EP0901601B1 - Wärmetauscher - Google Patents

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EP0901601B1
EP0901601B1 EP97925886A EP97925886A EP0901601B1 EP 0901601 B1 EP0901601 B1 EP 0901601B1 EP 97925886 A EP97925886 A EP 97925886A EP 97925886 A EP97925886 A EP 97925886A EP 0901601 B1 EP0901601 B1 EP 0901601B1
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heat exchanger
capillary tubes
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foam
fluid
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Donald Dipl.-Ing. Herbst
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/003—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by using permeable mass, perforated or porous materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D5/00—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, using the cooling effect of natural or forced evaporation
    • F28D5/02—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, using the cooling effect of natural or forced evaporation in which the evaporating medium flows in a continuous film or trickles freely over the conduits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F21/00—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
    • F28F21/06—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of plastics material
    • F28F21/062—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of plastics material the heat-exchange apparatus employing tubular conduits
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S261/00—Gas and liquid contact apparatus
    • Y10S261/11—Cooling towers

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger according to the Preamble of claim 1.
  • Such heat exchangers are used, for example, in Cooling towers used.
  • By evaporative cooling of the water is the heat from the brine to the outside air dissipated.
  • the pipe register made of 15 mm thick stainless steel pipes.
  • large heat exchange surfaces are required is the construction of a cooling tower with high costs connected.
  • Steel pipes used are financial Expenditure for the heat exchanger is still very large and also the space requirement considerably. It will therefore generally only closed cooling towers with relative low efficiencies or despite the risk of Pollution open cooling towers where the brine is sprayed directly into an air stream.
  • a heat exchanger with a pipe register which is a fluid to be cooled or heated is performed, the pipe register in direct current sprinkled with the fluid with water and in countercurrent air flows through to the fluid, which air, for example can be used in a closed cooling tower is to create that despite low cost has a high efficiency and a compact Design.
  • the pipe register made of parallel
  • capillary tubes which are folded in such a way that they to form superimposed layers of the pipe register by one or more perpendicular to it Longitudinal lines are bent back, and that the spaces between the capillary tubes at least are partially filled with foam, is compared to conventional heat exchangers Heat exchange surface on the one hand through the capillary tubes, which have a much smaller diameter than have the previously used pipes, and secondly multiplied by the use of the foam.
  • the advantageous plastic capillary tubes and the foam is inexpensive to manufacture.
  • the foam advantageously consists of between neighboring ones Layers of mats arranged in the capillary tubes or is the space between the capillary tubes completely foamed.
  • a conventional smooth tube heat exchanger made of tubes with an outer diameter of, for example, 15 mm and a depth of 100 cm has a heat exchange area of 60 m 2 per m 2 of air entry area.
  • this area already increases to five times, namely 300 m 2 / m 2 of the air inlet area.
  • the foam takes up about 50% of the heat exchanger volume, so that the length of the capillary tubes is reduced by about 50% becomes. Nevertheless, the heat exchange area of the heat exchanger increases to approximately 800 m 2 / m 2 of air entry area, since the foam itself has an inner surface of approximately 1200 m 2 / m 3 .
  • the capillary tubes On the surface of the capillary tubes there is a and heat exchange between that through the capillary tubes flowing fluid, preferably brine, the over the capillary tubes pouring water and this counter-flowing air instead while in the foam only a mass and heat transfer between the water and the air takes place.
  • fluid preferably brine
  • capillary tubes 1 has several layers of capillary tubes 1 running parallel to one another Plastic on that have a diameter up to about Can have 5 mm.
  • the individual capillary tubes 1 are as seen in Fig. 3 folded meandering, so that they each extend over several layers.
  • brine to be cooled is fed, which the respective Capillary tube 1 at its lower end in the cooled Condition again.
  • the tube register consisting of the capillary tubes 1 is evenly sprinkled with water from above and flows through air supplied from below. Since the Conduction of the brine from top to bottom is located they co-current with the water and with the air in counterflow. The one for evaporation of the water required heat is removed from the brine, so that this is cooled.
