DE19717832C2 - Wärmetauscheranordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmetauscheranordnung mit einem Tragrohr und Wärmetauscheinheiten, in denen die Wärmeenergieübertragung zwischen Wärmeträgermedien stattfin­ det und die in Umfangsrichtung des Tragrohrs aufeinanderfol­ gend um das Tragrohr angeordnet sind.

Aufgrund der technischen Entwicklung in den letzten Jahr­ zehnten sind die bei Wärmetauschprozessen herrschenden Tem­ peraturunterschiede und Betriebsdrücke zunehmend größer ge­ worden, mit der Folge, daß die im Regelfall aus wirtschaft­ lichen und wärmetechnischen Gründen bei den eingangs genann­ ten Wärmetauscheranordnungen zum Einsatz kommenden Wärme­ tauscheinheiten in ihrer möglichen Baugröße sehr begrenzt sind, da ansonsten die auftretenden wärmetechnischen und me­ chanischen Beanspruchungen zu einer vergleichsweise kurzen Lebensdauer der Wärmetauscheinheiten führen würden. Die wär­ metechnischen bzw. mechanischen Beanspruchungen treten auf, da in den Vorläufen und den Rückläufen der Verteilerkreise unterschiedliche Temperaturen herrschen. Anschlußrohre zwi­ schen den Verteilerrohren und einer Wärmetauscheinheit deh­ nen sich somit unterschiedlich aus, wobei darüber hinaus die unterschiedlichen Ausdehnungen der den Vorlauf bzw. den Rücklauf bildenden Verteilerrohre berücksichtigt werden müs­ sen. Die aus diesen Temperaturunterschieden resultierenden mechanischen Beanspruchungen führen im Ergebnis dazu, daß Wärmetauscheinheiten in an sich wirtschaftlich und wärme­ technisch günstigen Baugrößen nicht eingesetzt werden kön­ nen, da sie aufgrund der erläuterten mechanischen Beanspru­ chungen nicht über eine ausreichende Lebensdauer verfügen würden.

Darüber hinaus ergibt sich bei einer bekannten Wärmetau­ scheranordnung, bei der die Wärmetauscheinheiten in Axial­ richtung der Verteilerrohre nebeneinander angeordnet sind, der Nachteil eines vergleichsweise großen Raumbedarfs.

Aus der DE 30 40 802 A1 ist eine Wärmetauscheranordnung be­ kannt, welche ein Tragrohr und Wärmetauscheinheiten auf­ weist, in denen die Wärmeenergieübertragung zwischen Wärme­ trägermedien stattfindet. Die Wärmetauscheinheiten sind in Umfangsrichtung des Tragrohrs aufeinanderfolgend um das Tragrohr angeordnet. Die einzelnen Wärmetauscheinheiten wer­ den durch Rippenrohre gebildet, die über einen gemeinsamen Vor- und Rücklauf verfügen, zu dem sich die entsprechenden Enden der Rippenrohre unterhalb des eigentlichen Wärmetau­ schers vereinen und welche radial auswärts von der Wärmetau­ scheranordnung wegführen. Das Heizmedium dieser bekannten Wärmetauscheranordnung wird in das zentrale Tragrohr einge­ blasen, und zwar unterhalb der eigentlichen Wärmetauscheran­ ordnung. Das zentrale Tragrohr weist eine Vielzahl über sei­ ne axiale Länge und seinen Umfang verteilte Durchtrittsöff­ nungen auf, aus denen das Heizmedium austritt und gegen die die Wärmetauscheinheiten bildenden Rippenrohre gerichtet sind. Nachdem das Heizmedium die Wärmetauscheinheiten bzw. deren Rippenrohre gestrichen hat, tritt es in Axialrichtung aus der Wärmetauscheranordnung aus. In ihm noch enthaltene Wärmeenergie geht damit verloren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend geschilderte Wärmetauscheranordnung derart weiterzubilden, daß sie bei verbesserter Raumausnutzung auch dann einsetzbar ist, wenn für die unterschiedlichen Wärmeträgermedien ge­ schlossene Kreisläufe vorgesehen sind.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Tragrohr in separate, aufeinanderfolgende Verteilerrohre für die Vor- und Rückläufe von die Wärmeträgermedien führenden Fluidkreisläufen unterteilt ist, und daß die Wärmetauschein­ heiten zur getrennten Durchleitung der Wärmeträgermedien an die Verteilerrohre angeschlossen sind. Hierdurch wird das Tragrohr unter Aufrechterhaltung seiner Tragfunktion dazu genutzt, die einzelnen Wärmetauscheinheiten, die von in ge­ schlossenen Fluidkreisläufen strömenden Wärmeträgermedien durchströmt werden, an die genannten Fluidkreisläufe anzu­ schließen.

