DE19531383A1

DE19531383A1 - Wärmeübertrager

Info

Publication number: DE19531383A1
Application number: DE1995131383
Authority: DE
Inventors: Martin Prof Dr Ing Fiebig; Wolfgang Prof Dr Ing Leiner; Martin Dipl Ing Behle; Karsten Dipl Phys Schulz; Christian Thulfaut
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-08-26
Filing date: 1995-08-26
Publication date: 1997-02-27

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit mehreren, außenseitig berippten Rohren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In Verbindung mit Rippen- bzw. Lamellenrohrwärmeübertragern wurden schon mannigfaltige konstruktive Maßnahmen zur Optimierung von Wärmeaustausch bedingungen entwickelt, zu denen verschiedenste Wirbelerzeuger und Strömungs führungselemente gehören, die gegenüber vorsprunglosen Querrippen bzw. Lamellen eine deutliche Erhöhung des Wärmeübergangs bringen, aber immer einen meist überproportionalen Druckverlust zur Folge haben.

Im Rahmen der DE-PS 5 96 871 sind zur Verbesserung des Wärmeübergangs in solchen Wärmeübertragern rechtwinklig von den Rohrquerrippen abstehende, im Querschnitt rechteckige Wirbelerzeuger, die in das anströmende Medium ragen, beschrieben. Diese werden so aus dem Rippenmaterial gestanzt und nachfolgend umgebogen, daß ihre Erstreckungsrichtung parallel zur Strömungsrichtung verläuft. Die nachweislich dadurch wesentlich verbesserten Wärmeaustauschbedingungen werden allerdings durch einen noch gravierenderen Druckverlust relativiert.

Ähnliche Maßnahmen sind in der DE-PS 37 37 217 beschrieben, die sich mit der Ausgestaltung von im wesentlichen dreieckförmig ungleichschenkligen Längswirbel erzeugern und deren Anordnung relativ zum Rohr befaßt.

In beiden oben beschriebenen Fällen lag der Gedanke zugrunde, durch in die Strömung ragende Konstruktionen, aufgrund von daraus jeweils entstehender Druck- und Saugseite, im Strömungsmedium Längswirbel zur besseren Durchmischung wandnaher und wandferner Bereiche des Strömungsmediums, teilweise auch mit Störung der Wandgrenzschicht, hervorzurufen, um den Wärmeübergang zu verbessern.

Eine ausführliche Darstellung solcher Wirbelerzeuger ist in der Ausarbeitung "Wing Type Vortex Generators for Heat Transfer Enhancement", Proc. 8th IHTC, San Francisco, Vol. 5, pp. 2909-2913, 1986, gegeben, die sich gezielt mit dem Vergleich von Rechteckflügeln, Deltaflügeln und Dreieckflügelpaaren (winglet pairs) in Bezug auf die Wirkung der Flügelform und des Anstellwinkels befaßt.

In der DE-PS 34 06 682 ist ein Wärmeübertrager beschrieben, bei dem neben den Rohren radial angeordnete Sicken mit Eintritts- und Austrittsöffnungen als Führungskanäle in Strömungsrichtung versetzt ausgebildet sind. Dadurch wird das die Sicken passierende Strömungsmedium mehrfach aufgeteilt und innerhalb einer Ebene umgelenkt ohne eine kontrollierte Längswirbelbildung hervorzurufen, wobei die daraus resultierende Durchmischung einen erhöhten Wärmeübergang zur Folge haben soll. Gleichzeitig soll dieser Effekt durch die aus der Umlenkung resultierenden, besseren Umströmung der Rohrkörper, der Neubildung von Anlaufgrenzschichten, sowie der ebenfalls daraus resultierenden Verringerung der Totwassergebiete hinter den Rohren noch verstärkt werden.

