DE19503766A1 - Rippenrohr-Wärmeaustauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Rippenrohr-Wärmeaustauscher gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs 1.

Der Rippenrohr-Wärmeaustauscher gemäß der DE-PS 34 19 734 ist in der Lage, große Dampfmengen zu kondensieren. Er weist darüberhinaus den Vorteil auf, daß sich an jeder Stelle der Wärmeaustauscherrohre ein Druckausgleich zwi­ schen allen Bereichen des Rohrquerschnitts einstellt. Da­ durch ist die Kondensation des Abdampfs in den der Strö­ mungsrichtung der Kühlluft zugekehrten vorderen Rohrab­ schnitten an exakt derselben Stelle beendet, wie in den in Strömungsrichtung der Kühlluft hinteren Rohrabschnit­ ten. Totzonen können sich somit kaum einstellen. Darüber­ hinaus werden relativ große Rohrquerschnitte gebildet, so daß die Strömungsdruckverluste infolge des größeren hydraulischen Querschnitts erheblich verringert werden.

Die senkrecht von den Oberflächen der Wärmeaustauscher­ rohre abstehenden Rippen sind glatt und vorsprungslos ausgebildet.

Gegenüber diesem Rippenrohr-Wärmeaustauscher weist der Rippenrohr-Wärmeaustauscher der DE-OS 19 58 909 in die Rippen zwischen den Wärmeaustauscherrohren integrierte Anlaufkanten auf. Die Anlaufkanten werden durch das Her­ ausdrücken von Flächenabschnitten aus den Ebenen der Rip­ pen gebildet. Dadurch findet die Kühlluft Hindernisse vor. Der Wärmeübergang wird durch diese Maßnahme zwar verbessert, jedoch der Nachteil erkauft, daß sich durch die Anlaufkanten der Druckverlust um ein Mehrfaches er­ höht.

Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, einen solchen Rippenrohr-Wär­ meaustauscher dahingehend zu vervollkommnen, daß der äu­ ßere Wärmeübergang zwischen der Kühlluft und den Oberflä­ chen der Wärmeaustauscherrohre ohne wesentliche Erhöhung des Druckverlustes merklich gesteigert werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmalen.

Danach sind die Rippen auf mindestens einer Seitenfläche mit eine zick-zack-förmige Konfiguration aufweisenden Luftleitnuten versehen. Trotz der zick-zack-förmigen Kon­ figuration haben die Luftleitnuten aber generell eine Längserstreckung in Strömungsrichtung der Kühlluft. Sie sind an den Rippenenden offen und erlauben es somit der Kühlluft, in den Luftleitnuten zu strömen, wobei durch die zick-zack-förmige Konfiguration ein deutlich verbes­ serter äußerer Wärmeübergang zwischen der Kühlluft und der Oberfläche der Wärmeaustauscherrohre erreicht wird, ohne daß die Druckverluste merklich erhöht werden.

Die Luftleitnuten können sich über die gesamte Seitenflä­ che einer Rippe erstrecken. Vorzugsweise sind sie durch entsprechende Prägung beidseitig einer Rippe vorgesehen. In diesem Fall liegen sich dann die Luftleitnuten benach­ barter Rippen frontal einander gegenüber.

Die erfindungsgemäß konfigurierten Rippen können einzeln an jedem Wärmeaustauscherrohr vorgesehen sein. Besonders vorteilhaft ist es aber, wenn zwei nebeneinander verlau­ fende Wärmeaustauscherrohre durch Rippen mit zick-zack-förmig verlaufenden Luftleitnuten stegartig verbunden sind. Es kann sich hierbei um Einzelrippen oder um wel­ lenförmige bzw. U- oder trapezförmig geprägte Rippenbän­ der handeln.

Obwohl es denkbar ist, daß die Luftleitnuten wellenförmig gekrümmt sind, wird eine bevorzugte Ausführungsform gemäß Anspruch 2 darin gesehen, daß die zueinander abge­ winkelten Nutenabschnitte der Luftleitnuten geradlinig verlaufen. Die Nutenabschnitte sind dabei bevorzugt gleich lang ausgebildet.

