DE1501449C3

DE1501449C3 - Heat exchanger

Info

Publication number: DE1501449C3
Application number: DE1501449A
Authority: DE
Inventors: Heinz Rune Ljungby Fornaes (Schweden)
Original assignee: CTC AB
Current assignee: CTC AB
Priority date: 1957-02-15
Filing date: 1966-06-20
Publication date: 1974-06-27
Also published as: DE1501449B2; NO121214B; AT290581B; DE1501449A1; CH476962A; GB1157332A

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, bei dem das eine Fluid durch wendeiförmige, untereinander parallelgeschaltete Rohre geleitet ist, die vom anderen Fluid im Gegenstrom umspült sind, wobei das Rohrbündel aus zwei oder mehreren konzentrisch ineinanderliegenden Rohrwendelgruppen gleicher Höhe mit mehr als einer Rohrwendel je Gruppe und mit im wesentlichen gleicher Rohrlänge besteht und sämtliche Rohrwendelgruppen die gleiche Verteilung der Rohrwendeln in einer radialen Ebene aufweisen, so daß der Strömungswiderstand für das umspülende Fluid für jede Gruppe derselbe ist.The invention relates to a heat exchanger in which the one fluid through helical, one below the other pipes connected in parallel, which are washed around by the other fluid in countercurrent, wherein the tube bundle consists of two or more concentrically nested tube coil groups same height with more than one coiled tubing per group and with essentially the same tube length consists and all coiled tubing groups have the same distribution of the coiled tubing in a radial plane have, so that the flow resistance for the surrounding fluid is the same for each group.

Ein derartiger bekannter Wärmetauscher (USA.-Patcntschrift 2 508 247) zeigt zwar bereits eine relativ enge Packung der Rohre, die aber noch steigerungsfähig ist. Außerdem bleibt ungelöst, wie man bei der bekannten Bauart auf wirtschaftliche Weise Ausführungen mit erheblich verschiedenen Wärmetauschleistungen verwirklichen könnte. Man muß vielmehr jeweils Einzelanfertigungen vornehmen.Such a known heat exchanger (USA.-Patcntschrift 2 508 247) already shows a relatively close packing of the pipes, but this can still be increased is. In addition, it remains unsolved how the known design can be implemented in an economical manner with significantly different heat exchange capacities. Rather, one has to make one-offs in each case.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Wärmetauschern der eingangs angeführten bekannten Gattung eine Reihe verschieden großer Ausführungen zu bilden, mit der unter Anwendung einer kleinen Zahl von Standardelementen des Rohrbündels ein großer Bereich von Wärmetauschleistungen abgedeckt werden kann, so daß man bei kleiner Lagerhaltung einem großen Bereich von Kundenwünschen gerecht werden kann. Daneben soll der Behälterraum des Wärmetauschers möglichst gut ausgenutzt werden, d. h., die wärmetauschenden Rohre sollen möglichst dicht gepackt sein.The invention is based on the object, in the case of heat exchangers of the known type mentioned at the outset Genus to form a number of different sized versions, with the application of a small number of standard elements of the tube bundle a large range of heat exchange capacities can be covered, so that a large range of customer requirements with small storage can meet. In addition, the container space of the heat exchanger should be as good as possible be exploited, d. That is, the heat-exchanging tubes should be packed as tightly as possible.

