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Die
Erfindung betrifft einen multifunktionalen Hochleistungs-Rohrbündelkondensator
mit horizontal oder vertikal verlaufend angeordneten Rohrbündeln zur
Wärmeübertragung
sowie Kondensation gasförmiger Medien,
wobei die Kondensatoren für
unterschiedliche Verfahrensweisen sowie Lagen der Rohre und Rohrbündel in
Funktion gehalten sind.
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Es
ist bekannt, Wärmeübertragungsaufgaben
grundsätzlich
in 2 Felder aufzuteilen: Wärmeübertragung
ohne Phasenwechsel. Es bedeutet Wärmeübertragung ohne Phasenwechsel,
wenn zwischen zwei Fluiden (z. B. Wasser oder Luft) mit Temperaturunterschied
Wärme vom
System mit der höheren
Temperatur zu einem mit niedrigeren Temperaturen übertragen
wird (Wärmeausgleich
oder Wärmeübergang).
Die Phase kann vereinfacht mit dem Aggregatzustand gleichgesetzt
werden. Die hier betrachteten Aggregatzustände sind in der Regel flüssig und
gasförmig,
die sich in der Dichte und Ordnung unterscheiden. Tritt kein Phasenwechsel
ein, ändert
sich auch nicht der Aggregatzustand. Fluide bleiben in jedem Fall
flüssig
oder gasförmig.
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Wärmeübertragung
mit Phasenwechsel. Bei der Wärmeübertragung
mit Phasenwechsel ändert
sich in der Regel bei nur einem Fluid der Aggregatzustand. Es wird
in 2 Unterarten unterschieden: – Verdampfung – unter
Verdampfung wird der Übergang
eines Stoffes vom flüssigen
in den gasförmigen
Aggregatzustand am Siedepunkt, z. B. Erzeugung von Satt- bzw. Heißdampf in
der Kraftwerkstechnik verstanden.
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Der
vorherrschende Fall ist das Strömungssieden.
Beim Strömungssieden
entstehen durch eine Temperaturdifferenz zwischen einer aufgeheizten
Fläche
und dem daran entlang strömenden
Fluid an der Wand einzelne Dampfblasen.
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Ein
Fehlen eines Verdampfungskeimes, also bei einer glatten, homogenen
Wandoberfläche
und einer reinen gas- und partikelfreien Flüssigkeit, kann als kinetisches
Hemmnis wirken. Die Bildung einer stabilen, gasförmigen Phase wird verhindert
und es kann zu einer Überhitzung
der Flüssigkeit über ihren
Siedepunkt hinaus kommen (Siedeverzug).
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Abhängig von
der Strömungsform
zum Beispiel Blasenströmung,
Pfropfenströmung,
Ringströmung oder
Sprühströmung, werden
die gebildeten Blasen entweder im Strömungskern wieder kondensiert,
strömen entlang
der begrenzenden Wände
oder werden mit der Strömung
abtransportiert.
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Der
Hauptwärmeleitungswiderstand
der Wärmeübertragung
entsteht durch das „Luftpolster” der Dampfblasen
an der Wand.
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– Kondensation – Das Gegenteil
des Verdampfungsprozesses, d. h. das Übergehen eines Stoffes vom gasförmigen in
den flüssigen
Aggregatzustand, wird als Kondensation bezeichnet, z. B. Rückkühlung von
Turbinenabdampf zu Kondensat. Dieser Prozess erfolgt unter bestimmten
Druck- und Temperaturbedingungen, die man als Kondensationspunkt
bezeichnet. Der Dampf strömt
entlang einer gekühlten
Wand und kondensiert aufgrund der Temperaturunterschiede zwischen
dem Fluid und der Wandoberfläche.
Im Erdschwerefeld läuft das
Kondensat an der gekühlten
Fläche
nach unten ab. Es handelt sich demzufolge um eine durch Dichteunterschiede
erzeugte freie Konvektion. Beim Fehlen eines Kondensationskeimes
(kondensierten Wassermolekülen
wird eine Oberfläche
angeboten, an die sie sich anlagern können) kann es zu einem Verzug
der Kondensation kommen.
