W ärmeaustauscher. Die Erfindung betrifft einen Wärmeaus tauscher von der Art, bei der die Wärme- sustauschmedien durch eine feste Wand ge trennt sind und das wärmeabgebende Medium sich an einer der Flächen dieser Wand kon densiert.
Bei einem. solchen Wärmeaustauseher kann sich das wärmeabgebende Medium an der festen Wand in Form von Tropfenkonden- sat niederschlagen oder dann eine dünne laut bilden. Die Wärmeübergangszahlen bei Tropfenkondensation ergeben bekanntlich Werte, die ein Vielfaches derjenigen bei Hautkondensation betragen. Das Bestreben geht deshalb dahin, Tropfenkondensation zu erhalten. Dies lässt sich jedoch nur bei ganz besonderen Zuständen der Kondensations- I'läche erreichen, beispielsweise wenn letztere mit bestimmten Chemikalien behandelt wird.
Meistens ist aber die Wirkung der betreffen den Chemikalien nur eine kurzzeitige, so dass festgestellt werden muss, dass bis heute noch ?nein Verfahren gefunden worden ist, das auf cler Kondensationsfläche auf die Dauer von einigen .Jahren Tropfenkondensation garantie ren würde. Deshalb ist man bisher gezwun gen gewesen, Wärmeaustauseher der eingangs erwähnten Art unter der Annahme von Haut kondensation zu dimensionieren.
Zweck der Erfindung ist nun, die Nach teile der Hautkondensation weitgehend zu ver mindern, ja sogar Betriebsverhältnisse zu \chaffen, die, was die Güte des Wärmeüber ganges anbetrifft, denen bei Tropfenkonden- sation nahekommen. Zu diesem Behufe weist bei einem Wärmeaustauscher gemäss der Er findung die Kondensatseite der Wärmeaus tauschwand Erhebungen von einer Form auf, bei welcher die Oberflächenspannungen des Kondensates eine Abnahme der Dicke der Kondensathaut in der Scheitelgegend erzwin gen.
Auf der beiliegenden Zeichnung sind meh rere beispielsweise Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes in zum Teil, schema- tiseher Weise dargestellt, und zwar zeigt: Fig. 1 ein Querprofil durch eine gewellte Wärmeaustauschwand, an der sich eine Kon- densathaut gebildet hat, Fig.2 einen Querschnitt durch eine als Wehkörper ausgebildete Wärmeaustauseh- wand,
Fig.3 eine Ansicht einer plattenförmigen Wärmeaustauschwand mit gewellter Konden sationsfläche.
Fig.4 zeigt- einen Längsschnitt nach der Linie IV-IV der Fig.5 durch ein aussen längsgerilltes Wärmeaustauschrohr, und Fig.5 zeigt einen Querschnitt nach der Linie V-V der Fig.4.
Fig.6 zeigt einen Längsschnitt nach der Linie VI-VI der Fig.7 durch ein aussen quergerilltes Wärmeaustausehrohr, und Fig.7 zeigt einen Querschnitt nach der Linie VII-VII der Fig. 6.
Fig. 8 zeigt einen Längsschnitt durch ein an beiden Enden ausgeweitetes, aussen längs- gerilltes Rohr und durch einen Teil einer Rohrplatte, und Fig. 9 zeigt die Auswirkung der Anschwel lung des Kondensatstromes im Tale einer senkrechten Längsrille auf den Wärmeaus tausch.
In Fig.1 bezeichnet 1 eine Wärmeaus tauschwand, die auf der Seite des wärmeab gebenden und sich kondensierenden Mediums 2 gewellt ist. Die Oberfläche 4 der sich an der gewellten Fläche der Wand 1 bildenden, ungleichmässig dicken Kondensathaut stellt sich in eine dem Gleichgewicht entsprechende Lage ein, welche durch die Sogwirkung der Wellentäler 3, den Druckverlust der Kon- densatströmtmg vom Wellenberg zum Wellen tal in Richtung der Pfeile 6 und die Stoff werte des Kondensates gegeben ist.
Eine ge naue Rechnung ergibt am Wellenberg sehr kleine Dicken der Kondensathaut, was zu sehr hohen - durch die Länge der Pfeile 5 an gegebenen - Wärmeübergangszahlen an die sen Stellen führt. Dagegen ergeben sich für das Wellental schlechte Wärmeübergangs zahlen, was ebenfalls durch die Länge der Pfeile 5 angedeutet ist. Dafür sind im Wel lental günstige Abflussmöglichkeiten für das gebildete Kondensat vorhanden, welches durch. die Wirkung der Gravitation oder einer an dern Feldkraft senkrecht zur Zeichnungs ebene wegbefördert wird.
