DE102009037388A1

DE102009037388A1 - Wärmetauscher in einem Strömungskanal

Info

Publication number: DE102009037388A1
Application number: DE102009037388A
Authority: DE
Inventors: Franz Josef Hoffmann; Volkhard Dr. Nobis
Original assignee: GEA Air Treatment GmbH
Current assignee: FlaektGroup Deutschland GmbH
Priority date: 2009-08-13
Filing date: 2009-08-13
Publication date: 2011-02-17
Also published as: WO2011018128A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen in einem Strömungskanal angeordneten Wärmetauscher, dessen ein erstes Fluid führende Rohre außenseitig Rippen und/oder Lamellen tragen, die parallel zur Strömungsrichtung eines zweiten Fluids ausgerichtet sind, das vom Strömungskanal geführt ist und die Rohre außen umströmt, um die Wärmeenergie vom ersten zum zweiten oder vom zweiten zum ersten Fluid zu übertragen, wobei der gesamte Wärmetauscher oder Teilbereiche des Wärmetauschers um eine Achse(n) verschwenkbar ist/sind, die quer insbesondere lotrecht zu den Seitenflächen der Rippen und/oder Lamellen liegt/liegen.

Description

Die Erfindung betrifft einen in einem Strömungskanal angeordneten Wärmetauscher, dessen ein erstes Fluid führende Rohre außenseitig Rippen und/oder Lamellen tragen, die parallel zur Strömungsrichtung eines zweiten Fluids ausgerichtet sind, das vom Strömungskanal geführt ist und die Rohre außen umströmt, um die Wärmeenergie vom ersten zum zweiten oder vom zweiten zum ersten Fluid zu übertragen.
Es ist bekannt, einen Wärmetauscher mit seinen Rohren und auf den Rohren angeordneten Rippen oder Lamellen in einem Strömungskanal quer anzuordnen, um eine Wärmeübertragung zwischen dem Fluid in den Rohren und dem Fluid im Strömungskanal zu erreichen. Hierbei erzeugt der Wärmetauscher im Fluid des Strömungskanals über den Wärmetauscher einen Druckverlust, der auch dann unverändert gegeben ist, wenn eine Wärmeübertragung nicht oder in einem geringen Maß durchgeführt wird. Damit muss unabhängig von der Benutzung des Wärmetauschers stets eine erhebliche elektrische Energie aufgewendet werden, um im Strömungskanal den stets gleich bleibenden Strömungswiderstand am Wärmetauscher zu überwinden.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Strömungswiderstand außen am Wärmetauscher zu verringern, wenn der Wärmetauscher in einem geringeren Maße oder nicht tätig ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der gesamte Wärmetauscher oder Teilbereiche des Wärmetauschers um eine Achse(n) verschwenkbar ist/sind, die quer insbesondere lotrecht zu den Seitenflächen der Rippen und/oder Lamellen liegt/liegen.
Hierdurch kann der gesamte Wärmetauscher oder können Teilbereiche des Wärmetauschers aus der Strömung des Strömungskanals teilweise oder vollständig herausgeschwenkt werden, so dass der Strömungswiderstand entsprechend der geringeren Nutzung des Wärmetauschers verringert wird. Dies ermöglicht eine erhebliche Einsparung elektrischer Energie, die für das Erzeugen der Strömung des Fluids im Strömungskanal erforderlich ist.
Eine höhere Leistung und/oder eine geringere Bautiefe des Wärmetauschers wird erreicht, wenn er in einer Schrägstellung, bei der seine vordere Anströmfläche einen spitzen Winkel insbesondere von α = 70 bis 85 Grad mit der Strömungsrichtung des zweiten Fluids bildet, mit seinen Außenrändern gegenüber der Strömungskanalwand im Wesentlichen abgedichtet ist. Hierbei kann die Strömungskanalwand im Abdichtungsbereich konkav ausgebildet sein.
Die Bautiefe des Wärmetauschers ist in der schräg gestellten Ausführung für 100% Leistung kleiner als in der senkrechten Ausführung. Damit ist der Wärmetauscher auch kostengünstiger. Im größten Teil der Betriebsstunden besteht ein reduzierter Druckverlust und damit reduzierte Energiekosten. Eine Spitzenlast > 85% wird durch ein Ausklappen bzw. des Wärmetauschers zur Strömung abgedeckt.
Als Beispiel: Ein Nachhintenklappen ohne Bypass (Konturanpassung) bringt Mehrleistung. Ein Nachvorneklappen mit Bypass bringt einen leistungsangepassten Druckverlust.
Vorzugsweise wird vorgeschlagen, dass die Achse/n quer zur Strömungsrichtung des zweiten Fluids liegt/liegen. Ferner ist von Vorteil, wenn entsprechend des gewünschten Wärmeübertragungsgrades der Wärmetauscher oder die Teilbereiche des Wärmetauschers um die Achse(n) aus der Strömung teilweise oder vollständig herausschwenkbar ist/sind. Vorzugsweise ist/sind der Wärmetauscher oder Teilbereiche des Wärmetauschers um 5 bis 90 Grad um die Achse(n) verschwenkbar.
In einer äußerst vorteilhaften Ausführung ist die Achse mittig des Wärmetauschers angeordnet. Auch ist hierbei die Achse mittig des Strömungskanals des Wärmetauschers angeordnet. Die Anordnung der Achse im Schwerpunkt des Wärmetauschers ist von Vorteil, da in diesem Fall sowohl Moment der Wärmetauschermasse als auch der Luftreibung einen Ausgleich finden und daher kleine Antriebe Verwendung finden können.
Alternativ wird vorgeschlagen, dass die Achse seitlich des Wärmetauschers und außerhalb des Strömungskanals angeordnet ist und der Wärmetauscher in eine seitliche Erweiterung des Strömungskanals einschwenkbar ist.
Eine technische und wirtschaftlich vorteilhafte Lösung besteht darin, dass jeder Teilbereich ein Rohr aufweist, das quer zur Strömungsrichtung des zweiten Fluids liegt und das Rohr und/oder der Teilbereich um seine Längsachse mit seinen Rippen und/oder Lamellen verschwenkbar ist. Vorzugsweise sind hierbei die Teilbereiche durch ein Getriebe insbesondere durch ein Gestänge synchron verstellbar.
Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen
1 einen axialen Schnitt durch einen Strömungskanal mit einem Wärmetauscher in drei Drehstellungen;
2 einen axialen Schnitt durch einen Strömungskanal mit einem Wärmetauscher aus mehreren Teilbereichen, die jeweils in drei Drehstellungen dargestellt sind;
3 den Wärmetauscher in zwei Drehstellungen im Strömungskanal;
4 einen Strömungsweg im Wärmetauscher in zwei Drehstellungen;
5 einen außermittig angelenkten Wärmetauscher mit konkav geformter Abdeckung der Strömungskanalwand;
6 eine Strömungskanalwand mit seitlicher Erweiterung, in der der Wärmetauscher einschwenkbar ist;
7 einen mittig angelenkten Wärmetauscher mit konkav geformten Abdichtungen der Strömungskanalwand auf beiden Wärmetauscherseiten.
Nach 1 ist in einem Strömungskanal 1 ein Wärmetauscher 2 angeordnet, der im Wesentlichen den gesamten Querschnitt des Strömungskanals ausfüllt. Der Wärmetauscher weist mehrere zueinander parallele Rohre 3 auf, die quer zur Strömungsrichtung S und im Strömungskanal 1 liegen und von einem ersten Fluid 4 durchflossen sind und zahlreiche zueinander parallele Lamellen 5 tragen. Hierbei bilden die Lamellen miteinander gleiche Abstände, wobei die Rohre 3 die Lamellen 5 lotrecht durchdringen.
Die Lamellen 5 liegen damit in Strömungsrichtung S, so dass das Fluid 6 im Strömungskanal zwischen den Lamellen 5 hindurchströmt. Die Rohre 3 und die Lamellen 5 bilden einen Wärmetauscher 2 in Form eines kompakten Blockes, der um eine mittige Achse 7 verschwenkbar ist, die parallel zu den Rohren 3, lotrecht zu den Lamellen 5 und quer bzw. senkrecht zu der Strömungsrichtung S liegt.
Der Wärmetauscher 2 ist aus der Stellung A, in der er den Querschnitt des Strömungskanals vollständig auffüllt, in die Stellung B und C um die Achse 7 bis zu 90 Grad verschwenkbar, wobei in der Stellung C die Druckdifferenz über den Wärmetauscher am geringsten ist. Die Stellung A wird bei voller Leistung des Wärmetauschers, die Stellung B bei gedrosselter Leistung und die Stellung C bei geringer Leistung oder bei abgestelltem Wärmetauscher eingenommen. Das Drehverstellen des Wärmetauschers erfolgt vorzugsweise motorisch über einen seitlich angeordneten Elektromotor.
Die Ausführung nach 2 unterscheidet sich von der nach 1 nur dadurch, dass der Wärmetauscher 2 aus mehreren Teilbereichen 2a zusammengesetzt ist, die jeweils zumindest ein Rohr 3 aufweisen, das zahlreiche Lamellen 5 trägt. Die Rohre 3 sind wiederum quer zur Strömung S und die Lamellen 5 in Strömungsrichtung angeordnet. Jeder Teilbereich 2a ist um eine Achse 7 verschwenkbar, die parallel insbesondere koaxial zum jeweiligen Rohr 3 liegt. Alle Teilbereiche 2a sind synchron von der Stellung A in die Stellung B und C verschwenkbar, wobei das Verschwenken vorzugsweise motorisch über ein seitliches Gestänge erfolgt.
In beiden Ausführungen können die Rohre 3 statt Lamellen 5 auch Rippen tragen, die parallel zur Strömungsrichtung S ausgebildet sind. Bei beiden Ausführungen verbleiben die Lamellen 5 oder Rippen in allen Drehstellungen unverändert in Strömungsrichtung S.
3 und 4 zeigen eine zur Strömungsrichtung S senkrechte und eine dazu leicht geneigte schräge Stellung. In der schrägen Stellung bildet die vordere Anströmfläche 10 einen spitzen Winkel α mit der Strömungsrichtung S. Hierbei beträgt der Winkel α etwa 70 bis 85 Grad, vorzugsweise 80 Grad. Ein solcher Wärmetauscher, der im Strömungskanal eingebaut ist, erzielt bei gleichen thermischen Randbedingungen für die beiden Fluide veränderliche Übertragungsleistungen in Abhängigkeit der Position (Drehwinkel) zur Strömungsrichtung. Grund hierfür ist die unterschiedliche überströmte Länge der Lamellen 5 im Wärmetauscher. Ein leicht geneigter Wärmetauscher bietet bei vollem Volumenstromtransfer (kein Bypass) eine längere Anströmfläche der Lamellen als ein lotrecht zur Strömung positionierter. Dadurch kann die Bautiefe eines schräg gestellten Wärmetauschers reduziert werden, da die fehlende Fläche durch die vergrößerte überströmte Lamellenlänge kompensiert wird. Die Leistungsfähigkeit wird also gesteigert. 3 verdeutlicht die Einbaupositionen, während 4 in einer Detailansicht den verlängerten Strömungsweg über die Lamellen darstellt.
Vorzugsweise ist dafür gesorgt, dass in der leicht geneigten Schrägstellung der obere und/oder untere Außenrand 8 des Wärmetauschers dicht an der Kanalwand 9 anliegt. Hierzu bildet die Kanalwand einen konkaven Abdichtungsbereich 11. Bei einer außermittig angeordneten Drehachse 7 ist der konkave Abdichtungsbereich 11 nur an einem insbesondere oberen Seitenrand 8 des Wärmetauschers angeordnet (siehe 5), während bei einem um eine mittlere Achse 7 verschwenkbaren Wärmetauscher konkave Abdichtungsbereiche 11 sich an beiden Enden bzw.
Außenrändern 8 insbesondere oben und unten an der Innenseite der Kanalwand 9 sich befinden.
Schließlich zeigt 6 einen außermittig insbesondere unten angelenkten Wärmetauscher, der um die Achse 7 in eine Erweiterung 12 der Kanalseitenwand 9 einschwenkbar ist, so dass er in dieser zur Strömungsrichtung parallelen insbesondere waagerechten Stellung den Kanalquerschnitt völlig frei gibt.

