DE3609187C2 - - 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 Oberbe­ griff 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 Wärmetauscherfläche 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 Wärmetauscherflächen über eine ober­ flächenvergrößernde Beschichtung verfügen, so z. B. aus der DE 26 03 362 B2. 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 Flammenspritzverfahren aufgebracht. Auch in der DE 25 46 444 B2 ist ein Wärmetauscher mit oberflächenver­ größerten Wärmetauscherflächen beschrieben. Die dort beschriebenen Verfahren zur Herstellung der ober­ flächenvergrößernden 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 Wärmeaus­ tausch vorzugsweise über Konvektion oder Kondensation stattfindet. Konvektion wird insbesondere für den trockenen Wärmeaustausch benutzt, z. B. für die Abwärmeverwertung, Heiztechnik, Kältetechnik, Kraft­ werkstechnik (Verdampfer) und andere. Das in Kühlern beim Wärmeaustausch entstehende Kondensat deckt inner­ halb kurzer Zeit die vergrößerte Oberfläche ab, wobei die Oberflächenspannung des Wassers die Oberfläche wieder auf das 100- bis 1000fache begradigt und reduziert. Ein effektiver Wärmeaustausch ist somit nicht möglich. Darüberhinaus sind die konventionellen Wärmeaustauscher sehr schmutzanfällig. Die im zu verarbeitenden Medium vorhandenen Schmutzpartikel setzen ebenfalls die vorgrößerte Oberfläche der Wärmetauscherflächen zu, was den Wirkungsgrad herab­ setzt.

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 Normalober­ fläche (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.

Es ist weiterhin aus der DE-OS 20 01 793 bereits ein Wärme­ austauscher mit vorgeschaltetem Filter bekannt. Es handelt sich dabei jedoch nicht um einen rotierenden Filter. Außerdem geht diese Druckschrift von den üblichen vorbekannten Röhrenbündelwärmetauschern aus, deren Nachteile bereits oben beschrieben wurden. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Kombination von rotieren­ dem Filter und mit diesem umlaufenden Wärmetauscher­ flächen besteht darin, daß mit Hilfe der Zentrifugal­ kraft das Gas in die durch die Wärmetauscherflächen gebildeten Kanäle eingeleitet wird, die darin vor­ handenen Staubpartikel jedoch zum großen Teil zurück­ gehalten werden. Weiterhin ist aus der DE-OS 15 51 476 ein umlaufender Wärmetauscher bekannt, der sich jedoch von den nachteilhaften, konventionellen Wärmetauschern dadurch unterscheidet, daß er eine besonders aus­ gebildete Radscheibe aufweist, die in Zusammenwirkung mit einem Schaufelrad eine Pumpe bildet. Eine Filterung ist hierbei nicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art anzugeben, deren effektive Wärmetauscheroberfläche 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 gewähr­ leistet, daß mit den zu kühlenden bzw. zu wärmenden Gasen mitgeführte Staubpartikel zum großen Teil schon am Gaseinlaß durch den zu rotierenden Filter aus dem Gasstrom herausgeschleudert werden. Die aus dem Filter heraustretetende Gasströmung wird dabei so gerichtet, daß sie an die oberflächenvergrößerten Wärmetauscherflächen im geringen Abstand vorbei­ streicht. Diese Distanz genügt, einen Wärmeaustausch über Befeuchtung (Heizung) oder Entfeuchtung (Kühler) zu gewährleisten.

Da bei Abkühlung unterhalb des Feuchtpunktes (z. B. von Grubenwettern) in den Zwischenräumen 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 Kondsatfilm abreißt und heraustreibt. Daher sieht die Erfindung weiterhin vor, daß die oberflächenvergrößerten Wärmetauscherflächen um eine Achse parallel zur Einströmrichtung des Gases drehbar sind. Durch die Rotationsbewegung wird das Kondensat aus den Poren herausgeschleudern, 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 Wärmetauscherflächen mit einer derart hohen Geschwindigkeit rotiert, daß der Wärmetauscher im Ultraschallbereich arbeitet und somit die Lärmbelästigung reduziert wird.

