DE102005043936A1

DE102005043936A1 - Wärmeübertrager mit innenberippten Rohren

Info

Publication number: DE102005043936A1
Application number: DE200510043936
Authority: DE
Inventors: Hans Foerster
Original assignee: Forster Hans Dr Ing
Current assignee: Forster Hans Dr Ing
Priority date: 2005-09-15
Filing date: 2005-09-15
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2025-09-16
Also published as: DE102005043936B4

Abstract

Die Erfindung ist vorteilhaft anwendbar für die Gewinnung von Heizwärme aus Kälteanlagen (Enthitzer) und in der Drucklufttechnik bei Volumenströmen des rohrseitigen Mediums 100 m·3·/h Effektivdurchsatz sowie als innerer Wärmeübertrager in der Kältetechnik (Kältemittekondensat wird durch Kaltdämpfe unterkühlt) bei Kälteleistungen bis ca. 200 kW. Die Apparate weisen Mehrgängigkeit auf und realisieren den exakten Gegenstrom bei hoher Kompaktheit. DOLLAR A Die Aufgabe ist es, für kleine und mittlere Anlagen in der Kältetechnik ( 200 kW) eine kompakte Lösung mit Gesamtlängen um 2 m einzusetzen, die zur inneren und äußeren Optimierung in der Kältetechnik und der Drucklufttechnik geeignet ist. DOLLAR A Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine metallische Leiteinrichtung den Mantelraum in einzelne Sektionen unterteilt, eine Hüllfolie die entstehenden axialen Sektionen nach außen abdichtet und die entstehenden Strömungskanäle apparateintern hintereinander geschaltet werden, wobei die Zuführung des mantelseitigen Mediums durch die Vorkammer und den vorderen Rohrboden erfolgt und der Druckausgleich der Flüssigkeit innerhalb und außerhalb der Hüllfolie gewahrt wird. Gegenstrom zum mantelseitigen Fluid wird durch entsprechende Stegbleche in der Vorkammer gewährleistet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit axialen Innenrippen innerhalb der Wärmeübertrager-Rohre zur Verbesserung des Wärmeübergangs auf der Rohrseite. Eine besondere Zielstellung ist die Gewährleistung des Gegenstroms und die Erhöhung der Kompaktheit bei kleinem Volumenstrom der beteiligten Produkte.

Bekannt sind Rohre für Wärmeübertrager mit axial angeordneten Innenrippen und Wärmeübertrager mit solchen Rohren (Prospekt GEA FK Wärmetauscher Kemmerling GmbH). Der Gegenstrom der beteiligten Produktströme wird dadurch gesichert, dass das äußere flüssige Produkt im Kreuzgegenstrom zum Produkt in den Rohren geführt wird. Dazu werden auf der Außenseite Querleitbleche angeordnet. Geeignet sind solche Apparate zur Kühlung von Druckluft, wobei die Druckluft in einem Zug durch die innenberippten Rohre geführt wird. Solche Kühler arbeiten in der Regel mit großen Flüssigkeitsmengen, weil die sogenannte Kühlbandbreite nur 5 bis 8 K beträgt. Dadurch können gewohnt relativ große Schikaneabstände (Abstand der Querleitbleche) gewählt werden. Das kommt dieser Bauart entgegen, wenn auch die Führung eines Kühlwassers auf der Mantelseite eines Apparates durch die Schmutzfracht des Kühlwassers eine aufwendige Reinigung fordert.

Sobald man aber aus Kältemitteldämpfen oder Druckluft Heizwärmen auskoppelt, verringern sich wegen höherer Vorlauftemperatur die Wärmeträgermengen und die Abstände der Querleitbleche. Der Flächenbedarf für die Wärmeübertragung nimmt durch Verkleinerung der mittleren Temperaturdifferenz zu. Eine eingängige Ausführung erreicht keine ausreichende Vorlauftemperatur des Wärmeträgers. Diese Bauart eines Enthitzers kommt schnell an ihre Grenzen. Das ist auch und besonders beim sogenannten inneren Wärmeübertrager der Kältetechnik der Fall, bei dem die Menge auf der Dampfseite und auf der Seite des flüssigen Kältemittels gleich sind, das Dampfvolumen aber infolge niedrigem Verdampferdruckes wesentlich größer ist als der Volumenstrom des flüssigen Kältemittels nach der Kondensation.

