DE3609187A1 - Waermetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für den Einsatz im Bergbau unter Tage, zum Kühlen bzw. Erwärmen von Luft/Gas, z.B. Wettern gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Wärmetauscher werden vielfältig eingesetzt, so z.B. in der Klimatechnik, der Wärmerückgewinnung, beim Austausch von Prozeßwärme, als Verdampfer, Kondensatoren etc. Die Wärmetauscher müssen dabei insbesondere zwei Anforderungen erfüllen, zum einen müssen sie über eine große Austauscherfläche verfügen, zum anderen müssen Vorkehrungen getroffen sein, daß sich die Oberflächen nicht im Verlauf des Einsatzes zusetzen und so den Wirkungsgrad herabsetzen.

Es sind zwar im Stand der Technik bereits Wärmetauscher bekannt, deren Austauscherflächen über eine oberflächenvergrößernde Beschichtung verfügen, so z.B. aus der DE-AS 26 03 362. Dort sind Heizflächen von Wärmeaustauschern für Flüssigkeiten beschrieben, die aus einem Schichtträger und einem daran befestigten offenzelligen Überzug aus einem Oxydfilm-bildenden Metall bestehen. Das Metall wird dabei vornehmlich im Flammspritzverfahren aufgebracht. Auch in der DE-AS 25 46 444 ist ein Wärmetauscher mit oberflächenvergrößerten Austauscherflächen beschrieben. Die dort beschriebenen Verfahren zur Herstellung der oberflächenvergrößernden Schicht sind jedoch technisch aufwendig und haben weiterhin den Nachteil, daß die entstehende Oberfläche lediglich um den Faktor 100 bis 1000 größer ist als die Trägeroberfläche. Weitere Nachteile ergeben sich dadurch, daß der Wärmeaustausch vorzugsweise über Konvektion oder Kondensation stattfindet. Konvektion wird insbesondere für den trockenen Wärmeaustausch benutzt, z.B. für die Abwärmeverwertung, Heiztechnik, Kältetechnik, Kraftwerkstechnik (Verdampfer) und andere. Das in Kühlern bein Wärmeaustausch entstehende Kondensat deckt innerhalb kurzer Zeit die vergrößerte Oberfläche ab, wobei die Oberflächenspannung des Wassers die Oberfläche wieder auf das 100- bis 1000-fache begradigt und reduziert. Ein effektiver Wärmeaustausch ist somit nicht möglich. Darüber hinaus sind die konventionellen Wärmeaustauscher sehr schmutzanfällig. Die im zu verarbeitenden Medium vorhandenen Schmutzpartikel setzen ebenfalls die vergrößerte Oberfläche der Tauscherflächen zu, was den Wirkungsgrad herabsetzt.

Bei Heizanlagen wird zwar die oberflächenvergrößerte Schicht nicht mit Kondensat abgedeckt. Da aber auf der stark geformten Oberfläche (stark gerunzeltes Gebilde) keine nennenswerte Gasbewegung stattfindet, ist hier Wärmeaustausch weitgehend nur über Strahlung möglich. Diese Strahlung kann jedoch nur über die Normaloberfläche (Querschnittsfläche) und nicht über die stark gefaltete Runzelfläche übertragen werden und ist um etwa eine Zehnerpotenz kleiner als bei Wärmeleitung. Die Leistung derartiger Heizanlagen ist daher sehr gering.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art anzugeben, deren effektive Austauschoberfläche noch stärker vergrößert ist, dabei aber sehr klein baut und die Gefahr des Sichzusetzens der vergrößerten Oberfläche praktisch ausgeschlossen ist und wobei der weitgehend durch Kondensation oder Strahlungsverlust behinderte Wärmefluß durch andere Maßnahmen freigesetzt wird.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Der Aufbau des erfindungsgemäßen Wärmetauschers gewährleistet, daß mit den zu kühlenden bzw. zu wärmenden Gasen mitgeführte Staubpartikel zum großen Teil schon am Gaseinlaß durch den rotierenden Filter aus dem Gasstrom herausgeschleudert werden. Die aus dem Filter heraustretende Gasströmung wird dabei so gerichtet, daß sie die Austauscherwände nicht berührt, sondern im geringen Abstand daran vorbeistreicht. Diese Distanz genügt, einen Wärmeaustausch über Befeuchtung (Heizung) oder Entfeuchtung (Kühler) zu gewährleisten.