Mit der nach Anspruch 2 vorgesehenen erfindungsgemäßen Gamma-Aluminiumoxid-Oberfläche werden die Wärmetauscherflächen gegenüber den bisherigen Wärme­ tauschern um etwa den Faktor 6000 größer. Beschichtungen mit Gamma-Aluminiumoxiden sind aus der Katalysator­ technik bekannt, nicht aber bei Wärmetauschern. Bezogen auf die Trägerfläche wird je Flächeneinheit der Wärme­ tauscher also wesentlich mehr Wärme übertragen als beim Wärmedurchgang über normale Rippenrohre (bi zu 1000 mal mehr). Diese Kälteleistung kann nur erzielt werden, wenn der Taupunkt der Wetter deutlich über der Kondensa­ tionstemperatur der vergrößerten Wärmeaustauscherflächen liegt. Durch Einsprühen von Wasser am Wettereintritt wird der Taupunkt angehoben und gleichzeitig erfolgt eine Vorabkühlung der Wetter durch Feuchtigkeitsauf­ nahme. 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.

Anspruch 3 sieht vor, daß zum Antrieb der rotierenden Wärme­ 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 Wärmetauscherflächen bewirkt insbesondere zweierlei. Einmal wird durch die Fliehkraft (etwa das 20fache der Schwerkraft) der Kondensatfilm ständig von den oberflächenvergrößerten Flächen abgezogen und mit den Wettern abgeführt. Zum andern wirkt der Umlauf der Wärmetauscherflächen wie bei einem Schleuderlüfter; die Wetter werden angesaugt und nach außen abgeschleudert.

Gemäß Anspruch 4 ist vorgesehen, daß die Wärme­ tauscherflächen beidseitig mit der oberflächenvergrößernden Beschichtung versehen sind.

Anspruch 5 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 Wärmetauscher entstaubt gleichzeitig die Wetter.

Gemäß Anspruch 6 ist vorgesehen, daß zum Anfeuchten des in den Wärmetauscher 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 Wärmetauscheroberfläche - 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 7 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 Wärmetauscherflächen im Querschnitt,

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

Fig. 3 vergrößerte Schnittzeichnung der Wärmetauscherwandung,

Fig. 4 Vergrößerung aus Fig. 3,

Fig. 5 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 Wärmetauscherflächen 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 Wärmetauscherflächen 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. Im Gaseinlaß 5 ist ein rotierender Filter 6 angeordnet, der infolge der Rotation im Gasstrom 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 in geringem Abstand an den mit der vergrößerten Oberfläche versehenen Wärmetauscherflächen 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 Wärmetauscherflächen senkrecht zur Gasströmungsrichtung rotieren. Die durch die Rotationsbewegung herausgeschleuderten Kondensat- und Staubpartikel prallen auf die nachlaufenden Wärme­ tauscherflächen 2 und laufen dort ab. Zur nochmaligen Vergrößerung der beschichteten. Wärme­ tauscheroberfläche ist die Wärmetauscherfläche 2 mit Rippen versehen.

In den Fig. 3 und 4 sind Detailausschnitte des Oberflächenbereiches einer Wärme­ tauscherfläche 2 dargestellt, wobei mit 16 die metallische Wärmetauscherwand und mit 17 die Aluminiumoxidschicht bezeichnet ist.

Zur Auffeuchtung des eintretenden Gases sind am 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. 5 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 ein 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 Wärmetauscher 1′ erlaubt nun seinerseits eine Abkühlung des zur Grube führenden Kühlwassers, welches über Leitungen 23 abfließt, im 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 (7)

1. Wärmetauscher, insbesondere für den Einsatz unter Tage zum Kühlen bzw. Erwärmen von Luft/Gas, z. B. von Wet­ tern, die über einen Gaseinlaß in durch Wärmetauscher­ flächen begrenzte Kanäle einströmen und über einen Gasauslaß verlassen, wobei einige oder alle Wärmetau­ scherflächen mit einer oberflächenvergrößernden Schicht versehen und eine Seite der Wärmetauscher­ flächen mit einem Kühl- oder Heizmedium beaufschlagbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß im Gaseinlaß (5) ein rotierender Filter (6) angeordnet ist und daß die Wärmetauscherflächen (2) drehbar sind.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dar die Wärmetauscherflächen (2) mit einer im Tauch­ verfahren aufgebrachten Gamma-Aluminiumoxidschicht versehen sind.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Drehung der Wärmetauscherflächen (2) ein Hydromotor (3) vorgesehen ist, der vom Kühlwasser antreibbar ist.

4. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscher­ flächen (2) beidseitig mit der oberflächenvergrößern­ den Beschichtung versehen sind.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Wärmetauscherflächen (2, 2′) gebilde­ ten Gasdurchtrittskanäle in Drehrichtung auf der vor­ laufenden Seite die oberflächenvergrößernde Beschich­ tung aufweisen und auf der nachlaufenden Fläche (2′) glatt ausgebildet sind.

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

7. Wärmetauscher, insbesondere für Kühlanlagen nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß am Gasauslaß Tropfenfänger (18) angeordnet sind.