Die Aufgabe wird, ausgehend von der eingangs bezeichneten bekannten Gattung von Wärmetauschern, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jede Gruppe von Rohrwendeln in an sich bekannter Weise einen dichten Zylinder umschließt, der im zusammengesetzten Wärmetauscher eine das umspülende Fluid leitende Trennwand zwischen einander benachbarten Rohrwendelgruppen bildet, daß in den Gruppen die Rohrwindungen der Rohrwendeln in an sich bekannter Weise in den Zwischenräumen der Rohrwindungen der jeweils darunterliegenden Rohrwendel liegen und sich unmittelbar auf dieser abstützen und daß die innerste Rohrwendelgruppe einen mittleren Durchmesser hat, der doppelt so groß wie der Innendurchmesser dieser Gruppe ist, wobei die mittleren Durchmesser der übrigen Gruppen eine Reihe von ganzen Vielfachen des mittleren Durchmessers der innersten Gruppe und damit die Wärmetauschleistung der Gruppen eine Reihe von ganzen Vielfachen der Leistung der innersten Gruppe darstellen. Based on the known type of heat exchangers mentioned at the beginning, the task is solved according to the invention in that each group of coiled tubing in a manner known per se a tight cylinder encloses, which in the assembled heat exchanger a surrounding Fluid conductive partition between adjacent coiled tubing groups forms that in the Groups the pipe turns of the coiled tubing in a manner known per se in the spaces between the Coiled tubing of the respective underlying coiled tubing are and are supported directly on this and that the innermost coiled tubing group has an average diameter twice as large as is the inner diameter of this group, with the mean diameters of the remaining groups being one Series of whole multiples of the mean diameter of the innermost group and thus the heat exchange capacity The groups represent a number of whole multiples of the performance of the innermost group.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bestehen darin, daß bei einemWärmetauscher, in welchem eine oder mehrere der Rohrwendelgruppen der ununterbrochenen Reihe weggelassen sind, der durch das Weglassen entstandene ringförmige Raum zwischen zwei Rohrwendelgruppen durch einen die jeweils innere Gruppe umschließenden zweiten Zylinder abgegrenzt und gegen die Strömung des umspülenden Fluids durch eine Querwand verschlossen ist und daß die Rohre schraubenförmig verlaufende Außenrippen aufweisen.Advantageous embodiments of the invention are that in a heat exchanger in which one or more of the coiled tubing groups of the continuous row are omitted, the by the omission of the resulting annular space between two coiled tubing groups through a die each inner group enclosing the second cylinder delimited and against the flow of the surrounding Fluid is closed by a transverse wall and that the tubes extend helically Have outer ribs.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigtThe invention is described in more detail below with reference to the drawing. It shows

F i g. 1 einen senkrechten Schnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers, F i g. 1 shows a vertical section through a first embodiment of a heat exchanger according to the invention,

Fig. 2 den Wärmetauscher in Draufsicht mit abgenommenem Deckel undFig. 2 shows the heat exchanger in plan view with the removed Cover and

Fig. 3 und 4 senkrechte Schnitte durch weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Wärmetauschers. 3 and 4 vertical sections through further exemplary embodiments of the heat exchanger according to the invention.

Um einen am oberen Ende geschlossenen, hohlen Zylinder 10 sind drei Rohrwendeln U, 12 und 13 mit schraubenförmig verlaufenden, die Wärmeübertragungsfläche vergrößernden Rippen in drei verschiedenen Schichten angeordnet, wobei die Rohrwindungcn einer äußeren Rohrwendel in den Zwischenräumen der benachbarten Rohrvvindungen der darunterliegenden Rohrwendel ruhen, derart, daßAround a hollow cylinder 10, which is closed at the top, are three coils U, 12 and 13 with helical ribs that increase the heat transfer surface in three different ways Layers arranged with the tube turns in an outer spiral tube in the spaces rest of the adjacent pipe veins of the underlying coiled tubing, such that

im radialen Querschnitt durch die somit entstandene Rohrwendelgruppe die Rohre in Dreieckverteilung liegen. Der Durchmesser des Zylinders 10 ist gleich der radialen Dicke der Rohrwendelgruppe gewählt, die durch die aufeinander gewundenen Rohrwendeln 11, 12 und 13 gebildet wird. Um die aus den Rohrwendeln 11, 12, 13 bestehende Gruppe ist ein dünnwandiger Blechzylinder. 14 aufgeschoben, und um diesen sind drei aufeinanderliegende Rohrwendeln gewunden, die jeweils aus zwei Rohren 15α, 15ό bzw. 16a, 16b bzw. Πα, lib bestehen. Um die somit gebildete zweite Rohrwendelgruppe, innerhalb welcher die Rohre ebenfalls in Dreieckverteilung liegen, ist ein dünnwandiger Blechzylinder 18 aufgeschoben, und um diesen sind in gleicher Weise drei Rohrwendeln gewunden, die jeweils aus drei Rohren 19 a, 19 b 19 c bzw. 20 a, 20 ft, 20 c bzw. 21a, 21b, lic bestehen. Um diese dritte Rohrwendelgruppe ist ein Blechzylinder 22 aufgeschoben, und um diesen sind drei Rohrwendeln gewunden, die jeweils aus vier Rohren 23 a, 23 b, 23 c, 23 d bzw. 24a, 246, 24c, 24 d bzw. 25a, 25 b, 25 c, 25 d bestehen. Die in der beschriebenen Weise erhaltenen Rohrwendelgruppen sind in den Zeichnungen mit T, II, III bzw. IV bezeichnet. In the radial cross-section through the group of coiled tubings thus created, the tubes lie in a triangular distribution. The diameter of the cylinder 10 is selected to be equal to the radial thickness of the coiled tubing group which is formed by the coiled tubing 11, 12 and 13 that are wound on one another. Around the group consisting of the tubular coils 11, 12, 13 is a thin-walled sheet metal cylinder. 14 pushed on, and around these three coils one on top of the other are wound, each consisting of two tubes 15α, 15ό or 16a, 16b or Πα, lib . A thin-walled sheet metal cylinder 18 is pushed around the second coiled tubing group thus formed, within which the tubes are also located in a triangular distribution, and around this three coiled tubing are wound in the same way, each consisting of three tubes 19 a, 19 b, 19 c and 20 a , 20 ft, 20 c or 21a, 21b, lic . A sheet metal cylinder 22 is pushed around this third group of coiled tubing, and three coiled tubing are wound around this, each consisting of four tubes 23 a, 23 b, 23 c, 23 d and 24a, 246, 24c, 24 d and 25a, 25 b , 25 c, 25 d exist. The coiled tubing groups obtained in the manner described are denoted in the drawings by T, II, III and IV, respectively.

