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Gegenstromwärmeaustauscher für Kälteanlagen Die Erfindung betrifft einen Gegenstromwärmeaustausche-r für Kälteanlagen, der in einem Mantelrohr mehrere von mindestens einem strömenden Medium durchflossene Rohre enthält, welches in Wärmeaustausch mit einem das Mantelrohr in Gegenstrom durchsetzenden Medium steht.
Insbesondere auf dem Gebiet der Tieftemperaturtechnik, beispielsweise zur Erzeugung tiefster Temperaturen mittels eines Kältekreislaufes mit Wasserstoff oder Helium als Kältemittel, aber auch in Anlagen zur Zerlegung tiefsiedender Gase besteht die Forderung, in den in diesen Anlagen verwendeten Gegenstromwärmeaustauschern die Temperaturdifferenzen zwischen den miteinander in Wärmeaustausch stehenden strömenden Medien möglichst klein zu machen, da bekanntlich die Leistungsverluste in den Wärmeaustauschern zu einem wesentlichen Teil durch die Tatsache bedingt sind,
dass die Wärme über ein endliches Temperaturgefälle übertragen werden muss.
Die Erfindung hat sich die Ausbildung eines derartigen Wärmeaustauschers für Kälteanlagen zum Ziel gesetzt, bei welchem geringe Temperaturdiffe- renzen zwischen den in Wärmeaustausch stehenden Medien erzielt werden, wobei auch der Fall mit um- fasst werden soll, bei dem sich die geringen Temperaturdifferenzen auf .ein Ende des Wärmeaustauschers beziehen, während am anderen Ende unter Umständen höhere Temperaturdifferenzen auftreten. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis,
dass sich diese Forderung unter einem wirtschaftlich tragbaren Aufwand dann erfüllen lässt, wenn eine möglichst gleich- mässige Massenverteilung aller Ströme über den Querschnitt des Wärmeaustauschers gewährleistet ist unter gleichzeitiger Erzielung einer möglichst gros- sen Austauschfläche und sich weiterhin hohe Wärme- übertragungswerte an beiden Wärmeübertragungs- flächen verwirklichen lassen.
Nach der Erfindung ist der Wärmeaustauscher derart ausgebildet, dass die kreisförmigen Rohre gleichen Durchmesser aufweisen und derart angeordnet sind, dass sie sich längs ihrer Mantellinien gegenseitig berühren und dass das Mantelrohr die Randlage der Rohre längs ihrer Mantellinien tangiert.
Die Zwischenräume zwischen den einzelnen Rohren .und zwischen den Rohren der Randlage und dem Mantelrohr dienen hierbei zur Leitung des einen strömenden Mediums, während die Rohre zur Leitung eines mit diesem erstgenannten Medium. in Wärmeaustausch zu bringenden zweiten Mediums dienen. Gegebenenfalls können durch die Rohre auch zwei oder mehr verschiedene Medien geleitet werden.
Bei einer Tieftemperaturkälteanlage, die im einfachsten Fall aus einem Kompressor, einem Gegenstrom- wärmeaustauscher, einer Expansionsmaschine und einer zu kühlenden Wärmequelle bzw. einem Kälteverbraucher bestehen kann, wird, da auf der Hoch- druckseite des Kältekreises die gleiche Gasmenge wie auf der Niederdruckseite strömt, das Hochdruckgas durch die Zwischenräume geleitet, während das Nie- derdruckgas die Rohre durchströmt.
Der .erfindungsgemäss ausgebildete Wärmeaus- tauscher weist, vergleichen mit seinem Querschnitt, eine relativ grosse Länge auf. So wurde gefunden, dass dann günstige Verhältnisse erreicht werden, wenn die Rohrlänge mindestens das fünfhundertfache des Durchmessers der einzelnen Rohre beträgt, wodurch relativ hohe Geschwindigkeiten der strömenden Medien und damit hohe Wärmeübergangswerte erreicht werden.
Die bei der erfindungsgemässen An-
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ordnung in Kauf genommenen relativ grossen Druckverluste sind jedoch bei derartigen Vorrichtungen in der Tieftemperaturtechnik weniger von Belang als der Aufwand zur Erzeugung .der erforderlichen Temperaturdifferenzen.
Es wurde weiter gefunden, dass der mit der Erfindung bezweckte Effekt dadurch vergrössert werden kann, wenn bei gegebenem Gesamtquerschnitt des Wärmeaustauschers eine möglichst grosse Anzahl von Rohren im Mantelrohr angeordnet ist. Der Umfang des. Mantelrohres, welches alle Rohre der Randlage tangiert, kann vorteilhaft als Vieleck, insbesondere als Drei-, Vier- oder Sechseck, .ausgebildet sein.
