DE3021091C1 - Waermeaustauschelement - Google Patents

Description

• Die Gesamtheit der erfindungsgemäßen Maßnahmen schafft erstmals die Möglichkeit, mehrreihige Wärmeaustauschelemente herzustellen, bei denen auch unter ungünstigen Witterungsbedingungen und über einen großen Leistungsbereich des Kondensators kein instabiles Betriebsverhalten auftritt, so daß vorzugsweise durch Luft gekühlte Oberflächenkondensatoren aus einfachen Rohren vorzugsweise mit kreisförmigem Querschnitt hergestellt werden können, wie dies insbesondere in weniger industrialisierten Ländern von Vorteil ist, da Rohre mit kreisförmigem Querschnitt erheblich einfacher und preiswerter herzustellen sind als ovale oder elliptische Rohre mit stark voneinander abweichendem Tiefen-Breiten-Verhältnis. Der durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen erzielte Abgleich ergibt über einen großen Lastbereich des Kondensators nur geringfügige Druckunterschiede zwischen den austrittsseitigen Enden der im Kühlgasstrom hintereinanderliegenden und parallel vom Arbeitsmittel durchströmten Rohre, so daß das erfindungsgemäße Wärmeaustauschelement nicht an das Einhalten bestimmter Betriebsbedingungen gebunden ist.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind mindestens zwei mit kreisförmigem, jedoch unterschiedlich großen Strömungsquerschnitt ausgebildete Rohre mit Querrippen gleicher Außenabmessungen und gleicher Teilung berippt, so daß sich nicht nur bezüglich der Auswahl der Rohre, sondern auch bezüglich der Herstellung und Anbringung der Rippen eine besonders einfache Konstruktion ergibt.
• Die parallel zueinander liegenden Rohre können gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung gemeinsam durch Rippenbleche mit in Strömungsrichtung des Kühlgases gleichbleibender Breite berippt sein, so daß diese Rippenbleche in einem Arbeitsvorgang auf mehrere Rohre aufgeschoben werden können.
• Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Rohre fluchtend im Kühlgasstrom angeordnet. Wegen der venturidüsenartigen Erweiterung des Strömungsquerschnitts für das Kühlgas infolge des kleineren Durchmessers der jeweils in Strömungsrichtung des Kühlgases hinten liegenden Rohre ergibt sich bei dieser Ausführungsform ein Druckrückgewinn im Kühlgas, so daß zugleich eine kühlgasseitige Leistungsverbesserung beim erfindungsgemäßen Wärmeaustauschelement erzielt werden kann.
• Um eine zusätzliche Verlagerung der äußeren Wärmeübergangsfläche vom im Kühlgasstrom vorn liegenden auf das im Kühlgasstrom hinten liegende Rohr trotz gleichbleibender Breite des Rippenbleches zu erreichen, können die Rippenbleche vorteilhafterweise an der Anströmseite gepfeilt und an der Abströmseite schwalbenschwanzförmig ausgebildet sein.
• Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung sind die nacheinander vom Kühlgas beaufschlagten Rohre zur Strömungsrichtung des Kühlgases seitlich versetzt angeordnet. Auch hieraus resultiert ein gewisser Ausgleich zwischen dem unterschiedlichen Wärmeübergang bezüglich der im Kühlgasstrom hintereinanderliegenden Rohre.
• Damit bei einem derartigen seitlichen Versatz der Rohre hinsichtlich der Strömungsrichtung des Kühlgases einfache Rippenbleche verwendet werden können, wird als weitere Ausgestaltung der Erfindung schließlich vorgeschlagen, die Rippenbleche parallelogrammartig auszubilden und unter einem Winkel zur Strömungsrichtung des Kühlgases anzuordnen. Hierdurch können bei einfacher Ausbildung der Rippenbleche die Rohre in Längsrichtung dieser Rippenbleche angeordnet sein, da der seitliche Versatz der Rohre im Verhältnis zur Strömungsrichtung des Kühlgases durch die von der Form der Rippenbleche vorgegebene schräge Anordnung bewirkt wird.