Zur besseren Luftführung ist es nach Anspruch 3 zweck­ mäßig, wenn zwei aufeinander folgende und im Winkel zu­ einander angeordnete Nutenabschnitte einer Luftleitnute durch einen bogenförmigen Übergangsabschnitt stufenlos miteinander verbunden sind. Vorteilhaft ist jeder Über­ gangsabschnitt kreisbogenförmig gekrümmt. Die Radien der Übergangsabschnitte sind zweckmäßig identisch ausgebil­ det.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Rippenge­ staltung wird in den Merkmalen des Anspruchs 4 erblickt.

Hierbei handelt es sich entweder um Einzelrippen, die über die Befestigungsleisten an den Wärmeaustauscherroh­ ren festgelegt sind, oder die Rippen bilden Bestandteil von wellen-, U- oder trapezförmigen Rippenbändern, welche über die Befestigungsleisten mit den Wärmeaustauscherroh­ ren verbunden sind.

Die in den einzelnen Feldern vorgesehenen, zueinander parallelen Nutenabschnitte der Luftleitnuten verlaufen bei dieser Ausführungsform nicht nur zick-zack-förmig in der Längsebene jeder Rippe, sondern auch im Winkel zu der generellen Längserstreckung einer Rippe. Die Erzeugung der Felder mit den Nutenabschnitten der Luftleitnuten so­ wie der durch die besondere räumliche Lage der Felder ge­ bildeten geneigten schlanken dreiecksförmigen Übergangs­ bereiche von den Feldern auf die Befestigungsleiste kann in bevorzugter Weise auf einer hierfür geeigneten Präge­ maschine durchgeführt werden.

Obwohl es möglich ist, die Längskanten der Felder in un­ terschiedlichen Winkeln zu den Parallelebenen einerseits bzw. zu der die Längskanten der Rippen schneidenden Ebene andererseits anzuordnen, sehen die Merkmale des Anspruchs 5 vor, daß diese Winkel gleich groß bemessen sind.

Um eine möglichst wirbelfreie Umlenkung der Kühlluft in den Luftleitnuten zu gewährleisten, weisen entsprechend Anspruch 6 die Übergangsabschnitte einen Radius von 1,5 mm bis 3 mm auf.

Weiter hat es sich bei internen Versuchen herausgestellt, daß optimale Wärmeübergangsbedingungen insbesondere dann herrschen, wenn nach Anspruch 7 der Abstand zweier senk­ recht zu der Symmetrielinie einer Luftleitnute ver­ laufender Querebenen, welche in Längsrichtung einer Luft­ leitnute aufeinander folgende Krümmungsmittelpunkte schneiden, etwa 7,5 mm bis 25 mm, bevorzugt etwa 10 mm, beträgt.

Darüberhinaus kann eine weitere Optimierung der Wärmeübergangsbedingungen dann erzielt werden, wenn gemäß Anspruch 8 der Schnittpunkt der Mittellinien von zwei aufeinander folgenden Nutenabschnitten einer Luftleitnute im Abstand von etwa 2,5 mm bis 5 mm, bevorzugt etwa 3,5 mm, von der Symmetrielinie einer Luftleitnute ange­ ordnet ist.

Aufgrund des Abstands der zwei aufeinander folgende Krüm­ mungsmittelpunkte einer Luftleitnute schneidenden Quer­ ebenen und des Abstands der Schnittpunkte der Mittelli­ nien von zwei aufeinander folgenden Nutenabschnitten von der Symmetrielinie beträgt der Abstand zwischen jeweils einer einen Krümmungsmittelpunkt schneidenden Querebene und den Schnittpunkten der angrenzenden Mittellinien der Nutenabschnitte mit der Symmetrielinie etwa 3 mm bis 10 mm, bevorzugt etwa 7,5 mm.

Desweiteren ist es erfindungsgemäß von Vorteil, wenn nach Anspruch 9 die Luftleitnuten einen halbkreisförmigen Querschnitt mit einem Radius und einer Tiefe von etwa 1 mm bis 2 mm, bevorzugt etwa 1,5 mm, aufweisen.

