DE3134465C2

DE3134465C2 - Röhrenplattenwärmetauscher

Info

Publication number: DE3134465C2
Application number: DE3134465T
Authority: DE
Inventors: Artur Petrovi&ccaron; &Scaron;melev; Leonid Aleksandrovi&ccaron; Orenburg Averkiev; Evgenij Vladimirovi&ccaron; Moskau/Moskva Dubrovskij; Viktor Petrovi&ccaron; Dunaev; Lev Aleksandrovi&ccaron; Folts; Anatolij Ivanovi&ccaron; Moskau/Moskva Kuzin; Natalia Ivanovna Ljubertsy Moskovskaya oblast' Martynova; Evgenij Vasil'evi&ccaron; Orenburg Vasil'ev; Sergej Sergeevi&ccaron; Vronskij
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-01-28
Filing date: 1981-01-15
Publication date: 1986-05-22
Also published as: US4428419A; JPH0250399B2; CH656951A5; WO1981002197A1; FR2474671A1; SE8105626L; DE3134465T1; FR2474671B1; SU960522A2; SE449791B; IT8119336A0; IT1169022B; CA1142170A; JPS57500081A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Röhrenplattenwärmeiauscher mit von einem ersten Wärmeträger durchflossenen Röhren, die durch öffnungen von Platten verlaufen, welche mit einem Abstand zueinander derart angeordnet sind, daß benachbarte Platten und die Wände benachbarter Röhren eine Vielzahl von Kanälen für einen zweiten Wärmeträger bilden, wobei an jeder der Platten ineinander übergehende Vor- und Rücksprünge vorgesehen sind, die jeweils ein Ausbiegungspaar bilden und gegenüber den Vor- und Rücksprüngen der benachbarten Platten liegen, so daß in den Kanälen Diffusor-Konfusor-Abschnitte zur Aufwirbelung der Wandschicht des Stromes des diese Kanäle durchströmenden Wärmeträgers bilden. Ein solcher zum Stand der Technik gehörender Röhrenplattenwärmetauscher ist aus der DE-WO 29 53 704 bekannt.

Röhrenplattenwärmetauscher der betrachteten Bauart dienen als Flüssigkeits-Luft-Wärmetauscher verschiedenen Bestimmungszwecken, z. B. als Luftkondensatoren, Verdampfer zur Kondensation und Verdampfung verschiedener Flüssigkeiten sowie auch als Luft-Luft-Wärmetauscher. Vorteilhaft ist die Anwendung solcher Wärmetauscher als luftdurchströmte Wasseroder ölkühler von Verbrennungsmotoren für Fahrzeuge oder für den stationären Betrieb.

Bei dem bekannten Wärmetauscher hat die von den Diffusor-Konfusor-Abschnitten bewirkte Aufwirbelung der Wandschicht des zweiten Warmeträgerstroms eine Intensivierung des Wärmeaustauschvorganges zur Folge. Dabei folgen die Ausbiegungspaare unmittelbar aufeinander, & h. die Platten sind durchgehend gewellt. Dies wiederum hat zur Folge, daß in Strömungsrichtung des zweiten WärmetrSgers ununterbrochene Diffusor-Konfusor-Abschnitte gebildet sind. Dabei liegt der Öffnungswinkel der Diffusorabschnitte über dem Wert des

ίο kritischen Winkels, so daß die laminare Strömungsstruktur des zweiten Wärmeträgers in einen turbulenten Zustand übergeht. Es entstehen dreidimensionale Fadenwirbel in der Grenzschicht. Zwar wachsen dadurch der Temperaturgradient und die Wärmestromdichte und infolgedessen auch der Wärmeabgabekoeffizient zwischen dem Wärmeträger und den Wänden der Diffusor-Konfusor-Abschnitte der Kanäle an. jedoch kommt es andererseits zur Drosselung des zweiten Wärmeträgers, weil die energieintensiven Wirbel miteinander und mit dem Hauptstrom des Wärmeträgers in Wechselwirkung treten, in den Stromkern diffundieren und so den gesamten Strömungsquerschnitt ausfüllen. Dadurch übersteigt die Gesamtenergie der Erzeugung und der Fortpflanzung der Wirbel die Dissipationsenergie dieser Wirbel. Im Ergebnis wird dei notwendige Energieauiwand zum Durchpumpen des zweiten Wärmeträgers unverhältnismäßig groß angesichts des nur unbedeutenden Anwachsens der Intensivierung des Wärmeaustausches. Diese physikalische Besonderheit der Wärmeaustauschvorgänge im bekannten Wärmetauscher verringern wesentlich seine wärmehydraulische Effektivität.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Röhrenplattenwärmetauscher zu schaffen, in dem bei Aufrechterhaltung eines intensiven Wärmetauschvorganges die Energieverluste auf dem Strömungsweg des zweiten Wärmeträgers verringert sind.

