DE19546489A1 - Wärmeübertrager und Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers - Google Patents
Wärmeübertrager und Verfahren zur Herstellung eines WärmeübertragersInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere für nach einem
regenerativen Gaskreisprozeß arbeitende Wärme- und Kältemaschinen, mit
Trennung der an der Wärmeübertragung teilnehmenden Medien, wobei ein mit
die Wärmeübertragungsfläche vergrößernden Rippen versehenes Rohr als
Strömungskanal für ein wärmeaufnehmendes bzw. wärmeabgebendes,
vorzugsweise flüssiges Medium dient. Weiterhin betrifft die Erfindung ein
Verfahren zur Herstellung eines derartigen Wärmeübertragers.
Nach dem Stirling- oder Vuilleumier-Kreisprozeß arbeitende Wärme- und
Kältemaschinen sind seit langer Zeit bekannt, beispielsweise aus der GB-PS
136 195. Sie haben jedoch trotz der unbestreitbaren Vorteile der
regenerativen Gaskreisprozesse keinen Eingang in die Praxis gefunden,
hauptsächlich wegen konstruktiver Schwierigkeiten, die die Realisation der
theoretischen Vorteile derartiger Maschinen in der Praxis bisher verhinderten.
Bei der Auslegung der Wärmeübertrager für nach diesen Gaskreisprozessen
arbeitenden Maschinen ist zu berücksichtigen, daß sie den hohen
Druckdifferenzen von beispielsweise 120 bar auf Seiten des
wärmeabgebenden Arbeitsmediums und etwa 2,5 bar auf Seiten des
wärmeaufnehmenden Mediums standhalten müssen. Bei den bisher bekannten
nach dem Vuilleumier-Kreisprozeß arbeitenden Maschinen kommen
hauptsächlich Rohrbündelwärmeübertrager zum Einsatz, die aus einer großen
Anzahl von längs angeordneten feinen Rohren bestehen, durch die das
Arbeitsmedium strömt. Diese bekannten Wärmeübertrager haben den Nachteil,
daß sie einerseits ein großes Bauvolumen einnehmen und andererseits das
arbeitsmediumseitige Totvolumen sehr groß ist, was der Steigerung des
Wirkungsgrades einer nach dem Vuilleumier-Kreisprozeß arbeitenden Maschine
entgegenwirkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen insbesondere für nach
einem regenerativen Gaskreisprozeß arbeitende Wärme- und Kältemaschinen
geeigneten Wärmeübertrager mit einem geringen Bauvolumen sowie einem
sehr kleinen hydraulischen Durchmesser für das wärmeabgebende bzw.
wärmeaufnehmende Arbeitsmedium zu schaffen, der darüber hinaus den
hohen Druckdifferenzen zwischen dem Hochdruck- und dem Normaldruck-
Medium standhält und auch für andere Einsatzzwecke geeignet sein soll.
Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager ist dadurch gekennzeichnet, daß die
auf der äußeren Mantelfläche angeordneten Rippen auf ihren Rippenköpfen mit
einer undurchlässigen und thermisch isolierenden Umhüllung versehen sind
und daß zwischen der Umhüllung und der Mantelfläche des Rohres
mindestens ein Strömungskanal für das am Wärmeaustausch beteiligte,
vorzugsweise durch ein Prozeßgas gebildete zweite Medium ausgebildet ist.
Diese erfindungsgemäße Ausbildung ergibt einen Wärmeübertrager, der
einerseits mit einem geringen Bauvolumen hergestellt werden kann und
andererseits ein sehr geringes arbeitsmediumseitiges Totvolumen aufweist, da
die Rippenkanäle mit einer minimalen Breite von etwa 0,35 mm und einer
minimalen Höhe von etwa 0,9 mm ausgebildet sein können. Solche geringen
hydraulischen Durchmesser können insbesondere verwendet werden, wenn es
sich bei dem Arbeitsmedium um ein Prozeßgas handelt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das berippte Rohr
wendelförmig ein- oder mehrgängig aufgewickelt. Die den Strömungskanal für
das Arbeitsmedium bildende Umhüllung umgibt bei dieser Ausführungsform
die gesamte ein- oder mehrgängige Wendel. Durch die wendelförmige
Aufwicklung des Rohres wird eine besonders kompakte Bauform mit einem
hohen Wirkungsgrad erzielt.
