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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.
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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.
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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.
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Bei
solchen Wärmetauschern
hat sich als nachteilig erwiesen, dass sich im Bereich des äußeren Mantels
des Wärmetauscherrohrs
um dieses herum laminare Grenzschichten des das Wärmetauscherrohr
umströmenden
ersten Wärmeträgermediums
ausbilden, welche den Wärmeübergang
von dem ersten Wärmeträgermedium
auf das Wärmetauscherrohr
beeinträchtigen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen Wärmetauscher
anzugeben, bei welchem der Wärmeübergang
von dem ersten Wärmeträgermedium
auf das Wärmetauscherrohr
und damit der Wärmeübergang von
dem ersten Wärmeträgermedium
auf das zweite Wärmeträgermedium
verbessert ist.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe wird bei einem Wärmetauscher
der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass Mittel zur Unterstützung einer
turbulenten Strömung
des ersten Wärmeträgermediums zwi schen
dem Wärmetauscherrohr
und einer Kanalwand des Strömungskanals
vorgesehen sind.
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Durch
die Mittel zur Unterstützung
turbulenter Strömungen
werden Verwirbelungen des ersten Wärmeträgermediums zwischen dem Wärmetauscherrohr
und der Kanalwand des Strömungskanals 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.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung des Erfindungsgedankens wird vorgeschlagen,
dass die Unterstützungsmittel
Engstellen im durchströmbaren Querschnitt
des Strömungskanals
bilden. 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.
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In
weiterer Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die Unterstützungsmittel
durch eine Strukturgebung des Mantels des Wärmetau scherrohres 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 Strömungskanals
separate Elemente anzuordnen.
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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 Strömungskanals
bilden. Durch die Innenwellen wird eine turbulente Strömung des
zweiten Wärmeträgermediums
erreicht, so dass sich auch an der Innenfläche des Wärmetauscherrohres keine den
Wärmeübergang
beeinflussenden, laminaren 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.
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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 Wärmeträgermediums.
Im Gegensatz zu einem Wellrohr ist die Innenfläche herkömmlicher Rippenrohre jedoch
eben, so dass an der Innenseite des Wellrohres keine Unterstützungsmittel
zur Bildung turbulenter Innenströ mungen
vorgesehen sind. Diese Ausgestaltung bietet sich insbesondere dann an,
wenn im Wärmetauscherrohr
ein dampfförmiges Wärmeträgermedium
geführt
wird, wie dies beispielsweise bei Kältemittelkreisläufen der
Fall ist.
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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.
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Alternativ
wird vorgeschlagen, dass die Unterstützungsmittel von Strömungshindernissen
gebildet werden. Die Strömungshindernisse
können
im Bereich zwischen dem Wärmetauscherrohr
und einer Kanalwand des Strömungskanals
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.
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In
diesem Zusammenhang wird weiter vorgeschlagen, dass die Strömungshindernisse
Teil eines Drahtnetzes sind, welches im Bereich zwischen dem Wärmetauscherrohr
und einer Kanalwand des Strömungskanals
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.
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In
konstruktiv vorteilhafter Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass
der Strömungskanal
ringzylindrisch ausgebildet ist, wobei eine innere Ka nalwand von
einem Innenrohr und eine äußere Kanalwand
von einem Außenrohr
gebildet wird. Es ergibt sich eine Art Doppelrohrwärmetauscher,
dessen ringzylindrischer Kanal als Strömungskanal für das erste Wärmeträgermedium
genutzt wird.
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Für einen
effizienten Austausch von Wärme wird
weiter vorgeschlagen, dass das Wärmetauscherrohr
wendelförmig
um das Innenrohr herum durch den Strömungskanal verläuft, wodurch
sich lange Strömungswege
des zweiten Wärmeträgermediums
innerhalb des Wärmetauscherrohres
und die damit verbundene, effiziente Wärmeübertragung von dem einen auf
das andere Wärmeträgermedium
ergibt.
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Weiterhin
wird vorgeschlagen, dass das Innenrohr aus einem steifen Material
besteht, so dass das biegsame Wärmetauscherrohr
wendelförmig
um das Innenrohr herum gewickelt werden kann.
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In
Ausgestaltung der Erfindung wird weiter vorgeschlagen, dass das
Außenrohr
aus einem biegsamen Material, insbesondere aus Folienmaterial geeigneter
Dicke, besteht. Nach dem Umwickeln des Innenrohres mit dem Wärmetauscherrohr,
kann das biegsame Material des Außenrohres dicht an die radial
außen
liegenden Unterstützungsmittel
gelegt und anschließend
beispielsweise über
Spanngurte verzurrt werden, so dass sich eine enge Anlage der Unterstützungsmittel
an den beiden Kanalwänden des
Strömungskanals
ergibt. In alternativer Ausgestaltung kann das Außenrohr
aus einem Rohr, beispielsweise Kunststoffrohr gebildet sein, welches
im Vorfeld der Montage längsseitig
in zwei Hälften
geteilt, 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
schlit zen, etwas aufzubiegen und dabei über das Wärmetauscherrohr zu stülpen und
anschließend
die Schlitzung z. B. durch Verschweißen zu verbinden.
