Wärmeaustauscher Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher, der aus mit Rippen versehenen Reihen von Rohren besteht, wobei jede Rippe aus einem Stück gepresst mehrere Rohre zusammenfasst.
Wenn zwischen zwei Medien mit wesentlich ver schiedenen Wärmeübergangszahlen ein Wärmeaus tausch stattfinden soll, sind bekanntlich zweck mässigerweise Wärmeaustauscher zu verwenden, deren Oberflächen mit Rippen versehen sind. Die gerippte Oberfläche wird dabei auf der Seite des Mediums mit geringerer Wärmeübergangszahl verwendet.
Der erfindungsgemässe Wärmeaustauscher ist da durch gekennzeichnet, dass zwecks Unterbrechung der Wärmeleitung zwischen je zwei Rohren, in welchen das eine innere Medium gegensinnig strömt, jede Rippe zwischen diesen zwei Rohren mit einem Ein schnitt versehen ist und/oder jede Rippe, die senk recht zur Strömungsrichtung des anderen aussen um die Rohre strömenden Mediums in in verschiedenen Ebenen liegende Streifen aufgespalten ist, mit min destens einem Paar mit Abstand nah aneinander grenzender Aufspaltungen versehen ist oder je zwei Rohrreihen mit gegensinniger Strömungsrichtung des erstgenannten, inneren Mediums gegenseitig um einen halben Rohrabstand versetzt angeordnet sind.
Im folgenden werden anhand der Zeichnung Aus führungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 schematisch den Längsschnitt eines be kannten Wärmeaustauschers; Fig.2/A bis C die Wärmeströmungen an drei verschiedenen Stellen des Wärmeaustauschers gemäss Fig. l; Fig. 3 schematisch einen Wärmeaustauscher mit Querstrom-Gegenstromschaltung; Fig.4 eine Draufsicht einer Rippe des Wärme- austauschers gemäss Fig. 3;
Fig.5 einen Wärmeaustauscher, bei dem die Strömungsrichtung des einen Mediums zweimal ändert; Fig. 6 die Draufsicht einer Rippe, welche senk recht zur Strömungsrichtung des äusseren Mediums zonenweise geschlitzt ist; Fig. 7 einen Schnitt gemäss der Linie VII-VII in der Fig. 6 und Fig. 8 eine Darstellung ähnlich derjenigen nach Fig. 6, wobei die Rohre gegenseitig versetzt ange ordnet sind.
Mit 1 sind die Rohre mit flachem oder rundem Querschnitt eines bekannten Wärmeaustauschers be zeichnet, die das Medium mit höherer Wärrneüber- gangszahl enthalten. Diese Rohre werden mittels Rippen 2 zusammengefasst. Die Rippen können z. B. aus Teilen hergestellt werden, deren Anzahl der Zahl der den Wärmeaustauscher bildenden Rohre ent spricht. Zwecks Verringerung der Gestehungskosten werden die Rippen 2 je aus einem Stück gepresst.
Die im folgenden beschriebenen, aus einem Stück gepressten Rippen fassen je mehrere Rohre zusammen und können wirtschaftlich hergestellt werden.
Bei einem bekannten Wärmeaustauscher mit reiner Querströmung gemäss Fig. 1 strömt das Me dium mit geringerer Wärmeübergangszahl (äusseres Medium) in Richtung der Pfeile k, wogegen die Strömung des Mediums mit höherer Wärmeüber- gangszahl (inneres Medium) in der Richtung der Pfeile b erfolgt. Infolge des Wärmeaustausches ent sprechend dem Strömungsbild gemäss Fig. 1 ändert sich in Richtung der Pfeile<I>k</I> bzw.<I>b</I> die Temperatur der beiden Strömungsmedien.
Die Temperaturände rung des inneren Mediums geht in jedem der Rohre 1 in der gleichen Richtung (entweder Erwärmung oder Abkühlung) vor sich, das Mass der Temperatur änderung ist aber verschieden (selbst dann, wenn in den einzelnen Rohren gleiche Mengen strömen). Bei Prüfung der Temperaturverteilung innerhalb der ein zelnen Rippen kann festgestellt werden, dass die Temperatur des Rippenmaterials bei der Eintritts stelle des inneren Mediums in die Rohre 1 (in Fig. 1 bei b) in der Nähe eines jeden Rohres gleich ist, da an dieser Stelle auch die Temperatur des eintretenden inneren Mediums in jedem Rohr gleich ist.