Bei einer weiteren Ausgestaltung nach der Erfindung ist die aus dem
aufgewickelten Rohr bestehende Wendel mehrreihig ausgebildet. Durch diese
in radialer Richtung gesehene Parallelschaltung mehrerer Wärmeübertrager
kann bei kompakter Bauweise die Leistung des Wärmeübertragers gesteigert
werden. Eine weitere Möglichkeit zur Steigerung des Wirkungsgrades eines
erfindungsgemäßen Wärmeübertragers besteht darin, daß bei einem
mehrgängig gewendelten Wärmeübertrager der von dem Rohr gebildete
Strömungskanal für das wärmeaufnehmende bzw. wärmeabgebende Medium
in mehrere einzelne Kanäle mit separatem Zu- und Ablauf unterteilt ist. Beim
Einsatz eines wärmeaufnehmenden Mediums wird durch dieses Einleiten eines
neuen wärmeaufnehmenden Mediums und Ableiten des bereits erwärmten
Mediums eine erhebliche Verbesserung der Wärmeübertragung ohne Erhöhung
des arbeitsmediumseitigen Totvolumens und ohne wesentliche Veränderung
des Bauvolumens des gesamten Wärmeübertragers erreicht.
Um zu vermeiden, daß die Rippen an den Kontaktstellen zweier auf- und/oder
aneinanderliegender Wendelgänge ineinandergreifen, sind gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Rippen zumindest eines
Wendelganges an diesen Kontaktstellen etwa in Höhe ihrer halben radialen
Erstreckung rechtwinklig umgebogen.
Eine kompakte Bauform mit geringen Wandstärken, die der hohen
Druckdifferenz zwischen wärmeabgebendem und wärmeaufnehmendem
Medium standhält, kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung
dadurch erreicht werden, daß das Rohr zylindrisch ausgebildet ist.
Die Umhüllung zur Abdichtung des Rippenkanals und zur Ausbildung des
arbeitsmediumseitigen Strömungskanals besteht bei einer Ausführungsform
der Erfindung aus einer Folie, vorzugsweise einer Aufblas- oder Schrumpffolie.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform besteht die Umhüllung aus einem
aushärtenden, gießfähigen Material, wie beispielsweise Kunststoff oder Harz.
Die Viskosität der zu vergießenden Materialien ist dabei so zu wählen, daß sie
einerseits niedrig genug ist, um vor dem Erstarren den gesamten
Wärmeübertrager gründlich zu umschließen, und andererseits hoch genug ist,
damit dieses Material nicht in den Rippenkanal eindringt und somit den
Strömungskanal für das Arbeitsmedium verschließt.
Weiterhin kann die Umhüllung dadurch hergestellt werden, daß die
Zwischenräume zwischen den Rippen des Rippenrohres vor dem Umgießen mit
dem aushärtenden Material mit Wachs gefüllt werden, um ein Eindringen des
Gußmaterials in die Zwischenräume zu verhindern. Im Anschluß an den
Gußvorgang wird das Wachs in einem Ausschmelzverfahren aus den
Strömungskanälen ausgetrieben.
