DE19623245A1 - Wärmetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Wärmetauscher werden beispielsweise in Kühltürmen eingesetzt. Eine zu kühlende Sole wird durch ein Rohrregister transportiert, das von außen mit Wasser berieselt und im Gegenstrom hierzu von Luft durchströmt wird. Durch die Verdunstungskühlung des Wassers wird die Wärme aus der Sole an die Außen­ luft abgeführt. In einer typischen Ausbildung besteht das Rohrregister aus 15 mm starken Edelstahlrohren. Da jedoch, um wirtschaftliche Wirkungsgrade zu errei­ chen, große Wärmeaustauschflächen erforderlich sind, ist die Errichtung eines Kühlturms mit hohen Kosten verbunden. Auch wenn statt der Edelstahlrohre ver­ zinkte Stahlrohre verwendet werden, sind der finan­ zielle Aufwand für den Wärmetauscher noch sehr groß und auch der Platzbedarf erheblich. Es werden daher im allgemeinen nur geschlossene Kühltürme mit relativ niedrigen Wirkungsgraden oder trotz des Risikos der Verschmutzung offene Kühltürme, bei denen die Sole direkt in einen Luftstrom gesprüht wird, eingesetzt.

Aus der DE 32 16 877 C1 ist bereits ein in eine Rohr­ leitung mit rechteckigem Querschnitt einbaubares Wär­ meaustauschelement bekannt, das aus wenigstens einem aus sich gitterartig kreuzenden flexiblen Kunststoff­ rohren von etwa 2 mm Durchmesser, sogenannten Kapil­ larrohren gebildeten Mattenkörper besteht. Dieser stellt eine die Rohrleitung quer zu ihrer Längsrich­ tung durchgreifende Wand dar und kann durch Faltung um senkrecht zu seiner Achse liegende Linien zu einem mehrere hintereinandergeschaltete Lagen aus gitter­ förmig sich kreuz enden Rohren aufweisenden Wärmeaus­ tauschelement ausgebildet sein. Dieses wird jedoch nicht mit Wasser berieselt.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmetauscher mit einem Rohrregister, durch welches ein zu kühlendes oder zu erwärmendes Fluid geführt wird, wobei das Rohrregister im Gleichstrom mit dem Fluid mit Wasser berieselt und im Gegenstrom zum Fluid von Luft durchströmt wird, welcher bei­ spielsweise in einen geschlossenen Kühlturm einsetz­ bar ist, zu schaffen, der trotz geringem Kostenauf­ wand einen hohen Wirkungsgrad aufweist und eine kom­ pakte Bauform besitzt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfin­ dungsgemäßen Wärmetauschers ergeben sich aus den Un­ teransprüchen.

Dadurch, daß das Rohrregister aus parallel geführten Kapillarrohren besteht, die lageweise gefaltet sind, und daß die Räume zwischen den Kapillarrohren zumin­ dest teilweise durch Schaumstoff ausgefüllt sind, wird gegenüber den herkömmlichen Wärmetauschern die Wärmeaustauschfläche zum einen durch die Kapillarroh­ re, die einen wesentlich kleineren Durchmesser als die bisher verwendeten Rohre haben, und zum anderen durch den Einsatz des Schaumstoffes vervielfacht. Die vorteilhaft aus Kunststoff bestehenden Kapillarrohre und der Schaumstoff sind preiswert herzustellen.

Der Schaumstoff besteht zweckmäßig aus zwischen be­ nachbarten Lagen der Kapillarrohre angeordneten Mat­ ten oder der Raum zwischen den Kapillarrohren ist vollständig ausgeschäumt.

Ein herkömmlicher Glattrohr-Wärmetauscher aus Rohren mit einem äußeren Durchmesser von z. B. 15 mm hat bei einer Bautiefe von 100 cm eine Wärmeaustauschfläche von 60 m² pro m² Lufteintrittsfläche.

