DE3346468A1 - Rohr- und plattenrippen-waermetauscher - Google Patents

Description

Zur Handhabung hoher Wärmeleistungen auf kleinem Räume modifiziert man Wärmetauscher Üblicherweise dadurch, daß man die Anzahl der Rippen im Wärmetauscherkern erhöht, so daß die Größe der luftseitigen Oberfläche erhöht wird, biese Maßnahme führt jedoch zu einem hohen Druckabfall der durch den Wärmetauscherkern strömenden Luft. Darüber hinaus bilden sich auf der Oberfläche der Wärmetauscherrippen Grenzschichten aus, wo sich die Geschwindigkeit der Luft und die Temperatur ändern. Bei der vorderen Kante der Rippen, wo die Luft den Wärmetauscher betritt, ist die Grenzschicht dünn, und der Wärmeaustauschkoeffizient ist groß. Am hinteren Ende der Rippen wird jedoch die Grenzschicht dicker, und der Wärmeaustauschkoeffizient von den Rippen zur Luft nimmt ab.

Eine Lösung für dieses Problem besteht darin, daß man auf den Oberflächen der Rippen unter gleichen Abständen erhabene Aufsätze vorsieht, um so die Grenzschichten auf der Oberseite der Rippen wirkungsvoller ausnützen zu können. Bei Verwendung derartiger Aufsätze nehmen die Grenzschichten nicht so stark zu wie bei ebenen ununterbrochenen Rippen. Der Strom durch die vordere Fläche der mit Aufsätzen versehenen Rippen beeinträchtigt im wesentlichen den Strom durch den hinteren Bereich der mit Aufsätzen versehenen Rippen nicht. Ein hierbei erhaltener Nachteil ist jedoch der, daß Wärmetauscher mit Aufsätze aufweisenden Rippen einen hohen Druckverlust der Luft zeigen, was darauf zurückzuführen ist, daß hohe Einströmverluste und Geschwindigkeitsgradienten bzw. Scherung auftritt.

Bei einem weiteren Versuch zur Lösung des Grenzschichtproblems wurden gewellte Rippen verwendet. Verwendet man in einem Wärmetauscher gewellte Rippen, so hat man jedoch immer noch ein Anwachsen der Grenzschicht und darüber hinaus noch eine Trennung bei den gekrümmten Abschnitten. Auf

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diese Weise erhält man sowohl einen Krünunungsverlust als auch einen Trennungsverlust, da die Luft auf einem zickzackförmigen Weg die Rippe und den Rohrkern durchquert.

In der US-PS 39 16 989 wird vorgeschlagen, die Leistungsfähigkeit eines Wärmetauschers dadurch zu verbessern, daß man die Rippen mit versetzten Schlitzen ausbildet. In dieser Patentschrift ist ein Wärmetauscher offenbart, bei welchem die Rippen und die Rohre überkreuz liegen. Er hat eine Mehrzahl runder wärmeleitender Rohre und eine Mehrzahl von Rippen. Letztere sind mit verschiedenen rechteckigen Schlitzen versehen, welche im wesentlichen transversal zur Strömungsrichtung der Luft verlaufen, welche durch die Rippen und um die Rohre herum geführt wird. Die Schlitze werden mit erhabenen Abschnitte der Rippen geformt, so daß man Aufsätze erhält, die die Strömungslinien der Luft über einen weiten Bereich schneiden und so die Ausbildung von Grenzschichten verhindern. Die Schlitze können in Reihen zwischen den Rohren oder in radialer Richtung verlaufen, ausgehend von einem jeden Rohr um dieses herum angeordnet sein. Bei diesem Wärmetauscher ist es jedoch nicht möglich, ein Unterbrechen des Wärmeflusses durch die Rippen zu verhindern. Eine derartige Unterbrechung des Wärmestromes führt aber zu einer Verminderung des Wärmeaustauschkoeffizienten.

Durch die vorliegende Erfindung soll die Geometrie mit Schlitzen versehener Rippen eines Wärmetauschers so verbessert werden, daß ein größerer Wärmeaustausch innerhalb eines Rohre und Rippen aufweisenden Kernes eines kompakt bauenden Wärmetauschers erhalten wird.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch einen Wärmetauscher gemäß Anspruch 1.
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Der erfindungsgemäße Wärmetauscher hat eine einzige oder eine Mehrzahl von Reihen aus abgeplatteten Rohren, welche

unter einem Winkel zum normalen Luftstrom angestellt sind oder parallel zu diesem verlaufen. Die Rippen sind mit Schlitzen versehen, wobei jeweils ein flacher Abschnitt einer Rippe, der zwischen benachbarten Rohren liegt, geschlitzt ist und aus der Rippenebene herausgezogen (versetzt) ist, so daß man eine Vielzahl rechteckiger Rippensegmente erhält, die in regelmäßigen Abständen aufeinanderfolgen. Die anfänglich ebene Rippe hat somit einen Zug von Rippensegmenten, wobei abwechselnd aufeinanderfolgend von

