DE3645307C2 - Wetterkühler zum Kühlen der Wetter in Untertagebetrieben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wetterkühler zum Kühlen der Wetter in Untertagebetrieben mit in Längsrichtung von den zu kühlenden Wettern durchströmtem Gehäuse sowie mit einer Mehrzahl von in Längsrichtung des Gehäuses mit Strömungs­ kanalabstand angeordneten Rohrregistern. - Solche Wetter­ kühler sind erschwerenden Arbeitsbedingungen ausgesetzt (vgl. Glückauf, 1969, S. 251, Abs. "Arbeitsbedingungen für Wetterkühler"). Es muß hoher Staubanfall in den Wettern beherrscht werden. Der Wärmeübergang und die Kühlleistung dürfen nicht durch Staubablagerungen beeinträchtigt werden. Die Kühlung muß sowohl bei der Kühlung von trockenen Wettern als auch von solchen, aus denen bei der Kühlung Wasser ausfällt, sicher erfolgen. Die räumlichen Verhältnisse sind beengt.

Bei dem bekannten Wärmetauscher, von dem die Erfindung aus­ geht (DE 35 10 406 A1, PatG § 3 (2)) sind die Wärmetauscherohre zu flächigen Platten zusammengefügt, welche Platten mit Abstand, Strömungskanäle für die Wetter bildend, angeordnet sind. Die Kühlleistung ist verbesserungsbedürftig. Die Wärmetauscherrohre habe runden oder ellipsenförmigen Quer­ schnitt. Die Wärmetauscherrohre sind zu den Platten zusam­ mengefügt, um die Druckverluste klein zu halten, die die strömenden Wetter beim Durchströmen des Wärmetauschers erfahren. Auch soll auf diese Weise eine leichte Reinigung der zu den Platten zusammengefügten Rohrregister erreicht werden. Die Wärmetauscherrohre sind bei der bekannten Aus­ führungsform in den Platten vorzugsweise miteinander ver­ lötet, und zwar flächig oder punktförmig. Sie berühren sich. Man kann aber, offenbar aus Toleranzgründen, auch einen sehr kleinen Abstand zulassen. Ein Gasaustausch zwischen benach­ barten Strömungskanälen, d. h. eine Querströmung, ist nicht eingerichtet. Bei flächiger Verschweißung der Wärmetauscher­ rohre zu den Platten sind Querströmungen ganz unmöglich. Bei sehr kleinem Abstand der Wärmetauscherrohre in den Platten findet ein Gasaustausch, wie Untersuchungen gezeigt haben, praktisch nicht oder jedenfalls nicht so statt, daß der Wär­ meaustausch verbessert wird. Die einzelnen Wärmetauscherroh­ re werden, weil sie zu Platten vereinigt sind, von dem gas­ förmigen Medium nicht vollständig umströmt. Die Oberfläche der einzelnen Wärmetauscherrohre nimmt folglich an dem Wär­ meaustausch nur bereichsweise intensiv teil, nämlich nur dort, wo auch ein entsprechender Kontakt mit dem strömenden gasförmigen Medium möglich ist. Das Zusammenfügen der Wärme­ tauscherrohre zu Platten steht der Ausbildung von turbulen­ ten Strömungserscheinungen in der unmittelbaren Umgebung der Wärmetauscherrohre, die bekanntlich den Wärmeaustausch för­ dern, entgegen.

Ähnliches gilt auch für einen anderen Wärmetauscher für den Einsatz im Bergbau zur Wetterkühlung (DE 84 36 237 U1), bei dem, um gesonderte Stützplatten für die Wärmetauscherrohre zu vermeiden, diese Wärmetauscherrohre miteinander verlötet und dadurch zu plattenförmigen Wärmetauscherelementen ver­ einigt sind.