Die vier ineinander eingeschobenen Gruppen I, TI, II und IV von Rohrwendeln sind in einem zylindrischen Behälter 30 angeordnet, der die äußerste Rohrwendelgruppe IV dicht umschließt. Die Höhe des Behälters 30 ist größer als die der unter sich gleich hohen Gruppen von Rohrwendeln, wodurch einfreier Raum 31 zwischen dem Deckel des Behälters und den Rohrwcndeln und ein anderer freier Raum 32 zwischen den Rohrwendeln und dem Boden des Behälters vorliegen. Das eine Fluid, z. B. das wärmeabgebende Fluid, gelangt in den Raum 31 durch einen Rohrstutzen 33 und fließt durch die Rohrwendelgruppen in den darunter befindlichen Raum 32 hinab, worauf es durch einen Auslaufstutzen 34 weiterfließt. Dadurch, daß im radialen Querschnitt durch die verschiedenen Gruppen die Wendeln in genau gleicher Weise innerhalb sämtlicher Gruppen verteilt sind, wird das Fluid sich offensichtlich über dies Gruppen derart verteilen, daß seine axiale Strömungsgeschwindigkeit in sämtlichen Gruppen im wesentlichen dieselbe wird.The four nested groups I, TI, II and IV of coiled tubing are in a cylindrical one Container 30 arranged, which tightly encloses the outermost coiled tubing group IV. The amount of the Container 30 is larger than that of the groups of coils of the same height, which means that it is more free Space 31 between the lid of the container and the tube coils and another free space 32 between the coiled tubing and the bottom of the container. One fluid, e.g. B. the exothermic Fluid arrives in space 31 through a pipe socket 33 and flows through the coiled tubing groups down into the space 32 below, whereupon it is passed through an outlet nozzle 34 flows on. The fact that in the radial cross-section through the various groups the coils in are distributed in exactly the same way within all groups, the fluid will obviously be over distribute this groups in such a way that its axial flow velocity in all groups in the essentially becomes the same.

Die Rohrwendeln jeder Gruppe sind in gegenseitiger Parallelschaltung über Rohrverzweigungen und 36 zwischen einem Einlaufstutzen 37 und einem Auslaufstutzen 38 für das andere Fluid, z. B. das wärmeaufnehmende Fluid, eingeschaltet.The coils of each group are connected in parallel with each other via pipe branches and 36 between an inlet port 37 and an outlet port 38 for the other fluid, e.g. B. that heat-absorbing fluid, switched on.