  • Fig. 1 is between two adjacent layers Capillary tubes 1 arranged a mat made of foam 2. Such a mat is preferably located between all adjacent capillary tube layers. By the large inner surface of the foam 2 the available to evaporate the water Surface multiplied, so that the cooling effect is significantly improved.
  • Fig. 2 shows a heat exchanger in which the tube register consisting of the capillary tubes 1 was foamed in the block, so that the entire space between the capillary tubes 1 is filled with foam 2.
  • the heat exchange surface can thus be increased to approximately 1200 m 2 / m 2 air inlet surface under the conditions mentioned in the previous example.
  • Fig. 3 shows schematically the use of the heat exchanger in a closed cooling tower. In this is the air in a known manner before the introduction in the heat exchanger in an upstream packing 3 adiabatic pre-cooled by evaporation and cleaned at the same time.
  • the foam mats can cross to the longitudinal direction the capillary tubes 1 should be wave-shaped.
  • the pipes are fixed in their position and have a fixed distance from each other. Farther can lead several capillary tubes in parallel to avoid a pressure drop on the water side.
  • the heat exchanger according to the invention is not only for Cooling the fluid flowing through the capillary tubes usable, but can also be used for the reverse Heat and mass transport can be used. If the Temperature of the fluid below the temperature of the supplied Air is cooled and dehumidified become.
  • the concentration of a saline solution increase by this through the heat exchanger sprinkled and the necessary heat of evaporation over the fluid is supplied.
  • this process can also vice versa to the air flowing through to cool.
  • the salt water then becomes over the fluid cooled below the dew point temperature of the air so that Water vapor from the air passes into the saline solution.
  • the heat of condensation released in the process is transferred to the fluid drained.
  • the Pipes can be made in a two-stage extruder in which in the first stage the Capillary tube itself and in the second stage that Foam layer forming material are extruded.
  • the foam layer is useful as the base material the material of the capillary tubes, for example Polypropylene, being used in addition is mixed with a foaming agent.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige Wärmetauscher werden beispielsweise in Kühltürmen eingesetzt. Eine zu kühlende Sole wird durch ein Rohrregister transportiert, das von außen mit Wasser berieselt und im Gegenstrom hierzu von Luft durchströmt wird. Durch die Verdunstungskühlung des Wassers wird die Wärme aus der Sole an die Außenluft abgeführt. In einer typischen Ausbildung besteht das Rohrregister aus 15 mm starken Edelstahlrohren. Da jedoch, um wirtschaftliche Wirkungsgrade zu erreichen, große Wärmeaustauschflächen erforderlich sind, ist die Errichtung eines Kühlturms mit hohen Kosten verbunden. Auch wenn statt der Edelstahlrohre verzinkte Stahlrohre verwendet werden, sind der finanzielle Aufwand für den Wärmetauscher noch sehr groß und auch der Platzbedarf erheblich. Es werden daher im allgemeinen nur geschlossene Kühltürme mit relativ niedrigen Wirkungsgraden oder trotz des Risikos der Verschmutzung offene Kühltürme, bei denen die Sole direkt in einen Luftstrom gesprüht wird, eingesetzt.
