DE2158505A1

DE2158505A1 - Wärmetauschereinheit

Info

Publication number: DE2158505A1
Application number: DE19712158505
Authority: DE
Inventors: Gerald John Nicholson Winston Ridge Johannesburg Lime-Beer (Südafrika)
Original assignee: Mulock Bentley & Ass
Current assignee: Mulock Bentley & Ass
Priority date: 1970-11-27
Filing date: 1971-11-25
Publication date: 1972-05-31
Also published as: DE2158505C2; GB1367471A; ZA708044B; CA974507A; AU468788B2; AU3610171A

Description

\v'ärmetauscherelnheit

Priorität: 27. November 1970, Südafrika, Nr. 70/8044

Die Erfindung betrifft Oberflächen-Wärmetauscher, beispielsweise zur Verwendung in Kühltürmen, die oft als "trocken" bezeichnet werden» weil, in Gegensatz zu üblichen Verdampfer Kühl türmen, bei denen sich die wärmeaustauschenden Strömungs mittel in direktem Kontakt befinden, der Wärmeaustausch indirekt stattfindet, und zwar durch die Wände von Leitungen, durch dieedß Strömungsmittel fließt, während das andere mit diesen Wänden in Kontakt kommt. Um die Wärmeübergangs-Oberfläche zu vergrößern, befinden sich die Leitungen mit einer Reihe von Fahnen in wärmeleitendem Kontakt, die im Bewegungsweg des zweiten Strömungsmittels angeordnet sind. In der Mehrzahl der Fälle ist dieses zweite Strömungsmittel Umgebungsluft, und es wird entweder durch Gebläse oder durch natürlichen Zug dafür gesorgt, daß diese die Wärmetauschereinheit durchquert. Ein bekanntes Beispiel eines solchen KUhI-turms lab ein Turm rait einer Einschnürung, die so göformt ist, dan Luft dazu gebracht wird, unten in den Turm eittzu~ strömen und ihn oben zn vorlassen,

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Um einen guten, wirtschaftlichen Wirkungsgrad zu erzielen, soll ein Wärmetauscher einen niedrigen Gesamtwiderstand für die durchströmende Luft haben, sowie einen hohen Gesamt-Wärmeübergangskoeffizienten. Diese erste Forderung ist besonders wichtig, wenn der Luftstrom auf natürlichem ¥ege herbeigeführt wird, weil der auf den Luftstrom wirkende Druckunterschied klein ist und der Strömungswiderstand deshalb minimal sein muß. Die zweite Forderung wird durch die Erscheinung beeinflußt, daß eine laminare Luftschicht, die als Grenzschicht bezeichnet wird, sich leicht über den Wärmeübergangsflächen bildet.

Die Wärme muß die laminare Schicht durch Leitung durchqueren s und weil die Wärmeleitung von Luft niedrig ist, bewirkt die laminare Schicht, je nach Ihrer Dicke, einen hohen Widerstand für den Wärmefluß.

Durch die Erfindung soll eine Wärmetauseher einheit verfügbar gemacht werden, in der sowohl der Widerstand gegen den Luftstrom durch die Einheit als auch die Bildung von laminaren Schichten Über den Wärmetauscherflächen minimal sind.

Erfindungsgemäß sind deshalb die Fahnen in Richtung des Luftstroms durch die Einheit diskontinuierlich, und die Einheit ist dadurch gekennzeichnet, daß die Länge L einer Fahne, gemessen im Querschnitt in Richtung des Luftstroms, zwischen 3 und 6 mm liegt« das Verhältnis des Abstandes C_n zwischen benachbarten Fahnen, gemessen in Richtung senkrecht zum Luftstrom, zur Länge (C_n/^) zwischen 0,25 und 2 liegt und das Verhältnis dos Abstandes C (in mm) zwischen aufeinanderfolgenden Fahnen- gemessen in Richtung des Luftstroms, (Cp/_L) zwischen 0 und 1,5 liogt. Vorzugsweise ist die Einheit so ausgebildet, daß L s 4_S5 mm 1st, C*^ etwa 0,5 ist und Cp/_L etwa 0,25 ist.
Vorzugsweise haben die Fehnen stromlinienförmig©». Querschnitt.

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Um den Wärmef luß von den Leitungen zu den Fahnen zu f Ordern ρ wird gemäß einer weiteren Ausbildung die Einheit so ausgebildet, daß die Strömungsmittel führenden Leitungen und Fahnen mit Spannungselementen zusammengepreßt sind, um einen positiven mechanischen Druck an den Anlageflächen zu erhalten. Gemäß einer "bevorzugten AusfUhrungsform der Erfindung wird der mechanische Druck durch Druckfedern kontrolliert, die die Yärmeübergangsteile zusammengepreßt halten.