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, einen Wetterkühler zum Kühlen der Wetter in bergbaulichen Unter­ tagebetrieben zu schaffen, der unter den schwierigen Ver­ hältnissen des Untertagebetriebes mit hoher Kühlleistung allen Anforderungen genügt, bei dem die Wärmetauscherfläche, bezogen auf das vom Gehäuse gebildete Volumen, groß ist, der Wärmeaustausch verbessert ist und gleichzeitig der Druckver­ lust nicht wesentlich ansteigt.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist Gegenstand der Erfindung ein Wetterkühler zum Kühlen der Wetter in Untertagebetrieben mit in Längsrichtung von den zu kühlenden Wettern durchströmtem Gehäuse sowie mit einer Mehrzahl von in Längsrichtung des Gehäuses mit Strömungskanalabstand angeordneten Rohrregi­ stern aus Wärmetauscherrohren, die einen elliptischen Quer­ schnitt aufweisen, dessen lange Achse in Längsrichtung des Gehäuses angeordnet ist, die von einem flüssigen Medium durchströmt sind, mit den Merkmalen

• a) die einzelnen Rohrregister sind jeweils aus drei schlangenlinienförmig mit vertikalen oder schrägen, geraden Abschnitten und bogenförmigen Abschnitten geführten, in Längsrichtung gereihten Wärmetauscher­ rohren aufgebaut,
• b) die Rohrregister sind einerseits mit einem quer zur Längsrichtung verlaufenden Verteilerrohr und ande­ rerseits mit einem quer zur Längsrichtung verlaufen­ den Sammlerrohr mit in Längsrichtung der Strömung gereihten Anschlüssen verbunden,
• c) die Wärmetauscherrohre in den einzelnen Rohrregi­ stern sind mit einem eine Querströmung zulassenden turbulenzbildenden Abstand geführt, wobei die Breite des Abstandes im Bereich von wenigen Millimetern bis zu einigen Zentimetern liegt.

Bei einem solchen Wetterkühler liegen zweckmäßigerweise die bogenförmigen Abschnitte der Wärmetauscherrohre lotrecht übereinander, und zwar ebenfalls mit eine Querströmung zulassendem, turbulenzfördernden Abstand. Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die ellipsenförmigen Querschnitte der Wärmetauscherrohre ein Achsenverhältnis im Bereich zwischen 1,2 und 2, vorzugsweise von etwa 1,5 auf. Das Verhältnis wird gebildet zwischen den Maßen der großen Achse im Zähler, und den Maßen der kleinen Achse im Nenner, die Zahlen bezogen auf den Außendurchmesser. Nach bevor­ zugter Ausführungsform der Erfindung sind fernerhin die Ab­ stände der beiden äußeren Wärmetauscherrohre zu dem mittleren Wärmetauscherrohr gleich. Insbesondere wenn die Querschnitte der Wärmetauscherrohre so gewählt sind, wie es vorstehend zu ellipsenförmigen Querschnitten angegeben wurde, empfiehlt es sich, die Wärmetauscherrohre in Längs­ richtung mit einem eine Querströmung zulassenden, turbulenz­ förderndem Abstand von 10 bis 15 mm anzuordnen. Das Ab­ standsmaß bezieht sich auf den lichten Abstand. Im Rahmen der Erfindung liegt es, mitten in den Strömungskanälen in Strömungsrichtung verlaufende Leitbleche anzuordnen, die in statistischer Verteilung Löcher aufweisen.

In dem erfindungsgemäßen Wetterkühler ist die Wärmeüber­ tragungsfläche besonders groß. Die Wärmetauscherrohre sind von den Wettern umspült. Die Querströmung der zu kühlenden Wetter verbessert den Wirkungsgrad. Das gilt unabhängig davon, ob die Hauptströmung in den Strömungskanälen turbulent oder laminar strömt. Die Abstände zwischen den Wärmetauscherrohren fördern die Turbulenz, die bekanntlich den Wärmetransport unterstützt. Sie resultiert aus der Tatsache, daß die infolge der erfindungswesentlichen Ab­ stände zwischen den einzelnen Wärmetauscherrohren querströ­ menden Wetter auf die hauptsächlich in Längsrichtung der Strömungskanäle zwischen den Rohrregistern strömenden Wetter treffen. Das ist eine Kreuzströmung die im Bereich der Wärmetauscherrohre eine freie Turbulenz produziert, die eine den Wärmeübergang an den Wärmetauscherrohren störende Schichtbildung verhindert.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß bei einem Wetterkühler des eingangs beschriebenen Aufbaus sowie der eingangs beschriebenen Zweckbestimmung in den in Längsrich­ tung des Gehäuses verlaufenden, wetterführenden Strömungs­ kanälen zwischen den einzelnen Rohrregistern aus kon­ struktiven und aerodynamischen Gründen unterschiedliche statische Drücke herrschen, die die beschriebene Quer­ strömung durch die Abstände zwischen den Wärmetauscherrohren generieren, wenn die Breite dieser Abstände hinreichend groß ist. Die erforderlichen Abstände können für jeden Wetter­ kühler durch Versuche ermittelt werden.