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Der
Ablauf des Vorgangs ist in mehrere Schritte zu unterteilen, bei
denen unterschiedliche hintereinander geschaltete Teilwiderstände zu überwinden
sind. Zunächst
gelangt Dampf durch seine Strömung
zur Phasengrenze, kondensiert im nächsten Schritt und anschließend wird
die an der Phasengrenze frei werdende Kondensationsenthalpie durch
Leitung und Konvektion an die gekühlte Wand transportiert. Es
sind drei Teilwärmewiderstände in der
Dampfphase, beim Übertritt
des Dampfes in die flüssige
Phase und in der flüssigen Phase
zu überwinden.
Von diesen Widerstanden ist in der Regel der Widerstand in der flüssigen Phase
entscheidend. D. h. die Benetzung der Oberfläche durch den durch die Kondensation
entstehenden Kondensatfilm schränkt
die Wärmeübertragung
ein.
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Kondensatoren
sind in der chemischen Industrie weit verbreitet und werden zukünftig in
der Energietechnik, der Schiffstechnik sowie der Haustechnik eine
Rolle spielen.
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Die
am häufigsten
in der Chemietechnik eingesetzten Kondensatoren sind Rohrbündelkondensatoren. Mittels
Wasser oder Luft werden dabei gasförmige Chemikalien und Chemikaliendämpfe kondensiert
aber auch Kältemittel,
Brüden
etc. rückverflüssigt. In
der Chemietechnik spielen Ausrüstungen
zur Verflüssigung chemischer
Substanzen sowie zur Kondensation von Wasserdampf eine wirtschaftlich
wichtige Rolle, da die Energieversorgung für chemische Prozesse in diversen
Betrieben über
ein eigenes Kraftwerk erfolgt. Die Chemietechnik ist ohne den Einsatz
von Rohrbündel-Wärmeübertragern
nicht denkbar und aufgrund der hohen Belastung der Anlagen werden
große
Apparatemengen benötigt.
Aufgrund der oftmals eingesetzten, hochwertigen Materialien führt allein
die Reduzierung des Bauvolumens zu einer signifikanten Alleinstellung.
Gelingt in dem Vorhaben zusätzlich
noch die Kombination der Apparatekompaktisierung mit der Reduzierung
der Verschmutzungsneigung der Wärmeaustauscherflächen, können die
derzeitigen Apparate einen deutlichen Technologiesprung erfahren.
Der Kondensator ist ein entscheidendes Element für den Betrieb von Dampfmaschinen
und Dampfturbinen. Er dient zur Verflüssigung des Abdampfes dieser
Wärmekraftmaschinen.
Die Grundform solcher Maschinen nutzte die einfache Bauform des
Einspritzkondensators. Diese werden auch heute noch angewendet;
sie sind aber sehr selten geworden, da sie wegen des Eintrages von
gelösten
Stoffen kein nutzbares Kondensat für die Rückführung zum Dampfkessel liefern
können.
Diesen Nachteil haben die heutigen Oberflächenkondensatoren in der Form
von Rohrbündel-Wärmeübertragern nicht. Hier wird
das kalte Kühlwasser
durch Rohre in den Abdampfraum geführt, der Abdampf kondensiert
außen
an den Kühlrohren. Die
Anzahl der Rohre in einem Kondensator können sehr groß sein,
so befinden sich in den Kondensatoren eines großen Kernkraftwerkes bis zu
20.000 Stück
von je 10 m Länge.
Für die
Rohre ist eine Nennweite von 15 mm bis 30 mm typisch. In der Regel
werden Kondensatoren mit Wasser gekühlt. Problematisch sind dabei die
im Wasser mit geführten
Verschmutzungen, die zu Fouling führen können und die Funktion des Kondensators
gefährden.
Schon eine dünne
Schmutzschicht in den Rohren des Kondensators hat erhebliche Auswirkungen
auf den Gesamtwirkungsgrad eines Dampfkraftwerkes. Die Reduzierung
der Verschmutzungsneigung von Rohren ist neben der Steigerung der
Effizienz einer der wichtigsten Schwerpunkte bei der Optimierung
von Kraftwerken. Steht am Standort des Kraftwerks kein Kühlwasser
zur Verfügung,
so wird anstelle eines wassergekühlten
Kondensators ein Luftkondensator eingesetzt. Dieser kühlt den
Abdampf mit Umgebungsluft, wobei der Abdampf von oben nach unten
durch die Rohrleitungen strömt
und durch die außen
vorbei geführte
Luft kondensiert wird.
