-
Die
Erfindung betrifft eine Lamelle für einen Lamellenwärmetauscher
mit mehreren parallel angeordneten Lamellen zum Wärmeaustausch
mit einem seitlich an die Lamellen anströmenden gasförmigen Medium, einen Lamellenwärmetauscher
mit mehreren solchen Lamellen und eine Verwendung des Lamellenwärmetauschers.
-
Bei
Lamellenwärmetauschern
ist eine Anzahl von in der Regel metallischen Lamellen parallel zueinander
angeordnet und wird von einem oder mehreren Wärmeübertragungsrohren durchsetzt.
Ein Lamellenwärmetauscher
wird z. B. zur Kühlung
oder Erwärmung
gasförmiger
Medien, insbesondere von Luft eingesetzt. Ein solcher Lamellenwärmetauscher zur
Kühlung
gasförmiger
Medien ist z. B. in
DE
197 09 176 A1 beschrieben. Durch das Wärmeübertragungsrohr strömt im Kühlbetrieb
ein Kühlmittel,
während
durch den freien Raum zwischen den Lamellen das zu kühlende Medium
strömt.
Das abgekühlte Wärmeübertragungsrohr
kühlt die
Lamellen, die wiederum Wärme
von dem strömenden
gasförmigen Medium übernehmen.
-
Ohne
besondere Maßnahmen
ist die Strömung
des gasförmigen
Mediums im Wesentlichen laminar. Dementsprechend ist direkt an den
Lamellen die Strömungsgeschwindigkeit
des Mediums gleich Null oder nur sehr gering und der Wärmeübergang begrenzt.
-
Ein
besserer Wärmeaustausch
wird durch turbulente Strömung
erreicht. Bei bekannten Lösungen
wird dazu die Lamelle bereichsweise geschlitzt und an den Schlitzen
lappenartig nach außen
gebogen. Die Strömung
des gasförmigen
Mediums reißt an
dem Schlitz ab und muss sich als Anlaufströmung erst wieder an der Lamellenoberfläche anlegen.
Gerade im Bereich dieser Anlaufströmung werden die höchsten örtlichen
Wärmeübergänge erzielt.
Bei Lamellenwärmetauschern,
die zur Kühlung
eingesetzt werden, kann sich Reif an der Lamellenoberfläche ablagern,
der die Schlitze der Lamelle zusetzt. Um die Effizienz des Lamellenwärmetauschers
aufrechtzuerhalten sind daher häufige
Abtauvorgänge
zur Entfernung des Reifs notwendig. Ebenso können sich geschlitzte Lamellen,
die zur Erwärmung
eines gasförmigen
Mediums eingesetzt werden, mit Schmutz zusetzen. Diese Wärmetauscher
müssen dann
aufwendig gereinigt werden.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lamelle für einen
Lamellenwärmetauscher
und einen Lamellenwärmetauscher
anzugeben, mit deren Hilfe dieser Nachteil des Standes der Technik vermieden
werden kann und die einen effizienten Wärmeaustausch ermöglichen.
-
Diese
Aufgabe wird mit einer Lamelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1
bzw. einem Lamellenwärmetauscher
mit den Merkmalen des Anspruches 6 gelöst. Eine besonders vorteilhafte
Verwendung des Lamellenwärmetauschers
ist Gegenstand des Anspruches 13. Unteransprüche sind auf bevorzugte Ausgestaltungen
gerichtet.
-
Eine
erfindungsgemäße Lamelle
weist eine Prägung
auf, die in Strömungsrichtung
des gasförmigen
Mediums ein zackenförmiges
Profil hat, das derart geformt ist, dass an den Spitzen der Zacken
ein. Strömungsabriss
zur Erzeugung eines turbulenten Strömungsmusters auftritt. Durch
die Verwendung einer solchen zackenförmigen Prägung sind Schlitze in der Lamelle,
die leicht mit Reif oder Schmutz zugesetzt werden können, nicht
notwendig. Dennoch lässt sich
mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung
erreichen, dass die Strömung
an den Spitzen der Zacken des zackenförmigen Profils abreißt und so
die laminare Strömung
an der Lamellenoberfläche
unterbrochen wird. Es entsteht turbulente Strömung, deren Wirbel sich erst
wieder an die Lamellenoberfläche anlegen
müssen.
