DE19758567C2

DE19758567C2 - Laminarer ebener Rippen-Wärmeübertrager

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Publication number: DE19758567C2
Application number: DE19758567A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Luther
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-11-28
Filing date: 1997-11-28
Publication date: 2003-11-13
Anticipated expiration: 2017-11-29
Also published as: DE19758567A1

Description

1. Problemstellung

Gegenstand der Erfindung sind kompakte Rippenwärmetauscher mit ebenen Rippen. Auslöser für die Entwicklung war die Aufgabe, geeignete Wärmetauscher für die Realisierung des Ab gaswandler-Verfahrens /1/ zu konstruieren; die gefundenen Lösungen lassen sich jedoch auch auf allgemeinere Probleme der Wärmeübertragung anwenden.

In der Vergangenheit wurden vielfältige "kompakte Wärmetauscher" entwickelt und theoretisch untersucht (e. g. /2/-/5/). Das Anwendungsgebiet erstreckt sich vom Autokühler bis zur Raumfahrt. Viele spezielle Herstellungstechniken wurden entwickelt und viele Besonderheiten wie Turbulatoren, Iouvers ("Jalousien") u. a. erfunden, um den Wärmeübergang zu erhöhen. In den letzten Jahren wurde auch erkannt /5/, dass, - entgegen der sich lange haltenden Irrmei nung, nur eine turbulente Strömung bewirke einen hohen Wärmübergangskoeffizienten und sei deshalb in Wärmeübertragern (Wüt) erstrebenswert -, gerade bei laminarer Strömung hohe Wärmeübergänge mit vernünftigem Druckabfall erreicht werden können.

Beim Wärmeübergang von einem Gas (z. B. Abgas) auf eine Flüssigkeit (z. B. Wasser) wird der wesentlich geringeren Wärmeübergangszahl auf der Gasseite der Trennwand dadurch Rech nung getragen, dass man hier die Oberfläche durch Verwendung von Rippen um ein Vielfaches steigert (e. g. /6/). Der menschliche Erfindungsgeist hat sich dieser Frage in hunderten von Pa tentschriften angenommen. Zur Herstellung von Rippen-Heizrohren sei beispielsweise auf AT 94 471 (/10/) und FR 850 531 (/11/) verwiesen.

Die Besonderheit der im folgenden beschriebenen Rippenwärmetauscher liegt vor allem in der Ausnutzung des guten Wärmeüberganges bei geringem Druckabfall durch eine langsame la minare Strömung in engen kurzen Zwischenrippen Kanälen, die durch ebene Rippen und Abstandshalter gebildet werden. Es werden Techniken angegeben, die es ermöglichen, den Abstand der ebenen Rippen bei gutem thermischen Kontakt mit dem Kühlrohr so klein zu ma chen, dass der Wärmeübergang bereits aus geometrischen Gründen und ohne zusätzliche Einbauten und Bearbeitungen der Rippe sehr hoch wird. Diese Kanäle können so angeordnet werden, dass die Anströmfläche vergrößert wird, um eine langsamere Strömung zu erhalten. In /12/ werden zusätzliche Vorrichtungen für laminare ebene Rippenwärmetauscher angege ben, die den Wärmeübergang vom Kühlrohr auf die Kühlflüssigkeit vergrößern; als eine An wendung von laminaren ebenen Rippenwärmetauschern wird dort auch ein auf kleine Tempe raturdifferenz zur Umgebungsluft ausgelegtes Raumheizgerät beschrieben.

2. Theoretische Grundlagen des laminaren Rippen-Wärmeübertragers

Meistens vermeidet der Konstrukteur von Wärmeübertragern immer noch den laminaren Bereich eines fließenden Wärmeträgers, da sich bei einer turbulenteren Strömung mit dem Druckanstieg auch die Wärmeübertragung vergrößert. In einer laminaren Strömung ist hinge gen bei den üblichen Abständen zwischen den Rippen die Wärmeübergangszahl alpha unwirt schaftlich niedrig.

Bei der Strömung durch Rohre oder Kanäle lassen sich jedoch auch im laminaren Bereich hohe Wärmeübergangszahlen erzwingen, wenn man den hydraulischen Durchmesser genügend klein wählt. Bei der Strömung zwischen den Rippen kann man sich das so vorstellen, dass bei kleiner werdendem Abstand der Begrenzungsflächen die beiderseitigen Grenzschichten inein ander übergehen und dadurch der Temperaturgradient zwischen dem Medium und der Wand einfach aus geometrischen Gründen ansteigt. Hinzu kommt noch der Einlaufbereich mit seinem erhöhten Temperaturgradienten an der Wand. Wegen des hohen Wärmeübergangskoeffizien ten kühlt jedoch in einem engen Spalt das kleine Gasvolumen auch schnell aus: der enge Spalt kann also kurz sein.

