DE3111575A1 - Waermetauscher - Google Patents

Waermetauscher

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DE3111575A1
DE3111575A1 DE19813111575 DE3111575A DE3111575A1 DE 3111575 A1 DE3111575 A1 DE 3111575A1 DE 19813111575 DE19813111575 DE 19813111575 DE 3111575 A DE3111575 A DE 3111575A DE 3111575 A1 DE3111575 A1 DE 3111575A1
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DE
Germany
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pipe
heat exchanger
tube
ribs
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Withdrawn
Application number
DE19813111575
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English (en)
Inventor
Peter Goebel
Franz 5040 Brühl Gruber
Paul Dipl.-Ing. 5000 Köln Heimbach
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Buderus AG
Original Assignee
Buderus AG
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/10Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/12Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Description

  • Wärmetauscher
  • Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit einem von einer Flüssigkeit beaufschlagten, im wesentlichen horizontal verlaufenden Rohr zur Führung eines am Wärmetausch beteiligten Fluids.
  • Bei einem derartigen Wärmetauscher werden zwei Medien miteinander in Wärmetausch gebracht, wobei die auf die Oberfläche des Rohres aufgegebene Flüssigkeit das eine und ein in den Rohren geführtes Fluid das zweite Medium darstellt. Um einen möglichst guten Wärmeübergang zu erreichen, und die vorhandenen Wärmetauscherflächen optimal auszunutzen, ist es erforderlich, daß die gesamte Rohroberfläche von der aufgegebenen Flüssigkeit benetzt wird und die Flüssigkeit gleichmäßig über die Rohroberfläche strömt.
  • Der gattungsgemäße Wärmetauscher weist entweder ein oder mehrere gerade Rohre mit entweder horizontaler oder nur leicht gegen die Horizontale geneigter Rohrachse auf, oder ein beispielsweise schraubenförmig gewickeltes Rohr mit vertikaler Wickelachse, wobei die Ganghöhe klein gegenüber dem Wickeldurchmesser ist. Uber dem Rohr, oder - bei Verwendung mehrerer übereinanderliegender Rohre oder Rohrwicklungen - über dem obersten Rohr bzw. der obersten Rohrwicklung, ist über die gesamte Länge eine Flüssigkeitszuführung angeordnet, mit der die Flüssigkeit gleichmäßig auf die Rohroberfläche verteilt wird. Beispielsweise sind Düsen oder geeignet geformte Spalte als Flüssigkeitszuführung vorgesehen.
  • Es hat sich jedoch herausgestellt, daß der Wärmeübergang, der mit einem derartigen Wärmetauscher erzielt wird, bei Unterschreiten einer gewissen Beaufschlagungsmenge rapide abnimmt. Die Rohroberfläche wird dann nicht mehr gleichmäßig von der Flüssigkeit benetzt. Bei mehreren, übereinander angeordneten Rohren wird die Gleichverteilung von einem zum nächsttieferen Rohr immer schlechter. Vor allem bei einem gewickelten Rohr erhält die herabrieselnde Flüssigkeit eine starke Beschleunigungskomponente in Umfangsrichtung. Anstelle eines gleichmäßigen Flüssigkeitsfilms bilden sich dann einige wenige Flüssigkeitsbäche, die teilweise nur noch weniger als 50% der Rohroberfläche benetzen. Entsprechend verringert sich der Wärmeübergang. Um diesem Nachteil abzuhelfen, war es erforderlich, die Kühlflächen zu vergrößern, um auch bei kleinen Rieseldichten die geforderten Wärmeübertragungseigenschaften zu erhalten. Nun sind aber in vielen Fällen aus Platzgründen größere Wärmetauscher nicht verwendbar, außerdem steigen mit der Größe auch die Kosten für einen solchen Wärmetauscher.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher der eingangs beschriebenen Art zu entwickeln, der bei kompakter und kostensparender Bauweise auch bei kleinen Rieseldichten ein gutes Wärmübertragungsverhalten zeigt.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die beaufschlagte Oberfläche des Rohres eine rippenartige Struktur mit sich im wesentlichen in Rohrumfangsrichtung erstreckenden Rippen aufweist, und daß für das Produkt Rippenhöhe h mal Rippenabstand a die Beziehung h x a < 2 gilt, wobei (> die Oberflächenspannung und g das spezifische Gewicht der Flüssigkeit bedeuten.
  • Die Struktur der Rippen erfüllt zweierlei Funktionen: Einerseits üben die Rippen eine Leitungsfunktion in Hauptförderrichtung auf die aufgegebene Flüssigkeit aus. Die möglichst gleichmäßige Anfangsverteilung, mit der die Flüssigkeit auf das oberste Rohr aufgegeben wird, bleibt beim Herabrieseln über das Rohr erhalten. Auch bei mehreren übereinander angeordneten Rohren oder Rohrwicklungen bleibt die Anfangsverteilung nach unten hin weitgehend bestehen.
  • Andererseits sind die Rippen in ihrer Geometrie so beschaffen, daß die Leitungsfunktion durch Kapillarwirkung nicht beeinträchtigt oder gar aufgehoben wird. Wird der Rippenabstand zu klein gewählt, so sind die Vertiefungen zwischen den Rippen aufgrund von Kapillarwirkung mit unbewegter Flüssigkeit gefüllt, was wiederum den Wärmeübergang verschlechtert und eine Querströmung der herablaufenden Flüssigkeit begünstigt.
  • Beide Funktionen werden bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher erfüllt. Auch bei einer niedrigen Rieseldichte wird dadurch eine gleichmäßige Benetzung der Rohroberfläche mit Flüssigkeit erzielt. Durch den resultierenden hohen Wärmeübergangswert ist es möglich, Kühlfläche einzusparen und den Wärmetauscher klein und kompakt zu bauen.
  • Bei einer bevorzugten Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes gilt die Beziehung h x a = r c r wobei c ein vom Rohrdurchmesser abhängiger Formfaktor ist.