Dadurch, daß der Durchmesser des inneren Zylinders 10 gleich der radialen Dicke der verschiedenen Rohrwendelgruppen gewählt worden ist, wird der mittlere Durchmesser D der ersten Gruppe offensichtlich gleich dem zweifachen Durchmesser des inneren Zylinders, und mit jeder Gruppe steigt der mittlere Durchmesser um einen Betrag gleich der doppelten radialen Dicke der Gruppe, d. h. um den Betrag D, an. Der mittlere Durchmesser der jeweiligen Rohrwendelgruppen I, II, ITI, IV beträgt also D für die erste Gruppe, 2 D für die zweite Gruppe, 3D für die dritte Gruppe und 4 D für die vierte Gruppe. Die mittlere Länge steigt natürlich mit jeder Wendel in der gleichen Proportion an, während die Gesamtrohrlänge jeder Wendel der Rohranzahl jeder Gruppe entsprechend abnimmt. Als eine Folge hieraus wird die mittlere Rohrlänge von sämtlichen Rohrwendelgruppen dieselbe. Dies bedeutet, daß bei sämtlichen Rohrwendelgruppen das Rohr bzw. die Rohre der mittleren Lage der. gleichen Strömungswiderstand besitzen. Innerhalb jeder Gruppe weist die innerste Rohrwendel eine kleinere und die äußere Wendel eine größere Rohrlänge auf als die der Zwischenwendel, aber die Unterschiede sind nur bei der innersten Gruppe von nennenswertem Betrag und ίο verringern sich immer mehr, je weiter die Gruppe von der Achse entfernt ist. Im großen und ganzen gilt daher, daß der Strömungswiderstand durch die miteinander parallelgeschalteten Rohrwendeln für jede Gruppe derselbe bleibt, so daß das wärmeaufnehmende Fluid sich im großen und ganzen über sämtliche Rohre gleichmäßig verteilt.By making the diameter of the inner cylinder 10 equal to the radial thickness of the various coiled tubing groups, the mean diameter D of the first group will obviously be equal to twice the diameter of the inner cylinder, and with each group the mean diameter will increase by an amount equal to that twice the radial thickness of the group, ie by the amount D. The mean diameter of the respective coiled tubing groups I, II, ITI, IV is therefore D for the first group, 2D for the second group, 3D for the third group and 4D for the fourth group. The mean length naturally increases with each spiral in the same proportion, while the total tube length of each spiral decreases in accordance with the number of tubes in each group. As a result , the mean pipe length of all the coiled tubing groups becomes the same. This means that in all coiled tubing groups, the tube or tubes of the middle layer of the. have the same flow resistance. Within each group, the innermost coiled tubing has a smaller tube length and the outer spiral a greater tube length than that of the intermediate spiral, but the differences are only appreciable in the innermost group and decrease more and more the further the group is from the axis . On the whole, it is therefore true that the flow resistance due to the coiled tubing connected in parallel with one another remains the same for each group, so that the heat-absorbing fluid is by and large evenly distributed over all the tubes.

Da, wie oben beschrieben, die Strömungsgeschwindigkeit sowohl des wärmeabgebenden Fluids als auch des wärmeaufnehmenden Fluids innerhalb sämtlicher Rohrwendelgruppen annähernd gleich groß wird, während der Durchlaufquerschnitt dem mittleren Durchmesser der jeweiligen Gruppe proportional ist, ist es ohne weiteres ersichtlich, daß, wenn die Leistung der der Achse am nächsten liegenden Rohrwendelgruppe I mit E bezeichnet wird, die Leistung der Gruppe II 2 E, die der Gruppe III 3 £ und die der Gruppe IV AE beträgt. Die Gesamtleistung eines sämtliche vier Rohrwendelgruppen enthaltenden Wärmetauschers beträgt somit \0E. Die Fi g. 3 zeigt, wie man durch Aufbauen des Wärmetauschers aus einer kleinen Anzahl Rohrwendelgruppen, z. B. nur aus den Gruppen I und III, einen Wärmetauscher der kleineren Leistung E + 3 E = A E erhalten hat. In diesem Falle ist der zylindrische Behälter 30 mit kleinerem Durchmesser ausgelegt, so daß auch hier der Behälter die äußerste Gruppe dicht umschließt. Ferner ist der freie ringförmige Raum zwischen den innersten und äußersten Rohrwendelgruppen oben durch eine Querwand 39 abgeschlossen, so daß das wärmeabgebende Fluid nur an den jeweiligen Rohrwendelgruppen vorbei und hindurchströmen kann.Since, as described above, the flow rate of both the heat-emitting fluid and the heat-absorbing fluid within all coiled tubing groups is approximately the same, while the flow cross-section is proportional to the mean diameter of the respective group, it is readily apparent that when the performance of the Axis closest to the coiled tubing group I is denoted by E , the performance of group II 2 E, that of group III is £ 3 and that of group IV AE . The total output of a heat exchanger containing all four groups of coiled tubing is thus \ 0E. The Fi g. 3 shows how, by building the heat exchanger from a small number of coiled tubing groups, e.g. B. only from groups I and III, has received a heat exchanger with the lower performance E + 3 E = AE . In this case, the cylindrical container 30 is designed with a smaller diameter, so that here too the container tightly encloses the outermost group. Furthermore, the free annular space between the innermost and outermost tube coil groups is closed off at the top by a transverse wall 39, so that the heat-emitting fluid can only flow past and through the respective tube coil groups.