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Die
eben benannten Kondensatorarten sind heutzutage Stand der Technik,
wohingegen die Rauchgaskondensation bzw. Rauchgastrocknung in der
Kraftwerkstechnik bis jetzt kaum Fuß gefasst hat. Bei dieser Anwendung
werden die Kondensatorheizflächen
im Rauchgasstrom der Kesselanlage installiert. Es handelt sich dabei
um die letzte im Kessel befindliche Heizfläche, d. h. hinter dem Economiser
oder Luftvorwärmer.
Die durch die Rauchgaskondensation zurück gewonnene Niedrigtemperaturwärme kann
zur Brennstoff- oder Speisewasservorwärmung genutzt
werden. Der Einsatz würde
den Wirkungsgrad von Elektrizitätskraftwerken um
ca. 3% steigern.
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In
der Schiffs-/Off-Shore-Technik finden Kondensatoren derzeit hauptsächlich bei
Kälte- und Meerwasserentsalzungsanlagen
Verwendung. Bedingt durch die stetig steigenden Brennstoffkosten
ist bereits jetzt zu spüren,
dass die an Bord von Schiffen erzeugte Wärme intensiver genutzt wird,
d. h. Einsatz von Abhitzekesseln inkl. Economiser und Luftvorwärmer. Der
nächste
logische Schritt ist der Einsatz von Kondensatoren zur Vorwärmung der
Brenn-, Hilfs- und Betriebsstoffe.
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In
der Haustechnik sind vereinzelt bereits Heizungsanlagen bekannt,
welche die Rauchgase kondensieren und damit den maximalen Energiegehalt
des Brennstoffs ausnutzen.
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Zukünftig werden
alle namenhaften Hersteller von Heizkesseln einen Brennwertwärmetauscher
in ihre Anlagen installieren. Die stetig steigenden Brennstoffkosten
führen
an dieser Technologie nicht vorbei und auch die Nachrüstung bestehender
Systeme wird einen spürbaren
Impuls erfahren.
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Brennstoffbedingt
wird dieser Trend zuerst bei Öl-
und Gasheizungen einsetzen, später
aber auch Holzheizungen erreichen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen multifunktionalen Hochleistungs-Rohrbündelkondensator
mit horizontal oder vertikal verlaufend angeordneten Rohrbündeln zur
Wärmeübertragung
sowie Kondensation gasförmiger
Medien, wobei die Kondensatoren für unterschiedliche Verfahrensweisen
sowie Lagen der Rohre und Rohrbündel
in Funktion gehalten sind, zu schaffen, der ein signifikant kleineres
Apparatevolumen bei höherer
Wärmeübertragungsleistung/m2 aufweist, ein verbessertes Betriebsverhalten
bei Verringerung der Foulingneigung hat sowie geringere Material-
und Fertigungskosten bei der Herstellung gewährleistet.
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Die
Erfindung löst
die Aufgabe durch einen multifunktionalen Hochleistungs- und Rohrbündelkondensator
mit horizontal oder vertikal angeordneten Rohrbündeln zur Wärmeübertragung sowie zur Kondensation gasförmiger Medien,
in denen die Rohre und Rohrbündel
unterschiedliche Funktionslagen aufweisen und die Kondensatoren
mit unterschiedlichen Verfahrensweisen sowie Anordnungen der Rohre
und Rohrbündel
in Funktion gehalten sind und die mittelbar sowie unmittelbar im
Kondensationsprozess beanspruchten Rohre und Rohrbündel der
Kondensatoren Strukturen aufweisen, die auf den Außenflächen der
Rohre oder auf deren Innenflächen
sowie auch auf beiden Flächen
angeordnet sind und eine Intensivierung des Kondensationsprozesses
und eine Erhöhung
des Wirkungsgrades der Anlage sichern. Es ist eine Ausführungsform
der Erfindung, dass die Rohre und Rohrbündel auf ihren Oberflächen mit
Rippenstrukturen ausgerüstet
sind, wobei die Erfindung weiter ausgebildet ist, wenn die Rohre
und Rohrbündel
quer zur Längs-
und Mittelachse der Rohre verlaufende Rippenstrukturen aufweisen.
Wobei auch in Weiterführung
der Erfindung die Rippenstrukturen parallel zur Längsmittenachse
der Rohre und Rohrbündel
verlaufen können.