  • Es erweist sich als zweckmäßig, wenn gemäß einer Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes der Wert des Quotienten h/a zwischen 0,1 und 0,4, vorzugsweise zwischen 0,2 und 0,3 beträgt. Es erweist sich als besonders günstig, wenn h/a = 0,25 gilt.
  • Für den Formfaktor c gilt gemäß einer vorteilhaften Weiter-60 h bildung des Erfindungsgegenstandes die Beziehung c = 1+ d wobei d der Durchmesser des Rohres ist. Für den Spezialfall, 15 a bei dem h/a = 0,25 gilt, ergibt sich daraus c = 1 + 15da.d Der Rippenabstand a ergibt sich dann bei einem Rohr mit dem Durchmesser d aus der Beziehung a2 = + I + 15 a/d) Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmetauschers verlaufen die Rippen schraubenförmig um das Rohr.
  • Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmetauschers nimmt der Rippenabstand von der Rohroberseite zur Rohrmitte hin ab und von der Rohrmitte zur Rohrunterseite hin wieder zu.
  • Mit beiden Anordnungen wird auch bei langen Rieselstrecken über viele Rohre hinweg eine hervorragende Gleichverteilung der Flüssigkeit erreicht.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes sind die Rippen Bestandteile der Rohrwand. Dadurch sind die Rohre einfach und billig herzustellen, beispielsweise durch Walzen.
  • Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet für den erfindungsgemäßen Wärmetauscher sind Riselabsorber von Klein-Sorptionsanlagen, z.B. von Sorptionswärmepumpen für.Ein- und Zweifamilienhäuser, bei denen relativ kleine Rieseldichten auftreten.
  • Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
  • Hierbei zeigen: Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers, Figur 2 eine Ausführungsform für ein Wärmetauscherrohr gemäß der Erfindung, Figur 3 eine andere Ausführungsform für ein Wärmetauscherrohr gemäß der Erfindung.
  • Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher, wie er beispielsweise in einem Absorber einer Absorptions-Wärmepumpe oder Absorptions-Kälteanlage eingesetzt wird. Der Absorber 1 enthält ein schraubenförmig gewickeltes Rohr 2 mit vertikaler Wickelachse, in dem ein Kühlmittel zum Abführen der Absorptionswärme geführt ist. Die Absorptionswärme entsteht bei der Absorption eines gasförmigen Kältemittels 3, z.B. Ammoniak, durch ein flüssiges Lösungsmittel 4, z.B.
  • Wasser. Das Lösungsmittel 4 wird von oben gleichmäßig auf die oberste Wicklung des Rohres 2 aufgegeben und rieselt entlang der Rohroberfläche nach unten. Bei 5 wird ein Lösungsmittel-Kältemittel-Gemisch entnommen. Für den Wärmetausch zwischen dem Kühlfluid in dem Rohr 2 und dem Lösungsmittels ist es von ganz entscheidender Bedeutung, daß das Lösungsmittel die Rohroberfläche entlang der gesamten Rieselstrecke möglichst gleichförmig benetzt. Insbesondere bei kleinen Anlagen, z.B. bei einer Wärmepumpen-Heizanlage für ein Ein- und Zweifamilienhaus, oder bei einer Klimaanlage, werden nur relativ kleine Flüssigkeitsmengen auf das Rohr aufgegeben, die Rieseldichte beträgt etwa 100 bis 330 kg/m.h.
  • Um nun eine gleichförmige Flüssigkeitsverteilung über die Rohroberfläche hinweg zu erzielen, weist das Rohr 2 erfindungsgemäß Rippen auf, die sich im wesentlichen in Umfangs- richtung erstrecken. Für die Rippenhöhe h und den Rippenabstand a gilt dabei die Beziehung h x a< -Die Figuren 2 und 3 zeigen verschiedene Ausführungsformen für die Rippen.
  • Es sei noch darauf hingewiesen, daß sich die Erfindung selbstverständlich nicht allein auf die gezeigte Ausführungsform eines gewickelten Wärmetauschers beschränkt, sondern es sind auch andere Wärmetauscher, z.B. mit horizontal verlaufenden geraden Rohren, möglich. Auch das Anwendungsgebiet ist nicht allein auf Sorptionsanlagen beschränkt, sondern umfaßt allgemein Wärmetauscher, die mit einer relativ kleinen Rieseldichte beaufschlagt werden.
  • Figur 2 zeigt ein Rohr 2 eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers, das Rippen 6 aufweist, deren Abstand von der Rohroberseite zur Rohrmitte hin abnimmt und von der Rohrmitte zur Rohrunterseite hin wieder zunimmt. Zwischen den Rippen 6 liegen Kanäle 7, deren Breite zur Rohrmitte hin zuncst abnimmt und von der Rohrmitte nach unten wieder zunimnt Die gezeigte Oberflächenstruktur entsteht dadurch, daß auf der Rohroberfläche zwei schraubenförmig um das Rohr 2 verlaufende Rippen 6 mit entgegengesetztem Drehsinn überlagert sind, wobei zwischen jeder der im Links- bzw. im Rechtsdrehsinn um das Rohr 2 verlaufenden Rippen 6 im Kanal 7 liegt. Die Rippen 6 und Kanäle 7 liegen symmetrisch zur-horizontalen Mittelebene durch das Rohr 2.
  • Figur 3 zeigt ein Rohr 2 eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers, das Rippen 8 aufweist, die schraubenförmig um das Rohr 2 verlaufen. Durch die Rippen 8 ist ein durchgehender Kanal 9 von gleichbleibender Breite gebildet, der sich schraubenförmig um das Rohr 2 windet. Der Rippenabstand beträgt beispielsweise 3 mm, der Krümmungsradius des Kanals 1,5 mm, die Kanaltiefe 0,5 mm, der Rohrdurchmesser 28 mm.
  • Die in den Figuren 2 und 3 dargestellten Rohre sind einfach herstellbar und liefern eine gute Flüssigkeitsverteilung.
  • Selbstverständlich sind auch andere Bauformen denkbar, beispielsweise in Umfangsrichtung liegende Rippen und Kanäle.
  • Ebenso sind für die Kanäle zwischen den Rippen andere Querschnittsformen möglich, beispielsweise Dreieck- oder Rechteck form.
  • Zahlenbeispiel: Für den Spezialfall, daß h/a = 0,25, wurde eingangs die Beziehung a2 = r<1+15 a/d) hergeleitet. Für # = 40dyn/cm, = = 0,9 g/cm3 und d = 28 mm ergibt sich daraus a = 2,7 mm, h M 0,7 mm.