Aus der DE 32 16 877 C1 ist bereits ein in eine Rohrleitung mit rechteckigem Querschnitt einbaubares Wärmeaustauschelement bekannt, das aus wenigstens einem aus sich gitterartig kreuzenden flexiblen Kunststoffrohren von etwa 2 mm Durchmesser, sogenannten Kapillarrohren gebildeten Mattenkörper besteht. Dieser stellt eine die Rohrleitung quer zu ihrer Längsrichtung durchgreifende Wand dar und kann durch Faltung um senkrecht zu seiner Achse liegende Linien zu einem mehrere hintereinandergeschaltete Lagen aus gitterförmig sich kreuzenden Rohren aufweisenden Wärmeaustauschelement ausgebildet sein. Dieses wird jedoch nicht mit Wasser berieselt.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmetauscher mit einem Rohrregister, durch welches ein zu kühlendes oder zu erwärmendes Fluid geführt wird, wobei das Rohrregister im Gleichstrom mit dem Fluid mit Wasser berieselt und im Gegenstrom zum Fluid von Luft durchströmt wird, welcher beispielsweise in einen geschlossenen Kühlturm einsetzbar ist, zu schaffen, der trotz geringem Kostenaufwand einen hohen Wirkungsgrad aufweist und eine kompakte Bauform besitzt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Wärmetauschers ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Dadurch, daß das Rohrregister aus parallel geführten Kapillarrohren besteht, die derart gefaltet sind, daß sie zur Bildung übereinanderliegender Lagen des Rohrregisters um eine oder mehrere senkrecht zu ihrer Längsrichtung verlaufende Linien zurückgebogen sind, und daß die Räume zwischen den Kapillarrohren zumindest teilweise durch Schaumstoff ausgefüllt sind, wird gegenüber den herkömmlichen Wärmetauschern die Wärmeaustauschfläche zum einen durch die Kapillarrohre, die einen wesentlich kleineren Durchmesser als die bisher verwendeten Rohre haben, und zum anderen durch den Einsatz des Schaumstoffes vervielfacht. Die vorteilhaft aus Kunststoff bestehenden Kapillarrohre und der Schaumstoff sind preiswert herzustellen.
Der Schaumstoff besteht zweckmäßig aus zwischen benachbarten Lagen der Kapillarrohre angeordneten Matten oder der Raum zwischen den Kapillarrohren ist vollständig ausgeschäumt.
Ein herkömmlicher Glattrohr-Wärmetauscher aus Rohren mit einem äußeren Durchmesser von z.B. 15 mm hat bei einer Bautiefe von 100 cm eine Wärmeaustauschfläche von 60 m2 pro m2 Lufteintrittsfläche.
Werden diese Rohre erfindungsgemäß durch Kapillarrohre mit einem Außendurchmesser von beispielsweise 3 mm ersetzt, steigt diese Fläche bereits auf das Fünffache, nämlich 300 m2/m2 Lufteintrittsfläche.
Wenn zwischen zwei benachbarten Lagen von Kapillarrohren jeweils eine 8 mm starke Formplatte aus Schaumstoff mit einer Porosität von 20 ppi (Poren pro inch) gelegt wird, nimmt der Schaumstoff etwa 50 % des Wärmetauschervolumens ein, so daß die Länge der Kapillarrohre um etwa 50 % gekürzt wird. Dennoch steigt die Wärmeaustauschfläche des Wärmetauschers auf etwa 800 m2/m2 Lufteintrittsfläche an, da der Schaumstoff selbst eine innere Oberfläche von etwa 1200 m2/m3 hat.
An der Oberfläche der Kapillarrohre findet ein Stoff- und Wärmeaustausch zwischen dem durch die Kapillarrohre strömenden Fluid, vorzugsweise Sole, dem über die Kapillarrohre rieselnden Wasser und der diesem entgegenströmenden Luft statt, während im Schaumstoff nur ein Stoff- und Wärmeübergang zwischen dem Wasser und der Luft erfolgt.
Dennoch sind diese beiden Arten des Wärmeaustausches etwa gleichwertig, da die Wärmeübergangszahl Sole/Wasser mit über 1 000 W/m2K ein Vielfaches des Wärme- und Stoffüberganges auf der Wasser/Luft-Seite beträgt, der bei etwa 150 W/m2K liegt. Die kleinere Wärmeaustauschfläche der Kapillarrohre reicht somit aus, um das Wasser in dem Maße zu erwärmen, wie es in der jeweils nachfolgenden Verdunstungsstrecke im Schaumstoff wieder abgekühlt wird.
