DE102008051812A1

DE102008051812A1 - Wärmeaustauscher mit Rohren

Info

Publication number: DE102008051812A1
Application number: DE102008051812A
Authority: DE
Inventors: Volkhard Dr. Nobis
Original assignee: GEA Air Treatment GmbH
Current assignee: FlaektGroup Deutschland GmbH
Priority date: 2008-10-15
Filing date: 2008-10-15
Publication date: 2010-04-29

Abstract

Wärmeaustauscher zum Übertragen von Wärmeenergie von einem Medium auf ein zweites mit Rohren, durch deren Innenraum eines der zwei Medien strömt, wobei zum Verkleinern des Rohrquerschnittes und zum Erhöhen der Strömungsgeschwindigkeit im Rohrinnenraum ein Einsatz einliegt, der sich zumindest über einen Teil der Rohrlänge erstreckt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher zum Übertragen von Wärmeenergie von einem Medium auf ein zweites mit Rohren, durch deren Innenraum eines der zwei Medien strömt.
Für die Produktion von Wärmeaustauschern ist die Rohrgeometrie im Normalfall festgelegt, um ein standardisiertes Fertigungsverfahren mit minimalem Umrüstaufwand gewährleisten zu können. Dabei ist es jedoch oft wünschenswert, z. B. bei Kreislaufverbundsystemen (KVS), die zur Wärmerückgewinnung genutzt werden, die Wassergeschwindigkeiten durch eine Querschnittsverengung anzuheben, da aufgrund des einzuhaltenden Wärmekapazitätsstromverhältnisses μ zu 1 diese je nach Gerätegröße und Luftvolumenstrom sehr klein werden können. Entsprechend wird der innere Wärmeübergang sehr klein, da u. U. die Strömung im Rohr über die gesamten Kreisläufe hinweg laminar bleibt, womit die Leistung der Wärmeaustauscher reduziert wird. Die Folge ist, dass größere und damit teurere Wärmeaustauscher verwendet werden müssen. Das Naheliegendste diesem Effekt entgegenzuwirken wäre, durch Dimensionierung des Strömungsquerschnittes für jedes Gerät den Rohrdurchmesser individuell zu gestalten. Dies ist jedoch in der Praxis wegen der o. g. Standardisierung nicht umsetzbar.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Leistung von Wärmetauschern an Gegebenheiten und Erfordernisse anzupassen und zu steigern, ohne standardisierte Rohrgeometrien und Fertigungsverfahren verändern zu müssen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zum Verkleinern des Rohrquerschnittes und zum Erhöhen der Strömungsgeschwindigkeit im Rohrinnenraum ein Einsatz einliegt, der sich zumindest über einen Teil der Rohrlänge erstreckt.
Hierdurch wird ermöglicht, einen Wärmetauscher mit festgelegten Rohrquerschnitten an die jeweiligen Erfordernisse anzupassen und hohe Leistungen zu erhalten. Trotz standardisierter Fertigungsverfahren wird eine hohe Variabilität erreicht.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Einsatz ein Stab oder Draht aus Metall, Kunststoff, Keramik und/oder Glas ist. Hierbei kann der Stab oder Draht eine, zwei oder mehrere Biegungen aufweisen.
Eine optimale Lage und Wirkung insbesondere durch Verwirbelung des Mediums wird erreicht, wenn der Stab oder Draht wellen-, wendel- oder spiralförmig gebogen ist.
Von Vorteil ist, wenn der Einsatz zur ortsfesten Positionierung sowie zur schnelleren und einfacheren Montage durch die eigene Federsperrung fixiert ist. Auch kann der Einsatz zur ortsfesten Positionierung an seinen Enden mit dem Rohr verlötet sein.
Vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen mit längsgeschnittenen Rohren dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Sie zeigen als Einsatz in einem Rohr
1 einen vorgebogenen Draht,
2 einen geraden Draht mit gebogenen Drahtenden,
3 einen geraden Draht mit im Rohr befestigten insbesondere angelöteten Enden,
4 einen geraden Draht mit abgewinkelten Enden,
5 einen gewellten Draht und
6 einen wendelförmigen Draht.
Bei Wärmetauschern mit Rohren 1, durch deren Innenraum ein erstes Medium strömt und die von einem zweiten Medium außen umströmt sind, wird eine Verengung des Rohrquerschnitts dadurch erreicht, dass in das Rohr 1 ein Einsatz in Form eines Stabes 2 oder Drahtes 3 eingeschoben wird, der sich zumindest über einen Teil der Rohrlänge erstreckt. Dies führt zu einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit und hat zudem zusätzliche vorteilhafte Verwirbelungen des Mediums zur Folge. Der Stab 2 oder Draht 3 besteht vorzugsweise aus Metall oder Kunststoff. Er kann aber auch aus Keramik oder Glas bestehen. Die Dicke bzw. der Durchmesser des Drahtes oder Stabes richtet sich nach der gewünschten Querschnittsverringerung des Rohres.
Ein sicherer Halt des Einsatzes im Rohr wird durch Verformungen des Stabes 2 oder Drahtes 3 erreicht. Entsprechend den gezeichneten Ausführungsbeispielen ist

