Strömungskanal

Abstract

 Die vorliegende Erfindung betrifft einen Strömungskanal zum Führen eines strömenden Primärfluids mit einer wärmeleitenden Kanalwand mit außenliegenden Rippen, deren Außenseite von einem Sekundärfluid zumindest teilweises umströmbar ist, wobei die Kanalwand auf Ihrer Außenseite zusätzlich zu den Rippen eine strukturierte Oberfläche aufweist.
Ferner betrifft die Erfindung einen Wärmetauscher mit erfindungsgemäßem Strömungskanal und einen Luftkondensator, insbesondere einen Naturzug-Kühlturm, mit erfindungsgemäßen Wärmetauschern.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Strömungskanal, einen Wärmetauscher und einen Luftkondensator gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche 1, 14 und 17.

[0002] In einer Vielzahl von Anwendungen werden Fluide, also Flüssigkeiten, Gase oder deren Gemische wie zum Beispiel Wasser, Wasserdampf oder Luft, zum Transport von Wärme eingesetzt. Zur Übertragung der Wärme verwendet man Apparate, die auch als Wärmetauscher bezeichnet werden. - Wärmetauscher haben in der Regel wenigstens einen Strömungskanal durch den ein erstes Fluid, hier als Primärfluid bezeichnet, geführt wird. Über die Kanalwand des Strömungskanals wird Wärme zwischen dem Primärfluid und der Umgebung ausgetauscht. Die Umgebung kann zum Bespiel ein direkt angrenzendes Bauteil oder auch ein zweites Fluid sein, das hier zur besseren Unterscheidung als Sekundärfluid bezeichnet wird.

[0003] In der Kraftwerkstechnik ist das Primärfluid in der Regel heißes Wasser oder Wasserdampf und wird zur Vermeidung von Massenverlusten auf der auch als Dampfseite bezeichneten Primärseite, also der Innenseite, des Wärmetauschers geführt. Demgegenüber handelt es sich beim Sekundärfluid meist um Luft, die den Wärmetauscher an seiner Außenseite, der Luft- oder Sekundärseite, umgibt oder umströmt. Die Wand des Strömungskanals dient dann neben der Führung des Primärfluids auch dem Wärmeaustausch zwischen Primär- und Sekundärfluid.

[0004] Wärmetauscher mit gattungsgemäßen Strömungskanälen werden vielfach im Bereich von Kraftwerken eingesetzt, um einem Primärfluid, welches einen Wärmekraftprozess durchlaufen hat, verbliebene Energie zu entziehen. So werden Wärmetauscher in Luftkondensatoren zum Beispiel zur Rückgewinnung des Kesselwassers aus dem Abdampf von Turbinen verwendet. Dabei kondensiert der Dampf, nachdem er die Turbine passiert hat, im Wärmetauscher des Luftkondensators zu Wasser, welches wieder dem Kessel zugeführt wird. Somit ist der Kreislauf des Kesselwassers geschlossen.

[0005] Die Fähigkeit einer Wandfläche Wärme zu übertragen wird mit dem Wärmeübergangskoeffizienten beschrieben. Der Wärmeübergangskoeffizient alpha (α) gibt an, welche Wärmemenge gemessen in der Energieeinheit Ws in einer Sekunde zwischen einem Quadratmeter der Oberfläche eines Bauteils und der angrenzenden Luft übertragen wird, wenn der Temperaturunterschied zwischen der Oberfläche des Bauteils und der Luft ein Kelvin beträgt. Alpha ist kein reiner Stoffwert (wie die Wärmeleitfähigkeit, Dichte oder Viskosität), er ist abhängig von den Stoffeigenschaften des Fluids, der Rauhigkeit der Wand, dem Temperaturfeld und den Strömungsverhältnissen in Wandnähe. Der Wärmeübergangskoeffizient liegt auf der Primärseite eines Dampfkondensators bei strömendem Dampf bei etwa 3000 W/(m² K), während α auf dessen Sekundärseite zur Luft hin etwa 50 bis 100 mal kleiner ist.

