DE60303197T2

DE60303197T2 - Wärmeaustauschrippe und herstellungsverfahren dafür

Info

Publication number: DE60303197T2
Application number: DE60303197T
Authority: DE
Inventors: Claire Szulman; Etienne Werlen; Fabienne Chicago CHATEL
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 2002-01-17
Filing date: 2003-01-10
Publication date: 2006-11-02
Anticipated expiration: 2023-01-11
Also published as: JP2005515392A; WO2003060413A1; FR2834783A1; EP1468238B1; US7445040B2; EP1468238A1; FR2834783B1; CN1321313C; US20050121181A1; JP4409293B2; CN1620591A; ATE315770T1; DE60303197D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmeaustauschrippe, die dazu bestimmt ist, sandwichartig zwischen zwei Platten angeordnet zu werden, die einen Kondensationsdurchgang eines Wärmetauschers mit gelöteten Platten begrenzen, umfassend ein welliges Produkt, insbesondere mit einer Wellung mit rechteckigem Querschnitt, das Wellenbeine hat, die im montierten Zustand Kanäle zum zumindest teilweisen Ableiten eines zu kondensierenden Gases begrenzen, wobei die Wärmeaustauschrippe mindestens eine Drainagerinne für kondensierte Flüssigkeit auf den Wellenbeinen, die sich entlang eines Seitenrandes des Wellenbeins erstreckt, und Ablenkelemente umfasst, die auf dem Wellenbein angeordnet und derart ausgeführt sind, dass sie kondensierte Flüssigkeit zu dieser Drainagerinne ablenken.
Eine solche Wärmeaustauschrippe ist aus GB-A-2199933 bekannt.
Die Erfindung betrifft insbesondere die Hauptverdampfer-Kondensatoren von doppelten Luftzerlegungssäulen, die flüssigen Sauerstoff durch Kondensation von gasförmigem Stickstoff verdampfen, die Verdampfer-Kondensatoren der dreifachen Luftzerlegungssäulen und die Verdampfer-Kondensatoren der Argonsäulen.
Diese Verdampfer-Kondensatoren funktionieren beispielsweise mit Thermosiphon.
Die Verdampfer-Kondensatoren, die mit Thermosiphon funktionieren, umfassen einen Wärmeaustauschkörper, der mehr oder weniger völlig in ein flüssiges Sauerstoffbad eingetaucht ist. Der Wärmeaustauschkörper ist von einem Stapel von vertikalen rechteckigen Platten, von Distanzwellen, umfassend Wärmeaustauschwellen, und von Verschlussstangen gebildet, die eine Vielzahl von ersten Durchgängen und eine Vielzahl von zweiten Durch gängen begrenzen. Die ersten Durchgänge sind Kondensationsdurchgänge für ein Wärmefluid. Die zweiten Durchgänge sind Verdampfungsdurchgänge für ein Kältefluid, die nach oben und nach unten hin offen und mit Rippen mit Distanzwellen mit vertikaler Hauptrichtung versehen sind. Der Wärmeaustauschkörper umfasst ferner Eintritts- und Austrittsgehäuse für das Wärmefluid, die an Eintritts- und Austrittsöffnungsreihen anliegen, die in die ersten Durchgänge münden. Der flüssige Sauerstoff dringt von unten in die zweiten Durchgänge ein, wird hier bis zu seinem Blasenpunkt erhitzt und dann teilweise verdampft.
Gasförmiger Stickstoff dring von oben in die ersten Durchgänge ein, gibt Wärme an den Sauerstoff, der in den zweiten Durchgängen zirkuliert, ab und wird kondensiert. Folglich bildet sich ein Film von flüssigem Stickstoff auf der Oberfläche der Rippe und fließt nach unten ab. Das Abfließen wird bei „rieselndem Film" genannt.
Der Widerstand gegen die Wärmeübertragung bei Kondensation bei rieselndem Film ist im Wesentlichen zur Dicke des flüssigen Films proportional. Da der Widerstand in Leistung 1/3 zur Durchflussmenge variiert, erhöht sich dieser rasch den Kondensationsstellen des Stickstoffs und verringert somit die Wärmeübertragungsleistung zwischen dem gasförmigen Stickstoff und der Rippe.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Wärmeaustauschrippe für einen Kondensationsdurchgang vorzuschlagen, der eine erhöhte Wärmeaustauschkapazität hat.
Die Erfindung soll eine Wärmeaustauschrippe vom vorgenannten Typ vorschlagen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Ablenkelement einen Angriffsrand und/oder einen Leckagerand aufweist, der zu einer zugehörigen Rinne geneigt ist.
