DE102010008533A1

DE102010008533A1 - Wärmetauscher

Info

Publication number: DE102010008533A1
Application number: DE201010008533
Authority: DE
Inventors: Erwin Ott
Original assignee: Ott Erwin 72667
Current assignee: Ott Erwin 72667
Priority date: 2010-02-18
Filing date: 2010-02-18
Publication date: 2011-08-18
Also published as: EP2536991A2; WO2011101106A2; WO2011101106A3

Abstract

Ein Wärmetauscher (10) zur Wärmeübertragung zwischen einem gasförmigen Medium und einem zweiten gasförmigen oder flüssigen Medium mit einem Wärmetauschergehäuse (11), in dem ein Rohrbündel (13) angeordnet ist, das durch eine Lamellenanordnung (12) hindurchgeführt ist, wobei die Lamellen (23) mit den Rohren (15) thermisch leitfähig verbunden sind, um die Lamellenanordnung (12) ein Gasströmungsbereich (16) zwischen mindestens zwei Anschlüssen (17, 18) für das gasförmige Medium und mindestens zwei Anschlüsse (21, 22) zum Zu- und Abführen des zweiten gasförmigen oder flüssigen Mediums zum Rohrbündel (13) vorgesehen sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere einen Sauggaswärmetauscher, zur Wärmeübertragung zwischen einem flüssigen Medium und einem gasförmigen Medium, mit einem Wärmetauschergehäuse, in dem ein Rohrbündel angeordnet ist.
Derartige Wärmetauscher werden in der Kältetechnik eingesetzt und können insbesondere Elemente von Kältekreisläufen von Kältemaschinen, Wärmepumpen oder ORC-Prozessen sein. Bei den bekannten Wärmetauschern wird durch das Rohrbündel das gasförmige Kältemittel hindurchgeleitet, während das flüssige Kältemittel den Raum zwischen den Rohrbündeln und der Innenwand des Gehäuses des Wärmetauschers durchströmt. Soll die Wärmeübertragungsleistung des Wärmetauschers erhöht werden, so kann die gesamte Anordnung aus Wärmetauschergehäuse und Rohrbündeln verlängert und/oder der Durchmesser vergrößert werden. Die wirksamste Verbesserung der Wärmeübertragung erreicht man durch eine Verlängerung des Gehäuses und des Rohrbündels. Eine Verlängerung eines herkömmlichen Rohrbündels führt jedoch zu einem erhöhten Druckabfall des durch das Rohrbündel strömenden Gases. Einer Leistungserhöhung des Wärmetauschers durch Verlängerung der Anordnung sind aufgrund des zunehmenden Druckverlustes daher Grenzen gesetzt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher für ein gasförmiges Medium und ein zweites gasförmiges oder flüssiges Medium zu schaffen, der im Vergleich zu bekannten Wärmetauschern einen deutlich höheren Wirkungsgrad aufweist.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Wärmetauscher zur Wärmeübertragung zwischen einem gasförmigen Medium, insbesondere einem Kältemittel, und eine zweiten gasförmigen oder flüssigen Medium mit einem Wärmetauschergehäuse, in dem ein Rohrbündel angeordnet ist und der dadurch gekennzeichnet ist, dass das Rohrbündel durch eine Lamellenanordnung hindurchgeführt ist, wobei die Lamellen mit den Rohren thermisch leitfähig verbunden sind, um die Lamellenanordnung ein Gasströmungsbereich zwischen mindestens zwei Anschlüssen für das gasförmige Medium und mindestens zwei Anschlüsse zum Zu- und Abführen des zweiten gasförmigen oder flüssigen Mediums zum Rohrbündel vorgesehen sind. Optional kann auch ein Anschluss für Entspannungsgas (flash gas) vorgesehen sein.
Im Gegensatz zu den bekannten Wärmetauschern wird beim erfindungsgemäßen Wärmetauscher das flüssige Medium durch das Rohrbündel hindurchgeleitet, während das gasförmige Medium das Rohrbündel umströmt. Die Wärmeübertragung zwischen den beiden Medien wird zudem durch die Lamellenanordnung begünstigt, wodurch deutliche Steigerungen des Wirkungsgrads des Wärmetauschers im Vergleich zu bekannten Wärmetauschern möglich sind.
Bei einer Verlängerung des Wärmetauschergehäuses und damit des Rohrbündels und des Strömungsweges für das Gas kommt es beim erfindungsgemäßen Wärmetauscher außerdem zu einem geringeren Druckabfall des gasförmigen Mediums als bei dem Wärmetauscher nach dem Stand der Technik. Eine Leistungssteigerung durch eine Verlängerung der Anordnung ist beim erfindungsgemäßen Wärmetauscher somit in einem um ein Vielfaches größeren Rahmen möglich als bei den Sauggas-Wärmetauschern nach dem Stand der Technik.
Das Rohrbündel kann auch gebogene Abschnitte aufweisen. Die beiden Medien können in der gleichen oder in entgegengesetzter Richtung durch den Wärmetauscher geleitet werden. Auch ein mehrfaches Hindurchführen der Medien durch den Wärmetauscher ist möglich.
Als gasförmige Medien kommen außer Kältemitteln beispielsweise Luft, Helium, Stickstoff, Radon, Edel- oder Inertgase, Treibgase, Stickoxide, Rauchgase, Industriegase oder Wasserdampf infrage. Das zweite Medium kann flüssiges oder teilflüssiges Kältemittel oder beispielsweise Wasser, Glykol, Propylen, Sole, eine Wärmeträgerflüssigkeit, Öl, Lösemittel, eine tiefsiedende Flüssigkeit, aber auch ein gasförmiges Medium wie Luft, Helium, Stickstoff, Radon, Edel- oder Inertgase, Treibgase, Stickoxide, Rauchgase, Industriegase oder Wasserdampf sein.