[0006] Die bekannten Kanalanordnungen für Kraftwerkswärmetauscher weisen in der Regel Kanalwände mit glatten Oberflächen auf der Innenseite auf, um dem hindurch strömenden Primärfluid möglichst wenig Widerstand entgegenzusetzen. So kann der Energieaufwand, der erforderlich ist, um das Primärfluid im strömenden Zustand zu halten, gering gehalten werden. Auf ihrer dem Sekundärfluid zugewandten Außenseite weisen solche Wärmetauscherrohre in der Regel Rippen zur Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche auf. Bei diesen Rippen handelt es sich oft um einige Zentimeter hohe und nur wenige Millimeter dünne Streifen aus Aluminiumblech, die auf die Außenseite des, auch als Grundrohr bezeichneten, Wärmetauscherkanals aufgelötet sind. Das Grundrohr besteht dann aus einem zumindest außen mit einer Aluminiumschicht umhüllten druckfesten Stahlrohr.

[0007] Die Strömungen des Primärfluids oder auch des Sekundärfluids im oder um den Strömungskanal herum können laminar oder turbulent erfolgen, wobei sich der jeweilige Strömungszustand in Abhängigkeit unter anderem der mittleren Strömungsgeschwindigkeit, dem Kanalquerschnitt und der kinematischen Viskosität des betreffenden Fluids bildet. Dabei entsteht im Bereich der Kanalwände eine Grenzschicht. Aufgrund dieser Grenzschicht erfolgt der Wärmeaustausch zwischen dem Fluid und der Kanalwand im Wesentlichen nur mit dem Teil der Strömung, der in der Nähe der Kanalwand strömt. Ein Großteil der Wärmekapazität des vorbei strömenden Fluids kann daher nicht oder nur uneffektiv genutzt werden. Bei einer laminaren Strömung ist die Dicke dieser Grenzschicht besonders groß.

[0008] Im Stand der Technik ist es daher bekannt, im Inneren des Strömungskanals Einbauteile oder auf dem Strömungskanal sogenannte Turbulatoren vorzusehen. Turbulatoren sind starke Turbulenzen erzeugende Strukturen, wie etwa Löcher, Ausstanzungen der Rippen oder Fähnchen, die mit den erzeugten Turbulenzen für eine bessere Durchmischung einzelner Strömungsanteile sorgen. Hierdurch kann eine deutlich verbesserte Ausnutzung der Wärmekapazität des an der Wand vorbeiströmenden Fluids erreicht werden. Gleichwohl führt dies dazu, dass der strömungstechnische Widerstand erheblich erhöht wird. Es ist daher ein deutlich größerer Aufwand zu treiben, um das Primär- oder Sekundärfluid in den strömenden Zustand zu versetzen oder in diesem Zustand zu halten.

[0009] Die optimale Leistungsfähigkeit eines Wärmetauschers hängt also unter anderem vom Wärmeübergangskoeffizienten und vom Strömungswiderstand des Wärmetauscherkanals ab. Dies führt zu gegensätzlichen Anforderungen an die Strömungsverhältnisse im Wärmetauscher. Zum Einen kann eine weitgehend laminare Strömung mit möglichst wenigen Umlenkungen im Strömungskanal erwünscht sein, um nur einen geringen Strömungswiderstand zu erhalten. Zum Anderen kann aber auch eine turbulente Strömung wünschenswert sein, da sie einen großen Wärmeübergangskoeffizienten, also verbesserten Wärmeaustausch, ermöglicht.

[0010] Die bekannten Wärmetauscher werden diesen Anforderungen jeweils nur zum Teil gerecht. Wärmetauscher, die aufgrund ihrer im Wesentlichen laminaren Durch- oder Umströmung einen geringen Druckverlust aufweisen, ermöglichen in der Regel nur einen geringen Wärmeaustausch, so dass ein Großteil der Wärmeenergie des durchströmenden Primär- bzw. Sekundärfluids nicht oder nur sehr langsam abgegeben wird. Dagegen ermöglichen Wärmetauscher mit im Rohr angeordneten Einbauten oder mit außen angeordneten Turbulatoren im Wesentlichen einen guten Wärmeaustausch, benötigen allerdings eine Zuführung des betreffenden Fluids unter hohem Druck, um die durch die Einbauten oder Turbulatoren entstandenen Druckverlust auszugleichen. In der Regel ist es dann notwendig, zusätzliche Mittel zur Druckerhöhung wie Kompressoren, Pumpen oder dergleichen vorzusehen.

[0011] Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Strömungskanal für einen Wärmetauscher zu schaffen, der bei geringen Druckverlusten einen weiter verbesserten Wärmeaustausch zwischen dem im Kanal strömenden Primärfluid und dem außen am Kanal entlangströmenden Sekundärfluid ermöglicht.

