DE102008059541A1

DE102008059541A1 - Wärmetauscher

Info

Publication number: DE102008059541A1
Application number: DE102008059541A
Authority: DE
Inventors: Frank Dipl.-Ing. Schubert; Dirk Dipl.-Ing. Drews
Original assignee: SOLARHYBRID AG
Current assignee: SOLARHYBRID AG
Priority date: 2008-11-30
Filing date: 2008-11-30
Publication date: 2010-06-02

Abstract

Wärmetauscher (1) zum Austausch von Wärme zwischen einem ersten und einem zweiten Wärmeträgermedium, mit einem von dem ersten Wärmeträgermedium durchströmbaren Strömungskanal (4) und einem von dem zweiten Wärmeträgermedium durchströmbaren Wärmetauscherrohr (5), das innerhalb des Strömungskanals (4) von dem ersten Wärmeträgermedium überströmbar angeordnet ist, wobei der Strömungskanal (4) einen Ringspaltkanal (30) umfasst, in dem das Wärmetauscherrohr (5) wendelförmig verläuft.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zum Austausch von Wärme zwischen einem ersten und einem zweiten Wärmeträgermedium, mit einem von dem ersten Wärmeträgermedium durchströmbaren Strömungskanal und einem von dem zweiten Wärmeträgermedium durchströmbaren Wärmetauscherrohr, das innerhalb des Strömungskanals von dem ersten Wärmeträgermedium überströmbar angeordnet ist.
Wärmetauscher mit in einem Strömungskanal geführten Wärmetauscherrohren, etwa Koaxial- oder Rohrbündeltauscher, dienen in Wär meversorgungssystemen zur Übertragung von Wärmeenergie zwischen zwei Wärmeträgermedien, beispielsweise zwischen zwei Wasserkreisläufen, zwischen einem Dampfkreislauf und einem Warmwasserkreislauf oder zwischen einem Kältemittelkreislauf und einem Warmwasserkreislauf.
Hierzu wird eines der beiden Wärmeträgermedien in einem Strömungskanal geführt und das zweite Wärmeträgermedium zumeist gegenläufig in einem Wärmetauscherrohr innerhalb des Strömungskanals des ersten Wärmeträgermediums geführt. Über die Mantelfläche des Wärmetauscherrohres findet ein Wärmeaustausch zwischen den beiden Wärmeträgermedien statt.
Bei Wärmetauschern besteht der Wunsch, bei vorgegebenem Durchsatz der Wärmeträgermedien eine möglichst effiziente Wärmeübertragung bei zugleich kompakter Bauweise zu erreichen.
Nachteilig an den bekannten Wärmetauschern ist allerdings unter anderem, dass zum Teil Strömungsbereiche des ersten Wärmträgermediums weit entfernt vom Wärmetauscherrohr und somit vom Wärmeaustauschbereich liegen und dadurch nicht effizient zur Wärmeübertragung beitragen. Somit wird das erste Wärmeübertragungsmedium bei vorgegebenem Durchsatz nur unzureichend ausgenutzt.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen kompakten Wärmetauscher bereitzustellen, bei dem das erste Wärmeträgermedium zu verbesserten Anteilen an der Wärmeübertragung teilnimmt.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Wärmetauscher der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass der Strömungskanal einen Ringspaltkanal umfasst, in dem das Wärmetauscherrohr wendelförmig verläuft. Durch die Wendelform des Wärmetauscherrohres ergibt sich eine kompakte Bauweise, die zudem lange Strömungswege des zweiten Wärmeträgermediums innerhalb des Wärmetauscherrohres ermöglicht, wobei durch die Führung im Ringspaltkanal zugleich ein effizienter Austausch von Wärme von dem einen auf das andere Wärmeträgermedium möglich ist, da von dem Wärmetauscherrohr entfernte Strömungsbereiche des ersten Wärmeträgermediums vermieden werden können.
Bevorzugt verlaufen die Windungen des wendelförmigen Wärmetauscherrohrs konzentrisch zum Ringspaltkanal, so dass sich eine gleichmäßige Wärmeübertragung erreichen lässt, wodurch die Effizienz gesteigert wird. Ferner kann der Ringspaltkanal einen kreisringförmigen Querschnitt mit konstanter Ringspaltbreite aufweisen, wodurch gleichfalls die Effizienz gesteigert wird. Die Erfindung ist jedoch nicht auf kreisringförmige Querschnitte mit einer konstanten Ringspaltbreite beschränkt, da beispielsweise auch eckige oder ovale Ringquerschnitte mit variabler Ringbreite verwendbar sind. Die Ringspaltbreite liegt bevorzugt im Bereich des Rohrdurchmessers des Wärmetauscherrohrs und beträgt insbesondere höchstens das dreifache, vorzugsweise höchstens das 1,5-fache des Rohrdurchmessers des Wärmetauscherrohrs.
Der Wärmetauscher kann derart ausgestaltet sein, dass das erste Wärmeträgermedium gegenströmig zu dem zweiten Wärmeträgermedium strömbar ist, wodurch die Effizienz der Wärmeübertragung gesteigert wird.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird eine Kanalwand des Ringspaltkanals von der Außenwand eines Innenzylinders, um welchen das Wärmetauscherrohr wendelförmig herum verläuft, gebildet und eine Kanalwand des Ringspaltkanals von der Innenwand eines rohrförmigen Außenzylinders gebildet. Es ergibt sich hierdurch eine Art Doppelrohrwärmetauscher in einfacher Bauweise, dessen ringzylindrischer Kanal als Strömungskanal für das erste Wärmeträgermedium genutzt wird.