Weiterführend
sieht die Erfindung vor, dass die Rohre und Rohrbündel an
ihren Außenflächen mit
Rippenstrukturen ausgerüstet
sind und die Erfindung weiter ausgebildet ist, wenn diese Strukturen
auch an den Innenflächen
der Rohre vorgesehen sind. Es ist im Sinne der Erfindung, wenn die
Strukturen auf den Rohren linienförmig ausgebildet sind, wobei
die Linien nicht gerade und nicht parallel zueinander verlaufen
müssen.
Es ist vorteilhaft nach der Erfindung, wenn die Strukturen noppen-
oder warzenförmig
ausgebildet sind, die gleichfalls in erfinderischer Weise auf den
Innen- oder Außenflächen oder
jeder Fläche
einzeln angeordnet werden können.
Die Erfindung ist wirksam ausgeführt,
wenn die Rohre und Rohrbündel
aus beulstrukturierten Rohren ausgebildet sind, wobei die Beulstrukturierung
als sinuidale Nebenform ausgebildet, die Innen- und Außenflächen der
Rohre verformen, eingearbeitet sind. Im Sinne der Erfindung ist
es dabei, dass die Beulen der Beulstrukturierung der Rohre unterschiedlich, beispielsweise
als Ellipse, Kreis oder Fisch geformt sind. In einer weiteren, vorteilhaften
Ausbildungsform, sind die beulstrukturierten Rohre auf ihren Oberflächen mit
Microstrukturen besetzt, wobei die Strukturen die konvexen und konkaven
Partien der Rohroberflächen
bedecken, die erfinderisch auch auf den Innenflächen der Rohre angeordnet sein
können.
Es ist eine vorteilhafte Ausführungsform
der Erfindung, dass die Rohre und Rohrbündel mit Rohren unterschiedlicher
Strukturarten ausgerüstet
sein können.
In Weiterführung
der Erfindung werden die strukturierten Rohre in Kondensatoren mehrartiger
Bauarten sowie unterschiedlichen Funktionslagen vertikal, horizontal
und geneigt aufgestellt, zur Anwendung gelangen, wobei die Rohre
und Rohrbündel
der Kondensatoren eine äquivalente
Lage aufweisen. Es ist eine weiterführende, vorteilhafte Ausführung der
Erfindung, dass bei Verwendung beulstrukturierter Rohre eine deutliche
Verringerung der Ablagerung fester Stoffe als Verschmutzung an den
Innenwänden
der Rohre zu verzeichnen ist. Die erfindungsgemäße Lösung weist folgende Vorteile
auf: Die im bekannten Stand der Technik angeführten Teilwiderstände können durch
den Einsatz von strukturierten Rohren signifikant reduziert werden.
Durch die erfindungsgemäße Lösung ist
eine deutliche Verbesserung der Wärmeübertragungsleistung festzustellen.
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Die
Vorteile der technischen Anwendung betreffen bevorzugt klassische
Kondensatoren im Bereich der Kraftwerkstechnik und der Chemieanlagen.
Sie sind aber auch weiterhin auf Trocknungsprozesse wie der Rauchgaskondensation
für die
Brennwerttechnik und der Lufttrocknung in der Klimatechnik sowie
der Meerwasserentsalzung gerichtet. In diesen Bereichen finden Kondensatoren
eine großen
Anwendung, wobei im Regelfall auch Rippenrohre als Halbzeug verwendet
werden. In Einzelfällen
ist es auch möglich,
andere Rohrtechnologien zum Einsatz zu bringen. Die beiliegenden 8 bis 18 zeigen
eindeutig die Vorteile von strukturierten Rohren gegenüber Glattrohren,
stellen jedoch insbesondere die hervorragenden Vorteile von beulstrukturierten
Rohren ohne und mit Microstrukturen in den Vordergrund.
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8 zeigt
ein so genanntes ip tube, welches hinsichtlich des Wärmeüberganges
innen, des Wärmeüberganges
außen,
des Foulingverhaltens und der Herstellungskosten ein sehr gutes
Verhalten beziehungsweise Eigenschaften aufweist.
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9 zeigt
ein so genanntes ip tube + μ,
welches sehr gute Werte hinsichtlich des Wärmeüberganges innen und hervorragende
Werte für
den Wärmeübergang
außen
aufweist.
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In 10 sind
so genannte Wendeleinbauten dargestellt, die gute Werte hinsichtlich
des Wärmeüberganges
innen und der Herstellungskosten aufweisen.