• Auf der Zeichnung sind drei Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschelements sowie zwei Schaubilder dargestellt, und zwar zeigt F i g. 1 eine erste Ausführungsform mit fluchtend im Kühlgasstrom angeordneten Rohren, F i g. 2 ein Auslegungsdiagramm zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Wirkung, F i g. 3 eine zweite Ausführungsform anhand zweier benachbarter Wärmeaustauschelemente, Fig. 4 ein zu Fig. 3 gehörendes Diagramm, das den Verlauf des statischen Drucks über dem Strömungsweg des Kühlgases zeigt, und F i g. 5 eine dritte Ausführungsform anhand zweier Wärmeaustauschelemente, bei denen die im Kühlgasstrom hintereinanderliegenden Rohre zur Strömungsrichtung des Kühlgases seitlich versetzt sind.
• Das erste Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 1 zeigt zwei im Querschnitt dargestellte Rohre 1 und 2, die in Strömungsrichtung der Kühlluft, welche durch Pfeile 3 dargestellt ist, fluchtend hintereinander angeordnet sind. Das Rohr 1 ist in Längsrichtung mit einer Vielzahl von Querrippe 4 berippt. Auch auf dem Rohr 2 ist eine entsprechende Anzahl von Querrippen 5 angeordnet, wobei die Teilung beider Berippungen gleich ist. Aus diesem Grunde könnten die Querrippen 4 und 5 auch jeweils aus einem Stück hergestellt sein. Das Rohr 1 besitzt einen Durchmesser dl, der größer ist als der Durchmesser d2 des Rohres 2. Die Fläche der Querrippen 4 ist mit Ft und die Fläche der Querrippen 5 mit F2 bezeichnet.
• Da das Rohr 1 vor dem Rohr 2 im Kühlgasstrom liegt, ist die Temperaturdifferenz zwischen dem wärmeabgebenden Medium im Rohr 1, beispielsweise Dampf, und der Kühlluft bezüglich des Rohres 1 größer als bezüglich des Rohres 2, weil hier die Kühlluft infolge des Wärmeaustauschs mit dem durch das Rohr 1 strömenden Medium schon wärmer ist. Um diesem unterschiedlichen Temperaturgefälle Rechnung zu tragen, ist das Verhältnis der Fläche F1 der Querrippen 4 zum Durchmesser d1 des Rohres 1 kleiner als der Fläche F2 der Querrippen 5 zum Durchmesser d2 des Rohres 2.
• Insgesamt ergibt sich somit, daß die durch die Flächen der Querrippen 4 und des Rohres 1 gebildete äußere Wärmeübergangsfläche des zuerst von der Kühlluft beaufschlagten Rohres 1 gegenüber der äußeren Wärmeübergangsfläche des anschließend von Kühlluft beaufschlagten Rohres 2, die sich wiederum aus der Fläche der Querrippen 5 und der Oberfläche des Rohres 2 ergibt, kleiner ist. Aufgrund dieses Sachverhalts erfolgt zum Ausgleich des unvermeidlich unterschiedlichen Temperaturgefälles bezüglich der Rohre 1 und 2 eine gewisse Verlagerung des Wärmeaustauschs vom Rohr 1 zum Rohr 2.
• Ergänzend zu dieser ersten Maßnahme zwecks Verlagerung des Wärmeübergangs vom Rohr 1 zum Rohr 2 wird zusätzlich der Strömungsquerschnitt, d. h.
• der Durchmesser d2 des erst anschließend von der Kühlluft beaufschlagten Rohres 2 gegenüber dem Strömungsquerschnitt des zuvor beaufschlagten Rohres 1 verkleinert, wie dies aus F i g. 1 bezüglich der Durchmesser d1 und d2 gut erkennbar ist Durch diese ergänzende Maßnahme wird aufgrund der geometrischen Abmessungen der von unterschiedlichen Arbeitsmittelmengen durchströmten Rohre 1 und 2 der Strömungswiderstand des Rohres 2 in bezug auf den Strömungswiderstand des Rohres 1 vergrößert, wodurch ein zusätzlicher Abgleich zwischen den im Kühlluftstrom hintereinander angeordneten Rohren 1 und 2 erfolgt. Insgesamt wird durch die beiden Maßnahmen erreicht, daß über einen großen Arbeitsbereich nur geringfügige Druckunterschiede zwischen den austrittsseitigen Enden der im Kühlluftstrom hintereinanderliegenden und parallel vom Arbeitsmittel durchströmten Rohre 1 und 2 auftreten, so daß das Wärmeaustauschelement nicht an die Einhaltung bestimmter Betriebsbedingungen gebunden ist, sondern über einen größeren Arbeitsbereich eingesetzt werden kann.
• Dieser Sachverhalt wird mit dem Auslegungsdiagramm gemäß F i g. 2 belegt. Hier ist über dem NTU-Wert das Verhältnis der Fläche F2 der Querrippen 5 zur Fläche F1 der Querrippen 4 aufgetragen. Der NTU-Wert (Number of Transfer Units=Zahl der Übertragungseinheiten) ist eine Kenngröße, die durch die Formel k(Wärmeübertragungszahl) x Fges (Gesamtfläche der Rippe) geteilt durch den Wasserwert der Luft WL darstellbar ist. Die im Schaubild eingetragenen fünf Kurven zeigen die zum hundertprozentigen Abgleich erforderliche Veränderung des Flächenverhältnisses F2 zu F, über dem NTU-Wert für verschiedene Durchmesserverhältnisse d2 : d1 der Rohre 1 und 2 an. Diese Kurvenschar läßt erkennen, daß bei gleichen Rohrdurchmessern (d2 : dl = 1) eine sehr starke Veränderung des Flächenverhältnisses F1 : F, erforderlich wäre, wenn ein solches Wärmeaustauschelement über einen größeren Betriebsbereich exakt abgeglichen werden sollte.