[0012] Die Lösung der Aufgabe gelingt mit einem Strömungskanal gemäß Anspruch 1, einem Wärmetauscher gemäß Anspruch 14 und einem Luftkondensator gemäß Anspruch 17. Bevorzugte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

[0013] Es wird also mit der vorliegenden Erfindung ein Strömungskanal mit einer Kanalwand zum Führen eines strömenden Primärfluids vorgeschlagen, wobei zwischen dem Primärfluid und der Kanalwand Wärme austauschbar ist. Die gut wärmeleitende Kanalwand weist dabei erfindungsgemäß an der dem Sekundärfluid zugewandten Außenseite Rippen mit einer zusätzlich strukturierten Oberfläche auf.

[0014] Damit erfolgt der Wärmeaustausch zwischen dem Primärfluid und der Kanalwand bei glatter Innenwandung. Dies führt gegenüber den bekannten Strömungskanälen und Wärmetauschern zu geringen Druckverlusten in der Strömung des Primärfluids. Der damit einhergehende zunächst relativ geringe Wärmeaustausch zwischen Primärfluid und Sekundärfluid wird nun erfindungsgemäß mit einem durch Turbulenzen im Sekundärfluid verstärkten Wärmeaustausch auf der Außenseite der Strömungskanäle ausgeglichen und sogar in positiver Weise übertroffen. Es wird also der Wärmeaustausch zwischen Primärfluid und Sekundärfluid dadurch gesteigert, dass die Strömung des Sekundärfluids zwischen den Rippen mit turbulenzerzeugenden Strukturierungen gezielt stärker vermischt wird.

[0015] Die Strukturierungen weisen dabei vorzugsweise relativ weiche abgerundete Formen mit nur wenig scharfen Kanten auf. So entstehen bei einer laminaren Umströmung des Strömungskanals im Sekundärfluid nur lokale und begrenzte Mikroturbulenzen im Bereich der Wandoberfläche. Die globale Strömung des Sekundärfluids erfolgt also weiterhin laminar, während durch die Mikroturbulenzen eine deutliche Verringerung der Dicke der Grenzschicht an der Kanalaußenwand erzielt wird. Diese Lösung hat den Vorteil, dass auch auf der Sekundärseite nur eine äußerst geringe Erhöhung des Strömungswiderstands erfolgt, während dort der Wärmeübergangskoeffizient stark erhöht wird. Die Sekundärströmung wird mit anderen Worten nicht so stark gestört, dass sich große Turbulenzfelder oder eine gänzlich turbulente Strömung im Sekundärfluid einstellen.

[0016] Der überraschend positive Effekt dieser Anordnung ist bei Kraftwerkswärmetauschern besonders ausgeprägt, weil dort in der Regel Luft als Sekundärfluid mit gegenüber Wasser geringerer innerer Reibung verwendet wird. Dazu kommt bei Naturzug-Kondensatoren und Industrie-Wärmetauschern, dass die Luft in der Regel eine mit Hilfe physikalischer Effekte quasi selbst erzeugte Strömung aufweist, bei der die Turbulenz erzeugenden Oberflächenstrukturen zu keiner bemerkenswerten Beeinträchtigung der Strömung des Sekundärfluids führen oder eine erhöhte Antriebsleistungen von Förderanlagen benötigen.

[0017] Diese Mikroturbulenzen erzeugenden Oberflächenstrukturen können dabei ganz oder nur teilweise auf den umströmten Oberflächen der Rippen des Strömungskanals angeordnet sein. Auch ist eine Überlagerung zweier unterschiedlicher Oberflächenstrukturen vorteilhaft. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die strukturierte Oberfläche eine Makrostruktur und eine Mikrostruktur auf. Dazu wird das Blech der Rippen zunächst mit der Mikrostruktur versehen, dann wird die Makrostruktur geprägt und schließlich werden die Rippen auf das Grundrohr aufgebracht.

[0018] Bei der Mikrostruktur handelt es um Ausformungen wie rundliche oder eckige Dellen oder Beulen, die sich entweder als Erhebungen oder Vertiefungen über die Außenseite des Strömungskanals erstrecken. Diese spezielle Formgebung hat wie bereits erwähnt den Vorteil relativ geringe Strömungswiderstände zu erzeugen, gleichwohl aber eine gute Reduzierung der Grenzschichtdicke im Sekundärfluid hervorzurufen. Die Höhe oder Tiefe der Ausformungen beträgt dabei von der unverformten Oberfläche der Rippenbleche gemessen etwa 0,05 mm bis 0,15 mm.