Um die sprachliche Darstellung zu vereinfachen wird im Folgenden in der Regel vom Fall der Kühlung eines Gases ausgegangen, obwohl die Überlegungen natürlich genauso für den Fall der Heizung gelten. Wir betrachten also die laminare Strömung eines von oben kommenden heißen Gases, das mit der Geschwindigkeit w durch einen "Zwischenrippen-Kanal" fließt. Mit Zwischenrippenkanal (Bild 1) bezeichnen wir den rechtwinkligen Kanal, der durch zwei Rippen 11 zwischen zwei Kühlrohren 12, die von rechteckigen Abstandshaltern 13 umschlossen sind, gebildet wird. Die Rippen 11 besitzen die Länge 2.L und die Breite B, welche identisch mit der Anströmlänge des Gases ist. Der Abstand zwischen den Rippen betrage s.

Bei einer laminaren Strömung in einem ebenen Spalt der Weite s mit Wärmeübertrag an bei den Seiten gilt nach /7/ für die minimale Nusseltzahl Nu₀:

Nu₀ = 7,54 (Gl. (19) von /7/) (1),

wobei die dimensionlose Nusseltzahl allgemein definiert ist durch

Nu = alpha.d_h/λ_F (2)

mit dem hydraulischen Durchmesser

d_h = 2.s (2)

und λ_F als der Wärmeleitung des Fluids. Löst man die Gln. (1)-(3) nach dem Wärmübergangs koeffizienten alpha auf, setzt für λ_F den in /8/ mitgeteilten Stoffwert für Abgas ein und ermittelt s in [mm], so erhält man die Faustformel:

alpha = 100/s [W/m²/K], wobei s in [mm] (4).

Für den Druckabfall Δp_K in einem rechteckigen Kanal, - mit der Kanalweite s (entsprechend der Spaltweite), der Breitseite 2.L und der Länge B -, gilt bei laminarer Strömung das Hagen-Poi seuillesche Gesetz in der Form (nach den Gln. (3) und (14) von /7/):

Δp_K = phi.32.(ν.ρ).B.w/d_h ² (5),

wobei ν die kinematische Zähigkeit, ρ die Dichte und w die Geschwindigkeit des Fluids be zeichnen. Der Beiwert phi wird in der Abb. 18 von /7/ dargestellt und ergibt den Zahlenwert 1,5 für den uns interessierenden Grenzfall, dass s/(2.L) sehr klein ist. Der hydrauli sche Durchmesser d_h entspricht Gl. (3). Dann ergibt sich

Δp_K = 12.(ν.ρ).w[B/s²] (6),

Setzt man für die Stoffgrößen die Werte für Abgas (bei ca. 100°C) aus /8/ ein und ermittelt s und B in [mm], so erhält man als Faustformel:

Δp_K = 0,24.w.[B/s²] [Pa], wobei s und B in [mm] und w in [m/s] (7).

Hinzu kommt noch der Einzelwiderstands-Druckverlust Δp_Z, der sich ergibt aus dem Übergang der Strömung von der freien Anströmung in den Rippen-Wärmeübertrager und umgekehrt, und für den ein quadratischer Ansatz mit einem experimentell zu bestimmenden "Zeta Wert" ζ , der in der Grö ßenordnung von 1 liegt (e. g. /3a/), gilt:

Δp_Z = ζ.(1/2.ρ.w²) [Pa] (8)

Der gesamte Druckabfall Δp ergibt sich also zu:

Δp = Δp_K + Δp_Z (9).

Wichtig ist, dass der Wärmeübergang alpha sich bei kleiner werdender Geschwindigkeit w des Gases nicht mehr wesentlich verringert, der Druckverlust Δp_K im Kanal jedoch nach Gl. (7) weiter mit w und der Einfügungswiderstand Δp_Z sogar mit w² abnimmt. Das quadratische An wachsen von Δp_K mit 1/s² sorgt andererseits dafür, dass die "Bäume nicht in den Himmel wachsen". Man erkennt aus Gl. (4), dass man bereits bei einem Rippenabstand von s = 1 [mm] zu einem bemerkenswerten Wärmeübergang alpha = 100 [W/m²/K] gelangt und dies nach Gl. (7), - etwa bei einer noch durchaus "brauchbaren" Geschwindigkeit von w = 1 [m/s] und einer Anströmstrecke von B = 20 [mm] -, nur mit einem erstaunlich niedrigem Druckabfall Δp_K im Ka nal, hier von ca. 5 [Pa], erkaufen muß. Im turbulenten Bereich lassen sich bei vergleichbarer Aufgabenstellung so hohe Werte von alpha nur bei wesentlich höherem Druckaufwand Δp er zeugen.

Die Verhältnisse im Zwischenrippenkanal lassen sich in guter Näherung beschreiben mit einem "Streifenmodell" /9/, das als wesentliche Vereinfachung von einer y-Abhängigkeit (siehe Ach senkreuz in Bild 1) der Rippentemperatur absieht. In der Rippen entstehen dann beliebig dünne Streifen mit einer jeweils homogenen Temperatur in Anströmrichtung (= y-Richtung); die unter schiedlichen Temperaturen der einzelnen Streifen ergeben jedoch eine Temperaturabhängig keit der Rippe in x-Richtung, also in Richtung auf den Rippenfuß. Für das laminar fließende Fluid stellen sich dann analoge Streifenkanäle ein, in denen das Fluid jeweils mit einem homo genen Rippenstreifen wechselwirkt. Da wir mit kleinen Werten von B auskommen, wirken sich die Einschränkungen des Modells nicht stark aus. Dieses Streifenmodell hat den Charme, dass es sich einerseits noch in geschlossener Form darstellen läßt, und andererseits auch eine Überprüfung durch eine numerische Lösung der nicht mehr vereinfachten Differentialgleichun gen keine allzu großen Veränderungen erbracht haben.

