EP0201665B1

EP0201665B1 - Wärmeübertrager mit mehreren parallelen Rohren und auf diesen angebrachten Rippen

Info

Publication number: EP0201665B1
Application number: EP86101327A
Authority: EP
Inventors: Roland Diethelm
Original assignee: Gebrueder Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1985-05-15
Filing date: 1986-02-01
Publication date: 1989-05-24
Also published as: DE3663589D1; HU195316B; EP0201665A1; JPS61265498A; HUT41531A; US4789027A; CH666538A5

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Aus der CH-PS 310032 ist ein solcher Wärmeübertrager bekannt, bei dem die Blechrippen zwischen je zwei benachbarten Rohrreihen vier zickzackförmig gebogene Faltungen oder Wellungen aufweisen, deren Faltkanten parallel zu den Rohrreihen und damit zur Strömungsrichtung des zweiten Mediums verlaufen. Von den vier Faltungen ist jeweils die der betreffenden Rohrreihe zunächstliegende durchgehend, wogegen die beiden dazwischen befindlichen Faltungen an ihren Enden geschlossen sind, so dass die Strömung des zweiten Mediums an diesen Stellen plötzlich abgelenkt und verwirbelt wird. Solche Verwirbelungen sind immer mit relativ hohen Druckverlusten verbunden, durch die der Energieaufwand für die Bewegung des zweiten Mediums erhöht wird. Außerdem sind die rechteckigen Querschnitt aufweisenden Rohre in Strömungsrichtung des zweiten Mediums mit gegenseitigem Abstand angeordnet, so daß diese Strömung an jedem Rohr gestört wird. Diese Störungen wirken sich dann ungünstig auf die Strömung des zweiten Mediums im benachbarten Faltenbereich der Rippen aus, was ebenfalls zu Druckverlusten führt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeübertrager der eingangs genannten Art mit wesentlich geringeren Druckverlusten hinsichtlich seiner Wärmeübertragungseigenschaften zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 gelöst. Durch die Kröpfungen zwischen dem Rippenbereich, der von den Rohren durchdrungen wird, und den Wellungen werden in diesem Durchdringungsbereich auftretende Strömungsvorgänge von jenen im Bereich der Wellungen getrennt. Im Durchdringungsbereich der Rippen auftretende Strömungsstörungen wirken sich also nicht mehr auf die Strömung im benachbarten Wellenbereich aus, wodurch das Auftreten von Druckverlusten im Wellenbereich vermieden wird. Dadurch daß sich die Wellungen quer zu den Rohrreihen erstrecken, ergibt sich im Wellenbereich ein praktisch verwirbelungsfreier Strömungsverlauf des zweiten Mediums, so daß hier im wesentlichen nur Druckverluste durch Reibung entstehen, die jedoch gering sind. Die sich wiederholenden Richtungsänderungen des zwischen den Wellungen strömenden zweiten Mediums führen zu kleinen Druckschwankungen, die ein ständiges Wiederabbauen der sich an den Rippenwellungen bildenden Grenzschicht zur Folge haben, ohne daß dabei Turbulenz auftreten würde. Gemessen an den sehr geringen Druckverlusten ist der Wärmeübergang im erfindungsgemäßen Wärmeübertrager erheblich verbessert.
Aus der FR-OS 2480924 ist ein Wärmeübertrager bekannt, bei dem im Strömungsbereich jeder Rohrreihe zwischen die Rippen gelegte Füllkörper angeordnet sind, die die Rohre einer Reihe miteinander verbinden, so daß das zweite Medium nicht in direkten Strömungskontakt mit den Rohren kommt. Die Rippenbereiche zwischen den benachbarten Rohrreihen weisen sickenartige Ausprägungen auf, durch die Verwirbelungen im zweiten Medium erzeugt werden sollen, um den Wärmeübergang zu verbessern. Solche Verwirbelungen und die damit verbundenen Druckverluste sollen beim erfindungsgemäßen Wärmeübertrager aber gerade vermieden werden.
Eine herstellungsmäßig besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist im Anspruch 2 angegeben.
Anspruch 4 charakterisiert eine herstellungsmässig günstige Art der Gestaltung Rippen im Bereich der Rohrdurchführungen.
Die Anordnung von strömungsgünstigen Körpern nach Anspruch 5 verbessert weiter die Strömungsverhältnisse und ist dann von erheblicher Bedeutung, wenn das zweite Medium vor und.; oder hinter dem Wärmeübertrager umgelenkt wird.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen repräsentativen Abschnitt eines Wärmeübertragers;
Fig. 2 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Teils des Wärmeübertragers nach Fig. 1;
Fig. 3 schematisch eine Ansicht eines Kühlturmes mit in seinem unteren Bereich angeordneten erfindungsgemäßen Wärmeübertragern;
Fig. 4 einen Schnitt gemäß Linie V-V in Fig. 3 durch eine Hälfte des Kühlturms und
Fig. 5 im Schnitt das Detail A aus Fig. 4.