Voraus gesetzt, dass das innere Medium das wärmere und das äussere Medium das kältere ist, erfolgt eine Er wärmung des äusseren Mediums in der Richtung k. Diesen Temperaturverhältnissen entspricht ein Wär mestrom in den untersten Rippen in Fig. 1, also in der Nähe der Eintrittsstelle des inneren Mediums, welche in der Fig. 2/A mit Pfeilen angedeutet ist.
Da die Längen der einzelnen Pfeile<I>m</I> und<I>h</I> proportional der Stärke des Wärmestromes eingezeichnet sind, lässt die Fig. 2/A erkennen, dass im Rippenmaterial von jedem Rohr ausgehend Wärmeströmungen stattfinden, die durch die Pfeile<I>m</I> und<I>h</I> in vereinfachter Dar stellung nur in den Hauptrichtungen angedeutet sind.
Da der Wärmestrom ausgehend von den einzelnen Rohren gleich ist mit der durch die Rippen übertra genen Wärmemenge, welche sich proportional zur Temperaturdifferenz zwischen den beiden strömenden Medien einstellt, müssen die Wärmeströme infolge der Erwärmung des äusseren Mediums in der Richtung <I>k</I> abnehmen. Dies wird in der Fig. <I>2</I> rA durch die abnehmbare Länge der Pfeile<I>m</I> und<I>h</I> angedeutet.
Anders stellt sich die beschriebene Wärme strömung in. der Nähe der Austrittsstelle des inneren Mediums ein, also in Fig. 1 bei c. Hier ist die Tem peratur des inneren Mediums nicht dieselbe in den einzelnen Rohrreihen, sondern nimmt in der Richtung k zu, da auch die Temperatur des äusseren Mediums in dieser Richtung zunimmt. Infolge dieser Tem peraturverteilung überlagert sich auf die Wärme strömung gemäss Fig. 2/A eine zweite gemäss Fig. 2/B.
Diese Sekundärströmung entsteht dadurch, dass die Rohre durch die Rippen miteinander metallisch (wär meleitend) verbunden sind und die Wärme von den Rohren höherer Temperatur gegen die Rohre nied rigerer Temperatur (also entgegen der Richtung k) strömt (Pfeile<I>h'</I> in Fig. <I>2/B).</I> Die Fig. 2/C veran schaulicht die überlagerung dieser zwei Wärmeströ mungen und zeigt, dass in der Nähe der Austritts stelle des inneren Mediums aus den Rohren 1 die von den einzelnen Rohren ausgehende Wärmeströmung in der Richtung k kleiner ist als in der entgegenge- setzten Richtung.
Die in Fig.2/B veranschaulichte sekundäre Wärmeströmung fördert den Wärmeaus- tausch, solange eine reine Querströmung vorhanden ist.
Zwecks besserer Ausnützung des Temperatur unterschiedes zwischen den am Wärmeaustausch teil nehmenden Medien wird im vorliegenden Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung anstatt einer reinen Querströmung eine sogenannte Querstrom-Gegen- strom-Schaltung gewählt, die schematisch in Fig. 3 dargestellt ist. Die Pfeile<I>k</I> bzw.<I>b</I> deuten dabei ebenfalls auf die Strömungsrichtungen des äusseren bzw. inneren Mediums hin.
Wie aus der Fig. 3 her vorgeht, befinden sich die Eintritts- und Austritts stellen des inneren Mediums unten am Wärme- austauscher und werden durch die untersten Rippen miteinander wärmeleitend verbunden. Auch hier tritt die in Fig. 2/B angedeutete sekundäre Wärme strömung in den Rippen auf, und zwar in besonders starkem Ausmass zwischen dem zweiten und dritten Rohr jeder Rohrreihe des in Fig.3 beispielsweise vierreihig gezeichneten Wärmeaustauschers, also in der Mitte der Rippen.