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher lässt sich außerdem zur Drucklufttrocknung einsetzen.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Wärmetauschers können die Rohre des Rohrbündels im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sein. Diese Ausgestaltung erleichtert das Hindurchführen der Rohre durch die Lamellenanordnung. Das Rohrbündel kann außerdem als Mikrokanalsystem ausgebildet sein, das mit Lamellen versehen ist.
In allen Varianten des Wärmetauschers können die Rohre über den Querschnitt des Rohrbündels gleichmäßig oder aber auch ungleichmäßig verteilt sein. Durch die Anordnung der Rohre lässt sich der Gasströmungsweg im Wärmetauschergehäuse beeinflussen.
Vorzugsweise können die Rohre des Rohrbündels in mehreren Lagen übereinander angeordnet sein, wobei die einzelnen Lagen eine gleiche oder eine unterschiedliche Anzahl von Rohren aufweisen können. Die Rohre der verschiedenen Lagen können dabei auch versetzt zueinander angeordnet sein. Weiter ist es möglich, Rohre mit gleichen oder mit unterschiedlichen Durchmessern einzusetzen. Durch diese unterschiedlichen Maßnahmen lassen sich sowohl die Kontaktflächen zwischen den beiden Medien als auch die Strömungswege für die Medien beeinflussen und hinsichtlich des Wirkungsgrades des Wärmetauschers optimieren. Welche Konfiguration hierfür die günstigste ist, hängt auch von der Lamellenanordnung und von der Form des Wärmetauschergehäuses ab.
Die Lamellenanordnung kann vorzugsweise eine Vielzahl von Lamellen aufweisen, die mit Durchgangsöffnungen für die Rohre des Rohrbündels versehen sind. Durch die Lamellen wird die Kontaktfläche zur Wärmeübertragung zwischen dem gasförmigen Medium und dem zweiten gasförmigen oder flüssigen Medium um ein Vielfaches vergrößert. Bei den bekannten Wärmetauschern steht hierfür nur die Umfangsfläche der Rohre zur Verfügung. Durch eine entsprechende Außenbehandlung der Rohre und/oder Lamellen im Metallspritzverfahren lässt sich der Wärmeübergang zusätzlich erhöhen.
Die Lamellen können dabei plattenförmig ausgebildet und mit oder ohne Ausstanzungen, Oberflächenbeschichtungen und/oder Profilierungen versehen sein. Durch die Oberflächengestaltung der Lamellen und deren Form und Anordnung lassen sich ebenfalls die Kontaktflächen zur Wärmeübertragung zwischen den beiden Medien und die Strömungswege für das gasförmige Medium optimieren.
Um sicherzustellen, dass das gasförmige Medium ausreichend lange und an möglichst allen Stellen mit den Wärmeübertragungsflächen zwischen den beiden Medien in Kontakt ist, können im Gasströmungsraum Umlenkeinrichtungen für das gasförmige Medium angeordnet sein. Diese Umlenkeinrichtungen verhindern insbesondere, dass das gasförmige Medium auf dem kürzesten Weg vom zuführenden Gasanschluss zum abführenden Gasanschluss strömt.
Dabei können die Umlenkeinrichtungen bevorzugt an der Lamellenanordnung angeordnet sein. Sie können somit quasi als vergrößerte Lamelle ausgebildet und zusammen mit der Lamellenanordnung und dem darin integrierten Rohrbündel in das Wärmetauschergehäuse eingeschoben werden. Die Umlenkeinrichtungen können auch dichtend an der Innenwand des Wärmetauschergehäuses anliegen. Über die Anzahl und Form der Umlenkeinrichtungen lässt sich auch der Druckverlust des gasförmigen Mediums beim Durchgang durch den Wärmetauscher einstellen.
Um die Effizienz des Wärmetauschers zu steigern, wird vorzugsweise das Innere mit einem zusätzlichen Injektor zur Rückführung von Entspannungsgas (flash gas) in den Mitteldruckanschluss eines Verdichters vorgesehen. Dieser Verdichter muss einen mehrstufigen Verdichtungsprozess durchführen.
Das Wärmetauschergehäuse kann vorzugsweise eine zylindrische Form mit beispielsweise einem runden, ovalen, halbovalen oder vieleckigen Querschnitt aufweisen. Als Werkstoff kommen insbesondere metallische Werkstoffe wie z. B. Stahl, Edelstahl, Aluminium oder Kupfer infrage. Aber auch Kunststoffe oder andere druckstabile Materialien wie kohle- oder glasfaserverstärkte Materialien oder Kevlar können eingesetzt werden.
Die Rohre des Rohrbündels können ebenfalls unterschiedliche Querschnitte aufweisen. Sie können vorzugsweise rund, oval, halboval oder vieleckig ausgestaltet sein. Auch eine Ausgestaltung als Doppelwandrohre oder Segmentrohre ist möglich. Außerdem können die Rohre innen und/oder außen profiliert, im Flammspritzverfahren behandelt und insbesondere geriffelt sein. Als Material für die Rohre kommen ebenso wie für die Lamellen alle thermisch gut leitfähigen Materialien in Frage, insbesondere Metalle wie Stahl, Edelstahl, Kupfer oder Aluminium.
