DE3610533C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung richtet sich auf einen Wärme- und/oder Stoffaustauschapparat gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs 1.

Für eine befriedigende Funktion eines gattungsgemäßen Apparats (z. B. Zeitschrift "Chemie-Ing.-Techn." 35. Jahrg. 1963 Nr. 8, Seiten 555-556) ist eine gleichmäßige Verteilung des Fluids und eine vollständige Benetzung der Wärmeaustauschrohre mit dem Fluid von ausschlaggebender Bedeutung. Um diese Bedingungen erfüllen zu können, hat man bislang über den obersten Wärmeaustauschrohren jeder vertikalen Rohrreihe parallele Überlaufrinnen angeordnet, aus denen das Fluid über mit den Überlaufrinnen verbundene Stege auf die darunterliegenden Wärmeaustauschrohre übertreten konnte. Eine auch nur annähernd vollständige Benetzung der Wärmeaustauschrohre konnte bei einem solchen Aufbau jedoch nur dann erzielt werden, wenn die Wärmeaustauschrohre nahezu 100%ig horizontal ausgerichtet wurden und die Oberflächen der Wärmeaustauschrohre fettfrei sowie rauh genug waren. Indessen war es selbst bei genauester Einhaltung derartiger Randbedingungen nicht möglich, eine vollständige Benetzung der Rohroberflächen zu gewährleisten. Auch war nicht zu verhindern, daß bei dem bekannten Vorschlag das Fluid ungeführt von einem Wärmeaustauschrohr auf das darunterliegende nächste Wärmeaustauschrohr abtropfte. Folglich konnten Abspritzverluste ebenfalls nicht verhindert werden.

Um die Stoffübergangsverhältnisse zwischen den übereinanderliegenden Wärmeaustauschrohren zu verbessern, hatte man zwar angeregt, die übereinanderliegenden Wärmeaustauschrohre durch Stege miteinander zu verbinden, jedoch wurde eine solche Erwägung bislang nur in einem geringen Umfang in die Praxis umgesetzt, da sie sich als zu aufwendig und kostspielig erwies.

Durch die DE-PS 6 66 331 ist es ferner bekannt, oberhalb von sich vertikal erstreckenden Stoffaustauschflächen Gefäße mit durchlöcherten Böden vorzusehen und die Böden innenseitig der Gefäße mit einem Kapillarmaterial zu bedecken.

Aufgabe dieses Kapillarmaterials ist es, ein über einen Stutzen oder eine Leitung zugeführtes Fluid so über den horizontalen Querschnitt der Gefäße auszubreiten, daß das Fluid auf die vertikal ausgerichteten Wärmeaustauschflächen in Form eines Rieselfilms gleichmäßig verteilt wird.

Würde man den Vorschlag der DE-PS 6 66 331 auf einen Wärme- und/oder Stoffaustauschapparat mit neben- und übereinander angeordneten, sich im wesentlichen horizontal erstreckenden Wärmeaustauschrohren übertragen, so ist vermutlich noch sicherzustellen, daß die jeweils unmittelbar unter einer Verteileranlage für das Fluid sich erstreckenden Wärmeaustauschrohre über einen wesentlichen Teil ihrer Oberflächen mit einem in der Dicke gleichmäßigen Fluidfilm beaufschlagt werden können. Indessen würde sich dieser Fluidfilm aufgrund seiner Oberflächenspannung im Zusammenhang mit dem Einfluß der Schwerkraft an den Unterseiten der Wärmeaustauschrohre punktuell im Abstand voneinander zusammenziehen und Strähnen bilden, die sich dann in Abhängigkeit von dem Abstand von zwei übereinanderliegenden Wärmeaustauschrohren wahrscheinlich sogar in Tropfen auflösen. Die Folge ist, daß die darunterliegenden Wärmeaustauschrohre wieder ungleichmäßig mit dem Fluid benetzt werden und Abspritzverluste nicht zu vermeiden sind. Befriedigende Stoffübergangsverhältnisse sind nicht zu erzielen.

Die Zeitschrift "Chemie-Ing.-Techn.", 40. Jahrg., 1968, Heft 5, Seiten 201 bis 206 offenbart lediglich Rohrbündel mit senkrecht angeordneten Rohren bezüglich der diversen Oberflächen gleichmäßig berieseln zu können. Dazu hat man im oberen Teil der Rohre Drahtgewebe vorgesehen, welche diese Rohrabschnitte stumpfartig umfassen. Befriedigende Ergebnisse wurden jedoch nicht erzielt, da die mit der Verschmutzung verbundenen Probleme nicht bewältigt werden konnten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschriebenen Wärme- und/oder Stoffaustauschapparat so zu verbessern, daß ein Fluid ohne Verluste gleichmäßig an alle Oberflächen der übereinander angeordneten Wärmeaustauschrohre herangebracht werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmalen.