Trotz der schlech ten Wärmeübergangszahlen in den Tälern 3 erhält man, auf die ganze Oberfläche der Wand 1 bezogen, Wärmeübergangszahlen, die bis das Zehnfache derjenigen betragen kön nen, die sich bei glatten Oberflächen bei Hautkondensation erreichen lassen. Die Kondensatströmung hat eine stetige Abnahme des Druckes vom Wellenberg zum Tal zur Folge. Deshalb ist jenes Profil am günstigsten, welches eine stetige Abnahme der Krümmung des Bergprofils vom Scheitel punkt weg aufweist. Für eine praktische Aus führung der Wellen kann es jedoch von Vor teil sein, die Krümmung des Bergprofils stu fenweise abnehmen zu lassen.
Daraus folgt, dass in der Gegend des Wendepunktes des Profils der Wellen dieses auch durch eine gerade Strecke ersetzt werden kann.
Dadurch, dass gemäss der Erfindung an den Wärmeaustauschflächen Erhebungen vor gesehen werden, indem z. B. die Flächen wel lenförmig ausgebildet sind, ist es bei Kon densatoren und Wasservorwärmern möglich, mit wesentlich kleineren Oberflächen und Rohrlängen auszukommen. Folglich können bei gleichem Druckverlust der Wasserströ mung grössere Wassergeschwindigkeiten zu gelassen werden, wodurch auch auf der Was serseite die Wärmeübergangszahl verbessert wird.
Weiterhin ist auch die Wandtempera tur bei solchen Apparaten mit gewellter Ober fläche auf der Kondensatseite infolge des guten Wärmeüberganges höher als bei unge- wellten Flächen. Demzufolge erwirken die temperaturabhängigen Eigenschaften des Was sers eine weitere Verbesserung des Wärme überganges auf der Wasserseite.
Endlich hat man noch der kürzeren ge wellten Rohre wegen infolge des hydrodyna mischen Anlaufeffektes der Wasserströmung einen besseren Wärmeübergang auf der Was serseite. Diese Verbesserungen der verschie denen Wärmeübergänge haben zur Folge, dass man z. B. bei Kondensatoren von Dampftur- binenanlagen je nach dem Kondensations- zustand 50 bis 60 %,
bei Wasservorwärmern sogar 55 bis 70 % an Wärmeaustaitschfläche ersparen kann. Die Wärmeaustauschwände werden dabei zweckmässig aus Kupfer ange fertigt, da bei Metallen mit geringerer Wärme leitfähigkeit die entsprechenden Ersparnisse weniger gross ausfallen.
Anstatt die Wärmeaustauschwand in der in Fig.1 gezeigten Weise nur auf der Kon densationsseite gewellt auszuführen, kann sie, wie in Fig. 2 gezeigt, als wellenförmiger Körper 8 ausgebildet, also z. B. aus Wellblech hergestellt sein.
Die Wärmeaustauschwand kann, wie in, Fig. 3 gezeigt, auch als ebene Platte mit ge wellter Oberfläche 9 ausgebildet sein. Solche Platten eignen sich für Wärmeaustauscher in Paketform. Die Wärmeaustauschfläche kann weiter hin, wie in Fig. 4 und 5 gezeigt, als Rohr 10 mit auf dessen Aussenseite verlaufenden Längsrillen ausgebildet sein. Die Rillen kön nen aber auch auf der Innenseite des Rohres vorgesehen werden.
Wie in Fig. 6 und 7 gezeigt., kann die als Rohr 11 ausgebildete Wärmeaustauschfläche auch senkrecht zur Rohrachse aussen gerillt sein. Die Querrillen können jedoch auch innen am Rohr vorgesehen sein.
Zur Erleichterung der 1lontage von aussen gerillten Rohren werden diese zweckmässig an den Enden erweitert. Für ein aussen längs gerilltes Rohr 12 ist dies in Fig.8 veran- sehaulieht, wobei die gestrichelten Linienzüge 13 die nach der Rohrerweiterung vom Wellen tal vorstehenden entfernten Partien andeuten und 1-1 die Befestigungsstelle des Rohres 12 in einer Rohrplatte 121 bezeichnet.
Die \Värineaustausehwand kann auch als schraubenlinienförmig gerilltes Rohr ausge bildet sein.
