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die Längsdurchlässe des äusseren Elementes und durch die Bohrung des inneren Elementes in Umlauf zu bringen und zu halten, wodurch Wärme zwischen den Fluiden ausgetauscht wird.
Die erweiterten kastenförmigen Endteile des Wärmeaustauschers bieten günstige Anschlussund Befestigungsmöglichkeiten. Die mit dem Rohr einstückigen einwärts ragenden und in Längsrichtung verlaufenden Rippen ergeben einen Metall/Metall-Wärmeübertragungsweg mit grossem Querschnitt bei möglichst geringer Behinderung der Fluidströmung. Auf diese Weise wird ein Wärmeaustauscher mit verhältnismässig geringen Rohrdurchmessern und gutem thermischem Wirkungsgrad erhalten.
Die Fluide werden mittels Pumpen im äusseren und inneren Röhrenelement zweckmässig in Gegenstromrichtung in Umlauf gebracht, wobei Wärme zwischen ihnen ausgetauscht wird. Im mittleren Röhrenelement befindet sich ein Fluid und es sind Lecknachweiseinrichtungen vorgesehen, so dass ein Lecken von Fluid aus dem äusseren oder aus dem inneren Röhrenelement festgestellt werden kann.
Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise an Hand der Zeichnungen beschrieben ; in diesen zeigt : Fig. 1 eine schematische Ansicht des erfindungsgemässen Wärmeaustauschsystems, bei der der Wärmeaustauscher im Längsschnitt dargestellt ist, und Fig. 2 eine Querschnitt-Teilansicht der koaxialen Röhrenelemente des Wärmeaustauschers.
Fig. 1 zeigt das erfindungsgemässe Wärmeaustauschsystem-10--. In dem System dient ein Wärmeaustauscher --12-- dazu, von einem Sonnenkollektor --14-- oder einer andern Wärmequelle an ein erstes Fluid abgegebene Wärme an ein zweites Fluid zu übertragen, welches durch den
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B.ter --18-- gebracht, aus dem es zur Benutzung später entnommen wird. Der Wärmeaustauscher --12-- enthält ein äusseres Röhrenelement --20--, ein mittleres Röhrenelement --22-- und ein inneres Röhrenelement --24--, die vorzugsweise koaxial ineinander angeordnet sind. An jedem Ende des äusseren Elementes --20-- befindet sich eine fluiddichte Sammel- bzw.
Verzweigungsleitung (manifold) --26 bzw. 28--, die durch scheibenartige Endwände --30, 32-- gebildet wird, welche sich in Querrichtung zum Wärmeaustauscher von der Aussenfläche --34-- des mittleren Elementes --22-- bis zu den Abschnitten --36, 38-- mit erweitertem Durchmesser der Aussenwand --40-- des äusseren Elementes --20-erstrecken. Endwände --42, 44--, die sich in Querrichtung zum Wärmeaustauscher von der Aussen- fläche --46-- des inneren Elementes --24-- bis zu den Erweiterungen --48, 50-- der Abschnitte --36, 38-- mit erweitertem Durchmesser erstrecken, bilden für das mittlere Element --22-- eine Sammel- bzw. Verzweigungsleitung (manifold)-52 bzw. 54--.
Die Endwände sind mit den entsprechenden zugehörigen Flächen der Röhrenelemente durch beliebige geeignete Mittel, z. B. durch Hartlöten, verbunden, um fluiddichte Verbindungsstellen zu bilden.
Die Sammelleitung --26-- besitzt ein Auslassrohrstück --56--, welches mit dem Rohr --58-verbunden ist, welches zum Einlassrohrstück --60-- einer Wärmequelle, z. B. eines Sonnenkollektors - führt. Der Kollektor wieder besitzt ein Auslassrohrstück --62--, welches mit dem Rohr --64-in Verbindung steht, das zu einem Einlassrohrstück --66-- führt. Dieses Einlassrohrstück öffnet sich in die Verzweigungsleitung --28-- des äusseren Elementes Bei Bedarf kann eine Pumpe --68-- an geeigneter Stelle im Fluidkreislauf, z. B. im Rohr --58--, eingebaut sein, um das Fluid zwischen dem Sonnenkollektor --14-- und dem äusseren Röhrenelement --20-- des Wärmeaustauschers in Umlauf zu bringen bzw. für seine Beibehaltung zu sorgen.
Die Sammelleitung --52-- des mittleren Elementes --22-- besitzt ein Auslassrohrstück --70--, das mit einem Rohr --72-- verbunden ist, das an geeignete Nachweiseinrichtungen, z. B. einen Druckschalter --74-- oder ein Schauglas --76-- od. dgl. angeschlossen ist. Die von der Nachweiseinrichtung fortführende Rückleitung --78-- ist mit einem Einlassrohrstück --80-- verbunden, welches sich in die Verzweigungsleitung --54-- des mittleren Elementes --22-- öffnet. Bei dieser Konstruktion dienen die Durchlässe --82-- des mittleren Elementes --22-- dazu, Lecks von entweder dem äusseren oder dem inneren Röhrenelement --20 bzw. 24-- nachzuweisen. Ein geeignetes nichttoxisches Fluid, z. B.