Bei einer zylindrischen Ausgestaltung des Wärmetauschergehäuses kann dieses in an sich bekannter Weise durch seitliche Deckel verschlossen sein, die als Guss- oder Metalldrehteile insbesondere aus Stahl, Edelstahl, Aluminium, Messing oder Kupfer gefertigt sein können. In die Deckel lassen sich die Anschlüsse für das zweite gasförmige oder flüssige Medium integrieren. Die Enden der Rohre des Rohrbündels können beidseitig in Durchgangsbohrungen von Rohrplatten gehalten sein, wobei der Zwischenraum zwischen den Rohrplatten und den Deckeln der Verteilung des zweiten Mediums auf die Rohre bzw. als Sammelraum für das aus den Rohren ausfließende Medium dient.
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers anhand der Zeichnung näher beschrieben.
Die einzige Figur zeigt eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers. Der dargestellte Wärmetauscher 10 weist ein Wärmetauschergehäuse 11 in Form eines Kreiszylinders auf. Im Inneren des Gehäuses 11 ist eine Lamellenanordnung 12 vorgesehen, durch die ein Rohrbündel 13 hindurchgeführt ist, von dem in der Figur die in einer Rohrplatte 14 gefassten Enden der Rohre 15 zu sehen sind. Zwischen der Lamellenanordnung 12 mit dem Rohrbündel 13 und der Innenwand des Gehäuses 11 ist ein Gasströmungsbereich 16 für ein gasförmiges Medium vorgesehen, das durch einen ersten Anschluss 17 in das Gehäuse 11 einströmt und dieses über einen zweiten Anschluss 18 wieder verlässt. Im dargestellten Beispiel sind die Anschlüsse 17 und 18 auf derselben Seite des Gehäuses 11 angeordnet. Sie könnten jedoch auch in beliebigen Winkeln versetzt zueinander am Gehäuses 11 angeordnet sein. Außerdem ist es selbstverständlich möglich, das gasförmige Medium über eine Vielzahl von Anschlüssen zu- oder abzuführen.
Die Enden des Gehäuses 11 sind durch Deckel 19, 20 verschlossen, die jeweils einen Anschluss 21, 22 für das zweite gasförmige oder flüssige Medium tragen. Ist der Anschluss 21 der zuführende Anschluss, so dient der Raum zwischen dem Deckel 19 und der Rohrplatte 14 als Verteiler des zweiten Mediums auf die einzelnen Rohre 15 des Rohrbündels 13. Auf der gegenüberliegenden Seite des Gehäuses 11 dient der entsprechende Raum dem Sammeln des aus den Rohren 15 austretenden Mediums, bevor diese durch den zweiten Anschluss 22 abgeführt wird. Es lassen sich auch mehrere Anschlüsse 21, 22 und/oder mehrere Rohrplatten 14 vorsehen, sodass mehrere gegeneinander abgedichtete Kältekreisläufe erzeugt werden können. Außer den beschriebenen Deckeln 19, 20 und Rohrplatten 14 könnten auch beliebige andere Verteilsysteme zum Speisen des Rohrbündels eingesetzt werden.
Im dargestellten Beispiel weist die Lamellenanordnung 12 eine Vielzahl plattenförmiger, rechteckiger Lamellen 23 auf, sodass sich insgesamt ein rechteckiger Querschnitt der Lamellenanordnung 12 ergibt. Auf der Oberseite der Lamellenanordnung 12 ist ein Führungsblech 24 für das gasförmige Medium angeordnet. Weiter ist ein Umlenkblech 25 vorgesehen, das ebenfalls an der Lamellenanordnung 12 befestigt und gegenüber dem Gehäuse 11 abgedichtet ist. Diese Umlenkeinrichtung 25 dient dazu, das durch den Anschluss 17 einströmende gasförmige Medium in Richtung des den Anschlüssen 17, 18 gegenüberliegenden Gehäusebereichs umzulenken, damit das gasförmige Medium die Lamellenanordnung 12 und das Rohrbündel 13 allseitig umströmen kann. Mit Hilfe von Umlenkeinrichtungen 25 lässt sich außerdem der Druckabfall des Gases innerhalb des Gehäuses 11 auf seinem Weg vom Anschluss 17 zum Anschluss 18 regulieren.
Der Durchmesser des Wärmetauschergehäuses 11 kann vorzugsweise zwischen 20 mm und 4000 mm betragen. Die Querschnittsform des Gehäuses 11 kann abweichend vom dargestellten Beispiel auch vieleckig, oval, halboval oder halbrund ausgestaltet sein. Das gleiche gilt für den Querschnitt der Lamellenanordnung 12. Auch hier können abweichende Querschnittsformen, beispielsweise runde, ovale oder mehreckige Querschnitte realisiert werden. Außerdem lassen sich die Lamellen 23 ebenso wie die Rohre 15 in der unterschiedlichsten Weise profilieren und/oder mit bestimmten Oberflächenbeschichtungen versehen. Es können verschiedenste Typen von Lamellen in unterschiedlichen Materialstärken verwendet werden. Sie können außerdem mit oder ohne eine so genannte Fensterausprägung gestaltet sein. Das Vorsehen von Führungsblechen 24 und/oder Umlenkeinrichtungen 25 für das gasförmige Medium ist optional. Auf diese Elemente kann auch verzichtet werden. Ebenso ist es möglich, eine unregelmäßige Anordnung der Rohre 15 im Rohrbündel 13 vorzusehen. Die einzelnen Rohre 15 können zudem im Durchmesser variieren und auch von der runden Form abweichende Querschnitte aufweisen.
Am Gehäuse 11 ist außerdem ein Anschluss (26) mit einer Absaugeinrichtung für ein Entspannungsgas (flash gas) vorgesehen. Im unteren Bereich des Gehäuses 11 kann ein weiterer Anschluss 27 zum Ablassen von im gasförmigen Medium enthaltenen Öl- oder Flüssigkeitsanteilen, die sich im Inneren des Gehäuses 11 absetzen, angeordnet sein.