Bei einer möglichen Ausgestaltung weist der Wärmetauscher einen im Innenzylinder liegenden, insbesondere sich über die gesamte Höhe des Innenzylinders erstreckenden, vom Wärmetauscherrohr und Strömungskanal strömungsgetrennten Hohlraum auf. Der Hohlraum ist somit strömungsfrei und wird nicht vom ersten oder zweiten Wärmeträgermedium durchströmt. In den Hohlraum können andere Bauteile untergebracht werden, so dass sich eine kompakte Bauweise ergibt. Bevorzugt ist in dem Hohlraum ein Verdichter einer Wärmepumpe, die mit dem Wärmetauscher verbindbar ist, angeordnet.
Bevorzugt ist der Außenzylinder mit dem Innenzylinder einstückig verbunden, so dass der Ringspaltkanal ein leicht herzustellendes Bauteil nach Art eines Doppelrohrs darstellen kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung liegt ein Zulauf und/oder Ablauf des Strömungskanals und/oder ein Zulauf und/oder Ablauf des Wärmetauscherrohrs in axialer Flucht zum Ringspaltkanal.
Bevorzugt weist der Wärmetauscher eine Vorlaufkammer auf, in die eine Zulaufmündung eines Zulaufs des Strömungskanals mündet und die mit dem Ringspaltkanal über eine Strömungsverbindung strömungsverbunden ist. Die Vorlaufkammer dient dazu, das über den Zu lauf zulaufende erste Wärmeträgermedium aufzunehmen und zu dem Ringspaltkanal, vorzugsweise gleichmäßig verteilt, hin zu leiten.
Bei einer möglichen Ausbildung ist der Innenzylinder hohl, wobei der sich ergebende Hohlraum die Vorlaufkammer beinhaltet, so dass der zur Verfügung stehende Raum innerhalb des Innenzylinders zur Unterstützung der kompakten Bauweise ausgenutzt wird. Zudem kann die Strömungsverbindung oberhalb der Zulaufmündung liegen, so dass das erste Wärmeträgermedium zunächst in die Vorlaufkammer geleitet wird, bevor es in den Ringspaltkanal strömt.
Darüber hinaus kann im Bereich der Strömungsverbindung die Vorlaufkammer mit dem Ringspaltkanal einen gemeinsamen Überlaufrand aufweisen, so dass bei einem Überlaufen der Vorlaufkammer das erste Wärmeträgermedium in den Ringspaltkanal überläuft, wodurch ein gleichmäßig, über den gesamten Umfang des Ringspaltkanals verteiltes Einströmen in den Ringspaltkanal erfolgt.
Zudem kann der Boden der Vorlaufkammer von einer quer im Innenzylinder liegenden Wand gebildet werden, wobei die Wand in einem vorgegebenen Winkel, vorzugsweise 90°, zur Innenwand des Innenzylinders angeordnet ist. Hierdurch wird vermieden, dass sich innerhalb des Innenzylinders eine durchgehende Strömung ausbildet.
Bei einer weiteren möglichen Ausbildung weist der Wärmetauscher eine unterhalb der Zulaufmündung liegende Verteilerplatte zur gleichmäßigen Verteilung des ersten Wärmeträgermediums in den Ringspaltkanal auf.
Bei einer weiteren Ausgestaltung sind die Strömungsverbindungen als über den Umfang des Innenzylinders verteilte, insbesondere radial verlaufende, Bohrungen im Innenzylinder ausgeführt.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass das Innenrohr aus einem steifen Material besteht, so dass das biegsame Wärmetauscherrohr wendelförmig um das Innenrohr herum gewickelt werden kann.
In weiterer Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass der Strömungskanal und das Wärmetauscherrohr in einem gemeinsamen Druckraum angeordnet sind, wodurch eine in konstruktiver Hinsicht günstige Führung der beiden Ströme von Wärmeübertragungsmedien erreicht werden kann.
Von montagetechnischem Vorteil ist ferner eine Ausgestaltung, bei welcher der Innenzylinder, der Außenzylinder und das Wärmetauscherrohr eine Baueinheit bilden, die in den Druckraum einsetzbar ist. Die Baueinheit aus Innenzylinder, Außenzylinder und Wärmetauscherrohr sowie die zugehörigen Zulauf- und Ablaufanschlüsse für die Wärmeträgermedien können in einem ersten Schritt vormontiert und anschließend in baulicher Einheit in den Druckraum eingesetzt werden, wodurch sich eine einfache Montage ergibt.
Schließlich wird vorgeschlagen, dass der Außenzylinder über ein Dichtelement gegenüber einer Innenfläche des Druckraums abgedichtet ist. Hierdurch werden ungewollte Strömungswege wie eine Strömung zwischen dem Außenzylinder und der Innenfläche des Druckraums blockiert.
Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind Mittel zur Unterstützung einer turbulenten Strömung des ersten Wärmeträgermediums zwischen dem Wärmetauscherrohr und einer mindestens Kanalwand des Strömungskanals vorgesehen.
