Wärmeübertrager mit mehreren parallelen Rohren und auf diesen angebrachten Rippen

Abstract

 Die ein erstes Medium führenden Rohre (2) des Wärmeübertragers sind mit Blechrippen (3) versehen, die über die Rohrlänge verteilt sind und Wellenform haben. In den zwischen den Rippen verbleibenden Zwischenräumen (4) strömt ein zweites Medium. Die Wellungen (5) jeder Rippe befinden sich nur ausserhalb eines Berelches, der das zugehörige Rohr (2) umgibt und sich gegen das benachbarte Rohr der selben Rohrreihe erstreckt. Die Wellungen (5) sind frei von Durchbrechungen.
Hierdurch wird der Druckverlust des zweiten Mediums wesentlich verringert unter Beibehaltung guter Wärmeübertragungseigenschaften.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit mehreren zueinander parallelen, ein erstes Medium führenden Rohren, die in mehreren zueinander parallelen Reihen angeordnet und mit über ihre Länge verteilten, quer zur Rohrachse sich erstreckenden, gewellten Rippen aus Blech versehen sind, die mit den Rohren wärmeleitend verbunden sind, wobei ein zweites Medium in den zwischen den Rippen verbleibenden Zwischenräumen strömt.

[0002] Aus der DE-OS 23 05 056 ist ein solcher Wärmeübertrager bekannt, bei dem die Blechrippen durchgehend gewellt und ausserdem mit Löchern versehen sind.

[0003] Die Löcher sollen eine Verbesserung des Wärmeüberganges von den Rippen zum zweiten Medium bewirken, indem dieses verwirbelt wird und zum Teil von der einen Seite einer Blechrippe zur anderen Seite strömt. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass die Verbesserung des Wärmeüberganges mit relativ hohen Druckverlusten erkauft wird. Ausserdem ist die Herstellung des bekannten Wärmeübertragers wegen der auch im Durchdringungsbereich der Rohre vorhandenen Wellungen wesentlich erschwert, da die Wellungen in dem genannten Bereich nur mittels komplizierten Formwerkzeugen und in mehreren Arbeitsschritten geformt werden können. Die Herstellkosten für die Formwerkzeuge sind ebenfalls beträchtlich.

[0004] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, den Wärmeübertrager der eingangs genannten Gattung so zu verbessern, dass er bei wesentlich geringerem Druckverlust etwa gleich gute Wärmeübertragungseigenschaften aufweist und dass sich er einfacher und damit kostengünstiger herstellen lässt.

[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Wellungen jeder Rippe sich nur ausserhalb eines Bereiches befinden, der das zugehörige Rohr umgibt und sich gegen das benachbarte Rohr derselben Rohrreihe erstreckt,und dass die Wellungen frei von Durchbrechungen sind. Dadurch dass der Rohrdurchdringungsbereich der Rippen frei von Wellungen ist, ist das Herstellen der Rippen bedeutend einfacher und kostengünstiger als der durchgehend gewellten Blechrippen des bekannten das Wärmeübertragers, wozu auch beiträgt, dass Formwerkzeug die weniger aufwendig ist. Dadurch, dass Wellungen der Rippen frei von Durchbrechungen sind, ergeben sich wesentlich geringere Druckverluste für das zweite Medium. Ausserdem führt dieses Merkmal zu klaren, überschaubaren Strömungsbildern des zweiten Mediums, die eine theoretische Erfassung der physikalischen Vorgänge im erfindungsgemässen Wärmeübertrager ermöglichen, so dass sein thermodynamisches Verhalten - im Gegensatz zum bekannten Wärmeübertrager - relativ leicht berechenbar ist. Ein weiterer Vorteil besteh darin dass wegen des Fehlens von Löchern in den Wellungen die Festigkeitseigenschaften des neuen Wärmeübertragers verbessert werden. Es hat sich überdies gezeigt, dass der Wärmeübertrager wegen des Fehlens der Löcher einen Wärme- übertragungskoeffizienten aufweist, der den des bekannten Wärmeübertragers weit übertrifft, was darauf zurückzuführen ist, dass die Wärmeleitung in den Blechrippen nicht durch Löcher gestört ist. Dadurch werden lokale Wärmestaus und daraus resultierende Wärmespannungen vermieden.

[0006] Eine herstellungsmässig besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist im Anspruch 2 angegeben.

[0007] Die Formgebung der Rippen nach Anspruch 5 führt zu besonders niedrigen Druckverlusten, da durch die Kröpfungen der von den Rohren durchdrungene Bereich der Rippen von einer Durchströmung des zweiten Mediums ausgenommen wird.

[0008] Anspruch 6 charakterisiert eine herstellungsmässig günstige Art der Gestaltung Rippen im Bereich der Rohrdurchführungen.

