DE3419734A1

DE3419734A1 - Luftgekuehlter oberflaechenkondensator

Info

Publication number: DE3419734A1
Application number: DE3419734A
Authority: DE
Inventors: Paul 5810 Witten Paikert
Original assignee: GEA Luftkuehler GmbH; GEA Luftkuehlergesellschaft Happel GmbH and Co KG
Current assignee: GEA Luftkuehler GmbH; GEA Luftkuehlergesellschaft Happel GmbH and Co KG
Priority date: 1984-05-26
Filing date: 1984-05-26
Publication date: 1985-11-28
Also published as: IN162655B; ES295978U; DE3419734C2; ES295978Y; US4715432A; SU1355140A3

Description

GEA Luftkühlergesellschaft Happel GmbH & Co., Königsallee 43-47

4630 Bochum 1

Luftgekühlter Oberflächenkondensator

Die Erfindung richtet sich auf einen luftgekühlten Oberflächenkondensator gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die in einem solchen Oberflächenkondensator verwendeten Wärmeaustauscherrohre mit einem gegenüber den häufig gebräuchlichen elliptischen Rippenrohren etwa doppelt bis dreimal so großen Verhältnis zwischen der größten lichten Länge ihrer Querschnitte und ihrer größten lichten Breite sind in der Lage, dieselbe Dampfmenge zu kondensieren, wie drei oder mehrere solcher in Strömungsrichtung der Kühlluft hintereinander angeordneter Rohre. Sie haben jedoch diesen gegenüber den Vorteil, daß sich an jeder Stelle der Rohre ein Druckausgleich zwischen allen Bereichen des Rohrquerschnitts einstellt. Dadurch ist die Kondensation des Dampfs in den dem Kühlluftstrom zugekehrten vorderen Rohrabschnitten an genau derselben Stelle beendet, wie in den in Strömungsrichtung der Kühlluft hinteren Rohrabschnitten. Die Gefahr der Entstehung von Totzonen wird hierdurch entscheidend verringert, meistens sogar völlig beseitigt. Das Längen-Breiten-Verhältnis führt zu großen lichten Rohrquerschnitten. Die Strömungsdruckverluste werden

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gegenüber mehreren in Strömungsrichtung der Kühlluft hintereinander angeordneten Wärmeaustauscherrohren mit gleichem dampfseitigen Rohrquerschnitt infolge des größeren hydraulischen Durchmessers auf· einen Bruchteil verringert.

Trotz ihres langgestreckten Querschnitts besitzen die gattungsgemäßen Wärmeaustauscherrohre eine große Querschnittsstabilität und lassen sich ohne Gefahr von Verwerfungen oder Verformungen mit der erforderlichen Präzision herstellen. Die Querschnittsstabilität ist so groß, daß sie sich auch ohne weiteres verzinken oder einer sonstigen Wärmebehandlung unterwerfen lassen. Sie lassen sich darüberhinaus ohne Schwierigkeiten auch bei sehr großen Längen von z. B. 10 m einwandfrei mit den bekannten Rippenaufziehmaschinen berippen. ν

- Obwohl sich Wärmeaustauscherrohre mit einem Verhältnis der lichten Länge zur lichten Breite von etwa 8:1 und mehr grundsätzlich bewährt haben, hat ihr Einsatz in der Praxis aber gezeigt, daß ihre Wärmeübergangskoeffizienten noch verbessert werden können. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, hierfür einen geeigneten Vorschlag zu unterbreiten.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmalen.

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Der Querschnitt derartiger Wärmeaustauscherrohre verändert sich folglich in Strömungsrichtung der Kühlluft, wobei insgesamt eine Zunahme der Querschnittsbreite erfolgt. Dieser Ausgestaltung liegen die Ergebnisse von intensiven Forschungen zugrunde, wonach die Wärmeübergangskoeffizienten im Bereich beschleunigter Strömungen deutlich höher sind als im Bereich verzögerter Strömungen. Ursache dieser erheblich höheren Wärmeübergangskoeffizienten im Bereich beschleunigter Strömungen ist die Verdünnung der Grenzschichten, zumindest aber das wesentlich langsamere Anwachsen der Grenzschichtdicken im Vergleich zu den Bereichen mit unbeschleunigten oder gar verzögerten Strömungen.

Nach den Merkmalen des Anspruchs 2 ist der Querschnitt der Wärmeaustauscherrohre keilförmig gestaltet. Die Spitze der Keile ist dann der anströmenden Kühlluft entgegengerichtet. Dabei sind gemäß den Merkmalen des Anspruchs 3 die Seitenwände der Wärmeaustauscherrohre bevorzugt vollkommen eben oder leicht nach außen gewölbt.