Durch die Mittel zur Unterstützung turbulenter Strömungen werden Verwirbelungen des ersten Wärmeträgermediums zwischen dem Wärmetauscherrohr und der Kanalwand des Ringspaltkanals gezielt unterstützt. Aufgrund dieser Wirbeleffekte werden die laminaren Grenzschichten an dem Mantel des Wärmetauscherrohres abgelöst, wodurch sich ein besserer Wärmeübergang von dem ersten Wärmeträgerfluid auf das Wärmetauscherrohr ergibt. Hinzu kommt, dass das erste Wärmeträgermedium aufgrund von Adhäsionskräften dazu neigt, sich laminar an den Mantel des Wärmetauscherrohres anzulegen, wodurch das erste Wärmeträgerfluid auch in dessen Strömungsrichtung abgewandte Bereiche des Wärmetauscherrohres gelenkt wird, so dass weite Teile des Umfangs des Wärmetauscherrohres zur Wärmeübertragung beitragen. Zudem können turbulente Strömungen sich ablagernden Verunreinigungen entgegenwirken.
Bei einer vorteilhaften Ausbildung bilden die Unterstützungsmittel Engstellen im durchströmbaren Querschnitt des Ringspaltkanals. Im Bereich der Engstellen kommt es zu einer Änderung der Strömungsgeschwindigkeit des ersten Wärmeträgermediums. Beim Durchströmen der Engstelle wird das Wärmeträgermedium stromschnellenartig beschleunigt und anschließend nach Passieren der Engstelle verzögert, wodurch sich innerhalb der Strömung des ersten Wärmeträgerfluids Impulse bilden, die sich wellenförmig fortsetzen und der Ausbildung laminarer Schichten am Mantel des Wärmetauscherrohres entgegenwirken.
In weiterer Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die Unterstützungsmittel durch eine Strukturgebung des Mantels des Wärmetauscherrohres gebildet werden. Hierdurch ergibt sich eine montagefreundliche Ausgestaltung des Wärmetauschers, bei welcher die Unterstützungsmittel einstückig am Mantel des Wärmetauscherrohres vorgesehen sind. Es ist nicht erforderlich, in dem Bereich zwischen dem Mantel des Wärmetauscherrohres und einer Kanalwand des Ringspaltkanals separate Elemente anzuordnen.
Weiter wird vorgeschlagen, dass das Wärmetauscherrohr ein Wellrohr ist, dessen Wellen die Unterstützungsmittel bilden. Wellrohre sind gekennzeichnet durch eine sowohl innen- als auch außenwellige Kontur des Rohrkörpers, wobei die Außenwellen eine Unterstützung zur Ausbildung turbulenter Außenströmungen des ersten Wärmeträgermediums im Bereich zwischen dem Wärmetauscherrohr und einer Wand des Ringspaltkanals bilden. Durch die Innenwellen wird eine turbulente Strömung des zweiten Wärmeträgermediums erreicht, so dass sich auch an der Innenfläche des Wärmetauscherrohres keine den Wärmeübergang beeinflussende, laminare Grenzschichten bilden. Eine solche Ausgestaltung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das erste und das zweite Wärmeträgermedium flüssig sind. Bei der Erwärmung von Brauchwarmwasser als zweitem Wärmeträgermedium sind insbesondere Edelstahlwellrohre aufgrund der hygienisch vorteilhaften Eigenschaften von Edelstahl im Brauchwasserbereich von Vorteil.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass das Wärmetauscherrohr ein Rippenrohr ist, dessen Rippen die Unterstützungsmittel bilden. Ähnlich den Außenwellen eines Wellrohres unterstützen die Rippen die Bildung einer turbulenten Außenströmung des ersten Wärmeträgerme diums. Im Gegensatz zu einem Wellrohr ist die Innenfläche herkömmlicher Rippenrohre jedoch überwiegend eben, so dass an der Innenseite des Wellrohres keine Unterstützungsmittel zur Bildung turbulenter Innenströmungen vorgesehen sind. Diese Ausgestaltung bietet sich insbesondere dann an, wenn im Wärmetauscherrohr ein dampfförmiges Wärmeträgermedium oder ein Flüssig-Gas-Gemisch als Wärmeträgermedium geführt wird, wie dies beispielsweise bei Kältemittelkreisläufen der Fall ist.
Weiter wird vorgeschlagen, dass die Unterstützungsmittel derart an einer der beiden Kanalwände anliegen, dass sich Durchlassöffnungen bilden. Die Durchlassöffnungen bilden Engstellen des Strömungsquerschnitts des ersten Wärmeträgerfluids, wodurch sich düsenartige Engstellen mit den damit verbundenen, laminare Grenzschichten lösenden Geschwindigkeitsdifferenzen ergeben.
Alternativ wird vorgeschlagen, dass die Unterstützungsmittel von Strömungshindernissen gebildet werden. Die Strömungshindernisse können im Bereich zwischen dem Wärmetauscherrohr und einer Kanalwand des Ringspaltkanals zur Reduzierung des Strömungsquerschnitts angeordnet werden. Auch hierdurch ergeben sich Engstellen im Strömungsweg des ersten Wärmeträgermediums, die die Bildung von Turbulenzen fördern und laminare Schichten lösen.
In diesem Zusammenhang wird weiter vorgeschlagen, dass die Strömungshindernisse Teil eines Drahtnetzes oder Steckmetallgitters sind, welches im Bereich zwischen dem Wärmetauscherrohr und einer Kanalwand des Ringspaltkanals angeordnet ist. An den Maschen des Drahtnetzes wird die Strömung des ersten Wärmeträgerfluids aufgrund der Querschnittsreduzierung beschleunigt und umgelenkt, wodurch sich laminare Grenzschichten an dem Mantel des Wärmetauscherrohres vermeiden lassen.
