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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bei Kraftwerksanlagen werden beispielsweise DACC (Direct Air Cooled Condenser) Kühlsysteme als auch indirekte Kühlsysteme verwendet. Bei den Kühlsystemen handelt es sich letztendlich um Wärmetauscher (auch Wärmeübertrager oder Wärmeaustauscher genannt), die thermische Energie von einem Stoff oder Stoffstrom auf einen anderen übertragen. Zwischen diesen Stoffen bzw. Stoffströmen befindet sich in der Regel eine trennende, jedoch wärmeleitende Wand. Bei dem einen Stoffstrom handelt es sich im Kraftwerksbetrieb vorzugsweise um Wasserdampf. Bei dem anderen Stoffstrom kann es sich beispielsweise um Luft, insbesondere Umgebungsluft handeln.
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Hintergrund für die Verwendung von luftgekühlten Wärmetauschern ist die Umwelt schonende und Wasser sparende Auswirkung dieser Systeme. Es besteht im Standard nur ein Kühlkreislauf. Die Wärme wird über Wärmetauscher direkt an die Umluft abgegeben. Die Wärmeabgabe erfolgt beispielsweise über Stahlrohre mit aufgelöteten Alu-Finnen. Aus Korrosionsgründen und um Aluminium prozesssicher auflöten zu können werden die Rohre beispielsweise aus mit Aluminium plattierten Stahl hergestellt.
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Diese Kraftwerksanlagen werden vorzugsweise in Regionen mit einem Mangel an Wasser als auch in Regionen hoher Temperatur und bei hohen Luftfeuchtigkeitswerten benutzt, um die Umwelt zu schonen. Bei diesem Typus von Kraftwerken ist ein wesentlicher Faktor für die Effizienz des Kraftwerkes die Druckdifferenz vor der Turbine (ca. 200 bar) und dem Unterdruck in dem Kühlsystem (möglichst < 100 mbar). Es ist bekannt, dass ein geringer Druckanstieg im Kühlsystem und damit verbunden eine Reduzierung der Druckdifferenz von wenigen mbar zu erheblichen Effizienzreduzierungen des gesamten Kraftwerkes führt.
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Der Unterdruck in dem Kühlsystem wird primär erzeugt durch die Kondensation des Wasserdampfes. Dies bedeutet dass in den Kühlrohren ein Gas-Kondensat-System entsteht, bei dem unterschiedlichste Phasen auftreten. Im oberen Bereich der Rohre tritt das Wasserdampfgemisch auf, das von der Turbine zu dem Kühlsystem geleitet wird. Während des Abkühlvorganges und dem der verbundenen Volumenreduktion (Druckreduzierung) basierend auf der Kondensation des Wasserdampfes liegt im mittleren Bereich des Rohres ein Gemisch mehrerer Phasen vor. Im unteren Bereich der Rohre ist die Kondensation weitgehend abgeschlossen und das kondensierte Wasser läuft in die dafür vorgesehenen Behälter.
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Die Fläche für ein Kühlsystem für ein Kraftwerk mit z. B. 2 × 600 MW kann leicht die Größe von mehreren Hektar erreichen, wobei die Kühlsysteme aus Effizienzgründen auf Stahlkonstruktionen in einer Höhe von bis zu 80 m angebracht sind. Die Größe der notwendigen Kühlsysteme hängt unter anderem von der Kühlleistung der Kühlsysteme und damit von der Kühlleistung der Rohre ab. Die derzeit bekannten, in den Kühlsystemen verwendeten Wärmetauscher benötigen eine sehr große Fläche.