Um einen möglichst geringen Wärmeübergangswiderstand zwischen den
beiden Medien zu erhalten, bestehen das Rohr und die Rippen aus einem
Material mit einem hohen Wärmeleitungskoeffizienten.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen
Wärmeübertragers ist dadurch gekennzeichnet, daß die auf der äußeren
Mantelfläche des Rohres angeordneten Rippen auf ihren Rippenköpfen so mit
einer undurchlässigen und thermisch isolierenden Umhüllung versehen
werden, daß zwischen der Umhüllung und der Mantelfläche des Rohres
mindestens ein Strömungskanal für das am Wärmeaustausch beteiligte,
vorzugsweise durch ein Prozeßgas gebildete Medium gebildet wird.
Durch dieses erfindungsgemäße Herstellungsverfahren wird ein besonders
kompakter Wärmeübertrager mit einem sehr geringen arbeitsmediumseitigen
Totvolumen erhalten, was deutlich zur Erhöhung des Wirkungsgrades des
erfindungsgemäßen Wärmeübertragers beiträgt.
Weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung der zugehörigen Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers schematisch dargestellt ist. In
den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen zu einer eingängigen Wendel
aufgewickelten Wärmeübertrager ohne Umhüllung;
Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Wärmeübertrager gemäß Fig. 1,
jedoch mit Umhüllung und
Fig. 3 eine vergrößerte Detailansicht gemäß III. in Fig. 1.
Der in der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispiels dargestellte
Wärmeübertrager ist zum Einsatz in einer nach einem regenerativen
Gaskreisprozeß arbeitenden Wärme- und Kältemaschine bestimmt, bei der die
an der Wärmeübertragung teilnehmenden Medien voneinander getrennt sind.
Der Wärmeübertrager umfaßt ein Rohr 1, das auf seiner äußeren Mantelfläche
1a mit Rippen 2 zum Vergrößern der Wärmeübertragungsfläche versehen ist.
Bei dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Rohr 1 zur
Bildung des Wärmeübertragers eingängig zu einer Wendel 3 aufgewickelt. Das
zylindrisch ausgebildete Rohr 1 des Wärmeübertragers dient als
Strömungskanal für das wärmeaufnehmende bzw. wärmeabgebende,
vorzugsweise flüssige Medium, welches über Zu- und Ablaufstutzen 4 in das
Rohr 1 eingeleitet bzw. aus diesem herausgeleitet wird.
Zur Ausbildung des Strömungskanals für das wärmeabgebende bzw.
wärmeaufnehmende, vorzugsweise durch ein Prozeßgas gebildete Medium
wird die Wendel 3, wie aus Fig. 2 ersichtlich, mit einer Umhüllung 5 umgeben,
die einen Rippenkanal 6 so abdichtet, daß dieser entlang der äußeren
Mantelfläche 1a des Rohres 1 verlaufend einen Strömungskanal für das
wärmeabgebende bzw. wärmeaufnehmende Medium bildet. Bei dem in Fig. 2
dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Umhüllung 5 aus einem
aushärtenden Material, welches um die Wendel 3 gegossen wurde und an
Rippenköpfen 2a anliegt. Die Viskosität dieses vorzugsweise aus Kunststoff
oder Harz bestehenden, gießfähigen Materials muß dabei so gewählt werden,
daß einerseits die gesamte Wendel 3 vor dem Aushärten des Materials
gleichmäßig mit der Umhüllung 5 umgeben ist, andererseits aber die Viskosität
hoch genug ist, damit die Umhüllung 5 nicht in den Rippenkanal 6 eindringt,
was zu einem Verstopfen des Strömungskanals führen würde.
Insbesondere bei einem Hochdruck-Prozeßgas als wärmeabgebendes bzw.
wärmeaufnehmendes Prozeßmedium erfolgt der Strömungsverlauf nicht
entlang dem gesamten Rippenkanal 6 und somit entlang der gesamten
Mantelfläche des wendelförmig aufgewickelten Rohres 1. Das über einen
ringförmig ausgebildeten Zulauf 7a und Ablauf 7b zu- bzw. abströmende
Medium strömt auf dem - aus Fig. 2 ersichtlichen - kürzesten Weg vom Zulauf
7a zum Ablauf 7b, nämlich in der dargestellten Zeichenebene senkrecht
entlang den aufeinanderliegenden Rohren 1, wobei das Prozeßmedium einen
jeden Rohrabschnitt etwa entlang seinem halben Umfang umströmt.
Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Detailansicht aus dem Bereich zweier aufeinander
aufliegender Wendelgänge der Wendel 3. Um beim Aufwickeln des berippten
Rohres 1 zur Bildung der Wendel 3 zu vermeiden, daß die Rippen 2 an
Kontaktstellen 8 ineinander greifen, sind die Rippen 2 eines Wendelganges im
Bereich der Kontaktstellen etwa in Höhe ihrer halben radialen Erstreckung
rechtwinklig umgebogen, so daß die Rippen 2 des nächsten Wendelganges
auf der Abwinklung der unteren Rippe 2 aufliegen. Wie aus Fig. 3 ersichtlich,
sind die Kontaktstellen 8 zwischen den aufeinander aufliegenden Rippen 2
noch durchlässig für das durch den Rippenkanal 6 strömende Medium.
Neben der dargestellten einreihigen Ausführungsform des als Wendel 3
ausgebildeten Wärmeübertragers kann der Wärmeübertrager auch mehrreihig,
beispielsweise durch koaxiales Anordnen mehrerer Wendel 3 ausgebildet sein.
Ein wie voranstehend dargelegt ausgebildeter Wärmeübertrager zeichnet sich
dadurch aus, daß er einerseits ein kompaktes Bauvolumen aufweist und
andererseits das arbeitsmediumseitige Totvolumen sehr gering ist, da die
Rippenkanäle 6 mit einer minimalen Breite von etwa 0,35 mm und einer
minimalen Höhe von etwa 0,9 mm gefertigt werden können. Darüber hinaus
ist der Kostenaufwand für die Herstellung eines solchen Wärmeübertragers
gering, da der Hauptbestandteil des Wärmeübertragers, nämlich das mit einer
Rippe 2 versehene Rohr 1 als Standardbestandteil vieler Wärmeübertrager kein
Sonderbauteil darstellt. Auch das Umgeben der Wendel 3 mit der Umhüllung
5, beispielsweise durch Umgießen mit einem Kunststoff oder Harz ist
kostengünstig zu bewerkstelligen, da als zusätzliche Bauteile nur eine innere
und eine äußere Form (nicht dargestellt) notwendig sind, die das Material bis
zu seiner Erstarrung fixieren. Die Herstellung eines solchen Wärmeübertragers
ist somit technisch gut beherrschbar und bei einer Serienfertigung
kostengünstig möglich.
Bezugszeichenliste
1 Rohr
1a äußere Mantelfläche
2 Rippe
2a Rippenkopf
3 Wendel
4 Zu-/Ablaufstutzen
5 Umhüllung
6 Rippenkanal
7a Zulauf
7b Zulauf
8 Kontaktstelle
1a äußere Mantelfläche
2 Rippe
2a Rippenkopf
3 Wendel
4 Zu-/Ablaufstutzen
5 Umhüllung
6 Rippenkanal
7a Zulauf
7b Zulauf
8 Kontaktstelle
Claims (16)
1. Wärmeübertrager, insbesondere für nach einem regenerativen
Gaskreisprozeß arbeitende Wärme- und Kältemaschinen, mit Trennung
der an der Wärmeübertragung teilnehmenden Medien, wobei ein mit die
Wärmeübertragungsfläche vergrößernden Rippen versehenes Rohr als
Strömungskanal für das wärmeaufnehmende bzw. wärmeabgebende,
vorzugsweise flüssige Wärmeträgermedium dient,
dadurch gekennzeichnet,
daß die auf der äußeren Mantelfläche (1a) des Rohres (1) angeordneten
Rippen (2) auf ihren Rippenköpfen (2a) mit einer undurchlässigen und
thermisch isolierenden Umhüllung (5) versehen sind und daß zwischen
der Umhüllung (5) und der Mantelfläche (1a) des Rohres (1) mindestens
ein Strömungskanal für das am Wärmeaustausch beteiligte, vorzugsweise
durch ein Prozeßgas gebildete zweite Medium ausgebildet ist.