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In 11 ist
ein Drallrohr dargestellt, welches hinsichtlich des Wärmeüberganges
innen, des Wärmeüberganges
außen
und des Foulingverhaltens gute Eigenschaftswerte aufweist.
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Die
selben Werte weist das in 12 dargestellte
Kreuzdrallrohr und das in 13 dargestellte
twisted tubes auf.
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Das
in 14 dargestellte Noppenrohr weist hinsichtlich
des Wärmeüberganges
außen
sehr gute Werte auf.
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Das
innenberippte Rohr gemäß 15 weist
hinsichtlich des Wärmeüberganges
innen sehr gute Werte auf.
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Die
Rifled Tubes, die in 16 dargestellt sind, weisen
gute Eigenschaften im Bereich des Wärmeüberganges innen, des Foulingverhaltens
sowie des Druckverlustes auf.
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Kennzeichnend
für das
Rippenrohr quer gemäß 17 sind
hervorragende Eigenschaften hinsichtlich des Wärmeüberganges außen. Das
selbe trifft auf das Rippenrohr längs gemäß 18 zu.
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Die
untenstehende Tabelle zeigt deutlich die verbesserten Eigenschaften
strukturierter Rohre, insbesondere beulstrukturierter Rohre. Es
zeigt sich, dass die ip tube® & ip tube® + μ Technologie
im Vergleich zum Glattrohr signifikante Vorteile mit sich bringt,
d. h. bzgl.
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Wärmeübertragungsleistung,
Bauvolumen und Verschmutzungsneigung.
| Eigenschaften | Glattrohr | ip
tube® | ip
tube® + μ |
| Bauvolumen | 100% | 50–60% | 30–50% |
| Gewicht | 100% | 50–70% | 40–60% |
| Verschmutzungsneigung | 100% | 50–90% | wie
GR |
| Wärmeübertragung | 100% | bis
400% | bis
600% |
| Investment | 100% | 60–80% | 60–80% |
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Festzustellen
ist aber auch, dass der Wärmeübergang
von Rippenrohren auf der Rohraußenseite günstiger
sein kann als der von ip tubes. Dieser Vorteil kann durch ip tubes
kompensiert werden, wenn:
- • der innere Wärmeübergang
des Rippenrohes zu gering ist, um den Wärme-/Kälteabtransport an der Rohraußenseite
voll auszunutzen,
- • Staub
beladene Rauchgase das Rohr umströmen und die Rippen aufgrund
fehlender turbulenter Strömung
zusetzen,
- • die
Fertigung der ip tubes in Großserie
und demzufolge zu sehr geringen spezifischen Stückkosten erfolgt.
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Bei
der Betrachtung der Steigerung des Wärmeüberganges auf der Rohrinnenseite
kann sehrwohl bei dem ip-tube mit Macrobeulung als auch mit Macrobeulung
und Microstruktur eine Steigerung des Wärmeüberganges von 200–600% im
Vergleich zu Glattrohren verzeichnet werden. Eine ähnliche
Leistung ist nur bei Rohren mit Innenverrippung zu verzeichnen.
Bei Drall- und Kreutzdrallrohren ist die Steigerung des Wärmeübergangskoeffizienten
auf der Rohrinnenseite auf 20–30%
und die twisted tube können
nur eine Steigerung von maximal 40% aufweisen. Im Bereich der Rohraußenseite
können
die besten Wärmeübergangszahlen
mit Rippenrohren sowohl einer Längs-
und Querrichtung sowie der ip-tube mit Microstrukturierung erreicht
werden. Die Ausbildung der Rohre mit Noppenrohren bringt eine deutliche
Steigerung. Bei Rifl-tube, innenberippten Rohren und Rohren mit
Wendeleinbauten ist keine rohraußenseitige Steigerung in Bezug
zum Glattrohr zu erwarten. Rippenrohre neigen durch ihren geringen
Rippenabstand und der großen Oberfläche stark
zu Verschmutzungen. Diese negativen Foulingeigenschaften treten
bei der Verwendung von ip tubes nicht auf, da sich hier keine Todräume bilden,
die Oberfläche
kleiner ist und der verbesserte Wärmeübergang durch Turbulenzen bei
der Umströmung
des Rohres begründet
wird. Diese Turbulenzen verhindern Ablagerungen und Verschmutzungen.