• Dies ergibt sich aus der starken Steigung der Kurve mit dem Paramter d2 : dl = 1. Im anderen Extrem zeigt die Kurve d2 : dz=0,5, daß das Flächenverhältnis F2 : über den gesamten Betriebsbereich nur unwesentlich geändert werden müßte, wenn ein hundertprozentiger Ableich erzielt werden sollte. Die geringe Steigung dieser untersten Kurve zeigt an, daß selbst ohne Veränderung des Flächenverhältnisses F2 : F, ein solches Wärmeaustauschelement über einen sehr großen Leistungsbereich gleichermaßen gut verwendet werden kann. Dies ergibt sich dadurch, daß nicht nur die äußeren Wärmeübergangsflächen der Rohre 1 und 2, sondern auch die sich aus den geometrischen Abmessungen ergebenden Reibungsverluste abgeglichen worden sind.
• Während der erste Abgleich durch das Verhältnis der Fläche F2 der Querrippen 5 zur Fläche F1 der Querrippen 4 dargestellt wird, ergibt sich der zweite Abgleich durch das Verhältnis des Durchmessers d2 des Rohres 2 zum Durchmesser dt des Rohres 1.
• Bei dem in F i g. 3 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel sind wiederum Rohre 1 und 2 mit unterschiedlichem Durchmesser in Strömungsrichtung 3 der Kühlluft fluchtend hintereinander angeordnet. Beide Rohre 1 und 2 sind durch eine gemeinsame Querrippe 6 berippt, die zur Unterstützung des Flächenabgleichs an der Anströmseite gepfeilt und an der Abströmseite schwalbenschwanzförmig ausgebildet ist. Die Grenze zwischen den Flächen F1 und F2 ist durch eine gestrichelte Linie angedeutet.
• In dem zur F i g. 3 gehörenden Schaubild der Fig. 4 ist der statische Druck Pstat über den Strömungsweg der Kühlluft aufgetragen. Es ist in F i g. 4 deutlich zu erkennen, daß der im Anströmbereich zu den Rohren 1 herrschende Druck Pa infolge der Querschnittsverringerung zwischen den parallel zueinander liegenden Rohren 1 und der damit verbundenen Geschwindigkeitserhöhung stark abnimmt. Durch den geringeren Durchmesser d2 der Rohre 2 und die damit im Bereich dieser Rohre 2 erfolgende Erweiterung des Strömungsquerschnitts (die auch durch die beiden Pfeile in F i g. 3 angedeutet ist) ergibt sich dort ein Druckrückgewinn, der durch die Strecke 7 im Schaubild der F i g. 4 dargestellt ist. Die geringere Einschnürung durch die Rohre 2 hat dann wiederum eine Absenkung des statischen Druckes auf den Endwert pe zur Folge. Die Differenz zwischen den Werten Pa und pe repräsentiert den gesamten Druckverlust des in Fig. 3 dargestellten, paarweise angeordneten Wärmeaustauschelements. Es ist im Schaubild der F i g. 4 deutlich zu erkennen, daß sich bei dieser Ausführungsform infolge des Druckrückgewinns 7 eine kühlluftseitige Leistungsverbesserung ergibt.
• Während bei den voranstehend erläuterten Ausführungsbeispielen die Rohre 1 und 2 in Strömungsrichtung 3 der Kühlluft fluchtend angeordnet waren, zeigt das dritte Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 eine seitlich versetze Anordnung der Rohre 1 und 2 im Verhältnis zur Strömungsrichtung 3 der Kühlluft Um diesen seitlichen Versatz mit einer einfachen technischen Ausführung zu erreichen, wurden beide Rohre 1 und 2 mit einer gemeinsamen Querrippe 8 versehen, die parallelogrammartig ausgebildet ist. In Längsrichtung dieser Querrippe 8 liegen die Rohre 1 und 2 hintereinander. Erst wenn die mit Querrippen 8 versehenen Rohre 1 und 2 mit gleichartigen Wärmeaustauschelementen zusammengebaut werden, ergibt sich durch den Neigungswinkel 9 der parallelogrammartigen Querrippen 8 ein seitlicher Versatz der Rohre 2 zu den Rohren 1 in bezug auf die Strömungsrichtung 3 der Kühlluft. Das Ausführungsbeispiel nach F i g. 5 zeigt somit, daß ein derartiger seitlicher Versatz der Rohre 1 und 2 ohne zusätzlichen Aufwand hinsichtlich der Ausbildung und Anbringung von Querrippen 8 möglich ist.