Es seien (T_ein - T_RF) die Spanne zwischen den Temperaturen des ankommenden heißen Gases und des Rippenfußes 13a und Q_F(0) der auf T_RF bezogene Wärmestrom dieses Gases:

Q_F(0) = A_q.w.ρ.c_p.(T_ein - T_RF) mit A_q = 2.L.s (10);

hierbei bezeichnen ρ und c_p seine Dichte bzw. seine spezifische Wärmekapazität. Von die sem Wärmestrom Q_F(0) des Fluids kann der Bruchteil η_F, der Ausnutzungsfaktor,

η_F = (1 - exp{-K}).Tanh{M}/M (11)

vom Rippenfuß aufgenommen und an das Kühlwasser abgegeben werden. Hierbei bedeutet K eine Abkühlgröße

K = alpha.2.B/(s.w.ρ.c_p) (12),

die nahe mit der number of transfer units (NTU) verwandt ist.

Berücksichtigt man die Gl. (2) und (3) so läßt sich K auch in die folgende Form bringen:

K = Nu.λ_F/(ρ.c_p).1/w.[B/s²] (13).

Der zweite Parameter in Gl. (11), M, läßt sich aus den folgenden Gleichungen ermitteln:

M = m_k.L (14),

mit

m_K ² = m₀ ².[1 - exp(-K)]/K (15)

und

m₀ ² = 2.alpha/(Di.λ_R) = Nu/s.1/Di.λ_F/λ_R (16),

wobei mit Di die Dicke und λ_R die spezifische Wärmeleitung der Rippe bezeichnet ist.

Im Falle des Abgaswandlers /1/ ist der Wärmekapazitätsstrom des Kühlmittels, also beispiels weise des Rücklaufs der Heizung, wesentlich größer als der des ankommenden Kesselabga ses; daher ist die Ausnutzung etwa des Gegenstromprinzips nur von geringfügiger Bedeutung. In diesen Fällen kann eine vorgegebene Übertragungsfläche dann am betriebsgünstigsten ausgenutzt werden, wenn der Wärmeübertrag im laminaren Bereich und bei möglichst langsa mer Gasgeschwindigkeit, also auf einer kurzen Strecke mit großem Anströmquerschnitt, statt findet.

Aus der oben skizzierten Theorie lassen sich je nach Anwendungsfall und Stoffwerten die kon struktiven Parameter (B, s, L und Di) zur Optimierung bestimmen. Es zeigt sich dabei, dass enge (kleines s), kurze (kleines B) ZwischenrippenKanäle mit einem kleinen Anteil des Rip penfußes (L_Stapel) erwünscht sind und dass in vielen Fällen die Wärmeabfuhr über das Kühlrohr 12 bereits zum Engpaß wird. Andererseits ergeben sich aus den optimierten Parametern neue Möglichkeiten der Konstruktion, wobei sogar auf Ausformungen der Rippe selbst verzichtet werden kann. Im folgenden Kapitel werden hierzu einige technische Vorrichtungen angegeben.

3. Technik des ebenen laminaren Rippen-Wärmeübertragers

Im Abschnitt 3.1 wird eine Methode zur einfachen Herstellung von Rippen-Wärmeübertragern mit kleinem Ab stand s zwischen den Rippen angegeben. Zur Vergrößerung der Anströmfläche können mehre re Ebenen mit Rippen-Wärmeübertragern in Parallelschaltung hintereinander gestaffelt werden (Abschnitt 3.2). Wegen der hohen Wärmeübergangszahl in den engen Zwischenrippen-Kanälen muß auch an eine Vergrößerung des Wärmeüberganges vom Rippenfuß auf das Kühlmittel gedacht werden (Abschnitt 3.3).

3.1 Rippenrohr mit kleinem Abstand zwischen den Rippen

Normalerweise werden Rippen als L-Profil spiralartig auf das Kühlrohr geschweißt oder gelötet. Durch den Rippenfuß mit Naht und die benutzte Technik ist es nicht möglich, die Rippen belie big eng und doch gleichmäßig auf einem Rohr anzubringen. Im folgenden wird daher eine an dere Technik angegeben, um Rippenrohre mit engem Rippenabstand und optimalem Wärme übergang von der Rippe auf das Kühlrohr einfach herzustellen.

Die Idee besteht darin, einfach gelochte rechteckige Blechstreifen (z. B. aus Kupfer) abwech selnd als lange Rippe und als kurzer Abstandshalter auf das Kühlrohr aufzufädeln und an schließend das Paket zusammenzulöten (Abschnitt 3.11). Durch die Kapillareffekte der engen Spalte sowohl zwischen Rippe und Abstandshalter als auch zwischen dem Kühlrohrmantel und den Blechen ergibt sich eine sehr gute Verbindung, ähnlich wie man es bei der Verlötung von Kupferrohren in der Sanitärinstallation gewöhnt ist. Der Abstandshalter erfüllt eine wichtige zu sätzliche Funktion dadurch, dass er die Wärmeleitung von der Rippe auf das Kühlrohr gerade im kritischen Bereich am Fuße der Rippe und beim Übergang auf das Rohr verstärkt. Bei Rip pen mit hitzeempfindlicher Oberfläche (z. B. wg. einer Schutzschicht) kann (siehe Abschnitt 3.12) zunächst auf die obige Art eine Halterung mit perfekter Wärmeverbindung zum Rohr zu sammengelötet werden, in die dann die Rippen gesteckt und anschließend durch Schrauben odgl. mechanisch festgepresst werden.

