DE10196335B3

DE10196335B3 - Vorrichtung für den Austausch von Wärme/Feuchtigkeit

Info

Publication number: DE10196335B3
Application number: DE10196335.1T
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-06-15
Filing date: 2001-05-14
Publication date: 2016-10-06
Anticipated expiration: 2021-05-15
Also published as: SE0002222L; FI20022196A; SE515132C2; JP2004503739A; SE0002222D0; CN1237321C; PL358923A1; KR100709233B1; DE10196335T1; JP3939648B2; FI112880B; CN1432123A; PL197437B1; KR20030010626A; WO2001096803A1; AU2001256930A1

Abstract

Vorrichtung für den Austausch von Wärme/Feuchtigkeit einer Luftströmung, die durch Leitungen (2) fließt, welche einen Wärmeaustauscher/Feuchtigkeitsaustauscher ausbilden, wobei in der Wandung der Leitungen (2) Turbulenzerzeuger (3, 4) ausgebildet sind, die sich quer zur Luftströmung erstrecken und eine dem Einlass (1) zugewandte Seitenfläche (5), eine Oberseite (6) und eine dem Auslass zugewandte Seitenfläche (7) haben, und die Leitungen (2) jeweils so ausgebildet sind, dass das Verhältnis eines Abstands A, welcher den Abstand zwischen dem Einlass der Leitung (2) und der Mitte des nächstgelegenen Turbulenzerzeugers (3) beschreibt, zum Produkt aus dem hydraulischem Durchmesser Dh und der Reynoldszahl im Bereich von 0,01 bis 0,04 liegt, dass ein Winkel θ, welcher die Neigung der dem Einlass zugewandten Seitenfläche (5) der Turbulenzerzeuger (3, 4) relativ zur verlängerten Horizontalebene des Bodens (8) der Leitung (2) beschreibt, im Bereich von 30° bis 60° liegt, dass das Verhältnis einer Höhe e, welche den Abstand der Oberseite (6) über dem Boden (8) der Leitung (2) beschreibt, zum hydraulischen Durchmesser Dh im Bereich von 0,3 bis 1,1 liegt, dass das Verhältnis eines Abstands P, welcher den Abstand zwischen der Mitte des ersten (3) und des zweiten (4) Turbulenzerzeugers in der Leitung (2) von dem Einlass (1) gesehen beschreibt, zur Höhe e im Bereich von 8 bis 30 liegt, dass das Verhältnis einer Länge B, welche die Länge der Oberseite (6) jedes Turbulenzerzeugers (3, 4) beschreibt, zur Höhe e im Bereich von 1,0 bis 4,0 liegt, und dass das Verhältnis eines Kantenradius r der Turbulenzerzeuger (3, 4) zum hydraulischen Durchmesser Dh im Bereich von 0,01 bis 0,2 liegt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Austausch von Wärme/Feuchtigkeit einer Luftströmung, die durch Leitungen fließt, welche einen Wärmeaustauscher/Feuchtigkeitsaustauscher ausbilden. Zur Optimierung des Verhältnisses der Übertragungsrate von Wärme bzw. Feuchtigkeit zum Druckverlust der Luftströmung ist der Austauscher mit Turbulenzerzeugern versehen, die sich quer zu den Leitungen erstrecken.
Technischer Hintergrund
Ein Luft-Luft-Wärme-/Feuchtigkeitsaustauscher des oben beschriebenen Typs ist üblicherweise abwechselnd aus ebenen und gewellten Streifen gemacht, die nach dem Zusammenfügen dreieckige oder trapezoidförmige Leitungen bilden. In Wärme/Feuchtigkeitsaustauschern des oben genannten Typs mit Leitungen mit relativ geringen Querschnitten und mit Luftströmen, die in diesem Zusammenhang häufig auftreten, strömt die Luft in relativ geordneten Schichten in Richtung der Leitungen. Folglich ist die Strömung im Wesentlichen laminar. Lediglich entlang einer kurzen Strecke am Einlass der Leitungen tritt eine gewisse Strömung quer zu den Leitungswänden auf. Die sogenannte Reynoldszahl, die in diesem Zusammenhang im Bereich von 100 bis 600 liegt, wird zur Charakterisierung der Luftströmung verwendet. Solange die Reynoldszahl kleiner als etwa 2000 ist, bleibt die Strömung laminar.
