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Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zum Temperieren eines Fluides gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Der bekannte Wärmetauscher weist innerhalb eines zylindrischen Gehäuses ein Rohrbündel mit einer Vielzahl parallel angeordneter Rohre auf, in denen ein Wärmeträgermedium geführt ist. Das Gehäuse weist zumindest einen Fluideinlass und einen Fluidauslass auf, um das zu temperierende Fluid in den Innenraum des Gehäuses zu führen. Dabei werden die Rohre des Rohrbündels von dem Fluid umspült, um den gewünschten Wärmeaustausch zu erzielen. Hier kann je nach Temperaturgefälle das Fluid erwärmt oder gekühlt werden. Um eine intensive Umspülung der Rohre in dem Rohrbündel zu halten, sind innerhalb des Gehäuses mehrere Mantelabschnitte mit dazwischen liegenden Ablenkplatten angeordnet, wobei die Ablenkplatten von den Rohren des Rohrbündels durchdrungen werden. Derartige Ablenkplatten sind jedoch in der Herstellung und Montage sehr aufwendig. Insbesondere bei einer großen Anzahl von Rohren des Rohrbündels treten zudem Passungsschwierigkeiten auf.
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Insbesondere die Anordnung der Rohre innerhalb des Rohrbündels bestimmt maßgeblich die Effektivität des Wärmetauschers, um ein Fluid zu temperieren. Wie beispielsweise aus Ullmann Enzyklopedia of Industrial Chemistry, 6. Auflage, Volume 16, Seite 198/199 bekannt ist, sind die Rohre in Gitterstrukturen mit unterschiedlichen Winkelstellungen zueinander innerhalb des Rohrbündels gehalten. Derartige Gitterstrukturen von Rohranordnungen weisen jedoch grundsätzlich den Nachteil auf, dass die Rohre innerhalb der Gitterstruktur eine Reihe mit hintereinander liegenden Rohren bilden, die je nach Durchflussrichtung eine ungünstige Umspülung bewirken.
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Es ist nun Aufgabe der Erfindung, einen Wärmetauscher der gattungsgemäßen Art zum Temperieren eines Fluides derart auszubilden, das die Anordnung der Rohre innerhalb des Rohrbündels eine intensive Umspülung mit einem verbesserten Wärmeaustausch ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, das die Rohre an der Gehäuseplatte ein geometrisches Flächenmuster in Form einer Spirale mit einem Drehwinkel in einem Bereich zwischen 130° und 145° bilden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale und Merkmalskombinationen der Unteransprüche definiert.
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Die Erfindung besitzt den besonderen Vorteil, dass die Rohre des Rohrbündels unabhängig von der Durchflussrichtung eine unregelmäßige Anordnung aufweisen, die sogenannte Abschattungen durch hintereinanderliegende Rohre minimiert. Insoweit ist eine Umspülung aller Rohre innerhalb des Rohrbündels gewährleistet, so dass ein intensiver Wärmeaustausch stattfinden kann. Ein weiterer Vorteil der Anordnung der Rohre innerhalb des Rohrbündels liegt darin, dass beim Durchströmen des Wärmetauschers geringere Druckverluste entstehen. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung werden die Lagen der Rohre durch eine Spirale mit einem vorbestimmten Drehwinkel definiert. Die Erfindung macht sich die Erkenntnis aus der Natur zu Nutze, um eine biomimetische Anordnung der Rohre innerhalb des Rohrbündels zu erhalten. So ist aus der Botanik bekannt, dass die Anordnung von Blättern an Pflanzenstengeln oder die Anordnung der Samenkörner in der Blüte einer Sonnenblume durch eine Spirale bestimmt ist. Bei diesen Anordnungen entspricht die Verteilung den sogenannten „Goldenen Schnitt”, der zu dem Goldenen-Drehwinkel von 137,5° führt.
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Insoweit ist die Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 2 besonders vorteilhaft, um gleichmäßige über die gesamte Fläche der Gehäuseplatte verteilt angeordnete Rohre zu erhalten. Damit wird insbesondere eine gleichmäßige Ausnutzung des gesamten Innenraumes des Wärmetauschers bewirkt.
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Die Herstellbarkeit derartiger Rohrbündel lässt sich insbesondere durch die Weiterbildung der Erfindung verbessern, bei welcher die Rohre mit einer Anzahl auf der Spirale verteilt angeordnet sind, wobei jede individuelle Position der Rohre durch eine Polarkoordinate bestimmt ist. Damit ist jede individuelle Position der Rohre auf der Fläche der Gehäuseplatte definiert.
