DE3536070A1 - Vorrichtung zur kuehlung eines gasstromes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung eines in einem Strömungskanal geführten Gasstroms, welcher min­ destens eine zur Ablagerung neigende Komponente enthält, mit einem in dem Strömungskanal angeordneten Wärmetauscher.

Bei der Kühlung eines Gasstroms durch einen Wärmetauscher tritt häufig das Problem auf, daß eine oder mehrere der Bestandteile des Gasstroms, z.B. Wasserdampf, an den Wän­ den des Wärmetauschers ausfrieren oder daß im Gasstrom mitgeführte Teilchen, wie z.B. Staub oder Ruß, sich an den Wänden des Wärmetauschers anlagern. Derartige Ablage­ rungen wirken sich in zweifacher Weise ungünstig auf das Leistungsverhalten des Wärmetauschers aus. Zum einen stel­ len die Ablagerungen einen zusätzlichen Wärmeleitwider­ stand dar, der zu einer Reduzierung des Wärmedurchgangs­ koeffizienten des Wärmetauschers führt. Zum anderen be­ wirken die Ablagerungen eine Verringerung des Gasvolumens sowie des Strömungsquerschnittes des Wärmetauschers. Hierdurch ergeben sich ein vergrößerter Druckabfall sowie eine Verringerung der Durchsatzmenge. Die negativen Aus­ wirkungen werden häufig noch dadurch verstärkt, daß die Ablagerungen ungleichmäßig erfolgen, so daß selbst bei rela­ tiv geringem Gesamtvolumen der Ablagerungen örtlich erheb­ liche Reduzierungen des Strömungsquerschnittes und damit Anstiege des Druckabfalls auftreten können. Sobald daher die Ablagerungen ein bestimmtes Maß erreicht haben, muß der Betrieb unterbrochen und der Wärmetauscher von den Ab­ lagerungen befreit werden, beispielsweise durch Abtauen oder auf mechanischem Weg.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vor­ richtung der eingangs genannten Art zu entwickeln, bei der Betriebsunterbrechungen sowie eine Verschlechterung der Wärmetauschleistung vermieden oder zumindest reduziert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Anströmfläche des Wärmetauschers größer als seine Stirnfläche ist.

Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, daß die Ablagerungen verstärkt im Bereich des Eintrittsquerschnit­ tes des Wärmetauschers auftreten. Demgemäß wird dem Gas­ strom am Eintritt in den Wärmetauscher ein relativ großer Strömungsquerschnitt zur Verfügung gestellt, so daß trotz der Bildung von Ablagerungen der Anstieg des Druckver­ lustes relativ gering bleibt, wohingegen im Inneren des Wärmetauschers eine höhere Gasgeschwindigkeit erhalten bleibt.

Beim Erfindungsgegenstand ist zwar die maximale Wärme­ tauschleistung geringfügig kleiner als bei herkömmlichen Wärmetauschern, bei denen der Anströmquerschnitt gleich der Stirnfläche ist, jedoch ist die durchschnittliche Dauerleistung erheblich besser. Die Zeitabstände zwischen den notwendigen Betriebsunterbrechungen zur Entfernung der Ablagerungen lassen sich erheblich verlängern.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegen­ standes beträgt die Anströmfläche zwischen dem 1,1-fachen und dem 10-fachen vorzugsweise 1,2 bis 5-fachen der Stirnfläche. Ein zu großer zusätzlicher Anströmquerschnitt würde die Leistung des Wärmetauschers zu sehr verschlechtern, ein zu kleiner zusätzlicher Querschnitt ein zu frühzeitiges Zusetzen der Strömungswege zur Folge haben.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungs­ gegenstandes ist zumindest ein Teil der Anströmfläche gegenüber der Querschnittsfläche des Strömungskanals geneigt. Der Neigungswinkel ist größer als 0° und beträgt maximal 90°.

Es erweist sich als zweckmäßig, wenn gemäß einer bevorzug­ ten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes der Wärme­ tauscher in Strömungsrichtung verlaufende Rippen aufweist. Vorzugsweise besitzt der Wärmetauscher im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung verlaufende Kühlrohre.