Bei kleinen Gas- oder Dampfströmen erhält man sehr schlanke Apparate. Möchte man z. B. aus einem verdichteten Kältemitteldampf Heizwärme mit hoher Vorlauftemperatur gewinnen, so ist der Volumenstrom sowohl auf der Flüssigkeitsseite als auch auf der Dampfseite klein. Bei anspruchsvollen Parametern mit kleiner mittlerer Temperaturdifferenz mit großer Austauschfläche erhält man zu lange, sperrige Apparate oder muss die Flächen auf mehrere Apparate aufteilen.

Für die Aufgabe der Wärmeübertragung zwischen einem großen Dampfvolumenstrom und einem sehr kleinen Volumenstrom einer Flüssigkeit bei Gegenstrom der Produkte ist an sich der Ringkanal-Wärmeübertrager ideal einsetzbar ( DE 19650086 C1 , DE 19601579 C2 ). Für Dampfvolumenströme < 100 m³/h Effektivvolumen ergeben sich aber ungünstig kurze Rippenrohre, die es nahe legen, Ringkanal-Wärmeübertrager in diesem Bereich nicht zu verwenden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeübertrager anzugeben unter Verwendung von Rohren mit Längsrippen im Rohrinnenraum, bei dem sowohl das Gegenstromprinzip gewahrt bleibt als auch eine höhere Kompaktheit durch Mehrgängigkeit – also mehrere Durchgänge des Längsstroms in einer Druckhülle – erreicht wird. Dabei soll auf der Flüssigkeitsseite eines solchen Gas-Flüssigkeits-Wärmeübertragers auf besonders geringe Strömungsquerschnitte geachtet werden, um ausreichend Strömungsgeschwindigkeiten zu sichern.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Mantelraum eines zylindrischen Wärmeübertragers durch eine metallische Leiteinrichtung zwischen den Rohrböden in mehrere axiale Sektionen aufgeteilt ist, die die innenberippten Rohre der Strömungszüge aufnehmen, wobei die axialen Leitbleche der Leiteinrichtung eng an die Kontur der geraden Flanken der Rohre angelegt sind und den freien Strömungsquerschnitt zwischen den Rohren minimieren, weshalb die Rohre zusätzlich an der mantelnahen Seite mit einer Hüllfolie eingewickelt sind, die sich auf den radialen Enden der axialen Leitbleche abstützt, das gesamte Rohrbündel einhüllt und durch Bandagen mehrfach befestigt ist. Die Aufteilung der berohrten Zonen auf dem Rohrboden erfolgt so, dass oben und unten eine unberohrte Fläche entsteht, die für die Durchleitung des mantelseitigen Mediums über die Vorkammer querenden Rohrstücke genutzt wird, wodurch Mantelstutzen und Durchbrüche an der Hüllfolie entfallen.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels mit 4 Durchgängen erläutert werden. Dabei zeigt
1 einen Radialschnitt des Wärmeübertragers
2 einen Längsschnitt in der Schnittebene A mit Darstellung des Strömungsweges des mantelseitigen Mediums im oberen Apparateteil
In einem Druckmantel 1 sind Rohre mit Innenrippen 22 und enger Teilung von Rohr zu Rohr im Dreieck angeordnet. Die Rohre 22 werden von Längsleitblechen 3 einer Leiteinrichtung 2 flankiert. In Mantelnähe werden die durch die Leiteinrichtung 2 abgeteilten Strömungskanäle durch einen Wickel mit einer Hüllfolie 5 abgeschlossen, die sich sowohl auf den Außenrohren 22 als auch auf den äußeren Enden der axialen Leitbleche 3 abstützt, wobei die Hüllfolie 5 durch Bandagen 6 in regelmäßigen Abständen mehrmals gespannt wird. Dabei können auf tragende Eckrohre auch Abstandshalter 7 in Form eines aufgehefteten Drahtes angebracht sein.
Die zwischen axialen Leitblechen 3 der Leiteinrichtung 2 freibleibenden unberohrten Flächen des Rohrbodens 11 dienen der Zu- und Abführung des mantelseitigen Mediums über Rohrstücke 8, die die Vorkammer 10 queren, aus dem Boden der Vorkammer 10 als Anschlussstutzen herausstehen, im Rohrboden 11 befestigt und zum Mantelraum offen sind. Durch einen örtlich offenen Bereich 12 eines axialen Leitbleches 3 der Leiteinrichtung 2 wird die Verbindung zum berohrten Außenkanal geschaffen, wobei im Anschluss der prismatische unberohrte Kanal 14 durch ein Dreieckblech 13 im Einströmbereich verschlossen wird. Am axialen Ende der mantelseitigen Strömungskanäle ist das betreffende Leitblech bis zum Gegenrohrboden 15 unterbrochen und ermöglicht so den Übergang des Mediums zum nächsten Außenkanal.
Gase oder Flüssigkeiten mit großer Zähigkeit werden durch den Innenraum der Rohre mit Innenrippen 22 im Gegenstrom zum flüssigen Medium im Mantelraum geführt. Durch Stegbleche in Vor- und Umlenkhaube und durch entsprechende Anschlüsse der Gasstutzen 21 wird der Gegenstrom wie üblich gesichert.