Im Gegensatz zu Noppen, Drall- und Kreuzdrallrohren bieten die Beulstrukturierung
der ip tubes der Verschmutzung und Ablagerung keine großen Angriffsflächen, wie
zum Beispiel Kanten oder kantenartige Vertiefungen. Die Möglichkeit,
Fouling bei der Microstrukturierung zu vermeiden, ist begründet durch
ihre große
und vor allem feine Oberfläche,
die sich bei verschmutzten Medien in kurzer Zeit zusetzen würde. Somit können sie
rohraußenseitig
nur in Verbindung mit hochreinen Medien eingesetzt werden. Beim
Einsatz von beulstrukturierten Rohren ist deutlich festzustellen,
dass diese Rohre zum einen technologisch günstiger herzustellen sind und
zum anderen eine homogene Oberflächenausbildung
aufweisen. Ein weiterer Vorteil ist dadurch zu verzeichnen, dass
insbesondere mit Beulstrukturen ausgerüstete Rohre mit Microstrukturen
auf ihre Außen-
und wahlweise aber auch auf ihre Innenfläche ausgerüstet sein können. Rohre dieser Art mit
Beulstrukturierungen als Macroausbildung ohne Microstruktur sind über die
Marken „ip-tube” und als
Macroausbildung mit Microstrukturen als „ip-μ-tube” in einschlägigen Fachkreisen
bekannt. Durch die gezielte Untersuchung der komplexen Wärmeübertragungseigenschaften
bei der Kondensation mit beulstrukturierten Strukturrohren in Macroausbildung
sowie diese Rohre mit Microstruktur auf den Außenflächen werden durch die Erfindung
grundsätzliche
Aussagen über
die Teilwiderstände
gewonnen, siehe hierzu die beiliegenden 19 und 20.
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In 19 ist
ein macrostrukturiertes Rohr dargestellt, in welches in Pfeilrichtung
Dampf eingeleitet wird beziehungsweise einleitbar ist und ebenfalls
in Pfeilrichtung Kondensat heraufführbar ist beziehungsweise herausgeführt wird.
Ein durch das Rohr realisierter Teilwiderstand 1 bezieht
sich auf die Macrostruktur, die für Verwirbelung und Medienaustausch
zwischen Kernströmung
und wandnaher Grenzschicht sorgt. Ein durch das Rohr ausgebildeter
Teilwiderstand 2 bezieht sich auf die Microstruktur, die
Kondensationskeime für
kondensierenden Dampf bereitstellt. Ein Teilwiderstand 3 bezieht
sich auf die Macrostruktur, die für einen „rinnenartigen” Ablauf
des Kondensats sorgt. Es wird kein wärmeübertragungshemmender Kondensatfilm
gebildet.
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In 20 ist
ein stark vergrößerter Ausschnitt
der Oberfläche
des in 19 dargestellten Rohres gezeigt.
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Im
Gegensatz zu den derzeitig eingesetzten Glattrohren verhält sich
ein kondensierender Flüssigkeitsfilm
auf strukturierten Oberflächen
grundsätzlich
anders hinsichtlich seines Strömungs-
und somit seines Wärmeauf-
und -abgabeverhaltens.
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Die
hier betrachteten Oberflächen
mit sinusartigen Nebenformen lassen eine starke Steigerung des Wärmeübertragungseffektes
erwarten, wie es aus vergleichbaren technischen Erfahrungen im Bereich
der Rekuperation aus der praktischen Anwendung wie auch aus eigenen
und fremden Experimenten heraus bekannt ist. Die Nebenformen sind
vorzugsweise versetzt auf der Rohroberfläche angeordnet, so dass ablaufende
Kondensatflüssigkeit
auf der Rohroberfläche
hin und her geführt
wird, unabhängig
davon, ob sie sich auf der inneren oder äußeren Mantelfläche bewegt.
Die Geschwindigkeit der kondensierenden Flüssigkeit wird dadurch gesteigert,
dass der in einer bestimmten Zeit zurückzulegende Weg größer wird.
Erhöhte
Strömungsgeschwindigkeiten
führen
aber aller Erfahrung und auch theoretischen Betrachtungen folgend
zu erhöhter
Wärmeübertragung.
In welchem Ausmaß die
Wärmeübertragung
steigt, hängt
von der Geschwindigkeitserhöhung,
der Filmdicke, dem Medium selbst, der Art der Kondensation aber
auch vom Betriebsaufwand, den sich der Anwender bereit ist zu leisten,
ab.