Mit der erfindungsgemäßen Gamma-Aluminiumoxid-Oberfläche wird die Abstrahlfläche gegenüber den bisherigen Wärmetauschern um etwa den Faktor 6000 größer. Bezogen auf die Trägerfläche wird je Flächeneinheit also wesentlich mehr Wärme übertragen als beim Wärmedurchgang über normale Rippenrohre (bis zu 1000mal mehr). Diese Kälteleistung kann nur erzielt werden, wenn der Taupunkt der Wetter deutlich über der Kondensationstemperatur der vergrößerten Wärmeaustauscherflächen liegt. Durch Einsprühen von Wasser am Wettereintritt wird der Taupunkt angehoben und gleichzeitig erfolgt eine Vorabkühlung der Wetter durch Feuchtigkeitsaufnahme. Mit Unterschreiten des Taupunktes sinkt der Wasserdampfdruck über der Kühlfläche. Der Wasserdampf (z.B. aus den Wettern) wandert aus den Wettern heraus zu den Kühlflächen, und die Wetter werden getrocknet.

Zur Vergrößerung der Oberfläche bedient sich die Erfindung eines aus der Katalysatortechnik bekannten Verfahrens, indem Gamma-Aluminiumoxid im Tauchverfahren auf den Trägern aufgebracht wird. Dieses Verfahren ist technisch einfach und kostengünstig.

Da bei Abkühlung unterhalb des Feuchtpunktes (z.B. von Grubenwettern) in den Zwischenräunen der vergrößerten Oberfläche Kondensat ausfällt, das die runzlige Micro-Oberfläche ausfüllen, abglätten und daher stark reduzieren würde, ist auf den Kondensatfilm eine Kraft auszuüben, die den Kondensatfilm abreißt und heraustreibt. Daher schlägt Anspruch 2 vor, daß die oberflächenvergrößerten Austauschflächen um eine Achse parallel zur Einströmrichtung des Gases drehbar sind. Durch die Rotationsbewegung wird das Kondensat aus den Poren herausgeschleudert, und die Effektivität der vergrößerten Oberfläche bleibt erhalten. Gleichzeitig kann ein derartiger Wärmetauscher als Lüfter bzw. Gebläse dienen. Dabei ist daran gedacht, daß die große Anzahl der Austauscherflächen mit einer derart hohen Geschwindigkeit rotiert, daß der Wärmetauscher im Ultraschallbereich arbeitet und somit die Lärmbelästigung reduziert wird.

Anspruch 3 sieht vor, daß zum Antrieb der rotierenden Tauscherflächen ein Hydromotor vorgesehen ist, der wiederum durch das Kühlwasser angetrieben ist. Das Kühlwasser fließt zwischen den Austauscherkanälen im Gegenstrom zu den Wettern. Der Umlauf der Tauscherflächen bewirkt insbesondere zweierlei. Einmal wird durch die Fliehkraft (etwa das 20-fache der Schwerkraft) der Kondensatfilm ständig von den oberflächenvergrößerten Flächen abgezogen und mit den Wettern abgeführt. Zun andern wirkt der Umlauf der Tauscherflächen wie bei einem Schleuderlüfter; die Wetter werden angesaugt und nach außen abgeschleudert.