Luft oder Wasser, füllt die Durchlässe --82-- und das restliche Volumen des Nachweissystems.
Wie bekannt ist, wird das Eindringen von Fluid aus entweder dem inneren oder dem äusseren Röhrenelement in das Fluid im Nachweissystem, was ein Leck in diesen Elementen anzeigen würde, am Schauglas --76-- oder durch den Druckschalter --74-- festgestellt, so dass ein Korrekturvorgang in Gang gesetzt werden kann. Des weiteren ist es bekannt, dass ausser der Betätigung eines Schal-
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ters durch Druck oder dem sichtbaren Anstieg von Fluid in einem Schauglas weitere Alarmmethoden bestehen können in dem Überlaufen aus einer Entlüftungsöffnung, im Anstieg einer Flüssigkeit zwischen elektrischen Kontakten, um einen elektrischen Alarm zu betätigen oder geeignete Ventile abzusperren, oder im Abtasten eines Druckanstiegs in Röhren mit geschlossenem Ende.
Da diese Nachweisvorrichtungen wohlbekannt sind, brauchen sie hier nicht dargestellt und auch nicht beschrieben zu werden, und es braucht hinsichtlich der Zusatzausstattung auch nicht ins einzelne gegangen zu werden, was z. B. den elektrischen oder elektronischen Stromkreis oder die Nachweisstromkreise bzw. -schaltungen und ähnliches in diesem Zusammenhang anbelangt.
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--24-- besitztlass --92-- besitzen, welcher zu einem Hahn od. dgl. führt. Ein geeignetes Rohrstück --94-- am Auslassende --96-- des inneren Elementes ist mit einem Rohr --98-- verbunden, durch welches die aus dem Wärmeaustauscher heraustretende Flüssigkeit zum Sammelbehälter --18-- oder zu einem andern beliebigen geeigneten Abfluss zur Verwendung fliesst.
Beim erfindungsgemässen Wärmeaustauscher wird ein hoher thermischer Wirkungsgrad erzielt, da der Wärmeübertragungsweg durch Metall/Metall-Kontakt mittels integraler Rippen in den Bohrungen eines jeden der Röhrenelemente zustandekommt. Wie am besten in Fig. 2 zu sehen ist, besitzt das äussere Röhrenelement --20-- radial nach innen vorspringende integrale Rippen --100--, die in seiner Bohrung --102-- ausgebildet sind und sich in Längsrichtung über die gesamte Länge von der Sammelleitung --26-- bis zur Verzweigungsleitung --28-- des Elementes erstrecken. Die Rippen --100-- sind mit Abstand voneinander peripher um das Element herum angeordnet, so dass Fluiddurchlässe --104-- gebildet sind.
Das mittlere Röhrenelement --22-- besitzt radial nach innen vorspringende integrale Rippen --106--, die in seiner Bohrung --108-- ausgebildet sind und sich in Längsrichtung über die gesamte Länge von der Sammelleitung --52-- bis zur Verzweigungsleitung - des Elementes erstrecken. Die Rippen --106-- sind mit Abstand voneinander peripher um das Element so herum angeordnet, dass bereits oben erwähnte Fluiddurchlässe --82-- gebildet sind. Das innere Element -24-- besitzt radial nach innen vorspringende integrale Rippen --112--, die in seiner Bohrung --114-- ausgebildet sind und sich in Längsrichtung über die gesamte Länge vom Rohrstück --86-- bis zum Rohrstück --94-- des Elementes erstrecken.
Nach den Zeichnungen sind die Rippen --112-- mit Abstand voneinander peripher um das Element herum angeordnet.
Die Dicke der Rippen --100, 106 und 112--, ihre Anordnung mit Abstand voneinander, die Wanddicke der Röhrenelemente und ihre radiale Anordnung mit Abstand voneinander, welche die Grösse der Fluiddurchlässe im Wärmeaustauscher bestimmen, werden durch wohlbekannte thermodyna- mische und hydrodynamische Erwägungen bestimmt, was die Konstruktionsmaterialien der Vorrichtung anbelangt. Die Rippen selbst können in Längsrichtung gerade sein oder sich schraubenförmig winden. Hinsichtlich der Herstellung des Wärmeaustauschers selbst kann jede geeignete Herstell- bzw. Fertigungstechnik verwendet werden, um die Röhrenelemente zu formen und sie dann ineinander einzufügen, so dass die Rippen der äusseren zwei Elemente sich in gutem thermischem Kontakt mit der Aussenwand des radial innerhalb des andern angeordneten Elementes befinden.
