WO2010017853A1 - Rohrbündelwärmetauscher mit veränderlich gewähltem rohrabastand - Google Patents

Rohrbündelwärmetauscher mit veränderlich gewähltem rohrabastand Download PDF

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WO2010017853A1
WO2010017853A1 PCT/EP2009/002105 EP2009002105W WO2010017853A1 WO 2010017853 A1 WO2010017853 A1 WO 2010017853A1 EP 2009002105 W EP2009002105 W EP 2009002105W WO 2010017853 A1 WO2010017853 A1 WO 2010017853A1
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    • F28D7/163—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation with conduit assemblies having a particular shape, e.g. square or annular; with assemblies of conduits having different geometrical features; with multiple groups of conduits connected in series or parallel and arranged inside common casing
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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
    • F28F2210/00—Heat exchange conduits
    • F28F2210/08—Assemblies of conduits having different features

Definitions

  • the invention relates to a tube bundle heat exchanger having a plurality of mutually parallel tubes for transmitting thermal energy from a first fluid to a second fluid, wherein the tubes outside the first fluid in particular air are flowed around, and through the interior of the tubes, the second fluid in particular liquid media such as eg Water is flowing
  • the object of the invention is to improve a tube bundle heat exchanger of the type mentioned in a simple construction so that the arrangement the tubes takes into account the changes in the fluid flowing around the tubes as it flows through the heat exchanger.
  • This object is achieved in that the distance of the tubes from one another is variable from the inlet side to the outlet side of the first fluid.
  • the distances between the transverse to the flow direction of the first fluid tube rows are chosen to be immutable to each other.
  • the distances between the rows of tubes arranged transversely to the flow direction of the first fluid can increase or decrease with increasing distance to the inlet side of the first fluid. Also, this can be the same distance between the tubes within a row of pipes.
  • the distances between the tubes are selected to be variable within a tube row arranged transversely to the flow direction of the first fluid.
  • the distances of the tubes within a transverse to the flow direction of the first fluid row of tubes may vary with the increasing distance to the inlet side of the first fluid, in particular increase.
  • the distances of the tube row can be equal to each other.
  • the variation of the pipe distances within a row is especially interesting where by the accumulation of condensate by gravity in the lower part of the heat exchanger is hampered. Greater distances in the lee rich pipe can cause a better drainage of the condensate and thus positively affect pressure loss and performance.
  • the design of aligned or staggered systems hereby increases the number of degrees of freedom for optimizing a finned tube heat exchanger. It is also proposed that the tubes have outside lamellae and / or ribs bear in particular, which are flowed around by the first fluid in particular of air.
  • Embodiments of the invention are shown schematically in the drawings and in sections (without showing fins or ribs) and will be described in more detail below. Show it
  • FIG. 1 shows a cross section through a first embodiment with rows of tubes at different distances
  • Fig. 3 shows a cross section through a third embodiment with rows of tubes at equal intervals and different pipe distances within the pipe rows.
  • the tube bundle heat exchanger (recuperator) W of FIG. 1 has a plurality of rows 1 to 4 of tubes 5, which are connected at both ends via pipe bends, not shown, so that all tubes form a desired number of lines, or channels a second fluid 8, in particular water, water / glycol, oils, steam or refrigerant flows, which has a high or a low temperature to heat the tubes 5 outside flowing around first fluid in particular air or to cool.
  • the tubes 5 are externally provided with ribs or fins, not shown, to increase the effective surface of the tubes.
  • the tubes are arranged at right angles to the first fluid flowing in at the inlet side 6 and in rows 1 to 4.
  • the same number of tubes with the same spacing b are located in each row.
  • the distances a, c, d of the rows from each other increases at a distance from the inlet side 6.
  • FIG. 2 differs from that of FIG. 1 only in that the tubes 5 of a row offset from the tubes 5 of an adjacent row and are thus arranged on a gap.
  • all tube rows have the same distance a from each other and the number of tubes 5 within a row decreases at a distance from the inlet side 6, so that the tube spacings b1, b2, b3 and b4 become larger.
  • the first fluid in particular air can also enter from the opposite side 9, so that the side 6 is the outlet side and the heat exchanger is flowed through in the reverse direction.
  • the inventive arrangement of the tubes is advantageously applicable to a variety of types of shell and tube heat exchangers.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rohrbündelwärmeaustauscher mit einer Vielzahl zueinander paralleler Rohre zum Übertragen thermischer Energie von einem ersten Fluid auf ein zweites Fluid, wobei die Rohre außen von dem ersten Fluid insbesondere Luft umströmt sind, und durch das Innere der Rohre das zweite Fluid insbesondere flüssige Medien strömen, wobei der Abstand der Rohre voneinander von der Eintrittsseite zur Austrittsseite des ersten Fluids veränderlich gewählt ist.