Gemäß einer speziellen Ausftlhrungsform der Erfindung werden " die Fahnen aus einer Reihe von flachgedrückten Wendeln bestehen, die zwischen benachbarte Strömungsmittel führende Leitungen derart geschaltet sind, daß 3ede Pendel sich in Richtung des Luftstroms erstreckt·

Vorzugsweise werden die Leitungen mit konvexen Seiten hergestellt, die unter dem durch die Spannelemente erzeugten Druck flachgedrückt werden; vorzugsweise werden diese Seitenwände mit Versteifungs-Rippen versehen.

DiG Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert

werdenj es zeigen: ä

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Wärmetauschereinheit j

Fig. 2 eine perspektivische Teileinsicht der Einheit nach Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-5 in Fig. 1;

Fig. 4 einen Schnitt durch eine typische Fahne mit Sti'oml ini enquer schnitt;

Fig. fr eine perspektivische Teilansicht einer Verbindung zwischen oJner Fahne und einer Leitung;

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Fig. 6 einen Querschnitt durch eine Strömungsmittelleitung in der ursprünglichen, ungespannten Form;

Fig. 7 einen Teilschnitt durch eine Leitung nach der Montage; und

Fig. δ schematisch einen Wärmetauscher nach Montage in einem Kühlturm.

Der in der Zeichnung dargestellte Wärmetauscher besteht aus einer Reihe von parallelen Strömungsmittelleitungen 10, die im Gebrauch im wesentlichen vertikal angeordnet sind und sich über die Breite der Einheit erstrecken, wobei ein Sammler auf der Oberseite und ein zweiter Sammler 14 an der Unterseite der einheit vorgesehen sind. Das zu kühlende Strömungsmittel tritt in den unteren Sammler 14 ein und fließt durch die Leitungen 10 aufwärts in den oberen Sammler 12, den es verläßt, um durch einen geschlossenen Kreislauf zu zirkulieren, wonach es wieder in den unteren Sammler eintritt. Um was für einen Kreislauf es sich handelt, und für welchen Zweck das Strömungsmittel gekühlt werden muß, sind für die vorliegende Erfindung ohne Bedeutung, das Ströxaungsmittelsystem im Wärmetauscher kann jedoch ohne weiteres ein Vielstufensystem sein.

Der Luftstrom, mit dem die Strömungsmittelpassageigekühlt v/erden, tritt horizontal und in einer Richtung in die Einheit ein, die parallel zur Breitseite der Leitungen liegt, das heißt rechtwinklig zur Zeichenebene.

Die Leitungen haben flache Seiten und im wesentlichen gestreckten Querschnitt, wobei sie

entweder spitze Enden 16 haben, um den Luftwiderstand herabzusetzen, oder ein spitzes Ende 16 und ein stromlinienförmiges Ende/aufweisen, wie in Fig· 6 dargestellt. Die Leitungen

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sind in gewissen Abständen mit eingeprägten Rippen versehen, wie bei 20 in Fig. 7 dargestellt, um sie zu versteifen·

Zwischen benachbarte Leitungen ist eine Reihe von Fahnen 22 eingeschaltet.

Die Fahnen dienen als Abstandshalter zwischen den Leitungen, und die Leitungen und Fahnen werden zwischen zwei Vangenplatten 24 mit einer Reihe von sich quer erstreckenden Bolzen 26 und Muttern 28 gehalten.

Getrennt von ihrer Aufgabe als Abstandshalter dienen die Fahnen dazu, Wärme durch Leitung von den Wänden der Leitungen aufzunehmen und sie an den Luftstrom abzugeben. Um den Wärmefluß von den Leitungen zu den Fahnen zu fördern, wird die Einheit mit den Bolzen fest zusammengepreßt, um einen positiven mechanischen Druck an den Grenzflächen von Leitungen und Fahnen zu gewährleisten, und der Grad der Anspannung der Bolzen kann so gewählt werden, daß die ursprüngliche Konvexität 30 (Fig. 6) der Wände flachgedrückt wird (32 ₀ Figuren 6 und 7) und die Leitungen sind so gespannt, daß ein guter mechanischer Kontakt mit den Fahnen beibehalten wird, selbst vreiai kein hydrostatischer Druck in den Leitungen herrscht· Während des Durchströmens von Strömungsmittel durch die Leitungen erhöht der aufgebaute hydrostatische Druck den mechanischen Druck zwischen den Leitungen und den Fahnen.