– nach 1 der Draht 3 vorgebogen und hat damit eine eigene Vorspannung. Fertigungstechnisch ist dieser Ansatz einfach zu realisieren. Hierbei ist für unterschiedliche Rohrlängen eine individuell auf die Länge abgestimmte Vorbiegung für einen festen Sitz zweckmäßig.
– nach 2 ist der Draht 3 nur an den Drahtenden vorgespannt, wobei diese Methode einheitlich für alle Längen anwendbar ist.
– nach 3 ist der Draht 3 an beiden Enden an die Innenwand des Rohres angelötet, angeschweißt oder angeklebt womit eine sichere Fixierung und einfache Herstellung erreicht wird.
– nach 4 ist der Draht 3 nur an den Drahtenden gebogen. Hierdurch ist er einfacher zu fertigen und einzusetzen.
– nach 5 ist der Draht 3 mehrfach wellig gebogen, wirkt federnd über die komplette Rohrlänge und erfordert keine individuelle Vorbiegung.
– nach 6 ist der Draht 3 wendelförmig/schraubenförmig wie eine Feder gebogen, erzeugt viel Turbulenz bei vergleichsweise geringer Querschnittsverengung, was eine sehr gute und gleichmäßige Fluiddurchmischung und damit hohe Wärmeübergänge gewährleistet.

Durch die Querschnittsverengung, die aufgrund des Einsatzes hervorgerufen wird, steigt bei gleichem Wassermassenstrom die Wassergeschwindigkeit, wodurch der innere Wärmeübergang verbessert wird, aber auch die Wasserdruckverluste zunehmen.
Für einen nutzbaren Bereich „Einstellbereich” nimmt der konvektive Wärmeübergang zu bei unterproportionaler Zunahme des Druckverlustes.
Das Verfahren bietet eine sehr flexible Möglichkeit zur Leistungssteigerung von Wärmeaustauschern, durch Verbesserung des inneren Wärmeübergangs. Dies bietet sich vor allem bei den Wärmeaustauschern von Kreislaufverbundsystemen an. Da die Wassergeschwindigkeiten bei kleinen Gerätequerschnitten selbst bei höheren Luftgeschwindigkeiten aufgrund der Vorgabe Wärmekapazitätsstromverhältnis μ = 1 sehr klein ausfallen, kann deren Leistung mit vorliegendem Verfahren auf das Niveau der größeren Geräte gebracht werden. Diese weisen baubedingt proportional zu ihrer Breite höhere Wassergeschwindigkeiten auf. Für jedes Gerät kann entschieden werden, ob ein Stab oder Draht verwendet wird und mit welcher Dicke. Z. B. produzieren Geräte mit großem luftseitigen Anströmquerschnitt so viel Wasserdruckverlust, dass eine weitere Wassergeschwindigkeitssteigerung nicht mehr sinnvoll bzw. möglich ist.

Claims

Wärmeaustauscher zum Übertragen von Wärmeenergie von einem Medium auf ein zweites mit Rohren (1), durch deren Innenraum eines der zwei Medien strömt, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verkleinern des Rohrquerschnittes und zum Erhöhen der Strömungsgeschwindigkeit im Rohrinnenraum ein Einsatz (2, 3) einliegt, der sich zumindest über einen Teil der Rohrlänge erstreckt.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz ein Stab (2) oder Draht (3) aus Metall, Kunststoff, Keramik und/oder Glas ist.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stab (2) oder Draht (3) eine, zwei oder mehrere Biegungen aufweist.
Wärmeaustauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stab (2) oder Draht (3) wellen-, wendel- oder spiralförmig gebogen ist.
Wärmeaustauscher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (2, 3) zur ortsfesten Positionierung sowie zur schnelleren und einfacheren Montage durch die eigene Federsperrung fixiert ist.
Wärmeaustauscher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz (2, 3) zur ortsfesten Positionierung an seinen Enden mit dem Rohr (1) verlötet, verschweißt oder verklebt ist.