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Die Polarkoordinaten der Rohrpositionen sind dabei bevorzugt aus der mathematischen Beziehung αn = φ × n und rn = d × nb berechenbar, wobei n eine natürliche Zahl ist und die fortlaufende Nummer des jeweiligen Rohres darstellt, wobei der Exponent b vorzugsweise einen Wert von 0,5 aufweist und wobei die Anzahl und die Verteilung der Rohre durch den Flächenparameter d beeinflussbar ist. Damit lassen sich durch Vorgaben des Exponenten b und des Flächenparameters d eine gewünschte Anzahl an Rohren gleichmäßig zu der Spirale mit dem Drehwinkel φ verteilen.
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Die Abstände der Rohre zueinander können dabei je nach Wahl des Exponenten und des Flächenparameters variiert werden. So ist es auch möglich, den Exponenten b mit einem Wert < 0,5 oder > 0,5 zu wählen, um die Abstände der auf den Wendeln der Spirale platzierten Rohre zueinander zu verändern. Grundsätzlich werden jedoch Anordnungen der Rohre mit einem konstanten Abstand zueinander bevorzugt.
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Im Nachfolgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Wärmetauschers mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert.
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Es stellen dar:
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1 schematisch eine Ansicht eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Wärmetauschers
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2 schematisch eine Querschnittsansicht eines bekannten Wärmetauschers mit einem Rohrbündel in Gitterstruktur
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3 schematisch eine Querschnittsansicht des Ausführungsbeispiels aus 1 mit spiralförmiger Anordnung der Rohre
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In der 1 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wärmetauschers schematisch dargestellt. Die Darstellung zeigt das Ausführungsbeispiel in einer oberen Hälfte und einer unteren Hälfte in einer Seitenansicht.
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Das Ausführungsbeispiel des Wärmetauschers ist in diesem Fall nur mit einem Gehäuse 1 und einem innerhalb des Gehäuse 1 angeordneten Rohrbündel 3 dargestellt. Das Gehäuse 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel zylindrisch ausgeführt und an den Enden durch zwei Gehäuseplatten 2.1 und 2.2 verschlossen. An dem Mantel des Gehäuses 1 sind gegenüberliegend ein Fluideinlass 5 und ein Fluidauslass 6 vorgesehen.
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Innerhalb des Gehäuses 1 ist das Rohrbündel 3 mit einer Vielzahl von Rohren 4 angeordnet. Die Rohre 4 sind an den Gehäuseplatten 2.1 und 2.2 gehalten. Über den Gehäuseplatten 2.1 und 2.2 wird den Rohren 4 ein Wärmeträgermedium zugeführt. Die Einrichtungen zur Führung des Wärmeträgermediums sind nicht näher dargestellt, da diese zur Erläuterung der Erfindung unerheblich sind.
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Die Rohre 4 sind innerhalb des Rohrbündels 3 nach einem geometrischen Flächenmuster angeordnet und zwischen den Gehäuseplatten 2.1 und 2.2 gehalten. Die Anordnung der Rohre 4 erfolgt hierbei in Form einer Spirale mit einem Drehwinkel φ, der in einem Bereich zwischen 130° und 145° liegt.
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Zur Veranschaulichung der erfindungsgemäßen Anordnung der Rohre 4 innerhalb des Rohrbündels 3 ist in 2 zunächst ein geometrisches Flächenmuster in Form einer Gitterstruktur dargestellt, wie es im Stand der Technik üblich ist. In der 2 ist schematisch eine Querschnittsansicht eines zylindrischen Wärmetauschers gezeigt, wobei die Rohrquerschnitte der Rohre 4 durch einzelne Punkte symbolisiert ist.
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Wie aus der Darstellung in 2 hervorgeht, sind innerhalb des Wärmetauschers insgesamt 200 Rohre gleichmäßig verteilt nach einer Gitterstruktur angeordnet. Die Gitterstruktur der Rohre 4 innerhalb des Rohrbündels 3 führen zu einer Reihenförmigen Anordnung benachbarter Rohre 4, wobei jede lineare Reihe eine Gruppe von Rohren 4 darstellt. In jeder der Reihen liegen die Rohre 4 hintereinander, so dass je nach Durchflussrichtung des Fluides gegenseitige Abschattungen unvermeidlich sind.
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In 3 ist schematisch eine Querschnittsansicht des Ausführungsbeispiels nach 1 dargestellt, wobei im Vergleich zu 2 die gleiche Anzahl von Rohren 4 innerhalb des Rohrbündels 3 gewählt wurde.
