DE3918610A1 - Luftgekuehlter waermeaustauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen luftgekühlten Wärmeaustauscher mit Lamellen bzw. einen Lamellenwärmeaustauscher.

Bei der Wärmeübertragung (einphasige Wärmeübertragung, Wär­ meübertragung mit Phasenänderung, z.B. Verdampfung und Kon­ densation) mittels luftgekühlten Wärmeaustauschern ist der Wärmeübergang auf der äußeren Luftseite erheblich geringer als innerhalb der Rohre. Der Wärmestrom beträgt bekanntlich

Q = k · A · Δϑm,

wobei
k = Wärmedurchgangskoeffizient in W/m²K
A = Wärmeübertragungsfläche in m² und
Δϑm = mittlere logarithmische Temperaturdifferenz in K ist.

Hierin ist der Wärmedurchgangskoeffizient k kleiner als die kleinste Wärmeübergangszahl α, da folgende Beziehung gilt:

wobei
α = Wärmeübergangszahl in W/mK
S_W = Wanddicke in m
λ = Wärmeleitzahl in W/mK
i = innen und
a = außen bedeuten.

Um diese Bedingungen zu verbessern, wird das Produkt (k×A) durch Vergrößerung der Außenfläche beeinflußt. Hierzu sind Ausführungen mit Rippenrohren und Lamellenwärmeaustauscher bekannt, deren äußere Wärmeübertragungsfläche ein Vielfaches der inneren Rohroberfläche umfassen. Das Vielfache ergibt sich aus der Lamellengröße, begrenzt durch den Rippenwir­ kungsgrad, und der Lamellenteilung, begrenzt durch die luft­ seitige Strömungsgeschwindigkeit und eventuelle Verschmut­ zungsgefahren.

Eine weitere Verbesserung des luftseitigen Wärmeüberganges wurde durch Aufbringen sogenannter Turbulatoren versucht, jedoch ist der Erfolg wegen der hierfür geringen Luftge­ schwindigkeiten mäßig, außerdem sind diese Maßnahmen oftmals wegen der geringen Lamellenteilung nicht möglich.

In den letzten Jahren versuchte man den sogenannten Wärme­ übergang bei sogenannter trockener Verdampfung und Kondensa­ tion in den Rohren dadurch zu verbessern, daß die Oberfläche strukturiert bzw. aufgerauht wird. Damit kann aber die Lei­ stung luftgekühlter Wärmeaustauscher nicht erhöht werden.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die unterschiedli­ chen Wärmeübergangsverhältnisse innen und außen, auf der Außenseite durch Vergrößerung der Oberfläche und zusätzli­ cher Turbulenz zu verbessern.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, bei einem luftge­ kühlten Wärmetaustauscher mit Lamellen die Lamellen mit einer strukturierten Oberfläche zu versehen. Durch eine ge­ eignete Strukturierung der Oberfläche der Lamellen werden die Wärmeübertragungsflächen wesentlich vergrößert. Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung werden mit einer geeigneten Strukturierung der Oberfläche der Lamellen Turbulenzen an der Oberfläche der Lamellen erzeugt und damit die Wärmeübergangsbedingungen verbessert. Mit Oberflächen­ strukturierung ist im vorliegenden Fall nicht gemeint, daß die Lamellen eine gewellte Oberfläche haben, dieser Begriff bezieht sich vielmehr auf die Feinstruktur der Lamellenober­ fläche.

Vorzugsweise ist die Oberfläche der Lamellen so struktu­ riert, daß an der Oberfläche Linien, Rund- oder Vieleckfor­ men und/oder Rautierungen gebildet sind. Diese Art der Strukturierung läßt sich bei der Fertigung der Lamellen ohne großen Kostenaufwand durch Prägung zusätzlich erreichen.

Die Oberflächenstrukturierung erfolgt vorzugsweise beidsei­ tig, hauptsächlich durch Prägung. Hiervon wird die Gesamtla­ melle erfaßt. Die Abmessungen der Struktur sind vom Werkstoff und der Dicke der Lamellen abhängig. Als Werkstoffe kommen vorwiegend Al, Cu und ihre Legierungen zur Anwendung. Stahl wird meist im Block verzinkt und würde so­ mit die Struktur verlieren.

Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfin­ dung ist die Oberflächenstrukturierung der Lamellen nicht geometrisch. Sie wird vorzugsweise durch Aufsintern, Auf­ spritzen oder andere geeignete Verfahren zum Auftragen von Materialien auf die Oberfläche hergestellt. Abhängig von dem jeweiligen Anwendungsfall, d.h. abhängig von den äußeren Be­ triebsbedingungen, werden auf die Oberfläche der Lamellen Materialien aufgebracht, die entweder artgleich oder art­ fremd mit dem Werkstoff der Lamellen sind.

