DE1958840A1 - Waermetauschelement zum Aufheizen oder Kuehlen von Gasen,insbesondere Luft,fuer Klima- und Trocknungsanlagen - Google Patents

Description

GEA Luftkühlergesellschaft Happel GmbH & Co. KG, Bochum, Königsallee 45

Wärmetauschelement zum Aufheizen oder Kühlen von Gasen, insbesondere Luft, für Klima- und Trocknungsanlagen

Die Erfindung betrifft ein Wärmetauschelement zum Aufheizen oder Kühlen von Gasen, insbesondere Luft, für Klima- und Trocknungsanlagen, dessen Rippenrohre innenseitig von einer Kühl- oder Heizflüssigkeit beaufschlagt sind, während die berippten Außenflächen von dem Gas umströmt sind und bei welchem das Rippenrohrbündel in quer zur Anströmrichtung des Gases angeordnete Gruppen unterteilt ist, innerhalb welcher die zueinander parallelen Rippenrohre sämtlich in der gleichen Richtung von der Flüssigkeit beaufschlagt sind, wobei sämtliche Rippenrohr-Gruppen mit Bezug auf die Heiz- bzw. Kühlflüssigkeit hinter einander geschalt et sind.

Ein bekanntes Wärmetauschelement dieser Gattung, bei welchem die Flüssigkeit im sogenannten Kreuzstrom geführt wird, besitzt eine etwa rechteckige Ansichtsfläche und weist ein Rippenrohrbündel auf, dessen Rippenrohre quer zur Anströmrichtung des Gases in einer Reihe oder in mehreren Reihen hintereinander angeordnet sind. Das Rippenrohrbündel ist in quer zur Anströmrichtung des Gases angeordnete Rippenrohr-Gruppen unterteilt, welche mit Bezug auf die Heiz- bzw. Kühlflüssigkeit derart hintereinandergeschaltet sind, daß benachbarte Gruppen in entgegengesetzter Richtung von der Flüssigkeit beaufschlagt werden.

Die aufzuheizenden bzw. die zu kühlenden Gase, welche in dem gesamten Anströmbereich vor ihrem Eintritt in das Wärmetauschelement etwa die gleiche Temperatur aufweisen, bewirken in

109824/0652

einem Erhitzer in Richtung der strömenden Heizflüssigkeit deren fortschreitende Abkühlung bzw. in einem Kühler in Richtung der strömenden Kühlflüssigkeit deren fortschreitende Erwärmung. Mit der fortschreitenden Abkühlung der Heizflüssigkeit bzw. mit der fortschreitenden Erwärmung der Kühlflüssigkeit verringert sich - gleichfalls in Richtung der strömenden Flüssigkeit - der wirksame Temperaturabstand zwischen der Flüssigkeit und dem Gas zunehmend. Infolge des unterschiedlichen Temperaturabstandes treten die zu kühlenden bzw, aufzuheizenden Gase an der Abströmseite des Wärmetauschelements an allen Stellen des Strömungsquerschnittes mit unterschiedlichen Temperaturen aus.

Während die unterschiedliche Erhitzung bzw. Kühlung eines Gasstromes für manche Trocknungs- bzw. Kühlprozesse unerheblich Bt, ist es beispielsweise bei Holztrocknungsanlagen, bei denen es auf eine gleichmäßige Trocknung ankommt, besonders wichtig, daß der erhitzte Luftstrom, welcher im Anschluß an das Wärmetauschelement in einem Kanal weitergeleitet wird und diesen durch einen Düsenstock verläßt, das zu behandelnde Holz im gesamten Strömungsquerschnitt etwa mit der gleichen Temperatur beaufschlagt.