Der Wärmeübertrager nach Fig. 1 und 2 weist viele gerade Rohre 2 auf, die in mehreren zueinander parallelen Reihen übereinander angeordnet sind und ein erstes Medium führen, z. B. Heißwasser. Die Rohre 2 sind über viele Rippen 3 miteinander verbunden, und der so gebildete Wärmeübertrager wird von einem zweiten Medium, z. B. Kühlluft (Pfeile L), in Richtung der Rohrreihen durchströmt. Die Rippen 3 bestehen aus Blech und sind zueinander parallel über die Länge der Rohre 2 verteilt angeordnet.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, hat jede Rippe 3 einen ungewellten Abschnitt 3' und zwei daran nach aussen anschließende gewellte Abschnitte 3". Der Abschnitt 3' liegt im Durchdringungsbereich der Rohre 2 und ist mit den gewellten Abschnitten 3" über je eine Kröpfung 6 verbunden. Im ungewellten Bereich 3' ist für jedes Rohr 2 ein ausgehalster Kragen 7 vorgesehen, der im zusammengebauten Zustand des Wärmeübertragers jeweils ein Rohr umschließt und über den die Rippe mit dem Rohr wärmeleitend verbunden ist, z. B. durch Schweißen.
Die welligen Abschnitte 3" jeder Rippe 3 sind so geformt, daß sich in Strömungsrichtung des zweiten Mediums Wellen mit konstanter Wellenlänge w aneinander anschließen. Die Wellenkämme 5 der Wellen bilden eine Gerade, die in Fig. 2 von der oberen Kante der Kröpfung 6 ausgeht. Die Wellenkämme erstrecken sich außerdem rechtwinklig zur Längsachse der Rohre. Die zwischen den Wellenkämmen 5 liegenden Wellentäler 5' gehen ebenfalls von der oberen Kante der Kröpfungen 6 aus und verlaufen nach einem bogenförmigen Übergang im wesentlichen parallel zu den Wellenkämmen 5. Im Vordergrund der Fig. 2 ist etwa eine Hälfte der gewellten Abschnitte 3" dargestellt. Die andere, nicht gezeigte Hälfte ist symmetrisch ausgebildet und endet an der oberen Kante der entsprechenden Kröpfung der benachbarten Rohrreihe. Alle Rippen 3 sind unter sich gleich und werden zwecks Montage des Wärmeübertragers auf die Rohre aufgesteckt und soweit zusammengeschoben, daß die Kröpfungen 6 einander berühren. Da die Höhe der Kröpfungen jeweils gleich ist, ergeben sich zwischen jeweils zwei einander benachbarten Rippen 3 in deren gewellten Abschnitten Zwischenräume 4 und zwischen den ungewellten ebenen Abschnitten 3' Zwischenräume 4'. Der Abstand zwischen den Wellungen zweier einander benachbarter Rippen- . abschnitte 3" ist also konstant.
Die Rippen 3 mit den Wellen, den Kröpfungen 6 und den Kragen 7 werden in einem einzigen Arbeitsgang aus ebenen Blechstreifen mittels eines entsprechenden Formwerkzeuges hergestellt.
Im Betrieb des Wärmeübertragers strömt die Kühlluft in den Zwischenräumen 4 sowie 4', und das zu kühlende Heisswasser strömt quer dazu in den Rohren 2. Die Wärme verteilt sich über die Wände der Rohre 2 in die Rippen 3, in denen sie sich, ohne zu stauen, geradlinig ausbreitet. In den Zwischenräumen 4 zwischen den gewellten Blechabschnitten 3" gibt es wegen des Fehlens von Durchbrechungen praktisch keine Verwirbelung der Kühlluft, so daß in dieser Luftdruckverluste im wesentlichen nur durch Reibung entstehen; diese Verluste sind also sehr gering. Die sich wiederholenden Richtungsänderungen der durchströmenden Luft an den Wellen der Abschnitte 3" führen zu kleinen Druckschwankungen, die ständig einen Wiederabbau der sich bildenden Grenzschicht zur Folge haben, was einen guten Wärmeübergang in den gewellten Zwischenräumen gewährleistet.
Die von den Rohren durchdrungenen Zwischenräume 4' zwischen den ebenen Rippenabschnitten 3' sind relativ klein und verursachen insgesamt einen nur geringen Druckverlust. Die Kröpfungen 6 trennen diese Räume 4' wirksam von den gewellten Zwischenräumen 4.
Gemäß Fig. 3, 4 und 5 weist ein hyperbolischer Kühlturm 15 in seinem unteren Bereich einen vertikalen, ringförmigen Lufteintritt auf, während der Luftaustritt in seinem oberen Bereich horizontal und kreisförmig ist. Zweiunddreißig Wärmeübertrager 1 nach Fig. 1 und 2 sind deltaförmig um den Lufteintritt des Kühlturms herum angeordnet. In den Rohren 2 dieser Wärmeübertrager strömt zu kühlendes Heisswasser, z. B. aus einem Kraftwerk, so daß die in den Kühlturm eintretende Kühlluft erwärmt wird. Gemäß Fig. 5 weist jeder Wärmeübertrager 1 im Bereich der Zwischenräume 4' einen Anströmkörper 8 und einen Abströmkörper 9 auf. Diese das Strömungsprofil der Kühlluft (Pfeile 16) verbessernden Körper 8 und 9 sind mit ihren Begrenzungsflächen fluchtend zu den Kröpfungen 6 angeordnet.
Abweichend von den beschriebenen Ausführungsbeispielen kann die Wellenlänge w nicht konstant sein. Auch die Art des Überganges vom ebenen zum gewellten Bereich kann anders gestaltet werden, indem die gewellten Abschnitte zum Beispiel an die Kröpfungen geschweißt oder angeklebt werden. Ferner müssen die Kröpfungen weder eben noch vertikal verlaufen. Die Rohre können auch horizontal oder geneigt verlaufen und müssen nicht gerade sein. Die Längsachse der Rohre kann auch geneigt zu den Blechrippen angeordnet sein. Ferner kann im Schnitt quer zur Längsachse der Rohre eine andere als eine rechteckige Matrix vorgesehen sein. Ausser kreisförmigen Querschnitt können die Rohre andere Querschnittsformen aufweisen, z. B. oval oder der Querschnitt ist veränderlich entlang der Rohrlängsachse. Wegen besonderer festigkeitsmäßiger und/oder wärmetechnischer Auflagen kann es innerhalb ein und desselben Wärmeübertragers möglich sein, Rohre und/oder Rippen mit verschiedener Wanddicke zu verwenden. Gegebenenfalls können die Kragen 7 dicht miteinander verbunden werden, z.B. durch Löten, so daß sie die Rohre selbst bilden.