Durcligetührte Bereelinungen haben er geben, dass sieh das in den Scheiteln der Wel lenberge der Wärineaustauschwand niederge schlagene Kondensat in Richtung des maxi malen Druckgradienten, welcher durch die Oberflächenspannung der Kondenshaut gege ben ist, bewegt. Diese Richtung steht in den Fällen, wo das Kondensat in den Tälern un ter der Einwirkung- der CTravitation ab strömt, nahezu senkrecht zur Richtung, in der die Gravitation wirkt.
Dies hängt damit zu- samincn, dass der Druckgradient, der durch die Oberflächenspanntiiigen in der Kondensat- haut gegeben ist, ein grosses Vielfaches des Druckgrzidienten beträgt, der durch die Gravi tation hervorgerufen wird.
Bei län < ;s@erillten Rohren von der in den Fig. 4 und 5 "ezeigten Art wird die Ober fläche der Kondensathaut am obern Ende des Rohres nach Kurve 17 der Fig. 9 verlau fen.
In fortschreitender Entfernung vom obern Rohrende wird wegen der Zunahme des im obern Teil niedergeschlagenen Konden- sates (las Tal immer mehr auf-efüllt. In Fig. 9 sind drei in der senkreehten@Abflussrichtung des Kondensates aufeinanderfolgende Profile 17, 18 und 19 der Oberfläche der Kondensat- haut dargestellt. CTegen die untern Partien des Rohres zu ist das Gebiet der lebhaften Kondensation infolge der Anschwellung der Talströmung immer mehr beschränkt.
Der da durch entstehende Ausfall an wirksamer Kon < lensationsfläche wird jedoch weitgehend da durch kompensiert, dass die Dicke der Kon- densathaut ain Seheitel des Wellenberges in den untersten Partien des Rohres stark ab nimmt, wie das die Kurven 17, 18 und 19 der Fig. 9 erkennen lassen, wodurch am Scheitel die isolierende Wirkung der Kondensathaut erheblich vermindert wird.
Heat exchanger. The invention relates to a Wärmeaus exchanger of the type in which the heat exchange media are separated by a solid wall and the heat-emitting medium condenses on one of the surfaces of this wall.
At a. With such a heat exchanger, the heat-emitting medium can be deposited on the solid wall in the form of droplet condensate or it can then form a thin, loud one. As is known, the heat transfer coefficients with drop condensation give values that are many times those with skin condensation. The aim is therefore to obtain droplet condensation. However, this can only be achieved in very special conditions of the condensation surface, for example when the latter is treated with certain chemicals.
Most of the time, however, the effect of the chemicals in question is only short-term, so it has to be established that up to now, no method has been found that would guarantee droplet condensation on the condensation surface for a period of several years. Therefore, one has hitherto been forced to dimension heat exchangers of the type mentioned under the assumption of skin condensation.
The purpose of the invention is now to largely reduce the disadvantages of skin condensation, and even to create operating conditions which, as far as the quality of the heat transfer is concerned, come close to those of droplet condensation. For this purpose, in a heat exchanger according to the invention, the condensate side of the Wärmeaus exchange wall has elevations of a shape in which the surface tension of the condensate causes a decrease in the thickness of the condensate skin in the apex area.
The attached drawing shows several exemplary embodiments of the subject matter of the invention, partly in a schematic manner, namely: FIG. 1 shows a transverse profile through a corrugated heat exchange wall on which a condensate skin has formed, FIG. 2 shows a cross section through a heat exchange wall designed as a weir,
3 is a view of a plate-shaped heat exchange wall with a corrugated condensation surface.
FIG. 4 shows a longitudinal section along the line IV-IV of FIG. 5 through an externally longitudinally grooved heat exchange tube, and FIG. 5 shows a cross section along the line V-V of FIG.
FIG. 6 shows a longitudinal section along the line VI-VI in FIG. 7 through an externally transversely grooved heat exchange tube, and FIG. 7 shows a cross section along the line VII-VII in FIG.
Fig. 8 shows a longitudinal section through a tube widened at both ends, longitudinally grooved on the outside and through part of a tube plate, and Fig. 9 shows the effect of the swelling of the condensate flow in the valley of a vertical longitudinal groove on the heat exchange.
In Figure 1, 1 denotes a Wärmeaus exchange wall, which is corrugated on the side of the wärmeab giving and condensing medium 2. The surface 4 of the unevenly thick condensate skin forming on the corrugated surface of the wall 1 adjusts itself to a position corresponding to the equilibrium, which by the suction of the wave troughs 3, the pressure loss of the condensate flow from the wave crest to the wave valley in the direction of the arrows 6 and the material values of the condensate is given.