Es ist dem Fachmann bekannt, dass in einer an die Leitungswandung angrenzenden laminaren Strömung eine Grenzschicht gebildet ist, wo die Geschwindigkeit der Luftströmung im Wesentlichen Null ist. Diese Grenzschicht vermindert den Koeffizienten für Wärme- und Feuchtigkeitsübertragung beachtlich, insbesondere in Verbindung mit der sogenannten vollentwickelten Strömung. Um den Koeffizienten der Wärme- und Feuchtigkeitsübertragung zu erhöhen, muss die Luft gezwungen werden, in einer Richtung zu der Oberfläche der Leitung derart zu fließen, dass die Grenzschicht vermindert wird, und der Austausch von einer Schicht zu einer anderen größer gemacht wird. Dies kann durch die sogenannte turbulente Strömung erfolgen. In glatten, ebenen Leitungen ändert sich die laminare Strömung in eine turbulente Strömung, wenn die Reynoldszahl etwa 2000 übersteigt. Wenn es gewünscht wird, solch hohe Reynoldszahlen in Leitungen in den hier diskutierten Wärme-/Feuchtigkeitserzeugern zu erreichen, sind wesentlich höhere Geschwindigkeiten für die Luftströmung erforderlich, als in diesem Zusammenhang üblich. In Verbindung mit den niedrigen Reynoldszahlen, die bei den zuvor beschriebenen Austauschern vorliegen, muss somit Turbulenz auf künstliche Weise erzeugt werden, indem beispielsweise spezielle Turbulenzerzeuger in den Leitungen angeordnet werden.
Solche Turbulenzerzeuger sind in vielen verschiedenen Formen bekannt. Aus der SE 444 071 B ist eine Walze für die Wärmeübertragung bekannt, die Turbulenzerzeuger in der Form quer verlaufender Wellen hat. Diese Wellen dienen im Wesentlichen dazu, die Streifen, die auf ein Zentralrohr gewickelt sind, zusammenzuhalten, so dass sie sich nicht auseinanderschieben, aber sie haben gleichzeitig eine Turbulenz erzeugende Wirkung, die eine gewisse Verbesserung der Übertragungseigenschaften von Wärme und Feuchtigkeit bewirkt, bezogen auf Austauscher mit vollständig glatten Leitungen, die oben beschrieben sind.
Andere Formen an Turbulenzerzeugern sind aus der DE 44 47 268 A1 , der FR 2 559 575 A1 und der EP 0 311 670 B1 bekannt. Die DE 44 47 268 A1 offenbart ein Wärmeübertragungsrohr für Kühlwasser, das eine Vielzahl von Vertiefungen aufweist, die sich in Längsrichtung des Rohrs kontinuierlich oder diskontinuierlich erstrecken, wobei sich die Breite jeder Vertiefung in der Längsrichtung der Vertiefung leicht verändert und sich die Höhe jeder Erhöhung zwischen einander benachbarten Vertiefungen von der axialen Mitte des Rohr in der Längsrichtung der Erhöhung verändert. Die FR 2 559 575 A1 offenbart einen Plattenwärmeaustauscher mit Plattenzwischenräumen, in deren Wandungen Turbulenzerzeuger ausgebildet sind, die sich eng aufeinanderfolgend quer zur Hauptströmungsrichtung erstrecken und die geneigte Seitenflächen, die jeweils dem Einlass und dem Auslass zugewandt sind, und eine Oberseite haben. Die EP 0 311 670 B1 offenbart einen Plattenwärmeaustauscher ähnlich dem von FR 2 559 575 A1 , bei dem die Turbulenzerzeuger in den Plattenzwischenräumen weiter voneinander beabstandet sind.
Die Turbulenzerzeuger erhöhen die Übertragung von Wärme und Feuchtigkeit in einem beachtlichen Ausmaß. Jedoch nimmt auch der Druckverlust deutlich zu. Der Anstieg des Druckverlusts scheint größer als die Zunahme des Übergangs von Wärme und Feuchtigkeit. Jedoch ist es bei Luft-Luft-Wärmeaustauschern wesentlich, einen geringen Druckverlust zu haben, weil der Druckverlust die Größe und die Leistungsanforderung der Gebläse bestimmt, die vorgesehen sind, die Luftströmung durch den Austauscher anzutreiben. Ferner wurde gefunden, dass der Druckverlust von der Auslegung, den Abmessungen und der Geometrie der Turbulenzerzeuger abhängt.
Aufgabe der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist es somit, eine Vorrichtung zum Austausch von Wärme/Feuchtigkeit zu schaffen, in welcher die Turbulenzerzeuger eine solche Anordnung und Auslegung in den Leitungen des Austauschers haben, dass ein optimales Verhältnis zwischen Druckverlust der Luftströmung und Übertragungsrate von Wärme und Feuchtigkeit erhalten wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Lösung der Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Patentanspruch erreicht.
