Luft-Luft-Wärmeaustauscher mit Wärmerohren

Abstract

 Bei einem Luft-Luft-Wärmeaustauscher, bestehend aus mehreren Reihen (1) einzelner Wärmerohre (2), die mit metallischen Querlamellen (3) in Wärmekontakt stehen, und einer mittigen, sich parallel zu den Querlamellen (3) erstreckenden Trennplatte (4), welche den Wärmeaustauscher in zwei Hälften (5, 6) teilt, von denen die untere (6) von Warmluft und die obere (5) von Kaltluft durchflossen wird, sind die Wärmerohre (2) jeder Rohrreihe (1) durch je ein unteres und ein oberes Ausgleichsrohr (10 bzw. 11) miteinander verbunden und ist in die sich über die untere Hälfte (6) des Wärmeaustauschers erstreckende Verdampferzone (2b) jedes Wärmerohres (2) eine an der Wärmerohrinnenwand eng anliegende schraubenförmige Drahtwendel (12 bzw. 13) eingebracht, deren Drahtdurchmesser zwischen 0,01 und 0,15 des Innendurchmessers des Wärmerohres (2) liegt und deren Steigung mindestens das Dreifache des Drahtdurchmessers beträgt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Luft-Luft-Wärmeaustauscher, bestehend aus mehreren Reihen einzelner Wärmerohre, die mit metallischen Querlamellen in Wärmekontakt stehen, und einer mittigen, sich parallel zu den Querlamellen erstreckenden Trennplatte, welche den Wärmeaustauscher in zwei Hälften teilt, von denen die untere von Warmluft und die obere von Kaltluft durchflossen wird.

[0002] Bei derartigen Wärmeaustauschern wird der untere Teil mit den Verdampferzonen der Wärmerohre oftmals mit der Abluft eines Raumes beaufschlagt, während durch ihre obere Hälfte mit den Kondensatorzonen der Wärmerohre Frischluft von außen hindurchgeleitet wird. Durch die warme Abluft wird in der Verdampferzone der Wärmerohre die Wärmerohrflüssigkeit verdampft, welche in der Kondensatorzone kondensiert. Der Rücktransport der Flüssigkeit erfolgt bei derartigen Wärmeaustauschern durchweg mittels Schwerkraft, d.h. die Flüssigkeit läuft entlang der Wärmerohrinnenwand in die Verdampferzone zurück. Der Temperaturunterschied zwischen den beiden Wärmeaustauscherhälften ist relativ gering und kann z.B. während der Übergangszeit nur einige Grad Kelvin betragen.

[0003] Bei im Handel befindlichen Wärmeaustauschern dieser Art sind die Wärmerohre entweder als Rippenrohre (GEA-Luftkühlergesellschaft Happel, Bochum, West-Germany) ausgebildet oder als meanderförmig gebogene Wellrohre (Kabel- und Metallwerke der Gutehoffnungshütte AG, Hannover, West-Germany). In beiden Fällen ist die Wärmeübertragung zwischen den Wärmerohren und der an ihnen vorbeifließenden Luft relativ gering.

[0004] Bei einem anderen ebenfalls im Handel erhältlichen Wärmeaustauscher der Firma SF-Lufttechnik GmbH, Butzbach, West-Germany, sind die einzelnen Wärmerohre zwar durch metallische Querlamellen miteinander verbunden, jedoch müssen bei der Fertigung die Wärmerohre einzeln an einem Ende verschlossen, dann evakuiert, mit einer Flüssigkeit gefüllt und wiederum am anderen Ende verschlossen werden. Dies ist ein aufwendiges und teures Verfahren. Da in einem Wärmeaustauscher mit einzelnen Wärmerohren nicht alle Wärmerohre in ihren Verdampfer- bzw. Kondensatorzonen überall gleiche Temperaturen annehmen, besteht die Gefahr, daß Verdampferzonen einzelner Wärmerohre trocken laufen, so daß sich keine optimale Wärmeübertragung zwischen Verdampferzone und Kondensatorzone des Wärmeaustauschers erreichen läßt.

[0005] Aus dem DE-GM 75 30 172 ist eine Wärmerohranordnung mit mehreren nebeneinander liegenden Wärmerohren bekannt, bei der die Wärmerohre durch untere und obere Sammelkanäle miteinander verbunden sind. Diese Wärmerohranordnung ist nach dem Rollbond-Verfahren als plattenförmiges Bauteil mit mehreren Wärmerohrkanälen hergestellt. Mit derartigen plattenförmigen Wärmerohranordnungen lassen sich Luft-Luft-Wärmeaustauscher praktisch nicht herstellen.