Es wird ferner vorgeschlagen, dass der Außenzylinder aus einem biegsamen Material, insbesondere aus Plattenmaterial oder aus Folienmaterial geeigneter Dicke, besteht. Nach dem Umwickeln des Innenzylinders mit dem Wärmetauscherrohr, kann das biegsame Material, z. B. PVC, des Außenzylinders dicht an die radial außen liegenden Unterstützungsmittel gelegt und anschließend beispielsweise über Spanngurte zusammengezogen und temporär zur Verklebung fixiert werden, so dass sich eine enge Anlage der Unterstützungsmittel an den beiden Kanalwänden des Ringspaltkanals ergibt. In alternativer Ausgestaltung kann der Außenzylinder aus einem Rohr, beispielsweise Kunststoffrohr gebildet sein, welches im Vorfeld der Montage längsseitig in zwei Hälften geteilt wurde, wobei die Hälften um das Wärmetauscherrohr herum positioniert und anschließend mittels geeigneter Verfahren miteinander verbunden werden, beispielsweise durch Verschweißen. In diesem Zusammenhang ist es ebenfalls möglich, das Rohr einseitig zu schlitzen, etwas aufzubiegen und dabei über das Wärmetauscherrohr zu stülpen und anschließend die Schlitzung nach dem Vorspannen z. B. durch Verschweißen zu verbinden.
Weitere Einzelheiten und Vorteile des erfindungsgemäßen Wärmetauschers werden nachfolgend unter Zuhilfenahme der beigefügten Zeichnungen von Ausführungsbeispielen erläutert. Darin zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines Wärmetauschers,
2 eine seitliche Ansicht des Wärmetauschers aus 1,
3 eine seitliche Ansicht des Wärmetauschers aus 1 unter Weglassung einiger Bauteile zur Veranschaulichung des inneren Aufbaus,
4 eine seitliche Ansicht des Wärmetauschers aus 1 unter Weglassung einiger Bauteile zur Veranschaulichung des inneren Aufbaus,
5 eine seitliche Ansicht eines Wärmetauschers,
6 eine Schnittdarstellung des Wärmetauschers aus 5 gemäß der in 5 mit VI-VI bezeichneten Schnittebene,
7 eine vergrößerte Detaildarstellung gemäß der in 6 mit VII bezeichneten Einzelheit,
8 bis 11 verschiedene Ansichten eines Wärmetauscherrohrabschnitts gemäß einer ersten Ausführung,
12 bis 15 verschiedene Ansichten eines Wärmetauscherrohrabschnitts gemäß einer zweiten Ausführung,
16 eine schematische Draufsicht auf einen Wärmetauscher,
17 eine vergrößerte Detaildarstellung gemäß der in 16 mit XVII bezeichneten Einzelheit,
18 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Strömungsverhältnisse,
19 eine weitere Ausführung eines Wärmetauschers in perspektivischer Ansicht mit einigen Herausschnitten zur Veranschaulichung des inneren Aufbaus,
20 eine Schnittdarstellung des Wärmetauschers gemäß 19,
21 eine vergrößerte Detailansicht gemäß der in 20 mit XXI bezeichneten Einzelheit,
22 eine schematisierte Draufsicht auf den Wärmetauscher gemäß 19,
23 eine vergrößerte Detailansicht gemäß der in 22 mit XXIII bezeichneten Einzelheit,
24 eine vergrößerte Detaildarstellung des oberen Abschnitts des in 6 dargestellten Wärmetauschers,
25a eine Variante des in 24 gezeigten Wärmetauschers,
25b eine Variante des in 24 gezeigten Wärmetauschers,
26 eine weitere Variante eines Wärmetauschers in einer perspektivischen Darstellung,
27 der Wärmetauscher aus 26 in einer gedrehten Perspektive,
28 der Wärmetauscher aus 26 in einer Seitenansicht, und
29 der Wärmetauscher in einer Schnittansicht gemäß der Schnittlinie A-A aus 28.
Die 1 bis 7 zeigen verschiedene Ansichten eines Wärmetauschers 1, anhand welcher nachfolgend zunächst der Aufbau des Wärmetauschers 1 und die strömungstechnischen Gegebenheiten im Inneren des Wärmetauschers 1 erläutert werden.
Der Wärmetauscher 1 setzt sich zusammen aus einer innen liegenden Baueinheit 40, die innerhalb eines nach außen abgedichteten Druckraums 20 angeordnet ist. Der Druckraum 20 ist von insgesamt zylindrischer Geometrie und wird gebildet von einem Druckzylinder 21, der stirnseitig über Flanschplatten 22 geschlossen ist. Bei der Montage des Wärmetauschers 1 wird zunächst die Baueinheit 40 vormontiert und anschließend in den Druckzylinder 21 eingeschoben, der bereits mit einer der beiden Flanschplatten 22 verbunden sein kann. Anschließend wird die zweite Flanschplatte 22 mit dem Druckzylinder 22 verbunden, wodurch der Druckraum 20 nach außen hin abgedichtet wird.
An der Baueinheit 40 sind vier Anschlüsse 23, 24, 25, 26 vorgesehen, die als Zu- bzw. Abläufe des ersten bzw. zweiten Wärmeträgermediums dienen, vgl. insbesondere die 1 und 5.
Das erste Wärmeträgermedium strömt in einem Strömungskanal 4, der einen Zulauf 23, eine Vorlaufkammer 31, einen Ringspaltkanal 30 mit einem kreisringförmigen Querschnitt und einen Ablauf 24 umfasst.