Der gleichmäßige Verlauf der Luftleitnuten - bevorzugt auf beiden Seitenflächen der Rippen - wird entsprechend Anspruch 10 dadurch optimiert, daß der Abstand der Mit­ tellinien zweier benachbarter Luftleitnuten etwa 4,5 mm bis 6 mm, bevorzugt etwa 5,0 mm, beträgt. Dadurch ergibt sich ein Verhältnis des Abstands zweier in Längsrichtung einer Luftleitnute aufeinander folgende Krüm­ mungsmittelpunkte schneidender Querebenen zu dem Abstand der Mittellinien zweier benachbarter Luftleitnuten von etwa 3,5-4,5 : 1, bevorzugt 4 : 1.

Schließlich kann eine weitere Verbesserung der Wärmeüber­ gangsbedingungen gemäß Anspruch 11 dadurch erfolgen, daß der Abstand zweier benachbarter Rippen etwa 2 mm bis 4 mm, bevorzugt etwa 3 mm, beträgt.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeich­ nungen veranschaulichten Ausführungsbeispielen näher er­ läutert. Es zeigen

Fig. 1 im Schema einen vertikalen Querschnitt durch einen Abschnitt eines Rippenrohr-Wärmeaus­ tauschers;

Fig. 2 eine Teilansicht auf den Rippenrohr-Wärmeaus­ tauscher gemäß dem Pfeil II der Fig. 1;

Fig. 3 in vergrößerter Darstellung den Ausschnitt III der Fig. 1;

Fig. 4 im Schema in vergrößertem Maßstab den Verlauf einer Luftleitnute;

Fig. 5 einen vergrößerten Querschnitt durch die Dar­ stellung der Fig. 3 entlang der Linie V-V;

Fig. 6 in der Perspektive einen Abschnitt eines U-förmig konfigurierten Rippenbands;

Fig. 7 eine Seitenansicht auf das Rippenband der Fig. 6 und

Fig. 8 eine Draufsicht auf das Rippenband der Fig. 6.

Mit 1 ist in den Fig. 1 bis 3 ein Teilbereich eines Rippenrohr-Wärmeaustauschers zur Kondensation der Ab­ dämpfe großer Turbinenanlagen mittels Kühlluft bezeich­ net.

Der Rippenrohr-Wärmeaustauscher 1 weist mehrere parallel im Abstand A nebeneinander angeordnete Wärmeaustauscher­ rohre 2 mit einem länglichen Querschnitt auf. Die Wärme­ austauscherrohre 2 sind durch Rippen 3 miteinander ver­ bunden, die sich parallel zur Strömungsrichtung SR der Kühlluft erstrecken und durch geeignete Fixierleisten senkrecht auf den seitlichen Oberflächen 4 der Wärmeaus­ tauscherrohre 2 befestigt sind.

Die Fig. 1 zeigt, daß die Länge L des Querschnitts der Wärmeaustauscherrohre 2 um ein Mehrfaches größer als die Breite B bemessen ist.

Die im Abstand A1 von 3 mm zueinander angeordneten Rippen 3 (Fig. 2 und 5) besitzen auf beiden Seitenflächen 5 in zick-zack-förmiger Konfiguration parallel nebeneinan­ der verlaufende und in Strömungsrichtung SR der Kühlluft durchgehende, an den Rippenenden 6 offene Luftleitnuten 7, die durch eine entsprechende Prägung der Rippen 3 mit einer Dicke D von etwa 0,1 mm bei Aluminium oder Kupfer bzw. etwa bis 0,5 mm bei Stahl gebildet sind (Fig. 1 bis 5).

Jede Luftleitnute 7 setzt sich aus geradlinig verlaufen­ den Nutenabschnitten 8 und jeweils zwei aufeinander fol­ gende Nutenabschnitte 8 stufenlos miteinander verbinden­ den bogenförmigen Übergangsabschnitten 9 zusammen (Fig. 1, 3 und 4). Die Fig. 4 zeigt dabei in vergrö­ ßerter Darstellung anhand der verstärkt hervorgehobenen Mittellinien 10 zweier aufeinander folgender Nutenab­ schnitte 8 die geometrischen Verhältnisse einer Luftleit­ nute 7.