Ausgehend von dem eingangs genannten Röhrenplattenwärmetauscher wird diese Aufgabe dadurch gelöst.

daß zwischen den einzelnen Ausbiegungspaaren jeder Platte in Bezug auf die Strömungsrichtung des zweiten Wärmeträgers ein geradliniger Plattenabschnitt vorgesehen ist.
Bei einer solchen Ausbildung kommt es zwar im Bereich der Diffusorabschnitte auch zu turbulenten Strömungszuständen, jedoch bleiben diese auf die wandnahe Grenzschicht beschränkt, weil die anschließenden geradlinigen Plattenabschnitte wieder strömungsberuhigend wirken und zur Folge haben, daß der Strömungskern im wesentlichen laminar bleibt. Insbesondere wird die Wechselwirkung der Wandschichtwirbel miteinander und mit dem Strömungskern verhindert und somit der Energieaufwand zur Intensivierung des Wärmeaustauschvorganges herabgesetzt

Wenn in einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung die Länge der geradlinigen Plattenabschnitte in Strömungsrichtung unterhalb der Größe liegt, bei der auf diesen Abschnitten die Wiederherstellung der laminaren Struktur auch der Wandschicht des beim Durchgang durch das vorangegangene Ausbiegungspaar verwirbelten Wärmeträgerstromes geschieht, kommt es zu einer vollständigen Ausnutzung der für die Verwirbelung der wandnahen Grenzschicht aufgewendeten Energie.

b5 Eine optimale wärmehydraulische Effektivität ergibt sich, wenn die Länge der geradlinigen Plattenabschnitte etwa das fünffache des hydraulischen Durchmessers der Kanalabschnitte konstanten Strömungsquerschnitts be-

trägt, wobei dieser der lichte Durchtrittsquerschnitt zwischen zwei benachbarten Rohren ist.

Nachfolgend wird die Erfindung durch die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beiliegenden Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigt

F i g. 1 die perspektivische Ansicht des Röhrenplattenwärmetauschers:

F i g. 2 die Ansicht in der Pfeilrichtung A in F i g. 1:
Fig.3 das Querschnittsprofil einer der Platten des Wärmetauschers:

F i g. 4 die Ansicht in der Pfeilrichtung ßin F i g. 1:
F i g. 5 das Diagramm für die Abhängigkeiten

NuZNu₀ = f (IVd) und c/co = f\(I'/d).

Dis Erfindung wird anhand des Aufbaus eines in Röhrenplattenbauweise ausgeführten Wasser-Luft-Kühlers für Schlepper betrachtet.

Dieser besteht aus in Parallelreihen angeordneten, von einem ersten Wärmeträger (das Kühlwasser) durchflossenen Flachröhren 1. auf die mit einem Abstand h zueinander obere Platten 2 und diesen jeweils gegenüberliegende untere Platten 3 aufgeschoben sind. Die benachbarten oberen und unteren Platten 2 und 3 und die Wände der benachbarten Röhren 1 bilden eine Vielzahl von Kanälen, die von einem zweiten Wärmeträger (beispielsweise Luft) durchströmt werden, so daß zwischen den Wärmeträgern ein Wärmeaustausch stattfindet.

Das Querschnittsprofil der Platten 2 und 3 längs der durch den Pfeil B angedeuteten Strömungsrichtung der Luft ist gekennzeichnet durch Ausbiegungspaare von quer verlaufenden und ineinander übergehenden Vorsprüngen 4 und Rücksprüngen 5 einer jeden oberen Platte 2 und durch ebensolche Ausbiegungspaare von Vorsprüngen 6 und Rückspringen 7 einer jeden unteren Platte 3. Zwischen jedem Ausbiegungspaar einer jeden Platte sind geradlinige Abschnitte 8 vorgesehen.