Durch den erfindungsgemäßen Wärmetauscher wird auf diese Weise ein vielstufiger Stoff- und Wärmeübergang erreicht. Dieser besteht aufeinanderfolgend in einer Erwärmung des Wassers an der ersten Rohrlage, Abkühlung des Wassers durch Verdunstung in der ersten Schaumstofflage, Erwärmung des Wassers an der zweiten Rohrlage, Abkühlung des Wassers durch Verdunstung in der zweiten Schaumstofflage, und so weiter.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1
eine schematische Darstellung eines Wärmetauschers im Schnitt senkrecht zu den Kapillarrohren gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 2
eine schematische Darstellung eines Wärmetauschers im Schnitt senkrecht zu den Kapillarrohren gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
Fig. 3
eine schematische Darstellung des in einem Kühlturm eingesetzten Wärmetauschers nach Fig. 2 im Schnitt in der Ebene eines Kapillarrohres.
Der Wärmetauscher nach Fig. 1 weist mehrere Lagen von zueinander parallel verlaufenden Kapillarrohren 1 aus Kunststoff auf, die einen Durchmesser bis zu etwa 5 mm haben können. Die einzelnen Kapillarrohre 1 sind wie aus Fig. 3 ersichtlich mäanderförmig gefaltet, so daß sie sich jeweils über mehrere Lagen erstrecken. Am in den Figuren oberen Ende der Kapillarrohre 1 wird zu kühlende Sole zugeführt, die das jeweilige Kapillarrohr 1 an dessen unterem Ende im gekühlten Zustand wieder verläßt.
Das aus den Kapillarrohren 1 bestehende Rohrregister wird gleichmäßig von oben mit Wasser berieselt und durch von unten zugeführte Luft durchströmt. Da die Leitung der Sole von oben nach unten erfolgt, befindet sie sich mit dem Wasser im Gleichstrom und mit der Luft im Gegenstrom. Die zur Verdunstung des Wassers benötigte Wärme wird der Sole entzogen, so daß diese gekühlt wird.
In Fig. 1 ist zwischen zwei benachbarten Lagen der Kapillarrohre 1 eine Matte aus Schaumstoff 2 angeordnet. Eine derartige Matte befindet sich vorzugsweise zwischen allen benachbarten Kapillarrohrlagen. Durch die große innere Oberfläche des Schaumstoffs 2 wird die zur Verdunstung des Wassers zur Verfügung stehende Oberfläche vervielfacht, so daß die Kühlwirkung erheblich verbessert wird.
Fig. 2 zeigt einen Wärmetauscher, bei dem das aus den Kapillarrohren 1 bestehende Rohrregister im Block eingeschäumt wurde, so daß der gesamte Raum zwischen den Kapillarrohren 1 mit Schaumstoff 2 ausgefüllt ist. Bei diesem Wärmetauscher kann somit unter den im vorstehenden Beispiel genannten Bedingungen die Wärmeaustauschfläche auf etwa 1200 m2/m2 Lufteintrittsfläche erhöht werden.
Fig. 3 zeigt schematisch den Einsatz des Wärmetauschers in einem geschlossenen Kühlturm. In diesem wird die Luft in bekannter Weise vor der Einleitung in den Wärmetauscher in einem vorgeschalteten Füllkörper 3 adiabat durch Verdunstung vorgekühlt und gleichzeitig gereinigt.
Die Schaumstoffmatten können quer zur Längsrichtung der Kapillarrohre 1 wellenförmig ausgebildet sein. Hierdurch werden die Rohre in ihrer Lage fixiert und weisen einen festen Abstand voneinander auf. Weiterhin können mehrere Kapillarrohre parallel geführt werden, um einen wasserseitigen Druckverlust zu vermeiden.
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher ist nicht nur zur Kühlung des durch die Kapillarrohre strömenden Fluids verwendbar, sondern kann auch für den umgekehrten Wärme- und Stofftransport benutzt werden. Wenn die Temperatur des Fluids unter der Temperatur der zugeführten Luft liegt, kann diese gekühlt und entfeuchtet werden.