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In
weiterer Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass der Strömungskanal
und das Wärmetauscherrohr
in einem gemeinsamen Druckraum angeordnet sind, was eine in konstruktiver
Hinsicht günstige
Führung
der beiden Ströme
von Wärmeübertragungsmedien
erlaubt.
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Von
montagetechnischem Vorteil ist ferner eine Ausgestaltung, bei welcher
das Innenrohr, das Außenrohr
und das Wärmetauscherrohr
eine Baueinheit bilden, die in den Druckraum einsetzbar ist. Die Baueinheit
aus Innenrohr, Außenrohr
und Wärmetauscherrohr
sowie die zugehörigen
Einlass- und Auslassanschlüsse
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.
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Schließlich wird
vorgeschlagen, dass das Außenrohr über ein
Dichtelement gegenüber
einer Innenfläche
des Druckraums abgedichtet und das Innenrohr über eine unterhalb eines Einlasses
für das erste
Wärmeträgermedium
angeordnete Wand geschlossen ist. Hierdurch werden ungewollte Strömungswege
blockiert. Zum einen wird eine Strömung zwischen dem Außenrohr
und der Innenfläche
des Druckraums vermieden. Zum anderen wird vermieden, dass sich
innerhalb des Innenrohres eine durchgehende Strömung ausbildet.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile des erfindungsgemäßen Wärmetauschers werden nachfolgend
unter Zuhilfenahme der beigefügten
Zeichnungen von Ausführungsbeispielen
erläutert.
Darin zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Wärmetauschers,
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2 eine
seitliche Ansicht des Wärmetauschers
aus 1,
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3 eine
seitliche Ansicht des Wärmetauschers
aus 1 unter Weglassung einiger Bauteile zur Veranschaulichung
des inneren Aufbaus,
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4 eine
seitliche Ansicht des Wärmetauschers
aus 1 unter Weglassung einiger Bauteile zur Veranschaulichung
des inneren Aufbaus,
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5 eine
seitliche Ansicht eines Wärmetauschers,
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6 eine
Schnittdarstellung des Wärmetauschers
aus 5 gemäß der in 5 mit
VI-VI bezeichneten Schnittebene,
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7 eine
vergrößerte Detaildarstellung
gemäß der in 6 mit
VII bezeichneten Einzelheit,
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8 bis 11 verschiedene
Ansichten eines Wärmetauscherrohrabschnitts
gemäß einer
ersten Ausführung,
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12 bis 15 verschiedene
Ansichten eines Wärmetauscherrohrabschnitts
gemäß einer zweiten
Ausführung,
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16 eine
schematische Draufsicht auf einen Wärmetauscher,
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17 eine
vergrößerte Detaildarstellung gemäß der in 16 mit
XVII bezeichneten Einzelheit,
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18 eine
schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Strömungsverhältnisse,
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19 eine
weitere Ausführung
eines Wärmetauschers
in perspektivischer Ansicht mit einigen Herausschnitten zur Veranschaulichung
des inneren Aufbaus,
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20 eine
Schnittdarstellung des Wärmetauschers
gemäß 19,
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21 eine
vergrößerte Detailansicht
gemäß der in 20 mit
XXI bezeichneten Einzelheit,
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22 eine
schematisierte Draufsicht auf den Wärmetauscher gemäß 19 und
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23 eine
vergrößerte Detailansicht
gemäß der in 22 mit
XXIII bezeichneten Einzelheit.
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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.
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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.
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An
der Baueinheit 40 sind vier Anschlüsse 23, 24, 25, 26 vorgesehen,
die als Ein- bzw. Auslässe des
ersten bzw. zweiten Wärmeträgermediums
dienen, vgl. insbesondere die 1 und 5.
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Das
erste Wärmeträgermedium
durchströmt einen
in den Ausführungsbeispielen
ringzylindrischen bzw. rohrspaltförmigen Strömungskanal 4, der von
einem aus einem Innenrohr 2 und einem konzentrischen Außenrohr 3 gebildeten
Doppelrohr gebildet wird, deren innere bzw. äußere Mantelflächen die
Kanalwände 7, 8 des
Strömungskanals 4 bilden,
vgl. insbesondere die 6 und 7. Innerhalb
dieses ringzylindrischen Raums strömt das erste Wärmeträgermedium
gemäß der Darstellung
in 6 von oben nach unten, wobei es das sich in dem
Strömungskanal 4 wendelförmig um
das Innenrohr 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.