Weiterhin sind in der Technik Wärmeübertrager mit Kiemenschnittrippen (sog. louvered fins) bekannt, die eine Umlenkung des Strömungsmediums in benachbarte Kanäle bewirken. Ein verbesserter Wärmeübergang wird hier aufgrund der Verlängerung des Strömungsweges durch den Wärmeübertrager, sowie der wiederholten Zerstörung und Neubildung von Grenzschichten an den Kiemenschnitten bewirkt, nicht aber durch Ausbildung von Längswirbeln. Desweiteren entsteht bei höheren Reynoldszahlen eine erhöhte Durchmischung des Fluides durch oszillierende Querwirbel zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kiemenschnitten. Solche louvered-fin- Geometrien sind beispielsweise in dem Artikel "Flow Structure in the Louvered Fin Heat Exchanger Geometry", Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 4, pp. 205- 217, 1991, beschrieben.

In der DE-AS 25 27 147 ist ein Blechplatten-Rohrwärmetauscher beschrieben, der durch Haubenausschnitte (Kiemenschnitte) unterschiedlicher Größe in den Blech platten gekennzeichnet ist, die im Prinzip louvered fins sind und eine Umlenkung der Strömung, gekoppelt mit der Bildung neuer Anlaufgrenzschichten, jedoch ebenfalls keine Längswirbel erzeugen.

Bezüglich des Standes der Technik stellt man fest, daß bis jetzt noch keine Überlegungen dahingehend gemacht wurden, die bessere Fluiddurchmischung aufgrund von erzeugten Längswirbeln und diejenige aufgrund von Strömungsumlenkung durch Rippen oder Lamellen hindurch miteinander zu kombinieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Wärmeübertrager wie eingangs formuliert derart zu optimieren, daß der Druckverlust im Vergleich zu bekannten Wärmeübertragern bei verbessertem Wärmeübergang minimal gehalten wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Wärmeübertrager der eingangs genannten Art durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager sind in den an den Rohren angebrachten Querrippen oder Lamellen hutzenförmige Ausprägungen vorgesehen. Im Gegensatz zu den oben beschriebenen louvered fins, deren Haupteffekte in der Verlängerung des Strömungsweges und der Bildung neuer Anlaufgrenzschichten liegen, sind die Hutzen durch ihre typische Form bewußt zur Längswirbelerzeugung konzipiert. Diese soll aber nicht wie bei bekannten Längswirbelgeneratoren durch die infolge von Wandreibung verursachte Strömungsablösung an den in die Strömung gestellten Seitenkanten und die damit induzierte Druckdifferenz zwischen Druck- und Saugseite realisiert werden, sondern vielmehr direkt aus der Strömungsumlenkung resultieren.

Wird eine Hutze, bzw. ein Hutzenpaar gemäß Anspruch 2, von einem Fluid angeströmt, so resultiert daraus eine Umlenkung eines Teilfluidstroms durch die Rippenebene hindurch. In Strömungsrichtung gesehen entstehen vor und hinter den zulaufenden, innerhalb der Rippenebene liegenden Hutzenkanten Gebiete unterschiedlichen Drucks. An der Innenseite der hinteren Hutze folgt aus ihrer Durchströmung ein Überdruckbereich, aus dem der Fluidstrom in ein Gebiet niedrigeren Drucks dreht und aufgrund seiner longitudinalen Komponente in einen Längswirbel überführt wird. Ähnlich den bekannten Längswirbelerzeugern ergibt sich also an diesen Kanten eine Druck- und Saugseite, die, gekoppelt mit einer Strömungsablösung, die Längswirbel in der Strömung induzieren. Entscheidend ist dabei, daß sich die Kanten im Gegensatz zu anderen Wirbelgeneratoren innerhalb der Rippenebene befinden, so daß der Druckverlust gering gehalten werden kann. Dabei kann der Einfluß der von jeder Hutze, bzw. jedem Hutzenpaar gemäß Anspruch 2, paarweise induzierten, gegensinnig rotierenden Längswirbel in einem sehr weiten Bereich der Fluidströmung nachgewiesen werden, was auf eine erstaunlich hohe Stabilität schließen läßt.