XO Schlitzen freie und geschlitzte versetzte Rippensegmente vorliegen. Auf diese Weise wird der Luftstrom wiederholt unterbrochen, und zwar durch die mit Schlitzen versehenen als auch durch die von Schlitzen freien Rippensegmente. Diese Unterbrechung des Luftstromes vermindert den thermisehen Widerstand zwischen dem rohrseitigen Strömungsmittel und dem rippenseitigen Strömungsmittel (Luft), und man erhält so einen hohen Wärmeübergang.

Bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher verläuft die Richtung der Schlitze, mit denen Abschnitte der Rippen versehen sind, in gleicher Linie wie der Weg, auf welchem die Wärme fließt, da die mit Schlitzen versehene Rippe eine Diskontinuität im Weg des Wärmeflusses über den Schlitz erzeugt.

Bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher erhält man durch das Schlitzen der Wärmetauscherrippen Rippensegmente, welche von der Rippenhauptebene versetzt sind und so dimensioniert sind, daß sie die maximale Länge haben, bei weleher gerade noch keine Schwächung der mechanischen Festigkeit des ein Rohr umgebenden Rippenkragens erhalten wird. Auch die vorderen und hinteren Kanten einer jeden Rippe, welche sich über die Enden der Rohre hinauserstrecken, sind so bemessen, daß ihre Breite im wesentlichen gleich der Breite von nicht mehr als einem geformten Rippensegment entspricht.

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher hat einen sehr einfachen Aufbau, zeichnet sich durch einen guten Wirkungsgrad und geringe Herstellungskosten sowie leichte Montage aus.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:.
Fig. 1 eine seitliche Ansicht eines aus Rippen und

Rohren aufgebauten Wärmetauscherkernes; Fig. 2 eine Aufsicht auf den Rippen und Rohre aufweisenden Wärmetauscherkern nach Fig. 1, in welcher die aus der Rippenhauptebene herausgezogenen Rippensegmente gezeigt sind;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Teiles des Wärmetauscherkernes nach Fig. 1, in welchem

die Nachbarschaft der Durchdringungsstelle zweier Rohre und einer Rippe mit erhabenen Rippensegmenten gezeigt ist;

Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie 4-4 von Fig.2; Fig. 5 eine schematische Aufsicht auf einen modular

aufgebauten Wärmetauscher mit geschlitzten Rippen;

Fig. 6 eine Aufsicht auf einen Teil eines abgewandelten aus Rippen und Rohren bestehenden Wärmetauscherkernes mit zur Strömungsrichtung

der Luft angestellten Rohren und erhabenen Rippensegmenten;

Fig. 7 einen Teilschnitt durch die Anordnung nach Fig. 6 längs der dortigen Schnittlinie 7-7; Fig. 8 eine Aufsicht auf einen Teil eines weiter

abgewandelten Wärmetauscherkernes mit Rohren und Rippen, bei welchem zwei Reihen gegeneinander versetzter Rohre vorgesehen sind; und Fig. 9 einen Teilschnitt durch die Anordnung nach Fig. 8 längs der dortigen Schnittlinie 9-9.

Die Fig. 1-4 zeigen einen aus Rohren und Rippen aufgebauten

Wärmetauscherkern 10 für einen kompakt bauenden Wärmetauscher mit nach unten gerichtetem Flüssigkeitsstrom, bei welchem nicht gezeigte obere und untere Tanks und Rohrbleche an den Enden des Wärmetauscherkernes befestigt sind, so daß das eine Strömungsmittel hindurchgeführt werden kann. Der Wärmetauscherkern besteht aus einer Mehrzahl abgeplatteter Rohre 11, die - wie am besten aus Fig. 2 ersichtlich - in einer Reihe angeordnet sind, sowie aus einer Mehrzahl flacher metallischer Rippen 12, die aus einem Material wie Kupfer, Stahl oder Aluminium hergestellt sind. Eine jede Rippe ist mit gestreckten öffnungen 13 versehen, welche herausgedrückte Kragen 14 aufweisen. In den letzteren finden die Rohre 11 unter engem Kontakt Aufnahme. Die Kragen 14 sind an den Rohren 11 festgelötet, so daß man einen geringen Wärmeübergangswiderstand vom Rohr zur Rippe hat.