Trocknungsanlagen, die in Veredelungsbetrieben der Textilindustrie eingesetzt werden, müssen etwa die gleichen Bedingungen erfüllen, wie sie von Holztrocknungsanlagen; gefordert werden. :

Während bei den vorgenannten Trocknungsanlagen im gesamten Querschnitt eines Luftstromes eine gleichmäßige Trocknung erzielt werden soll, verlangen verschiedene Prozesse der chemischen Verfahrenstechnik einen Kühlluftstrom, welcher an allen Stellen seines Strömungsquerschnittes etwa die gleiche Temperatur aufweist.

1 o a a 2 u ι η e 5 2

Zwar versucht man, bei dem weiter oben beschriebenen Wärmetauschelement unterschiedliche Temperaturen innerhalb des ■ austretenden Gasstromes durch eine saugende Lüfteranordnung zu vermeiden, jedoch bringt der Einbau des Lüfters in den zur Weiterleitung der erhitzten bzw. gekühlten Luft bestimmten Kanal nicht den erhofften Erfolg, weil selbst nach einer starken Verwirbelung Strömungsfäden mit "großen Temperaturdifferenzen erhalten bleiben.

Ein gleichmäßig temperierter Luftstrom wird zwar mit einem anderen bekannten Wärmetauscher erzielt, welcher aus zwei in Strömungsrichtung des Gases hintereinander angeordneten, gegensinnig flüssigkeitsbeaufschlagten Wärmetauschelementen besteht, deren Rippenrohre von der Heiz- bzw. Kühlflüssigkeit im Gegenstrom zum Gas durchsetzt werden. Die Kosten für eine solche Anlage sind jedoch wegen der Doppelanordnung der Wärmetauschelemente verhältnismäßig hoch» Außerdem ist es nachteilig, daß ein derartiger Wärmetauscher mit einem hohen Flüssigkeitsdurchsatz pro Zeiteinheit betrieben werden muß, weil die Rippenrohre jedes Wärmetauschelementes sämtlich parallel in derselben Richtung von der Flüssigkeit beaufschlagt sind und zur Erzielung wirtschaftlicher Wärmeübergangs- bzw. Wärmedurchgangszahlen eine bestimmte Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit nicht unterschritten werden darf. Dieser hohe Flüssigkeitsdurchsatz läßt sich jedoch, z.B. bei einer Trocknungsanlage, nur mit einem entsprechend groß ausgelegten und demnach teuren Kessel erreichen*

Während in den vorstehend aufgeführten Fällen das zu erhitzende oder zu kühlende Gas im gesamten Strömungsquerschnitt etwa die gleiche Austrittstemperatur aufweisen soll, kommt es bei Vorlufterhitzern von Klimaanlagen im wesentlichen darauf an, daß die Luftaustrittstemperatur trotz wechselnder Außentemperaturen konstant gehalten wird. Die Wärmetauschfläche der Vorluf.tep?. hitzer wird entsprechend dem maximalen Wärmebedarf, welcher sich

1 0 ;. ■ ? L I Π 6 5 2

-If-

bei der niedrigsten Außentemperatur einstellt, bestimmt. In den meisten Fällen sind die im Kreuzstrom betriebenen Wärmetauschelemente der Vorlufterhitzer mit einer.Mengenregelung für die Heizflüssigkeit versehen, so daß dem Wärmetauschelement bei höheren Außentemperaturen weniger Flüssigkeit zugeführt wird. Bei Außentemperaturen unter dem Gefrierpunkt, welche jedoch höher sind als die niedrigste Außentemperatur, auf welche das Wärmetauschelement ausgelegt ist, kann die Drosselung der Flüssigkeitsmenge jedoch dazu führen, daß die Heizflüssigkeit infolge der fortschreitenden Abkühlung beim Durchströmen des Wärmetauschers in den zuletzt durchströmten Rippenrohren unterkühlt wird. Die Mengendrosselung der Heizflüssigkeit kann bei einer kritischen Temperatur der Außenluft sogar ein Gefrieren der Flüssigkeit in den zuletzt durchströmten Rippenrohren, d.h. den Ausfall bzw. die Beschädigung des Wärmetauschelements, zur Folge haben.