3.11 Grundtyp

In Bild 2 ist ein Beispiel für einen laminaren Rippen-Wärmeübertrager für Rippen, die man ohne Schädigung verlöten kann, angegeben. Die rechteckigen Rippen 11 und die Abstandshalter 13 werden mit einer zentralen Bohrung 12 versehen und abwechselnd auf ein Kupferrohr (in Bild 2 wird zwi schen "Loch" und "Kühlrohr im Loch" nicht unterschieden) gesteckt, leicht aneinandergedrückt und von der gemeinsamen Kante der Bleche her verlötet. Als Material wird zweckmäßigerweise Kupfer gewählt: für die Rippen verwendet man beispielsweise eine Blechstärke von 0,5 [mm], für die Abstandshalter beispielsweise eine Dicke von 1 [mm].

Man kann auch zwei Rippen bzw. zwei oder mehr Abstandshalter direkt aufeinander folgen lassen und somit einen weiten Bereich von resultierenden Rippendicken und Abständen reali sieren. Ebenso kann man lange Rippen mit mehreren genau übereinanderliegenden Löchern versehen und somit einen Zusammenbau von mehreren Kühlrohren erreichen. Auch außerhalb des Bereiches um das Kühlrohr kann man z. B. schmale Plättchen oder Drähte zwischen den Rippen anbringen, um die Geometrie des Zwischenrippenraumes zu stabilisieren. Das das Kühlrohr 12 fassende Loch muß auch nicht zentral angordnet sein, sondern kann bei breiten Rippen zu einer Kante hin versetzt sein, so dass man die Bleche von der nahen Kante her gut mit dem Kühlrohr verlöten kann.

Falls die Dicke Di der Rippen ihrem gegenseitigen Abstand s entspricht, lassen sich die geson derten Abstandshalter 13 durch ein versetztes Anordnen von "halbseitigen" Rippen, die nur noch auf einer Seite in den Gasraum hineinragen, ersetzen. Diese Anordnung entspricht dem in Bild 4 wiedergegeben Schema für einen analogen Haltekörper, der im nächsten Abschnitt behandelt wird, wenn man die dortigen "Abstandshalter" 13 als "halbseitige" Rippen "11" auffaßt (und die Bohrungen 15 wegläßt). Die so verknüpften halbseitigen Rippen müssen nicht unbe dingt um 180 Grad gegeneinander gedreht sein, auch andere Winkel wie beispielsweise 90 Grad ergeben für Spezialzwecke geeignete Konstruktionen.

3.12 Grundtyp für lötempfindliche Rippen

Im Kondensationsbereich des Abgases kann das Lötverfahren nach Abschnitt 3.11 (Bild 2) dann nicht mehr angewandt werden, wenn hitzeempfindliche Materialien, beispielsweise dünne Kunststoffolien oder sonstige korrosionsfeste Überzüge für die Metallrippen, eingesetzt werden. Man kann zwar bei sehr vorsichtiger Lötung mit einem Lot von niedriger Flußtemperatur den temperaturbeanspruchten Bereich auf die Nachbarschaft des Kühlrohres beschränken und die sen nachher wieder mit einem Überzug versehen, der dann gegebenenfalls auch einen kleinen Teil des Zwischenrippenraumes ausfüllt. Im folgenden soll jedoch gezeigt werden, wie man durch die getrennte Herstellung eines Haltekörpers das Verlöten der hitzeempfindlichen Rippen umgehen kann.

Der als Beispiel angegebene laminare Rippen-Wärmeübertrager für lötempfindliche Rippen besteht aus ei nem fest mit dem Kühlrohr 12 verlötetem Haltekörper, in den die dem Kesselabgas 1 ausge setzten Rippen 11 gesteckt und dann insgesamt fest verschraubt werden. Den Wärmeübertrager kann man als eine Serienschaltung der in Bild 3 dargestellten Elementarzelle beschreiben. Diese Zelle besteht aus einem langen (13) und einem kurzen (14) Abstandshalter, die untereinander und mit dem Kühlrohr 12 zusammengelötet sind. Je zwei lange (13) und ein dazwischen liegender kurzer (14) Abstandshalter bilden eine kompakte Halterung. Die Kühlrippen 11 werden in ihrer Mitte, die vom korrosionsfesten Überzug ausgespart wurde und daher metallisch blank ist, in die Lücken zwischen den längeren Abstandshaltern 13 gesteckt. Durch ein Loch 15 in den Rip pen 11 und entsprechend in den längeren Abstandshaltern 13 wird ein Bolzen gezogen, der dann am Ende festgeschraubt wird und somit die Rippen und die längeren Abstandshalter zu sammenpreßt und damit auch thermisch fest miteinander verbindet. Anschließend wird der Be reich der Verschraubung und des gesamten Haltekörpers mit einem korrosionsfesten Material beschichtet bzw. vergossen, so dass nur noch die geschützten Rippen 11 dem Abgasstrom 1 ausgesetzt sind.