In jeder Platte 2,3 sind öffnungen 9 für die Flachröhren 1 ausgeführt. Diese fixieren die Platten 2, 3 in der Weise, daß die Vorsprünge 4 und die Rücksprünge 5 der einen Platten 2 gegenüber den Vor- und Rücksprüngen 6 und 7 der ihnen benachbarten Platten 3 zu liegen kommen, wobei die geradlinigen Abschnitte der benachbarten Platten 2, 3 gegenüberliegend angeordnet sind. Dadurch ergeben sich Luftströmungskanäle, die sich zusammensetzen aus Abschnitten konstanten Strömungsquerschnitts, zwischen denen Diffusor-Konfusor-Diffusor-Abschnitte bzw. Konfusor-Diffusor-Konfusor-Abschnitte liegen, bei denen jeweils der mittlere der drei Teilabschnitte doppelt so lang ist wie der Einlaufoder der Auslaufteilabschnitt.

Bei dieser Ausbildung des Luftkanalquerschnittsverlaufs ergibt sich eine Intensivierung des Wärmeaustauschs durch eine künstliche Aufwirbelung des Luftstromes, wobei diese jedoch nicht den gesamten Stromquerschnitt bzw. im wesentlichen den Stromkern erfaßt, sondern nur die wandnahe Grenzschicht, in der es zur Ausbildung von dreidimensionalen Wirbeln kommt. Dies ergibt ein optimales Verhältnis zwischen den Strömungsverlusten und der Wärmeübertragungswirksamkeit, weil der Strömungskern die kleinsten Werte des Temperaturgradienten in der zur Kanalwand normalen Richtung sowie die kleinsten Werte der Wärmestromdichte im Querschnitt des Kühüuftstromes aufweist und eine Verwirbelung auch des Strömungskerns keinen wesentlichen Gewinn für die Wärmeaustauschwirksamkeit erbringen würde. Dagegen müßten für eine zusätzliche Verwirbelung des Strömungskernes 70 bis 90°. ο der gesamten dem Strömungskern zugeführten Energie aufgewendet werden. Hieraus folgt, daß die zusätzliche Energie dem zweiten Wärmeträgerstrom in der Wandschicht zugeführt werden muß. & h. in dem Bereich, wo dies den höchsten wärmehydraulischen Effekt ergibt.

Bei dem betrachteten Aufbau des Wärmetauschers werden diese Verhältnisse aufgrund folgender strömungsmechanischer Gegebenheiten verwirklicht:

ίο Beim Durchströmen der Luft durch den Rohrzwischenraum kommt es auf den Diffusorabschnitten der Kanäle zu einem Verlust der hydrodynamischen Stabilität des Wärmeträgers an den Diffusorwänden. Bei entsprechenden Öffnungswinkeln der Diffusorwände und einer bestimmten Reynoldszahl des Strömungszustandes der Luft werden dreidimensionale Wirbel erzeugt, die in der Wandschicht bleiben. Die Querabmessung derselben ist vergleichbar mit der Höhe der quer verlaufenden Vor- und Rücksprünge.

Die Luftströmung in den Kanälen des Rohrzwischenraumes nimmt diese Wirbel in der Wandschicht mit in den geradlinigen Abschnitt des Kanals stromabwärts, wo sie wieder abklingen. Bevor die Strömung den nächstfolgenden Diffusor-Konfusor-Abschnitt erreicht.

ist sie wieder weitgehend laminar, und es kommt nicht zu Wechselwirkungen mit dem nächsten auf diesem Diffusor-Konfusor-Abschnitt entstandenen Wirbel, welche den Strömungskern erfassen würden. Zusätzliche Energie wird dem Luftströmungskern nicht zugeführt, wodurch der Gesamtenergieaufwand für die Intensivierung des Wärmeaustauschers im Wärmetauscher gering bleibt.