Es ist die Aufgabe dieser Erfindung, ein Wärmetauschelement zu schaffen, welches die Nachteile der bekannten Wärmetauschelemente vermeidet und in seiner Anwendung, insbesondere bei Trocknungs- und Kühlanlagen, an allen Stellen des Strömungsquerschnittes eine etwa gleiche Temperatur des austretenden Gases gewährleistet« Außerdem soll das Wärmetauschelement bei seiner Verwendung in Vorlufterhitzern nicht mehr der Einfriergefahr unterliegen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der gesamte flüssigkeitsbeaufschlagte Innenquerschnitt der zu jeweils einer Rippenrohr-Gruppe zusammengefaßten Rippenrohre in Strömungsrichtung der Flüssigkeit von Gruppe zu Gruppe abnimmt. Durch die Verengung des flüssigkeitsbeaufschlagten Innenquerschnittes von Gruppe zu Gruppe - z«B« auch durch den Einbau von Verdrängerkörpern oder Wirbelbändern - in Strömungsrichtung der Flüssigkeit nimmt deren Strömungsgeschwindigkeit jeweils von einer Rippenrohr-Gruppe zur darauffolgenden zu. Mit der Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit erfolgt eine Erhöhung der

109824/Π652

Wärmeübergangszahl und der Wärmedurehgangszahl, so daß in der zuerst von der Flüssigkeit beaufschlagten Gruppe» welcher eine geringere Wärmeübergangs- bzw. Wärmedurchgangszahl zugeordnet ist ι der Wärmetausch reduziert wird. Die zuletzt von der Flüssigkeit beaufschlagte Gruppe weist dagegen wegen ihres geringen Innenquerschnittes die größte Wärmeübergangs- bzw. Wärmedurchgangszahl auf, so daß in diesem Bereich des Wärmetauschelementes ein im Vergleich mit den bekannten Wärmetauschelementen intensiver Wärmetausch stattfindet. Es kommt hinzu, daß für den Wärmetausch in der letzten Gruppe eine genügend große Temperaturdifferenz verbleibt, weil diese in den vorgeschalteten Gruppen nicht restlos ausgenutzt wird.

-Vi ·

Mit dem erfindungsgemäßen Wärmetauschelement läßt sich somit bei einer geeigneten, jeweils dem Bedarfsfall anzupassenden Abstufung des flüssigkeitsbeaufschlagten Innenquerschnittes von Gruppe zu Gruppe ein Gasstrom erzeugen, welcher, wie es für spezielle Trocknungs- und Kühlprozesse gefordert wird, an allen Stellen seines Strömungsquerschnittes etwa die gleiche Temperatur aufweist. Außerdem ermöglicht dieses im Kreuzstrom betriebene Wärmetauschelement im Vergleich zu einem im Gegenstrom betriebenen Element selbst bei einem niedrigen Flüssigkeitsdurchsatz pro Zeiteinheit noch verhältnismäßig große Wärmeübergangs- bzw. Wärmedurchgangszahlen und somit einen guten Wirkungsgrad.

Bei luftgekühlten Oberflächenkondensatoren, deren Kondensatorrohr-Gruppen dampfseitig hintereinandergeschaltet sind, ist es bekannt*, den dampfbeaufschlagten Strömungsquerschnitt in Strömungsricfitung des Dampfes von Gruppe zu Gruppe zu verringern. Hier liegt jedoch ein ganz anderes Problem vor, das sich aus einer stufenweise durchgeführten Kondensation ergibt. Entsprechend der stufenweise verringerten Dampfmenge werden auch die Strömungsquerschnitte der Gruppen verringert.