[0019] Bei der Makrostruktur handelt es sich vorzugsweise um eine sich in Strömungsrichtung erstreckende längliche Form, die im Querschnitt aus sanften Wellen oder Riffeln besteht. Die Höhe oder Tiefe der Wellen beträgt dabei von der unverformten Oberfläche der Rippenbleche gemessen etwa 0,3 mm bis 1,0 mm.

[0020] Die strukturierte Oberfläche kann beispielsweise auf der Rippenoberfläche selbst oder auch durch eine Beschichtung gebildet sein. Zum Beispiel kann die Rippe eine Prägung aufweisen, die die strukturierte Oberfläche auf beiden Rippenseiten bildet. Die Kanalwand, die Rippe oder die Beschichtung weist somit einen genügend hohen Reibungskoeffizienten zum Sekundärfluid auf, um die erforderliche Mikroturbulenz zu erreichen.

[0021] Mit der strukturierten Oberfläche kann erreicht werden, dass die Dicke der Grenzschicht durch besonders kleine und begrenzte Mikroturbulenzen in der Strömung des Sekundärfluids im Bereich der Kanalwand reduziert wird, welches eine erhöhte Wärmeübertragung ermöglicht. Zugleich kann aufgrund der besonderen Lage und Formgebung diese Turbulenz jedoch so gering gehalten werden, dass - dadurch der Druckabfall in der Strömung des Sekundärfluids nicht wesentlich erhöht wird.

[0022] Erstmals ist es somit möglich, die an einen Wärmeaustausch zwischen strömenden Fluid und einer Kanalwand gestellten entgegengesetzten Anforderungen zu verbessern. Aufgrund der strukturierten Oberfläche ist es nunmehr möglich, die Wärmeübertragungsleistung bei geringem Druckabfall sowohl im Primärfluid wie auch im Sekundärfluid deutlich zu erhöhen.

[0023] Die Eigenschaften und die Art der strukturierten Oberfläche sind vorteilhaft auf das zur Durchströmung vorgesehene Fluid abgestimmt, um eine möglichst optimale Wirkung zu erreichen. So kann beispielsweise bei einem hochviskosen Fluid eine sehr feine Oberflächenstruktur vorgesehen sein, während bei einem niederviskosen Fluid eine grobe Oberflächenstruktur vorgesehen sein kann. Weiterhin ist auch die Durchströmungsgeschwindigkeit des Fluids zu berücksichtigen, die Einfluss auf die strukturierte Oberfläche haben kann.

[0024] Die strukturierte Oberfläche kann nur teilweise auf der dem Fluid zugewandten Seite vorgesehen sein. Auch ist es vorteilhaft wenn sie sich dabei über die gesamte Kanallänge und/oder über den gesamten Umfang des Strömungskanals erstreckt. Vorteilhaft ist sie an den Stellen angeordnet, bei denen es auf die Wärmeübertragung besonders ankommt. So kann der Strömungskanal in einem Bereich, der nur zur Förderung des Fluids vorgesehen ist, eine glatte Oberfläche aufweisen, wohingegen in einem Bereich des vorgesehenen Wärmeaustauschs eine erfindungsgemäße Oberfläche vorgesehen ist.

[0025] In einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die strukturierte Oberfläche Ausformungen also Erhebungen aufweist. Diese Ausformungen sind vorteilhaft in der Kanalwand ausgebildet und ragen in die Strömung des Sekundärfluids hinein. Dadurch ergibt sich vorteilhafter Weise auch eine Vergrößerung der Oberfläche der Kanalwand. Die Größe, die Anzahl und auch die Anordnung der Ausformungen zueinander wird so gewählt, dass der Einfluss auf den Druckabfall in der Strömung des Sekundärfluids weitgehend vernachlässigbar ist. Zugleich bewirken die Ausformungen Turbulenzen der Fluidströmungen im Bereich der Kanalwand zwischen den Rippen. Diese Oberfläche ist mit bekannten Mitteln kostengünstig herstellbar.