Die erfindungsgemäße Wärmeaustauschrippe kann eines oder mehrere der folgenden Merkmale getrennt oder in all ihren technisch möglichen Kombinationen umfassen:

– der Winkel zwischen den Angriffsrändern und der allgemeinen Fließrichtung der Flüssigkeit beträgt zwischen 5° und 70°, vorzugsweise zwischen 10° und 45°,
– der Winkel zwischen den Leckagerändern und der allgemeinen Fließrichtung der Flüssigkeit beträgt zwischen 5° und 70°, vorzugsweise zwischen 10° und 45°,
– die Ablenkelemente jedes Wellenbeins sind derart ausgeführt, dass sie die Flüssigkeit zu einem einzigen Seitenrand des Wellenbeins ableiten, und die Ablenkelemente von zwei aufeinander folgenden Wellenbeinen sind derart ausgeführt, dass sie die Flüssigkeit zu zwei gegenüber liegenden Seitenrändern ableiten;
– die Ablenkelemente sind derart ausgeführt, dass sie zu den beiden Seitenrändern die kondensierte Flüssigkeit auf jedem der Wellenbeine ableiten;
– die gesamte Höhe der Wellenbeine mit Ausnahme der Zonen, die mit einer Drainagerinne verbunden sind, trägt Ablenkelemente;
– die Wärmeaustauschrippe umfasst Wellenbasen und Wellenspitzen, und die Ablenkelemente umfassen erste und zweite Elemente, wobei die ersten zu einer Rinne, die mit der Wellenbasis verbunden ist, geneigt sind, und wobei die zweiten zu einer Rinne, die mit der Wellenspitze verbunden ist, geneigt sind;
– die Elemente von zwei aufeinander folgenden Wellenbeinen sind nur von ersten Elementen auf einem der beiden Wellenbeine und nur von zweiten Elementen auf dem anderen dieser beiden Wellenbeine gebildet;
– jedes Wellenbein umfasst eine erste Gruppe von ersten aufeinander folgenden Elementen und eine zweite Gruppe, gebildet von zweiten aufeinander folgenden Elementen, wobei sich die ersten und die zweiten Elemente jeweils auf im Wesentlichen der gesamten Höhe der Wellenbeine erstrecken;
– die ersten und die zweiten Elemente sind zur Mittellinie des Wellenbeins symmetrisch;
– die ersten Elemente sind in Bezug auf die zweiten Elemente entlang der allgemeinen Fließrichtung der Flüssigkeit, insbesondere um die Hälfte des Abstandes zwischen zwei ersten oder zwei zweiten aufeinander folgenden Elementen versetzt;
– die ersten und zweiten Elemente befinden sich gegenüber liegend beiderseits der Mittellinie insbesondere unter Bildung einer Zick-Zack-Form;
– im ausgeklappten Zustand der wärmeaustauschrippe bilden die Ablenkelemente der Wellenbeine Reihen, die sich parallel zu einem Rand der Wärmeaustauschrippe und senkrecht zu den Rändern von Wellenbeinen erstrecken, und die Ablenkelemente einer Reihe sind identisch;
– die Ablenkelemente weisen einen Angriffsrand und einen. Leckagerand auf, und mindestens der Angriffsrand und vorzugsweise der Angriffsrand und der Leckagerand sind an jedem Punkt geneigt und zu der zugehörigen Drainagerinne gerichtet;
– die Ablenkelemente umfassen einen Schlitz, der in dem Wellenbein vorgesehen ist;
– die Ablenkelemente umfassen einen vorspringenden Teil auf der Oberfläche des Wellenbeins oder einen in Bezug auf die Oberfläche des Wellenbeins zurückgesetzten Teil, insbesondere einen Ziehteil;
– jeder Gasableitungskanal umfasst auf den beiden Seitenflächen, die von Wellenbeinen gebildet sind, nur vorspringende Teile oder auf den beiden Seitenflächen nur zurückgesetzte Teile in Bezug auf die Oberflächen dieser Wellenbeine;
– zwei aufeinander folgende Ablenkelemente sind auf einem Wellenbein voneinander in der allgemeinen Fließrichtung der Flüssigkeit um einen Abstand unter 5 cm, vorzugsweise unter 20 mm, entfernt;
– die Drainagerinne umfasst in kontinuierliches Materialband des an die Ablenkelemente angrenzenden Wellenbeins und ein kontinuierliches Materialband der an das Wellenbein angrenzenden wellenspitze oder Wellenbasis;
– die allgemeine Fließrichtung der Flüssigkeit ist im Wesentlichen mit der allgemeinen Fließrichtung des Fluids in den Gasableitungskanälen identisch;
– die Wärmeaustauschrippe umfasst Wellungen mit teilweisem Versatz, und die Abstände zwischen zwei aufeinander folgenden Versatzpositionen weisen eine Länge von mindestens 3 mm und vorzugsweise von mindestens 1 cm auf; und
– die Wärmeaustauschrippe umfasst mindestens zwei Rippenteile, von denen jeder eine unterschiedliche Drainageleistung aufweist, und die Drainageleistung eines Rippenteils zum folgenden Rippenteil nimmt in der allgemeinen Fließrichtung des Fluids zu.

Die Erfindung betrifft auch einen Wärmetauscher mit gelöteten Platten, umfassend Platten, die zwischen sich Durchgänge zur Erhitzung und teilweisen oder völligen Kondensation von allgemeiner flacher Form definieren, und umfassend in jedem Kondensationsdurchgang eine Wärmeaustauschrippe sowie seitliche Verschlussstangen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Wärmeaustauschrippe eine Distanzrippe, wie oben definiert, ist.
Der Wärmetauscher Kann einen Verdampfer-Kondensator einer Luftzerlegungsanlage darstellen.
Die Erfindung betrifft überdies ein Verfahren zur Herstellung einer Wärmeaustauschrippe, wie oben definiert, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden aufeinander folgenden Schritte umfasst:

– Anordnen der parallelen Reihen von Ablenkelementen in einem Zuschnitt eines flachen Produktes, insbesondere Blech;
– plastisches Falzen des flachen Produktes, wobei Wellungen gebildet werden, so dass sich die Ablenkelemente einer Reihe auf den Wellenbeinen befinden.

Nach einer besonderen Ausführungsart ist das Herstellungsverfahren dadurch gekennzeichnet, dass

– erste Abschnitte in Zick-Zack-Form in dem Zuschnitt angeordnet werden, dann
– zweite Abschnitte der Zick-Zack-Form in dem Zuschnitt angeordnet werden.