10S824/Π652

Es ist außerdem ein Wärmetauscher bekannt, der zwei hintereinandergeschaltete, innenseitig mit Flüssigkeit beaufschlagte Rohrgruppen aufweist, von denen die nachgeschaltete Gruppe aus Rohren mit verringertem Innenquerschnitt besteht. Beide Rohrgruppen weisen jedoch etwa denselben lichten Gesamtquerschnitt auf, so daß die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit beim Übertritt von der ersten Gruppe zur zweiten nicht erhöht wird. Außerdem wird das Gas wegen seiner verschieden langen Strömungswege unterschiedlich gekühlt bzw. erhitzt, so ) daß dieser bekannte Wärmetauscher die durch die Erfindung erzielte Wirkung eines gleichmäßig temperierten Gasstroms nicht erreicht .

Der Einsatz eines Wärmetauschelementes gemäß der Erfindung in einem Vorlufterhitzer einer Klimaanlage ist ebenfalls vorteilhaft, weil die Einfriergefahr beseitigt wird. Die zuerst von der Heizflüssigkeit beaufschlagtenRippenrohr-Gruppen geben nämlich infolge der ihnen zugeordneten geringeren Wärmeübergangs- bzw. Wärmedurchgangszahl weniger Wärme ab als es bei den bekannten Ausführungen der Fall ist, so daß der Heizflüssigkeit beim Durchströmen der letzten Gruppe noch ein genügend gro-. ßer Wärmeüberschuß verbleibt, der ein Einfrieren des Elementes selbst bei starker Drosselung der Heizflüssigkeitsmenge verhindert.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird die stufenweise Querschnittsverengung von Gruppe zu Gruppe dadurch herbeigeführt, daß sämtliche Rippenrohre in bekannter Weise den gleichen Innenquerschnitt besitzen und daß die Anzahl der zu jeweils einer Rippenrohr-Gruppe zusammengefaßten Rippenrohre in Strömungsrichtung der Flüssigkeit von Gruppe zu Gruppe abnimmt. Ein solches Wärmetauschelement zeichnet sich durch eine einfache Bauweise aus und ist besonders für eine kostensparende Serienfabrikation geeignet, weil für sämtliche Rippenrohr-Gruppen Rippenrohre mit gleichem Innenquerschnitt und gleicher Rippen- . teilung verwendet werden können·

1 0 9 8 2 U I Π 6 5 2

Während es bei einem erfindungsgemäßen Wärmetauscher mit geringer Wärmeleistung möglich ist, die Rippenrohre in einer Lage, d.h. in einer Ebene, anzuordnen, sieht die Erfindung für ein Wärmetauschelement höherer Wärmeleistung vor, daß die Rippenrohre mehrere in Strömungsrichtung des Gases hintereinander angeordnete Ebenen bilden. Bei derartigen Wärmetauschelementen hat es sich weiterhin als zweckmäßig erwiesen, wenn die" Rißße'nröWgxe benachbarter Ebenen quer zur Strömurigsrichtung des Gases versetzt zueinander angeordnet sind. Durch diese Maßnahme wird der wärmetechnische Wirkungsgrad erhöht, weil das Gas während des Hindurchströmens durch das Wärmetauschelement umgelenkt und damit der Strömungsweg verlängert wird.

Eine vorteilhafte, baulich einfache Flüssigkeitsschaltung wird dadurch erzielt, daß die Gruppen durch flüssigkeitsleitende Endkammern hintereinandergeschaltet sind.

In den Zeichnungen ist die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine-perspektivische, zum Teil aufgeschnittene Darstellung eines Wärmetauschelementes;

Fig, 2 eine Schnittansicht entsprechend der Schnittlinie II - II in Fig. 1 und

Fig. 3 eine Schnittansicht entsprechend der Schnitt- ^: ·'· linie III - III in Fig. 1.