Eine Aneinanderreihung der Elementarzellen nach Bild 3 wird in einem modifizierten Anwen dungsbeispiel im Abschnitt 3.2 (Bild 7) behandelt.

Für die Haltekörper lassen sich je nach Anforderung unterschiedliche Konstruktionen angeben. Der Haltekörper in Bild 3 besteht in Analogie zu Abschnitt 3.11 aus gelochten Abstandshaltern von zwei unterschiedlichen Längen, die abwechselnd auf das Kühlrohr 12 gesteckt werden. Der kurze Abstandshalter 14 besitzt die gleiche Materialdicke wie die Rippe 11, die Dicke des lan gen Abstandshalter 13 kann hingegen frei gewählt werden.

Der Haltekörper läßt sich konstruktiv vereinfachen, wenn man die Dicken von Rippe 11 und Rippenzwischenraum, der in Bild 3 von der Dicke des langen Abstandshalters 13 bestimmt wird, gleich wählt. Dann kommt man, wie in Bild 4 dargestellt, mit einem einzigen Typ von Ab standshaltern 13 aus, die mit ihrem "langen" Ende abwechselnd nach oben und nach unten weisen. Die "langen" Enden erfüllen die Funktion der seitlichen Halterung für die Rippen, die kurzen Enden dienen als Abstandshalter. Die obere und die untere Rippenreihe sind gegenein ander um eine Dicke versetzt.

Der kritischste Punkt der Wärmeübertragung ist der Übergang von den Blechen (Abstandshal ter 13, in Bild 3 auch Abstandshalter 14) auf das Kühlrohr 12. Bei der Verlötung des Haltekör pers wird das Lot durch die Kapillarkräfte in die Zwischenräume gezogen; die Verhältnisse sind ähnlich wie in der Sanitärtechnik, eine gute metallische Verbindung ist also unproblematisch.

Der Wärmeübergang von den Rippen 11 auf die Abstandshalter 13 ist hingegen weniger kritisch, da die Übertragungsflächen sehr viel größer und dadurch die Wärmestromdichten ent sprechend kleiner sind. Daher ist an dieser Stelle eine Verschraubung oder eine Verklebung mit einem geeigneten Metallkleber möglich. Bei einer handwerklichen Herstellung, bei der man nicht von ebenen und wulstfreien Abstandshaltern ausgehen kann, empfiehlt sich eine Kombi nation von Verschraubung und Verklebung, wobei der gut wärmeleitende Klebstoff alle Hohl räume ausfüllen wird.

Es soll noch angemerkt werden, dass man die Haltekörper bezüglich ihrer Orientierung zum anströmenden Fluid auch um 90° drehen und die Rippen dann in der Längsrichtung des Halte körpers stumpf in die Halterung einführen kann (Bild 5). Der Abstandshalter 13 wird in den Fäl len von Bild 3 und Bild 4 sinnvollerweise so lange sein, dass er die querliegende Rippe voll um schließt. Im Falle der längs liegenden Rippe (Bild 5) kann der Abstandshalter kürzer sein; er muß nur noch so lange sein, dass die Schraube durch die Bohrung 15 festen Halt hat.

Mehrere Haltekörper können durch querliegende oder durch längsliegende Rippen starr mitein ander verbunden werden.

3.2 Vergrößerung der Anströmfläche

Um das anströmende Gas in laminarer Strömung zu halten und mit möglichst kleiner Ge schwindigkeit und daher niedrigem Druckverlust zwischen den Rippen hindurchzuleiten, muß man die parallel angeströmte berippte Querschnittsfläche vergrößern. Ohne den Apparatequer schnitt zu vergrößern kann dies nach Bild 6 dadurch erreicht werden, dass man die berippten Querschnittsflächen in mehreren Ebenen staffelt. Jede Ebene besteht aus eng berippten Ab schnitten, in denen der Wärmeübertrag abläuft, und dazwischenliegenden breitbandigen Ka nälen, durch die der Gasstrom praktisch ungehindert hindurchtreten kann, um dann jedoch in einer anderen Ebene seinen eng berippten Abschnitt vorzufinden. In Durchströmungsrichtung durchläuft also jeder Teilstrom nur einen einzigen berippten Abschnitt, der auch ausschlagge bend für den vom Teilstrom zu überwindenden Serienwiderstand ist.

Ein Ausführungsbeispiel mit drei parallel angeströmten Ebenen ist in Bild 6 in einem Seiten schnitt parallel zur Anströmrichtung des Abgases 1 und rechtwinklig zur Längsrichtung der Kühlrippen (23, 25) dargestellt. Der Schnitt ist dabei so gelegt, dass die wärmeabführenden Kühlrohre, die waagrecht durch die Rippenpakete (23, 25) verlaufen, nicht berührt werden.