Die Erfindung wird durch die Studie der nachfolgenden Beschreibung, die nur als Beispiel dient und sich auf die Zeichnungen bezieht, besser verständlich, wobei:
1 schematisch einen Teil einer doppelten Luftzerlegungssäule gemäß der Erfindung darstellt;
2 eine Schnittansicht des Verdampfers-Kondensators dieser doppelten Säule im Vertikalschnitt entlang der Ebene II-II der 1 ist;
3 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrippe ist;
4 eine Ansicht eines Kondensationsdurchgangs des Verdampfers-Kondensators im Schnitt entlang der Linie IV-IV der 2 ist;
5 eine Seitenansicht des Beins der Rippe der 3 ist;
6 eine Planansicht eines Teils eines Zuschnitts einer Rippe nach den 3 bis 5 ist;
7 eine Planansicht des Zuschnitts einer ersten Variante einer erfindungsgemäßen Rippe ist;
8 eine Ansicht eines Kondensationsdurchgangs des Verdampfers-Kondensators ist, umfassend eine Rippe nach einer der 7, 9 oder 10; und
die 9 und 10 Ansichten analog zu 5 von einer zweiten bzw. dritten Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Rippe sind;
11 eine Schnittansicht eines Kondensationsdurchgangs ist, umfassend eine Rippe nach einer zweiten Ausführungsart der Erfindung.
In 1 ist schematisch der Zwischenteil einer doppelten Luftzerlegungssäule 1 dargestellt. Es ist die Rinne 2 der doppelten Säule zu sehen, die der Mitteldrucksäule 3 und der Niederdrucksäule 4, die über dieser angeordnet ist, gemein ist. Der obere gewölbte Boden 5 der Säule 3 trennt die beiden Säulen und hält in der Wanne der Säule 4 ein flüssiges Sauerstoffbad 6. Der Stickstoff am Kopf der Säule 3 wird durch indirekten Wärmeaustausch mit dem flüssigen Sauerstoff in dem Hauptverdampfer-Kondensator 7 der doppelten Säule kondensiert, der in der Wanne der Säule 4 angeordnet und völlig in das Bad 6 eingetaucht ist.
Der Verdampfer-Kondensator 7 ist von einem parallelflachen Wärmeaustauschkörper 8 im Allgemeinen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und vier Eintritts-/Austrittsgehäusen für Stickstoff von allgemeiner halbzylindrischer Form gebildet, wobei zwei obere Eintrittsgehäuse 9 und zwei untere Austrittsgehäuse 10 vorhanden sind.
Der Körper 8 ist von einem Stapel einer großen Zahl von vertikalen rechteckigen Platten 11, die alle identisch sind, gebildet. Zwischen diesen Platten sind einerseits Umfangsverschlussstangen 12 und andererseits Distanzwellen angeordnet, nämlich Wärmeaustauschwellen 13 mit hauptsächlich vertikaler Ausrichtung.
Der Körper 8 wird in einem einzigen Schritt durch Löten im Ofen zusammengebaut, und die vier Gehäuse 9 und 10 werden auf den Körper geschweißt.
Zwischen den Platten 11 ist somit eine große Zahl von flachen Durchgängen begrenzt, die alternativ erste Kondensationsdurchgänge 15 für Stickstoff oder zweite Verdampfungsdurchgänge 16 für Sauerstoff sind.
Die ersten Durchgänge 15 (2) sind auf ihrem Umfang durch Sangen 12 verschlossen, die allerdings an jedem Längsende eine obere Eintrittsöffnung 17 für gasförmigen Stickstoff und eine untere Austrittsöffnung 18 für flüssigen Stickstoff frei lassen.
Jeder erste Durchgang enthält vier Verteilungszonen, die jeweils mit vier Öffnungen 17 und 18 verbunden sind. Jede dieser Zonen enthält eine Verteilungswelle 19 mit horizontaler Hauptausrichtung. Der Rest des ersten Durchgangs 15, der sich auf einer großen Mehrheit seiner Oberfläche erstreckt, ist von einer Wärmeaustauschwelle 13 eingenommen, die von einer ersten Wärmeaustauschrippe 20 gebildet ist. Diese Distanzrippe 20 ist sandwichartig zwischen zwei Platten 11 angeordnet.
Jedes der beiden Eintrittsgehäuse 9 für Stickstoff liegt an einer horizontalen Reihe von Öffnungen 17 an. Ebenso liegt jedes der beiden Austrittsgehäuse 10 für Stickstoff an einer horizontalen Reihe von Öffnungen 18 an.
Die zweiten Durchgänge 16 sind zur Gänze auf ihrer oberen und unteren Seite offen und an ihren beiden vertikalen Seiten auf ihrer gesamten Höhe durch die Verschlussstangen 12 verschlossen. Sie enthalten nur Austauschwellen 13, die von einer zweiten Wärmeaustauschrippe gebildet sind. Diese Rippen können Wellblech mit glatter Oberfläche sein.
Während des Betriebs wird der gasförmige Stickstoff, der von der Säule 3 zu den Leitungen 22 gelangt, in die ersten Durchgänge 15 über die beiden Gehäuse 9 eingeleitet, auf der gesamten Länge der ersten Durchgänge durch die oberen Wellen 19 verteilt und kondensiert auf der Oberfläche der ersten Wärmeaustauschrippen 20. Der so erhaltene flüssige Stickstoff, der in den beiden Gehäusen 10 durch die unteren Wellen 19 gesammelt wird, wird rückfließend in die Säule 3 über die Leitungen 23 zurückgeschickt.
Der gasförmige Stickstoff zirkuliert in dem Verdampfer-Kondensator 7 in einer allgemeinen Stickstoffzirkulationsrichtung V, die im vorliegenden Fall vertikal ist.
Die Kondensation des Stickstoffes führt zu einer Verdampfung von flüssigem Sauerstoff in den zweiten Durchgängen 16.