[0026] Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die strukturierte Oberfläche zusätzlich auch Vertiefungen aufweist. Mit den Vertiefungen kann ebenso wie mit den sich in die Strömung erhebenden Ausformungen eine Erhöhung der Mikroturbulenz der Sekundärfluidströmung im Bereich der Kanalwand erreicht werden. Auch ergibt sich dadurch eine weitere Vergrößerung der Oberfläche an der Außenseite - der Kanalwand wodurch der Wärmeaustausch mit dem Sekundärfluid weiter verstärkt wird. Ferner ist eine Kanalwand mit außenliegenden Vertiefungen sehr kostengünstig herstellbar.

[0027] Es wird weiterhin vorgeschlagen, dass in Strömungsrichtung des Sekundärfluids abwechselnd Ausformungen und Vertiefungen angeordnet sind. Dadurch kann eine besonders günstige Wärmeübertragung bei stark durchmischter Sekundärströmung erreicht werden. Insbesondere wenn die Ausformungen und Vertiefungen unter strömungstechnischen Gesichtspunkten beabstandet zueinander angeordnet sind, kann in Abhängigkeit der Strömungsmechanik des durchströmenden Fluids die Wärmeübertragungsleistung weiter erhöht werden.

[0028] Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Ausformungen und/oder Vertiefungen ein gleichmäßiges Muster bilden. So können beispielsweise die Ausformungen und/oder Vertiefungen versetzt zueinander in Strömungsrichtung angeordnet sein. Auch die Form der Ausformung und/oder Vertiefung kann zur Erreichung einer optimalen Wärmeübertragungsleistung angepasst werden. So kann die Form beispielsweise durch einen Kugelabschnitt, Kegelabschnitt, eine Pyramide oder dergleichen gebildet sein.

[0029] In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Abweichung der Ausformung und/oder der Vertiefung von einer Mittellinie der dem Fluid zugewandten Oberfläche der Kanalwand wenige Zehntel Millimeter beträgt. So kann eine Erhöhung des Druckabfalls weiter reduziert werden.

[0030] Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Abweichung der Ausformung und/oder der Vertiefung von der Mittellinie der dem Fluid zugewandten Oberfläche wenige Hundertstel Millimeter beträgt. Eine Erhöhung des Druckabfalls kann weiter reduziert werden. Es können auch verschiedene Abweichungen von der Mittellinie und Formen der Ausformungen oder Vertiefungen miteinander kombiniert sein.

[0031] In einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass in wenigstens einem der Strömungskanäle eine wärmeleitende, in Längsrichtung des Strömungskanals ausgerichtete, durchströmbare Mäanderstruktur angeordnet ist, die zumindest teilweise an ihren mäanderseitigen Umkehrpunkten mit einer benachbarten Abdeckplatte in wärmetechnischer Verbindung steht. Unter Mäanderstruktur ist hierbei ein möglichst gleichmäßig gewelltes und sich vorzugsweise über die gesamte Breite und Länge des Strömungskanals erstreckendes Metallband gemeint. Dabei bilden die Wellentäler des Metallbandes Berührungslinien an denen das Band mit dem Grundrohr des Strömungskanals verlötet oder verklebt ist. Auf der anderen Seite bilden die Spitzen der Wellen Berührungslinien mit den aufliegenden Abdeckplatten. So ergibt sich in der Strömungsrichtung des Sekundärfluids ein geradliniger Strömungsweg durch die Mäanderstruktur, während sich das wellenförmige Rippenband in der Seitenansicht gleichmäßig mäandrierend hin und her windet. Vorteilhaft kann eine Vergrößerung der wärmeübertragenden Oberfläche erreicht werden. Darüber hinaus kann die Mäanderstruktur ebenfalls mit einer strukturierten Oberfläche versehen sein, wodurch eine weitere Erhöhung der Wärmeübertragungsleistung erreicht werden kann. Die wärmetechnische Verbindung kann durch Löten, Schweißen, Kleben oder dergleichen gebildet sein.

[0032] Mit der Erfindung wird ferner ein Wärmetauscher mit von Fluiden durchströmbaren Strömungskanälen vorgeschlagen, die zueinander in wärmetechnischer Wirkverbindung stehen, wobei wenigstens ein erfindungsgemäßer Strömungskanal vorgesehen ist.

[0033] Vorteilhaft kann dadurch die Wärmeübertragungsleistung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers erhöht werden, ohne dass seine Bauform vergrößert werden muss und/oder ein höherer Druckabfall in der Strömung des Primärfluids zu verzeichnen ist. So kann vorteilhafter Weise auch in einer bestehenden Anlage ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher nachträglich mit einer höheren Wärmeübertragungsleistung nachgerüstet werden, ohne dass dazu ein größerer Raum erforderlich wäre. Daneben kann bei gleicher Wärmeleistung eine kleinere Bauform des Wärmetauschers erreicht werden, um beispielsweise in einer bestehenden Anlage Raum zu gewinnen.