Zwischen den Seitenwänden 21 des Wärmeübertragers strömt von oben das "heiße" Gas 1 auf die in drei Ebenen gestaffelten Anströmflächen. Ein Drittel des Gasstromes, im Bild 6 quantitativ durch die Anzahl der Pfeile gekennzeichnet, fließt bereits in der ersten Ebene durch die Rippenpakete 23, wird dort abgekühlt und anschließend mittels der Leitwände 22 durch die folgenden Ebenen im Bypass (27a bzw. 24a) geleitet. Die restlichen Teilströme, also 2/3 des Gasstromes, werden in der 1. Ebene durch Bypässe (27, 24) geführt; in der 2. Ebene wird dann ihre eine Hälfte (also 1/3 des gesamten Gasstromes) wiederum im Bypass (26 bzw. 27b) vorbeigeleitet, um schließ lich in der dritten Ebene durch ein Rippenpaket (25a bzw. 23a) geführt zu werden. Ihre andere Hälfte (also das letzte Drittel des gesamten Gasstromes) wird hingegen bereits in der 2. Ebene durch Rippenpakete 25 geführt und dann durch die 3. Ebene im Bypass 24a geleitet.

Insgesamt gesehen wird also durch jede Ebene 1/3 des Gasstromes durch Kühlrippen geführt und 2/3 im Bypass vorbeigeleitet. Jeder Teilstrom findet in einer Ebene einen berippten Wär metauscher und in den restlichen Ebenen einen Bypass vor.

Die Verhältnisse lassen sich auf n Anströmflächen verallgemeinern. Bei gleichmäßiger Bela stung der n Ebenen fließt dann in jeder Ebene 1/n des Gasstromes durch den berippten Be reich und der Anteil (n - 1)/n durch die Bypässe. Das Verhältnis der Gesamtlänge der berippten Bereiche zu demjenigen der Bypässe ist in jeder Ebene gleich. Die berippten Bereiche treten in 2 Breiten auf, wobei der größere (23 in Bild 6) die doppelte Länge des elementaren Rippenpa ketes (25 in Bild 6) besitzt. Die Breite des elementaren Rippenpaketes (25 in Bild 6) sei r0; der durch das elementare Rippenpaket fließende Gasstrom definiert den elementaren Bypass (26 in Bild 6), seine Breite sei s0. Alle sonstigen Bypässe haben Breiten, die ein ganzzahliges Viel faches von s0 betragen. Die gesamte Konstruktion läßt sich im wesentlichen, d. h. bis auf einen gemeinsamen Faktor, der sich aus der Anzahl m der parallel angeordneten Grundeinheiten (in Bild 6 ist m = 2) ergibt, durch die 3 Parameter n, r0 und s0 beschreiben.

Für einen in n Ebenen gestaffelten Rippen-Wärmeübertrager mit m parallelen Grundeinheiten gilt:

Apparatebreite = m.[2.r0 + 2.(n - 1).s0]

Gesamtlänge der berippten Anteile = m.[n.2.r0]

Sei f der Vergrößerungsfaktor für die parallel angeströmte Rippenfläche, also das Verhältnis der Gesamtlänge der berippten Anteile zur Apparatebreite. Dann gilt:

f = (n.2.r0)/[2.r0 + 2.(n - 1).s0],

woraus folgt:

f = n/[1 + (n - 1)/(r0/s0)] (17).

Aus der Gleichung (17) erkennt man, dass der Vergrößerungsfaktor f nur noch vom Längen verhältnis der elementaren berippten und unberippten Anteile, r0/s0, und der Anzahl der Staf felebenen n abhängt. Sein oberer Grenzwert beträgt natürlich f = n.

Im Beispiel (Bild 6) wurde r0/s0 = 4 gewählt. Nach Gl. (17) ergibt sich hieraus ein Vergröße rungsfaktor f = 2, was man auch geometrisch bestätigen kann. Die Staffelung der Anströmflä che in 3 Ebenen führt hier also zu einer Halbierung der Geschwindigkeit im berippten Wärmeübertrager. (Der Wert r0/s0 = 4 wurde übrigens nur aus Darstellungsgründen gewählt, in praxi kann der Wert viel größer sein.)

Ein weiteres Ausführungsbeispiel für vergrößerte Anströmflächen ist im Bild 7 für einen im Ab gasstrom einsetzbaren WasserKondensationsKühler (WKK) angegeben, der sich zwischen einem Heißgaskühler (HGK) und einem LuftKondensationskühler (LKK) befindet /1/. Der WKK ist als Rippen-Wärmeübertrager für lötempfindliche Rippen gemäß Bild 3 mit einer Modifizierung für vergrö ßerte Anströmflächen in 2 Ebenen ausgeführt. Die Wärmeaufnahme erfolgt über schmale (z. B. 20 mm breite) Kupferrippen 23 bzw. 25 (dies entspricht den Rippen 11 in Bild 3), die aus Grün den des Korrosionsschutzes mit einer gut und langzeitig haftenden dünnen Kunsstoffolie be klebt sind. Die Breite der Rippe wurde an die Breite der Handelsform der Polyester-Klebefolie, die als 50 mm breites Band verkauft wird, angepaßt: die Klebefolie wird an der oberen Kante der Rippe umgeschlagen, ihre beiden Ränder werden knapp unter der unteren Kante der Rippe miteinander verklebt. Auch eine Rippenbreite von etwas unter 50 mm wäre empfehlenswert, wobei dann die Vorder- und Rückseite der Rippe nicht mit einem eingeschlagenen Band son dern von zwei getrennten an ihren beiden längsseitigen Enden miteinander verklebten Bändern beklebt wird. Wegen des kleinen Wärmewiderstandes der dünnen Folie verringert diese Ka schierung des Kupferbleches die breitflächige Wärmeaufnahme nur geringfügig. Die hohe Wärmeleitfähigkeit des Kupfers wird nämlich vor allem für die Ableitung der Wärmeströme auf die Halterung und dann auf das Kühlrohr benötigt (siehe Bild 3).