Der Ringspaltkanal 30 wird von einem aus einem als Innenrohr ausgebildeten Innenzylinder 2 und einem konzentrischen, als Außenrohr ausgebildeten Außenzylinder 3 gebildet, deren innere bzw. äußere Mantelflächen die Kanalwände 7, 8 des Ringspaltkanals 30 bilden, vgl. insbesondere die 6 und 7, wodurch sich ein kreisringförmiger Querschnitt ergibt. Innerhalb dieses ringzylindrischen Raums strömt das erste Wärmeträgermedium gemäß der Darstellung in 6 von oben nach unten, wobei es das sich in dem Ringspaltkanal 30 wendelförmig um den Innenzylinder 2 herum erstreckende Wärmetauscherrohr 5 überströmt. In Inneren 6 des Wärmetauscherrohrs 5 strömt das zweite Wärmeträgermedium entgegen der Strömungsrichtung des ersten Wärmeträgermediums von unten nach oben. Das helixförmige Wärmetauscherrohr 5 weist eine Vielzahl von Windungen auf, die konzentrisch zum Rohrspaltkanal 30 mit einer konstanten Steigung verlaufen.
Da sich die beiden Wärmeträgermedien auf unterschiedlichen Temperaturniveaus befinden, findet innerhalb des Wärmetauschers 1 ein Austausch von Wärme von dem einen auf das andere Wärmeträgermedium statt, so dass das eine Wärmeträgermedium den Wärmetauscher 1 abgekühlt und das andere Wärmeträgermedium den Wärmetauscher 1 erwärmt verlässt. Die Übertragung der Wärme erfolgt stets über das Wärmetauscherrohr 5, kann jedoch in zwei Richtungen erfolgen. Wie nachfolgend im Einzelnen erläutert werden wird, kann das zweite, in dem Wärmetauscherrohr 5 geführte Wärmeträgermedium, beispielsweise Brauchwarmwasser, über das erste, in dem Strömungskanal 4 geführte Wärmeträgermedium erwärmt werden. Dabei unterstützen die sich aufgrund der Temperaturänderungen einstellenden Dichteänderungen der Wärmeträgermedin die Strömungen innerhalb des Wärmetauschers. Das im unteren Bereich kalt in das Wärmetauscherrohr 5 eintretende zweite Wärmeträgermedium wird über das erste Wärmeträgermedium erwärmt, wodurch sich dessen Dichte reduziert, es also leichter wird, und innerhalb des Wärmetauscherrohres nach oben steigt. Anders verhält es sich mit dem ersten Wärmeträgermedium. Dies tritt mit höherer Temperatur oben in den Wärmetauscher ein. Durch die Abkühlung erhöht sich die Dichte des ersten Wärmeträgermediums, so dass die Strömung des sich abkühlenden ersten Wärmeträgermediu ms nach unten aufgrund der Schwerkraftverhältnisse innerhalb des Strömungskanals 4 ebenfalls unterstützt wird. Es ergibt sich eine natürliche Unterstützung der Strömungen durch die sich ändernden Dichteverhältnisse.
Die Übertragung der Wärme kann jedoch auch in umgekehrter Richtung von dem in dem Wärmetauscherrohr 5 geführten Wärmeträgermedium auf das in dem Strömungskanal 4 geführte, erste Medium übertragen werden, etwa dann, wenn der Wärmetauscher als Kondensator in Wärmepumpen verwendet wird. Um die Strömungen im Wärmetauscher durch die sich ändernden Dichteverhältnisse zu unterstützen, ist es vorteilhaft, wenn bei einer solchen Ausgestaltung die Strömungsrichtungen umgekehrt zu der vorstehend beschriebenen Brauchwassererwärmung verlaufen, d. h. das erste Wärmeträgermedi um in dem Strömungskanal 4 nach oben und das zweite Wärmeträgermedium in dem Wärmetauscherohr 5 nach unten strömt.
Das erste, höher temperierte Wärmeträgermedium, bei dem es sich beispielsweise um Heizungswasser aus einem Pufferspeicher handeln kann, tritt bei der Ausführung gemäß 6 über die Zulaufmündung 32 (24) des mittig liegenden Zulaufs 23 in eine Vorlaufkammer 31 ein, die innerhalb des hohlen Innenzylinders 2 angeordnet ist. Dort trifft das erste Wärmeträgermedium auf eine den weiteren Strömungsweg verschließende, rechtwinklig zum Innenzylinder 2 liegende Wand 28, was zu einer Richtungsumkehr der Strömung des ersten Wärmeträgerfluids führt, vgl. insbesondere 6 und 7.
In 24 ist der obere Abschnitt des Wärmetauschers 1 aus 6 vergrößert dargestellt. Die Vorlaufkammer 31 ist mit dem Ringspaltkanal 30 über die Strömungsverbindung 33 strömungsverbunden. Hierzu stellt der obere Rand des Innenzylinders 2 einen gemeinsamen Überlaufrand 36 der Vorlaufkammer 31 und des Ringspaltkanals 30 dar, so dass bei einem Überlaufen der Vorlaufkammer 31 das erste Wärmeträgermedium in den Ringspaltkanal 30 überläuft.
In 25a ist eine Variante des in 24 gezeigten Wärmetauschers 1 dargestellt. Im Unterschied zum Wärmetauscher 1 weist der ansonsten baugleiche Wärmetauscher 1' eine Verteilerplatte 34 unterhalb der Zulaufmündung 32' des nunmehr kürzeren Zulaufs 23' auf, so dass die Vorlaufkammer 31' nicht mehr innerhalb des Innenzylinders 2 liegt. Durch die Verteilerplatte 34 wird ebenfalls ein gleichmäßiges Einströmen des ersten Wärmeträgermediums in den Ringspaltkanal 30 erreicht.