Mit dem Erfindungsgegenstand lassen sich relativ geringe Rippenabstände realisieren, ohne daß die Strömungswege durch die Ablagerungen verstopft werden. Dadurch läßt sich die Wärmeübertragungsfläche pro Volumeneinheit vergrößern.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Erfin­ dungsgegenstandes verläuft zumindest ein Teil der den Strömungskanal begrenzenden Wand über zumindest einen Teil der Länge des Wärmetauschers mit Abstand zu diesem. Als Längsrichtung ist dabei die Hauptströmungsrichtung des Gasstroms anzusehen. Mit dieser Anordnung ist die Anströmfläche des Wärmetauschers sowohl durch seine Stirnfläche als auch durch denjenigen Bereich des Wärme­ tauschers, der mit Abstand zur Begrenzungswand des Strömungs­ kanals verläuft, gebildet.

Der Abstand nimmt gemäß einem weiteren Erfindungsmerkmal über die Länge des Wärmetauschers ab. Dies kann in einem einzigen Schritt, in mehreren diskontinuierlichen Schrit­ ten (stufenweisen) oder kontinuierlich erfolgen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegen­ standes beträgt der Abstand zwischen 5 und 25 mm, vorzugs­ weise etwa 10 mm. Bei zu großen Spaltbreiten geht die Wärmetauschleistung drastisch zurück, bei zu kleinen Spaltbreiten besteht die Gefahr, daß der Spalt durch Ablagerungen frühzeitig verstopft wird.

Bei einer weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgegen­ standes ist die Anströmfläche veränderbar. Die Verstellung erfolgt vorzugsweise durch eine verstellbare Anordnung von Gasleitwänden im Strömungskanal. Auf diese Weise läßt sich der Anströmquerschnitt jeweils an die instationären Ablagerungsverhältnisse anpassen und der Wärmetausch optimieren.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegen­ standes ist eine obere und/oder eine untere Begrenzungs­ wand des Wärmetauschers in ihrem Abstand zu dem Wärme­ tauscher veränderbar. Bei dieser Anordnung läßt sich die Anströmfläche durch Veränderung des Abstandes variieren.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Erfindungsgegen­ standes ist der Strömungskanal in einem Kühlmöbel ange­ ordnet und der Wärmetauscher ein Kältemittelverdampfer.

Ein wesentliches Qualitätsmerkmal bei einem Kühlmöbel ist die Ausbildung und Aufrechterhaltung eines Kühlluft­ schleiers, der die im Kühlmöbel befindliche Ware von der Umgebungsluft trennt. Wird die Kühlluftmenge zu groß gewählt, erhöht sich durch Stoff- und Wärmeaus­ tausch zwischen dem Luftschleier und der Umgebungsluft der Kältebedarf des Kühlmöbels nicht unerheblich. Wird andererseits die Kühlluftmenge zu gering, so erwärmt sich die eingelagerte Ware. Damit die Mindestluftmenge nicht unterschritten wird, ist in gewissen Zeitabständen ein Ab­ tauen des Kältemittelverdampfers erforderlich. Das Abtauen erfordert erhebliche Wärmemengen und ist schädlich für die eingelagerte Ware. Durch den Erfindungsgegenstand lassen sich die Intervalle zwischen zwei Abtauvorgängen erheblich verlängern, beispielsweise von 12 auf 24 Stunden.

Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand von schematisch dargestellten Ausführungs­ beispielen näher erläutert.

Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Tiefkühltruhe im Quer­ schnitt,

Fig. 2 einen quaderförmigen Wärmetauscher mit einer Anströmung von drei Seiten,

Fig. 3 einen quaderförmigen Wärmetauscher mit einer Anströmung von drei Seiten,

Fig. 4 einen quaderförmigen Wärmetauscher mit einer Anströmung von zwei Seiten.

