DE2206432C2

DE2206432C2 - Wärmetauscher mit einer Anzahl von Wärmerohren

Info

Publication number: DE2206432C2
Application number: DE2206432A
Authority: DE
Inventors: Hermann George Santa Fe N.Mex. Barkmann
Original assignee: Q Dot Corp
Current assignee: Q Dot Corp
Priority date: 1971-02-19
Filing date: 1972-02-11
Publication date: 1982-12-30
Also published as: DE2206432A1; GB1360306A; US3788388A; FR2125501B2; CA977741A; FR2125501A2; IT996047B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs.

Bei einem bekannten Wärmetauscher dieser Art (DE-PS 9 51 371) sind die übereinander angeordneten Wärmerohre jeweils In Ihrer Mitte nach Art einer Kniescheibe in einer durchgehenden Mittelwand gelagert, so daß jedes Wärmerohr einen eigenen Schwenkpunkt hat. Die auf den Wärmerohren vorgesehenen Wärmeaustauschrippen sind so angeordnet, daß jedes P ohr nur begrenzt allein verschwenkbar 1st, während bei einer größeren Verschwenkung die Wärmeaustauschrippen benachbarter Rohre In Berührung miteinander kommen, was zu einer Verschwenkung auch der benachbarten Rohre führt. Dabei ergeben sich für benachbarte Wärmerohre unterschiedliche Neigungswinkel zur Horizontalen. Dies 1st jedoch nicht kritisch, well die Verschwenkbarkeit nur zur Reinigung der äußeren Rohr-Oberflächen vorgesehen ist.

Es 1st Aufgabe der Erfindung, einen Wärmetauscher zu schaffen, bei dem sich die übertragene Wärmemenge einstellen läßt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Wärmetauscher gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs ausgestaltet.

Bei dem Wärmetauscher gemäß der Erfindung sind somit alle Wärmerohre um einen gemeinsamen Schwenkpunkt bewegbar, wodurch In jeder Schwenkstellung alle Wärmerohre den gleichen Neigungswinkel bezüglich dor Horizontalen haben; und die Verschwenkung erfolgt mit Hilfe einer Hebeeinrichtung und einer sie ansteuernden Steuerschaltung gemäß den jeweiligen Anforderungen, Insbesondere gemäß der gewünschten Temperatur.

Die Erfindung wird Im folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigt

FI g. 1 die Vorderansicht eines Wärmetauschers,

Flg. 2 einen Längsschnitt durch ein Element des Wärmetauschers aus Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie 6-6 aus Flg. 2 und

Fig. 4 eine ähnliche Darstellung wie Flg. 2, wobei die Betriebswelse des Wärmetauschers gemäß Flg. 1 zu erkennen Ist.

In der Anlage 50 gemäß Flg. 1 ist ein Wärmetauscher 52 vorgesehen, der eine große Anzahl von Wärmerohren 54 aufweist, die im einzelnen in den Flg. 2 und 3 gezeigt sind. Jedes der Wärmerohre 54 besieht aus einem länglichen Rohr 56, das beispielsweise einen Durchmesser von 1,59 cm und eine Länge von 1,2 m bis 2,4 m hat. Die Enden des Rohres 56 sind mit Kappen 58 und 60 verschlossen, und jedes Wärmerohr 54 1st mit einem Arbeitsfluß gefüllt, das bei Betriebstemperatur der

ίο Anlage sowohl eine flüssige Phase als auch eine Dampfphase hat. Als Arbeitsfluid kann beispielsweise Wasser, Ammoniak oder Methanol verwendet werden. Die Wärmerohre 54 sind parallel zueinander und im wesentlichen waagerecht angeordnet, und jedes Wärmerohr ist mit soviel Arbeitsfluid gefüllt, daß die flüssige Phase im wesentlichen über die ganze Länge des Rohres 56 in diesem steht. Versuche haben gezeigt, daß die flüssige Phase zur Erzielung von optimalen Ergebnissen etwa V₃ des Gesamtvolumens des Rohres einnehmen sollte.

Die Rohre enthalten in diesem Fall keinen Kapillaren aufweisenden Docht zum Transport der Flüssigkeit in Längsrichtung oder In Umfangsrlchtung des Rohres mittels Kapillarwirkung. Der Transport der Flüssigkeit In beiden Längsrichtungen erfolgt lediglich durch Schwerkraft, und die Flüssigkeit Ist nicht über die gesamte Innenfläche des Rohres verteilt. Eine Vielzahl von Wärmeaustauschrippen 64 befinden sich in Wärmeübergangsberührung mit den Wärmerohren 54, die sich zwischen Eintrittsdurchlässen und Austrittsdurchiässen erstrecKen, welche von den Endplatten 66 und 68 und der Mittelplatte 70 gebildet werden.