Jedoch ist such die Verwendung eines Mantelrohres mit kreisförmigem Querschnitt möglich. Speziell in diesem Fall, jedoch allgemein, immer dann, wenn zwischen den Rohren der Randlage und dem Mantelrohr Zwischenräume von einer Grösse entstehen, die einer gleichmässigen Verteilung des die Zwischenräume durchströmenden Mediums über den gesamten Querschnitt des Wärmeaustauschers in Bezug auf die wärmeaustauschenden Flächen entgegenwirken würden, werden die Zwischenräume durch Einfügung von Einlagzn, wie beispielsweise Drähte, entsprechend verkleinert.
Allfällige Temperaturdifferenzen der die Zwischenräume durchsetzenden Teilströme infolge etwaiger geringer Schwankungen der Massenverteilung werden bei der Erfindung schon an sich dadurch ausgeglichen, dass das Mantelrohr die Rohre mit umschliesst und die Rohre sich gegenseitig berühren, so dass zum Ausgleich dieser eventuellen Temperaturdifferenzen ein Wärmestrom quer zur Strömungsrichtung entstehen kann.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht jedoch darin, dass zum Ausgleich von eventuell auftretenden Temperaturdifferenzen zwischen den die Zwischenräume durchsetzenden Teilströmen die Rohre an mindestens einer Stelle ihrer Länge eine Verengung ihrer Quer- schnittsfläche aufweisen zur Herstellung einer räumlichen Verbindung aller Zwischenräume, so dass hierhin eine D.urchmischung der Teilströme auftritt. Gegebenenfalls werden über die Länge des Wärme- austauschers verteilt an mehreren Stellen diese Mischräume vorgesehen.
Für die Endzonen des Wärmeaustauschers besteht eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung darin, dass die Rohre in den beiden Endzonen des Wärmeaustauschers eine Verengung ihrer Querschnittsfläche aufweisen zur Herstellung einer räumlichen Verbindung aller Zwischenräume, und dass dieser Verbindungsraum an jedem Ende des Wärme- austauschers an eine Zu- bzw. Ableitung für ein strömendes Medium angeschlossen ist.
Eine andere Ausführungsform für die Endzonen des Wärmeaustauschers besteht darin, dass die Rohre in den beiden Endzonen des Wärmeaustauschers konusartig auseinander gespreizt sind, so dass eine räumliche Verbindung .aller Zwischenräume der Rohre entsteht, wobei dieser Verbindungsraum an jedem Ende des Wärmeaustauschers .an eine Zubzw. Ableitung für ein strömendes Medium angeschlossen ist.
Die Rohre des Wärmeaustauschers können auch an ihren beiden Enden in einen Sammelraum münden, der an eine Zu- bzw. Ableitung für ein strömendes Medium angeschlossen ist. Um den Raumbedarf des Wärmeaustauschers möglichst gering zu halten, der gegebenenfalls eine Länge von mehreren Metern aufweist, ist es zweckmässig, das Mantelrohr um einen bestimmten Durchmesser schraubenlinien- förmig anzuordnen.
Weitere Merkmale ergeben sich anhand von in der Zeichnung dargestellten und im folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen der Erfindung.
Fig. 1 zeigt einen Wärmeaustauscher teilweise im Längsschnitt und teilweise in Seitenansicht.
In Fig. 2 ist ein Querschnitt durch den Wärme- austauscher in Fig. 1 längs der Schnittlinie 11-1I der Deutlichkeit halber gegenüber Fig. 1 vergrössert dargestellt.
Fig. 3 zeigt im Detail :einen Ausschnitt aus einem Wärmeaustauscher.
Der in Fig. 1 dargestellte Wärmeaustauscher besteht aus einem druckfesten Mantelrohr 1 mit sechseckigem Querschnitt (vgl. Fig. 2), welches neunzehn z. B. aus Aluminium oder Kupfer bestehende Rohre 2 umschliesst. An -den beiden konisch ausgebildeten Endstücken 3 und 4 des Wärmeaustauschers sind Anschlussrohre 5 und 6 für die Zu- .und Ableitung des die Zwischenräume 7 zwischen den Rohren 2 und die Zwischenräume 8 zwischen den Rohren der Randlage und dem Mantelrohr 1 durchströmenden Mediums, beispielsweise des Hochdruckgases eines Kältekreislaufes, angeschlossen.