1: Druckmantel
2: Leiteinrichtung
3: axiale Leitbleche
4: berohrte axiale Sektionen
5: Hüllfolie
6: Bandagen
7: Abstandshalter
8: Rohrstücke
9: unberohrte Zonen
10: Vorkammer
11: Rohrboden
12: offener Bereich
13: Dreieckblech
14: prismatischer unberohrter Kanal
15: Gegenrohrboden
16: Öffnungen
17: Dreieckblech
18: Öffnung
19: Leitblech
20: Stutzen
21: Stutzen
22: Rohre mit Innenrippen

Claims

Wärmeübertrager für die Wärmeübertragung Gas-Flüssigkeit und zähflüssig-flüssig mit reinem Gegenstrom der Fluide unter Verwendung von axialen oder axial verwundenen Rippen in den Rohren und in kompakter Bauform dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Druckmantels 1 eines zylindrischen Wärmeübertragers eine Leiteinrichtung 2 mit axialen Leitblechen 3 eingebaut ist, die den Mantelraum in berohrte axiale Sektionen 4 für den Durchgang des äußeren Mediums aufteilt, wobei diese Sektionen 4 außen durch eine metallische oder nichtmetallische Hüllfolie 5 abgeschlossen sind, die mit äußeren Bandagen 6 dicht an die radialen Enden der axialen Leitbleche 3 und einiger Außenrohre ggf. mit axialen Abstandshalter 7 angelegt sind, wobei die Zu- und Abführung des mantelseitigen Mediums über Rohrstücke 8 in den unberohrten Zonen 9 erfolgt, die durch die Vorkammer 10 und den folgenden Rohrboden 11 geführt werden und auf der Mantelseite des Rohrbodens 11 über offene Bereiche 12 der axialen Leitbleche 3 das Ein- bzw. Ausströmen des mantelseitigen Mediums erfolgt, wozu durch ein Dreieckblech 13 der prismatische unberohrte Kanal 14 im Außenraum des Bündels verschlossen und der Übertritt in den berohrten Bereich erzwungen wird, während eine Reihenschaltung nachfolgender axialer Sektionen 4 dadurch erfolgt, dass der prismatische unberohrte Kanal 14 vor dem Gegenrohrboden 15 über Öffnungen 16 der Leitbleche 3 unterbrochen und in ausreichendem Abstand vom Gegenrohrboden 15 durch ein Dreieckblech 17 verschlossen ist und der vertikale Übertritt des mantelseitigen Mediums über eine Öffnung 18 im horizontalen Leitblech 19 erfolgt.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Mantelraum über einen Stutzen 20 mit dem Eintrittsstutzen verbunden ist und den hydraulischen Druckausgleich auf der Mantelseite herstellt.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrstück 8 durch den Rohrboden 11 sowohl zum Raum innerhalb der Hüllfolie 5 als auch zum Raum außerhalb der Hüllfolie 5 offen ist und den Druckausgleich herstellt.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstrom zwischen dem mantelseitigen und dem gasförmigen oder zähflüssigen Medium in den innen längsberippten Rohren durch Stegbleche in der Vor- und Umlenkkammer des Wärmeübertragers in an sich bekannter Weise erfolgt und das rohrseitige Medium über vertikal übereinander angeordnete Stutzen 21 der Vorkammer zu- und aus dieser abströmt.