Zur Verringerung des Druckabfalles wurde von der Methode, die parallele Anströmfläche durch Staffelung der Rippen in zwei Ebenen zu vergrößern, Gebrauch gemacht. Dies wird dadurch realisiert, dass in den Bypassbereichen einfach die untere bzw. die obere Rippe 11 der Ele mentarzelle (Bild 3) weggelassen wird und die obere und untere Reihe der Rippenpakete ent sprechend Bild 7 durch Leitflächen 22 (beispielsweise) aus dünnen und daher noch flexiblen Kunsstoffplatten verbunden werden. Im Bereich der Halterung liefern die Lücken zwischen den Rippenpaketen, die sich durch die Bypässe (24, 26) ergeben, den nötigen Platz, um die Schrauben zur Befestigung und Verpressung der Rippen unterzubringen.

Von dem hier idealtypisch dargestellten weitgehend symmetrischen Aufbau mit einer gleichmä ßigen Belastung aller Ebenen kann natürlich im Einzelfall auch abgewichen werden. Von einer Aufzählung der naheliegenden Varianten soll hier abgesehen werden.

3.3 Vergrößerung des Wärmeüberganges im Kühlrohr

Bei kleinem Rippenabstand s kann alpha, der Wärmeübergangskoeffizient vom Fluid auf die Rippe, nach Gl. (4) sehr groß werden. Dann kann es vorkommen, dass nicht mehr die Wär meaufnahme über die Rippe sondern der Wärmeübergang vom Rohr auf das Kühlmittel zum Engpaß wird. Diese Schwachstelle wird durch die im Abschnitt 3.2 beschriebene Methode der vergrößerten Anströmfläche etwas verbessert, da die Kühlrohre auch in den unberippten By passbereichen (24, 26 oder 27) weiterhin zum Wärmeübertrag auf das durch das Kühlrohr 12 fließende Kühlmittel beitragen. Die systematische Ausnutzung dieses Effektes ist in /12/ aus führlich dargestellt worden.

Schrifttum

/1/ LUTHER, Gerhard: "Abgaswandler ", am 28.11.1997 beim Deutschen Patentamt, München, unter AZ 197 52 709 zum Patent angemeldet
/2/ KAYS, W. M. und CRAWFORD, M. E.: "Convective Heat and Mass Transfer", hier: Chapter 19: Compact Heat-Exchangeer Surfaces. Verlag McGraw-Hill, New York, USA, 3. Auflage (

1993

), ISBN = 0- 07-033721-7
/3/ KAYS, W. M. und LONDON, A. L. "Compact Heat-Exchangers." Verlag: Krieger Publishing Company, Malabar, Florida, USA, Reprint Edition (1998) von der 3. Auflage (1984), ISBN = 1-57524-060-2
/3a/ Chapter 5 von /3/: "Abrupt Contraction and Expansion Pressure-Loss Coefficients", S. 108-114
/4/ FOUMENY, E. A. and HEGGS, P. J.: "Heat Exchange Engineering", Volume 2: "Compact Heat Ex changers: Techniques of Size Reducction". Verlag: Ellis Horwood, New York, (1991), ISBN = 0-13- 382391-1
/5/ R. K. Shah: "Compact heat exchanger technology and applications". Chapter 1 von /4/
/6/ ELSNER, Norbert: Grundlagen der Technischen Thermodynamik; Akademie Verlag, Berlin 1993, S. 45 ff ("Wärmedurchgang durch berippte Wände")
/7/ VDI-Wärmeatlas: Berechnungsblätter für den Wärmeübergang, 7. Auflage, VDI-Verlag, Düsseldorf (1994), hier: Kapitel Gd "Wärmeübergang im konzentrischen Ringspalt".
/8/ DIN 4705 - Teil 1: "Feuerungstechnische Berechnungen von Schornsteinabmessungen"; verfügbar u. a. im DIN Taschenbuch 146, Beuth-Verlag; Berlin; (1993)
/9/ LUTHER, Gerhard: "Der ZwischenrippenKanal", internes Arbeitspapier, noch nicht veröffentlicht
/10/ UNZEITIG, L. und UNZEITIG, R.: "Verfahren zur Herstellung von Rippenrohren", AT 94 471, - Österreichische Patentschrift vom 10.10.1923
/11/ Compagnie générale de traveaux d'éclairage et de forge: "Perfectionnement aux radiateurs à ailet tes", FR 850 531, französisches Patent vom 19.12.1939
/12/ LUTHER, G.: "Laminarer ebener Rippen-Wärmeübertrager", DE 197 58 567 A1, Offenlegungsschrift vom 5.8.1999)

Bildunterschriften

Bild 1 Zur Abkühlung eines Gases im ZwischenrippenKanal

Bild 2 Laminarer Rippen-Wärmeübertrager (auseinandergezogen gezeichnet) mit kleinem Abstand zwi schen den ebenen Rippen. Durch die zentrale Bohrung 12 der Rippen 11 und Abstandshalter 13 verläuft das Kühlrohr (hier nicht eingezeichnet). Die Verlötung erfogt von der gemeinsamen Kante her.

