DE19613910A1 - Querstromwärmetauscher sowie Heiz- oder Kühleinrichtung umfassend einen Querstromwärmetauscher - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Querstromwär­ metauscher mit einer Mehrzahl von geneigt angeordneten durchströmbaren Rohren, welche von einem quer zu ihnen gerichteten Kühl- oder Heizstrom umströmbar sind und von denen die einen mit einem Zufluß und die verblei­ benden mit einem auf derselben Seite des Wärmetauschers angeordneten Abfluß verbunden sind. Von der vorliegen­ den Erfindung betroffen ist des weiteren eine Heiz- oder Kühleinrichtung, deren Heiz- bzw. Kühlkreislauf einen derartigen Querstromwärmetauscher umfaßt.

Ein Querstromwärmetauscher der eingangs genannten Art ist aus der deutschen Patentschrift 42 39 455 bekannt. Die Rohre weisen dabei durchgängig ein leichtes Gefälle auf; sie erstrecken sich von einem auf einem hohen Niveau angeordneten Zufluß über ein auf der gegenüber­ liegenden Seite des Wärmetauschers auf einem mittleren Niveau angeordnetes U-Rohrstück zu einem auf derselben Seite des Wärmetauschers wie der Zufluß, jedoch auf einem niedrigen Niveau angeordneten Abfluß. Das sich auf diese Weise ergebende durchgängige leichte Gefälle der Rohre vom Zufluß bis zum Abfluß soll der selbsttä­ tigen Entleerung der Rohre bei Außerbetriebsetzung des Wärmetauschers dienen. Eine derartige Entleerung der Rohre während der Stillstandszeiten des Wärmetauschers soll ein Einfrieren der Wärmetauschflüssigkeit verhin­ dern und auf diese Weise den Wärmetauscher vor Zerstö­ rung bewahren; sie soll des weiteren zu einer Reduzie­ rung von Korrosion und Ablagerungen in den Rohren beitragen.

Ein Querstromwärmetauscher mit einer Mehrzahl von geneigt angeordneten durchströmbaren Rohren, welche von einem quer zu ihnen gerichteten Kühl- oder Heizstrom umströmbar sind, ist darüberhinaus aus dem US-Patent 2 858 111 bekannt. Auch hier soll durch die Neigung der Rohre deren selbsttätige Entleerung begünstigt werden. Allerdings sind bei diesem Querstromwärmetauscher der Zufluß und der Abfluß auf einander gegenüberliegenden Seiten des Wärmetauschers angeordnet.

Bei dem bekannten Querstromwärmetauscher der gattungs­ gemäßen Art (DE-PS 42 39 455) wird in der Praxis ein nicht zufriedenstellendes Entleerungsverhalten beobach­ tet. Die Entleerung vollzieht sich relativ langsam, was wiederum dazu führen kann, daß an den unteren, dem Abfluß zugeordneten Enden der Rohre eine Restmenge an Wärmetauschflüssigkeit verbleibt, die einfrieren kann. Dies kann zu Schäden führen und macht darüberhinaus bei der Wiederinbetriebnahme des Wärmetauschers besonderen Aufwand erforderlich.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Querstromwärmetauscher der gattungsgemäßen Art zu schaffen, welcher ein verbessertes Entleerungsverhalten aufweist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die an den Zufluß angeschlossenen und die an den Abfluß angeschlossenen Rohre in der Weise im wesentlichen parallel zueinander verlaufen, daß die mit dem Zufluß verbundenen Rohre (in Durchfluß­ richtung) eine Steigung und die mit dem Abfluß verbun­ denen Rohre ein Gefälle aufweisen, und daß auf der dem Zu- und dem Abfluß gegenüberliegenden Seite des Wärme­ tauschers ein Sammler vorgesehen ist, an den einerseits die Rohre und andererseits eine Belüftungseinrichtung angeschlossen sind. Anders als dies für den gattungsge­ mäßen Stand der Technik zutrifft, weisen die Rohre des erfindungsgemäßen Querstromwärmetauschers somit nicht ein durchgängig leichtes Gefälle auf; vielmehr ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß ein Teil der Rohre eine Steigung, die übrigen ein Gefälle aufweisen, so daß sämtliche Rohre im wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Von besonderer Bedeutung ist dabei, daß die an den Zufluß wie auch die an den Abfluß angeschlosse­ nen Rohre auf der dem Zu- und dem Abfluß gegenüberlie­ genden Seite des Wärmetauschers an ihrem höchsten Punkt in einen Sammler münden, an welchen eine Belüftungsein­ richtung angeschlossen ist. Auf diese Weise ist eine Belüftung der Rohre auf dem Strömungsweg der Wärme­ tauschflüssigkeit zwischen dem Zufluß und dem Abfluß möglich. Gegenüber dem Stand der Technik ergibt sich hierdurch eine Halbierung der jeweils zu entleerenden Rohrlänge zwischen Belüftungseinrichtung und Ablaß für die Wärmetauschflüssigkeit. Dies reduziert entsprechend den Strömungswiderstand innerhalb der zu entleerenden Rohre und erhöht die Abflußgeschwindigkeit. Gesteigert wird dieser Effekt noch dadurch, daß - anders als dies für den Stand der Technik zutrifft - bei der Entleerung innerhalb des Strömungswegs nicht notwendigerweise eine Strömungsumlenkung erfolgt und daß zum Ablassen der Wärmetauschflüssigkeit sowohl der Zufluß als auch der Abfluß zur Verfügung stehen. Schließlich läßt der erfindungsgemäße Aufbau des Querstromwärmetauschers zu, daß die Rohre bei gleichen Abmessungen des Wärmetau­ schers etwa doppelt so stark geneigt sind, verglichen mit dem Stand der Technik. Auch dies führt zu einer rascheren Entleerung der Rohre. Sämtliche Effekte tragen dazu bei, daß ohne weitere Maßnahmen eine rasche und restlose Entleerung der Rohre möglich ist.