Description

ROHRBÜNDELWÄRMETAUSCHER MIT VERÄNDERLICH GEWÄHLTEM
ROHRABASTAND
Die Erfindung betrifft einen Rohrbündelwärmeaustauscher mit einer Vielzahl zueinander paralleler Rohre zum Übertragen thermischer Energie von einem ersten Fluid auf ein zweites Fluid, wobei die Rohre außen von dem ersten Fluid insbesondere Luft umströmt sind, und durch das Innere der Rohre das zweite Fluid insbesondere flüssige Medien wie z.B. Wasser strömen
Es ist bekannt, bei Rohrbündelwärmeaustauschern die zueinander parallelen Rohre in regelmäßigen Abständen anzuordnen, d. h. die Abstände der Rohrreihen voneinander sind von der Eintrittsseite des die Rohre außen umströmenden ersten Fluids bis zur Austrittsseite stets gleich groß und auch die Abstände der Rohre voneinander innerhalb der Rohrreihen sind bei allen Rohrreihen gleich groß. Eine solche gleichmäßige Anordnung der Rohre wird der Wirkungsweise eines Rohrbündelwärmeaustauschers nicht gerecht, da erstens das erste Fluid während des Durchströmens sowohl seine Temperatur als auch seinen Druck verändert und zweitens, die konvektive Übertragungsleistung (Wärmeübertragungskoeffizient) einer Rohrreihe eine Funktion ihrer Position in Bezug zu den anderen Rohrreihen ist, so dass eine weitere Optimierung des Energietransfers nicht erreicht werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Rohrbündelwärmeaustauscher der eingangs genannten Art bei einfacher Konstruktion so zu verbessern, dass die Anordnung der Rohre die Änderungen des die Rohre umströmenden Fluids berücksichtigt, während es den Wärmeaustauscher durchströmt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Abstand der Rohre voneinander von der Eintrittsseite zur Austrittsseite des ersten Fluids veränderlich gewählt ist.
Durch die Wahl unterschiedlicher Abstände der Rohre voneinander über den Weg des ersten Fluids insbesondere der Luft von der Eintrittsseite des Wärmetauschers zur Austrittsseite wird berücksichtigt, dass sich sowohl die konvektive Energieübertragung als auch der Druck des ersten Fluids von der Eintrittsseite zur Austrittsseite verändert. Hierdurch ist es möglich, die Wärmeübertragung zu vergrößern und die Druckverluste zu verringern, so dass die Leistung des Wärmeaustauschers wesentlich verbessert wird. Damit wird die entscheidende Größe, nämlich das Verhältnis von Nutzen zu Aufwand gesteigert. Und dies sowohl beim Einsatz eines Rohrbündelwärmeaustauschers zum Wärmen als auch zum Kühlen des ersten Fluids.
Vorzugsweise wird vorgeschlagen, dass die Abstände der zur Strömungsrichtung des ersten Fluids quer angeordneten Rohrreihen zueinander unveränderlich gewählt sind. Hierbei können die Abstände der zur Strömungsrichtung des ersten Fluids quer angeordneten Rohrreihen mit der zunehmenden Entfernung zur Eintrittsseite des ersten Fluids zunehmen oder abnehmen. Auch können hierdurch die Abstände der Rohre innerhalb einer Rohrreihe gleich sein.