[0006] Aus den DE-PS 21 04 183 und 22 52 292 sind Wärmerohre bekannt, in die ein- oder mehrlagige schraubenförmige Drahtwendel eingebracht sind, deren einzelne Windungen relativ eng aneinander liegen. Die eng gewickelte Drahtwendel erzeugt eine Kapillarstruktur zum Rücktransport der kondensierten Flüssigkeit vom Wärmerohrkondensator zum Wärmerohrverdampfer. Derartige Kapillarstrukturen sind in den rällen erforderlich, in denen kein Schwerkraftrücktransport der kondensierten Flüssigkeit auftreten kann. Aus diesem Grunde erstreckt sich bei den bekannten Wärmerohren die eingebrachte Drahtwendel auch nicht nur über die Verdampferzone, sondern auch über die Kondensatorzone, d.h. praktisch über die gesamte Länge des Wärmerohres, und behindert damit den Wärmeübergang.

[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Luft-Luft-Wärmeaustauscher mit einzelnen Wärmerohren mit schwerkraftbedingtem Rücktransport der Flüssigkeit vom Kondensator zum Verdampfer zu schaffen, der eine gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit und eine gleichmäßige Benetzung der Verdampferzonen in allen Wärmerohren aufweist.

[0008] Diese Aufgabe wird bei einem Luft-Luft-Wärmeaustauscher eingangs erwähnter Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Wärmerohre jeder Rohrreihe durch je ein unteres und ein oberes Ausgleichsrohr miteinander verbunden sind und daß in die sich über die untere Hälfte des Wärmeaustauschers erstreckende Verdampferzone jedes Wärmerohres eine an der Wärmerohrinnenwand eng anliegende schraubenförmige Drahtwendel eingebracht ist, deren Drahtdurchmesser zwischen 0,01 und 0,15 des Innendurchmessers des Wärmerohres liegt und deren Steigung mindestens das Dreifache des Drahtdurchmessers beträgt.

[0009] Das untere Ausgleichsrohr dient zur gleichmäßigen Verteilung der Flüssigkeit in einer Rohrreihe. Durch das obere Ausgleichsrohr wird ein Druckausgleich zwischen den Wärmerohren einer Reihe hergestellt, wodurch das Trockenlaufen oder die Überfüllung einzelner Wärmerohre einer Rohrreihe verhindert wird; dies kann geschehen, wenn die einzelnene Wärmerohre entweder verdampfer-oder kondensatorseitig unterschiedlich beaufschlagt werden. Die schraubenförmige Drahtwendel bewirkt eine gleichmäßige Benetzung der Wärmerohrinnenwände sowohl in Längsrichtung als auch durch Kapillarwirkung in Umfangsrichtung der Wärmerohre. Auf diese Weise wird eine optimale Wärmeübertragung zwischen den Verdampferzonen und den Kondensatorzonen der einzelnen Wärmerohre erreicht.

[0010] Vorzugsweise nimmt die Steigung der Drahtwendel zum unteren Ausgleichsrohr hin ab. Dies hat den Vorteil, daß der Anlauf des Rohres, d.h., der Beginn der Verdampfung, durch die vergrößerte Verdampfungsfläche beschleunigt wird.

[0011] Zweckmäßigerweise erstreckt sich die Drahtwendel bis in das untere Ausgleichsrohr hinein. Auf diese Weise wird ein Austrocknen einzelner Verdampferzonen bei ungleicher Temperatur verhindert.

[0012] Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Wärmeaustauschers nach der Erfindung ragt die sich im unteren Ausgleichsrohr befindende Wärmerohr-Flüssigkeit bis zu einer Höhe von etwa dem Wärmerohrinnendurchmesser in die Verdampferzone der Wärmerohre hinein. Man erreicht hierdurch, daß auch bei kälterem unteren Ausgleichsrohr der wärmere Verdampfer mit zum Anlaufen ausreichender Flüssigkeitsmenge gefüllt ist.

[0013] Ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung wird nunmehr anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Luft-Luft-Wärmeaustauscher mit mehren Reihen von Wärmerohren in perspektivischer Darstellung,

Fig. 2 einen Schnitt durch einen Teil einer Wärmerohrreihe des Wärmeaustauschers nach Fig. 1.

