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Dokumentenidentifikation DE19843785A1 11.05.2000
Titel Wärmetauscher
Anmelder IBS Ingenieurbüro für Schall- und Schwingungstechnik GmbH, 67071 Ludwigshafen, DE
Vertreter Rechts- und Patentanwälte Reble & Klose, 68165 Mannheim
DE-Anmeldedatum 24.09.1998
DE-Aktenzeichen 19843785
Offenlegungstag 11.05.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.05.2000
IPC-Hauptklasse F24F 13/24
IPC-Nebenklasse F28F 9/24   B01D 53/26   
Zusammenfassung Ein Wärmetauscher zur Erwärmung und/oder Trocknung eines Gases enthält eine Anzahl von Rohren (10), welche höhere Temperaturen als das Gas aufweisen. Ein derartiger Wärmetauscher soll dahingehend weitergebildet werden, daß die Entstehung von stabilen Wirbelzonen vermieden und somit die Bildung von Erregerfrequenzen verhindert wird. Es wird vorgeschlagen, daß im Bereich der Rohre (10) Umlenkmittel (16, 17) zur Erzeugung einer Turbulenz vorgesehen sind.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher gemäß den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

In einem Wärmetauscher der genannten Art werden die Gase erwärmt oder nach Bedarf auch getrocknet. Hierzu werden die Gase mit einer bestimmten Geschwindigkeit über eine Anzahl von regelmäßig eng beieinanderliegenden Rohren, die als Rohrbündel bezeichnet werden und wesentlich höhere Temperaturen aufweisen, geführt. Die Gase, beispielsweise Rauchgase, erfahren durch die Umströmung und den Kontakt mit den erhitzten Rohren eine höhere Temperatur. Bei bestimmten Reynolds-Zahlen, insbesondere in der Größenordnung von 103. . .105, können zwischen den Rohrreihen und hinter der letzten Rohrreihe stabile Wirbelzonen, ähnlich der Kárámanschen Wirbelstraße, entstehen. Bekanntlich ist die Reynolds-Zahl wie folgt definiert:





wobei folgende Parameter gelten:

u Strömungsgeschwindigkeit in m/s

d Rohrdurchmesser in m

v kinematische Zähigkeit des Mediums in m2/s.

Bei einer bestimmten Anzahl von Rohrreihen verursachen solche Wirbelzonen tonale Erregerfrequenzen bzw. schmalbandige Erregerspektren. Je nach Kanalgeometrie können solche Erregerspektren zu Resonanzerscheinungen führen, die auch oft erhebliche Lärmprobleme verursachen. Die Geräuschentstehungsmechanismen von einem Rohrbündelwärmetaucher ist Gegenstand von zahlreichen Untersuchungen. Eine bekannte und mit Erfolg eingesetzte Maßnahme zur Vermeidung von Querresonanzen ist der Einbau von s.g. Trennblechen innerhalb der Rohrreihen zur Unterteilung der Kanalbreite. Dadurch werden Kanaleigenfrequenzen in Querrichtung soweit zu höheren Frequenzen verschoben, bis keine Querresonanzen entstehen können.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Wärmetauscher dahingehend weiterzubilden, daß die Entstehung von stabilen Wirbelzonen vermieden und somit die Bildung von Erregerfrequenzen verhindert wird. Der Wärmetauscher soll einen funktionsgerechten Aufbau und einen verbesserten thermischen Wirkungsgrad aufweisen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher enthält im Bereich der Rohre Umlenkmittel, insbesondere Leitbleche, derart, daß zusätzliche Turbulenzen erzeugt werden. Ferner kann die Außenfläche der Rohre eine unregelmäßige Kontur, beispielsweise polygonal, und/oder insbesondere radiale Ansätze aufweisen. Hierdurch wird die Bildung von Erregerfrequenzen, die durch stabile Wirbelzonen entstehen, verhindert. Die Umlenkmittel, insbesondere die Leitbleche, werden in zweckmäßiger Weise an den Rohren einer Rohrreihe oder innerhalb der Rohrbündel zwischen den Rohrreihen vorgesehen, wodurch bei gleicher Reynolds-Zahl in der Strömung die zusätzliche Turbulenz erzeugt wird. Darüber hinaus wird erfindungsgemäß der thermische Wirkungsgrad des Rohrbündelwärmetauschers durch bessere Vermischung und Erhöhung der Kontaktmöglichkeiten von Gasteilchen mit den heißen Rohroberflächen verbessert. Bei gleicher Leistung des Wärmetauschers im Vergleich mit einem Wärmetauscher ohne Umlenkmittel kann somit die Anzahl der Rohre und/oder der Rohrreihen reduziert werden.