Der Abstand h (F i g. 4) zwischen zwei benachbarten Platten 2 und 3. der Abstand m zwischen den Erzeugenden der Scheitel 12 der gegenüberliegenden Rücksprünge 5 und 7 der benachbarten Platten 2 und 3 und der Abstand η zwischen den Seitenwänden 11 der benachbarten Flachröhren 1 werden in Abhängigkeit von dem Verhältnis zwischen den für den Aufbau des Wärmetauschers charakteristischen hydraulischen Durchmessers d'nnd c/des Luftkanals gewählt, wobei der hydraulische Durchmesser d* für den engsten Kanalquerschnitt und der hydraulische Durchmesser d für den geradlinigen Plattenabschnitt gilt. Dabei ist jeweils der lichte Durchtrittsquerschnitt zwischen zwei benachbarten Flachröhren 1 zu betrachten, also die in F i g. 4 zwischen einander zugewandten Seitenwänden 11 ersichtliche Fläche. Die Länge /'(Fig. 3) des geradlinigen Abschnittes des Kanals 8 wird in Abhängigkeit vom hydraulischen Durchmesser c/des Kanals gewählt.

Der hydraulische Durchmesser eines Strömungskanals beträgt bekanntlich

D = 4 F/U

mit F - Strömungsquerschnittsfläche und U = Kanalumfangsfläche. Somit ist der hydraulische Durchmesser d*im engsten Querschnitt des Luftkanals

d* =

4 η ■ m

2 (n + m)
und der hydraulische Durchmesser d

d =

4/7 ■ h 2 (π + h_t

Die wärmehvdraulische Effektivität des Wärmetau-

schers kann gekennzeichnet werden durch das Verhältnis Nu/Nuo, das für die Intensivierung des Wärmeaustausches steht, sowie das Verhältnis ///o. das für das Ansteigen der hydraulischen Verluste steht, wobei der letztere Kennwert kleiner oder höchstens gleich dem Anstieg der Wärmeabgabe sein sollte, d. h.

NuZNu₀ _> j

10

Hier bedeuten Nu die Nusselt-Zahl für die Kanäle der Wärmetauschfläche, gebildet durch die abwechselnden geradlinigen und Diffusor-Konfusor-Abschnitte, und M/o die Nusselt-Zahl für gleichartige, aber glatte Kanäle.

/ ist der Druckverlustkoeffizient für die Kanäle der Wärmeaustauschfläche, gebildet durch die abwechselnden geradlinigen und Diffusor-Konfusor-Abschnitte, und /o ist der Druckverlustkoeffizient für gleichartige, aber glatte Kanäle.

Im Diagramm gemäß F i g. 5 ist an der Abszisse die Länge der geradlinigen Kanalabschnitte bezogen auf den hydraulischen Durchmesser d dieser geradlinigen Abschnitte abgetragen. An der Ordinate sind Verhältniszahlen abgetragen, wobei die Kurve I die Abhängigkeit

NuZNu₀ = f(lVd)

und die Kurve It die Abhängigkeit

zeigt.

Das Diagramm gilt für einen durch Re = 1700 gekennzeichneten Strömungszustand der Kühlluft und zeigt, daß die oben geforderte Beziehung zwischen dem Nusseltzahlenverhältnis und dem Druckverlustkoeffizientenverhältnis für Werte IVd > 1,0 gilt Bei Werten l'/d > 16 wird die wärmehydraulische Effektivität praktisch unbedeutend. Dies erklärt sich dadurch, daß bei bedeutenden Längen /'des geradlinigen Abschnittes des Kanals 8 die laminare Struktur der Wandschicht des Kühlluftstromes sich lange vor Erreichen des nächstfolgenden Diffusor-Konfusor-Abschnitts des Kanals wiederherstellt und deshalb der Kühlluftstrom auf bedeutenden Teilen seines Weges wie in einem üblichen glatten Kanal strömt. Deswegen soll gerade an der Stelle, wo die Wiederherstellung der laminaren Struktur der Wandschicht des auf dem vorhergehenden Diffusor-Konfusor-Abschnitt aufgewirbelten Kühlluftstromes stattfindet, der nächste Diffusor-Konfusor-Abschnitt angeordnet sein, so daß die Wirbelenergie maximal genutzt wird und zur Intensivierung des Wärmeaustausches dient.