[0009] Die Ausführungsform nach Anspruch 7 erreicht im wesentlichen das gleiche wie diejenige nach Anspruch 5, wobei jedoch die Gestaltung der Rippen noch einfacher ist.

[0010] Die Anordnung von strömungsgünstigen Körpern nach Anspruch 8 verbessert weiter die Strömungsverhältnisse und ist dann von erheblicher Bedeutung, wenn das zweite Medium vor und/oder hinter dem Wärmeübertrager umgelenkt wird.

[0011] Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung anhand der zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen repräsentativen Abschnitt eines Wärmeübertragers,

Fig. 2 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Teils des Wärmeübertragers nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform eines Wärmeübertragers im gleichen Massstab wie die Fig. l,

Fig. 4 schematisch eine Ansicht eines Kühlturmes mit in seinem unteren Bereich angeordneten erfindungsgemässen Wärmeübertragern,

Fig. 5 einen Schnitt gemäss Linie V-V in Fig. 4 durch eine Hälfte des Kühlturmes,

Fig. 6 im Schnitt das Detail A aus Fig. 5 und

Fig. 7 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Wärmeübertragers, und zwar durch die Wellenkämme der Rippen.

[0012] Der Wärmeübertrager nach Fig. l und 2 weist viele gerade Rohre 2 auf, die in mehreren zueinander parallelen Reihen übereinander angeordnet sind und ein erstes Medium führen, z.B. Heisswasser. Die Rohre 2 sind über viele Rippen 3 miteinander verbunden,und der so gebildete Wärmeübertrager wird von einem zweiten Medium, z.B. Kühlluft (Pfeile L), in Richtung der Rohrreihen durchströmt. Die Rippen 3 bestehen aus Blech und sind zueinander parallel über die Länge der Rohre 2 verteilt angeordnet.

[0013] Wie aus Fig. 2 ersichtlich, hat jede Rippe 3 einen ungewellten Abschnitt 3' und zwei daran nach aussen anschliessende gewellte Abschnitte 3". Der Abschnitt 3' liegt im Durchdringungsbereich der Rohre 2 und ist mit den gewellten Abschnitten 3" über je eine Kröpfung 6 verbunden. Im ungewellten Bereich 3' ist für jedes Rohr 2 ein ausgehalster Kragen 7 vorgesehen, der im zusammengebauten Zustand des Wärmeübertragers jeweils ein Rohrumschliesst und über den die Rippe mit dem Rohr wärmeleitend verbunden ist, z.B. durch Schweissen.

[0014] Die welligen Abschnitte 3" jeder Rippe 3 sind so geformt, dass sich in Strömungsrichtung des zweiten Mediums Wellen mit konstanter Wellenlänge w aneinander anschliessen. Die Wellenkämme 5 der Wellen bilden eine Gerade, die in Fig. 2 von der oberen Kante der Kröpfung 6 ausgeht. Die Wellenkämme erstrecken sich ausserdem rechtwinklig zur Längsachse der Rohre. Die zwischen den Wellenkämmen 5 liegenden Wellentäler 5' der Wellen gehen ebenfalls von der oberen Kante der Kröpfungen 6 aus und verlaufen nach einem bogenförmigen Uebergang im wesentlichen parallel zu den Wellenkämmen 5. Im Vordergrund der Fig. 2 ist etwa eine Hälfte der gewellten Abschnitte 3" dargestellt. Die andere, nicht gezeigte Hälfte ist symmetrisch ausgebildet und endet an der oberen Kante der entsprechenden Kröpfung der benachbarten Rohrreihe. Alle Rippen 3 sind unter sich gleich und werden zwecks Montage des Wärmeübertragers auf die Rohre aufgesteckt und soweit zusammengeschoben, dass die Kröpfungen 6 einander berühren. Da die Höhe der Kröpfungen jeweils gleich ist, ergeben sich zwischen jeweils zwei einander benachbarten Rippen 3 in deren gewellten Abschnitten Zwischenräume 4 und zwischen den ungewellten ebenen Abschnitten 3' Zwischenräume 4'. Der Abstand zwischen den Wellungen zweier einander benachbarter Rippenabschnitte 3" ist also konstant.

[0015] Die Rippen 3 mit den Wellen, den Kröpfungen 6 und den Kragen 7 werden in einem einzigen Arbeitsgang aus ebenen Blechstreifen mittels eines entsprechenden Formwerkzeuges hergestellt.