Die Rohre 2 sind in den Endstücken konisch auseinandergespreizt zur Herstellung eines Verbindungsraumes 9 für die Zwischenräume 7 und B. Die Rohre 2, die in Gegenrichtung zu dem erstgenannten Medium von einem strömenden Medium, beispielsweise dem Niederdruckgas eines Kältekreislaufes, :durchströmt werden, münden an beiden Enden je durch einen Boden in einen Sammelraum 10, der durch den Boden 11 von dem Raum 9 gasdicht abgeschlossen ist. An die Sammelräume 10 sind Rohrstutzen 12 und 13 für die Zu- bzw. Ableitung des strömenden Mediums angeschlossen.
Wie bereits an vorhergehender Stelle ausgeführt wurde, kann eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung darin bestehen, an mindestens einer Stelle der Rohre im Mantelrohr eine Querschnittsveren- gung vorzusehen, wie dieses in Fig. 3 beispielsweise für drei Rohre mit Querschnittsverengungen 15 dargestellt ist.
An dieser Stelle entsteht ein Verbindungsraum für alle Zwischenräume, worin eine Durchmischung der einzelnen Teilströme entsteht, so dass hierdurch zwischen den Teilströmen eventuell entstandene kleine Temperaturdifferenzen ausgeglichen werden können.
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Die Endstücke der Rohre 2 können auch in Abweichung von der Darstellungsweise in Fig. 1 Querschnittsverengungen aufweisen, bevor sie in den über bzw. unter dem Boden liegenden Sammelraum einmünden, so dass hierdurch ein Verbindungsraum für alle Zwischenräume zur Zu- bzw. Ableitung des die Zwischenräume durchströmenden Mediums ,geschaf- fen wird.
Da bei dieser Ausführungsform die Rohre von Boden zu Boden durch die Gesamtlänge des Mantelrohres und der Endstücke parallel verlaufen, können die Endstücke vom gleichen Durchmesser wie das Mantelrohr sein.
Wenn im Ausführungsbeispiel auch nur die Anwendung des erfindungsgemässen Wärmeaustau- schers für den Wärmeaustausch zwischen zwei gasförmigen Medien erwähnt ist, so soll die Erfindung jedoch ebenfalls auch auf die Fälle Anwendung finden, wo beispielsweise ein gasförmiges und ein flüssiges Medium in Wärmeaustausch stehen, wie beispielsweise in einem Kondensor, oder wo gegebenenfalls zwei flüssige Medien in Wärmeaustausch stehen.
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Countercurrent heat exchanger for refrigeration systems The invention relates to a countercurrent heat exchanger for refrigeration systems, which contains several tubes in a jacket tube through which at least one flowing medium flows and which is in heat exchange with a medium passing through the jacket tube in countercurrent.
Particularly in the field of low-temperature technology, for example for generating extremely low temperatures by means of a refrigeration cycle with hydrogen or helium as the refrigerant, but also in systems for the decomposition of low-boiling gases, there is a requirement to reduce the temperature differences between the two flowing heat exchangers in these systems To make media as small as possible, since it is well known that the power losses in the heat exchangers are largely due to the fact
that the heat must be transferred over a finite temperature gradient.
The invention has set itself the goal of designing such a heat exchanger for refrigeration systems, in which small temperature differences are achieved between the media in heat exchange, the case in which the small temperature differences are also to be included Refer to the end of the heat exchanger, while higher temperature differences may occur at the other end. The invention is based on the knowledge
that this requirement can be met at an economically viable cost if the most uniform possible mass distribution of all flows over the cross-section of the heat exchanger is ensured while at the same time achieving the largest possible exchange surface and continuing high heat transfer values at both heat transfer surfaces make it come true.
According to the invention, the heat exchanger is designed such that the circular tubes have the same diameter and are arranged in such a way that they touch each other along their surface lines and that the jacket pipe is tangent to the edge position of the tubes along their surface lines.
The spaces between the individual tubes and between the tubes of the edge layer and the jacket tube serve to convey the one flowing medium, while the tubes are used to convey a medium named with this first. serve to bring in heat exchange second medium. If necessary, two or more different media can also be passed through the pipes.
In the case of a low-temperature refrigeration system, which in the simplest case can consist of a compressor, a counterflow heat exchanger, an expansion machine and a heat source to be cooled or a refrigeration consumer, since the same amount of gas flows on the high-pressure side of the refrigeration circuit as on the low-pressure side, the high pressure gas is passed through the spaces, while the low pressure gas flows through the pipes.
The heat exchanger designed according to the invention has, compared with its cross section, a relatively great length. It has been found that favorable conditions are achieved when the tube length is at least five hundred times the diameter of the individual tubes, whereby relatively high speeds of the flowing media and thus high heat transfer values are achieved.
The in the inventive approach
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In the case of such devices in low-temperature technology, however, the relatively large pressure losses that are accepted are less of a concern than the effort required to generate the required temperature differences.