Wenn die natürliche Elastizität der Leitungswände und der Fahnen nicht ausreicht, die unterschiedlichen Spannungen in den Bolzen 26 aufzunehmen, die durch Temperaturänderungen innerhalb der Einheit im Betrieb auftreten können, können zwischen den Muttern 28 und den Wangenplatten 24 Druckfedern vorgesehen v/erden.

Durch den positiven mechanischen Druck an den Grenzflächen,

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der jederzeit vorhanden Ist, wird die Wärmeleitung der Einheit verbessert, und das kann »geh weiter dadurch verbessert v/erden, daß nachgiebige Packungen/mix*guten tfärmeleihungseigenschaften zwischen die Fahnen und die Leitungen während der Montage der Einheit eingesetzt werden. Ge- . . eignete Werkstoffe sind beispielsweise Lot, Metallpaste oder Metallkitt, Blei, Aluminium, Zink oder metallhaltige Farben. Statt dessen kann eine gute Leitfähigkeit zwischen den Fahnen und den Leitungen dadurch gewährleistet werden, daß die Berührungspunkte hartgelötet, geschweißt oder weichgelötet werden, oder daß die Einheit verzinkt v/ird.

¥Ie bereits erwähnt erhöht das Vorhandensein der Fahnen zwischen den Leitungen notwendigerweise den Widerstand gegen den Luftstrom durch die Einheit, und das ist von besonderer Bedeutung, wenn der Luftstrom durch natürliche Kräfte induziert wird, wie das bei einem Kühlturm mit Einschnürung der Fall ist, bei dem der Druckunterschied niedrig 1st» IM den Widerstand gegen Luftstrom herabzusetzen, können die Fahnen stromlinienförmigen Querschnitt haben; in Fig. 4 ist eine typische stromlinienförmige Föhne mit optimalem Profil dargestellt.

Die Fahnen haben über ihre Länge keinen gleichförmigen Querschnitt, weil, wie bereits oben erläutert, das nicht vorteilhaft ist, da ununterbrochene Fahnenoberflächen dazu neigen, eine dicke, laminare Luftschicht anzuziehen, die den Wärmeübergang von den Fahnen zum Luftstrom behindert. Die Fahnenoberflächen werden deshalb diskontinuierlich ausgeführt, um der Bildung der Schicht entgegenzuwirken« Das kann dadurch geschehen, daß eine Anzahl von Fahnen über die Breite der Einheit vorgesehen wird, die eine im Abstand hinter der anderen liegen, das gleiche Ergebnis wird jedoch wirksamer hinsichtlich der Montage erreicht, wenn die Fahnen aus flachgedrückten -Wendeln aus Draht oder Band geformt werdenj wodurch Im Effekt eine Reihe von in Abstand

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hintereinander liegenden Fahnen gebildet wird. Eine solche Form ist teilweise in Fig. 2 dargestellt; ein Metallband 38 ist wendelförmig gebogen, flachgedrückt und bildet die Fahnen? das Querschnittsprofil des Bandes ist vorzugsweise stromlinienförmig wie in Fig. 4 dargestellt. Die Wurzeln 40 der Fahnen können in Vertiefungen 42 zwischen Rippen 20 sitzen, um sie positiv zu lokalisieren.

Wenn die Einheit als Wärmetauscher in einem Kühlturm 44 mit Einschnürung (Fig. 6) verwendet wird, verläuft der Luftstrom | durch die Einheit horizontal, muß aber vertikal werden, nachdem er die Einheit verläßt und im Turm aufwärts steigt. Der Wärmetauscher kann so montiert werden, daß die Leitungen von der Vertikalen abweichen« um aerodynamische Verhältnisse zu unterstützen.