Claims (8)

  1. Patentansprüche 1. Wärmetauscher mit einem von einer Flüssigkeit beaufschlagtenim wesentlichen horizontal verlaufenden Rohr zur Führung eines am Wärmetausch beteiligten Fluids, dadurch gekennzeichnet, daß die beaufschlagte Oberfläche des Rohres (2) eine rippenartige Struktur mit sich im wesentlichen in Rohrumfangsrichtung erstreckenden Rippen (6,8) aufweist, und daß für das Produkt Rippenhöhe h mal Rippenabstand a die Beziehung h x a< 2g gilt, wobei C die Oberflächenspannung und t das spezifische Gewicht der Flüssigkeit bedeuten.
  2. 2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beziehung h x a = 6 c gilt, wobei c ein vom Rohrdurchmesser abhängiger Formfaktor ist.
  3. 3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des Quotienten h/a zwischen 0,1 und 0E4 beträgt.
  4. 4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des Quotienten h/a zwischen 0,2 und 0,3 beträgt.
  5. 5. Wärmetauscher nach einem.der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für den Formfaktor c die Beziehung c = 1 + 60dh gilt, wobei d der Durchmesser des Rohres (2) ist.
  6. 6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (8) schraubenförmig um das Rohr verlaufen.
  7. 7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rippenabstand von der Rohroberseite zur Rohrmitte hin abnimmt und von der Rohrmitte zur Rohrunterseite hin wieder zunimmt.
  8. 8. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (6,8) Bestandteil der Rohrwand sind.
DE19813111575 1981-03-24 1981-03-24 Waermetauscher Withdrawn DE3111575A1 (de)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0131820A2 (de) * 1983-07-16 1985-01-23 Joh. Vaillant GmbH u. Co. Absorber
US5573062A (en) * 1992-12-30 1996-11-12 The Furukawa Electric Co., Ltd. Heat transfer tube for absorption refrigerating machine

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