Bild 3 Elementarzelle eines laminaren Rippen-Wärmeübertrager für lötempfindliche Rippen. Die Rippen 11 sind durch Schrauben 15 mit der mit dem Kühlrohr 12 verlöteten Halterung (gebildet durch die Abstandshalter 13 und 14) verbunden.

Bild 4 Haltekörper für lötempfindliche Rippen (auseinandergezogen gezeichnet), be stehend aus Kühlrohr 12 und einheitlichen Abstandshaltern 13. Rippenabstand und Rippendicke sind gleich. Die Rippen werden senkrecht zum Kühlrohr in einer oberen und einer unteren Reihe zwischen die Abstandshalter 13 eingelegt und über die durchgehenden Bohrungen 15 festgeschraubt.

Bild 5 Elementarzelle eines laminaren Rippen-Wärmeübertrager für lötempfindliche Rippen. Die Längs richtung des Haltekörpers liegt senkrecht zur Anströmrichtung. (Bezeichnung wie in Bild 3).

Bild 6 Vergrößerung der parallelen Anströmfläche durch Staffelung der berippten Wärmeübertrager (23, 25) in mehreren (hier drei) Ebenen. Die Gasströme sind der Anzahl der Pfeile proportional, wobei die gestrichelten Pfeile das abgekühlte Gas kennzeichnen. Der Druckabfall in den Bypässen (26, 27 und 24) kann vernachlässigt werden.

Bild 7 Gestaffelte Anströmung in einem WasserKondensationskühler: Die Rippen sind in zwei Ebenen angeordnet, so dass einerseits Platz für die Verschraubungen an der Halterung geschaffen wird und andererseits die parallele Anströmfläche vergrößert wird. (Bezeichnungen wie in Bild 6).

Claims

1. Rippenwärmetauscher zur Realisierung einer laminaren Strömung in engen Kanälen, mit einem Abstand (s) der Rippen (11) von beispielsweise 1 mm, mit gelochten rechteckigen Ab standshaltern (13) und gelochten rechteckigen Rippen (11) jeweils gleicher Breite (B), die al ternierend auf einem Wärmetauscherrohr (12) angeordnet sind, wobei Abstandshalter (13), Wärmetauscherrohr (12) und Rippen (11) von der gemeinsamen Kante von Abstandshalter (13) und Rippen (11) her miteinander verlötet sind (Bild 2).

2. Rippenwärmetauscher nach Anspruch 1 mit einem Kühlrohr (12) zur Aufnahme von Rippen (11) dadurch gekennzeichnet, dass gelochte kurze (14) und lange (13) Abstandshalter alternie rend auf das Kühlrohr (12) gesteckt werden und von ihrer gemeinsamen Kante her die Ab standshalter (14 und 13) und das Kühlrohr (12) miteinander verlötet sind, wobei die Dicke des kurzen Abstandshalter (14) so gewählt ist, dass der Spalt zwischen den ihn umgebenden bei den langen Abstandshaltern (13) eine Rippe (11) fassen kann, deren Längsrichtung senkrecht zur Achse des Kühlrohrs (12) verläuft (Bild 3).

3. Rippenwärmetauscher nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass gleichartige Ab standshalter (13) mit einer dezentral angebrachten Bohrung derart auf das Kühlrohr gesteckt werden, dass die langen Enden der Abstandshalter (13) jeweils abwechselnd nach oben und nach unten weisen, so dass zwischen übernächsten Abstandshaltern sich jeweils ein Spalt er gibt, der eine Rippe (11) aufnimmt (Bild 4).

4. Rippenwärmetauscher nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (11) mit den Abstandshaltern (13) über die durchgehenden Bohrungen (15) verschraubt sind (Bild 5).

5. Rippenwärmetauscher nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass metallische Rippen (11) zum Korrosionsschutz mit Kunststoffolie beklebt werden.

6. Rippenwärmetauscher mit vergrößerter paralleler Anströmfläche dadurch gekennzeichnet, dass er in mehrere Ebenen gestaffelt ist und zwar derart, dass der ankommende Gasstrom (1) in zwei oder mehrere Teilströme aufgeteilt wird, von denen jeder durch mehrere Ebenen gelei tet wird, wobei für jeden Teilstrom sich in genau einer Ebene ein berippter Kühlkörper (23, 25) befindet, während in den sonstigen Ebenen der Teilstrom durch Bypässe (24, 26, 27), an den berippten Kühlkörpern (23, 25) für andere Teilströme vorbei geleitet wird (Bild 6).