Wie Untersuchungen gezeigt haben, wird bei Kühlwasserkühlern für Schlepper die höchste wärmehydraulische Effektivität bei kleinsten Abmessungen und Gewicht erzielt, wenn

d*/d = 0,60 -=- 0,92 und
IVd = 0 -r 5

des Verhältnisses d*/d < 0,60 der Anstieg der Wärmeabgabe praktisch auf, und der Anstieg der Strömungsverluste nimmt schroff zu. Dies ist dadurch zu erklären, daß mit abnehmendem Abstand h die Höhe der quer verlaufenden Vorsprünge größer als die Stärke der Wandschicht wird. Deshalb erfassen die im Diffusor-Abschnitt der Kanäle erzeugten Wirbel, deren Querabmessung mit der Höhe der quer verlaufenden Vorsprünge vergleichbar ist, im Querschnitt des Kanals nicht nur die Wandschicht des Luftstromes, sondern auch den Stromkern, was aber nicht von Vorteil ist.

Auf einer Länge /' der geradlinigen Abschnitte 8 des Kanals, die fünf hydraulische Durchmesser d dieser geradlinigen Abschnitte nicht übersteigen, besitzen die auf dem Diffusor-Konfusor-Abschnitt des Kanals erzeugten Wirbel nach Durchströmen des geradlinigen Abschnitts noch eine gewisse Energie, aber ihr Wert ist so, daß diese Wirbel beim Erreichen des des nächsten Diffusor-Konfusor-Abschnitts nicht in den Strömungskern diffundieren.

Damit ist für den betrachteten Aufbau des Kühlers für Schlepper beim genannten Strömungszustand der Kühlluft, dem Verengungsgrad d*/d und den Verhältnissen Nu/Nuo und ///0 eine Länge /' des geradlinigen Abschnittes optimal, die fünf hydraulische Durchmesser der geradlinigen Abschnitte der Kanäle nicht übersteigt.

Zur Erzielung einer gleichmäßigen Verteilung der Luft über die Kanäle des Luftraumes des Wärmetauschers müssen die geradlinigen Abschnitte 8 der Platten 2,3 in deren Symmetrieebene liegen. Dann werden benachbarte Kanäle den gleichen Widerstand für den Durchtritt der Kühlluft haben, so daß die wärmehydraulische Effektivität nicht wegen ungleichmäßiger Luftdurchströmung abnimmt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

60

beträgt, d. h. wenn die Länge /' der geradlinigen Abschnitte 8 der Kanäle fünf hydraulische Durchmesser d der geradlinigen Abschnitte der Kanäle nicht übersteigt Mit abnehmendem Abstand h bei gleichbleibender Höhe der quer verlaufenden Vorsprünge hört für Werte

Claims

Patentansprüche:

1. Röhrenplattenwärmetauscher mit von einem ersten Wärmeträger durchflossenen Röhren, die durch öffnungen von Platten verlaufen, welche mit einem Abstand zueinander derart angeordnet sind, daß benachbarte Platten und die Wände benachbarter Röhren eine Vielzahl von Kanäien für einen zweiten Wärmeträger bilden, wobei an jeder der Platten ineinander übergehende Vor- und Rücksprünge vorgesehen sind, die jeweils ein Ausbiegungspaar bilden und gegenüber den Vor- und Rücksprüngen der benachbarten Platten liegen, so daß in den Kanälen Diffusor-Konfusor-Abschnitte zur Aufwirbelung der Wandscnicht des Stromes des diese Kanäle durchströmenden Wärmeträgers bilden, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den einzelnen Ausbiegungspaaren (4, 5; 6, 7) jeder Platte (2; 3) in Bezug auf die Strömungsrichtung (B) des zweiten Wärmeträgers ein geradliniger Plattenabschnitt (8) vorgesehen ist.

2. Röhrenplattenwärmetauscher nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der geradlinigen Plattenabschnitte (8) in Strömungsrichtung (B) unterhalb der Größe liegt, bei der auf diesen Abschnitten die Wiederherstellung der laminaren Struktur der Wandschicht des beim Durchgang durch das vorangegangene Ausbiegungspaar (4, 5; 6,7) verwirbelten Wärmeträgerstromes geschieht.

3. Röhrenplattenwärmetauscher nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet. daB die Länge der geradlinigen Plattenabschnitte (8) etwa das fünffache des hydraulischen Durchmessers der Kanalabschnitte konstanten Strömungsquerschnitts beträgt, wobei dieser der lichte Durchtrittsquerschnitt zwischen zwei benachbarten Rohren (1) ist.