It has also been found that the effect aimed at by the invention can be increased if, for a given overall cross-section of the heat exchanger, the largest possible number of tubes is arranged in the jacket tube. The circumference of the jacket tube, which is tangent to all tubes of the edge layer, can advantageously be designed as a polygon, in particular as a triangle, square or hexagon.
However, the use of a jacket pipe with a circular cross section is also possible. Especially in this case, but generally, whenever there are gaps between the tubes of the edge layer and the jacket tube of a size that would counteract a uniform distribution of the medium flowing through the gaps over the entire cross-section of the heat exchanger with regard to the heat-exchanging surfaces, the gaps are reduced accordingly by inserting inserts such as wires.
Any temperature differences in the partial flows penetrating the intermediate spaces as a result of any slight fluctuations in the mass distribution are evened out in the invention in that the jacket tube also encloses the tubes and the tubes touch each other, so that a heat flow transversely to the flow direction is created to compensate for these possible temperature differences can.
An advantageous development of the invention, however, consists in the fact that to compensate for any temperature differences that may occur between the partial flows penetrating the intermediate spaces, the pipes have a narrowing of their cross-sectional area at at least one point of their length in order to establish a spatial connection of all intermediate spaces, so that a D. .mixing of the partial flows occurs. If necessary, these mixing spaces are distributed over the length of the heat exchanger and provided at several points.
For the end zones of the heat exchanger, an advantageous embodiment of the invention consists in that the tubes in the two end zones of the heat exchanger have a narrowing of their cross-sectional area in order to establish a spatial connection between all spaces, and that this connection space at each end of the heat exchanger is connected to an inlet or discharge for a flowing medium is connected.
Another embodiment for the end zones of the heat exchanger is that the tubes in the two end zones of the heat exchanger are spread apart like a cone, so that a spatial connection of all spaces between the tubes is created, this connection space at each end of the heat exchanger. Drainage for a flowing medium is connected.
The tubes of the heat exchanger can also open out at their two ends into a collecting space which is connected to an inlet or outlet for a flowing medium. In order to keep the space requirement of the heat exchanger as low as possible, which may have a length of several meters, it is expedient to arrange the jacket tube in a helical manner around a certain diameter.
Further features emerge on the basis of the exemplary embodiments of the invention shown in the drawing and explained below.
Fig. 1 shows a heat exchanger partly in longitudinal section and partly in side view.
In FIG. 2, a cross section through the heat exchanger in FIG. 1 along the section line 11-1I is shown enlarged compared to FIG. 1 for the sake of clarity.
Fig. 3 shows in detail: a section from a heat exchanger.
The heat exchanger shown in Fig. 1 consists of a pressure-resistant jacket tube 1 with a hexagonal cross-section (see. Fig. 2), which z. B. made of aluminum or copper pipes 2 encloses. At the two conical end pieces 3 and 4 of the heat exchanger there are connection pipes 5 and 6 for the supply and discharge of the medium flowing through the spaces 7 between the pipes 2 and the spaces 8 between the pipes of the edge layer and the jacket pipe 1, for example the High pressure gas of a refrigeration cycle connected.
The tubes 2 are conically spread apart in the end pieces to produce a connecting space 9 for the spaces 7 and B. The tubes 2, through which a flowing medium, for example the low-pressure gas of a refrigeration cycle, flows in the opposite direction to the first-mentioned medium, open at both Each ends through a floor into a collecting space 10, which is sealed gas-tight from the space 9 by the floor 11. Pipe sockets 12 and 13 for supplying and removing the flowing medium are connected to the collecting spaces 10.
As already stated above, an advantageous further development of the invention can consist in providing a cross-sectional constriction at at least one point on the pipes in the jacket pipe, as is shown in FIG. 3 for three pipes with cross-sectional constrictions 15, for example.
At this point there is a connecting space for all intermediate spaces, in which the individual partial flows are mixed so that any small temperature differences that may arise between the partial flows can be compensated for.
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The end pieces of the tubes 2 can also have cross-sectional constrictions, in deviation from the representation in FIG. 1, before they open into the collecting space lying above or below the floor, so that a connecting space for all spaces for the supply and discharge of the spaces flowing through medium, is created.
Since in this embodiment the pipes run parallel from floor to floor through the entire length of the casing pipe and the end pieces, the end pieces can be of the same diameter as the casing pipe.
If in the exemplary embodiment only the use of the heat exchanger according to the invention for the heat exchange between two gaseous media is mentioned, the invention is also intended to apply to cases where, for example, a gaseous and a liquid medium are in heat exchange, such as in a condenser, or where two liquid media are in heat exchange.