Danach ist zu erkennen, daß die bogenförmigen Übergangs­ abschnitte 9 halbkreisförmig gekrümmt sind. Die Krüm­ mungsmittelpunkte 11 der Übergangsabschnitte 9 liegen hierbei im Abstand von der Symmetrielinie SL der Luft­ leitnute 7. Die Übergangsabschnitte 9 besitzen einen Ra­ dius R1 von 1,5 mm bis 3 mm. Der Abstand A2 von zwei auf­ einander folgende Krümmungsmittelpunkte 11 schneidenden Querebenen (E) beträgt 10 mm. Der Schnittpunkt 12 der Mittellinien 10 von zwei aufeinander folgenden Nutenab­ schnitten 8 ist im Abstand A3 von 3,5 mm von der Symme­ trielinie SL angeordnet.

Aus der Fig. 5 ist noch ersichtlich, daß die Luftleitnu­ ten 7 einen halbkreisförmigen Querschnitt mit einem Ra­ dius R und einer Tiefe T von 1,5 mm aufweisen.

Der Abstand A4 der Mittellinien 10 zweier benachbarter Luftleitnuten beträgt 5,0 mm (Fig. 1 und 5).

Das U-förmig konfigurierte Rippenband 13 der Fig. 6 bis 8 besteht aus einer Vielzahl von Rippen 3a und die Rippen 3a verbindenden Befestigungsleisten 14, 14a, wel­ che zugleich auch der Festlegung des Rippenbands 13 an den Wärmeaustauscherrohren 2 dienen. Die sich in der Ebene E1-E1 erstreckenden Befestigungsleisten 14 verlau­ fen parallel zu den in der Ebene E2-E2 angeordneten Befe­ stigungsleisten 14a.

Die Rippen 3a sind in Längsrichtung in mehrere zick-zack-förmig aufeinander folgende Felder 15 mit jeweils paral­ lelen Nutenabschnitten 8a aufgegliedert. Die Nutenab­ schnitte 8a bilden auch hier, wie bei der Ausführungsform der Fig. 1 bis 5, Bestandteile von über die Länge der Rippen 3a durchgehenden Luftleitnuten 7a.

Die Längskanten 16, 17 der Felder 15 verlaufen sowohl im Winkel α, α1 zu den sich in den parallelen Ebenen E1-E1, E2-E2 erstreckenden Befestigungsleisten 14, 14a als auch im Winkel β, β1 zu der die Längskanten 18, 19 jeder Rippe 3a schneidenden Ebene E3-E3. Die Winkel α, α1, β, β1 betragen 14°.

Durch die um zwei durch den Flächenschwerpunkt FSP der Felder 15 verlaufenden Achsen erfolgende Ausprägung der schräg im Raum liegenden Felder 15 werden in Längsrich­ tung der Rippen 3a schlanke dreieckförmige Bereiche 20 zwischen den Längskanten 16, 17 der Felder 15 und den Längskanten 18, 19 der Rippen 3a gebildet.

Ansonsten entspricht die Ausbildung der Rippen 3a und der an den Rippen 3a ausgeprägten Luftleitnuten 7a der Aus­ bildung der Rippen 3 sowie der Luftleitnuten 7 der Aus­ führungsform der Fig. 1 bis 5, so daß auf eine nochma­ lige Erläuterung verzichtet werden kann.

Bezugszeichenliste

1 Rippenrohr-Wärmeaustauscher
2 Wärmeaustauscherrohre
3 Rippen
3a Rippen v. 13
4 Oberflächen v. 2
5 Seitenflächen v. 3
6 Rippenenden
7 Luftleitnuten
7a Luftleitnuten
8 Nutenabschnitte
8a Nutenabschnitte
9 Übergangsabschnitte
10 Mittellinien v. 8, 8a
11 Krümmungsmittelpunkte v. 9
12 Schnittpunkt v. 10
13 Rippenband
14 Befestigungsleisten
14a Befestigungsleisten
15 Felder v. 3a
16 Längskanten v. 15
17 Längskanten v. 15
18 Längskanten v. 3a
19 Längskanten v. 3a
20 dreieckförmige Bereiche
α Winkel zw. 16 u. 14
α1 Winkel zw. 17 u. 15
β Winkel zw. 18 u. 16
β1 Winkel zw. 17 u. 19
A Abstand v. 2
A1 Abstand v. 3, 3a
A2 Abstand v. E
A3 Abstand 12 v. SL
A4 Abstand v. 10
B Breite v. 2
D Dicke v. 3, 3a
E Querebenen durch 11
E1-E1 Ebene v. 14
E2-E2 Ebene v. 14a
E3-E3 Ebene durch 18, 19
L Länge v. 2
R Radius v. 7, 7a
R1 Radius v. 9
SL Symmetrielinien v. 7, 7a
SR Strömungsrichtung der Kühlluft
T Tiefe v. 7, 7a