Es ist nicht notwendig, daß man, wie in Fig. 1 und 3 gezeigt, jede Rohrwendelgruppe mit drei Rohrwendeln ausstattet. Fig. 4 zeigt eine Ausführung, in welcher für jede Gruppe zwei Rohrwendeln vorgesehen sind. Es lassen sich auch noch Ausführungen denken, bei denen jede Gruppe mehr als drei Rohrwendeln aufweist.' Auch bei diesen Ausführungsformen ist bei der ersten Gruppe der mittlere Durchmesser gleich dem doppelten Innendurchmesser, und mit jeder Gruppe steigt der mittlere Durchmesser um den Wert einer Gruppe an. Bei jeder äußeren Gruppe beträgt also die Leistung ein ganzes Vielfaches der Leistung der innersten Gruppe, und es ist daher durch eine geeignete Kombination von Rohrwendelgruppen möglich, eine Reihe von Wärmetauschern zu bauen, bei denen die Leistung mit gleichmäßigen Intervallen von einer von der innersten Gruppe dargestellten Mindestleistung bis auf eine von der Gesamtheit der Gruppen dargestellte Höchstleistung ansteigt.It is not necessary that, as shown in Figs. 1 and 3, each coiled tubing group with three Equips coiled tubing. Fig. 4 shows an embodiment in which two coils for each group are provided. It is also possible to think of versions in which each group has more than has three coils. ' In these embodiments, too, the first group is the middle one Diameter equal to twice the inner diameter, and with each group the mean one increases Diameter by the value of a group. For each outer group, the power is one an integer multiple of the performance of the innermost group, and it is therefore by an appropriate combination of coiled tubing groups possible to build a number of heat exchangers in which the performance at regular intervals from a minimum power represented by the innermost group to increases to a maximum performance represented by the entirety of the groups.

Es besteht auch keine Notwendigkeit, die Rohrwendelgruppen jeweils aus kreisförmigen Rippenrohren herzustellen, wobei die Rippen die Rohre in gewünschten gegenseitigen Abständen halten, sondern die Gruppen können auch aus einfachen Rohren aufgebaut werden.There is also no need for the coiled tubing groups to consist of circular finned tubes produce, wherein the ribs hold the tubes at the desired mutual distances, but the groups can also be constructed from simple pipes.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Heat exchanger, in which the one fluid through helical, mutually parallel-connected Pipes are passed around which the other fluid flows in countercurrent, the tube bundle consisting of two or more concentrically nested coiled tubing groups of the same height with more than one tubing coil per group and with essentially the same pipe length and all coiled tubing groups the have the same distribution of the coils in a radial plane, so that the flow resistance for the fluid around it is the same for each group, characterized in that that each group (I; II; III; IV) of coiled tubing encloses a tight cylinder (14; 18; 22) in a manner known per se, in the assembled heat exchanger a partition wall that conducts the fluid around it Adjacent groups of coiled tubing forms that in the groups, the Rohrvindungen of the coils (13; 17; 21; 25) in a manner known per se in the spaces between the coils of the pipe the respective underlying coiled tubing and are supported directly on this and that the innermost coiled tubing group (I) has a mean diameter (D) twice the inner diameter) -j of this group, the mean diameter of the remaining groups (II; HI; IV) being a Series of integer multiples of the mean diameter (D) of the innermost group (I) and thus the heat exchange performance of the groups is a number of whole multiples of the performance of the represent the innermost group.

2. Heat exchanger according to claim 1, in which one or more of the coiled tubing groups of the uninterrupted row are omitted, characterized in that the by omitting resulting annular space between two coiled tubing groups (I; III) through a die each inner group (I) enclosing the second cylinder delimited and against the flow of the around the fluid is closed by a transverse wall (39) (Fig. 3).

3. Heat exchanger according to claim 1 or 2, characterized in that the tubes are helical have running outer ribs.