Anspruch 4 schlägt einen Wärmetauscher, insbesondere für Heizzwecke vor, der über feststehende Tauscherflächen verfügt, denen zusätzlich Flüssigkeit zugeführt werden kann, die über Poren an die Oberfläche der Tauscherflächen gelangt. Dort verdampft die Flüssigkeit, entweicht in die vorbeiziehenden Gase, kondensiert dort und heizt über die Kondensationswärme den Gasstrom auf. Diese Ausführungsform des Wärmetauschers ist für Heizanlagen gedacht. Hierbei wird wie oben beschrieben innerhalb der vergrößerten Oberfläche über viele kleine Poren (ähnlich wie bei der menschlichen Haut) Schwitzwasser eingebracht, welches über der großen Oberfläche der Runzeln erwärmt wird, ebenso von der Wärmestrahlung, die innen zwischen den Runzeln ausgetauscht wird. Das erwärmte Schwitzwasser verdunstet (höherer Dampfdruck als das vorbeigeführte Gas). Die verdampfte Flüssigkeit dringt in das vorbeigeführte Gas und erhöht dessen Enthalpie.

ln der Ausführung als Kühler (z.B. Wetterkühler) tritt umgekehrt der Wasserdampf (Luftfeuchte) mit dem höheren Partialdruck aus den Wettern in die vergrößerte Oberfläche der Austauschflächen und kondensiert, wobei Enthalpie (Wärme) den Wettern entzogen wird und über die Kondensation und das Kühlwasser abgeführt wird. Sowohl Heizanlagen als auch Kühler werden in ihrer Leistung stark verbessert (bis auf das 1000-fache). Derartige Anlagen sind daher in minimierten Ausführungsgrößen darstellbar.

Vorteilhafterweise werden für die Zufuhr der Flüssigkeit Kapillaren verwendet.

Gemäß Anspruch 6 ist vorgesehen, daß die feststehenden Tauscherflächen beidseitig mit der oberflächenvergrößernden Beschichtung versehen sind.

Anspruch 7 sieht vor, daß die von den rotierenden Tauscherflächen gebildeten Gasdurchtrittskanäle in Drehrichtung auf der vorlaufenden Seite die oberflächenvergrößernde Beschichtung aufweisen und auf der nachlaufenden Fläche glatt sind. Das aus den Poren der Oberfläche herausgeschleuderte Kondensat und evtl. Schmutzpartikel prallen auf die glatten Flächen und gleiten dort ab. Zusammen mit dem anfallenden Kondensat werden die Schmutzpartikel gebunden. Ein derartiger Kühler entstaubt gleichzeitig die Wetter.

Gemäß Anspruch 8 ist vorgesehen, daß zum Anfeuchten des in den Wärmeaustauscher einströmenden Gases am Gaseinlaß Sprühdüsen vorgesehen sind. Mit Hilfe dieser Wassereinsprühung ist es möglich, den Taupunkt der Wetter anzuheben und z.B. warmes Kühlwasser von 10 bis 20°C wirksam zur Wetterkühlung einzusetzen, wobei - wegen der großen Austauscheroberfläche - die Kühlwassertemperatur bis dicht an die Wettertaupunkttemperatur (nach Auffeuchtung) erwärmt wird (z.B. bis 38°C). Hiermit wird die Effektivität der Kühler und der Kälteanlage erhöht und der notwendige Energieeinsatz abgesenkt. Mit Hilfe entsprechender Rückkühler über Tage kann andererseits das warme Wasser aus der Grube im Jahresmittel bis auf ca. 7°C abgekühlt werden, so daß nur eine gerinfügige Kältemaschinenarbeit zur weiteren Abkühlung notwendig ist.

Anspruch 9 schlägt vor, am Gasauslaß Tropfenfänger anzuordnen. Aus diesen Tropfenfängern kann für das Anfeuchten des Gases Kondensationswasser abgezogen werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen dargestellt und näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 schematische Darstellung eines Wärmetauschers mit rotierenden Tauscherflächen im Querschnitt,

Fig. 2 abgewandelte Ausführungsform eines Wärmetauschers mit rotierenden Tauscherflächen (Ausschnitt),

Fig. 3 Wärmetauscher mit feststehenden Tauscherflächen im Querschnitt (Schema)

Fig. 4 Seitenansicht eines Wärmetauschers gemäß Fig. 3,

Fig. 5 Detailausschnitt eines Wärmetauschers gemäß den Fig. 3 und 4,

Fig. 6 vergrößerte Schnittzeichnung der Wärmetauscherwandung,

Fig. 7 Vergrößerung aus Fig. 6,

Fig. 8 zentrale Kälteanlage für ein Bergwerk im Schema.