In 3 ist in Perspektive ein Teil einer ersten Wärmeaustauschrippe 20 dargestellt.
Diese Rippe 20 umfasst eine Wellung 24 mit rechteckigem Querschnitt, die einen Wellenabstand p₀ aufweist und von Wellenbasen 26 und Wellenspitzen 28 gebildet ist, die durch Wellenbeine 30 verbunden sind. Jedes Wellenbein 30 hat zwei Seitenränder 31, die sich entlang der Wellenbasen 26 und der Wellenspitzen 28 erstrecken. Wie aus 4 hervorgeht, sind die Wellenbasen 26 und die Wellenspitzen 28 auf ihrer Breite l₀ jeweils an zwei Platten 11 durch eine Lötmaterialschicht 32 verbunden. Die Wellenbeine 30 erstrecken sich zwischen diesen beiden Platten 11 und weisen eine Höhe h₀ auf. So begrenzen die Rippe 20 und die Platten 11 Ableitungskanäle 34 für gasförmigen Stickstoff. Typischerweise beträgt die Höhe h₀ zwischen 3 mm und 10 mm und die Breite l₀ zwischen 0,5 mm und 5 mm.
Die Rippe 20 umfasst Mittel zur Drainage des kondensierten flüssigen Stickstoffs auf der Oberfläche der Beine 30 der Rippe zu den Ecken der Rippe.
Diese Drainagemittel umfassen einerseits erste Drainagerinnen 36A und 36B und andererseits Elemente 38 zum Ablenken von kondensierter Flüssigkeit zu diesen Rinnen 36.
Jede der ersten Drainagerinnen 36A ist von der Verbindung eines Wellenbeins 30 mit einer Wellenspitze 28 gebildet, während jede der ersten Rinnen 36B von der Verbindung eines Wellenbeins 30 mit einer Wellenbasis 28 gebildet ist.
Zu diesem Zweck umfasst jedes Wellenbein 30 eine Zone 39 aus durchgehendem Material, die sich in dem Wellenbein von der Basis 26 der Welle oder der Spitze 28 der Welle zum Beginn des Ablenkelements 38 erstreckt. Diese Zone 39, Streifen genannt, hat eine Breite d_c, die mindestens 0,2 mm beträgt und vorzugsweise zwischen 0,5 mm und 1 mm liegt (siehe 5).
Die Basis 26 und die Spitze 28 der Welle sind jeweils von einem Band aus durchgehendem Material gebildet, das keine Ablenkelemente 38 für Flüssigkeit aufweist. Folglich bildet dieses Band einen Streifen analog zu dem Streifen 39.
Die ersten Drainagerinnen 36A, 36B erstrecken sich in die allgemeine Zirkulationsrichtung V des Stickstoffes.
Zweite Drainagerinnen 42A, 42B sind an den Verbindungsstellen der Wellenbeine 30 mit der Platte 11 gebildet. Diese zweiten Rinnen 42A, 42B sind im Wesentlichen identisch mit den ersten Drainagerinnen 36A, 36B. Allerdings ist ihre Breite um die Dicke der Wellenbasis 26 oder der Wellenspitze 28 und der Lötmaterialschicht 32 vergrößert.
Die Ablenkelemente 38 für Flüssigkeit sind von einer Aufeinanderfolge von identischen Schlitzen 44A, 44B in viereckiger Form, im vorliegenden Fall in Form eines Parallelogramms, gebildet, die in den Wellenbeinen 30 vorgesehen sind. Die Schlitze 44A sind zu den Drainagerinnen 36A, 42A in die allgemeine Fließrichtung der Flüssigkeit L geneigt, während die Schlitze 44B zu den Drainagerinnen 36B, 42B geneigt sind.
Jeder Schlitze 44A, 44B umfasst somit zwei lange Angriffs- 46 und Leckageränder 48 sowie zwei kurze Angriffs- 50 und Leckageränder 52. Die Angriffsränder treffen auf die Leckageränder an Angriffs- A und Leckageverbindungspunkten F. Fall die Rippe 20 aus einem Lochblech hergestellt ist, sind die Ränder der Schlitze an den Stellen der Punkte A und F leicht abgerundet.
Die Breite e des Schlitzes, gemessen in eine Richtung senkrecht auf die Fließrichtung L, ist geringer als 2 mm und liegt vorzugsweise zwischen 0,1 mm und 1 mm.
Die langen 46 und kurzen Angriffsränder 50 sind in Bezug auf die allgemeine Fließrichtung der Flüssigkeit L zu den Drainagerinnen 36A, 36B, 42A, 42B mit Winkeln α und β geneigt, während die langen 48 und kurzen Leckageränder 52 in Bezug auf diese Richtung L mit Winkeln γ und δ geneigt sind. Im Falle eines Parallelogramms α = γ und β = δ (siehe 5). Die Winkel α, β, γ, δ betragen zwischen 5° und 70° und vorzugsweise zwischen 10° und 45°, gemessen in Bezug zur allgemeinen Fließrichtung der Flüssigkeit L.
Die Neigung α und β der Angriffsränder 46, 50 wird in Abhängigkeit von der Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit und der Viskosität der kondensierten Flüssigkeit gewählt, so dass die Flüssigkeitstropfen an den Angriffsrändern 46, 50 haften, bevor sie am Punkt F von den Drainagerinnen 36A, 36B, 42A, 42B abgeleitet werden.