Claims

1. Wärmeübertrager mit mehreren zueinander parallelen, ein erstes Medium führenden Rohren (2), die in mehreren zueinander parallelen Reihen angeordnet und mit über ihre Länge verteilten, quer zur Rohrachse sich erstreckenden, mit den Rohren wärmeleitend verbundenen Rippen (3) aus Blech versehen sind, wobei jede Rippe außerhalb eines ebenen Bereiches (3'), der das zugehörige Rohr umgibt und sich gegen das benachbarte Rohr derselben Rohrreihe erstreckt, einen mit den Durchbrechungen freien Wellungen versehenen Bereich (3") aufweist und wobei ein zweites Medium in den zwischen den Rippen verbleibenden Zwischenräumen (4, 4') in Richtung der durch die genannten Bereiche definierten Rohrreihen strömt, dadurch gekennzeichnet, daß der ebene Bereich (3') einerseits und der mit Wellungen versehene Bereich (3") andererseits jeder Rippe auf verschiedenen, zueinander parallelen Ebenen liegen und über Kröpfungen (6) miteinander verbunden sind, deren unter sich gleiche Höhe den gegenseitigen Abstand benachbarter Rippen bestimmen, und daß die Wellenkämme (5) und Wellentäler (5') der Wellungen von den Kröpfungen ausgehen, so daß sich zwischen den Wellungen benachbarter Rippen derselben Rohrreihe wellenförmige, vom zweiten Medium in Richtung des Wellenverlaufs durchströmte Zwischenräume konstanter Höhe ergeben.

2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenkämme (5) der Wellungen jeder Rippe in einer gemeinsamen Ebene liegen.

3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge der Wellungen aller Rippen konstant ist.

4. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den ebenen Bereichen (3') der Rippen (3) Kragen (7) ausgehalst sind, die je ein Rohr (2) umschließen.

5. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß je Rohrreihe auf der Anströmseite und/oder der Abströmseite des zweiten Mediums in den ebenen Bereichen der Rippen ein strömungsgünstig profilierter Körper (8, 9) angeordnet ist, dessen Begrenzungsflächen mit den Kröpfungen (6) fluchten.