Claims

In einem Strömungskanal (1) angeordneter Wärmetauscher (2), dessen ein erstes Fluid (4) führende Rohre (3) außenseitig Rippen und/oder Lamellen (5) tragen, die parallel zur Strömungsrichtung (S) eines zweiten Fluids (6) ausgerichtet sind, das vom Strömungskanal (1) geführt ist und die Rohre (3) außen umströmt, um die Wärmeenergie vom ersten zum zweiten oder vom zweiten zum ersten Fluid zu übertragen, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Wärmetauscher (2) oder Teilbereiche (2a) des Wärmetauschers um eine Achse(n) (7) verschwenkbar ist/sind, die quer insbesondere lotrecht zu den Seitenflächen der Rippen und/oder Lamellen (5) liegt/liegen.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse/n (7) quer zur Strömungsrichtung des zweiten Fluids (6) liegt/liegen.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass entsprechend des gewünschten Wärmeübertragungsgrades der Wärmetauscher (2) oder die Teilbereiche (2a) des Wärmetauschers um die Achse(n) (7) aus der Strömung teilweise oder vollständig herausschwenkbar ist/sind.
Wärmetauscher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (2) oder Teilbereiche (2a) des Wärmetauschers um 5 bis 90 Grad um die Achse(n) (7) verschwenkbar ist/sind.
Wärmetauscher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse (7) mittig des Wärmetauschers angeordnet ist.
Wärmetauscher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse (7) mittig des Strömungskanals des Wärmetauschers angeordnet ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse (7) seitlich des Wärmetauschers (2) und außerhalb des Strömungskanals (1) angeordnet ist und der Wärmetauscher (2) in eine seitliche Erweiterung (12) des Strömungskanals (1) einschwenkbar ist.
Wärmetauscher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er in einer Schrägstellung, bei der seine vordere Anströmfläche (10) einen spitzen Winkel insbesondere von α = 70 bis 85 Grad mit der Strömungsrichtung (S) des zweiten Fluids bildet, mit seinen Außenrändern (8) gegenüber der Strömungskanalwand (9) im Wesentlichen abgedichtet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanalwand (9) im Abdichtungsbereich (11) konkav ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Teilbereich (2a) ein Rohr (3) aufweist, das quer zur Strömungsrichtung (5) des zweiten Fluids (6) liegt und das Rohr und/oder der Teilbereich (2a) um seine Längsachse mit seinen Rippen und/oder Lamellen (5) verschwenkbar ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilbereiche (2a) durch ein Getriebe insbesondere durch ein Gestänge synchron verstellbar sind.