Die gemeinsame Ummantelung aller Wärmeaustauschrohre einer vertikalen Rohrreihe mit einem Kapillarmaterial verbindet die Vorteile einer vollständigen Benetzung der Rohroberflächen mit der Vergrößerung der am Wärmeübergang beteiligten Flächen, mit einer erheblichen Vergrößerung der am Stoffübergang beteiligten Flächen sowie mit einer Verbesserung der Strömungsverhältnisse des Fluids. Da sich aufgrund des Kapillareffekts eine absolut gleichmäßige Benetzung sämtlicher Rohroberflächen einstellt, erlaubt die Erfindung, daß die Wärmeaustauschrohre nicht exakt 100%ig horizontal ausgerichtet werden müssen. Auch können die Anforderungen an die Rohroberflächen sehr gering gehalten werden. Die Strömungsführung im Apparat ist problemlos und Abspritzverluste treten nicht auf.

Aufgrund des Sachverhalts, daß jetzt auch die Stege zwischen jeweils zwei im Abstand übereinanderliegenden Wärmeaustauschrohren aus dem die Wärmeaustauschrohre einer vertikalen Rohrreihe gemeinsam ummantelnden Kapillarmaterial gebildet werden, kann das Fluid einwandfrei bis zum untersten Wärmeaustauschrohr einer Rohrreihe durchgezogen werden. Außerdem wird mit den Stegen der Vorteil erzielt, daß die am Stoffaustausch beteiligten Flächen vergrößert werden. Das Ergebnis ist eine weitere Verbesserung der Stoffübergangsverhältnisse.

Die vorstehend beschriebene Ummantelung kann mit besonderem Vorteil in den Apparaten Austreiber, Absorber und Verdampfer in einer Absorptionswärmepumpe, in einer Absorptionskälteanlage oder in einem Wärmetransformator verwendet werden.

In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Grundgedankens sind entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 2 auch die Fluid- Verteilerrinnen in das Kapillarsystem einbezogen. In die Fluid-Verteilerrinnen eingebrachtes Fluid gelangt folglich über das Kapillarmaterial in die darunterliegenden Oberflächenbereiche der Wärmeaustauschrohre, ohne daß Freifallverluste eintreten können. Die Fluid-Verteilerrinnen können V-förmig ausgebildet sein oder auch einen anderen Querschnitt aufweisen.

Die Merkmale des Anspruchs 3 sind insbesondere dann mit Vorteil anwendbar, wenn in einem Wärmetransformator eine Flüssigkeit mit einem Dampf reagieren soll, derart, daß der Dampf von der Flüssigkeit absorbiert und die dann entstehende Wärme auf ein Wärmeträgermedium in den Wärmeaustauschrohren übertragen wird. In einem solchen Fall ist es zweckmäßig, wenn zwischen den Fluid-Verteilerrinnen und den diesen jeweils benachbarten Wärmeaustauschrohren ein ausreichend hoher Steg aus einem Kapillarmaterial vorhanden ist. Die Höhe des Stegs kann etwa der Dicke eines Wärmeaustauschrohrs entsprechen. Beim Durchwandern des Kapillarstegs wird der Flüssigkeit Gelegenheit gegeben, durch Reaktion mit dem Dampf ihre Temperatur zu erhöhen, welche dann letztlich an das Wärmeträgermedium in den Wärmeaustauschrohren abgegeben wird. Auf diese Weise wird ein Nachteil beim Stand der Technik vermieden, der darin besteht, daß in der Regel zumindest die obersten Wärmeaustauschrohre der einzelnen vertikalen Rohrreihen unwirksam blieben, da in diesen Bereichen das Fluid noch nicht die notwendige Temperatur hatte.

Das Kapillarmaterial kann Gaze sein. Beispielsweise gelangen Gazematten zur Anwendung. Interne Versuche haben gezeigt, daß eine besonders vorteilhafte Ausführungsform eines Kapillarmaterials in den Merkmalen des Anspruchs 4 zu sehen ist.

Für den Einsatz in einem mit den bei Absorptionsanlagen verwendeten Fluiden berieselten Apparat haben sich die Merkmale des Anspruchs 5 als sehr zweckmäßig erwiesen.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 in perspektivischer Darstellung ein Rohrbündel eines Wärmetransformators und

Fig. 2 in vergrößerter Darstellung den oberen Höhenbereich einer vertikalen Rohrreihe des Rohrbündels der Fig. 1.

In der Fig. 1 ist mit 1 das Rohrbündel eines an­ sonsten nicht näher veranschaulichten Wärmetransformators be­ zeichnet. Das Rohrbündel 1 ist in vertikale und horizontale Wärmeaustauschrohrreihen aufgegliedert. Die Wärmeaustausch­ rohre 2 sind unberippt.