Als charakteristische Größen für den Wärmeübergang und den Druckverlust werden einerseits die global gemittelte Nusseltzahl Nu und andererseits der scheinbare Reibungsbeiwert f definiert, die beide für die in den Ansprüchen beschriebenen Ausführungen der Erfindung anhand von bekannten Meßtechniken ermittelt wurden. Abhängig von der Reynoldszahl Re ergibt sich gegenüber dem ebenen Spalt eine zunehmende Steigerung des globalen Nusseltzahlverhältnisses Nu/Nu_{ebener Spalt}, bei gleichzeitigem, überraschenderweise wesentlich geringerem Anstieg des Reibungsbeiwert-Verhältnisses f/f_{ebener Spalt}. Diese unerwartete Relation zwischen Nu/Nu_{ebener Spalt} und f/f_{ebener Spalt} konnte mit bisher bekannten Längswirbelgeneratoren nicht realisiert werden, da diese Geometrien besonders bei zunehmender Reynoldszahl Re eine im Vergleich zu Nu/Nu_{ebener Spalt} überproportionale Zunahme von f/f_{ebener Spalt} zur Folge haben.

Diesen oben geschilderten, gewünschten Effekt, des gesteigerten Wärmeübergangs bei unterproportionalem Druckverlustanstieg, kann man in gewissem Umfang bereits durch die in Anspruch 1 formulierten Ausprägungen erzielen. Vorteilhafter hingegen ist es, die in Anspruch 2 dargelegte Ausführung der Hutzengeometrie, die einen größeren, umgelenkten Fluidanteil zusammen mit gesteigerter Längswirbelbildung bewirkt, insbesondere in der in Anspruch 3 beschriebenen Anordnung zu verwenden.

Durch die aufgrund der Hutzen gemäß Anspruch 1 und 2 in der Rippenebene entstehenden Schnitte wird eine Behinderung der tangential zur Strömungsrichtung verlaufenden Wärmeströme (Längsleitung) bewirkt. Die vorwiegende Wärmeleitung quer zur Strömung, in Lamellenrohrwärmeübertragern in Richtung der Oberflächen normalen der äußeren Rohrwand, wird jedoch nahezu nicht beeinflußt, wodurch der Wirkungsgrad eines Wärmeübertragers kaum reduziert wird.

Die kleinen Strukturen der hutzenförmigen Ausprägungen beinhalten eine große Freiheit hinsichtlich ihrer Positionierung auf den Rippen bzw. Lamellen, wodurch sich zusammen mit der Kontrollierbarkeit der Längswirbelinduzierung die Möglichkeit einer Erhöhung des Wärmeüberganges an exponierten Stellen der Rippen zur gezielten Verbesserung des Rippenwirkungsgrades ergibt.

Im folgenden werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Drei-Tafel-Projektion, sowie eine perspektivische Ansicht der Hutzengeometrie gemäß Anspruch 1,

Fig. 2 eine schematische Drei-Tafel-Projektion, sowie eine perspektivische Ansicht der Hutzengeometrie gemäß Anspruch 2,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung der Anordnung der Hutzen gemäß Anspruch 2 und 3,

Fig. 4 eine Darstellung des Verhältnisses Nu/Nu_{ebener Spalt} und f/f_{ebener Spalt} in Abhängigkeit von der Reynoldszahl Re bei einer Hutzengeometrie gemäß Anspruch 2 und 3,

Fig. 5 eine perspektivische, schematische Ausschnittsbetrachtung eines Wärme übertragers gemäß Anspruch 4,

Fig. 6 eine perspektivische, schematische Ausschnittsbetrachtung eines Wärme übertragers gemäß Anspruch 5.

Fig. 1 zeigt eine Einzelhutze 4 gemäß Anspruch 1. Sie wirkt bezüglich eines anströmenden Fluids als Führungskanal und führt zu einer teilweisen Umlenkung der Strömung durch die Blechebene 5 hindurch. Dabei entstehen, in Richtung des umgelenkten Fluidstroms gesehen, vor und hinter den in der Blechebene liegenden Kanten 6 der Hutzen unterschiedliche Druckniveaus, die zusammen mit der Ablösung der Strömung an diesen Kanten 6 Längswirbel hervorrufen. Die geometrischen Größen wie die Breite b, die Länge l, die Höhe h und der Öffnungswinkel α sind dabei in weiten Grenzen variabel. Die Höhe h wird allerdings bei Wärmeübertragern gemäß Anspruch 1 bis 4 durch den Lamellen- bzw. Rippenabstand H begrenzt. Generell sollten die geometrischen Größen in sinnvoller Relation zu H gewählt werden. Als vorteilhaft hat sich eine Ausgestaltung mit l = 1H, b = 1H und h = 0,25H (α ≅ 20°) erwiesen.