Weiterbildungen und besondere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen sowie der weiteren Beschreibung angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne daß insoweit eine Beschränkung erfolgt. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine seitliche Ansicht eines Rohrbündelwärmetauschers,

Fig. 2, 3 schematische Ansichten einer Rohrreihe mit Leitblechen an den Rohren,

Fig. 4 schematisch eine Ansicht eines Rohrbündels,

Fig. 5 eine Ansicht eines weiteren Rohrbündels mit Leitblechen zwischen den Rohren,

Fig. 6 eine Ansicht eines Rohrbündels mit versetzt zwischen jeweils zwei Rohrreihen angeordneten und mit den Rohren verbundenen Leitblechen,

Fig. 7 ein Rohrbündel mit Zick-zack-artig angeordneten und mit den Rohren verbundenen Leitblechen.

Fig. 1 zeigt in einer schematischen seitlichen Ansicht einen Wärmetauscher mit einem Kanal 2, in welchem zwei Rohrbündel 4, 5 vorgesehen sind. In Strömungsrichtung A des Gases, beispielsweise Rauchgases, ist das erste Rohrbündel 4 vor dem zweiten Rohrbündel 5 im Kanal 2 in bekannter Weise angeordnet und befestigt. Wie dargestellt, enthält jedes Rohrbündel eine erste Rohrreihe 6 und eine letzte Rohrreihe 8, wobei die Gesamtzahl bzw. die in Strömungsrichtung dazwischen befindlichen Rohrreihen den Erfordernissen entsprechend vorgegeben sind. Auch die Anzahl der Rohre 10 pro Rohrreihe sowie der Rohrquerschnitt ist entsprechend den jeweiligen Randbedingungen und Anforderungen vorgegeben, wobei der Einfachheit halber in der Zeichnung durch punktierte Hinterlegungen 12, 13 die übrigen Rohrreihen bzw. die übrigen Rohre 10 angedeutet sind.

Die einzelnen Rohrreihen und Rohre 10 sind eng beieinander angeordnet und werden durch ein erhitztes Medium, insbesondere durch heißes Wasser oder Wasserdampf, in bekannter Weise durchströmt und erwärmt. Die einzelnen Rohre 10 weisen insbesondere einen kreisförmigen Querschnitt auf, doch können ohne weiteres auch andere Querschnittsformen vorgegeben werden, ebenso wie die Kanalbreite 14 sowie die in Längsrichtung der Rohre bzw. orthogonal zur Zeichenebene gemessene Kanalhöhe.

Fig. 2 zeigt teilweise die Rohrreihe 6 bzw. 8 mit den erfindungsgemäß vorgesehenen Leitblechen 16, 17. Aus Gründen der Übersicht sind in dieser Rohrreihe lediglich vier Rohre 10 dargestellt, doch es versteht sich, daß die Rohrreihe auch eine erheblich größere Anzahl von einzelnen Rohren mit den erfindungsgemäßen Leitblechen 16, 17 enthalten kann. Die Leitbleche 16, 17 sind sowohl im Strömungsweg des Gases außerhalb der Rohre 10 als auch im Inneren derselben vorgesehen. Die Leitbleche 16, 17 sind in zweckmäßiger Weise zur Strömungsrichtung gemäß Pfeil A in einem vorgegebenen Winkel geneigt angeordnet. Als zweckmäßig hat sich ein Winkel 18 in der Größenordnung von 45° erwiesen, doch können im Rahmen der Erfindung auch andere Winkelstellungen vorgegeben werden. Mittels der Umlenk- oder Leitbleche 16, 17 an den Rohren einer Rohrreihe werden erfindungsgemäß nicht die Kanaleigenfrequenzen verschöben, sondern es werden definiert zusätzliche Turbulenzen erzeugt, um die Entstehung von Erregerfrequenzen zu unterbinden.