Ganz allgemein sind die Leckageränder 48, 52 derart angeordnet, dass der Leckageverbindungspunkt F zwischen dem langen Angriffsrand 46 und dem kurzen Leckagepunkt 52 einerseits der am weitesten stromabwärts befindliche Punkt des Leckagerandes 48, 52 und andererseits der Punkt des Randes des Schlitzes 44A, 44B ist, der den zugehörigen Drainagerinnen 36A, 36B, 42A, 42B am nächsten ist. Dank dieser Ausführung wird die Flüssigkeit, die entlang des Angriffsrandes 46, 50 abfließt, daran gehindert, zur Mitte des Wellenbeins 30 vom Leckageverbindungspunkt F aus abgelenkt zu werden.
Der Angriffsverbindungspunkt A ist möglichst nahe der Wellenbasis 26 oder der Wellenspitze 28 angeordnet und fällt vorzugsweise mit dieser letztgenannten zusammen.
Mit anderen Worten ist der Angriffsrand 46, 50 an jedem Punkt in die Richtung L zur zugehörigen Drainagerinne 36A, 36B, 42A, 42B geneigt. Vorzugsweise hat der Angriffsrand 46, 50 eine nach oben konkave oder geradlinige Form, und der Leckagerand 48, 52 ist an jedem Punkt nach unten konvex oder geradlinig.
Die Höhe h_f jedes Schlitzes 44A, 44B, gemessen in die Fließrichtung der Flüssigkeit L, wird derart gewählt, dass die Struktur der Rippe 20 möglichst wenig geschwächt wird. Die Höhe h_f liegt beispielsweise zwischen 0,5 mm und 20 mm und vorzugsweise zwischen 5 mm und 15 mm.
Der Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Schlitzen 44A, 44B ist mit d_f bezeichnet. Dieser Abstand d_f ist der Abstand zwischen dem Leckagepunkt F eines Schlitzes 44A, 44B und dem Angriffspunkt A des folgenden Schlitzes 44A, 44B. Dieser Abstand d_f wird kleiner als 5 cm gewählt und ist vorzugsweise kleiner als 20 mm.
Die Steigung zwischen zwei aufeinander folgenden Schlitzen 44A, 44B ist mit p_f = h_f + d_f bezeichnet. Diese Steigung p_f wird derart gewählt, dass die Oberfläche des Wellenbeins 30 genau auf seiner Höhe h₀ zwischen zwei aufeinander folgenden Schlitzen 44A, 44B neu befeuchtet wird. Die Perforationsrate, d.h. das Verhältnis der Oberfläche der Perforationen zur Gesamtfläche der Rippe, ist geringer als 15 %.
Während des Betriebs des Wärmetauschers entsteht ein flüssiger Stickstofffilm 56, der auf der Oberfläche der Rippe 20 abgeleitet wird. Die Flüssigkeit trifft nun auf den Angriffsrand 46, 50 eines Schlitzes 44A, 44B und wird zu einer Rinne 36A, 36B 42A, 42B abgelenkt, so dass eine getrocknete Zone 54 stromabwärts zum Schlitz 44A, 44B erzeugt wird. Stromabwärts zu diesem Schlitz 44A, 44B bildet sich wieder nach und nach ein Flüssigkeitsfilm 56 durch Kondensation von gasförmigem Stickstoff, wobei diese Flüssigkeit durch den folgenden Schlitz 44A, 44B abgeleitet wird.
Die Schlitze 44A, 44B verringern die Dicke des flüssigen Films auf dem Wellenbein 30 und folglich den Wärmeübertragungswiderstand. Sie führen folglich zu einer Erhöhung der Wärmeaustauschwirksamkeit der Rippe.
Wie aus 4 hervorgeht, kommt es während des Betriebs zum Abfließen von Flüssigkeit in den Drainagerinnen 36A, 36B, 42A, 42B. Die freie Fläche für das Abfließen der Flüssigkeit in einer Drainagerinne hat die Form eines teilweisen Zylinders mit dem Radius r. Die in den. Drainagerinnen 36A, 36B, 42A, 42B abfließende Flüssigkeit wird daran gehindert, aus diesen letztgenannten durch die auf die Flüssigkeit einwirkenden Kapillaritätskräfte auszutreten. Die Drainageleistung der Rinnen ist groß dank der Tatsache, dass der Radius r der freien Fläche der Flüssigkeit hinsichtlich der Leistung 1/4 zur Durchflussmenge von Flüssigkeit in der betreffenden Rinne variiert.
In 6 ist ein unterer Teil eines Zuschnitts F, der die Herstellung der Rippe 20 verwendet wird, dargestellt.
Der Zuschnitt F umfasst Reihen R_p von Schlitzen 44A und 44B in Zonen, die den Wellenbeinen 30 entsprechen. Diese Reihen R_p erstrecken sich senkrecht auf den unteren Rand B des Zuschnitts F.
Die Schlitze bilden auch Reihen R, die sich parallel zum unteren Rand B und senkrecht auf die Seitenränder 31 der Wellenbeine 30 erstrecken.
Das von den Schlitzen 44A, 44B gebildete Motiv ist auf allen Wellenbeinen 30 identisch und kommt mit einer Regelmäßigkeit p_h wieder, die mit der Falzregelmäßigkeit p_p identisch ist.
So kann nur ein Lochstempel für die Herstellung der Schlitze 44A und 44B verwendet werden, wobei dieser Lochstempel synchron mit dem Falzwerkzeug des Zuschnitts angetrieben wird.
In 7 ist ein Teil eines Zuschnitts einer ersten Variante einer erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrippe dargestellt.
Es sind nur die Unterschiede zu der vorgenannten Rippe beschrieben.
Der Zuschnitt F umfasst auf jeder Zone, die einem Wellenbein 30 entspricht, erste Gruppen G1 von fünf ersten aufeinander folgenden Schlitzen 44A und zweite Gruppen G2 von fünf zweiten aufeinander folgenden Schlitzen 44B. Die ersten Schlitze 44A sind zu einer Seite des Wellenbeins 30 geneigt, während die zweiten Schlitze 44B zur anderen Seite desselben geneigt sind.