Claims (11)

1. Rippenrohr-Wärmeaustauscher, insbesondere zur Konden­ sation der Abdämpfe großer Turbinenanlagen mittels Kühlluft, welcher mit parallelen Rippen (3, 3a) ver­ sehene Wärmeaustauscherrohre (2) aufweist, die in Strömungsrichtung (SR) der Kühlluft einen länglichen Querschnitt besitzen, dessen Länge (L) um ein Mehr­ faches größer als seine Breite (B) bemessen ist, wo­ bei sich die Rippen (3, 3a) parallel zur Strömungs­ richtung (SR) der Kühlluft erstrecken und Strömungs­ leiteinrichtungen (7, 7a) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß als Strömungsleit­ einrichtungen mehrere Luftleitnuten (7, 7a) vorgese­ hen sind, die auf mindestens einer Seitenfläche (5) der Rippen (3, 3a) ausgeprägt sind, in zick-zack-för­ miger Konfiguration parallel nebeneinander verlaufen, sich durchgehend längs der Strömungsrichtung (SR) der Kühlluft erstrecken und an den Rippenenden (6) offen sind.

2. Rippenrohr-Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zueinander abgewinkelten Nutenabschnitte (8, 8a) der Luftleitnuten (7, 7a) geradlinig verlaufen.

3. Rippenrohr-Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei aufeinander folgende Nutenabschnitte (8, 8a) einer Luftleitnute (7, 7a) durch einen bogenförmigen Über­ gangsabschnitt (9) stufenlos miteinander verbunden sind.

4. Rippenrohr-Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die an beiden Längskanten (18, 19) mit in paral­ lelen Ebenen (E1-E1, E2-E2) sich erstreckenden, in entgegengesetzte Richtungen weisenden Befestigungs­ leisten (14, 14a) versehenen Rippen (3a) in Längs­ richtung in mehrere zick-zack-förmig aufeinanderfol­ gende Felder (15) mit jeweils parallelen Nutenab­ schnitten (8a) aufgegliedert sind, wobei die Längs­ kanten (16, 17) der Felder (15) sowohl im Winkel (α, α1) zu den Parallelebenen (E1-E1, E2-E2) als auch im Winkel (β, β1) zu der beide Längskanten (18, 19) einer Rippe (3a) schneidenden Ebene (E3-E3) ver­ laufen.

5. Rippenrohr-Wärmeaustauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkel (α, α1; β, β1) gleich groß bemessen sind.

6. Rippenrohr-Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsabschnitte (9, 9a) einen Radius (R1) von 1,5 mm bis 3 mm aufweisen.

7. Rippenrohr-Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (A2) zweier in Längsrichtung einer Luftleitnute (7, 7a) aufeinander folgende Krümmungs­ mittelpunkte (11) der Übergangsabschnitte (9) schnei­ dender Querebenen (E) etwa 7,5 mm bis 25 mm, be­ vorzugt etwa 10 mm, beträgt.

8. Rippenrohr-Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schnittpunkt (12) der Mittellinien (10) von zwei aufeinander folgenden Nutenabschnitten (8, 8a) einer Luftleitnute (7, 7a) im Abstand (A3) von etwa 2,5 mm bis 5 mm, bevorzugt etwa 3,5 mm, von der Sym­ metrielinie (SL) einer Luftleitnute (7, 7a) angeord­ net ist.

9. Rippenrohr-Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftleitnuten (7, 7a) einen halbkreisförmigen Querschnitt mit einem Radius (R) und einer Tiefe (T) von etwa 1 mm bis 2 mm, bevorzugt etwa 1,5 mm, auf­ weisen.

10. Rippenrohr-Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (A4) der Mittellinien (10) zweier be­ nachbarter Luftleitnuten (7, 7a) etwa 4,5 mm bis 6 mm, bevorzugt etwa 5,0 mm, beträgt.

11. Rippenrohr-Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (A1) zweier benachbarter Rippen (3, 3a) etwa 2 mm bis 4 mm, bevorzugt etwa 3 mm, beträgt.