In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann auch der Rohrquerschnitt derart vorgegeben sein, daß durch entsprechende Profilgestaltung die Außenfläche der Rohre in der erfindungsgemäßen Weise zusätzliche Turbulenzen erzeugt werden. So können die Rohre anstelle eines runden Querschnitts auch einen Querschnitt mit polygonaler Außenfläche aufweisen, wobei zusätzlich in zweckmäßiger Weise in den Eckbereichen radial abstehende Ansätze entsprechend den erläuterten Leitblechen vorgesehen sein können.

Enthält das Rohrbündel insbesondere sechs bis acht Rohrreihen, so werden entsprechend Fig. 1 in besonders zweckmäßiger Weise die Leitbleche oder Umlenkmittel zumindest im Bereich der ersten Rohrreihe 6 und/oder in der letzten Rohrreihe 8 angeordnet. Bei Anordnung in der ersten und in der letzten Rohrreihe wird der Aufwand für die Leit- oder Umlenkmittel auf ein Minimum reduziert. Darüber hinaus können im Rahmen der Erfindung zusätzlich oder alternativ andere Rohrreihen mit den Umlenkmitteln versehen sein. So hat es sich als besonders zweckmäßig erwiesen, bei einem Rohrbündel mit mehr als acht Rohrreihen zwischen der ersten und der letzten Rohrreihe eine mittlere Rohrreihe mit den Umlenkmitteln auszurüsten.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausgestaltung der ersten bzw. der letzten Rohrreihe 6 bzw. 8, wobei auch hier lediglich ein Teil der quer zur Strömungsrichtung vorgesehenen einzelnen Rohre 10 dargestellt ist, während die übrigen Rohrreihen durch die punktierten Hinterlegungen 12 angedeutet sind. Die Leitbleche 16, 17, und zwar insgesamt vier derselben, sind ausschließlich an der Außenseite des Rohres 10 angeordnet. Hierbei gestaltet sich die Herstellung recht einfach, da das Rohrinnere unverändert bleibt und lediglich mit der Rohraußenfläche die vier Leitbleche 16, 17, insbesondere durch Schweißen, fest verbunden sind.

Fig. 4 zeigt ein Rohrbündel mit insbesondere mehr als acht Rohrreihen, wobei hier die erste Rohrreihe 6, die mittlere Rohrreihe 7 und die letzte Rohrreihe 8 dargestellt sind, während die dazwischenliegenden weiteren Rohrreihen 12 lediglich durch punktierte Unterlegungen angedeutet sind. Die mittlere Rohrreihe 7 verhindert innerhalb des Rohrbündels die Bildung von unerwünschten Erregerfrequenzen.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausgestaltung, gemäß welcher zwischen der ersten Rohrreihe 6 und der zweiten Rohrreihe 20 ebenso wie zwischen der vorletzten Rohrreihe 23 und der letzten Rohrreihe 8 Leitbleche 24 vorgesehen sind. Die Leitbleche 24 sind in einem vorgegebenen Winkel, hier in zweckmäßiger Weise 45°, zur Strömungsrichtung A bzw. zur Längsrichtung des Kanals 2 geneigt. Die Leitbleche 24 sind bei dieser Ausgestaltung nicht mit den einzelnen Rohren der jeweils hintereinanderliegenden Rohrreihen miteinander verbunden, sonderen sie sind mit dem Kanal 2, zweckmäßig den vor bzw. hinter der Zeichenebene liegenden Kanalwänden verbunden.