Das in Fig. 1 dargestellte Wärmetauschelement 1 besiifzft^eine rechteckige Ansichtsfläche-ia*jönweist Rippenrohre 2

Querschnittes auf, deren Aüßenrippen 3 nur teilweise

dargestellt sind. Die Enden der Rippenrohre 2 sind* ftf Rohrboden 4 dichtend befestigt. Das gesamte Rippenrohrbtfirfefeü/tiird von einem Rahmen 5 umschlossen, welcher mit Bohryhgen ^p'Befestigung des Wärmetauschelementes in seiner Einbaulage'^y ist. Sämtliche Rippenrohre 2 weisen den gleichen

1 OSö2 4V η 652

querschnitt, die gleiche Rippenteilung und gleiche Rippenabmessungen auf.

Die beiden Rohrböden 4· werden von verschieden langen Endkammern 9 bis 15 übergriffen, welche aus den gewölbten Blechen 7 und teilweise gestrichelt dargestellten Trenn- bzw. Seitenwänden 8 gebildet sind. Die Endkammer 9 ist mit einem Eintrittsstutzen 16 und die Endkammer 12 mit einem Austrittsstutzen 17 versehen.

Der Strömungsverlauf der Heiz- bzw. Kühlflüssigkeit geht aus einer gemeinsamen Betrachtung der Fig. 1 bis 3 hervor. Die gemäß den Fig. 2 und 3 im Innenquerschnitt der Rippenrohre vorgesehenen Kreuze zeigen an, daß die Strömungsrichtung der Flüssigkeit in die Rohre hinein verläuft, während die in den Innenquerschnitten vorgesehenen Punkte andeuten sollen, daß die Flüssigkeit aus den Rippenrohren 2 austritt. Die Heiz- bzw« Kühlflüssigkeit tritt entsprechend der Pfeilrichtung durch den Eintrittsstutzen 16 in die Endkammer 9 ein und verteilt sich gleichmäßig auf die Rippenrohre 2 der mit A-bezeichneten Rippenrohr-Gruppe, durchläuft diese Rippenrohre und gelangt zur Endkammer Entsprechend dem in der Endkammer 13 gestrichelt eingetragenen gekrümmten Pfeil wird die Flüssigkeit umgelenkt und tritt in die Rippenrohre 2 der Gruppe B ein, durchläuft diese Gruppe und tritt in der Endkammer 10 aus, welche in Fig. 1 aufgeschnitten dargestellt ist. Die Umlenkung der Flüssigkeit in der Endkammer 10 ist unter anderem in Fig. 1 anhand des gekrümmten Pfeiles und der an den Enden der Rippenrohre 2 vorgesehenen Pfeile ersichtlich. Der Strömungsverlauf setzt sich sinngemäß in den Gruppen C, D und E fort, bis die Flüssigkeit nach Durchströmen der Gruppe F die Endkammer 12 erreicht hat und das Wärmetauschelement 1 durch den Austrittsstutzen 17 wieder verläßt.

1G9824/0652

Die Heiz- bzw. Kühlflüssigkeit tritt demnach in den Eintrittsstutzen 16 ein» durchströmt das Wärmetauschelement 1 etwa schlangenlinienförmig und verläßt dieses nach vollzogenem Wärmetausch durch den Austrittsstutzen 17.

Wie insbesondere aus den Fig. 2 und 3 hervorgeht, besteht die Rippenrohr-Gruppe A aus sechzehn, die Gruppe B aus vierzehn, die Gruppe C aus zwölf, die Gruppe D aus zehn, die Gruppe E aus acht und die Gruppe F aus sechs Rippenrohren, so daß sich der für die Flüssigkeit zur Verfügung stehende Strömungsquerschnitt von der zuerst durchströmten Rippenrohr-Gruppe A bis zu der zuletzt durchströmten Gruppe F stufenweise verringert. Mit der Verringerung des Strömungsquerschnittes geht eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit und damit eine Erhöhung der Wärmeübergangs- bzw. Wärmedurchgangszahl einher, so daß - beispielsweise bei einem Lufterhitzer - der Rippenrohr-Gruppe A, welche von der heißen Flüssigkeit durchströmt ist, die niedrigste Wärmeübergangs- bzw. Wärmedurchgangszahl und der Gruppe F, welche von Flüssigkeit mit geringerem Wärmeinhalt durchströmt ist, die größte Wärmeübergangs- bzw. Wärmedurchgangszahl zugeordnet wird, so daß die erhitzte Luft an allen Stellen des Wärmetauschelementes mit etwa derselben Temperatur austritt. Entsprechend gleichmäßige Temperaturverhältnisse ergeben sich, wenn das dargestellte Wärmetauschelement als Luftkühler betrieben wird ·