Eine jede der Rippen hat eine Mehrzahl von Schlitzen 15, wobei die rechteckigen Rippensegmente, welche jeweils zwisehen Paaren paralleler Schlitze liegen, von der Hauptebene der Rippe versetzt sind und über bei ihren Enden liegende Schenkel 17 mit der Rippe 12 verbunden sind. Die Breite L eines jeden der Rippensegmente ist gleich dem Abstand T zwischen versetzten Rippensegmenten 16 in einer zwischen benachbarten Rohren liegenden Reihe von Rippensegmenten. Die ebene Rippe 12 hat somit eine Kette von Rippensegmenten 16, welche sich zwischen benachbarten Rohren 11 erstrecken, wobei Abschnitte der Rippe abwechselnd aufeinanderfolgend von Schlitzen frei bzw. geschlitzt und zur Rippenhauptebene versetzt sind. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, wird daher der Luftstrom durch den Wärmetauscher kern 10 wiederholt unterbrochen, und zwar sowohl durch die versetzten Rippensegmente 16 als auch durch die nicht geschlitzten Rippensegmente 18. Diese wiederholte ünterbrechung des Luftstromes vermindert den thermischen Widerstand zwischen dem rohrseitigen Flüssigkeitsstrom und dem rippenseitigen Strömungsmittel, z.B. Luft. Auf diese Wei-

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se erhält man einen hohen Wärmeübergang.

Die Schlitze 15 in der Rippe 12 sind über ihre maximale Länge zwischen den Rohren 11 geführt, wobei man nur die Grenzbedingung berücksichtigt, daß der Schlitz noch nicht die mechanische Festigkeit des Kragens 14 der Rippe beeinträchtigt. Auf.diese Weise strömt die Luft über den gesamten Schlitz hinweg und im wesentlichen über die gesamte Länge zwischen benachbarten Rohren. Auch die vorig deren und hinteren Kanten 19 bzw. 21 der Rippen 12, welche außerhalb der Enden 22 der abgeplatteten Rohre liegen, haben eine Breite M, welche gleich der Breite L der Rippensegmente 16 ist. Außerhalb der Kanten 22 der Rohre, im Bereich des inaktiven Rippenmateriales sind auch in der Rippe keine Schlitze 15 ausgebildet. Vielmehr fluchten die in Strömungsrichtung der Luft gesehen vorne gelegenen bzw. hinten gelegenen Schlitze im wesentlichen mit den Enden 22 der Rohre. Diese Grenzbedingung ist deshalb wichtig, da dann, wenn die vorderen und hinteren Kanten der Rippe tief sind und mehr als ein Schlitz außerhalb der vorderen bzw. hinteren Kanten der Rohre vorgesehen wäre, der Luftstrom den geschlitzten Rippenabschnitt umgehen könnte und den Strömungsweg mit dem geringsten Strömungswiderstand wählen könnte. Dann stünden die durch eine geschlitzte Rippe erhaltenen Vorteile nicht zur Verfügung. Darüber hinaus würde der Wärmefluß durch Schlitze im inaktiven Rippenbereich der vorne liegenden bzw. hinten liegenden Kanten erheblich beeinträchtigt.

Bei der Herstellung der geschlitzten Rippen könnte es möglicherweise dazu kommen, daß die Rippe an dem zum Stanzen der Schlitze und Formen der versetzten Rippensegmente verwendeten Werkzeug hängen bleibt. Zur Behebung dieser Schwierigkeit wird vorgeschlagen, das Herstellen der Schlitze in den nachstehenden Schritten vorzunehmen: 1) Festhalten des flachen Abschnittes der Rippe; 2) Formen der Schlitze und versetzten Rippensegmente mit einem Schneid- und Zieh-

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werkzeug; und 3) Wegbewegen des Schneidwerkzeuges von den Schlitzen, während der ebene Abschnitt der Rippe noch unter Druck steht. Werden die Rohre und Rippen zusammengebaut, so werden die Rohre in die fluchtenden durch die Kragen 14 vorgegebenen öffnungen 13 des Rippenstapels eingeführt und in diesen festgelötet.

Fig. 5 zeigt einen insgesamt mit 25 bezeichneten modular aufgebauten Wärmetauscher mit geschlitzten Rippen. An einem

jQ solchen Wärmetauscher mit drei Segmente aufweisender geschlitzter Rippe und mit einem um 15° angestellten Rohr wurden Messungen durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Messungen zeigen, daß eine mit Schlitzen versehene Rippe einen um 40 % höheren Wärmeübergangskoeffizienten verglichen mit einer ebenen Rippe hat (bei der normalen Oberflächengeschwindigkeit von 528 feet/min (3 m/sec)). Das Arbeiten einer geschlitzten Rippe wird darüber hinaus noch um so besser, je größer die Anzahl der Schlitze in der Rippe ist.