Fig. 6 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung mit Leitblechen 24, die jeweils mit den Rohren der in Strömungsrichtung hintereinanderliegenden Rohrreihen 6, 20 bzw. 21, 22 verbunden sind. Wie ersichtlich, sind die Leitbleche 24 versetzt jeweils zwischen zwei Rohrreihen 6, 20 bzw. 21, 22 usw. angeordnet, wobei pro Rohrreihe nicht sämtliche Rohre ein Leitblech aufweisen, sondern jeweils nur jedes zweite Rohr.

Schließlich zeigt Fig. 7 eine weitere Ausgestaltung der Erfindung mit Zick-zack-artiger Anordnung der Leitbleche 24, 25. In Strömungsrichtung A ist jede zweite Rohrreihe mit Leitblechen 24, 25 ausgerüstet, welche wiederum geneigt zur Strömungsrichtung A und im rechten Winkel zueinander angeordnet sind. Das Strömungsmedium muß folglich das Rohrbündel auf einem Zick-zack-artigen Weg durchströmen, wodurch in besonders effektiver Weise die Bildung von Erregerfrequenzen vermieden wird. Hierbei ergeben sich zwar Druckverluste, doch wird auf der anderen Seite der Wärmeübergang bzw. der thermische Wirkungsgrad erheblich verbessert. Aufgrund der erfindungsgemäß vorgesehenen Leitbleche kann folglich die Anzahl der Rohre und/oder der Rohrreihen reduziert und letztendlich der gesamte Aufwand nicht unwesentlich reduziert werden. Bezugszeichen 2 Kanal

4, 5 Rohrbündel

6-8 Rohrreihen

10 Rohr

12, 13 punktierte Unterlegung

14 Kanalbreite

16, 17 Leitblech

18 Winkel

20-23 weitere Rohrreihen

24, 25 Leitblech


Anspruch[de]
  1. 1. Wärmetauscher zur Erwärmung und/oder Trocknung eines Gases, enthaltend eine Anzahl von Rohren, welche höhere Temperaturen als das Gas aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Rohre (10) Umlenkmittel (16, 17) zur Erzeugung einer Turbulenz vorgesehen sind.
  2. 2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung (A) die Umlenkmittel (16, 17) der ersten Rohrreihe (6) und/oder der letzten Rohrreihe (8) zugeordnet sind.
  3. 3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkmittel als Leitbleche (16, 17) ausgebildet sind, welche einer vorgebbaren Anzahl von Rohren (10), vorzugsweise allen Rohren (10), wenigstens einer Rohrreihe (6, 8) zugeordnet sind und insbesondere an den genannten Rohren (10) befestigt sind.
  4. 4. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkmittel (24), welche insbesondere als Leitbleche (24) ausgebildet sind, zwischen zwei in Strömungsrichtung (A) hintereinander angeordneten Rohrreihen (6, 20) schräg zur Strömungsrichtung (A) angeordnet sind und/oder daß die Umlenkmittel (24) mit quer zur Strömungsrichtung (A) versetzt zueinander angeordneten Rohren (10) der hintereinander liegenden Rohrreihen (6, 20; 23, 8) verbunden sind.
  5. 5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkmittel in einem vorgegebenen Winkel (18) zur Strömungsrichtung (A) des Gases geneigt angeordnet sind.
  6. 6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Rohrbündel (4, 5) der in Strömungsrichtung (A) ersten Rohrreihe (6) und/oder der letzten Rohrreihe (8) die Umlenkmittel (16, 17, 24) zugeordnet sind und bevorzugt zwischen sechs bis acht Rohrreihen in ein Rohrbündel (4, 5) vorgesehen sind.
  7. 7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkmittel (16, 17, 24) einer zwischen der ersten und der letzten Rohrreihe (6, 8) liegende Rohrreihe (7), insbesondere der mittleren Rohrreihe (7), zugeordnet sind, wobei im Rohrbündel insbesondere mehr als acht Rohrreihen angeordnet sind.
  8. 8. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit des aufgrund der Umlenkmittel erhöhten thermischen Wirkungsgrades die Anzahl der Rohre (10) und/oder Rohrreihen reduziert ist.






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