Die beiden Gruppen G1 und G2 sind voneinander um einen Abstand d_g zwischen 0,5 mm und 5 cm entfernt.
Jedes Wellenbein 30 umfasst zwei Streifen 39 aus durchgehendem Material, die den beiden Seitenrändern 31 des Wellenbeins 30 zugeordnet sind und an die Basiszonen 26 und die Spitzenzonen 28 angrenzen.
Jeder Schlitz 44A, 44B erstreckt sich zwischen diesen beiden Streifen 39.
Während des Betriebs lenken die Schlitze 44A die Flüssigkeit zu einem Rand des Wellenbeins 30, während die Schlitze 44B die Flüssigkeit zum anderen Rand des Beins ablenken (siehe 8).
In 9 ist eine zweite Variante der erfindungsgemäßen Rippe 20 dargestellt. Diese Figur entspricht der Ansicht aus 5. Die analogen Elemente tragen identische Bezugszeichen.
Die Ablenkelemente 38 für Flüssigkeit sind von einer Aufeinanderfolge von ersten Schlitzen 44A und von zweiten Schlitzen 44B gebildet. Die ersten und zweiten Schlitze erstrecken sich auf jedem Wellenbein 30 beiderseits einer Mittellinie M-M desselben.
Diese Linie M-M erstreckt sich parallel zur Fließrichtung der Flüssigkeit L auf halbem Abstand zwischen der Wellenspitze 28 und der Wellenbasis 26 der Rippe 20.
Die ersten Schlitze 44A sind von der Mittellinie M-M zu den Wellenspitzen 28 geneigt, während die zweiten Schlitze 44B zu den Wellenbasen 26 geneigt sind. Die ersten Schlitze 44A und die zweiten Schlitze 44B haben ein zur Mittellinie M-M symmetrische Form.
Der Leckageverbindungspunkt F jedes Schlitzes 44A, 44B ist in einem Abstand d_c zur Spitze 28 bzw. zur Basis 26 angeordnet. Diese Rippe 20 umfasst erste Drainagerinnen 36A, 36B auf beiden Seiten jedes Wellenbeins 30.
Der Angriffsverbindungspunkt A jedes Schlitzes 44A, 44B ist auf der Linie M-M angeordnet. So ist im Wesentlichen die gesamte Breite des Beins 30 mit Drainageschlitzen 44A, 44B versehen.
Während des Betriebs und wie in 8 dargestellt, wird die Flüssigkeit zur Spitze 28 und zur Basis 26, die jedem Bein 30 zugeordnet sind, zu den Rinnen 36A, 36B und 42A, 42B abgelenkt.
Jeder der ersten 44A und zweiten 44B Schlitze ist in Bezug auf den ersten oder folgenden zweiten Schlitz um einen Abstand p_f versetzt.
Mit anderen Worten wird das von der Gesamtheit der beiden Schlitze 44A, 44B gebildete Motiv nach einem Abstand p_m wiederholt.
Der Abstand d_f zwischen dem Punkt F eines Schlitzes 44A, 44B und dem Punkt A eines folgenden Schlitzes 44B, 44A beträgt zwischen 0 mm und 2,5 cm.
Die ersten Schlitze 44A sind in Bezug auf die zweiten Schlitze 44B um einen Abstand p_f = p_m/2 in Fließrichtung L versetzt.
Dieser Versatz führt zu einer großen Steifigkeit der Rippe 20 entlang des Wellenbeins 30.
In 10 ist eine dritte Variante einer erfindungsgemäßen Rippe dargestellt.
Die Schlitze 44 dieser Rippe 20 haben im Wesentlichen Zick-Zack-Form. Die Spitze A der Zick-Zack-Form befindet sich auf der Mittellinie M-M und ist zum stromaufwärtigen Teil in Bezug auf die allgemeine Fließrichtung der Flüssigkeit L gerichtet.
Die beiden Arme 44A, 44B der Zick-Zack-Form haben eine im Wesentlichen mit den ersten 44A und zweiten 44B Schlitzen der ersten Variante der Rippe 20 identische Form. Als Unterschied ist der Angriffsrand 46A, 46B jedes Arms geradlinig vom Angriffspunkt A zum Leckagepunkt F. Während des Betriebs findet das Abfließen der Flüssigkeit auf beiden Seiten jedes Wellenbeins 30 analog zu jenem der zweiten Variante (8) statt.
Jeder Schlitz in Zick-Zack-Form (10) wird entweder mit einem entsprechenden Lochstempel in Zick-Zack-Form oder mit zwei getrennten Lochstempeln ausgeschnitten, die jeweils einem Arm 44A, 44B eines Schlitzes 44 entsprechen. In diesem letztgenannten Fall erfolgt das Ausschneiden des Schlitzes 44 in zwei aufeinander folgenden Schritten.
In 11 ist eine zweite Ausführungsart einer erfindungsgemäßen Rippe dargestellt. Diese Ansicht entspricht der Ansicht aus 4, zeigt aber nur eine Welle.
Als Unterschied sind die Ablenkelemente 38 der Flüssigkeit von in der Oberfläche der Wellenbeine 30 vorgesehenen Ziehteilen 60 gebildet. Die Ziehteile 60 bilden auf einer Seite des Wellenbeins eine Rille 62 und auf der anderen Seite des Wellenbeins eine Rippe 64.
Die Form und die geometrische Ausführung der Ziehteile 60 in Seitenansicht sind identisch mit jenen der Schlitze 44A, 44B der oben beschriebenen Rippenausführungen.