In den Zeichnungen sind entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Der Wärmetauscher ist insgesamt mit (1) bezeichnet. Er besteht im wesentlichen aus im gleichen Abstand zueinander angeordneten Tauscherflächen (2), die mit einer oberflächenvergrößernden Schicht aus Gamma-Aluminiumoxid versehen sind. Die Schicht ist im Tauchverfahren aufgebracht.

In Fig. 1 ist ein Wärmetauscher (1) mit rotierenden Tauscherflächen (2) dargestellt. Sie werden angetrieben durch einen Hydromotor (3). Es ist jedoch auch ein elektrischer Antrieb möglich. Der Hydromotor (3) wird von dem Kühlwasser, das bei (4) in den Wärmetauscher eintritt, betrieben. Konzentrisch um den Kühlwassereinlauf (4) ist der Gaseinlaß (5) angeordnet. In Gaseinlaß (5) ist ein rotierender Filter (6) angeordnet, der infolge der Rotation im Gasstron enthaltene Schmutzpartikel ausfiltert. Das Kühlwasser durchläuft den Wärmetauscher im Gegenstrom zu dem zu kühlenden bzw. zu erwärmenden Gas und verläßt bei (7) den Wärmetauscher (1). Das Gas wird berührungslos an den mit der vergrößerten Oberfläche versehenen Tauscherwänden (2) vorbeigeleitet. Dabei findet der Wärmeübergang statt. Sich auf der vergrößerten Oberfläche absetzendes Kondensat aus dem Gas, z.B. den Wettern, wird durch die Fliehkraft aus den Poren herausgeschleudert. Das gekühlte bzw. aufgeheizte Gas verläßt den Wärmetauscher bei (8). In Fig. 2 ist ein abgewandelter Wärmetauscher (1) dargestellt, bei dem die Tauscherflächen senkrecht zur Gasströmungsrichtung rotieren. Die durch die Rotationsbewegung herausgeschleuderten Kondensat- und Staubpartikel prallen auf die nachlaufenden Tauscherflächen (2′) und laufen dort ab. Zur nochmaligen Vergrößerung der beschichteten Tauscheroberfläche ist die Tauscherfläche (2) mit Rippen versehen. In den Fig. 3 und 4 ist ein Wärmetauscher (1) mit feststehenden Tauscherflächen (2) dargestellt. Er dient vorzugsweise für den Gas-Gas-Wärmeaustausch. Ein derartiger Wärmetauscher (1) eignet sich vorwiegend für die Abwärmerückgewinnung. Dargestellt ist ein Plattenwärmetauscher; er kann jedoch auch z.B. als Rohrwärmetauscher ausgebildet sein. Bei dieser Ausführungsform strömt das eine Medium über einen seitlichen Einlaß (9) parallel zu den Tauscheroberflächen (2) in den Wärmetauscher (1) und verläßt diesen bei (10). Sowohl bei (9) als auch bei (10) kann ein rotierender Filter (6) bzw. (6′) angeordnet sein. Das zweite Medium wird über einen Einlaß (11) senkrecht zu den Tauscherflächen (2) in den Wärmetauscher (1) eingeleitet und bei (12) wieder abgeführt, nachdem es im Wärmetauscher (1) an zwei Schikanen (13 und 14) vorbeigeführt worden ist. In der Fig. 5 sind ausschnittsweise einige feststehende Tauscherflächen (2) dargestellt. Hierbei sind beide Oberflächen mit der Gamna-Aluminiumoxid-Schicht bedeckt. Jede zweite Tauscherfläche ist mit Wasser beaufschlagt, welches über Poren (15) an der Oberfläche austreten kann. Dort verdunstet es, vermischt sich mit dem vorbeistreichenden Gas, kondensiert dort und heizt das Gas infolge der Kondensationswärme auf. Ein derartig ausgebildeter Wärmetauscher ist als Luftheizung einsetzbar. In den Fig. 6 und 7 sind Detailausschnitte des Oberflächenbereiches einer Tauscherfläche (2) dargestellt, wobei mit (16) die metallische Tauscherwand und mit (17) die Aluminiumoxidschicht bezeichnet ist.