Eine-andere Ausfuhrungsform besteht in den Merkmalen des Anspruchs 4. Die in diesem Fall nicht ebenen, sondern mehrfach gekrümmten Seitenwände erhöhen die Steifigkeit der Wärmeaustauscherrohre. Außerdem bewirken sie durch einen Wechsel von beschleunigter und verzögerter Strömung ein frühes Ablösen der entlang der Wärmeaustauscherrohre strömenden Grenzschichten. Schließlich werden zusätzliche Rippenflächen in den Mittelbereichen der Wärmeaustauscherrohre geschaffen.

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Weitere vorteilhafte Merkmale zur Erhöhung der Wärmeübergangskoeffizienten werden in den Merkmalen der Ansprüche 5 und 6 gesehen. Auch tragen diese Merkmale mit dazu bei, daß sich die berippten Wärmeaustauscherrohre selbst bei Längen von 8 bis 12 m selbst tragen, ohne daß eine zusätzliche Unterstützung benötigt wird.

Die besonders vorteilhaften Merkmale des Anspruchs 7 ergeben sich aus der Erkenntnis, daß an den in Strömungsrichtung der Kühlluft hinteren Rohrabschnitten der Wärmeaustauscherrohre die Kühlluft bereits so stark aufgewärmt ist, daß nur noch eine geringe Differenz zwischen der Kühllufttemperatur und der Temperatur der Rippenflächen besteht. Polglich kühlen sich die Rippenflächen in diesen Rohrabschnitten auch weniger stark ab. Somit haben selbst von den Wärmeaustauscherrohren entfernt liegende Rippenbereiche trotz des hier schlechten γ Rippenwirkungsgrads noch relativ' hohe Temperaturen. Dadurch weisen sie einen erheblich geringeren Temperaturunterschied zu den Wärmeaustauscherrohren auf als dies bei den der anströmenden Kühlluft zugewandten vorderen Rohrabschnitten der Fall ist, wo aufgrund der größeren Temperaturdifferenz zur Kühlluft die Rippen einer stärkeren Auskühlung ausgesetzt sind.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht in den Merkmalen des Anspruchs 8. Derartige Trennwände können zum einen die Stabilität der Wärmeaustauscherrohre heraufsetzen. Zum anderen obliegt ihnen die Punktion, das in den Wärmeaustauscherrohren anfallende Kondensat zwar in zwei getrennten Strömen abfließen zu lassen, dem überschüssigen Dämpf in der einen Rohrhälfte jedoch die Möglichkeit zu geben, über die Durchbrechungen in die andere Rohrhälfte übertreten

zu können. Der Vorteil von Wärmeaustauscherrohren mit durchbrochenen Trennwänden ist der, daß sie sich hinsichtlich der in den beiden Rohrhälften ausbildenden Totzonen wie Wärmeaustauscherrohre ohne Trennwände, in Bezug auf die getrennte Sammlung des Kondensats jedoch wie zwei Einzelrohre verhalten. Dadurch behält man den Vorteil der geringeren Blockierung der einen Rohrhälfte mit der besten Kühlwirkung, da ein Teil des Kondensats in der Rohrmitte und damit außerhalb desjenigen " Bereichs verbleibt, in welchem die größte Wärmestromdichte die Wände der Wärmeaustauscherrohre durchdringt.

Die Herstellung der erfindungsgemäßen Wärmeaustauscherrohre kann in verschiedener Weise durchgeführt werden. Auch ist es möglich, die ggf. vorhandenen Trennwände auf verschiedene Weise einzubringen. So ist es beispielsweise denkbar, Trennwände nachträglich in ein bereits hergestelltes Rohr einzuschieben und dann zu befestigen. Vorteilhaft sind jedoch die Merkmale des Anspruchs 9· Die Herstellung der keilförmigen Wärmeaustauscherrohre kann hierbei aus ebenen Blechen durch entsprechendes formgebendes Biegen erfolgen, und zwar unabhängig davon/ ob Trennwände vorgesehen sind oder nicht.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein beripptes Wärmeaustauscherrohr im schematischen Querschnitt;

Figur 2 in vergrößerter Darstellung, teilweise im

Schnitt, eine weitere Ausführungsform eines Wärmeaustauscherrohrs;

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Figur 3 einen Längsschnitt durch das Wärmeaustauscherrohr der Figur 2 entlang der Linie HI-III. und

Figur 4 ebenfalls im schematischen Querschnitt eine

weitere Ausführungsform eines berippten Wärmeaustauscherrohrs .