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Eine maßgebliche Größe für die Effektivität des Wärmetauschers stellt unter Anderem die Wärmeübertragungsleistung Q = k·A·Δθ mit
- k
- – Wärmedurchgangszahl
- A
- – Kontaktfläche
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Delta Teta – mittlere Temperaturdifferenz
des Wärmetauschers dar. Es ist wünschenswert die Wärmeübertragungsleistung des Wärmetauschers bei gleicher oder kleinerer Dimensionierung zu erhöhen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, einen verbesserten Wärmetauscher bereitzustellen, insbesondere einen Wärmetauscher vorzuschlagen, der bei geringerer Dimensionierung eine höhere oder zumindest gleichbleibende Wärmeübertragungsleistung aufweist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Wärmetauscher mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch, dass die Oberfläche der Wand zumindest abschnittsweise einen arithmetischen Mittenrauwert Ra von 2 bis 20 μm, vorzugsweise 10 μm, oder eine Rautiefe Rz von 10 bis 50 μm, vorzugsweise 30 μm, aufweist, kann der Wärmetauscher bei gleichbleibender Wärmeübertragungsleistung in seinem Volumen reduziert werden und die Stabilität des gesamten Kraftwerk-Kühlsystems wird verbessert. Durch den höheren Mittenrauwert oder die höhere Rautiefe wird die Strömung, insbesondere die Gasströmung aus Luft- und Wasserdampf-Gemisch, an der Wandungsoberfläche verändert, was zu einem höheren Wärmeübertrag an die Wandung führt. Weiterhin wird die Wärmetauscherkontaktfläche durch die Rauheitsausführung erhöht. Insbesondere beim Einsatz eines derartig ausgestalteten Wärmetauschers im Kraftwerksbereich kann somit der Wirkungsgrad des Kraftwerkes erhöht werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Wärmetauschers ergeben sich insbesondere aus den Merkmalen der Unteransprüche. Die Merkmale der Unteransprüche können grundsätzlich beliebig miteinander kombiniert werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers kann vorgesehen sein, dass die Oberfläche der Wand zumindest abschnittsweise einen arithmetischen Mittenrauwert Ra von 2 bis 20 μm, vorzugsweise 10 μm, und eine Rautiefe Rz von 10 bis 50 μm, vorzugsweise 30 μm, aufweist. Hierdurch kann der Wärmetauscher bei gleichbleibender Wärmeübertragungsleistung noch vorteilhafter in seinem Volumen reduziert werden und die Stabilität des gesamten Kraftwerk-Kühlsystems verbessert werden. Durch den höheren Mittenrauwert und die höhere Rautiefe wird die Strömung, insbesondere die Gasströmung aus Luft- und Wasserdampf-Gemisch, an der Wandungsoberfläche verändert, was zu einem höheren Wärmeübertrag an die Wandung führt. Weiterhin wird die Wärmetauscherkontaktfläche durch die Rauheitsausführung erhöht. Insbesondere beim Einsatz eines derartig ausgestalteten Wärmetauschers im Kraftwerksbereich kann somit der Wirkungsgrad des Kraftwerkes erhöht werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers kann vorgesehen sein, dass der Wärmetauscher mindestens ein Rohr aufweist, wobei die Innenseite und/oder die Außenseite des Rohres zumindest abschnittsweise den angegebenen Mittenrauwert und/oder Rautiefe aufweist. In einer derartigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers wird die trennende Wand von der Rohrwand gebildet. Insofern ist in dieser Bauform vorgesehen, dass die Rohrwand entsprechend aufgeraut ist, um eine höhere Wärmeübertragungsleistung bei gleichbleibender oder sogar geringerer Abmessung des Rohres zu ermöglichen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers kann vorgesehen sein, dass das Rohr mit Finnen, insbesondere Finnen aus Aluminium, ausgestattet ist. Mit einer derartigen Ausgestaltung des Rohres lässt sich ein sogenanntes Kühlregister oder je nach Anwendungsfall auch Heizregister aufbauen. Ein derartiger Wärmetauscher eignet sich in besonders vorteilhafter Weise für den Einsatz in DACC (Direct Air Cooled Condenser) Kühlsysteme in Kraftwerken, wobei hier durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Rohres eine größere Wärmeübertragungsleistung bei geringerer Baugröße des Wärmetauschers erzielt werden kann. Beim Einsatz im Kraftwerksbereich kann hierdurch auch noch die Effizienz des Kraftwerkes verbessert werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers kann vorgesehen sein, dass das Rohr zumindest abschnittsweise aus einem mit Aluminium plattierten Stahl besteht. Vorzugsweise bildet das Aluminium die Außenseite des Rohres, so dass beispielsweise ebenfalls aus Aluminium bestehende Finnen hier auf einfache Art und Weise, z. B. durch Löten, angebracht werden können.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers kann vorgesehen sein, dass der Wärmetauscher mindestens eine Platte aufweist, wobei die Innenseite und/oder die Außenseite der Platte zumindest abschnittsweise den angegebenen Mittenrauwert und/oder Rautiefe aufweist. Eine derartige Bauform bildet letztendlich die Grundlage für einen Plattenwärmetauscher. Mit der erfindungsgemäßen Rauhigkeit der trennenden und wärmeaustauschenden Platte, ist auch ein derartiger Plattenwärmetauscher leistungsfähiger bei geringerem oder gleichbleibendem Bauraum.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen
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1 ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher in einer ersten Ausführungsform mit Finnen;
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2 ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher in einer weiteren Ausführungsform als Mantelrohrwärmetauscher.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rohr/inneres Rohr
- 2
- Finnen
- 3
- äußeres Rohr bzw. Mantelrohr
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Ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher umfasst mindestens eine die Stoffe bzw. Stoffströme trennende Wand. Insofern handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher vorzugsweise um einen Wärmetauscher mit indirekter Wärmeübertragung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass Stoffströme räumlich durch eine wärmedurchlässige Wand getrennt sind. Wärmetauscher dieser Klasse werden auch Rekuperator genannt. Denkbar sind auch Bauformen als Regeneratoren.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Oberfläche dieser trennenden Wand zumindest abschnittsweise einen arithmetischen Mittenrauwert Ra von 2 bis 20 μm, vorzugsweise 10 μm und/oder eine Rautiefe Rz von 10 bis 50 μm, vorzugsweise 30 μm aufweist.