Die Fig. 6 und 7 zeigen einen insgesamt mit 27 bezeichneten Wärmetauscher mit einer einzigen Reihe von Rohren und mit geschlitzten Rippen. Die abgeplatteten Rohre 28 sind schräg angestellt, und die Rippen 29 haben eine Vielzahl von Schlitzen 32. Die Schlitze 32 verlaufen parallel zur vorderen Kante 31 einer jeden Rippe 29, und aus der Rippenhauptebene versetzte Rippensegmente 33 haben im wesentlichen die gleiche Winkelgeometrie wie die mit der Hauptachse ihres Querschnittes schräg angestellten Rohre. Wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen wird der Weg des Wärmeflusses in der Rippe 29 durch die Schlitze nicht gestört; trotzdem kreuzt der Luftstrom die Schlitze überall im Wärmetauscher unter 90°, so daß man den Vorteil einer geschlitzten Rippe noch wirkungsvoller ausnützen kann.

Fig. 8 und 9 zeigen einen weiteren Wärmetauscher 35 mit zwei Reihen von Rohren 36 und 37, wobei die Rohre 36 in einer Reihe zu den Rohren 37 der anderen Reihe versetzt sind, wie

aus Fig. 8 ersichtlich. Eine Mehrzahl von Rippen 38 ist mit die Rohre aufnehmenden öffnungen versehen und weist zwischen den benachbarten Rohren einer jeden Reihe Reihen von Schlitzen 39 und 41 auf. Die Schlitze bilden Rippen-Segmente 42 und 43, welche aus der Hauptebene 44 der Rippe herausgezogen sind. Die zwischen den Rohren 36 liegenden Rippensegmente 42 sind gegen die zwischen den Rohren 37 liegenden Rippensegmente 43 versetzt.

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Claims (9)

1. Rohr- und Plattenrippen-Wärmetauscher, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl abgeplatteter Rohre (11), welche in mindestens einer in seitlicher Richtung verlaufenden Reihe angeordnet sind, und durch eine Mehrzahl unter engem Abstand angeordneter paralleler plattenförmiger Rippen (12), in welchen öffnungen (13) ausgebildet sind, in denen die Rohre Aufnahme finden, wo-

   jQ bei die transversalen Achsen der abgeplatteten Rohre im wesentlichen parallel verlaufen, so daß der Luftstrom durch die Rippen im wesentlichen parallel zur Längsrichtung der abgeplatteten Rohre verläuft, wobei eine jede der Rippen eine Mehrzahl im wesentlichen

   Y^ paralleler Schlitze (15) hat, die senkrecht zur transversalen Achse der Rohre verlaufen, und eine Mehrzahl zur Oberfläche (18) der Rippe versetzter Rippensegmente (16) hat, die zwischen benachbarten Rohren liegen, und wobei die Breite eines Rippensegmentes jeweils gleich der Breite (T) eines jeweils abwechselnd zwischen den versetzten Rippensegmenten liegenden Rippensegmentes ist.
2. 2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (11) in den in den Rippen (12) ausgebildeten öffnungen (13) verlötet sind, um hier zwischen geringen Wärmeübergangswiderstand zu gewährleisten .
3. 3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze in enger Nachbarschaft zu den Rohren (11) enden und sich nicht über die Enden (22) der in einer Reihe befindlichen Rohre hinauserstrecken.
4. 4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die vorderen Kanten (19) und die

   hinteren Kanten (21) der Rippen (12) sich über die Enden (22) der Rohre um eine Strecke (T) hinauserstrecken, welche nicht größer ist als die Breite (L) der versetzten Rippensegmente (16).
5. 5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1—4, dadurch

   gekennzeichnet» daß die Schlitze (15) und versetzten" Rippensegmente (16) nur einen verhältnismäßig kleinen Druckabfall durch sie hindurchströmender Luft herbeiführen.
6. 6. Wärmetauscher nach einem, der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihen abgeplatteter Rohre (28) bezüglich der Längsachsen der Rippen (29) verkantet sind.
7. 7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Mehrzahl verschiedener Wärmetauscherabschnitte aufweist, von denen ein jeder eine Reihe abgeplatteter Rohre und eine Mehrzahl von Rippen aufweist, wobei die Abschnitte einen Winkel miteinander einschließend angeordnet sind und so eine Einheit (25) bilden.
8. 8. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Reihen abgeplatteter Rohre (36,37) in komplementären öffnungen der Mehrzahl von Rippen (38) Aufnahme finden und daß eine Mehrzahl von Schlitzen (39,41), welche versetzte Rippensegmente (42,43) vorgeben, in jeder Reihe zwischen benachbarten Rohren vorgesehen sind.
9. 9. Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die in den beiden Reihen angeordneten Rohre (36, 37) in seitlicher Richtung gegeneinander versetzt sind und die versetzten Rippensegmente (42,43) in jeder Rohrreihe gegeneinander versetzt sind.