Claims (7)

1. Patentansprüche: 1. Wärmeaustauschelement für durch Kühlgas, insbesondere Luft, beaufschlagte Kondensatoren mit mindestens zwei im Kühlgasstrom hintereinanderliegenden, vom Arbeitsmittel parallel durchströmten Rohren, die zur Vergrößerung der Wärmeaustäuschfläche mit Querrippen versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß einerseits das Verhältnis der durch die Flächen der Querrippen (4) und des Rohres (1) gebildeten äußeren Wärmeübergangsfläche zum Durchmesser des zuerst vom Kühlgas beaufschlagten Rohres (1) gegenüber dem Verhältnis der äußeren Wärmeübergangsfläche (5, 2) zum Durchmesser des jeweils anschließend vom Kühlgas beaufschlagten Rohres (2) und andererseits der Strömungsquerschnitt dieses anschließend vom Kühlgas beaufschlagten Rohres (2) gegenüber dem Strömungsquerschnitt des jeweils zuvor vom Kühlgas beaufschlagten Rohres (1) kleiner ist.
2. 2. Wärmeaustauschelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei mit kreisförmigem, jedoch unterschiedlich großem Strömungsquerschnitt ausgebildete Rohre (1, 2) mit Querrippen (4, 5) gleicher Außenabmessungen und gleicher Teilung berippt sind.
3. 3. Wärmeaustauschelement nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die parallel zueinander liegenden Rohre (1, 2) gemeinsam durch Querrippen (6, 8) mit in Strömungsrichtung (3) des Kühlgases gleichbleibender Breite berippt sind.
4. 4. Wärmeaustauschelement nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (1, 2) fluchtend im Kühlgasstrom angeordnet sind.
5. 5. Wärmeaustauschelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Querrippen (6) an der Anströmseite gepfeilt und an der Abströmseite schwalbenschwanzförmig ausgebildet sind.
6. 6. Wärmeaustauschelement nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die nacheinander vom Kühlgas beaufschlagten Rohre (1, 2) zur Strömungsrichtung (3) des Kühlgases seitlich versetzt angeordnet sind.
7. 7. Wärmeaustauschelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Querrippen (8) parallelogrammartig ausgebildet und unter einem Winkel (9) zur Strömungsrichtung (3) des Kühlgases angeordnet sind.