Die erreichten Vorteile sind darin zu sehen, daß, bezogen auf ein vorgegebenes Gehäusevolumen, die Wärmetauscherfläche besonders groß ist, gleichzeitig aber der Druckverlust der zu kühlenden Wetter im Wetterkühler kaum ansteigt. Diese Vorzüge sind gerade für Wetterkühler in Untertageräumen wegen der dort beengten räumlichen Verhältnisse von großer Bedeutung. Ein besonderer Vorteil für den Untertagebetrieb ist die geringe Verschmutzungsanfälligkeit des erfindungs­ gemäßen Wetterkühlers, was auf dem Einfluß der Querströmung beruht. Während die herrschende Lehre (Glückauf, 1969, S. 254, Zeilen 10-14) dahin geht, im Untertagebetrieb für unterschiedliche Kühlungszwecke technologisch unterschied­ lich aufgebaute Wetterkühler einzusetzen, nämlich einerseits Rippenrohrkühler und andererseits Glattrohrkühler ein zu­ setzen, ist der erfindungsgemäße Wetterkühler für alle Einsatzfälle mit hoher Kühlleistung bei geringen Druckver­ lusten in bezug auf die den Wetterkühler durchströmenden zu kühlenden Wetter geeignet.

Grundsätzlich ist es bekannt (DE-OS 15 51 820), bei Apparaten anderer Zweckbestimmung, nämlich bei Rauchgas- Rekuperatoren, schlangenlinienförmig mit vertikalen geraden Abschnitten und bogenförmigen Abschnitten geführte Wärme­ tauscherrohre einzusetzen, diese bilden jedoch keine rauch­ gasführenden Strömungskanäle sondern, im Gegenteil, quer zur Strömungsrichtung der Rauchgase angeordnete Gitter. Ein solcher Apparat produziert hohe Druckverluste und eignet sich nicht zum Kühlen der häufig feuchten Wetter in Unter­ tagebetrieben.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen vorschlagsgemäßen Wetterkühler in Strömungsrichtung der zu kühlenden Wetter,

Fig. 2 einen Ausschnitt des Verteilerrohres aus dem Gegenstand der Fig. 1 in der Draufsicht und

Fig. 3 eine andere Ausführungsform des Gegenstandes der Fig. 1.

Der in den Figuren dargestellte Wetterkühler ist zum Kühlen großer Wettermengen in Untertagebetrieben bestimmt. Zum grundsätzlichen Aufbau gehören das Gehäuse 1, welches in Längsrichtung von den Wettern 2 durchströmt ist, eine Mehr­ zahl von parallel zueinander angeordneten Rohrregistern 3 aus Wärmetauscherrohren 4, die von einem flüssigen Medium durchströmt sind, ein quer zur Längsrichtung angeordnetes Verteilerrohr 5 sowie ein ebenfalls quer zur Längsrichtung angeordnetes Sammlerrohr 6. Die Rohrregister 3 sind in Längsrichtung ausgerichtet, und zwar mit einem Strömungs­ kanalabstand 7. Der Strömungskanalabstand ergibt sich in üblicher Weise aus der Dimensionierung des Wetterkühlers insgesamt. Seine Größe hängt vom Mengenstrom der zu kühlenden Wetter und vom eingerichteten Druckverlust ab.