Für eine Ausführung als Hutzenpaar 3 gemäß Anspruch 2, wie sie Fig. 2 zeigt, gelten dieselben Wirkungsprinzipien. Der umgelenkte Fluidstrom ist hier jedoch größer und es ergibt sich somit eine Verstärkung der oben genannten Effekte.

Die Gestaltung der Hutzengeometrie gemäß Anspruch 2 in der vorteilhaften Anordnung gemäß Anspruch 3 gibt Fig. 3 wieder. Diese Anordnung bewirkt eine alternierende Umlenkung der Strömung durch die Drehung der in Strömungsrichtung gesehen versetzt aufeinanderfolgenden Hutzenpaare 3 um 180°. Der Abstand B nebeneinander befindlicher Hutzenpaare 3 und der Abstand L zwischen zwei aufeinanderfolgenden Hutzenpaarreihen 7 bestimmen maßgeblich die Verbesserung des Wärmeübergangs. Die Werte für diese beiden Größen sind nahezu beliebig, werden jedoch sinnvollerweise so gewählt, daß man eine möglichst große Flächendichte der Hutzenpaare auf der Rippe bzw. Lamelle erhält. Eine sehr günstige Anordnung hat sich bei einem Verhältnis von B/b = 1,5 und L/l = 1,5 ergeben, die man vorzugsweise anstreben sollte.

Die in Fig. 4 dargestellten Verläufe für Nu/Nu_{ebener Spalt} und f/f_{ebener Spalt} basieren auf der in Fig. 3 dargestellten Anordnung von Hutzenpaaren 3 bei B/b = 1,5 und L/l = 1,5. Der Abstand zur Vorderkante der Lamellen x_v beträgt 2H und die Länge L_aus, über welche die Meßwerte bestimmt werden, beträgt 30H. Hier erkennt man deutlich die Verbesserung des Wärmeübergangs bei einem unterproportionalem Druckverlust über dem gesamten Reynoldszahlbereich (Re_H = u H/ν) von 750 bis 3000.

Der in Fig. 5 dargestellte Ausschnitt eines Lamellenrohrwärmeübertragers gemäß Anspruch 4 einerseits und der in Fig. 6 gezeigte Ausschnitt eines Wärmeübertragers gemäß Anspruch 5 andererseits stellen mögliche Ausführungen eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers dar. Die Lamellen 1 sind unter gut wärmeleitender Berührung an den Rohren 2 befestigt und bei dem in Fig. 5 gezeigten Wärmeübertrager in bekannter Art durch (nicht dargestellte) Distanzhalter auf Abstand voneinander gehalten. Die Rohre werden senkrecht zu ihren Achsen in Richtung des strömungskennzeichnenden Pfeils SR von einem äußeren Fluid angeströmt, während sich im Rohrinneren ein mit dem äußeren Medium in Wärmeaustausch stehendes, inneres Fluid befindet.

Zur Verbesserung der Wärmeübergangsbedingungen sind in den Lamellen 1 Hutzenpaare 3 gemäß Anspruch 2 in der Anordnung gemäß Anspruch 3 ausgeprägt. Diese Kombination hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, sie stellt jedoch nur ein Beispiel dar. Im Sinne der Erfindung sind durchaus andere Ausführungen der Hutzen und Anordnungen, insbesondere relativ zu den Rohren 2, sinnvoll.

Der dreieckförmige Querschnitt der Hutzenbeispiele in den Fig. 1, 2, 3, 5 und 6 ist für ihre Wirkungsweise unerheblich und willkürlich gewählt. Entsprechende Auswirkungen auf den Wärmeübergang gelten auch auf halbkreisförmige, rechteckige und andere Querschnitte, sofern sie den erfindungstypischen Merkmalen genügen.