Wie insbesondere die Fig. 2 erkennen läßt, sind die in einer vertikalen Rohrreihe mit Abstand übereinander­ liegenden Wärmeaustauschrohre 2 mit einer Ummantelung 3 aus einem Kapillare aufweisenden Material versehen. Beim Ausfüh­ rungsbeispiel ist das Material ein Drahtgewebe mit einer Maschenweite von 0,5 mm und einer Drahtdicke von 0,32 mm. Das Drahtgewebe wird an die Wärmeaustauschrohre 2 einer Rohrreihe angepreßt und im Höhenbereich zwischen zwei übereinanderliegen­ den Wärmeaustauschrohren 2 stegartig zusammengeführt. Die Ver­ bindung an den Stegen 4 erfolgt beispielsweise durch Nieten 5.

Oberhalb der obersten Wärmeaustauschrohre 2 jeder vertikalen Rohrreihe sind in einem Abstand, der etwa dem Durch­ messer eines Wärmeaustauschrohrs 2 entspricht, V-förmige, nach oben offene Fluid-Verteilerrinnen 6 angeordnet (Fig. 1 und 2). Auch die Fluid-Verteilerrinnen 6 sind mit einer Ummantelung 7 aus einem Kapillare aufweisenden Material versehen, das im Höhenbereich zwischen den Fluid-Verteilerrinnen 6 und den obersten Rohren 2 stegartig zusammengefaßt ist. Auch hier er­ folgt die Verbindung des Materials 7 zu einem Steg 8 zweck­ mäßig durch Nieten 9.

Fluid, das sich in den Verteilerrinnen 6 befindet, wird nunmehr gemäß den Pfeilen PF selbständig durch das Ka­ pillarmaterial 7 aus den Verteilerrinnen 6 herausgezogen und unter gleichmäßiger Benetzung der Rohroberflächen verteilt, so daß ein optimaler Wärmeaustausch stattfinden kann. Dabei hat beim Ausführungsbeispiel das aus den Verteilerrinnen 6 herausgezogene Fluid beim Durchwandern des Stegs 8 die Möglich­ keit, durch Reaktion mit Dampf diesen zu absorbieren und dabei eine Temperaturerhöhung zu erfahren, die ausreicht, um an den Wärmeaustauschrohren 2 den gewünschten Wärmeaustausch mit dem in den Rohren 2 strömenden Wärmeträgermedium durchzuführen.

Wie die Fig. 1 und 2 weiter erkennen lassen, sind für eine optimale Verteilung des Fluids in den Verteiler­ rinnen 6 zwei im Abstand voneinander angeordnete kurze Ausström­ rohre 10 in jede Verteilerrinne 6 eingebettet. Die Mündungen der Ausströmrohre 10 weisen in Längsrichtung der Verteiler­ rinnen 6.

Mittig der Ausströmrohre 10 sind vertikale Steig­ rohre 11 vorgesehen, welche in Querrohre 12 münden, die über ein Längsrohr 13 mit dem Zuführrohr 14 für das Fluid verbunden sind.

Claims (5)

1. Wärme- und/oder Stoffaustauschapparat mit durch ein Fluid aus einer Verteileranlage beaufschlagten, neben- und übereinander angeordneten, sich im wesentlichen horizontal erstreckenden Wärmeaustauschrohren, von denen die in einer vertikalen Rohrreihe liegenden Wärmeaustauschrohre durch Stege miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß alle Wärmeaustauschrohre (2) einer vertikalen Rohrreihe gemeinsam mit einem Kapillare aufweisenden Material (3) ummantelt sind und das Kapillarmaterial (3) zwischen jeweils zwei im Abstand übereinander liegenden Wärmeaustauschrohren (2) zu Stegen (4) verbunden ist.

2. Apparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über dem obersten Wärmeaustauschrohr (2) jeder vertikalen Rohrreihe eine nach oben offene Fluid- Verteilerrinne (6) angeordnet und in ein mit dem die Wärmeaustauschrohre (2) ummantelnden Kapillarmaterial (3) verbundenes Kapillarmaterial (7) eingebettet ist.

3. Apparat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanz zwischen einer Fluid-Verteilerrinne (6) und dem darunterliegenden Wärmeaustauschrohr (2) durch einen Steg (8) aus Kapillarmaterial (7) überbrückt ist.

4. Apparat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kapillarmaterial (3, 7) aus einem Drahtgewebe mit einer Maschenweite von max. etwa 0,5 mm und einer Drahtdicke von max. etwa 0,32 mm besteht.

5. Apparat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kapillarmaterial (3, 7) aus einem Edelstahlgitter mit einer Maschenweite von etwa 0,16 mm und einer Drahtdicke von etwa 0,1 mm besteht.