Bei dieser Anlaufströmung
ist der Wärmeübertrag
besonders hoch.
-
Das
zackenförmige
Profil kann unterschiedliche Ausgestaltungen haben. Besonders effektiv
und einfach herstellbar ist ein zumindest bereichsweise periodisches
Profil, das auch die Installation der einzelnen Lamellen eines Lamellenwärmetauschers vereinfacht.
-
Bei
einer besonders vorteilhaften Weiterbildung stehen die Periode P
und die zwischen zwei entgegengesetzt weisenden Spitzen des zackenförmigen Profils
gemessene Prägungshöhe PH in
vorbestimmter Beziehung zueinander. Der Quotient zwischen Prägungshöhe und Periode
liegt vorteilhafterweise zwischen 0,2 und 0,25. Dieser Bereich gewährleistet,
dass die "Täler" zwischen zwei Zacken nicht
derart tief sind, dass ein zu großer Totraum entsteht, in dem
keine Strömung
mehr auftritt. Andererseits sind die Flanken der Zacken steil genug,
um den Abriss der Strömung
an den Zacken zu gewährleisten.
-
Besonders
effizient ist ein Lamellenwärmetauscher
mit erfindungsgemäßen Lamellen,
wenn die Prägungshöhe PH größer als
2 mm ist, insbeson dere in einem Bereich zwischen 2,2 mm und 2,4
mm. Dieses Maß für die Prägungshöhe ist gerade
bei einer typischen Strömungsgeschwindigkeit
des gasförmigen Mediums
von 1,5 bis 3,5 m/s besonders effektiv zur Bildung turbulenter Strömung.
-
Ein
erfindungsgemäßer Lamellenwärmetauscher
zeichnet sich durch mehrere parallel angeordnete erfindungsgemäße Lamellen
aus und hat unter anderem die bereits mit Bezug zu den einzelnen
Lamellen geschilderten Vorteile.
-
Um
den Strömungsquerschnitt
zwischen zwei Lamellen in Strömungsrichtung
des gasförmigen
Mediums im wesentlichen konstant zu halten, ist es vorteilhaft,
wenn die zackenförmigen
Profile der einzelnen Lamellen des Lamellenwärmetauschers zueinander in
Phase sind.
-
Für eine typische
Strömungsgeschwindigkeit des
gasförmigen
Mediums von 1,5 bis 3,5 m/s eignet sich besonders ein Lamellenabstand
von 3 bis 8 mm, insbesondere in einem Bereich von zwischen 4 mm und
6 mm.
-
Lamellenwärmetauscher
können
von Wärmeübertragungsrohren
durchsetzt sein, die Wärme mit
den Lamellen austauschen um diese z. B. abzukühlen. Dabei kann es sich um
ein einzelnes Wärmeübertragungsrohr
handeln, das z. B. schlangenförmig durch
die Lamellen geführt
ist oder um mehrere parallel angeordnete, individuelle Wärmeübertragungsrohre.
Ebenso können
einzelne Wärmeübertragungsrohre
außerhalb
der parallel angeordneten Lamellen durch entsprechende Verbindungen
zu einem schlangenförmigen
Rohr verbunden sein. Im vorliegenden Text sind diese Alternativen
umfasst, wenn allgemein von Wärmeübertragungsrohren
gesprochen wird.
-
Die
erfindungsgemäße Ausgestaltung
der Lamellenform kann bei Lamellenwärmetauschern eingesetzt werden,
bei denen die Wärmeübertragungsrohre
in rechtwinkligem Raster oder versetzt zueinander durch die Lamellen
geführt
sind. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Wärmeübertragungsrohre
zueinander derart versetzt angeordnet, dass drei benachbarte Durchführungen
für Wärmeübertragungsrohre
ein etwa gleichschenkliges Dreieck bilden. Sowohl bei einer erfindungsgemäßen Lamelle als
auch bei einem erfindungsgemäßen Lamellenwärmetauscher
kann dabei das Verhältnis
des Durchmessers eines Wärmeübertragungsrohres bzw.
einer dafür
vorgesehenen Durchführung
zu der Länge
eines Schenkels des Dreieckes z.B. zwischen 0,25 und 0,33 gewählt werden.