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Die
bisherigen Erfahrungen mit der Wärmeübertragung
in nicht kondensierenden Medien zeigen, dass im Vergleich zu glatten
Rohren Steigerungen um das Zwei- bis Vierfache möglich sind. Allerdings zeigt
sich bei Geschwindigkeiten, die zu mehr als einer Verdoppelung der
Wärmeübertragung
führen,
dass der Transportaufwand sowie der sog. Druckverlust stärker anzuwachsen
beginnt, als es dem Wärmeübertragungsanstieg
entspricht.
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Ähnlich positive
Auswirkungen wie beim Wärmeübergang
in nicht kondensierenden Medien sind auch bei Kondensator-Wärmeübertragern
zu erwarten. Dies bedeutet im Vergleich zum Glattrohr eine signifikante Reduzierung
des Bauvolumens und der Investitionskosten sowie bessere Wärmeübertragungsleistungen
und Antifoulingeigenschaften. Bei den Herstellungskosten ist das
ip tube konkurrenzlos, da das Aufbringen der Beulstruktur ein schnellerer,
einfacherer und standardisierterer Prozess ohne große Fertigungskosten
ist. Unter Betrachtung aller Eigenschaften stellt das ip tube eine
technisch und kommerziell hoch effektive Möglichkeit der Leistungssteigerung
ohne negative Nebeneffekte vor. Die zusätzliche Microstrukturierung
der ip tubes stellt durch die enorme Oberflächenvergröße rung, von Faktor 40, und
ihren nochmals gesteigerten Wärmeübergang ein
interessantes technisches Potential dar.
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Die
Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles
näher erläutert werden.
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In
der zugehörigen
Zeichnung zeigen:
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1:
Einen liegenden Kondensator mit Kreuzgegenstrom als Strömungsrichtung.
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2:
Einen stehenden Kondensator mit Kreuzgegenstrom als Strömungsrichtung.
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3:
Einen Kondensator ähnlich
wie 2, mit Gegenstrom als Strömungsrichtung.
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4:
Einen Kondensator wie in 2 und 3, mit Kreuzgleichstrom
als Strömungsrichtung.
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5:
Einen liegenden Kondensator mit Kreuzstrom als Strömungsrichtung.
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6:
Ein Glattmantelrohr im Schnitt mit Darstellung des Verschmutzungsgrades.
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7:
Ein beulstrukturiertes Rohr in der Art ip-tube im Schnitt mit Darstellung
des Verschmutzungsgrades an den Innenwänden.
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8:
Den Rohrtyp ip tube.
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9:
Den Rohrtyp ip tube + μ.
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10:
Den Rohrtyp Wendeleinbauten.
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11:
Den Rohrtyp Drallrohr.
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12:
Den Rohrtyp Kreuzdrallrohr.
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13:
Den Rohrtyp twisted tubes.
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14:
Den Rohrtyp Noppenrohr.
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15:
Den Rohrtyp innenberippte Rohre.
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16:
Den Rohrtyp Rifled Tubes.
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17:
Den Rohrtyp Rippenrohr quer.
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18:
Den Rohrtyp Rippenrohr längs.
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19:
Ein macrostrukturiertes Rohr.
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20:
Einen stark vergrößerten Ausschnitt
der Oberfläche
des in 19 dargestellten Rohres.
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1 zeigt
einen Kondensator 1 in horizontaler Lage mit einer Kondensation
auf der Außenseite
der Rohrbündel 6' und einem Gegenstrom
als Strömungsrichtung.
Dabei tritt das Kühlmedium
an der Unterseite des Kondensators 1, im rechten Winkel
zur Verrohrung, beim Kühlmediumeintritt 7 in
den Kondensator 1 ein und verlässt es an der Oberseite am
anderen Ende der Verrohrung. Der Dampfeintritt 9 ist an
der Anfangsstirnseite des Kondensators 1, wobei das Kondensat
an der unteren entgegengesetzten Seite des Verlaufes der Verrohrung
des Kondensators 1 austritt. Eine Entlüftung/Entdampfung 11 ist
am Kondensator angeordnet. Die Verrohrung ist erfindungsgemäß aus strukturierten
Rohren ausgeführt.