In der Mitte der Rippen ist nämlich bei Kreuz-Gegenstromschaltung die Tem peraturdifferenz zwischen zwei benachbarten Roh ren besonders gross, da sich hier die grösste Tem peraturdifferenz einstellt, die in einem derartigen Wärmeaustauscher überhaupt möglich ist. In diesen Teilen der unteren Rippen kann die oben beschrie bene sekundäre Wärmeströmung derart intensiv sein, dass dadurch das bereits abgekühlte innere Medium zum Teil wieder angewärmt wird. Die sekundäre Wärmeströmung fördert also in diesem Falle die Wärmeübertragung in der Zone des Wärme- austauschers nicht, wo benachbarte Rohre vor handen sind, in welchen das innere Medium in entgegengesetzter Richtung strömt.
Dieser Nachteil kann auf zweierlei Weise be hoben werden. Entweder werden in der Richtung der Pfeile h die beiden einen und die beiden anderen Rohre, in welchen das innere Medium jeweils in gleicher Richtung strömt, mit je einer besonderen Rippe versehen, die voneinander unabhängig sind, oder es wird erfindungsgemäss in der auf die vier Rohre gemeinsam aufgeschobenen zusammenhän genden Rippe zwischen dem zweiten und dritten Rohr durch Pressen ein Einschnitt 3 vorgesehen, wie dies in der Fig. 4, die eine Rippe des Wärmeaus- tauschers nach Fig. 3 in der Draufsicht zeigt, dar gestellt ist.
Im ersteren Fall, wo entsprechend den Rohrgruppen, die das innere Medium in einer Rich tung fördern, die Rippen aus mehreren Teilen her gestellt werden, bedeutet die höhere Rippen-Stückzahl zunehmende Gestehungskosten. Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung werden jedoch die Rippen, unabhängig von der Strömungsrichtung des inneren Mediums, aus einem Stück und somit mit geringen Gestehungskosten angefertigt.
Es kann vorkommen, dass für die Strömung des inneren Mediums in der einen Richtung lediglich ein Rohr oder aber mehr als zwei Rohre erforderlich sind. In derartigen Fällen wird der Rippeneinschnitt, der die nachteilige Wärmeleitung verhindert, zwischen zwei Rohren vorgesehen, in denen das innere Medium im Gegenstrom fliesst.
Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig.5 ändert das innere Medium seine Strömungsrichtung im Wärmeaustauscher zweimal. Es ist aber auch möglich, Wärmeaustauscher mit drei oder noch mehr Rich tungsänderungen auszubilden. In derartigen Fällen wird der die Wärmeleitung verhindernde Einschnitt jeweils zwischen zwei Rohren vorgesehen, in welchen die Strömung des inneren Mediums gegensinnig ist. Dieses Prinzip gilt auch für Wärmeaustauscher, deren Rippen zwecks Förderung der Wärmeübertragung in schmale Streifen aufgespalten sind, die in verschie denen Ebenen liegen.
Die Fig. 6 stellt die Draufsicht einer Rippe dar, welche senkrecht zur Strömungsrichtung des äusseren Mediums zonenweise solche Streifen 5 aufweist. Fig. 7 zeigt dieselbe Rippe im Querschnitt gemäss der Linie VII-VII der Fig. 6. Die nachteilige Wärmeleitung wird bei derartigen Rippen durch einen Einschnitt 3, wie er im oberen Teil der Fig.6 dargestellt ist, und/oder durch zwischen den Rohren, in welchen das innere Medium gegensinnig strömt, länger ausge bildete, mit Abstand nah aneinander grenzende Auf spaltungen, wie dies im untern Teil der Fig. 6 bei 4 ersichtlich ist, behoben.
Die Ausführungsform gemäss Fig. 8 löst bei einer mit solchen Streifen 5 versehenen Rippe die gestellte Aufgabe, indem die Rohre, welche das innere Me dium in Gegenström befördern, gegenseitig um einen halben Rohrabstand versetzt angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform können die Rippen durch einen Wasserstrahl von beiden Seiten des Wärme- austauschers her gereinigt werden, ohne dass die einzelnen Rippenstreifen gegen den von aussen her kommenden Wasserstrahl durch ein Rohr abgedeckt wären.