2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
berippte Rohr (1) wendelförmig ein- oder mehrgängig aufgewickelt ist
und die Umhüllung (5) die gesamte ein- oder mehrgängige Wendel (3)
umgibt.
3. Wärmeübertrager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aus
dem aufgewickelten Rohr (1) bestehende Wendel (3) mehrreihig
ausgebildet ist.
4. Wärmeübertrager nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß
das den Strömungskanal für das wärmeaufnehmende Medium bildende
Rohr (1) in axialer Richtung mit mehreren separaten Zu- und
Ablaufstutzen (4) versehen ist.
5. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Rippen (2) zumindest eines Wendelganges an
Kontaktstellen (8) zweier auf- und/oder aneinander liegender
Wendelgänge etwa in Höhe ihrer halben radialen Erstreckung rechtwinklig
umgebogen sind.
6. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß das Rohr (1) zylindrisch ausgebildet ist.
7. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Umhüllung (5) aus einer Folie, vorzugsweise
einer Aufblas- oder Schrumpffolie besteht.
8. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Umhüllung (5) aus einem aushärtenden,
gießfähigen Material, vorzugsweise Kunststoff oder Harz besteht.
9. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß das Rohr (1) und die Rippen (2) aus einem Material
mit einem hohen Wärmeleitungskoeffizienten bestehen.
10. Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers, insbesondere eines
Wärmeübertragers für nach einem regenerativen Gaskreisprozeß
arbeitende Wärme- und Kältemaschinen mit Trennung der an der
Wärmeübertragung teilnehmenden Medien, wobei ein mit die
Wärmeübertragungsfläche vergrößernden Rippen versehenes Rohr als
Strömungskanal für das wärmeaufnehmende bzw. wärmeabgebende,
vorzugsweise flüssige Wärmeträgermedium dient,
dadurch gekennzeichnet,
daß die auf der äußeren Mantelfläche (1a) des Rohres (1) angeordneten
Rippen (2) auf ihren Rippenköpfen (2a) so mit einer undurchlässigen und
thermisch isolierenden Umhüllung (5) versehen werden, daß zwischen
der Umhüllung (5) und der Mantelfläche (1a) des Rohres (1) mindestens
ein Strömungskanal für das am Wärmeaustausch beteiligte, vorzugsweise
durch ein Prozeßgas gebildete zweite Medium gebildet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das berippte
Rohr (1) wendelförmig ein- oder mehrgängig aufgewickelt und die
Umhüllung (5) um die gesamte ein- oder mehrgängige Wendel (3)
angeordnet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem
berippten Rohr (1) gebildete Wendel (3) mehrreihig ausgebildet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die
Rippen (2) zumindest eines Wendelganges an Kontaktstellen (8) zweier
auf- und/oder aneinander liegender Wendelgänge etwa in Höhe ihrer
halben radialen Erstreckung rechtwinklig umgebogen werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Ausbildung der Umhüllung (5) eine Folie,
vorzugsweise eine Aufblas- oder Schrumpffolie verwendet wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Ausbildung der Umhüllung (5) das berippte Rohr
(1) mit einem aushärtenden Material, vorzugsweise einem Kunststoff
oder Harz umgossen wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die
Zwischenräume zwischen den Rippen (2) des Rohres (1) vor dem
Umgießen mit dem aushärtenden Material mit Wachs gefüllt werden, um
ein Eindringen des Gußmaterials in die Zwischenräume zu verhindern,
und das Wachs anschließend durch Aufschmelzen entfernt wird.
Priority Applications (8)
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