   Die Erfindung betrifft ein Wärmeaustauschelement für durch Kühlgas, insbesondere Luft, beaufschlagte Kondensatoren mit mindestens zwei im Kühlgasstrom hintereinanderliegenden, vom Arbeitsmittel parallel durchströmten Rohren, die zur Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche mit Querrippen versehen sind.

   Luftgekühlte Oberflächenkondensatoren zum Niederschlagen von Dämpfen, insbesondere von Turbinendampf im Vakuumbereich, mit mindestens zwei Reihen von etwa parallel und im Abstand zueinander liegenden Kondensatorrohren sind bekannt, Diese mehrreihigen Wärmeaustauschelemente besitzen gegenüber einreihigen Ausführungen den Nachteil, daß die erste Rohrreihe wegen des hier gegenüber den nachfolgenden Rohrreihen größeren Temperaturgefälles zwischen Kühlluft und Arbeitsmittel überproportional am Wärmeaustausch teilnimmt. Dies führt bei den bekannten Konstruktionen zu Leistungsstörungen durch instabiles Betriebsverhalten, da die in den ersten Rohrreihen liegenden Rohre häufig durch Kondensat verstopfen, wodurch sich nicht nur bei niedrigen Außentemperaturen die Gefahr des Einfrierens ergibt, sondern generell die Gefahr einer Materialbeschädigung wegen unterschiedlicher Dehnung.

   Um diese Nachteile zu vermeiden, wurde bereits vorgeschlagen, bei mehrreihigen luftgekühlten Oberflächenkondensatoren die im Kühlluftstrom hintereinanderliegenden Rohre zwar mit gleichem Rohrdurchmesser auszubilden, jedoch unterschiedlich zu berippen, beispielsweise durch eine unterschiedliche Teilung oder durch unterschiedliche Rippenabmessungen, so daß der Wärmeübergang teilweise von der ersten Rohrreihe auf die nachfolgenden Rohrreihen verlagert wurde, die infolge der unterschiedlichen Berippung gegenüber der ersten Rohrreihe eine größere Wärmeübergangsfläche besaßen.

   Obwohl mit diesen Maßnahmen ein gewisser Teilerfolg erzielt werden konnte, wurden die voranstehend geschilderten Nachteile der bekannten mehrreihigen Oberflächenkondensatoren nicht beseitigt, weil der durch unterschiedliche äußere Wärmeübergangsflächen angestrebte Abgleich nur für einen bestimmten Betriebspunkt des Oberflächenkondensators erzielt werden kann, für den gesamten Leistungsbereich jedoch Verschlechterungen auftreten.

   Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wärmeaustauschelement für durch Kühlgas beaufschlagte Kondensatoren mit mindestens zwei im Kühlgasstrom hintereinanderliegenden, vom Arbeitsmittel parallel durchströmten und berippten Rohren zu schaffen, das die Nachteile der voranstehend beschriebenen bekannten Ausführungen weitgehend ausschaltet und über einen großen Leistungsbereich des Kondensators nur geringe Druckunterschiede zwischen den austrittsseitigen Enden der im Kühlgasstrom hintereinanderliegenden Rohre besitzt.

   Diese Aufgabe wird mit der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 aufgeführten Maßnahmen gelöst.

   Durch die Verkleinerung der Wärmeübergangsfläche des zuerst vom Kühlgas beaufschlagten Rohres gegenüber der Wärmeübergangsfläche des anschließend beaufschlagten Rohres ergibt sich ein gewisser Ausgleich des unterschiedlichen Temperaturgefälles, das wegen der in Strömungsrichtung des Kühlgases hintereinanderliegenden Rohranordnung unvermeidlich ist. Zur Ergänzung dieses Abgleiches und zur Erzielung eines über einen großen Leistungsbereich des Kondensators weitgehend gleichbleibenden Abgleiches wird zusätzlich der Strömungsquerschnitt des erst anschliesend vom Kühlgas beaufschlagten Rohres gegenüber dem Strömungsquerschnitt des jeweils zuvor beaufschlagten Rohres verkleinert, so daß auch die sich aus den geometrischen Abmessungen der von unterschiedlichen Arbeitsmittelmengen durchströmten Rohre ergebenden Reibungsverluste ausgeglichen werden.