A ge exact calculation results in very small thicknesses of the condensate skin on the crest of the wave, which leads to very high - given by the length of the arrows 5 - heat transfer coefficients at these points. In contrast, there are poor heat transfer figures for the wave trough, which is also indicated by the length of the arrows 5. There are favorable drainage options for the condensate formed in the Wel lental, which flows through. the effect of gravity or another field force perpendicular to the plane of the drawing is conveyed away.
Despite the poor heat transfer coefficients in the valleys 3, based on the entire surface of the wall 1, heat transfer coefficients that can be up to ten times that which can be achieved on smooth surfaces with skin condensation are obtained. The condensate flow results in a steady decrease in pressure from the wave crest to the valley. That is why the most favorable profile is that which has a steady decrease in the curvature of the mountain profile away from the apex. For a practical execution of the waves, however, it can be advantageous to let the curvature of the mountain profile decrease in stages.
It follows that in the area of the turning point of the wave profile, this can also be replaced by a straight line.
Characterized in that, according to the invention, elevations are seen on the heat exchange surfaces by z. B. the surfaces are designed wel leniform, it is possible with Kon capacitors and water preheaters to get by with much smaller surfaces and pipe lengths. As a result, higher water velocities can be allowed with the same pressure loss in the water flow, which also improves the heat transfer coefficient on the water side.
Furthermore, the wall temperature of such devices with a corrugated surface on the condensate side is higher than that of non-corrugated surfaces due to the good heat transfer. As a result, the temperature-dependent properties of the water cause a further improvement in the heat transfer on the water side.
Finally, the shorter, corrugated tubes have better heat transfer on the water side due to the hydrodynamic start-up effect of the water flow. These improvements in the various heat transfers that have the consequence that one z. B. in the case of condensers in steam turbine systems, depending on the condensation state, 50 to 60%,
in the case of water preheaters, it can even save 55 to 70% of the heat exchange area. The heat exchange walls are expediently made of copper, since the corresponding savings are less large with metals with lower thermal conductivity.
Instead of performing the heat exchange wall in the manner shown in Figure 1 only on the con densation side corrugated, it can, as shown in Fig. 2, designed as a wave-shaped body 8, so z. B. be made of corrugated iron.
The heat exchange wall can, as shown in FIG. 3, also be designed as a flat plate with a corrugated surface 9. Such plates are suitable for heat exchangers in package form. The heat exchange surface can furthermore, as shown in FIGS. 4 and 5, be designed as a tube 10 with longitudinal grooves running on the outside thereof. However, the grooves can also be provided on the inside of the tube.
As shown in FIGS. 6 and 7, the heat exchange surface designed as a tube 11 can also be grooved on the outside perpendicular to the tube axis. However, the transverse grooves can also be provided on the inside of the pipe.
To make it easier to assemble externally grooved pipes, these are expediently widened at the ends. This is shown in FIG. 8 for a tube 12 that is longitudinally grooved on the outside, the dashed lines 13 indicating the parts protruding away from the shaft valley after the tube expansion and 1-1 designating the fastening point of the tube 12 in a tube plate 121.
The \ Värineaustausehwand can also be designed as a helically grooved tube.
Detailed calculations have shown that the condensate precipitated in the crests of the corrugations of the heat exchange wall moves in the direction of the maximum pressure gradient, which is given by the surface tension of the condensation skin. In the cases where the condensate flows off in the valleys under the influence of the Ctravitation, this direction is almost perpendicular to the direction in which the gravitation acts.
This has to do with the fact that the pressure gradient, which is given by the surface tension in the condensate skin, is a large multiple of the pressure gradient which is caused by gravity.
In longitudinally grooved pipes of the type shown in FIGS. 4 and 5, the upper surface of the condensate membrane at the upper end of the pipe according to curve 17 in FIG. 9 will run.
As the distance progresses from the upper end of the pipe, the valley is filled up more and more because of the increase in the condensate precipitated in the upper part. In FIG. 9, three successive profiles 17, 18 and 19 of the surface of the condensate in the vertical flow direction are shown As opposed to the lower parts of the pipe, the area of lively condensation is more and more restricted as a result of the swelling of the valley flow.
The resulting loss of effective condensation surface is largely compensated for by the fact that the thickness of the condensate skin in the seheitel of the wave crest decreases sharply in the lowest parts of the tube, as shown by curves 17, 18 and 19 in FIG. 9 can be seen, whereby the insulating effect of the condensate skin is considerably reduced at the apex.