Bei der in 25b dargestellten Variante eines Wärmetauschers, bei der der Zulauf 23 in die mit einer Deckelplatte 34 versehenen Vorlaufkammer 31 mündet, sind die Strömungsverbindungen 33' als über den Umfang des Innenzylinders 2 verteilte Bohrungen im Innenzylinder 2 und/oder als Bohrungen in der Deckelplatte 34 ausgeführt.
Eine weitere Variante eines Wärmetauschers ist in den 26 bis 29 dargestellt. Der Wärmetauscher 1'' weist einen im Innenzylinder 2'' liegenden, insbesondere sich über die gesamte Höhe des Innenzylinders erstreckenden, vom Wärmetauscherrohr 5 und Strömungskanal (4) strömungsgetrennten Hohlraum 35 auf, in dem beispielsweise ein nicht dargestellter Kompressor einer, mit dem Wärmetauscher 1'' verbundenen Wärmepumpe anordbar ist. Hierbei sind der Außenzylinder 3'' und der Innenzylinder 2'' einstückig miteinander verbunden und bilden eine Baueinheit aus Kunststoff oder Metall. Der Zulauf 23'' und Ablauf 25'' des Strömungskanals 4 sowie der Zulauf 26'' und Ablauf 24'' des Wärmetauscherrohrs 5 liegen in axialer Flucht zum Ringspaltkanal 30, so dass sie nicht in radialer Richtung über den Ringspaltkanal 30 überstehen. Der Hohlraum 35 ist somit nicht Bestandteil des Druckraums.
Gemäß der ersten Ausgestaltung nach 6 tritt über die Strömungsverbindungen 33 das erste Wärmeträgermedium im oberen Bereich gleichmäßig verteilt in den Ringspaltkanal 30 ein und verlässt nach Überströmen des wendelförmigen Wärmetauscherrohres 5 den Wärmetauscher 1 abgekühlt über den Ablauf 24. Gegenströmig zur Strömungsrichtung des ersten Wärmeträgermediums tritt über den Zulauf 25 das weniger hoch temperierte zweite Wärmeträgermedium in das Wärmetauscherrohr 5 ein, bei dem es sich beispielsweise um Wasser eines Brauchwarmwasserversorgungssystems handeln kann. Das zweite Wärmeträgermedium steigt in dem Wärmetauscherrohr wendelförmig in dem Strömungskanal 4 nach oben und tritt erwärmt über den Ablauf 26 aus dem Wärmetauscher aus. Zur Vermeidung von Leckage- bzw. Bypass-Strömungen ist zwischen dem Außenzylinder 3 und einer Innenwand 29 des Druckzylinders 21 ein Dichtelement 27 vorgesehen.
Wie die vergrößerte Detaildarstellung in 7 erahnen lässt, in welcher ebenso wie in den 1 bis 6 die erfindungsgemäßen Unterstützungsmittel 10, 11, 12 zur Veranschaulichung nicht eingezeichnet sind, können sich im Mantelbereich des Wärmetauscherrohres 5 laminare Grenzschichten des ersten Wärmeträgermediums bilden, die die Oberfläche des Wärmetauscherrohres 5 ähnlich einem Ölfilm umgeben und den Wärmeübergang von dem ersten Wärmeträgermedium auf das in dem Wärmetauscherrohr 5 strömende zweite Wärmeträgermedium beeinträchtigen. Auch können sich beim Durchströmen des Strömungskanals 4 thermische Unterdruckzonen des ersten Wärmeträgermediums im Bereich zwischen den Wendeln des Wärmetauscherrohres 5 bilden, wodurch der Wärmeübergang ebenfalls beeinträchtigt wird.
Zur Verbesserung des Wärmeübergangs sind erfindungsgemäß Unterstützungsmittel 10, 11, 12 zur Unterstützung bzw. Ausbildung turbulenter Strömungen zwischen dem Wärmetauscherrohr 5 und den Kanalwänden 7, 8 des Ringspaltkanal 30 vorgesehen, die einstückig am Mantel des Wärmetauscherrohres 5 und oder als separate Bauelemente ausgebildet sind, was nachfolgend anhand der 8 bis 26 im Einzelnen erläutert werden wird.
In den 8 bis 11 ist ein Abschnitt eines Wärmetauscherrohrs 5 gemäß einer ersten Ausführung des Wärmetauschers 1 dargestellt. Das Wärmetauscherrohr 5 ist als Wellrohr, beispielsweise als trinkwasserzugelassenes Edelstahl-Wellrohr, ausgebildet. Die Wellen des Wellroh res bilden die Mittel 10 zur Unterstützung turbulenter Strömungen, was nachfolgend unter Zuhilfenahme der 16 bis 18 erläutert werden wird.