Werden diese Rohre erfindungsgemäß durch Kapillarroh­ re mit einem Außendurchmesser von beispielsweise 3 mm ersetzt, steigt diese Fläche bereits auf das Fünffa­ che, nämlich 300 m²/m² Lufteintrittsfläche.

Wenn zwischen zwei benachbarten Lagen von Kapillar­ rohren jeweils eine 8 mm starke Formplatte aus Schaumstoff mit einer Porosität von 20 ppi (Poren pro inch) gelegt wird, nimmt der Schaumstoff etwa 50% des Wärmetauschervolumens ein, so daß die Länge der Kapillarrohre um etwa 50% gekürzt wird. Dennoch steigt die Wärmeaustauschfläche des Wärmetauschers auf etwa 800 m²/m² Lufteintrittsfläche an, da der Schaumstoff selbst eine innere Oberfläche von etwa 1200 m²/m³ hat.

An der Oberfläche der Kapillarrohre findet ein Stoff- und Wärmeaustausch zwischen dem durch die Kapillar­ rohre strömenden Fluid, vorzugsweise Sole, dem über die Kapillarrohre rieselnden Wasser und der diesem entgegenströmenden Luft statt, während im Schaumstoff nur ein Stoff- und Wärmeübergang zwischen dem Wasser und der Luft erfolgt.

Dennoch sind diese beiden Arten des Wärmeaustausches etwa gleichwertig, da die Wärmeübergangszahl Sole/Wasser mit über 1000 W/m²K ein Vielfaches des Wärme- und Stoffüberganges auf der Wasser/Luft-Seite beträgt, der bei etwa 150 W/m²K liegt. Die kleinere Wärmeaustauschfläche der Kapillarrohre reicht somit aus, um das Wasser in dem Maße zu erwärmen, wie es in der jeweils nachfolgenden Verdunstungsstrecke im Schaumstoff wieder abgekühlt wird.

Durch den erfindungsgemäßen Wärmetauscher wird auf diese Weise ein vielstufiger Stoff- und Wärmeübergang erreicht. Dieser besteht aufeinanderfolgend in einer Erwärmung des Wassers an der ersten Rohrlage, Abküh­ lung des Wassers durch Verdunstung in der ersten Schaumstofflage, Erwärmung des Wassers an der zweiten Rohrlage, Abkühlung des Wassers durch Verdunstung in der zweiten Schaumstofflage, und so weiter.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Wärmetauschers im Schnitt senkrecht zu den Kapillarrohren gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Wärmetauschers im Schnitt senkrecht zu den Kapillarrohren gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und

Fig. 3 eine schematische Darstellung des in einem Kühlturm eingesetzten Wärmetau­ schers nach Fig. 2 im Schnitt in der Ebene eines Kapillarrohres.

Der Wärmetauscher nach Fig. 1 weist mehrere Lagen von zueinander parallel verlaufenden Kapillarrohren 1 aus Kunststoff auf, die einen Durchmesser bis zu etwa 5 mm haben können. Die einzelnen Kapillarrohre 1 sind wie aus Fig. 3 ersichtlich mäanderförmig gefaltet, so daß sie sich jeweils über mehrere Lagen erstrecken. Am in den Figuren oberen Ende der Kapillarrohre 1 wird zu kühlende Sole zugeführt, die das jeweilige Kapillarrohr 1 an dessen unterem Ende im gekühlten Zustand wieder verläßt.

Das aus den Kapillarrohren 1 bestehende Rohrregister wird gleichmäßig von oben mit Wasser berieselt und durch von unten zugeführte Luft durchströmt. Da die Leitung der Sole von oben nach unten erfolgt, befin­ det sie sich mit dem Wasser im Gleichstrom und mit der Luft im Gegenstrom. Die zur Verdunstung des Was­ sers benötigte Wärme wird der Sole entzogen, so daß diese gekühlt wird.