Jedes Rohrregister 3 besteht aus drei schlangenlinienförmig geführten Wärmetauscherrohren 4, die aus geraden Abschnitten 8 und bogenförmigen Abschnitten 9 aufgebaut sind. Die Wärme­ tauscherrohre 4 haben einen ellipsenförmigen Querschnitt. Sie sind mit der langen Ellipsenachse in Längsrichtung des Gehäuses 1 ausgerichtet. Die beiden äußeren Wärmetauscher­ rohre 4 sind identisch ausgeführt und haben einen eine Quer­ strömung zulassenden, turbulenzfördernden Abstand 10, der im Ausführungsbeispiel im lichten Maß 10 bis 15 mm betragen mag. Die bogenförmigen Abschnitte 9 der Wärmetauscherrohre sind lotrecht übereinander angeordnet und ebenfalls mit einem eine Querströmung zulassenden, turbulenzfördernden Abstand 10 versehen. Die Anschlüsse der Wärmetauscherrohre 4 an dem Verteilerrohr 5 und an dem Sammlerrohr 6 sind in Längsrichtung der Strömung gereiht, wozu auf die Anschlüsse 12 in Fig. 2 verwiesen wird.

In der Fig. 1 erkennt man, daß die geraden Abschnitte 8 der Wärmetauscherrohre 4 vertikal verlaufen. In der Ausführungs­ form nach Fig. 3 sind sie schräg gestellt.

In der Fig. 2 erkennt man strichpunktierte Linien. Diese deuten an, daß die Möglichkeit besteht, in den Strömungs­ kanälen in Strömungsrichtung verlaufende Leitbleche 13 anzu­ ordnen, die nicht gezeichnet, statistisch verteilte Löcher aufweisen.

Claims (7)

1. Wetterkühler zum Kühlen der Wetter in Untertagebetrieben mit in Längsrichtung von den zu kühlenden Wettern (2) durch­ strömtem Gehäuse (1) sowie mit einer Mehrzahl von in Längs­ richtung des Gehäuses (1) mit Strömungskanalabstand (7) angeordneten Rohrregistern (3) aus Wärmetauscherrohren (4), die einen elliptischen Querschnitt aufweisen, dessen lange Achse in Längsrichtung des Gehäuses (1) angeordnet ist, die von einem flüssigen Medium durchströmt sind, mit den Merk­ malen

• a) die einzelnen Rohrregister (3) sind jeweils aus drei schlangenlinienförmig mit vertikalen oder schrägen geraden Abschnitten (8) und bogenförmigen Ab­ schnitten (9) geführten, in Längsrichtung gereihten Wärmetauscherrohren (4) aufgebaut,
• b) die Rohrregister (3) sind einerseits mit einem quer zur Längsrichtung verlaufenden Verteilerrohr (5) und andererseits mit einem quer zur Längsrichtung ver­ laufenden Sammlerrohr (6) mit in Längsrichtung der Strömung gereihten Anschlüssen (12) verbunden,
• c) die Wärmetauscherrohre (4) in den einzelnen Rohrre­ gistern (3) sind mit einem eine Querströmung zu­ lassenden turbulenzbildenden Abstand (10) geführt, wobei die Breite des Abstandes (10) im Bereich von wenigen Millimetern bis zu einigen Zentimetern liegt.

2. Wetterkühler nach Anspruch 1, wobei die bogenförmigen Abschnitte (9) der Wärmetauscherrohre (3) senkrecht über­ einander ebenfalls mit einem eine Querströmung zulassenden, turbulenzfördernden Abstand (10) angeordnet sind.

3. Wetterkühler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die ellipsenförmigen Querschnitte der Wärmetauscherrohre (4) ein Achsverhältnis im Bereich zwischen 1,2 und 2, vorzugsweise von etwa 1,5, aufweisen.

4. Wetterkühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Abstände (10) der beiden äußeren Wärmetauscherrohre (4) zu dem mittleren Wärmetauscherrohr (4) gleich sind.

5. Wetterkühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Wärmetauscherrohre (4) in Längsrichtung einen eine Quer­ strömung zulassenden Abstand (10) von 10 bis 15 mm auf­ weisen.

6. Wetterkühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei mittig in den Strömungskanälen in Strömungsrichtung verlau­ fende Leitbleche (13) angeordnet sind, die in statistischer Verteilung Löcher aufweisen.

7. Wetterkühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die turbulenzbildenden Abstände (10) wenige Millimeter bis 15 mm betragen.