Eine weitere Verwendungsmöglichkeit des Wärmetauschers besteht darin, die Konzentration einer Salzlösung zu erhöhen, indem diese durch den Wärmetauscher gerieselt und die notwendige Verdunstungswärme über das Fluid zugeführt wird. Dieser Vorgang kann jedoch auch umgekehrt erfolgen, um die durchströmende Luft zu kühlen. Über das Fluid wird dann das Salzwasser unter die Taupunkttemperatur der Luft gekühlt, so daß Wasserdampf aus der Luft in die Salzlösung übergeht. Die dabei freiwerdende Kondensationswärme wird über das Fluid abgeführt.
Es besteht schließlich auch die Möglichkeit, für den Wärmetauscher Kapillarrohre zu verwenden, die bereits bei ihrer Herstellung mit einer Schaumstoffschicht überzogen werden. Der Wärmetauscher wird dann unmittelbar durch Faltung der Kapillarrohre erhalten. Die Rohre können in einem zweistufigen Extruder hergestellt werden, in welchem in der ersten Stufe das Kapillarrohr selbst und in der zweiten Stufe das die Schaumstoffschicht bildende Material extrudiert werden. Zweckmäßig wird als Grundmaterial der Schaumstoffschicht das Material der Kapillarrohre, beispielsweise Polypropylen, verwendet, wobei es zusätzlich mit einem Schaumbildner versetzt ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß die Rohre problemlos verschweißt werden können, da kein Fremdmaterial vorhanden ist.

Claims (14)

  1. Wärmetauscher mit einem Rohrregister, durch welches ein zu kühlendes oder zu erwärmendes Fluid geführt wird, wobei das Rohrregister im Gleichstrom mit dem Fluid mit Wasser berieselt und im Gegenstrom zum Fluid von Luft durchströmt wird, und aus zueinander parallel geführten Kapillarrohren (1) besteht, die derart gefaltet sind, daß sie zur Bildung übereinanderliegender Lagen des Rohrregisters um eine oder mehrere senkrecht zu ihrer Längsrichtung verlaufende Linien jeweils zurückgebogen sind, dadurch gekennzeichnet daß die Räume zwischen den Kapillarrohren (1) zumindest teilweise durch Schaumstoff (2) ausgefüllt sind.
  2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einander benachbarte Lagen der Kapillarrohre (1) jeweils durch eine Schaumstoffmatte voneinander getrennt sind.
  3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaumstoffmatten zur Vorgabe definierter Abstände zwischen den parallel geführten Kapillarrohren (1) wellenförmig ausgebildet sind.
  4. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen den Kapillarrohren (1) vollständig ausgeschäumt ist.
  5. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarrohre (1) jeweils mit einer Schaumstoffschicht überzogen sind.
  6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarrohre (1) und die Schaumstoffschicht aus dem gleichen Material bestehen.
  7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarrohre (1) aus Kunststoff bestehen.
  8. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarrohre (1) einen Durchmesser von etwa 2 bis 5 mm aufweisen.
  9. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der gegenseitige Abstand der Lagen der Kapillarrohre (1) etwa 5 bis 10 mm beträgt.
  10. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaum (2) eine Porosität von etwa 10 bis 30 ppi (Poren pro inch) hat.
  11. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid Sole ist.
  12. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß er in einen Kühlturm eingesetzt ist.
  13. Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Schaumstoffschicht überzogenen Kapillarrohre (1) durch Extrudieren hergestellt werden, wobei in einer ersten Stufe das jeweilige Kapillarrohr (1) und in einer zweiten Stufe das die Schaumstoffschicht bildende Material hergestellt werden.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Stufe das gleiche Material wie in der ersten Stufe, jedoch zusätzlich versetzt mit einem Schaumbildner, verwendet wird.
EP97925886A 1996-05-30 1997-05-23 Wärmetauscher Expired - Lifetime EP0901601B1 (de)

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