[0016] Im Betrieb des Wärmeübertragers strömt die Kühlluft in den Zwischenräumen 4 sowie 4¹, und das zu kühlende Heisswasser strömt quer dazu in den Rohren 2. Die Wärme verteilt sich über die Wände der Rohre 2 in die Rippen 3, in denen sie sich ohne zu stauen geradlinig ausbreitet. In den Zwischenräumen 4 zwischen den gewellten Blechabschnitten 3" gibt es wegen des Fehlens von Durchbrechungen praktisch keine Verwirbelung der Kühlluft, so dass in dieser Luftdruckverluste im wesentlichen nur durch Reibung entstehen; diese Verluste sind also sehr gering. Die sich wiederholenden Richtungsänderungen der durchströmenden Luft an den Wellen der Abschnitte 3" führen zu kleinen Druckschwankungen, die ständig einen Wiederabbau der sich bildenden Grenzschicht zur Folge haben, was einen guten Wärmeübergang in den gewellten Zwischenräumen gewährleistet.

[0017] Die von den Rohren durchdrungenen Zwischenräume 4' zwischen den ebenen Rippenabschnitten 3' sind relativ klein und verursachen insgesamt einen nur geringen Druckverlust. Die Kröpfungen 6 trennen diese Räume 4' wirksam von den gewellten Zwischenräumen 4.

[0018] Beim Wärmeübertrager gemäss Fig. 3 wird das zu kühlende Heisswasser in geraden, rechteckigen Querschnitt aufweisenden Rohren 12 geführt, die sich innerhalb jeweils einer Reihe berühren. Infolge dieser Anordnung sind die Druckverluste in den Zwischenräumen zwischen den ebenen Rippenabschnitten 3' noch kleiner als im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2. Die Form der Rohre 12 ist auch insofern vorteilhaft, dass der Abstand ihrer Längsseiten zum jeweils benachbarten gewellten Rippenabschnitt 3" kleiner ist als im Ausführungsbeispiel nach Fig. l und 2, so dass sich bessere Wärmeübertragungsverhältnisse ergeben. Die thermodynamischen Vorteile des Wärmeübertragers nach Fig. 3 zeigen sich bei dem Vergleich dieser Figur mit Fig. 1, da beide Wärmeübertrager die gleiche Wärmeleistung haben und im gleichen Massstab gezeichnet sind; der Wärmeübertrager nach Fig. 3 ist also bedeutend kompakter.

[0019] Gemäss Fig. 4, 5 und 6 weist ein hyperbolischer Kühlturm 15 in seinen unteren Bereich einen vertikalen, ringförmigen Lufteintritt auf, während der Luftaustritt in seinem oberen Bereich horizontal und kreisförmig ist. Zweiunddreissig Wärmeübertrager 1 nach Fig. 1 und 2 sind deltaförmig um den Lufteintritt des Kühlturms herum angeordnet. In den Rohren 2 dieser Wärmeübertrager strömt zu kühlendes Heisswasser,z.B. aus einem Kraftwerk, so dass die in den Kühlturm eintretende Kühlluft erwärmt wird. Gemäss Fig. 6 weist jeder Wärmeübertrager 1 im Bereich der Zwischenräume 4' einen Anströmkörper 8 und einen Abströmkörper 9 auf. Diese das Strömungsprofil der Kühlluft (Pfeile 16) verbessernden Körper 8 und 9 sind mit ihrem Begrenzungsflächen fluchtend zu den Kröpfungen 6 angeordnet.

[0020] Nach Fig. 7 weist der Wärmeübertrager vertikale, ein erstes Medium führende und in Reihen angeordnete, gerade Rohre 22 auf, von denen hier nur eines dargestellt ist. Die Rohre 22 sind mit horizontalen, ebenfalls zueinander parallelen Rippen 23 aus Blech versehen. Diese Rippen definieren Zwischenräume 24, die von einem zweiten Medium rechtwinklig zur Zeichenebene durchströmt werden. Sie weisen gewellte Abschnitte 23" und beiderseits davon ebene Abschnitte 23' auf, die ohne Kröpfung direkt ineinander übergehen. Die Wellenkämme 25 der Abschnitte 23" liegen in derselben Ebene wie die ebenen Abschnitte 23. Kragen 27 in den Abschnitten 23' umfassen jeweils ein Rohr 22 und bestimmen zugleich den Abstand zwischen benachbarten Rippen 23. Die Zwischenräume zwischen den ebenen Abschnitten 23' und ein Teil der unmittelbar daran anschliessenden Zwischenräume 24, nämlich der Uebergangsbereich von den ebenen zu den gewellten Abschnitten, sind mit Füllkörpern 26 gefüllt. Diese Füllkörper erstrecken sich - senkrecht zur Zeichnungsebene gesehen - entlang der ganzen Tiefe des Wärmeübertragers. Sie können aus verschiedenen Materialien bestehen, z.B. Gummi, Kunststoff, Epoxy oder Alumi- niumguss,und je Rohrreihe ein- oder mehrteilig hergestellt sein.