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Das Kürzel Ra steht für den arithmetischen Mittenrauwert uns ist nach DIN EN ISO 4287: 1998 genormt. Der Mittenrauwert ist der arithmetische Mittelwert der Beträge des Rauheitsprofiles und beschreibt die Rauhigkeit einer technischen Oberfläche. Zur Ermittlung dieses Messwertes wird die Oberfläche auf einer definierten Messstrecke abgetastet und sämtliche Höhen- und Tiefenunterschiede der rauen Oberfläche aufgezeichnet. Nach der Berechnung des bestimmten Integrals dieses Rauhigkeitsverlaufes auf der Messstrecke wird abschließend dieses Ergebnis durch die Länge der Messstrecke dividiert.
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Die so genannte gemittelte Rautiefe, dargestellt durch das Symbol Rz, wird folgendermaßen ermittelt. Eine definierte Messstrecke auf der Oberfläche des Werkstücks wird in sieben gleich große Einzelmessstrecken eingeteilt. Die Auswertung erfolgt aber nur über 5 dieser Strecken, da der anzuwendende Gauß-Filter eine halbe Einzelmessstrecke Vor- bzw. Nachlauf benötigt, respektive eine Faltung ein nicht zu unterschätzendes Ein- und Auslaufverhalten aufweist. Von jeder dieser Einzelmessstrecken wird die Differenz aus maximalem und minimalem Wert des Profils ermittelt. Aus den somit erhaltenen fünf Werten wird der Mittelwert gebildet. Rz ist demnach als der arithmetische Mittelwert der Einzelrautiefen aufeinanderfolgender Einzelmessstrecken definiert.
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Die trennende und erfindungsgemäß aufgeraute Wand kann je nach Bauform des Wärmetauschers unterschiedliche Ausgestaltungen und Positionen einnehmen.
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In einer ersten Ausführungsform umfasst der Wärmetauscher ein Rohr 1, welches mit Finnen 2, vorzugsweise Finnen aus Aluminium ausgestattet ist. Eine derartige Bauform des Wärmetauschers wird auch als Kühlregister oder je nach Anwendungsfall auch als Heizregister bezeichnet. Die wärmedurchlässige trennende Wand wird entsprechend durch die Rohrwand gebildet. Es ist vorgesehen, dass die Innenwand des Rohres 1 den oben genannten erfindungsgemäßen Mittenrauwert Ra und Rautiefe Rz aufweist. Teile der Innenwand, wie beispielsweise Anschlussbereiche, müssen nicht den vorgenannten Mittenrauwert Ra bzw. Rautiefe Rz aufweisen. Ein derartig ausgestalteter Wärmetauscher eignet sich in vorteilhafter Weise zur Kühlung eines durch das Rohr strömenden Fluids durch Luft, insbesondere Umgebungsluft.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Wärmetauscher mindestens zwei Rohre 1, beispielsweise ein inneres Rohr 1 und ein äußeres Rohr 3. Eine derartige Bauform wird als Mantelrohrwärmeübertrager bezeichnet. Die wärmedurchlässige und trennende Wand mit der vorgeschlagenen Rauhigkeit wird entsprechend durch die Rohrwand des Innenrohres 1 gebildet. Es kann vorgesehen sein, dass sowohl die Innenwand als auch die Außenwand des inneren Rohres den oben genannten erfindungsgemäßen Mittenrauwert Ra und Rautiefe Rz aufweist. In 2 sind die Stoffströme durch die Blockpfeile angedeutet. Hier ist zufällig das Gegenstromprinzip gewählt worden, wobei ein Gleichstrom selbstverständlich ebenfalls möglich ist. Die Rohre bestehen vorzugsweise aus einem geeigneten Stahl, wobei auch hier weitere Materialien, insbesondere auch Verbundwerkstoffe zum Einsatz kommen können.
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Für den erfindungsgemäßen Wärmetauscher sind zahlreiche weitere Bauformen denkbar. So kann der erfindungsgemäße Wärmetauscher beispielsweise als Plattenwärmeübertrager, Rohrbündelwärmeübertrager, U-Rohr-Wärmeübertrager, Gegenstrom-Schichtwärmeübertrager, etc. ausgestaltet sein. Die vorgenannte Liste der Bauformen ist nicht abschließend. Es sind weitere Bauformen denkbar. Auch Kombinationen, beispielsweise Rohr-Plattenwärmetauscher sind denkbar. Auch besteht ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher in der Regel aus einer Anzahl von Rohren oder Platten, die zu sogenannten „Bundles” zusammengefasst sind.
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Als Stoff oder Stoffstrom der in dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher eingesetzt wird, kommen sowohl flüssige, als auch gasförmige Medien, wie beispielsweise Luft, Wasser, Wasserdampf etc. zum Einsatz.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN EN ISO 4287: 1998 [0022]
