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Wärmetauscher
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Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit einem von einer Flüssigkeit
beaufschlagten, im wesentlichen horizontal verlaufenden Rohr zur Führung eines am
Wärmetausch beteiligten Fluids.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes gilt
die Beziehung h x a = r c r wobei c ein vom Rohrdurchmesser abhängiger Formfaktor
ist.
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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.
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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.
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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.
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Mit beiden Anordnungen wird auch bei langen Rieselstrecken über viele
Rohre hinweg eine hervorragende Gleichverteilung der Flüssigkeit erreicht.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes sind
die Rippen Bestandteile der Rohrwand. Dadurch sind die Rohre einfach und billig
herzustellen, beispielsweise durch Walzen.
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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.
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Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand
von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die in den Figuren 2 und 3 dargestellten Rohre sind einfach herstellbar
und liefern eine gute Flüssigkeitsverteilung.
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Selbstverständlich sind auch andere Bauformen denkbar, beispielsweise
in Umfangsrichtung liegende Rippen und Kanäle.
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Ebenso sind für die Kanäle zwischen den Rippen andere Querschnittsformen
möglich, beispielsweise Dreieck- oder Rechteck form.
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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.