Das innere Element --24-- kann mit integralen radialen Rippen nicht nur in seiner Bohrung, sondern auch mit radial nach aussen vorspringenden Rippen an seiner Aussenfläche ausgebildet sein. Bei einer solchen Konstruktion würde das mittlere Element --22-- so integrale radial nach aussen vorspringende Rippen besitzen, und das äussere Element wäre lediglich ein Rohr mit glatter Wand. Dies wäre auch der Fall bei einer Konstruktion, bei der das mittlere Element integrale radiale Rippen nicht nur in seiner Bohrung, sondern auch radial nach aussen vorspringende Rippen auf seiner Aussenfläche besitzen würde. Das innere Element würde bei einer solchen Konstruktion lediglich in seiner Bohrung Rippen besitzen, wie es beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 der Fall ist. Gemäss der Erfindung können andere solcher Kombinationen durchgeführt werden.
Bei Betrieb werden die Durchlässe --82-- und das übrige Volumen des mittleren Elementes - und der dazugehörige Lecknachweiskreis mit einem geeigneten nichttoxischen Fluid, z. B. Wasser gefüllt, und es wird am Kreis entsprechend der Art der dort eingebauten Nachweisvorrich-
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tung eine Nulleinstellung vorgenommen. Zum Beispiel durch Öffnen geeigneter Ventile (nicht gezeigt) und/oder durch Betätigen der Pumpen --68 und 16--, wird damit begonnen, das Fluid von den Sonnenkollektoren --14-- und vom Sammelbehälter --18-- in Umlauf zu bringen.
Das (durch Pfeile --116-- angedeutete Fluid), das durch die Sonnenenergie in den Kollektoren aufgewärmt worden ist, fliesst durch das Rohr --64-- in die Verzweigungsleitung --28-- und bewegt sich dann längs der Durchlässe --104-- im äusseren Element --20--, wobei es Wärme abgibt. Das Fluid gelangt dann in die Sammelleitung --26-- und wird durch die Leitung --58-- zum Wiederaufheizen bzw. -erwärmen zurückgeführt. Das zu erwärmende Fluid (durch Pfeile --118-- angedeutet) wird dem Wärmeaustauscher durch das Rohr --88-- zugeführt und tritt durch die Bohrung --120-- hindurch, wobei es durch thermischen Austausch mit dem Fluid --116-- aus dem Sonnenkollektor Wärme aufnimmt. Das erwärmte Fluid wird durch das Rohr --98-- zum Sammelbehälter --18-- für spätere Verwendung geführt.
Sollte sich ein Leck in der Wand von entweder dem inneren oder dem mittleren Element entwickeln, würde das Lecken in das im Lecknachweiskreis enthaltene Fluid durch einen Anstieg in der Höhe des Fluids im Schauglas --76-- festgestellt werden, oder die durch das Leck bewirkte Druckänderung würde den Druckschalter --74-- durch wohlbekannte (nicht gezeigte) Einrichtungen so betätigen, dass geeignete, korrigierende Massnahmen in Gang gesetzt werden können.
Die Kapazität des erfindungsgemässen Systems kann erhöht werden, indem die Wärmeaustauscher --12-- parallel zueinander betrieben werden. Die Wirksamkeit erhöht sich auch im allgemeinen, wenn die Wärmeaustauscher aufgerollt oder gewickelt sind. Das erfindungsgemässe Wärmeaustauschsystem kann nicht nur mit einem Sonnenkollektor oder einer andern Wärmequelle zur Erwärmung bzw. Aufheizung eines Fluids verwendet werden, sondern es ist gleichermassen bei Anwendungsfällen wirksam, bei denen ein Arbeitsfluid gekühlt wird. Als Beispiel für einen solchen Anwendungsfall sei die Verwendung des Systems bei einer herkömmlichen Kältemaschine genannt, um trinkbare Fluide sicher und wirksam zu kühlen.
Die Erfindung betrifft also einen Rohr-in-Rohr-Wärmeaustauscher mit drei koaxialen Röhrenelementen, die eines in das andere eingesetzt sind, mit einer Sammel- bzw. Verzweigungsleitung (manifold) an jedem Längsende des Austauschers für den Umlauf des Fluids durch das äussere Rohrelement in Gegenstromrichtung zum Fluid, welches durch das innere Rohrelement fliesst, so dass Wärme dazwischen ausgetauscht wird. Im mittleren Röhrenelement befindet sich ein Fluid, so dass ein Leck im äusseren oder im inneren Röhrenelement festgestellt werden kann.
Jedes der Röhrenelemente besitzt integrale radial nach innen vorspringende Rippen in seiner Bohrung, wobei die Rippen des äusseren Elementes sich in gutem thermischem Kontakt mit dem mittleren Element befinden, dessen Rippen wieder sich in gutem thermischem Kontakt mit dem inneren Element befinden, so dass ein effektiver Wärmeströmungsweg zwischen ihnen vorliegt.
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