[0021] Die Ausführungsform nach Fig. 7 weist folgende Vorteile auf:

- Günstige Herstellbarkeit.

- Das zweite Medium wird aus den von den Rohren 22 durchdrungenen Zwischenräumen vollständig ferngehalten; ebenso aus den schmalen Uebergangsbereichen zu den gewellten Abschnitten, in denen noch relativ wenig Wellenfläche für den Wärmeübergang vorhanden ist. Die Wärmeübertragung zwischen den Rippen 23 und dem zweiten Medium findet somit ausschliesslich in dem strömungsgünstigen gewellten Bereich statt.

- Die Füllkörper 26 erhöhen auf einfache Weise die Festigkeit des Wärmeübertragers, wobei auf eine feste Verbindung zwischen den Rohren 22 und den Kragen 27 verzichtet werden kann. ,

- Das oben beschriebene Strömungsbild trägt zusätzlich dazu bei, die Gefahr von Korrosionen wesentlich herabzusetzen.

[0022] Auch beim Wärmeübertrager nach Fig. 7 ist eine Anwendung der An- und Abströmkörper 8 bzw. 9 nach Fig, 6 sehr wirksam.

[0023] Abweichend von den beschriebenen Ausführungsbeispielen kann der Abstand zwischen den Rippen beispielsweise mit der Höhenlage der einzelnen Rippen variiert werden, und die Wellenlänge w muss nicht unbedingt konstant sein. Auch die Art des Ueberganges vom ebenen zum ge_- wellten Bereich kann anders gestaltet werden, indem die gewellten Abschnitte zum Beispiel an die Kröpfungen geschweisst oder angeklebt werden. Ferner müssen die Kröpfungen weder eben noch vertikal verlaufen. Die Rohre können auch horizontal oder geneigt verlaufen und müssen nicht gerade sein. Die Rippen müssen im Rohrdurchdringungsbereich auch nicht unbedingt eben sein, und die Längsachse der Rohre kann auch geneigt zu den Blechrippen angeordnet sein. Ferner kann im Schnitt quer zur Längsachse der Rohre eine andere als eine rechteckige Matrix vorgesehen sein. Ausser kreisförmigen oder rechteckigen Querschnitt können die Rohre andere Querschnittsformen aufweisen,z.B. oval oder der Querschnitt ist veränderlich entlang der Rohrlängsachse. Wegen besonderer festigkeitsmässiger und/oder wärmetechnischer Auflagen kann es innerhalb ein und desselben Wärmeübertragers möglich sein, Rohre und/oder Rippen mit verschiedener Wanddicke zu verwenden. Gegebenenfalls können die Kragen 7, 27 dicht miteinander verbunden werden,z.B. durch Löten, so dass sie die Rohre selbst bilden.

Ansprüche

1. Wärmeübertrager mit mehreren zueinander parallelen, ein erstes Medium führenden Rohren, die in mehreren zueinander parallelen Reihen angeordnet und mit über ihre Länge verteilten, quer zur Rohrachse sich erstreckenden, gewellten Rippen aus Blech versehen sind, die mit den Rohren wärmeleitend verbunden sind, wobei ein zweites Medium in den zwischen den Rippen verbleibenden Zwischenräumen strömt, dadurch] gekennzeichnet, dass die Wellungen jeder Rippe sich nur ausserhalb eines Bereiches befinden, der das zugehörige Rohr umgibt und sich gegen das benachbarte Rohr derselben Rohrreihe erstreckt,und dass die Wellungen frei von Durchbrechungen sind.

2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenkämme der gewellten Abschnitte jeder Rippe sich rechtwinklig zur Längsachse der Rohre erstrecken und alle Wellenkämme jeder Rippe in einer gemeinsamen Ebene liegen.

3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der von Rohren durchdrungene Bereich der Rippen eben ist und rechtwinklig zur Längsachse der Rohre angeordnet ist.

4. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge der Wellungen aller Rippen konstant ist.

5. Wärmeübertrager nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der ebene Abschnitt einerseits und die gewellten Abschnitte andererseits jeder Rippe auf verschiedenen, zueinander parallelen Ebenen liegen und über Kröpfungen miteinander verbunden sind.

6. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in den ebenen Abschnitten der Rippen Kragen ausgehalst sind, die je ein Rohr umschliessen.

7. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenräume zwischen den Rippen im Durchdringungsbereich der Rohre mit Füllkörpern ausgefüllt sind.

8. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Anströmseite und/oder der Abströmseite des Wärmeübertragers im Durchdringungsbereich der Rohre ein strömungsgünstig profilierter Körper angeordnet ist.

Zeichnung