Die Ziehtiefe f_e des Ziehteils 60 ist geringer als die Hälfte der Wellenbreite l₀ und beträgt beispielsweise zwischen 0,1 mm und 0,25 mm.
Die erfindungsgemäße Wärmeaustauschrippe kann leicht aus einem flachen Produkt, beispielsweise einem Aluminiumblech, hergestellt werden.
Die Schlitze 44, 44A, 44B sind nun durch Perforation hergestellt.
Alternativ sind die Ziehteile 60 durch Ziehen vor dem Falzen des flachen Produktes hergestellt. Vorzugsweise erfolgt das Ziehen auf nur einer Seite, so dass sich die Rillen 62 nur auf einer Seite des Zuschnitts befinden. In diesem Fall umfasst jeder Kanal 34 auf seinen beiden Seitenflächen, die von den Wellenbeinen 30 gebildet sind, entweder Ablenkrillen 62 oder Ablenkrippen 64.
Als Variante sind die Ablenkelemente 38 auf einer Rippe vom Typ „serrated" hergestellt, d.h. die Wellungen mit teilweisem Versatz umfasst. In diesem Fall muss die Länge der Wellungen in der allgemeinen Fließrichtung der Flüssigkeit ausreichend groß sein, um die Oberfläche des Beins zu befeuchten. Die Länge der Wellung, die auch Auszahnungslänge genannt wird, muss in Fließrichtung der Flüssigkeit L mindestens 3 mm und vorzugsweise mindestens 1 cm betragen.
Die Rippe kann auch in einem Wärmetauscher verwendet werden, in dem ein gasförmiges Gemisch in den Kühl durchgängen zirkuliert, und in dem eine Fraktion des Gemisches kondensiert wird.
Als weitere Variante kann die Rippe von zwei oder mehreren Rippenteilen gebildet sein, die nacheinander in der allgemeinen Fließrichtung der Flüssigkeit angeordnet sind. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn die Drainagemittel 36A, 36B 38 eine unterschiedliche Drainageleistung von einem Rippenteil zum anderen aufweisen, und wenn die Drainageleistung eines Rippenteils zum nächsten Rippenteil in Fließrichtung des Drainagefluids größer wird. Ein Beispiel für eine solche Rippe ist eine Distanzrippe, die einen ersten Rippenteil, der Rinnen 36A, 36B und Drainageelementen 38 versehen ist, und einen zweiten Rippenteil aufweist, der sich stromabwärts in Fließrichtung der Flüssigkeit L befindet und glatte Wellenbeine 30 umfasst.

Claims

Wärmeaustauschrippe, die dazu bestimmt ist, sandwichartig zwischen zwei Platten angeordnet zu werden, die einen Kondensationsdurchgang (15) eines Wärmetauschers (7) mit gelöteten Platten begrenzen, umfassend ein welliges Produkt, insbesondere mit einer Wellung mit rechteckigem Querschnitt, das Wellenbeine (30) hat, die im montierten Zustand Kanäle (34) zum zumindest teilweisen Ableiten eines zu kondensierenden Gases begrenzen, wobei die Wärmeaustauschrippe (20) mindestens eine Drainagerinne (36A, 36B) für kondensierte Flüssigkeit auf den Wellenbeinen (30) umfasst, die sich entlang eines Seitenrandes (31) des Wellenbeins (30) erstreckt, gekennzeichnet durch Ablenkelemente (38), die auf dem Wellenbein (30) angeordnet und derart ausgeführt sind, dass sie kondensierte Flüssigkeit (56) zu dieser Drainagerinne (36A, 36B) ablenken, wobei mindestens ein Ablenkelement einen Angriffsrand (46, 50; 46A, 46B) und/oder einen Leckagerand (48, 52) aufweist, der zu einer zugehörigen Rinne (36A, 36B) geneigt ist.
Wärmeaustauschrippe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkelemente (38) jedes Wellenbeins (30) derart ausgeführt sind, dass sie die Flüssigkeit zu einem einzigen Seitenrand (31) des Wellenbeins (30) ableiten, und dass die Ablenkelemente (38) von zwei aufeinander folgenden Wellenbeinen (30) derart ausgeführt sind, dass sie die Flüssigkeit zu zwei gegenüberliegenden Seitenrändern (31) ableiten.
Wärmeaustauschrippe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkelemente (38) derart ausgeführt sind, dass sie zu den beiden Seitenrändern (31) die kondensierte Flüssigkeit (56) auf jedem der Wellenbeine (30) ableiten.
Wärmeaustauschrippe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Höhe der Wellenbeine (30) mit Ausnahme der Zonen (39), die mit einer Drainagerinne (36A, 36B) verbunden sind, Ablenkelemente (38) trägt.
Wärmeaustauschrippe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauschrippe Wellenbasen (26) und Wellenspitzen (28) umfasst, und dass die Ablenkelemente (38) erste (44A) und zweite (44B) Elemente umfassen, wobei die ersten zu einer Rinne (36A), die mit der Wellenbasis (26) verbunden ist, geneigt sind, und wobei die zweiten zu einer Rinne (36B), die mit der Wellenspitze (28) verbunden ist, geneigt sind.
Wärmeaustauschrippe nach den Ansprüchen 2 und 5 gemeinsam, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente von zwei aufeinander folgenden Wellenbeinen (30) nur von ersten Elementen (44A) auf einem der beiden Wellenbeine (30) und nur von zweiten Elementen (44B) auf dem anderen dieser beiden Wellenbeine (30) gebildet sind.