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Die in 3 dargestellte Anordnung der Rohre 4 ist durch eine Spirale gekennzeichnet, die in diesem Fall einen Drehwinkel φ von 137,5° aufweist. Die Positionen der Rohre 4 sind mathematisch bestimmt und lassen sich durch die Polarkoordinaten für jedes einzelne Rohr aus den folgenden Formeln berechnen:
Polarkoordinate αn = φ × n
Polarkoordinate rn = d × nb Hierbei bestimmt die Indexzahl n das jeweilige Rohr 4. Der Flächenparameter d definiert den Abstand der Rohre 4 zueinander und damit die Anzahl der Rohre 4, die auf der gegebenen Fläche der Gehäuseplatte 2.1 angeordnet werden können. Der Exponent b beeinflusst die Verteilung der Rohre und liegt vorzugsweise bei einem Wert von 0,5. Der Drehwinkel der Spirale ist mit dem griechischen Buchstaben φ bezeichnet.
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Mit Hilfe der Polarkoordinaten αn und rn ist jedem Rohr 4 an der Fläche der Gehäuseplatte 2.1 eine definierte Position zugeordnet. Die Polarkoordinaten geben zu jedem n-ten Rohr 4 einen Winkel α und einen Radius r an, die sich auf die Rohrmitten der Rohre 4 beziehen. Gemeinsam bilden die Rohre 4 an der Gehäuseplatte 2.1 oder der Gehäuseplatte 2.2 das Flächenmuster der Spirale mit dem definierten Drehwinkel φ.
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Um wie in 3 dargestellt eine über die gesamte Fläche der Gehäuseplatte 2.1 gleichmäßige Verteilung der Rohre 4 zu erhalten, wird als Drehwinkel der Spirale vorzugsweise der sogenannte Goldene Winkel verwendet, den man durch Teilung im Goldenen Schnitt erhält. Diese aus der Botanik bekannte Anordnung von Blättern oder Samenkörnern einer Sonnenblume führen zu einer sehr hohen Gleichmäßigkeit bei individueller Positionierung. Der Drehwinkel φ der Spirale beträgt in diesem Fall 137,5°. Als Exponent b ist der Wert 0,5 gewählt, der dazu führt, dass der mittlere Abstand zwischen benachbarten Rohren 4 innerhalb des Rohrbündels konstant ist. Der Exponent b mit dem Wert 0,5 führt zu einem Spezialfall der Spirale, die auch als fermatsche Spirale bezeichnet wird. Der Exponent b beeinflusst somit den Abstand der Windungen der Spirale. Der Flächenparameter ist bei diesem Ausführungsbeispiel nach 3 mit d = 1,075 definiert. Der Drehwinkel φ mit dem Wert 137,5° sowie der Exponent b mit dem Wert 0,5 sind besonders bevorzugt, um eine große Anzahl von Rohren innerhalb des Rohrbündels gleichmäßig im inneren des Wärmetauschers zu verteilen.
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Grundsätzlich lassen sich bei der Verteilung der Rohre innerhalb des Rohrbündels auch unterschiedliche Abstände zwischen den Rohren realisieren. Für den Fall, das der Exponent b einen Wert b oberhalb von 0,5 aufweist, werden die mittleren Abstände der Rohre nach außen hin an der Gehäuseplatte immer größer. Dagegen führt ein Exponent b mit einem Wert < 0,5 dazu, dass die mittleren Abstände der Rohre nach innen hin immer größer werden.
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Der erfindungsgemäße Wärmetauscher zeichnet sich durch die gleichmäßige Raumausnutzung der im inneren gehaltenen Rohre aus, das sich insbesondere auf die Wärmeübertragung und die Durchströmung positiv auswirkt. Desweiteren wird durch die erfindungsgemäße Anordnung der Rohre innerhalb des Rohrbündels eine Reinigung des Wärmetauschers begünstigt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 2.1
- Gehäuseplatte
- 2.2
- Gehäuseplatte
- 3
- Rohrbündel
- 4
- Rohr
- 5
- Fluideinlass
- 6
- Fluidauslass
- α
- Polarkoordinate Winkel
- r
- Polarkoordinate Abstand vom Mittelpunkt
- φ
- Drehwinkel der Spirale
- n
- Indexzahl des jeweiligen Rohres
- b
- Exponent
- d
- Flächenparameter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Ullmann Enzyklopedia of Industrial Chemistry, 6. Auflage, Volume 16, Seite 198/199 [0004]