In 16 ist eine Draufsicht auf den Wärmetauscher 1 und insbesondere das wendelförmig durch den Ringspaltkanal 30 zwischen dem Innenzylinder 2 und dem Außenzylinder 3 hindurch verlaufende Wärmetauscherrohr 5 gezeigt. Das Wärmetauscherrohr 5 wird von einem Wellrohr gemäß den Darstellungen in den 8 bis 11 gebildet und weist gemäß den Darstellungen in den 8 bis 11 eine wellige Außenkontur auf, deren Wellen 10 Mittel zur Unterstützung einer turbulenten Strömung bilden. Im Bereich der Kanalwände 7 und 8 des Ringspaltkanals 30 liegen die Wellenberge der Wellen 10 an dem Innenrohr 2 und dem Außenrohr 3 an. Hierdurch ergeben sich in den Wellentälern Durchlassöffnungen 9, die von dem ersten Wärmeträgermedium beim Durchströmen des Ringspaltkanals 30 durchströmt werden. Gegenüber dem übrigen Strömungsweg, vgl. Darstellung in den 6 und 7, stellen diese Durchlassöffnungen 9 Engstellen im Überströmungsbereich des Wärmetauscherrohres 5 dar, weshalb das erste Wärmeträgermedium beim Durchströmen dieser Durchlassöffnungen 9 beschleunigt und nach Durchtreten der Durchlassöffnungen 9 wieder verzögert wird. Hierdurch ergeben sich turbulente Strömungen gemäß der in 18 dargestellten Schemaansicht, die zum einen laminare Grenzschichten an der Mantelfläche des Wärmetauscherrohres 5 ablösen und zum anderen auch in in Strömungsrichtung betrachtet hinter dem Wärmetauscherrohr 5 liegende Bereiche strömen, so dass das Wärmetauscherrohr 5 über weite Umfangsbereiche an der Wärmeübertragung zwischen dem ersten und zweiten Wärmeträgerfluid teilnimmt.
Durch das Vorsehen der Unterstützungsmittel 10 am Mantel des Wärmetauscherrohrs 5 und deren Annlage an den Kanalwänden 7, 8 des Strömungskanals 4 ergibt sich eine über den gesamten Strömungsweg des Strömungskanals 4 nahezu gleich bleibend turbulente Strömung des ersten Wärmeträgermediums und damit eine effiziente Übertragung der Wärme zwischen dem Wärmetauscherrohr 5 und dem ersten Wärmeträgermedium.
Eine zweite Ausführung eines Unterstützungsmittels 11 zur Ausbildung einer turbulenten Strömung ist in den 12 bis 15 dargestellt. Diese zeigen einen Abschnitt eines alternativ ausgestalteten Wärmetauscherrohres 5, auf dessen Umfang Rippen 11 angeordnet sind, wohingegen das Innere des Wärmetauscherrohres 5 glattflächig ausgebildet ist. Während bei einem Wärmetauscherrohr 5 gemäß den 8 bis 11 auch im Inneren des Wärmetauscherrohres 5 bzw. im zweiten Wärmeträgerfluid Turbulenzen erzeugt werden, ist dies bei einem Wärmetauscherrohr 5 gemäß den 8 bis 11 nur bei dem ersten, das Wärmetauscherrohr 5 umströmenden Wärmeträgermedium der Fall. Bei dem in den 12 bis 15 dargestellten Wärmetauscherrohr handelt es sich insbesondere um ein Kupferrippenrohr. Ein solches Rohr bietet sich an, wenn im Inneren des Wärmetauscherrohrs 5 ein dampfförmiges bzw. sich in Phasenübergängen befindendes Wärmeträgermedium, beispielsweise Kältemittel einer Wärmepumpe geführt wird, da bei den Phasenübergängen Sieden oder Kondensation bzw. Verdampfung oder Verflüssigung der Wärmeübergang durch laminare Grenzschichten weniger stark beeinträchtigt wird.
Während bei den vorbeschriebenen Ausführungen die Unterstützungsmittel 10, 11 einstückiger Bestandteil der äußeren Mantelfläche des Wärmetauscherrohres 5 sind, zeigen die 19 bis 23 eine Ausfüh rung, bei welcher die Unterstützungsmittel 12 durch zusätzliche, in dem Bereich zwischen dem Wärmetauscherrohr 5 und einer Kanalwand 7, 8 eingebrachte Strömungshindernisse gebildet werden.
Wie die perspektivische und teils geschnittene Darstellung in 19 erkennen lässt, handelt es sich bei den Unterstützungsmitteln um Strömungshindernisse 12, die Engstellen innerhalb des Ringspaltkanals 30 darstellen. Die Strömungshindernisse 12 werden von einer Art Drahtkorb 13 gebildet, wobei das erste Wärmeträgermedium beim Überströmen der Maschen des Drahtkorbs 13 umgelenkt und beschleunigt wird, wodurch sich die laminaren Grenzschichten an dem Wärmetauscherrohr 5 ebenfalls ablösen lassen. Wie insbesondere die Darstellung in 21 erkennen lässt, sind die Unterstützungsmittel 12 sowohl im Bereich zwischen dem Innenrohr 4 und dem Wärmetauscherrohr 5, als auch im Bereich zwischen dem Wärmetauscherrohr 5 und dem Außenrohr 3 als an den Kanalwänden 7, 8 anliegende Zwischenlage vorgesehen, vgl. auch 23.
Mit Hilfe der vorstehend beschriebenen Unterstützungsmittel 10, 11, 12 werden turbulente Strömungen des ersten Wärmeträgerfluids über die gesamte Länge des Ringspaltkanals 30 aufrechterhalten, wodurch sich eine verbesserte Wärmeübertragung an dem von der turbulenten Strömung überströmten Wärmetauscherrohr 5 ergibt.