[0014] Der Luft-Luft-Wärmeaustauscher nach Fig. 1 besteht aus mehreren Reihen 1 von einzelnen Wärmerohren 2, die mit metallischen Querlamellen 3 in Wärmekontakt stehen. Eine mittige, sich parallel zu den Querlamellen 3 erstreckende Trennplatte 4 teilt den Wärmeaustauscher in eine obere und untere Hälfte 5 bzw. 6. Mit 7 und 8 sind je eine obere und eine untere Abdeckplatte des Wärmeaustauschers bezeichnet. Die Querlamellen 3 bestehen z.B. aus dünnen gelochten Aluminiumblechen, die entlang jedes Lochrandes durch Tiefziehen mit einem aufrechten Kragen 9 versehen sind. Die einzelnen Querlamellen 3 werden auf die Wärmerohre 2 aufgeschoben. Anschließend werden die Wärmerohre unter hohem Druck aufgeweitet, so daß sie sich gegen die Kragen 9 der Querlamellen 3 legen. Auf diese Weise wird eine gut wärmeleitende Verbindung zwischen den Wärmerohren 2 und den Querlamellen 3 erreicht.

[0015] Die untere Hälfte 6 des Wärmeaustauschers mit den Verdampferzonen 2b der Wärmerohre 2 wird von einem Warmluftstrom beaufschlagt, während die obere Hälfte 5 des Wärmeaustauschers mit den Kondensatorzonen 2a der Wärmerohre 2 von einem Kaltluftstrom durchflossen wird.

[0016] Die Wärmerohre 2 jeder Rohrreihe 1 sind durch je ein unteres Ausgleichsrohr 10 und ein oberes Ausgleichsrohr 11 miteinander verbunden. Zum Füllen der Wärmerohre mit der wärmetransportierenden Flüssigkeit braucht hierbei nur noch das aus einer Rohrreihe und den Ausgleichsrohren bestehende Gebilde durch eine Öffnung hindurch evakuiert, gefüllt und verschlossen zu werden. Die Höhe, bis zu der die einzelnen Rohrreihen 1 mit Flüssigkeit gefüllt sind, ist in Fig. 2 mit h angegeben.

[0017] In die sich über die untere Hälfte 6 des Wärmeaustauschers erstreckende Verdampferzone 2b jedes Wärmerohres 2 ist eine an der Wärmerohrinnenwand eng anliegende schraubenförmige Drahtwendel 12 bzw. 13 eingebracht, von denen sich die Drahtwendel 13 bis in das untere Ausgleichsrohr 10 hinein erstreckt. Der Drahtdurchmesser der Drahtwendeln 12 bzw. 13 liegt zwischen 0,01 und 0,1 und die Steigung der Drahtwendeln zwischen 0,3 und 1 des Innendurchmessers der Wärmerohre 2. Die Drahtwendel 12 hat eine gleichmäßige Steigung, während die Steigung der Drahtwendel 13 zum unteren Ausgleichsrohr 10 hin abnimmt.

[0018] Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel bestanden die Wärmerohre aus Kupferrohren mit einem Außendurchmesser von 10 mm und einem Innendurchmesser von 8 mm. Die Drahtwendeln 12 und 13 hatten einen Drahtdurchmesser von 0,3 mm; die gleichmäßige Steigung der Drahtwendel 12 betrug 5 mm.

[0019] Anstelle gesonderter Trennplatten können auch ein oder zwei benachbarte Querlamellen zur Abtrennung der beiden Wärmetauscherhälften dienen.

Ansprüche

1. Luft-Luft-Wärmeaustauscher, bestehend aus mehreren Reihen einzelner Wärmerohre, die mit metallischen Querlamellen in Wärmekontakt stehen, und einer mittigen, sich parallel zu den Querlamellen erstreckenden Trennplatte, welche den Wärmeaustauscher in zwei Hälften teilt, von denen die untere von Warmluft und die obere von Kaltluft durchflossen wird,
dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmerohre (2) jeder Rohrreihe (1) durch je ein unteres und ein oberes Ausgleichsrohr (10 bzw. 11) miteinander verbunden sind und daß in die sich über die untere Hälfte (6) des Wärmeaustauschers erstreckende Verdampferzone (2b) jedes Wärmerohres (2) eine an der Wärmerohrinnenwand eng anliegende schraubenförmige Drahtwendel (12 bzw. 13) eingebracht ist, deren Drahtdurchmesser zwischen 0,01 und 0,15 des Innendurchmessers des Wärmerohres liegt und deren Steigung mindestens das Dreifache des Drahtdurchmessers beträgt.

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung der Drahtwendel (13) zum unteren Ausgleichsrohr (10) hin abnimmt.

3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß sich die Drahtwendel (13) bis in das untere Ausgleichsrohr (10) hinein erstreckt.

4. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die sich im unteren Ausgleichsrohr (10) befindende Wärmerohr-Flüssigkeit bis zu einer Höhe (h) von etwa dem Wärmerohrinnendurchmesser in die Verdampferzone (2b) der Wärmerohre (2) hineinragt.

Zeichnung