Fig. 1 zeigt eine Tiefkühltruhe mit einem Möbelkorpus 1, dessen Innenraum 2 zur Aufbewahrung und Präsentation von Lebensmitteln dient. Ein Boden 3 trennt den Innenraum 2 von einem darunter befindlichen Raum 4 ab, der einen Kälte­ mittelverdampfer 5 sowie einen Ventilator 6 zur Kühlung und Umwälzung von Luft aufweist. Der Boden 3 ist mit Seiten­ wänden 7 verbunden, die mit Abstand zu den Seitenwänden des Möbelkorpus 1 angeordnet sind und zusammen mit diesen je einen Strömungskanal bilden, der mit dem Raum 4 in Strö­ mungsverbindung steht. Durch den Ventilator 6 wird ein Luftstrom erzeugt, der durch Pfeile 8 angedeutet ist. Die Luft wird durch den Kältemittelverdampfer 5 angesaugt und dabei abgekühlt. Die kalte Luft gelangt durch den Strömungs­ kanal an der linken Wand der Tiefkühltruhe an deren Rand und wird über einen Austrittsspalt 9 in den Innenraum 2 geführt, wo sie einen Kühlluftschleier zwischen der Ware und der Umgebung bildet. Durch einen Spalt 10 an der rech­ ten Wand der Tiefkühltruhe gelangt die Kühlluft in den Strömungskanal in der rechten Wand und von dort zurück zum Kältemittelverdampfer 5. Da der eintretende Luftstrom Feuchtigkeit enthält, kommt es zu Eisansatz am Kälte­ mittelverdampfer 5.

Der Kältemittelverdampfer 5 wird von der zu kühlenden Luft im wesentlichen von rechts nach links durchströmt (Vorzugsströmungsrichtung). Er weist eine Vielzahl von in Vorzugsströmungsrichtung verlaufende, mit Abstand zu­ einander angeordnete Kühlrippen auf, wie den Fig. 2 bis 4 zu entnehmen ist. Während die Oberseite des Kälte­ mittelverdampfers 5 parallel zum Boden 3 verläuft, welcher zugleich die obere Begrenzungswand für den Luftströmungs­ kanal bildet, und über seine gesamte Länge mit diesem verbunden ist, ist die Unterseite 13 gegenüber dem Boden 14 des Möbelkorpus 1, welcher zugleich die untere Begren­ zungswand für den Luftströmungskanal bildet, geneigt. Lediglich im Bereich des Abströmquerschnitts 11 sind der Boden 14 und die Unterseite 13 miteinander verbunden. Nahezu über die gesamte Länge des Kältemittelverdampfers 5 ist ein Abstand zwischen dem Boden 14 und der Unterseite 13 gebildet. Der maximale Abstand h an der Stirnseite 12 des Kältemittelverdampfers 5 beträgt zwischen 5 und 25 mm, vorzugsweise ca. 10 mm. Die Höhe der Stirnseite des Kälte­ mittelverdampfers 5 beträgt ca. 200 mm, seine Länge zwi­ schen den Flächen 11 und 12 ca. 600 mm.

Der Abstand nimmt in Strömungsrichtung gesehen kontinuier­ lich ab. Die Anströmfläche des Kältemittelverdampfers 5 setzt sich zusammen aus der Stirnfläche 12 sowie der unte­ ren Fläche 13 und ist erheblich größer als der Querschnitt des Luftströmungskanals vor dem Kältemittelverdampfer 5.

Die Fig. 2 bis 4 zeigen verschiedene Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers in perspektivischer Darstellung. Die Wärmetauscher weisen jeweils in Vorzugs­ strömungsrichtung verlaufende Kühlrippen 15 sowie senk­ recht dazu verlaufende Kühlrohre auf, von denen nur je­ weils die Verbindungsrohrkrümmer 16 zu erkennen sind, welche die Kühlrohre zu einem geschlossenen Strömungsweg verbinden.Pfeile 17 deuten die Strömung des zu kühlenden bzw. gekühlten Gasstroms an, die durch einen Ventilator 6 erzeugt wird. Die Vorrichtung gemäß Fig. 2 weist eine obere Begrenzungswand 18 sowie eine untere Begrenzungswand 19, die jeweils im Bereich des Abströmquerschnitts 11 mit der Ober- bzw. Unterseite des Wärmetauschers verbun­ den sind, während sie jeweils im Bereich der Stirnfläche 12 einen Abstand h/2 zur Ober- bzw. Unterseite besitzen. h liegt im Bereich zwischen 5 und 25 mm, vorzugsweise ca. 10 mm. Auf diese Weise entsteht an der Ober- und an der Unterseite des Wärmetauschers ein in Strömungs­ richtung sich kontinuierlich verjüngender Spalt. Der gesamte Anströmquerschnitt des Wärmetauschers setzt sich zusammen aus seiner Oberseite, der Stirnfläche 12 und der Unterseite und ist damit wesentlich größer als der Strömungsquerschnitt des Luftströmungskanals vor dem Wärmetauscher.