1: Wärmetauscher
2: Innenzylinder
3: Außenzylinder
4: Strömungskanal
5: Wärmetauscherrohr
6: Rohrinnenraum
7: Kanalwand
8: Kanalwand
9: Durchlassöffnungen
10: Unterstützungsmittel, Welle
11: Unterstützungsmittel, Rippe
12: Unterstützungsmittel, Strömungshindernis
20: Druckraum
21: Druckzylinder
22: Flanschplatte
23: Zulauf
24: Ablauf
25: Zulauf
26: Ablauf
27: Dichtelement
28: Wand
29: Innenfläche
30: Ringspaltkanal
31: Vorlaufkammer
32: Zulaufmündung
33: Strömungsverbindung
34: Verteilerplatte
35: Hohlraum
36: Überlaufrand
40: Baueinheit
50: Verbindungselement
51: Trennelement

Claims

Wärmetauscher zum Austausch von Wärme zwischen einem ersten und einem zweiten Wärmeträgermedium, mit einem von dem ersten Wärmeträgermedium durchströmbaren Strömungskanal (4) und einem von dem zweiten Wärmeträgermedium durchströmbaren Wärmetauscherrohr (5), das innerhalb des Strömungskanals (4) von dem ersten Wärmeträgermedium überströmbar angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (4) einen Ringspaltkanal (30) umfasst, in dem das Wärmetauscherrohr (5) wendelförmig verläuft.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen des wendelförmigen Wärmetauscherrohrs (5) konzentrisch zum Ringspaltkanal (30) verlaufen.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringspaltkanal (30) einen kreisringförmigen Querschnitt aufweist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Wärmeträgermedium gegenströmig zu dem zweiten Wärmeträgermedium strömbar ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kanalwand (7) des Ringspaltkanals (30) von der Außenwand eines Innenzylinders (2), um welchen das Wärmetauscherrohr (5) wendelförmig herum verläuft, gebildet wird und eine Kanalwand (8) des Ringspaltkanals (30) von der Innenwand eines rohrförmigen Außenzylinders (3) gebildet wird.
Wärmetauscher nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen im Innenzylinder (2) liegenden, insbesondere sich über die gesamte Höhe des Innenzylinders erstreckenden, vom Wärmetauscherrohr (5) und Strömungskanal (4) strömungsgetrennten Hohlraum (35).
Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Hohlraum (35) ein Verdichter eines Wärmepumpe anordbar ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenzylinder (3) und der Innenzylinder (2) einstückig miteinander verbunden sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zulauf (23'') und/oder Ablauf (25'') des Strömungskanals (4) und/oder ein Zulauf (26'') und/oder Ablauf (24'') des Wärmetauscherrohrs (5) in axialer Flucht zum Ringspaltkanal (30) liegt.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vorlaufkammer (31), in die eine Zulaufmündung (32) eines Zulaufs (23) des Strömungskanals (4) mündet und die mit dem Ringspaltkanal (30) über eine Strömungsverbindung (33) strömungsverbunden ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenzylinder (2) hohl ist und die Vorlaufkammer (31) beinhaltet.
Wärmetauscher nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsverbindung (33) oberhalb der Zulaufmündung (32) liegt.
Wärmetauscher nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Strömungsverbindung die Vorlaufkammer (31) mit dem Ringspaltkanal (30) einen gemeinsamen Überlaufrand (36) aufweist, so dass bei einem Überlaufen der Vorlaufkammer (31) das erste Wärmeträgermedium in den Ringspaltkanal (30) überläuft.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsverbindungen (33') als über den Umfang des Innenzylinders (2) verteilte, insbesondere radial verlaufende, Bohrungen im Innenzylinder (2) ausgeführt sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden der Vorlaufkammer (31) von einer quer im Innenzylinder (2) liegenden Wand (28) gebildet wird.
Wärmetauscher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, gekennzeichnet durch eine unterhalb der Zulaufmündung (32') liegende Verteilerplatte (34) zur gleichmäßigen Verteilung des ersten Wärmeträgermediums in den Ringspaltkanal (30).
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (4) und das Wärmetauscherrohr (5) in einem gemeinsamen Druckraum (20) angeordnet sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 5 bis 17 und Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenzylinder (2), der Außenzylinder (3) und das Wärmetauscherrohr (4) eine Baueinheit (40) bilden, die in den Druckraum (12) einsetzbar ist. Wärmetauscher nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenzylinder (3) über ein Dichtelement (27) gegenüber einer Innenfläche (29) des Druckraums (12) abgedichtet ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel (10, 11, 12) zur Unterstützung einer turbulenten Strömung des ersten Wärmeträgermediums zwischen dem Wärmetauscherrohr (5) und einer Kanalwand (7, 8) des Ringspaltkanals (30).
Wärmetauscher nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterstützungsmittel (10, 11, 12) Engstellen im durchströmbaren Querschnitt des Ringspaltkanals (30) bilden.
Wärmetauscher nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterstützungsmittel (10, 11) durch eine Strukturgebung des Mantels des Wärmetauscherrohres (5) gebildet werden.
Wärmetauscher nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauscherrohr (5) ein Wellrohr ist, dessen Wellen die Unterstützungsmittel (10) bilden.
Wärmetauscher nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauscherrohr (5) ein Rippenrohr ist, dessen Rippen die Unterstützungsmittel (11) bilden.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterstützungsmittel (10, 11) derart an einer oder beiden Kanalwänden (7, 8) anliegen, dass sich Durchlassöffnungen (9) bilden.
Wärmetauscher nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterstützungsmittel (12) von Strömungshindernissen gebildet werden.
Wärmetauscher nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungshindernisse (12) Teil eines Drahtnetzes (13) sind.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenzylinder (2) aus einem steifen Material besteht.
Wärmetauscher nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenzylinder (3) aus einem biegsamen Material, insbesondere Folienmaterial, besteht.
Wärmetauscher nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenzylinder (3) aus einem aufgeschlitzten Rohr, insbesondere aus Kunststoff oder Metall, besteht.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringspaltbreite im Bereich des Rohrdurchmessers des Wärmetauscherrohrs liegt, wobei sie insbesondere höchstens das dreifache, vorzugsweise höchstens das 1,5-fache des Rohrdurchmessers des Wärmetauscherrohrs beträgt.