Claims

Wärmetauscher zur Wärmeübertragung zwischen einem gasförmigen Medium, vorzugsweise einem Kältemittel, und einem zweiten gasförmigen oder flüssigen Medium, mit einem Wärmetauschergehäuse (11), in dem ein Rohrbündel (13) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrbündel (13) durch eine Lamellenanordnung (12) hindurchgeführt ist, wobei die Lamellen (23) mit den Rohren thermisch leitfähig verbunden sind, um die Lamellenanordnung ein Gasströmungsbereich (16) zwischen mindestens zwei Anschlüssen (17, 18) für das gasförmige Medium und mindestens zwei Anschlüsse (21, 22) zum Zu- und Abführen des zweiten gasförmigen oder flüssigen Mediums zum Rohrbündel (13) vorgesehen sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (15) des Rohrbündels (13) im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (15) über den Querschnitt des Rohrbündels (13) gleichmäßig oder ungleichmäßig verteilt sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (15) des Rohrbündels (13) in mehreren Lagen übereinander angeordnet sind, wobei die einzelnen Lagen eine gleiche oder eine unterschiedliche Anzahl von Rohren (15) aufweisen.
Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (15) der verschiedenen Lagen versetzt zueinander angeordnet sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (15) gleiche oder unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellenanordnung (12) eine Vielzahl von Lamellen (23), die mit Durchgangsöffnungen für die Rohre (15) des Rohrbündels (13) versehen sind, aufweist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellen (23) im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet und mit oder ohne Fensterausprägungen, Ausstanzungen, Profilierungen und/oder Oberflächenbeschichtungen ausgestaltet sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Gasströmungsraum (16) mindestens eine Umlenkeinrichtung (25) für das gasförmige Medium angeordnet ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkeinrichtungen (25) an der Lamellenanordnung (12) angeordnet sind.