Wenn das Wärmetauschelement von einem Gasstrom gemäß den in Fig. 1 eingetragenen Pfeilen X» - Xp entsprechend den Rippenrohr-Gruppen A-F durchströmt wird, besitzt das austretende Gas an sämtlichen Stellen des Strömungsquerschnittes etwa dieselbe Temperatur.

Während das dargestellte Wärmetauschelement aus vier Rippenrohrlagen besteht, welche in Strömungsrichtung des Gases

109024/0652

- ίο -

in verschiedenen Ebenen hintereinander angeordnet und quer zur Strömungsrichtung des Gases seitlich zueinander versetzt sind, ist es gemäß der Erfindung ebenfalls möglich - beispielsweise bei einem Wärmetauschelement geringerer Wärmeleistung - nur eine Rippenrohrlage vorzusehen.

109824/06 5 2

Claims (5)

PATENTANWÄLTE DR.-ING. W. STUHLMANN — DIPL.-ING. R. WILLERT DR.-ING. P. H. O1DTMANN 1958840 . 242/2299H Ihr Zeichen 4β3 BOCHUM, ZX.J.J. Postschließfach 24 5O. Fernruf 14Ο61 und 14Ο62 Bergstraße 159 Telegr.: Stuhlmannpatent GEA Luftkühlergesellschaft Happel GmbH & Co. KG» Bochum Patentansprüche:

1.\Wärmetauschelement zum Aufheizen oder Kühlen von Gasen, insbesondere Luft, für Klima- und Trocknungsanlagen, dessen Rippenrohre innenseitig von einer Kühl- oder Heizflüssigkeit beaufschlagt sind, während die berippten Außenflächen von dem Gas umströmt sind und bei welchem das Rippenrohrbündel in quer zur Anströmrichtung des Gases angeordnete Gruppen unterteilt ist, innerhalb welcher die zueinander parallelen Rippenrohre sämtlich in der gleichen Richtung von der Flüssigkeit beaufschlagt sind, wobei sämtliche Rippenrohr-Gruppen mit Bezug auf die Heiz- bzw. Kühlflüssigkeit hintereinandergeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte flüssigkeitsbeaufschlagte Innenquerschnitt der zu jeweils einer Rippenrohr-Gruppe zusammengefaßten Rippenrohre (2) in Strömungsrichtung der Flüssigkeit von Gruppe zu Gruppe abnimmt.

2. Wärmetauschelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß sämtliche Rippenrohre (2) in bekannter Weise den gleichen Innenquerschnitt besitzen und daß die Anzahl der zu jeweils einer Rippenrohr-Gruppe zusammengefaßten Rippenrohre (2) in Strömungsrichtung der Flüssigkeit von Gruppe zu Gruppe abnimmt.

3« Wärmetauschelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Rippenrohre (2) mehrere in Strömungsrichtung des Gases hintereinander angeordnete Ebenen bilden·

10382Λ/0652

4. Wärmetauschelement nach Anspruch 3, dadurc h gekennzeichnet , daß die Rippenrohr« (2) benachbarter Ebenen quer zur Strömungsrichtung des Gases versetzt zueinander angeordnet sind.

5. Wärmetauschelement nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet » daß die Gruppen (A-F) durch flüssigkeitsleitende Endkammern (9 - 15) hintereinandergeschaltet sind.

1Q B 8 2k J η s 5 2

Leerseite