[0034] Darüber hinaus kann mittels der strukturierten Oberfläche auch die Steifigkeit des hiermit versehenen Strömungskanals erhöht werden, sondern auch die des gesamten Wärmetauschers. Dieser kann somit einer vergrößerten mechanischen Beanspruchung standhalten.

[0035] Es wird ferner vorgeschlagen, dass die Strömungskanäle zumindest teilweise eine plattenförmige Kanalanordnung bilden. Durch Stapelung von plattenförmigen Kanalanordnungen kann eine einfach anpassbare Bauform des Wärmetauschers erreicht werden.

[0036] In einer weiteren Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass der Wärmetauscher eine Vielzahl von gestapelten plattenförmigen Kanalanordnungen aufweist, wobei benachbarte plattenförmige Kanalanordnungen abwechselnd jeweils von einem unterschiedlichen Fluid durchströmbar sind. So kann mit der guten Anpassbarkeit durch Stapelung zugleich eine hohe Wärmeübertragungsleistung von einem Fluid zu einem zweiten Fluid, welche unterschiedliche Kanalanordnungen durchströmen, erreicht werden.

[0037] Mit der Erfindung wird ferner ein Luftkondensator zur Kondensation von Wasserdampf, insbesondere Turbinenabdampf eines Kraftwerks, vorgeschlagen, wobei zu kondensierender Dampf über eine Dampfzufuhrleitung und Verteilungen den Wärmetauschern zuführbar ist, und wobei Leitungen - zur Kondensatabfuhr und Inertgasableitung vorgesehen sind, wobei der Wärmetauscher ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher mit den zuvor geschilderten Vorzügen ist. Aufgrund der entsprechend gesteigerten Wärmeübergangsleistung kann der Luftkondensator daher eine kleinere Bauform aufweisen und kostengünstiger hergestellt werden.

[0038] Wie bereits eingangs erwähnt, handelt es sich in der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Luftkondensators um einen Naturzug-Kondensator, da hier die zuvor beschriebenen Vorzüge besonders stark hervortreten.

[0039] Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Darin sind im Wesentlichen gleichbleibende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigen schematisch:

Fig. 1

eine perspektivische Ansicht eines Teils eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers;

Fig. 2

eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rippe mit einer strukturierten Oberfläche mit Mikrostruktur;

Fig. 3

eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rippe mit einer strukturierten Oberfläche mit Mikrostruktur;

Fig. 4

den in Fig. 2 angedeuteten Schnitt IV-IV einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rippe mit einer strukturierten Oberfläche mit Makrostruktur; und

Fig. 5

den vergrößerten Ausschnitt der in Fig. 4 angedeuteten Schnittdarstellung, der eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäß strukturierten Oberfläche mit Makro- und Mikrostruktur zeigt.

[0040] Fig. 1 zeigt einen Teil eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers 1 mit einem erfindungsgemäßen Strömungskanal 2 zum Führen eines Primärfluids. Der Strömungskanal 2 weist eine Kanalwand 3 mit breitem, flachem Grundprofil auf, die aus zwei parallel beabstandet angeordneten ebenen Platten 4 und 5 besteht, die seitlich mit halbkreisförmigen Rohrprofilen 6 und 7 verbunden sind. Die Kanalwand 3 des Strömungskanals 2 besteht hier aus einem druckfesten, korrosionsbeständigen und außen mit Aluminium beschichteten Stahl.

[0041] Auf den flachen Seiten 4, 5 der Kanalwand 3 befinden sich zwei wellenförmige Aluminiumbänder 8 und 9, die die, auch als Kühlrippen bezeichneten, außenliegenden Rippen des Strömungskanals 2 bilden. Auf den außenliegenden Umkehrpunkten 10 der beiden wellenförmigen Rippenbändern 8, 9 sind jeweils zwei Abdeckplatten 11 und 12 angeordnet. Diese Abdeckplatten 11,12 vergrößern die Steifigkeit der Rippenbänder 8 und 9, erhöhen die wärmeaustauschende Oberfläche des Strömungskanals 2 und ermöglichen eine leichtes Stapeln mehrerer Strömungskanäle 2 auf- oder aneinander. So ergeben sich auf einfache Weise Wärmetauscherplatten 1, die in gestapelten Bündeln in Kühltürmen gut ein- und ausgebaut werden können.