Die Rohre 6 weisen eine Verrippung quer und längs ihrer
Oberfläche
auf. Die Strukturierung kann auch aus Noppen oder aus längs zur
Mittenachse verlaufenden Rillen gebildet sein. Es ist auch möglich, andere
Strukturen bekannter Art zu verwenden. Ausfüh rungsgemäß werden beulstrukturierte
Rohre 13 als Macroausführung,
so wie die Marke „ip-tube” es angibt, oder
auch beulstrukturierte Rohre 13 in Macroausführung, deren
Oberflächen
außen
oder auch wahlweise innen mit Microstrukturen 15 besetzt
sind, verwendet. Die im Wesentlichen verwendeten Arten strukturierter Rohre
haben bereits in der Beschreibung Erwähnung gefunden und sind in
den 8 bis 20 abgebildet und mit ihren
Eigenschaften besprochen.
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2 zeigt
an einem Prototyp eine grundsätzliche
Ausführung
eines Kondensators 2 mit Kondensationsvorgang auf der Außenseite
der Rohrbündel 6' sowie einen
Kreuzgegenstrom als Strömungsrichtung
des Dampfes. Der Dampf tritt an der Eintrittsöffnung 9 in den Kondensator
ein und als Kondensat am Austritt 10 an der unteren Seite
des Kondensators 2 aus. Hier ist der Eintritt 10 des
Kühlmediums
an der Unterseite, um im Gegenstrom verlaufend am Kopf des Kondensators
bei 8 auszutreten. Der mitlesende Fachmann versteht, ohne
dass er erfinderisch tätig
werden muss, dass die Verrohrung 6 mit ihren Rohrtypen äquivalent
der Verrohrung des Kondensators 1 in 1 sein
kann.
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3 zeigt
einen stehenden Kondensator 3, mit Kondensation in den
Rohren und einem Kreuzgegenstrom ähnlich wie im Kondensator 2.
Hier ist der Dampfeintritt 9 im Kopf des Kondensators 3;
der Kondensataustritt 10 ist zentrisch auf der unteren
Seite des Kondensatorbodens. Die Verrohrung 6 ist vertikal
und der Kühlmediumein-
und -austritt 7; 8 sind auf den vertikalen Längsverlauf
der Rohre 6 gerichtet. Rohrtypen und Strukturarten sind
den Verrohrungen der Ausführungsbeispiele 1 und 2 äquivalent.
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4 zeigt
einen Kondensator 4 in der ähnlichen Ausführung wie 3,
jedoch ist hier der Dampfeintritt 9 am Fuß des stehenden
Kondensators 4. Der Dampf steigt an den Rohren 6 in
vertikaler Richtung auf.
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5 stellt
einen liegenden Kondensator 5 mit Kondensation auf der
Außenseite
der Rohrbündel 6' vor. Hier erfolgt
der Eintritt des Dampfes an der Oberseite des Kondensatormantels
durch mehrere Eintrittsöffnungen 9,
so dass eine vollständige
Benetzung der Außenflächen der
Rohrbündel 6' erfolgen kann.
Der Kondensataustritt 8 ist auf der Sohle des Mantels des
liegenden Kondensators 5, wobei in die Rohrbündel 6 Umlenkbleche 12 integriert
sind.
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6 zeigt
ein Glattmantelrohr 12 im Schnitt, mit eingelagerter Verschmutzung 14.
Die Schnittführung zeigt,
dass die Größe der Verschmutzung 14 hoch
ist und der Rohrquerschnitt ca. 50% zugesetzt ist, wobei die Verschmutzung 14 von
der unteren Innenwand des Rohres 12 aufwachst und das Rohr
zur Hälfte
verstopft hat.
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7 zeigt
ein beulstrukturiertes Rohr 13 in der Ausführung eines
ip-tube im Schnitt. Die Verschmutzung 14 hat sich in einer
merklich dünnen
Schicht mit gleichmäßig geringer
Mächtigkeit
an den Innenwänden abgesetzt.
Sie beeinträchtigt
die lichte Weite des offenen Querschnittes des Rohres 13 nur
um einen geringen Prozentsatz.
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- 1;
2; 3; 4; 5
- Kondensator
- 6
- Rohrbündel
- 7
- Kühlmediumeintritt
- 8
- Kühlmediumaustritt
- 9
- Dampfeintritt
- 10
- Kondensataustritt
- 11
- Entlüftung/Entdampfung
- 12
- Glattmantelrohr
- 13
- beulstrukturiertes
Rohr
- 14
- Verschmutzung
- 15
- Microstrukturen