Zur Erläuterung der Betriebswelse des Wärmetauschers 52 sei beispielsweise angenommen, daß im Winter kalte Luft zwischen den Platten 68 und 70 hindurch In einen Raum eintritt und daß warme Luft zwischen den Platten 66 und 70 ausströmt. Die Flüssigkeit In den Wärmerohren 54 zwischen den Platten 66 und 70 wird Infolge des Wärmeüberganges von der warmen austretenden Luft auf die Rippen 64, die Wand des Rohres 56 und schließlich auf die flüssige Phase 62 verdampft. Die Dampfphase In den Wärmerohren 54 zwischen den Platten 68 und 70 wird durch den Wärmeübergang vom Arbeitsfluid auf die Wand des Rohres 56, dann auf die Rippen 64 und schließlich die kalte Luft kondensiert. Die sich durch die Kondensation des Dampfes ergebende flüssige Phase kehrt durch Schwerkraft von dem Rohrteil zwischen den Platten 68 und 70 in den Rohrteil zwischen den Platten 66 und 70 zurück.

Somit wird also die flüssige Phase in dem zwischen

so den Platten 66 und 70 liegenden Bereich der Wärmerohre 54 durch die warme austretende Luft verdampft, und der Dampf wird Im zwischen den Platten 68 und 70 Hegenden Bereich der Elemente von der kühlen eintretenden Luft kondensiert. Der kondensierte Dampf kehrt durch Schwerkraft zurück und fließt In der entgegengesetzten Richtung.

Bel Verwendung des Wärmetauschers 52 lassen sich Wirkungsgrade von 60% bis 70% erzielen. Es sei beispielsweise angenommen, daß warme Luft zwischen den Platten 66 und 70 mit einer Eintrittstemperatur von 24,4° C ausströmt und daß die kalte Luft zwischen den Platten 68 und 70 mit einer Temperatur von -14,4⁰C eintritt. Nimmt man einen Wirkungsgrad von 70% an und geht man davon aus, daß gleiche Gewichtstelle von Luft durch die jeweiligen Leitungen hindurchtreten, so wird die kühle Luft auf eine Temperatur von 12,8⁰C erwärmt und die warme Luft auf-2,78° C abgekühlt. Im Sommer, wenn die kühle Luft austritt, wird die Richtung

der Wärmeübertragung automatisch umgekehrt, ohne daß der Luftstrom umgeschaltet werden muß. Wenn dann die eintretende warme Luft eine Temperatur von 40,6° C hat und die Temperatur der austretenden Luft 23,9° C beträgt, dann wird die eintretende Luft auf etwa 28,9° C abgekühlt und die austretende Luft auf etwa 35,6° C erwärmt. Dieser hohe Wirkungsgrad wird dadurch möglich, daß die getrennten Einheiten der Wärmerohre einen echten Gegenstrom-Wärmetauscher bilden.

In einigen Heiz- und Kühlanlagen wird die maximale Temperatur der einem Raum zugeführten Luft unter derjenigen gehalten, auf die die Luft schließlich erwärmt wird, um ein angenehmes Klima zu schaffen. So 1st es beispielsweise üblich, die Luft an einer zentralen Stelle auf etwa 10,0° zu erwärmen. Diese Luft wird dann den einzelnen Räumen zugeleitet, die jeweils eine mit Thermostat arbeitende Steuerung und ein zugehöriges Heizelement enthalten. Wenn in dem Raum durch Geräte oder im Raum befindliche Menschen Wärme erzeugt wird, dann braucht nur wenig Wärmeenergie zugeführt zu werden. Häufig wird ein derartiger Raum dann sogar während des ganzen Jahres gekühlt. Das vorstehende Ausführungsbeispiel mit einem Wirkungsgrad von 70% zeigt, daß die kalte eintretende Luft von -14,4° C von der austretenden Luft mit 24,4° C auf etwa 12,8° C erwärmt wird.