Wärmeaustauschrippe nach den Ansprüchen 3 und 5 gemeinsam, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Wellenbein (30) eine erste Gruppe (G1) von ersten aufeinander folgenden Elementen (44A) und eine zweite Gruppe (G2), gebildet von zweiten aufeinander folgenden Elementen (44B) umfasst, wobei sich die ersten und die zweiten Elemente jeweils auf im Wesentlichen der gesamten Höhe der Wellenbeine (30) erstrecken.
Wärmeaustauschrippe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten (44A) und die zweiten Elemente (44B) zur Mittellinie (M-M) des Wellenbeins (30) symmetrisch sind.
Wärmeaustauschrippe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Elemente (44A) in Bezug auf die zweiten Elemente (44B) entlang der allgemeinen Fließrichtung der Flüssigkeit (L) insbesondere um die Hälfte des Abstandes zwischen zwei ersten (44A) oder zwei zweiten (44B) aufeinander folgenden Elementen (p_m) versetzt sind.
Wärmeaustauschrippe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich die ersten (44A) und zweiten Elemente (44B) gegenüberliegend beiderseits der Mittellinie (M-M) insbesondere unter Bildung einer Zick-Zack-Form (44) befinden.
Wärmeaustauschrippe nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass im ausgeklappten Zustand der Wärmeaustauschrippe die Ablenkelemente (38) der Wellenbeine (30) Reihen (R) bilden, die sich parallel zu einem Rand der Wärmeaustauschrippe und senkrecht zu den Rändern von Wellenbeinen (30) erstrecken, und dass die Ablenkelemente (38) einer Reihe (R) identisch sind.
Wärmeaustauschrippe nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkelemente (38) einen Angriffsrand (46, 50; 46A, 46B) und einen Leckagerand (48, 52) aufweisen, und dass mindestens der Angriffsrand (46, 50; 46A, 46B) und vorzugsweise der Angriffsrand und der Leckagerand (48, 52) an jedem Punkt geneigt und zu der zugehörigen Drainagerinne (36A, 36B) gerichtet sind.
Wärmeaustauschrippe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkelemente (38) einen Schlitz (44; 44A, 44B) umfassen, der in dem Wellenbein (30) vorgesehen ist.
Wärmeaustauschrippe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkelemente (38) einen vorspringenden Teil (64) auf der Oberfläche des Wellenbeins (30) oder einen in Bezug auf die Oberfläche des Wellenbeins (30) zurückgesetzten Teil (62), insbesondere einen Ziehteil (60), umfassen.
Wärmeaustauschrippe nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Gasableitungskanal (34) auf den beiden Seitenflächen, die von Wellenbeinen (30) gebildet sind, nur vorspringende Teile (64) oder auf den beiden Seitenflächen nur zurückgesetzte Teile (62) in Bezug auf die Oberflächen dieser Wellenbeine (30) umfasst.
Wärmeaustauschrippe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei aufeinander folgende Ablenkelemente (38) auf einem Wellenbein (30) voneinander in der allgemeinen Fließrichtung der Flüssigkeit (L) um einen Abstand (d_f) unter 5 cm, vorzugsweise unter 20 mm, entfernt sind.
Wärmeaustauschrippe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drainagerinne (36A, 36B) ein kontinuierliches Materialband (39) des an die Ablenkelemente (38) angrenzenden Wellenbeins (30) und ein kontinuierliches Materialband der an das Wellenbein (30) angrenzenden Wellenspitze (28) oder Wellenbasis (26) umfasst.
Wärmeaustauschrippe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die allgemeine Fließrichtung der Flüssigkeit (L) im Wesent lichen identisch mit der allgemeinen Fließrichtung des Fluids (V) in den Gasableitungskanälen (34) ist.
Wärmeaustauschrippe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauschrippe Wellungen mit teilweisem Versatz umfasst, und dass die Abstände zwischen zwei aufeinander folgenden Versatzpositionen eine Länge von mindestens 3 mm und vorzugsweise von mindestens 1 cm aufweisen.
Wärmeaustauschrippe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens zwei Rippenteile umfasst, von denen jeder eine unterschiedliche Drainageleistung aufweist, und dass die Drainageleistung eines Rippenteils zum folgenden Rippenteil in der allgemeinen Fließrichtung des Fluids zunimmt.
Wärmetauscher mit gelöteten Platten, umfassend Platten (11), die zwischen sich Durchgänge zur Erhitzung (16) und teilweisen oder völligen Kondensation (15) von allgemeiner flacher Form definieren, und umfassend in jedem Kondensationsdurchgang (15) eine Wärmeaustauschrippe (20) sowie seitliche Verschlussstangen (12), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Wärmeaustauschrippe (20) einem der vorhergehenden Ansprüche entspricht.
Wärmetauscher nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Verdampfer-Kondensator (7) einer Luftzerlegungsanlage darstellt.
Verfahren zur Kondensation eines Gases in einem Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 21 und 22.
Verfahren zur Herstellung einer Wärmeaustauschrippe nach einem der Ansprüche 2 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden aufeinander folgenden Schritte umfasst: – Anordnen der parallelen Reihen (R_p) von Ablenkelementen (38) in einem Zuschnitt eines flachen Produktes, insbesondere Blech; – plastisches Falzen des flachen Produktes, wobei Wellungen gebildet werden, so dass sich die Ablenkelemente (38) einer Reihe (R_p) auf den Wellenbeinen (30) befinden.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 24 für eine Wärmeaustauschrippe nach Anspruch 10 oder einem der von Anspruch 10 abhängigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass: – erste Abschnitte (44A, 44B) der Zick-Zack-Form in dem Zuschnitt angeordnet werden, dann – zweite Abschnitte (44B, 44A) der Zick-Zack-Form in dem Zuschnitt angeordnet werden.