Der erfindungsgemäße Querstromwärmetauscher zeichnet sich gegenüber dem Stand der Technik jedoch noch durch einen weiteren maßgeblichen Vorteil aus: Der Strömungs­ widerstand des die Rohre umströmenden Kühl- bzw. Heizstroms ist deutlich reduziert. Denn bei dem bekann­ ten Wärmetauscher, bei welchem die mit dem Zufluß verbundenen Rohrabschnitte und die mit dem Abfluß verbundenen Rohrabschnitte bezüglich einander in entgegengesetzter Richtung geneigt sind, muß der (durch Wärmetauschlamellen geführte) Kühl- bzw. Heizstrom nach dem Passieren der mit dem Abfluß verbundenen (unteren) Rohrabschnitte umgelenkt werden und mit anderer Strömungsrichtung in ein zweites Wärmetauschelement eintreten. Die hierdurch verursachte Turbulenz hat einen spürbaren Druckverlust zur Folge. Entsprechendes ist bei dem erfindungsgemäßen Querstromwärmetauscher infolge der im wesentlichen zueinander parallelen Anordnung sämtlicher Rohre nicht der Fall. Letzterer kommt somit mit Ventilatoren aus, die eine geringere Leistungsaufnahme besitzen als die beim Stand der Technik einzusetzenden Ventilatoren.

Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß sämtliche Rohre Teil desselben Wärmetauschelements sind, indem sie zueinan­ der parallel verlaufend dieselben Wärmetauschlamellen durchsetzen. Dies führt nicht nur zu einer Reduktion des Fertigungsaufwands, weil in das Gehäuse des Querstromwärmetauschers lediglich ein einziges Wärme­ tauschelement einzubauen ist. Insbesondere läßt sich dadurch, daß Vor- und Rücklauf in demselben Wärmetau­ schelement stattfinden, gegenüber dem Stand der Technik auch der Wirkungsgrad des Querstromwärmetauschers steigern.