Um das Verhältnis des Druckverlusts zur Übertragungsrate von Wärme/Feuchtigkeit zu optimieren, müssen die Querwellen, die Turbulenz bewirken, die sogenannten Turbulenzerzeuger, einerseits in korrektem Abstand von der Leitungsöffnung und andererseits in korrektem Abstand voneinander angeordnet werden. Ferner müssen sie korrekt ausgelegt werden und eine bestimmte Ausdehnung sowohl vertikal als auch horizontal in der Leitung haben.
Am Einlass der Leitungen eines Wärme-/Feuchtigkeitsaustauschers ist der Koeffizient für die Wärme- und Feuchtigkeitsübertragung hoch, weil die Grenzschicht sehr dünn ist. Die Dicke der Trennschicht nimmt dann in der Hauptströmungsrichtung zu und der Übertragungskoeffizient für Wärme und Feuchtigkeit ist vermindert. Um die Übertragung von Wärme und Feuchtigkeit zu erhöhen, sollten die Turbulenzerzeuger in den Leitungswänden nicht zu nahe an dem Einlass angeordnet werden, weil die Wärme- und Feuchtigkeitsübertragung in diesem Bereich bereits hoch ist. Somit würde ein Turbulenzerzeuger im Wesentlichen lediglich einen erhöhten Druckverlust bewirken, was nicht wünschenswert ist.
Folglich ist es optimal, den ersten Turbulenzerzeuger in der Leitung in einem solchen Abstand anzuordnen, in dem die natürliche Einlassturbulenz abgeklungen ist.
Wenn die Luft den ersten Turbulenzerzeuger erreicht, wird eine gewünschte turbulente Luftströmung erzeugt und die Luft wird veranlasst, in Richtung der Leitungswände zu fließen. Somit wird ein deutlicher Anstieg der Übertragungsrate von Wärme/Feuchtigkeit erreicht. Wenn die somit turbulente Luftströmung dann den Turbulenzerzeuger verlässt, nimmt die Turbulenz allmählich ab. Wenn die Turbulenz abgeklungen ist, ist es optimal, den nächsten Turbulenzerzeuger zu platzieren.
Durch umfangreiche Tests und Forschung wurden Definitionen für die Geometrie der Turbulenzerzeuger und deren Anordnung in der Leitung gefunden, die in einem optimalen Verhältnis der Übertragungsrate von Wärme/Feuchtigkeit zum Druckverlust resultieren.
In diesem Zusammenhang wird der Ausdruck hydraulischer Durchmesser verwendet, welcher ein Ausdruck des Verhältnisses der Querschnittsfläche einer Strömungsleitung zum Umfang des Querschnitts der Leitung ist. Die Luftströmung ist durch die sogenannte Reynoldszahl und die Schmidtzahl charakterisiert.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen genauer erläutert. Es zeigen:
1 eine Perspektivansicht einer Leitung eines Wärme-/Feuchtigkeitsaustauschers, der Turbulenzerzeuger hat;
2 eine schematische Seitenansicht der Leitung in 1; und
3 eine Schnittansicht der Leitung gemäß 1 und 2 entlang der Linie I-I in 2.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
1 und 2 zeigen den Einlass 1 und einen Teil einer Leitung 2 für einen Wärme-/Feuchtigkeitsaustauscher. In der Zeichnung sind lediglich ein erster Turbulenzerzeuger 3, der am nächsten zu dem Einlass 1 angeordnet ist, und ein zweiter Turbulenzerzeuger 4 gezeigt. Die Leitung 2 hat eine Höhe h. Der Abstand A zwischen der Öffnung des Einlasses und der Mitte des ersten Turbulenzerzeugers 3 ist durch das Verhältnis des Abstands A zu dem Produkt des hydraulischen Durchmessers D_h und der Reynoldszahl bestimmt, das im Bereich von 0,01 bis 0,04 liegen muss. Hierin ist der hydraulische Durchmesser D_h ein Ausdruck des Verhältnisses der Querschnittsfläche einer durchströmten Leitung zum Umfang der Leitung und die Reynoldszahl hängt von der Luftströmung ab.
Aus der obigen Beschreibung ist zudem entnehmbar, dass A von der Reynoldszahl abhängt und somit von der Geschwindigkeit der Luftströmung. Der optimale Ort des ersten Turbulenzerzeugers hängt somit von den geltenden Betriebsbedingungen ab.
Wie insbesondere aus 2 deutlich wird, haben die Turbulenzerzeuger 3, 4 eine bestimmte Geometrie. Sie sind mit einer schrägen hinteren zum Einlass 1 gerichteten Seitenfläche 5, einer flachen Oberseite 6 und einer schrägen vorderen zum Auslass gerichteten Seitenfläche 7 ausgebildet.