Das in der Figur 1 im schematischen Querschnitt dargestellte Wärmeaustauscherrohr 1 bildet Bestandteil eines Kondensatorelements für einen luftgekühlten Oberflächenkondensator. Das mit rechteckigen Rippen 2 versehene Wärmeaustauscherrohr 1 ist endseitig ggf. über Endkammern an Dampfverteiler- und Kondensatsamme1- bzw. Luftabsaugeleitungen angeschlossen. In jedem Kondensatorelement ist nur eine sich quer zur Strömungs- ^- richtung der Kühlluft KL erstreckende Reihe von berippten Wärmeaustauscherrohren 1 nebeneinander angeordnet.

Das Wärmeaustauscherrohr 1 besitzt einen in Strömungsrichtung der Kühlluft KL langgestreckten, keilförmigen, endseitig abgerundeten Querschnitt. Die Seitenwände 3 des Wärmeaustauscherrohrs 1 sind leicht nach außen gewölbt. Aufgrund der Keilform weist das Wärmeaustauscherrohr 1 einen in Strömungsrichtung der Kühlluft KL sich ständig verändernden, bezüglich der Mittellängsebene MLE jedoch zu beiden Seiten symmetrischen Querschnitt auf. Die Querschnittsbreite B in dem der anströmenden Kühlluft KL zugewendeten vorderen Rohrabschnitt 4 ist kleiner als die Querschnittsbreite B. im hinteren Rohrabschnitt 5 bemessen.

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- IO -

Der dampfbeaufschlagte Querschnitt des Wärmeaustauscherrohrs 1 hat ein Längen-Breiten-Verhältnis von im Durchschnitt 8:1 bis 16:1. Dabei ist das Verhältnis der Größe der luftberührten Oberfläche zur Querschnittsbreite B im vorderen Rohrabschnitt 4 etwa 80:1 bis 160:1 bemessen.

Ferner läßt die Figur 1 erkennen, daß die Rippen 2 zum Wärmeaustauscherrohr 1 in Strömungsrichtung der Kühlluft KL versetzt angeordnet sind. Das Maß der Versetzung ist derart, daß die überstehende Rippenlänge L₂ hinter dem hinteren Rohrabschnitt 5 etwa doppelt bis dreimal so groß wie die Rippenlänge L^ vor dem vorderen Rohrabschnitt 4 bemessen ist.

Während die Figur 1 eine Ausführungsform eines Wärmeaustauscherrohrs 1 zeigt, bei welchem der gesamte Querschnitt frei von jeglichen Einbauten ist, veranschaulichen die Figuren 2 und 3 eine Ausführungsform eines Wärmeaustauscherrohrs 6 mit Einbauten 7. Diese Einbauten 7 sind durch eine Trennwand gebildet, die in der Mittelquerebene MQE über die gesamte Länge des Warmeaustauscherrohrs 6 durchgehend vorgesehen ist. Die Trennwand 7 weist mehrere in Längsrichtung des Wärmeaustauscherrohrs 6 zueinander versetzte Durchbrechungen 8 auf. Diese etwa U-förmigen Durchbrechungen 8 sind so in der Trennwand 7 angeordnet, daß das anfallende Kondensat in den beiden Rohrhälften 9, 10 getrennt abfließen kann. Überschüssiger Dampf aus der in Strömungsrichtung der Kühlluft KL hinteren Rohrhälfte 10 kann jedoch über die Durchbrechungen 8 in die andere Rohrhälfte 9 überströmen.

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In der Figur 4 ist eine Ausführungsform eines Wärmeaustauscherrohrs 11 veranschaulicht, das, wie die Ausführungsform der Figuren 1 bis 3, im Prinzip keilförmig ist, d. h. die Querschnittsbreite B in dem der anströmenden Kühlluft KL zugewendeten vorderen Rohrabschnitt 4 ist kleiner als die Querschnittsbreite EL Im hinteren Rohrabschnitt 5. Es ist jedoch zu erkennen, daß wenigstens zwei in Strömungsrichtung der Kühlluft KL im Abstand hintereinander angeordnete, mit Bezug auf die Mittellängsebene MLE konkav eingeschnürte Querschnittsbereiche 12 vorgesehen sind, die durch einen beidseitig konvex nach außen gewölbten Querschnittsbereich 13 miteinander verbunden sind. Dabei ist die Querschnittsbreite des Wärmeaustauscherrohrs 1 im Bereich der Mittelquerebene MQE größer als die Querschnittsbreite B bemessen, während die Querschnittsbreite B. wiederum größer als die Querschnittsbreite im Bereich der Mittelquerebene bemessen ist. Ansonsten entspricht die Ausführungsform der Figur 4 derjenigen der Figur 1, d. h., die überstehende Rippenlänge Lp hinter dem hinteren Rohrabschnitt 'j ist etwa doppelt bis dreimal so groß wie die Rippenlänge L^ vor dem vorderen Rohrabschnitt 4 bemessen. Auch kann das mit Rippen 2 versehene Wärmeaustauscherrohr 11 eine mit Durchbrechungen 8 versehene Trennwand 7 in der Mittelquerebene MQE aufweisen.