Die an den Sammler angeschlossene Belüftungseinrichtung kann, muß aber nicht (s. u.) ein steuerbares oder ein Rückschlagventil aufweisen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der erfindungsgemäße Querstromwärmetauscher Bestandteil einer Heiz- oder Kühleinrichtung mit einem Heiz- bzw. Kühlkreislauf sein, der neben dem Querstrom­ wärmetauscher einen Warm-Behälter, einen Kalt-Behälter und eine Umwälzpumpe umfaßt. Die an den Sammler angeschlossene Belüftungseinrichtung ist dabei zweckmä­ ßigerweise mit einer Überlaufleitung verbunden, die in den Warm-Behälter oder den Kalt-Behälter mündet. Dabei können die Belüftungseinrichtung und die Überlauflei­ tung ständig belüftet sein, wobei durch den Druck der Umwälzpumpe aus der Belüftungseinrichtung des Sammlers ständig Wärmetauschflüssigkeit austritt, die über die Überlaufleitung dem Warm-Behälter oder dem Kalt-Behälter zugeführt wird. In diesem Sinne ist an der Belüftungseinrichtung überhaupt kein Ventil (Rückschlagventil, Regelventil oder dgl.) erforderlich. Eine Fehlfunktion eines der Korrosionsgefahr ausgesetz­ ten Belüftungsventils wird auf diese Weise ausgeschlos­ sen, von dem reduzierten Anlagen- und regelungstechni­ schen Aufwand einmal ganz abgesehen. Bei der beschrie­ benen Weiterbildung der Erfindung entleeren sich die Rohre des Wärmetauschers selbsttätig, sobald der Zu- und der Abfluß, ggf. dort angeordnete Ablässe zur Entleerung geöffnet werden. Die vorstehend erläuterten Aspekte kommen insbesondere bei Heiz- oder Kühleinrich­ tungen zum Tragen, die mit Wasser betrieben werden. Denn in diesem Falle geht von der ständig geöffneten Belüftungseinrichtung keinerlei Gefahr für die Umwelt aus.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbei­ spiels näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht eines mit Ventilatoren ausgestatteten nach der Erfindung aufgebauten Freikühlers, und

Fig. 2 veranschaulicht die Integration eines Freiküh­ lers gemäß Fig. 1 in eine Kühleinrichtung.

Der als Freikühler ausgebildete Querstromwärmetauscher umfaßt in als solches bekannter Weise einen sich auf sechs Beinen 1 abstützenden Rahmen 2, welcher ein Gehäuse 3 trägt. Auf der Oberseite des Gehäuses sind elektromotorisch angetriebene Ventilatoren 4 vorgese­ hen. Diese stellen eine von unten nach oben gerichtete Durchströmung des Wärmetauschers mit Luft sicher.

Die Wärmetauschflüssigkeit (z. B. Wasser) wird dem Wärmetauscher über einen Zufluß 5 zugeführt. Sie verläßt den Wärmetauscher über einen Abfluß 6. In bekannter Weise weisen Zufluß 5 und Abfluß 6 jeweils einen Sammler 7 bzw. 8 auf, in welchen jeweils ein einen Anschlußflansch aufweisender Anschlußstutzen 9 bzw. 10 mündet.

Innerhalb des Gehäuses 3 des Wärmetauschers ist ein Wärmetauschelement 11 angeordnet. Dieses umfaßt eine Vielzahl zueinander parallel verlaufender Rohre 12 und sich rechtwinklig zu diesen erstreckende Wärmetauschla­ mellen 13. Die Hälfte der Rohre 12 steht mit dem Sammler 7 des Zuflusses 5 in Verbindung, die andere Hälfte mit dem Sammler 8 des Abflusses 6. Das Wärmetau­ schelement 11 ist in dem Gehäuse 3 bezüglich der Horizontalen geneigt angeordnet; somit besitzen auch die Rohre 12 eine (übereinstimmende) Neigung gegenüber der Horizontalen.

Auf der dem Zufluß 5 und dem Abfluß 6 gegenüberliegen­ den Seite des Wärmetauschers ist ein Sammler 14 ange­ ordnet. An diesen sind sämtliche Rohre 12 angeschlos­ sen. Darüberhinaus ist an den Sammler 14 ein Belüf­ tungsstutzen 15 angeschlossen.

Während des Betriebs des Wärmetauschers strömt das Wärmetauschmedium über den Zufluß 5 in die an dessen Sammler 7 angeschlossenen Rohre 12 ein und tritt aus diesen an deren Mündung in den Sammler 14 aus. Von diesem tritt es in diejenigen Rohre 12 ein, welche mit dem Sammler 8 des Abflusses 6 in Verbindung stehen.