Bei dem Wärmetauscher gemäß Fig. 3 ist im Unterschied zu demjenigen gemäß Fig. 2 der Spalt zwischen der obe­ ren Begrenzungswand und der Oberseite des Wärmetauschers sowie zwischen der unteren Begrenzungswand und der Unter­ seite des Wärmetauschers jeweils über die gesamte Länge des Wärmetauschers die Breite h/2 auf, wobei h im Bereich zwischen 5 und 25 mm, vorzugsweise ca. 10 mm beträgt.

Bei dem Wärmetauscher gemäß Fig. 4 ist im Unterschied zu demjenigen gemäß Fig. 3 die Unterseite des Wärme­ tauschers dicht mit der unteren Begrenzungswand 19 ver­ bunden, während die obere Begrenzungswand 18 mit Abstand zur Oberseite des Wärmetauschers verläuft. Der Abstand h ist über die gesamte Länge des Wärmetauschers gleichblei­ bend und beträgt zwischen 5 und 25 mm, vorzugsweise ca. 10 mm. Bei dieser Ausführungsform setzt sich der Anström­ querschnitt des Wärmetauschers aus der Oberseite und der Stirnfläche 12 zusammen.

Die Länge des Spaltes zwischen der Begrenzungswand 18 und der Oberseite des Wärmetauschers läßt sich bei einer bevorzugten Ausführungsform durch einen nach rechts verschiebbaren Steg 20 verkürzen, so daß der Anströmquer­ schnitt je nach den Gegebenheiten verändert werden kann.

Neben den beschriebenen Anwendungsfällen läßt sich der Erfindungsgegenstand noch bei einer Vielzahl weiterer Anwendungsfälle einsetzen. Beispiele hierfür sind:

Luftkühler zum Vorkühlen von Luft bei einer Tieftempera­ turrektifikation, wobei es zum Ausfrieren von H₂O sowie CO₂ kommt. Kühler für heiße, staubhaltige Rauch- oder Röstgase, bei denen es zur Ablagerung von Staub und Rußteilchen kommt.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Kühlung eines in einem Strömungskanal geführten Gasstroms, welcher mindestens eine zur Ab­ lagerung neigende Komponente enthält, mit einem in dem Strömungskanal angeordneten Wärmetauscher, dadurch gekennzeichnet, daß die Anströmfläche des Wärmetauschers (5) größer als seine Stirnfläche ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anströmfläche zwischen dem 1,1-fachen und dem 10-fachen der Stirnfläche beträgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß zumindest ein Teil der Anströmfläche gegenüber der Querschnittsfläche des Strömungskanals geneigt ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (5) in Strömungs­ richtung verlaufende Rippen (15) aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der den Strömungs­ kanal begrenzenden Wand über zumindest einen Teil der Länge des Wärmetauschers (5) mit Abstand zu diesem verläuft.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand über die Länge des Wärmetauschers abnimmt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Abstand maximal zwischen 5 und 25 mm beträgt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anströmfläche veränderbar ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine obere und/oder eine untere Begrenzungswand (18, 19) des Wärmetauschers in ihrem Abstand zu dem Wärmetauscher veränderbar sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskanal in einem Kühl­ möbel angeordnet und der Wärmetauscher ein Kältemit­ telverdampfer ist.