Die Herstellung der Wärmeaustauscherrohre 1, 6, 11, und zwar einschließlich der durchbrochenen Trennwand 7, erfolgt bevorzugt durch formgebendes Biegen aus ebenen Blechen. Es ist dann lediglich eine Schweißstelle 14 (Figur 2) erforderlich, um die freie Blechkante Im Abknickbereich der Trennwand 7 festzulegen.

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^693/31019 ·

Bezugszeichenaufstellung

1 Wärmeaustauscherrohr

2 Rippen

3 Seitenwände von

4 vorderer Rohrabschnitt

5 hinterer Rohrabschnitt

6 Wärmeaustauscherrohr

7 Trennwand

8 Durchbrechungen

9 Rohrhälfte

10 "

11 Wärmeaustauscherrohr

12 konkav eingeschnürte Bereiche

13 konvexer Bereich

14 Schweißstelle

B Querschnittsbreite vorne

B₁ " hinten

KL Kühlluft

L. überstehende Rippenlänge vorne

L₂ " " hinten

MLE Mittellängsebene

MQE Mittelquerebene

Claims

Patentansprüche:

Luftgekühlter Oberflächenkondensator, dessen Kondensat or el entente rait Querrippen bestückte Wärmeaustauscherrohre aufweisen, welche einen in Strömungsrichtung der Kühlluft langgestreckten, endseitig abgerundeten Querschnitt besitzen, dessen Längenausdehnung um ein mehrfaches größer als seine größte Breitenerstreckung bemessen ist und welche nur in einer quer zur Strömungsrichtung der Kühlluft sich erstreckenden Rohrreihe angeordnet sind,= - . d.a d u r c ,h gekennzeichnet , daß die berippten Wärmeaustauscherrohre (1, 6, 11) einen in Strömungsrichtung der Kühlluft (KL) sich ständig verändernden, bezüglich der Mittellängsebenen (MLE) jedoch zu beiden Seiten'symmetrischen Querschnitt aufweisen, wobei die Querschnittsbreite (B) in dem der anströmenden Kühlluft (KL) zugewendeten vorderen Rohrabschnitt (4) kleiner als die Querschnittsbreite (B.) im hinteren Rohrabschnitt (5) bemessen ist.
2. Oberflächenkondensator nach Anspruch I₃ dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Wärmeaustauscherrohre (1, 6, 11) keilförmig gestaltet ist.

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3. Oberflächenkondensator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwände (3) der Wärmeaustauscherrohre (1, 6) über ihre gesamte Länge zwischen den endseitigen Rohrabschnitten (4, 5) gerade oder leicht nach außen gewölbt ausgebildet sind.
4. Oberflächenkondensator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauscherrohre (11) wenigstens zwei in Strömungsrichtung der Kühlluft (KL) mit Abstand hintereinander angeordnete, mit Bezug auf ihre Mittellängsebenen (MLE) konkav eingeschnürte Querschnittsbereiche (12) aufweisen, die durch einen beidseitig konvex nach außen gewölbten Querschnittsbereich (13) miteinander verbunden sind.
5. Oberflächenkondensator nach einem der Ansprüche bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Größe der luftberührten Oberfläche jedes Wärmeaustauscherrohrs (1, 6, 11) zur Querschnittsbreite (B) im vorderen Rohrabschnitt (4) etwa 80:1 bis l60:l bemessen ist.
6. Oberflächenkondensator nach einem der Ansprüche bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der dampfbeaufschlagte Querschnitt der Wärmeaustauscherrohre (1, 6, 11) ein Längen-Breiten-Verhältnis von im Mittel 8:1 bis 16:1 aufweist.
7. Oberflächenkondensator nach einem der Ansprüche bis '6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (2) zu den Wärmeaustauscherrohren (1, 6, 11) derart in Strömungsrichtung der Kühlluft (KL) versetz/t angeordnet sind, daß die überstehenden Rippenlängen (L₂) hinter den hinteren

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Rohrabschnitten (5) etwa doppelt bis dreimal so groß wie die Rippenlängen (L^) vor den vorderen Rohrabschnitten (4) bemessen sind.
8. Oberflächenkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 7j dadurch gekennzeichnet, daß etwa in den Mittelquerebenen (MQE) der Wärmeaustauscherrohre (6j 11) über deren gesamte Länge durchgehende Trennwände (7) mit im Bereich einer Seitenwand (3) angeordneten Durchbrechungen (8) vorgesehen sind.

9· Oberflächenkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauscherrohre (1, 6, 11), ggf. einschließlich der Trennwände (T), einteilig aus Blech gebogen sind.

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