Es wurde bereits erwähnt, daß der Luftzug in einem Kühlturm mit natürlichem Zug niedrig ist, so daß es wichtig ist, den Widerstand gegen den Luftstrom durch die Wärmetauschereinheit minimal zu halten· Es wurde festgestellt, daß die Bildung der Fahnen aus stromlinienförmigen Querschnitten eine beträchtliche Hilfe darstellt, und der Strömungswiderstand wird weiter herabgesetzt, wenn die Lage und die Abmessungen der Fahnen * sorgfältig gewählt werden. Die Abmessungsbereiche sind* Länge einer Fahne, gemessen im Querschnitt in Richtung des Luftstrons, in Fig. 3 mit L bezeichnet, liegt zwischen 3 und 6 mm. Das Verhältnis des Abstandes zwischen zwei Fahnen zur Länge der Fahne (C_n ^ in Fig. 3) liegt im Bereich von 0*25 bis 2,0. Das Verhältnis des Abstandes zwischen (aufeinanderfolgenden Fahnen zur Länge der Fahnen (C_p/_L in Fig. 3) liegt im Bereich von 0 bis 1,5· Die optimalen Parameter dürften sein L etwa gleich 4,5 mm; C_n ^ etwa gleich 0,5 und etwa gleich 0,25·

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Es ist richtig, daß die Diskontinuität der Fahnen den Widerstand gegen Luftstrom im Vergleich zu ununterbrochenen Fahnen vergrößert, die aerodynamische Profilgebung der Fahnen kompensiert diesen Anstieg Jedoch teilweise,und der größere Wirkungsgrad des Wärmeübergangs relativ zu dem in in üblicher Weise mit Fahnen versehenen Oberflächen-Wärmetauschern überkompensiert diesen Unterschied. Tatsächlich macht es der höhere Wirkungsgrad der Einheit möglich, die Größe, und damit die Kosten, des Kühlturms selbst erheblich herabzusetzen.

Es ist zu erwähnen, daß die Einheiten nach der Erfindung viel einfacher zu montieren sind als die ziemlich komplizierten Anordnungen bekannter Wärmetauscher, und die Kosten der Einheit werden entsprechend herabgesetzt.

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Claims

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Patentansprüche

M.yWarmetauschereinheit mit in Richtung des durch die Einheit strömenden Luftstroms diskontinuierlichen Fahnen, dadurch gekennzeichnet , daß die Länge L einer Fahne, gemessen im Querschnitt in Richtung des Luftstroms, zwischen * 3 und 6 mm liegt, das Verhältnis des Abstandes C_n (in mm) zwischen benachbarten Fahnen, gemessen in Richtung senkrecht zum Luftström, zur Länge (C_Q/_L) zwischen 0,25 und 2 liegt und das Verhältnis des Abstandes CL (in mm) zwischen aufeinanderfolgenden Fahnen» gemessen in Richtung des Luftetroms, () zwischen 0 und 1,5 liegt.

2· Wärmetauschereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß L » 4,5 mn ist, ^_nH etwa 0,5 1st und ^CP/L ^etwa °»²^ ^is**

3. Wärmetauschereinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch | gekennzeichnet , daß die Fahnen stromlinienförmigen Querschnitt haben.

4. Wärmetauschereinheit nach Anspruch 1,2 oder 3» dadurch gekennzeichnet , daß die Strömungsmittel führenden Leitungen und Fahnen mit Spannungs elementen zusammengepreßt sind, um einen positiven mechanischen Druck an den Anlageflächen zu erhalten.

5. Wärmetauschereinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Wangenplatten die Montageeinheit sattelartig übergreifen und daß die Spannelemente die Einheit überspannende Bolzen sind.

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6. Wärmetauschereinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet _t daß Druckfedern die Wärmeübergangsteile unter kontrolliertem Druck zusammenhalten.

7. Wärmetauschereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen den Leitungen und den Fahnen eine Packung aus einem v/eichen, nachgiebigen oder plastischen Material vorgesehen ist.

8. Wärmetauschereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet , daß die Fahnen aus einer Reihe von flachgedrückten Wendeln bestehen, die zwischen benachbarte Strömungsmittel führende Leitungen derart geschaltet sind, daß Jede Wendel sich in Richtung des Luftstroms erstreckt.

9. Wärmetauschereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß die im ungespannten Zustand konvexe Seiten aufweisenden Leitungen so zueaaaengepreßt sind, daß die Seitenwände im wesentlichen flach sind.

10. Wärmetauschereinheit nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet , daß die Seitenwände der Leitungen mit Versteifungsrippen in Richtung des Luftstroms versehen sind.

11. Wärmetauschereinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen den Rippen Vertiefungen vorgesehen sind, in denen die Wurzeln der Fahnen sitzen.

12. Wärmetauschereinheit nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet , daß jede Leitung gestreckt ist und spitz zulaufende Enden net.

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13· Wärmetauschereinheit nach Anspruch 9» 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet , daß jede Leitung gestreckt ist und ein zugespitztes und ein stromlinienförmiges Ende aufweist.

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