[0042] An ihren inneren Umkehrpunkten 13 stehen die Wellen- oder Rippenbänder 8 und 9 mit den ebenen Außenseiten 4, 5 der wärmeübertragenden Kanalwand 3 des Strömungskanals 2 in wärmetechnischer Verbindung. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die wärmetechnische Verbindung als Klebeverbindung mit einem hochtemperaturbeständigen und wärmeleitenden Klebstoff ausgeführt. Die Verbindung kann daneben auch als Löt- oder Schweißverbindung ausgebildet sein. Die Rippenbänder 8, 9 bestehen hier genau wie die Abdeckplatten 11, 12 aus Aluminium, wobei auch andere gut wärmeleitende Materialien verwendet werden können.

[0043] Aufgrund der sich wellenden und außenabgedeckten Rippenbänder 8 und 9 ergeben sich auf dem Grundprofil eine Vielzahl von Strömungsgassen 14 für das Sekundärfluid. In Querschnitt bilden die aneinadergereihten Strömungsgassen 14 zusammen mit den sich hin und her windenden Rippenbänder 8, 9 und den Abdeckplatten 11,12 jeweils zwei Mäanderstrukturen 15 und 16.

[0044] Aufgrund der Ausrichtung der Rippenbänder 8, 9 quer zur Strömungsrichtung des Primärfluids ist der Strömungskanal 2 im Kreuzstrom von Primärfluid und Sekundärfluid durchströmt. Der Strömungskanal 2 wird also im Inneren von Wasserdampf als dem Primärfluid durchströmt, während die außenliegenden Strömungsgassen 14 von Luft als dem Sekundärfluid durchströmt werden können. Der Strömungskanal 2 mit seiner vom Primärfluid durchströmten Kanalwand 3 und die Strömungsgassen 14 sind dabei so voneinander getrennt angeordnet, dass sich die beiden Fluide nicht vermischen können.

[0045] Die in Fig. 2 gezeigte Kanalwand 3 des Strömungskanals 2 weist auf ihrer Außenseite eine Rippe 8 mit strukturierter Oberfläche 17 auf. Die strukturierte Oberfläche 17 besteht hier aus einer stark vergrößert dargestellten Mikrostruktur mit in ihrer Grundfläche quadratisch und dreieckig geformten Strukturen, wobei in Strömungsrichtung des Primärfluids abwechselnd Ausformungen 18 und Vertiefungen 19 ein gleichmäßiges Muster bilden. Dabei sind die Ausformungen 18 und Vertiefungen 19 beabstandet und versetzt zueinander angeordnet.

[0046] Die in Fig. 3 stark vergrößert gezeigten strukturierten Oberflächen 17 mit Mikrostruktur erstrecken sich lediglich auf die seitlichen Randzonen der Rippenbleche 8 oder 9. Hierbei bestehen die strukturierten Oberflächen 17 aus auf die Rippen 8 geklebten Pyramidenstümpfen 20 aus hitzbeständigem Kunststoff mit rechteckiger Grundfläche. In dieser Ausgestaltung sind in Strömungsrichtung jeweils paarweise aufeinanderfolgende Erhebungen 18 vorgesehen, die untereinander einen großen Abstand aufweisen. In diesem Beispiel beträgt die Höhe der Erhebungen 18 von der Oberfläche des Rippenblechs 8 gemessen ca. 0,07 mm.

[0047] Wie aus dem in Fig. 4 gezeigten Schnitt durch eine dritte alternative Ausführungsform der strukturierten Oberfläche 17 ersichtlich ist, kann diese auch aus einer Makrostruktur mit rundlichen Ausformungen 18 und Vertiefungen 19 im Rippenblech 8 bestehen. Diese Formen können durch kugelförmige Prägewerkzeuge in das Rippenblech 8 gepresst werden, bevor es zu Wellenform gestaucht und auf der Kanalwand 3 befestigt wird. Die Höhe oder Tiefe der Ausformungen 18 im Rippenblech 8 beträgt von der Oberfläche des unverformten Blechs aus gemessen ca. 0,3 mm.