-
Es
können
Heizvorrichtungen zum Abtauen der Lamellen vorgesehen sein. So können durch
die Lamellen nicht nur Wärmeübertragungsrohre
sondern auch Heizrohre, Heizstabrohre oder Heizstäbe geführt sein.
Durch Heizrohre kann ein heißes
Medium geschickt werden um die Lamellen abzutauen. Heizstäbe können zum
selben Zweck z.B. elektrisch geheizt werden. Schließlich dienen
Heizstabrohre der einfachen Einführung
von Heizstäben.
-
Bei
einer in der Herstellung besonders günstigen Ausführungsform
befinden sich die Heizstabrohre, Heizrohre oder Heizstäbe zwischen
je zwei Wärmeübertragungsrohren,
deren Verbindungslinie schräg
zur Strömungsrichtung
ist. Bei der Herstellung eines solchen Lamellenwärmetau schers kann die Lamelle
in gewünschter
Größe einfach
geschnitten werden.
-
Bei
bekannten Lösungen
für Lamellenwärmetauscher
mit Heizrohren, Heizstabrohren bzw. Heizstäben sind die dafür in den
Lamellen vorgesehenen Durchführungen
an ihren Rändern
aufgebördelt.
Auch bei dem erfindungsgemäßen Lamellenwärmetauscher
mit geprägten
Lamellen und den erfindungsgemäßen Lamellen
können
die Durchführungen
für die
Heizrohre, Heizstäbe
bzw. Heizstabrohre aufgebördelt
sein. Um den Strömungswiderstand
für das
durch den Lamellenwärmetauscher strömende gasförmige Medium
nicht zu hoch werden zu lassen, wird jedoch bei einer Weiterbildung
der Erfindung auf die Aufbördelung
verzichtet. Erstaunlicherweise wird der Wärmeübertrag dadurch nicht wesentlich
verschlechtert. Um den Wärmeübertrag noch
weiter zu verbessern, können
bei einer Ausgestaltung mit Heizrohren oder Heizstabrohren die Rohre
in den Öffnungen
der Lamellen aufgeweitet werden, so dass sie in den Lamellen fest
verpresst sind.
-
Besonders
vorteilhaft ist die Verwendung eines erfindungsgemäßen Lamellenwärmetauschers zur
Kühlung,
insbesondere von Luft, da es dabei besonders leicht zur Reifbildung
kommen kann.
-
Die
Erfindung wird anhand der anliegenden Figuren im Detail erläutert. Dabei
zeigt
-
1 eine
perspektivische Ansicht eines Ausschnitts aus einem Lamellenblock
eines erfindungsgemäßen Lamellenwärmetauschers,
-
2 eine
seitliche Draufsicht auf einen Ausschnitt aus einem Lamellenblock
der 1,
-
3 eine
Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Lamelle, und
-
4 eine
seitliche Draufsicht auf diese Lamelle in Blickrichtung IV der 3.
-
In 1 ist
der Ausschnitt aus einem Lamellenpaket eines Lamellenwärmetauschers
gezeigt, der im Folgenden am Beispiel eines Luftkühlers beschrieben
wird. Das Lamellenpaket besteht aus einer großen Anzahl Lamellen, von denen
hier nur drei dargestellt sind. In Richtung 7 wird Luft
durch den Lamellenwärmetauscher
geströmt,
die sich an den Lamellen 1, 3, 5 abkühlt. Diese
sind dazu von Wärmeübertragungsrohren
durchsetzt, die Wärme
von den Lamellen abführen
und an ein Kühlmittel
abgeben, das in den Rohren fließt.
Die Wärmeübertragungsrohre sind
der Übersichtlichkeit
halber in 1 nicht gezeigt.
-
Mehrfach
vorhandene Elemente, also hier z. B. nach oben weisende Zacken 9 sind
nicht notwendigerweise alle mit einem Bezugszeichen versehen.