Alternativ oder zusätzlich wird vorgeschlagen, dass die Abstände der Rohre innerhalb einer zur Strömungsrichtung des ersten Fluids quer angeordneten Rohrreihe veränderlich gewählt sind. Hierbei können die Abstände der Rohre innerhalb einer zur Strömungsrichtung des ersten Fluids quer angeordneten Rohrreihe mit der zunehmenden Entfernung zur Eintrittsseite des ersten Fluids abweichen, insbesondere zunehmen. Auch können hierbei die Abstände der Rohrreihe voneinander gleich sein. Die Variation der Rohrabstände innerhalb einer Reihe ist vor allem dort interessant, wo durch das Ansammeln von Kondensat durch die Schwerkraft im unteren Teil des Wärmeaustauschers behindert wird. Größere Abstände in den lee befindlichen Rohrreichen können eine bessere Ableitung des Kondensats bewirken und damit Druckverlust und Leistungsfähigkeit positiv beeinflussen.
Auch ist durch Orientierung der Rohre einer Reihe zur nächsten Reihe Druckverlust,, Kondensatableitung und der Wärmetransfer zu beeinflussen. Die Gestaltung von fluchtenden oder versetzten Systemen erhöht hierbei die Anzahl der Freiheitsgrade zur Optimierung eines Rippenrohrwärmeaustauschers. Ferner wird vorgeschlagen, dass die Rohre außen Lamellen und/oder Rippen aufweisen insbesondere tragen, die von dem ersten Fluid insbesondere von Luft umströmt sind.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch und in Ausschnitten dargestellt (ohne Darstellung von Lamellen oder Rippen) und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel mit Rohrreihen in unterschiedlichen Abständen,
Fig. 2 einen Querschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel mit zueinander versetzt angeordneten Rohren innerhalb der Reihen,
Fig. 3 einen Querschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel mit Rohrreihen in gleichen Abständen und unterschiedlichen Rohrabständen innerhalb der Rohrreihen.
Der Rohrbündelwärmeaustauscher (Rekuperator) W nach Fig. 1 weist mehrere Reihen 1 bis 4 von Rohren 5 auf, die an ihren beiden Enden über nicht dargestellte Rohrbögen miteinander verbunden sind, so dass alle Rohre eine gewünschte Anzahl an Leitungen, bzw. Kanäle bilden, durch den ein zweites Fluid 8 insbesondere Wasser, Wasser/Glykol, Öle, Dampf oder Kältemittel fließt, das eine hohe oder eine niedrige Temperatur aufweist, um ein die Rohre 5 außen umströmendes erstes Fluid insbesondere Luft zu erwärmen oder zu kühlen. Die Rohre 5 sind außen mit nicht dargestellten Rippen oder Lamellen versehen, um die wirksame Oberfläche der Rohre zu vergrößern.
In allen Ausführungsbeispielen sind die Rohre rechtwinklig zu dem an der Eintrittsseite 6 einströmenden ersten Fluid und in Reihen 1 bis 4 angeordnet. Hierbei befinden sich nach Fig. 1 in jeder Reihe gleich viele Rohre mit gleichen Abständen b. Die Abstände a, c, d der Reihen voneinander nimmt mit Abstand von der Eintrittsseite 6 zu.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 unterscheidet sich von dem nach Fig. 1 nur dadurch, dass die Rohre 5 einer Reihe gegenüber den Rohren 5 einer benachbarten Reihe versetzt und damit auf Lücke angeordnet sind.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 haben alle Rohrreihen denselben Abstand a voneinander und die Anzahl der Rohre 5 innerhalb einer Reihe nimmt mit Abstand von der Eintrittsseite 6 ab, so dass die Rohrabstände b1 , b2, b3 und b4 größer werden.
In allen Ausführungsbeispielen kann das erste Fluid insbesondere Luft auch von der gegenüberliegenden Seite 9 eintreten, so dass die Seite 6 die Austrittsseite ist und der Wärmetauscher in umgekehrter Richtung durchströmt ist.
Die erfindungsgemäße Anordnung der Rohre ist bei den unterschiedlichsten Bauformen von Rohrbündelwärmeaustauschern vorteilhaft anwendbar.