Die Wirksamkeit des Wärmetauschers 52 kann von Hand oder automatisch verringert werden, um die von einem auf den anderen Luftstrom übertragene Wärmemenge zu begrenzen. Die Wärmerohre 54 sind normalerweise horizontal angeordnet, so daß sich die flüssige Phase entlang der gesamten Länge der Rohre erstreckt. Man kann die wirksame Länge der Wärmerohre 54 und damit die Gesamtwirksamkeit des Wärmetauschers 52 dadurch verringern, daß man die wärmeren Enden der Wärmerohre 54 anhebt, so daß die flüssige Phase nicht durch Schwerkraft zurückkehrt und In den gesamten Abschnitten der Wärmerohre 54 steht, die der warmen Luft ausgesetzt bind. Nach Flg. 4 Ist der Abschnitt des Wärmerohres 54, der In Berührung mit der warmen Austrittsluft steht, etwas angehoben, so daß die flüssige Phase sich nur bis zur Stelle 6Sa im Element erstreckt. Dadurch 1st die Länge 72 des Wärmerohres 54 unwirksam, und es wird die von der warmen Austrittsluft auf die kalte Eintrittsluft übertragene Wärmemenge verringert. Auf diese Welse kann der Wärmetauscher 52 auch Im wesentlichen ausgeschaltet werden, Indem man ein Ende des Wärmerohres 54 um eine Strecke anhebt, die mehrere Durchmesser des Rohres beträgt. Außerdem läßt sich die Wirksamkeit des Wärmetauschers sehr genau vorherbestimmen, und sie 1st über den gesamten Bereich verhältnismäßig linear.

Wie in Fig. 1 dargestellt, ist der Wärmetauscher 52 schwenkbar an einem Schwenkpunkt 74 befestigt. Eine Hebeeinrichtung 76 dient zum Anheben und Absenken eines Endes des Wärmetauschers 52 un den Schwenkpunkt 74. Die Hebeeinrichtung 76 wird mittels eines Servoverstärkers 78 betätigt. Ein Temperaturabtaster 80 erzeugt ein die Temperatur der Eintrittsluft an einer stromabwärts von dem Wärmetauscher 52 liegenden Stelle bezeichnendes Signal. Ein Temperaturwähler 82 erzeugt dagegen ein Signal für den Servoverstärker 78, welches einer von Hand eingestellten Temperatur entspricht. Der Servoverstärker 78 vergleicht die Signale von Temperaturabtaster 80 und Temperaturwähler 82 und betätigt die Hebeeinrichtung 76 in eine Richtung zur Erhöhung oder Verringerung der Wirksamkeit des Wärmetauschers 52, wodurch stromabwärts vom Wärmetauscher 52 die Temperatur der eintretenden Luft auf dem gewählten Wert gehalten wird.

Der Servoverstärker 78 sollte eine ausreichende Zeitverzögerung haben, um eine zu unruhige Betätigung der Hebeeinrichtung zu vermeiden. Wegen der relativ langen Zeitspannen, die für das Anheben und Absenken des Wärmetauschers 52 mit der Hebeeinrichtung 76 gegeben sind, kann letztere einen sehr kleinen Motor mit entsprechendem Getriebe enthalten, um den Wärmetauscher 52 um den Schwenkpunkt 74 zu schwenken. Der Servoverstärker 78 kann auch von Hand betätigt werden, um den Wärmetauscher 52 in die gewünschte Schräglage zu bringen. Dadurch ergibt sich eine Möglichkeit, den Wärmetauscher 52 auszuschalten oder von Hand auf die gewünschte Wirksamkeit einzustellen.

Obwohl in dem Wärmetauscher 52 Wärmerohre 54 ohne Dochte verwendet werden, läßt sich die beschriebene Art der Änderung der Wirksamkeit des Wärmetauschers immer dann verwenden, wenn der Transport des Arbeltsfluids In seiner flüssigen Phase über die Länge der Rohre begrenzt wird. Somit kann diese Arbeltswelse auch bei solchen Kapillarsystemen, d. h. bei einem solchen Docht, angewendet werden, bei dem die Flüssigkeit nur In Umfangsrlchtung, jedoch nicht in Längsrichtung der Rohre strömt, so daß sich auf diese Weise eine einfache Steuerung des Wärmetauschers erreichen läßt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Wärmetauscher mit einer Anzahl von Wärmerohren von Im wesentlichen horizontaler Anordnung mit verschlossenen Enden und eingeschlossenem Arbeltsfluld, das in der Heizzone der Wärmerohre verdampft, in einer Kühlzone kondensiert und durch eine Transportzone zwischen der Heizzone und der KOhlezone strömt, wobei die mit Wärmeaustauschrippen verbundenen Wärmerohre im Abstand übereinander parallel verlaufend montiert und mit einem Schwenkpunkt um eine horizontale Achse versehen sind, gekennzeichnet durch

- einen am Wärmetauscher (52) vorgesehenen gemeinsamen Schwenkpunkt (74) für alle Wärmerohre (54);

- durch eine am Wärmetauscher (52) angreifende und lile Wärmerohre (54) verschwenkende Hebeeinrichtung (76);

- und durch eine die Hebeeinrichtung (76) ansteuernde Steuerschaltung (78; 80, 82).