-
Die
einzelnen Lamellen sind zackenförmig geprägt. Im Wesentlichen
ist die Prägung
zumindest insofern periodisch, dass immer drei Zacken 9 direkt nebeneinander
angeordnet sind. Zwischen den in 1 nach oben
weisenden Zacken 9 liegen nach unten weisende Zacken 11.
Nur zwischen einzelnen nach oben weisenden Zacken befindet sich
ein schmaler waage rechter Bereich 12 im Bereich der Heizstabdurchführungen 17 (siehe 3),
um z.B. das Ablaufen von Tauwasser von der Lamelle zu vereinfachen.
-
2 zeigt
eine seitliche Draufsicht auf den Ausschnitt des Lamellenblocks.
Der Abstand zweier nach oben weisender Zacken 9 ist als
Periode P bezeichnet. Der Abstand der Lamellen ist mit A bezeichnet,
während
die Prägungshöhe, die
die Höhe
zwischen einer nach oben weisenden und einer nach unten weisenden
Spitze angibt, mit PH bezeichnet ist. 13 bezeichnet am
Beispiel der Zacke 10 die Entstehung turbulenter Strömung, die
durch das Abreißen der
Strömung
an der Spitze der benachbarten Zacke 10 erzeugt wird.
-
3 zeigt
die Draufsicht auf eine Lamelle, wobei hier auch die Durchführungen 15 für die Wärmeübertragungsrohre
und Durchführungen 17 für Heizstabrohre
gezeigt sind.
-
In
nicht gezeigter Weise sind durch die Wärmeübertragungsrohrdurchführungen 15 die
Wärmeübertragungsrohre
geführt,
die im beschriebenen Kühlbetrieb
Wärme von
den Lamellen abtransportieren sollen. Durch die bördelfreien
Durchführungen
für die
Heizstabrohre sind in ebenfalls nicht gezeigter Weise Heizstabrohre
geführt,
die durch inneres Aufweiten nach dem Durchschieben in den Lamellen verpresst
worden sind. Durch die Heizstabrohre 17 können Heizstäbe auf einfache
Weise eingeführt werden,
mit deren Hilfe die Lamelle z. B. abgetaut werden kann, um Reif
zu entfernen. Auch die Wärmeübertragungsrohre
sind durch inneres Aufweiten in den Öffnungen der Lamellen verpresst.
-
Die
Wärmeübertragungsrohrdurchführungen 15 sind
in einem Raster derart angeordnet, dass drei benachbarte Wärmeübertragungsrohre
ein gleichschenkliges Dreieck bilden. Das Verhältnis des Durchmessers eines
Wärmeübertragungsrohres bzw.
einer Wärmeübertragungsrohrdurchführung 15 zu
der Länge
eines Schenkels des Dreieckes beträgt z.B. zwischen 0,25 und 0,33.
In der gezeigten Anordnung befinden sich die Heizstabrohrdurchführungen 17 jeweils
zwischen zwei Wärmeübertragungsrohrdurchführungen 15.
-
Die
Ausbildung des Lamellenwärmetauschers
mit zackenförmig
geprägten
Lamellen hat sich als besonders günstig für so genannte versetzte Systeme
erwiesen, in denen die einzelnen Wärmeübertragungsrohrdurchführungen
wie in 3 dargestellt nicht in einem rechtwinkligen Raster
angeordnet sind. Im Gegensatz zu einer fluchtenden Anordnung wird
hier die Ausbildung einer turbulenten Strömung noch weiter unterstützt.
-
4 zeigt
eine seitliche Ansicht in Blickrichtung IV, wie sie in 3 angedeutet
ist. Hier ist insbesondere erkennbar, dass die Durchführungen 17 für die Heizstäbe keine
Aufbördelungen
aufweisen. Die Aufbördelungen
der Wärmeübertragungsrohrdurchführungen 15 sind
mit 16 bezeichnet.
-
Die
Heizstabrohrdurchführungen 17 unterstützen die
Bildung der turbulenten Strömung.