Bei der Oberflächenstrukturierung durch Sintern bzw. Auf­ spritzen von Metallpartikelchen werden vorzugsweise artglei­ che Werkstoffe aufgetragen. Dies hat den Vorteil, daß Kor­ rosionen vermieden werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird durch die Strukturierung der Lamellenoberfläche die Oberflä­ che bis zu 50% effektiv vergrößert. Dies hat den Vorteil, daß kostengünstigere Lamellenteilungen bei gleicher Wirksam­ keit wie bei einem konventionellen luftgekühlten Wärmeaus­ tauscher erreicht werden. Jede Form der Oberflächenaufrau­ hung führt zu Turbulenzen, falls eine Strömung an diesen Oberflächen auftritt. Glatte Oberflächen unterstützen den Laminarfilm, aber nicht die Wärmeübertragung.

Besonders vorteilhaft ist die Oberflächenstrukturierung je­ doch wegen der Erzeugung von Turbulenzen für den luftseiti­ gen Wärmeübergang, um dadurch den Wärmedurchgangskoeffizien­ ten k anzuheben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbei­ spiels und der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Aufsicht einer Lamellenanordnung für einen luftgekühlten Wärmeaustauscher und

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie I-I der Lamel­ lenanordnung von Fig. 1.

In der Zeichnung ist beispielhaft eine aus mehreren Lamellen bestehende Lamellenanordnung eines luftgekühlten Wärmeaus­ tauschers dargestellt. In einem luftgekühlten Wärmeaustau­ scher sind eine Vielzahl derartiger Lamellenanordnungen hin­ tereinander bzw. in der Zeichnungsebene übereinander im Ab­ stand angeordnet (nicht dargestellt).

Wie aus der Zeichnung hervorgeht, weist diese beispielhafte Ausführungsform einer Lamellenanordnung mehrere unterschied­ liche Oberflächenstrukturierungen auf. Die mit Ziffer 1 be­ zeichnete Lamelle ist nach konventioneller Bauart glatt bzw. kann sie gewellt sein aber ohne Oberflächenstrukturierung. Die mit Ziffer 3 bezeichneten Lamellen sind liniert, wobei die linierte Strukturierung gegenüber der Faltlinie der La­ mellen mit unterschiedlichem Winkel schräg liegen. Mit Zif­ fer 4 ist eine Lamelle bezeichnet, die eine rautierte Ober­ flächenstrukturierung aufweist. Diese Lamellenanordnung wird in üblicher Weise z.B. aus einem Blech hergestellt und gleichzeitig werden durch Prägen die gewünschten Oberflä­ chenstrukturierungen der Lamellen hergestellt. Für die Auf­ nahme von Rohren, die von einem zu kühlenden Medium durch­ strömt werden, sind im Abstand voneinander mehrere Distanz­ halter 2 (Düse) eingesetzt. Die Durchmesser dieser Distanz­ halter 2 sind den Durchmessern der Rohre (nicht dargestellt) angepaßt.

Mit dem erfindungsgemäßen luftgekühlten Wärmeaustauscher werden die unterschiedlichen Wärmeübergangsverhältnisse in­ nen und außen, an der Außenseite des Wärmetauschers durch Vergrößerung der Oberfläche und durch Schaffung zusätzlicher Turbulenzen verbessert.

Claims (10)

1. Luftgekühlter Wärmeaustauscher mit Lamellen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Lamellen eine strukturierte Ober­ fläche aufweisen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Lamellen in Linien, Rund- oder Vieleckformen und/oder Rautierungen strukturiert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ met, daß die Oberflächenstruktur der Lamellen durch Prä­ gen hergestellt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Lamellen nicht geometrisch struktu­ riert ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht-geometrische Oberflächenstrukturierung der La­ melle durch Aufsintern, Aufspritzen oder andere Verfah­ ren zum Auftragen von Materialien auf die Oberfläche hergestellt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgebrachten Materialien gleich dem Werkstoff der Lamellen sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgetragenen Materialien nicht gleich dem Werkstoff der Lamellen sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturierung der Oberfläche der Lamellen die Wärmeübertragungsflächen vergrößert.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Strukturierung die Oberfläche der Lamelle bis zu 50% effektiv vergrößert wird.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichmet, daß durch die Strukturierung an der Oberfläche der Lamelle Turbulenzen für den luftseitigen Wärmeübergang erzeugt werden und damit die Wärmeüber­ gangsbedingungen verbessert werden.