Zur Entleerung des Wärmetauschers, beispielsweise für Stillstandszeiten, werden an den Sammlern 7 und 8 des Zu- bzw. Abflusses angeordnete Ablässe 16 geöffnet, nachdem zuvor die Umwälzpumpe des Heiz- bzw. Kühlkreis­ laufs außer Betrieb gesetzt wurde. Durch den Belüftungsstutzen 15 strömt Luft in den Sammler 14 ein, und die Wärmetauschflüssigkeit fließt aufgrund der Neigung sämtlicher Rohre sowohl zum Zufluß 5 als auch zum Abfluß 6 hin ab und verläßt das Wärmetauschelement durch die Ablässe 16.

Fig. 2 veranschaulicht beispielhaft die Anordnung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers innerhalb des Kühl­ kreislaufes einer Kühleinrichtung. Neben dem Wärmetau­ scher umfaßt der Kühlkreislauf dabei einen Warm-Behälter 17, einen Kalt-Behälter 18 und eine Umwälz­ pumpe 19. Der Entlüftungsstutzen 15 des Sammlers 14 endet dabei oberhalb eines Trichters 20, der über eine Überlaufleitung 21 mit einem der Behälter für die Wärmetauschflüssigkeit, in dem dargestellten Fall mit dem Kalt-Behälter 18 verbunden ist. Im Betrieb der Kühleinrichtung tritt aus dem Belüftungsstutzen 15 ständig eine geringe Menge Wärmetauschflüssigkeit aus. Diese wird vom Trichter 20 aufgefangen und über die Überlaufleitung 21 zum Kalt-Behälter 18 zurückgeführt. Wird die Kühleinrichtung außer Betrieb gesetzt und der Wärmetauscher hierzu entleert, dringt nach Öffnen der am Zu- und am Abfluß angeordneten Ablässe 16 (Fig. 1) durch den Belüftungsstutzen 15, ohne daß es weiterer regelungstechnischer Maßnahmen bedürfte, Luft in den Sammler 14 ein und gestattet, daß die Wärmetauschflüs­ sigkeit am Zu- und am Abfluß aus dem Wärmetauschelement austritt.

In der Rücklaufleitung 22 vom Ablauf 6 zum Kalt-Behälter 18 ist ein Strömungswächter 23 und ein Frost­ schutzthermostat 24 vorgesehen. Diese Komponenten sind im Rahmen einer automatischen Regelung der Kühleinrich­ tung einsetzbar. Sie können darüberhinaus zur Initiie­ rung einer automatischen Entleerung des Freikühlers eingesetzt werden, wenn die Gefahr des Einfrierens besteht.

Claims (4)

1. Querstromwärmetauscher mit einer Mehrzahl von geneigt angeordneten durchströmbaren Rohren (12), welche von einem quer zu ihnen gerich­ teten Kühl- oder Heizstrom umströmbar sind und von denen die einen mit einem Zufluß (5) und die verbleibenden mit einem auf derselben Seite des Wärmetauschers angeordneten Abfluß (6) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Zufluß (5) angeschlossenen und die an den Abfluß (6) angeschlossenen Rohre (12) in der Weise im wesentlichen parallel zueinander verlaufen, daß die mit dem Zufluß verbundenen Rohre (in Durchflußrichtung) eine Steigung und die mit dem Abfluß verbundenen Rohre ein Gefälle aufweisen, und daß auf der dem Zu- und dem Abfluß gegenüberliegenden Seite des Wärmetauschers ein Sammler (14) vorgesehen ist, an den einerseits die Rohre (12) und andererseits eine Belüftungseinrich­ tung (15) angeschlossen sind.

2. Querstromwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Rohre (12) Teil desselben Wärmetauschelements (11) sind, indem sie zueinander parallel verlaufend dieselben Wärmetauschlamellen (13) durchsetzen.

3. Heiz- oder Kühleinrichtung mit einem Heiz- bzw. Kühlkreislauf umfassend einen Querstrom­ wärmetauscher gemäß Anspruch 1, einen Warm-Behälter (17), einen Kalt-Behälter (18) und eine Umwälzpumpe (19), wobei mit der Belüftungseinrichtung (15) eine Überlauflei­ tung (21) verbunden ist, die in den Warm-Behälter (17) oder den Kalt-Behälter (18) mündet.

4. Heiz- oder Kühleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Belüftungseinrichtung (15) und die Überlaufleitung (21) ständig belüftet sind.