In Fig. 1 ist zwischen zwei benachbarten Lagen der Kapillarrohre 1 eine Matte aus Schaumstoff 2 angeord­ net. Eine derartige Matte befindet sich vorzugsweise zwischen allen benachbarten Kapillarrohrlagen. Durch die große innere Oberfläche des Schaumstoffs 2 wird die zur Verdunstung des Wassers zur Verfügung stehen­ de Oberfläche vervielfacht, so daß die Kühlwirkung erheblich verbessert wird.

Fig. 2 zeigt einen Wärmetauscher, bei dem das aus den Kapillarrohren 1 bestehende Rohrregister im Block eingeschäumt wurde, so daß der gesamte Raum zwischen den Kapillarrohren 1 mit Schaumstoff 2 ausgefüllt ist. Bei diesem Wärmetauscher kann somit unter den im vorstehenden Beispiel genannten Bedingungen die Wär­ meaustauschfläche auf etwa 1200 m²/m² Lufteintritts­ fläche erhöht werden.

Fig. 3 zeigt schematisch den Einsatz des Wärmetau­ schers in einem geschlossenen Kühlturm. In diesem wird die Luft in bekannter Weise vor der Einleitung in den Wärmetauscher in einem vorgeschalteten Füll­ körper 3 adiabat durch Verdunstung vorgekühlt und gleichzeitig gereinigt.

Die Schaumstoffmatten können quer zur Längsrichtung der Kapillarrohre 1 wellenförmig ausgebildet sein. Hierdurch werden die Rohre in ihrer Lage fixiert und weisen einen festen Abstand voneinander auf. Weiter­ hin können mehrere Kapillarrohre parallel geführt werden, um einen wasserseitigen Druckverlust zu ver­ meiden.

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher ist nicht nur zur Kühlung des durch die Kapillarrohre strömenden Fluids verwendbar, sondern kann auch für den umgekehrten Wärme- und Stofftransport benutzt werden. Wenn die Temperatur des Fluids unter der Temperatur der zuge­ führten Luft liegt, kann diese gekühlt und entfeuch­ tet werden.

Eine weitere Verwendungsmöglichkeit des Wärmetau­ schers besteht darin, die Konzentration einer Salzlö­ sung zu erhöhen, indem diese durch den Wärmetauscher gerieselt und die notwendige Verdunstungswärme über das Fluid zugeführt wird. Dieser Vorgang kann jedoch auch umgekehrt erfolgen, um die durchströmende Luft zu kühlen. Über das Fluid wird dann das Salzwasser unter die Taupunkttemperatur der Luft gekühlt, so daß Wasserdampf aus der Luft in die Salzlösung übergeht. Die dabei freiwerdende Kondensationswärme wird über das Fluid abgeführt.

Claims (10)

1. Wärmetauscher mit einem Rohrregister, durch wel­ ches ein zu kühlendes oder zu erwärmendes Fluid geführt wird, wobei das Rohrregister im Gleich­ strom mit dem Fluid mit Wasser berieselt und im Gegenstrom zum Fluid von Luft durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrregister aus parallel geführten Ka­ pillarrohren (1) besteht, die lageweise gefaltet sind, und daß die Räume zwischen den Kapillar­ rohren (1) zumindest teilweise durch Schaumstoff (2) ausgefüllt sind.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß einander benachbarte Lagen der Kapillarrohre (1) jeweils durch eine Schaum­ stoffmatte voneinander getrennt sind.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schaumstoffmatten zur Vorgabe definierter Abstände zwischen den parallel ge­ führten Kapillarrohren (1) wellenförmig ausge­ bildet sind.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Raum zwischen den Kapillarroh­ ren (1) vollständig ausgeschäumt ist.

5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarrohre (1) aus Kunststoff bestehen.

6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarrohre (1) einen Durchmesser von etwa 2 bis 5 mm auf­ weisen.

7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der gegenseitige Abstand der Lagen der Kapillarrohre (1) etwa 5 bis 10 mm beträgt.

8. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaum (2) eine Porosität von etwa 10 bis 30 ppi (Poren pro inch) hat.

9. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid Sole ist.

10. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß er in einen Kühlturm eingesetzt ist.