[0048] In Fig. 5 ist der mit A bezeichnete Ausschnitt aus der Querschnittsdarstellung der Fig. 4 stark vergrößert dargestellt. Bei dem hier gezeigten vierten Ausführungsbeispiel der strukturierten Oberfläche der Rippe ist eine Mikrostruktur 21 aus pyramidenförmigen Noppen auf der wellenförmigen Makrostruktur 22 angeordnet. Es handelt sich also um eine überlappende Anordnung von Mikro- und Makrostruktur, wobei aber auch eine Ausführungsform, bei der die Mikrostruktur neben der Makrostruktur angeordnet ist, vorteilhaft ist.

[0049] Die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung und sind für diese nicht beschränkend. So können insbesondere die Form der Ausprägungen als auch deren Anordnung im Kanal variieren.

Ansprüche

1. Strömungskanal (2) zum Führen eines strömenden Primärfluids mit einer wärmeleitenden Kanalwand (3) mit außenliegenden Rippen (8, 9), deren Außenseite von einem Sekundärfluid zumindest teilweises umströmbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Rippen (8, 9) zumindest teilweise eine strukturierte Oberfläche (17) aufweisen.

2. Strömungskanal gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Rippen (8, 9) eine vollständig strukturierte Oberfläche (17) aufweisen.

3. Strömungskanal gemäß Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die strukturierte Oberfläche (17) Ausformungen (18) aufweist.

4. Strömungskanal gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die strukturierte Oberfläche (17) Vertiefungen (19) aufweist.

5. Strömungskanal gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die strukturierte Oberfläche (17) an einer Strömungsrichtung des Sekundärfluids so ausgerichtet ist, dass in der Strömungsrichtung abwechselnd Ausformungen (18) und Vertiefungen (19) angeordnet sind.

6. Strömungskanal gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ausformungen (18) und/oder Vertiefungen (19) ein gleichmäßiges Muster bilden.

7. Strömungskanal gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die strukturierte Oberfläche (17) eine Mikrostruktur (21) und/oder eine Makrostruktur (22) aufweist.

8. Strömungskanal gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Größe der Ausformung (18) und/oder der Vertiefung (19) der Makrostruktur (22) in Richtung der Strömung des Sekundärfluids wenige Zehntel Millimeter, insbesondere 0,30 mm bis 1,00 mm beträgt.

9. Strömungskanal gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Größe der Ausformung (18) und/oder der Vertiefung (19) der Mikrostruktur (21) in Richtung der Strömung des Sekundärfluids wenige Hundertstel Millimeter, insbesondere 0,05 mm bis 0,15 mm, beträgt.

10. Strömungskanal gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass mehrere Rippen durch ein gewelltes Rippenband (8, 9) gebildet werden.

11. Strömungskanal gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass sich das gewellte Rippenband (8, 9) in Längsrichtung des Strömungskanals (2) erstreckt.

12. Strömungskanal gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das gewellte Rippenband (8, 9) an seiner der Kanalwand (3) abgewandten Seite mit einer Platte (11, 12) abgedeckt ist und eine vom Sekundärfluid durchströmbare Mäanderstruktur (15,16) bildet.

13. Strömungskanal gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das gewellte Rippenband (8, 9) an seinen Umkehrpunkten (10, 13) mit der Kanalwand (3) und der Platte (11,12) wärmeleitend verlötet und/oder verklebt ist.

14. Wärmetauscher (1) mit wenigstens einem Strömungskanal (2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13.

15. Wärmetauscher gemäß Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass er einen Strömungskanal (2) mit durchströmbarer Mäanderstruktur (15, 16) mit außenliegenden Abdeckplatten (11,12) aufweist, die eine stapelbare Kanalanordnung bilden.

16. Wärmetauscher gemäß einem der Ansprüche 14 oder 15,
dadurch gekennzeichnet,
dass er mehrere gestapelte plattenförmige Kanalanordnungen aufweist, wobei benachbarte plattenförmige Kanalanordnungen wechselnd jeweils von unterschiedlichen Fluiden durchströmbar sind.

17. Luftkondensator zur Kondensation von Wasserdampf, insbesondere Turbinenabdampf eines Kraftwerks, wobei zu kondensierender Dampf über eine Dampfzufuhrleitung und Verteilungen Wärmetauschern (1) zuführbar ist, und wobei Leitungen zur Kondensatabfuhr und Inertgasableitung vorgesehen sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass wenigstens ein Wärmetauscher (1) ein Wärmetauscher gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 16 ist.

18. Luftkondensator gemäß Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Luftkondensator ein Naturzug-Kondensator ist.

Zeichnung