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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 Wärmeträgermedien
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 Wärmeträgermediums
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.
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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 Konden sator 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 Wärmeträgermedium
in dem Strömungskanal 4 nach
oben und das zweite Wärmeträgermedium
in dem Wärmetauscherohr 5 nach
unten strömt.
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Das
erste, höher
temperierte Wärmeträgermedium,
bei dem es sich beispielsweise um Heizungswasser aus einem Pufferspeicher
handeln kann, tritt bei der Ausführung
gemäß 6 über den Einlass 23 in
den Innenbereich des Innenrohres 2 ein. Dort trifft das
erste Wärmeträgermedium
auf eine den weiteren Strömungsweg
verschließende
Wand 28, was zu einer Richtungsumkehr der Strömung des ersten
Wärmeträgerfluids
führt,
vgl. insbesondere 6 und 7. Nach
Art eines Überlaufs
tritt das erste Wärmeträgermedium
im oberen Bereich in den ringzylindrischen Strömungskanal 4 ein und
verlässt nach Überströmen des
wendelförmigen
Wärmetauscherrohres 5 den
Wärmetauscher 1 abgekühlt über den
Auslass 24. Gegenströmig
zur Strömungsrichtung
des ersten Wärmeträgermediums
tritt über
den Einlass 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 5 wendelförmig in
dem Strömungskanal 4 nach
oben und tritt erwärmt über den Auslass 26 aus
dem Wärmetauscher
aus. Zur Vermeidung von Leckage- bzw. Bypass-Strömungen
ist zwischen dem Außenrohr 3 und
einer Innenwand 29 des Druckzylinders 21 ein Dichtelement 27 vorgesehen.
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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 Staupunkte des
ersten Wärmeträgermediums
im Bereich zwischen den Wendeln des Wärmetauscherrohres 5 bilden,
wodurch der Wärmeübergang
ebenfalls beeinträchtigt
wird.
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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
ringzylindrischen Strömungskanals 4 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.
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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 Wellrohres bilden die Mittel 10 zur
Unterstützung
turbulenter Strömungen,
was nachfolgend unter Zuhilfenahme der 16 bis 18 erläutert werden
wird.
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In 16 ist
eine Draufsicht auf den Wärmetauscher 1 und
insbesondere das wendelförmig durch
den ringzylindrischen Strömungskanal 4 zwischen
dem Innenrohr 2 und dem Außenrohr 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
Strömungskanals 4 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 Strömungskanals 4 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.
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Durch
das Vorsehen der Unterstützungsmittel 10 am
Mantel des Wärmetauscherrohrs 5 und
deren Anlage 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.
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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.
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Während bei
den vorbeschriebenen Ausführungen
die Unterstützungsmittel 10, 11 einstückiger Bestandteil
der äußeren Mantelfläche des
Wärmetauscherrohres 5 sind,
zeigen die 19 bis 23 eine
Ausführung,
bei welcher die Unterstützungsmittel 12 durch
zusätzliche,
in dem Bereich zwischen dem Wärmetauscherrohr 5 und
einer Kanalwand 7, 8 eingebrachte Strömungshindernisse
gebildet werden.
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Wie
die perspektivische Darstellung in 19 erkennen
lässt,
handelt es sich bei den Unterstützungsmitteln
um Strömungshindernisse 12,
die Engstellen innerhalb des Strömungskanals 4 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.
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Mit
Hilfe der vorstehend beschriebenen Unterstützungsmittel 10, 11, 12 werden
turbulente Strömungen
des ersten Wärmeträgerfluids über die
gesamte Länge
des Strömungskanals 4 aufrechterhalten,
wodurch sich eine verbesserte Wärmeübertragung
an dem von der turbulenten Strömung überströmten Wärmetauscherrohr 5 ergibt.
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- 1
- Wärmetauscher
- 2
- Innenrohr
- 3
- Außenrohr
- 4
- Strömungskanal
- 5
- Wärmetauscher
- 6
- Rohrinnenraum
- 7
- Kanalwand
- 8
- Kanalwand
- 9
- Durchlassöffnungen
- 10
- Unterstützungsmittel,
Welle
- 11
- Unterstützungsmittel,
Rippe
- 12
- Unterstützungsmittel,
Strömungshindernis
- 20
- Druckraum
- 21
- Druckzylinder
- 22
- Flanschplatte
- 23
- Einlass
- 24
- Auslass
- 25
- Einlass
- 26
- Auslass
- 27
- Dichtelement
- 28
- Wand
- 29
- Innenfläche
- 40
- Baueinheit
- 50
- Verbindungselement
- 51
- Trennelement