Zur Auffeuchtung des eintretenden Gases sind an Gaseinlaß eine oder mehrere nicht dargestellte Wasserdüsen angeordnet. Derartig ausgebildete Wärmetauscher sind als Kühler für z.B. warmes Grubenwasser geeignet, welches aus Großkälteanlagen über Luftkühlung über Tage stammt. Es kann bis ca. 0,5°C an die feuchte Temperatur der übertägigen Luft abgekühlt werden.

Fig. 8 zeigt das Ausführungsbeispiel einer zentralen Kälteanlage für ein Bergwerk, das sehr ökonomisch ohne Kältemaschinen, d.h. mit sehr geringem Energieaufwand, betrieben werden kann. Im Übertageteil erhält der erfindungsgemäße Gas-Gas-Wärmetauscher (1) Wetter von z.B. 30°C bei (9) über einen Lüfter zugeführt. Die Wetter werden durch Wassereinsprühung (19) auf z.B. 21°C abgekühlt und kühlen nun ihrerseits einen zweiten Wetterstrom, der bei (11) eintritt, im Gegenstrom auf ca. 23°C vor. Dieser zweite Luftstrom wird nun durch Einsprühen von Wasser bei (20) auf z.B. 16°C abgekühlt. Der erfindungsgemäße Wärmetauscher (1′) erlaubt nun seinerseits eine Abkühlung des zur Grube führenden Kühlwasser, welches über Leitungen (23) abfließt, in Gegenstrom auf z.B. 17°C. Dieses Kühlwasser wird unter Tage über den Druckmengenaustauscher (24) zu den einzelnen erfindungsgemäßen Wärmetauschern (1) geleitet, die die Grubenwetter vor Ort von z.B. 30°C auf 20°C abkühlen. Die Pumpe (22) hält das Kühlwasser in Umlauf.

Claims (9)

1. Wärmetauscher, insbesondere für den Einsatz unter Tage zum Kühlen bzw. Erwärmen von Luft/Gas, z.B. von Wettern, die über einen Gaseinlaß in durch Wärmetauscherflächen begrenzte Kanäle einströmen und über einen Gasauslaß verlassen, wobei einige oder alle Wärmetauscherflächen mit einer ober­ flächenvergrößernden Schicht versehen und eine Seite der Wärmetauscherflächen mit einem Kühl- oder Heizmedium beaufschlagbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaseinlaß (5) von einem rotierten Filter (6) gebildet ist, der das einströmende Gas berührungslos an den Wärmetauscherflächen (2) vorbeiführt, deren vergrößerte Oberfläche von vorzugsweise im Tauchverfahren aufgebrachtem Gamma-Aluminiumoxid gebildet ist.

2. Wärmetauscher, insbesondere als Wetterkühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die oberflächenvergrößerten Austauschflächen (2) um eine Achse parallel zur Einströmrichtung des Gases drehbar sind.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Drehung der Austauschflächen (2) ein Hydromotor (3) vorgesehen ist, der vom Kühlwasser antreibbar ist.

4. Wärmetauscher, insbesondere für Heizanlagen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Tauscherflächen (2) Flüssigkeit zuführbar ist, die über Poren (15) an der Oberfläche der Tauscherflächen (2) austritt.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die Zufuhr der Flüssigkeit zu den Tauscherflächen (2) Kapillaren vorgesehen sind.

6. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Tauscherflächen (2) beidseitig mit der oberflächenvergrößernden Beschichtung versehen sind.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Tauscherflächen (2) gebildeten Gasdurchtrittskanäle in Drehrichtung auf der vorlaufenden Seite die oberflächenvergrößernde Beschichtung aufweisen und auf der nachlaufenden Fläche glatt ausgebildet sind.

8. Wärmetauscher, insbesondere für Kühlanlagen nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum Anfeuchten des in den Wärmetauscher einströmenden Gases am Gaseinlaß (5) Sprühdüsen vorgesehen sind.

9. Wärmetauscher, insbesondere für Kühlanlagen nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß am Gasauslaß Tropfenfänger (18) angeordnet sind.