Ferner sind die folgenden Bedingungen anwendbar: Der Winkel θ, welcher die Neigung der hinteren Seitenfläche 5 der Turbulenzerzeuger 3, 4 mit Bezug zu dem Boden 8 der Leitung 2 beschreibt, muss in dem Bereich von 30° bis 60° liegen und das Verhältnis der Höhe e der Oberseite 6 über dem Boden 8 zu dem hydraulischen Durchmesser D_h der Leitung 2 soll 0,30 bis 1,1 sein. Ferner soll das Verhältnis des Abstands P zwischen der Mitte des ersten 3 und des zweiten 4 Turbulenzerzeugers zu der Höhe e in dem Bereich von 8 bis 30 sein und das Verhältnis der Länge B der Oberseite 6 jedes Turbulenzerzeugers 3, 4 zur Höhe e der Oberseite über dem Boden 8 soll im Bereich von 1,0 bis 4,0 sein.
Indem Turbulenzerzeuger 3, 4 mit einer speziellen Geometrie und in einem berechneten Abstand voneinander und von dem Einlass 1 in Leitungen 2 vorzugsweise mit einem dreieckigen und/oder trapezoidförmigen Querschnitt verwendet werden, wird eine beachtlich erhöhte Übergangsrate von Wärme und Feuchtigkeit, jedoch nur ein leichter Anstieg des Druckverlusts erzielt. Wenn die Luftströmung sich dem Turbulenzerzeuger 3 nähert, nimmt die Strömungsgeschwindigkeit örtlich in Abhängigkeit einer verminderten Querschnittsfläche ab, wie 3 andeuten soll. Wenn danach die Luft den Turbulenzerzeuger 3 passiert und die scharfe Kante beim Übergang von der Oberseite 6 zu der vorderen Seitenfläche 7 verlässt, entsteht eine intensive turbulente Bewegung infolge der Ablösung und der signifikanten Erweiterung des Querschnitts. Dieser Vorgang ist sehr effizient, um die Übertragung von Wärme und Feuchtigkeit zu erhöhen.
Der Turbulenzerzeuger 4 ist mit einem berechneten Abstand P von dem ersten Turbulenzerzeuger 3 derart beabstandet, dass die erzeugte Turbulenz soweit wie möglich verwendet werden kann, und dass danach in einem sogenannten Wiederanlegungsbereich, der mit O in 1 bezeichnet ist, vorgesehen ist, bevor die Luft den zweiten Turbulenzerzeuger 4 passiert. Dies verhindert einen überflüssigen zusätzlichen Druckverlust ohne deutlichen Anstieg der Übertragungsrate von Wärme und Feuchtigkeit in der bereits turbulenten Luftströmung. In dem Wiederanlegungsbereich O wird erreicht, dass sich die Luft in großem Ausmaß erneut an die glatte Fläche anlegt, bevor sie den nächsten Turbulenzerzeuger erreicht.
Es ist wichtig, dass die Kanten der Turbulenzerzeuger 3, 4 scharf genug sind, um die Ablösepunkte (Trennungspunkte) zu erzeugen. Der Kantenradius r, siehe 2, sollte so sein, dass das Verhältnis r/D_h im Bereich von 0,01 bis 0,2 liegt.
Um den Druckverlust weiter zu reduzieren, während die Wärmeübertragungsrate beibehalten wird, kann die Höhe e vom Boden 8 des Turbulenzerzeugers höher gemachten werden, als die entsprechende Höhe f von der Oberseite der Leitung, siehe 2. Diese Auslegung verhindert überflüssige Turbulenzen in diesem vorspringenden Raum. Passenderweise hat dieses vorspringende Teil eine solche Auslegung, dass es gut in die entsprechende Ausnehmung passt, die durch die Wandabschnitte 5, 6 und 7 auf der Unterseite der Leitung begrenzt ist, mit dem Ziel eine stabile Verbindung zu erhalten, wenn Lagen von Leitungen aufeinander angeordnet werden, und um beispielsweise eine Lageverschiebung zu verhindern.
Indem die Turbulenzerzeuger 3, 4 so ausgelegt werden, sind sie zudem bei hoher Luftströmungsgeschwindigkeit effizient gemacht, bei der eine turbulente Strömung auch in einer glatten Leitung ausgebildet würde. Die sich natürlich ausbildende Turbulenz ist durch den verengenden/erweiternden Effekt und Mechanismus des Ablösens und Wiederanlegens der Luft verbessert.