Claims

Ansprüche
1. Rohrbündelwärmeaustauscher (W) mit einer Vielzahl zueinander paralleler Rohre (5) zum Übertragen thermischer Energie von einem ersten Fluid (7) auf ein zweites Fluid (8), wobei die Rohre außen von dem ersten Fluid (7) insbesondere Luft umströmt sind, und durch das Innere der Rohre (5) das zweite Fluid (8) insbesondere flüssige Medien strömen, d ad u rch gekennzeich net, dass der Abstand (a - d) der Rohre (5) voneinander von der Eintrittsseite (6) zur Austrittsseite (9) des ersten Fluids (7) veränderlich gewählt ist.
2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dad u rch geken nzeichnet, dass die Abstände (a, c, d) der zur Strömungsrichtung des ersten Fluids (7) quer angeordneten Rohrreihen (1, 2, 3, 4) zueinander unveränderlich gewählt sind.
3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 2, d adurch geken nzeichnet, dass die Abstände (a, c, d) der zur Strömungsrichtung des ersten Fluids (7) quer angeordneten Rohrreihen (1, 2, 3, 4) mit der zunehmenden Entfernung von der Eintrittsseite (6) des ersten Fluids (7) voneinander abweichen insbesondere zunehmen oder abnehmen.
4. Wärmeaustauscher nach Anspruch 2 oder 3, d a d u r c h gekennzeich net, dass die Abstände (b) der Rohre (5) innerhalb einer Rohrreihe gleich sind.
5. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h geken nzeich net, dass die Abstände (b1 , b2, b3, b4) der Rohre (5) innerhalb einer zur Strömungsrichtung des ersten Fluids (7) quer angeordneten Rohrreihe veränderlich gewählt sind.
6. Wärmeaustauscher nach Anspruch 5, d ad u rch g e ken nzeich n et, dass die Abstände (b1, b2, b3, b4) der Rohre (5) innerhalb einer zur Strömungsrichtung des ersten Fluids (7) quer angeordneten Rohrreihe mit der zunehmenden Entfernung von der Eintrittsseite (6) des ersten Fluids voneinander abweichen insbesondere zunehmen oder abnehmen.
7. Wärmeaustauscher nach Anspruch 5 oder 6, d ad u rch g e ke n n ze i c h n et , dass die Abstände (a) der Rohrreihe (1 bis 4) voneinander gleich sind.
8. Wärmeaustauscher nach einem der vorherigen Ansprüche, d a d u rc h geke n nzeich net, dass die Rohre (5) einer Rohrreihe zu den Rohren einer benachbarten Rohrreihe versetzt angeordnet sind.
9. Wärmeaustauscher nach einem der vorherigen Ansprüche, d ad u rch geke n nzeich net, dass die Rohre (5) außen Lamellen und/oder Rippen aufweisen insbesondere tragen, die von dem ersten Fluid (7) insbesondere von Luft umströmt sind.
10. Wärmetauscher nach einem der vorherigen Ansprüche dad u rch g e ke n n ze i c h n et, dass die Rohrabstände derart sind, dass neben thermodynamischen Gesichtspunkten das Spektrum der verbindenden Rohrbögen minimiert wird.
PCT/EP2009/002105 2008-08-12 2009-03-21 Rohrbündelwärmetauscher mit veränderlich gewähltem rohrabastand WO2010017853A1 (de)

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