Bezugszeichenliste

1 Lamellen
2 Rohre
3 Hutzenpaar
4 Einzelhutze
5 Blechebene
6 Kanten innerhalb der Blechebene
7 Hutzenpaarreihe
SR Pfeil in Strömungsrichtung eines äußeren Mediums
l Länge einer Einzelhutze 4
b Breite einer Einzelhutze 4 bzw. eines Hutzenpaares 3
h Höhe einer Einzelhutze 4
L Abstand zwischen Hutzenpaarreihen 7
B Abstand benachbarter Hutzenpaare 3
H Lamellen- 2 bzw. Rippenabstand
L_aus Auswertebereich bzw. Lamellenlänge in Strömungsrichtung
x_v Abstand zur Vorderkante
α Öffnungswinkel einer Einzelhutze 4
u Anströmgeschwindigkeit
ν kinematische Viskosität.

Im Hinblick auf die Fertigung der Hutzen ist als weiterer Vorteil deren einfache Herstellung zu nennen. Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager kann in Abhängigkeit von seinem Einsatzgebiet aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sein. Als die gebräuchlichsten seien hier nur Metalle, keramische Werkstoffe (Porzellan, Glas, etc.) und Kunststoffe (Thermoplaste, Duroplaste, etc.) erwähnt. Sicherlich sind im Hinblick auf spezielle Problemlösungen weitere denkbar. Die kleinen Erzeugerstrukturen lassen sich einfach nach bekannten Verfahren durch Umformen (Tiefziehen, Drücken, Stanzen, Prägen, Warmformen bei Kunststoffen etc.) oder Urformen (Gießen, Pressen, etc.) eines Ausgangswerkstoffes herstellen. Im Falle einer umformenden Herstellung erfahren die Rippen bzw. Lamellen durch Verfestigungsprozesse im Werkstoff eine Stabilitätssteigerung, was die Anfälligkeit gegenüber mechanischen Beschädigungen reduziert.

Da die erfindungsgemäßen Hutzen eine flache Umlenkung der Strömung um relativ kleine Winkel bewirken, entstehen nur kleine Totwassergebiete, woraus eine geringe Anfälligkeit gegenüber Ablagerungen ("Fouling") resultiert. Dieser Effekt wird durch die aufgrund der Längswirbel erzeugten Querdurchmischung und die Störung der Wandgrenzschicht noch verstärkt. Eine einfache Reinigung des Wärmeübertragers ist möglich, da die Hutzengeometrien aufgrund ihrer Dimension und ihres Aufbaus keine wesentlichen und insbesondere in einer Reinigungsrichtung keine scharfkantigen Vorsprünge darstellen. Dadurch ist der Einsatz eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers in einem weiten industriellen Bereich möglich.

Claims

1. Wärmeübertrager mit Rohren beliebigen Querschnitts, die außenseitig mit im gleichmäßigen axialen Abstand angeordneten Querrippen versehen sind (Rippenrohrwärmeübertrager), welche aus ihren Ebenen herausgedrückte, in der Querschnittsform beliebige, über ihre Lauflänge zur Öffnung hin zunehmende, hutzenförmige Ausprägungen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß sie in Strömungsrichtung eines äußeren Mediums gesehen, mit ihrer Achse vorzugsweise parallel dazu, in frei wählbarer Anordnung vorgesehen sind, wobei die Hutzen eine teilweise Umlenkung des äußeren Strömungsmediums durch die Rippenebenen, bei gleichzeitiger, paarweiser Entstehung von gegensinnig rotierenden Längswirbeln bewirken.

2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgeprägten Hutzen so paarweise mit ihren Öffnungen direkt zueinandergeordnet und aus der Rippenebene in entgegengesetzter Richtung herausgedrückt sind, daß sich die beiden Öffnungen eines Hutzenpaares in derselben Ebene befinden.

3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die quer zur Anströmungsrichtung ausgeprägten Hutzenreihen in Anströmungsrichtung gesehen, versetzt angeordnet sind und sich für die versetzten Reihen die Ausprägungsrichtung umkehrt.

4. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Rohren angeordneten Querrippen innerhalb einer Ebene miteinander verbunden und als eine einzige Lamelle ausgeführt sind (Lamellenrohr wärmeübertrager).

5. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Querrippen miteinander verbunden als eine zwischen den Rohren verlaufende, gefaltete Lamelle ausgeführt sind, wobei die Rohrquerschnitte vorzugsweise eine abgeflachte, in Richtung des außenseitig strömenden Mediums gestreckte Form aufweisen.