In der Regel sind nicht alle Durchführungen tatsächlich von Heizstabrohren
durchsetzt. Die nicht verwendeten Heizstabrohrdurchführungen
fördern
den Strömungsabriss
und die Bildung der turbulenten Strömung. Um den Strömungswiderstand
für das
durch das Lamellenpaket strömende
Gas nicht zu hoch werden zu lassen, hat es sich als vorteilhaft
erwiesen, wenn die Heizstabrohrdurchführungen 17 keine Rand bördelung
aufweisen, wie es in der seitlichen Ansicht der 4 erkennbar
ist.
-
Ein
erfindungsgemäßer Lamellenwärmetauscher
wird wie folgt z. B. als Luftkühler
verwendet. Durch die in den Figuren nicht gezeigten Wärmeübertragungsrohre
wird in an sich bekannter Weise Kühlmittel gefördert.
-
Die
zu kühlende
Luft 7 wird zwischen den Lamellen durch das Lamellenpaket
geschickt. An den Spitzen der Zacken 9, 10, 11 der
Lamellen 1, 3, 5 wird der Luftstrom abgelenkt
und reißt
an den Spitzen ab. Dadurch entsteht eine turbulente Strömung 13,
die beispielhaft an einer Zacke 10 der Lamelle 3 in 2 dargestellt
ist. Die turbulente Luftströmung
muss sich erst wieder an die Lamellenoberfläche anlegen. Bei diesem Anströmvorgang
wird sehr effektiv Wärme übertragen.
Die Erzeugung der turbulenten Luftströmung 13 verhindert
die Ausbildung einer laminaren Strömung, die für den Wärmeübertrag sehr ineffizient wäre, weil
direkt an der Lamelle selbst eine stehende Luftschicht vorhanden
wäre.
-
Bildet
sich durch die Abkühlung
der Luft Reif an der Lamelle oder den Wärmeübertragungsrohren, wird dieser
mit Hilfe von durch die Heizstabrohre geführten, z. B. elektrisch beheizten
Heizstäben,
abgetaut.
-
Die
Prägungshöhe wird
für eine
Luftgeschwindigkeit von 1,5 bis 3,5 m/s z.B. zwischen 2,2 mm bis
2,4 mm und der Lamellenabstand zwischen 3 mm und 8 mm gewählt. Die
Periode ist derart gewählt,
dass der Quotient zwischen Prägungshöhe und Periode
zwischen 0,2 und 0,25 liegt.
-
Die
besondere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lamellen und des erfindungsgemäßen Lamellenwärmetauschers
gewährleistet
eine optimale Ausbildung von turbulenter Strömung an der Lamellenoberfläche, ohne
dass die Gefahr besteht, dass wie beim Stand der Technik Schlitze
in den Lamellen durch Reif zugesetzt werden. Das erfindungsgemäße System
ermöglicht
daher auch über
längere Zeiträume einen
effektiven Betrieb und verringert die notwendige Anzahl von Abtauvorgängen. Die
geeignete Auswahl der Dimensionen der geprägten Lamelle führt zu einem
besonders effektiven Wärmeaustausch
zwischen Lamelle und strömendem
Medium.
-
Zur
Verbesserung des Wärmeübertrages können die
Heizstabrohre bzw. Heizrohre durch Aufweitung in den Öffnungen 17 verpresst
sein. So kann mit verpressten Rohren während des Heizens eine höhere Lamellentemperatur
bei gleichzeitig geringerer Oberflächentemperatur des Heizstabrohres
bzw. Heizrohres erreicht werden. Dadurch wird eine unerwünschte Dampfbildung
am Heizstabrohr bzw. Heizrohr beim Abtauen verringert.
-
- 1,
3, 5
- Lamelle
- 7
- Strömung des
gasförmigen
Mediums
- 9,
10, 11
- Zacken
der Lamellenprägung
- 12
- waagrechte
Bereiche der Lamellenprägung
- 13
- turbulente
Strömung
- 15
- Durchführungen
für Wärmeübertragungsrohre
- 16
- Aufbördelung
- 17
- Heizstabrohrdurchführungen
- P
- Periode
der Lamellenprägung
- PH
- Prägungshöhe der Lamellenprägung
- A
- Lamellenabstand