1) adjacentes les unes aux autres sont respectivement séparées par une natte de produit alvéolaire.

3. Echangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les nattes de produit alvéolaire sont réalisées en ondulé pour spécifier des écartements définis entre les tubes capillaires (1) disposés parallèlement.

4. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'écartement entre les tubes capillaires (1) est entièrement rempli de produit alvéolaire.

5. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les tubes capillaires (1) sont respectivement recouverts d'une couche de produit alvéolaire.

6. Echangeur de chaleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les tubes capillaires (1) et la couche de produit alvéolaire se composent du même matériau.

7. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les tubes capillaires (1) se composent de matière plastique.

8. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les tubes capillaires (1) présentent un diamètre compris entre environ 2 et 5 mm.

9. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'écartement réciproque des couches des tubes capillaires (1) est compris entre environ 5 et 10 mm.

10. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le produit alvéolaire (2) possède une porosité comprise entre environ 10 et 30 ppp (pores par pouce).

11. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le fluide est de la saumure.

12. Echangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il est installé dans une tour de refroidissement.

13. Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que les tubes capillaires (1) recouverts de la couche de produit alvéolaire sont fabriqués par extrusion, chaque tube capillaire (1) étant fabriqué lors d'une première étape et le matériau formant la couche de produit alvéolaire étant fabriqué lors d'une seconde étape.

14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que, lors de la seconde étape, on utilise le même matériau que celui de la première étape, en y mélangeant cependant un agent moussant.

Zeichnung