Durch diese kreisförmige Anordnung der Wärmetauscheinheiten um die jeweiligen Verteilerrohre kann der Raumbedarf für Wärmetauscheranordnungen erheblich reduziert werden. Die An­ schlußrohre zu den einzelnen Wärmetauscheinheiten sind sämt­ lich vergleichsweise kurz. Die möglichen Längenausdehnungs­ unterschiede bei üblicherweise herrschenden Temperaturunter­ schieden, z. B. bei 140 Grad C, zwischen dem den Vorlauf und dem den Rücklauf bildenden Verteilerrohre sind sehr gering, wobei die sich ergebenden mechanischen Beanspruchungen nahe­ zu ausschließlich in gerader Richtung auf die Anschlüsse der Wärmetauscheinheiten wirken. Die erfindungsgemäße Ausgestal­ tung der Wärmetauscheranordnung ermöglicht somit neben einem geringeren Raumbedarf auch eine größere Baugröße der einge­ setzten Wärmetauscheinheiten, da die auftretenden mechani­ schen Beanspruchungen derselben erheblich reduziert sind.

Zweckmäßigerweise sind bei der erfindungsgemäßen Wärmetau­ scheranordnung die die Rückläufe bzw. die Vorläufe bildenden Verteilerrohre in ihrer Axialrichtung aufeinanderfolgend ne­ ben- oder übereinander angeordnet.

Sofern der Radialabstand zwischen den Verteilerrohren einer­ seits und den Wärmetauscheinheiten andererseits jeweils gleich ist, können die Anschlußrohre sämtlich gleich lang sein, was zu sich daraus ergebenden Vergleichmäßigungen der mechanischen Beanspruchungen führt.

Wenn der Umfangsabstand zwischen den Wärmetauscheinheiten gleich ist, kann, sofern der Abstand möglichst gering ge­ wählt wird, eine möglichst große Anzahl von Wärmetauschein­ heiten bei vorgegebenem Raumangebot untergebracht werden.

Für den Anschluß der Verteilerrohre an die jeweiligen Wärme­ trägermedienkreisläufe kann es zweckmäßig sein, wenn an einem Umfangsabschnitt der Verteilerrohre keine Wärmetausch­ einheiten angeordnet sind, wobei dann an diesem von Wärme­ tauscheinheiten freien Umfangsabschnitt die Anschlußverbin­ dungen der Verteilerrohre aus abgehen.

Als besonders vorteilhaft für die erfindungsgemäße Wärmetau­ scheranordnung hat es sich erwiesen, wenn die Wärmetausch­ einheiten als gelötete Plattenwärmetauscher ausgebildet sind, die aus thermischen und damit wirtschaftlichen Gründen für den Einsatz in Wärmetauscheranordnungen besonders vor­ teilhaft sind, deren Einsatz in derartigen Wärmetauscher­ anordnungen aufgrund ihrer vergleichsweise hohen mechani­ schen Empfindlichkeit jedoch bisher begrenzt war.

Sofern Anschlußrohre zwischen den Verteilerrohren und den Wärmetauscheinheiten Rohrbögen aufweisen, ist die Verbindung zwischen den Verteilerrohren und den Wärmetauscheinheiten vergleichsweise elastisch, wobei sich hieraus eine weitere Reduzierung der wärmetechnischen bzw. mechanischen Beanspru­ chung der Wärmetauscheinheiten ergibt.

Bei erfindungsgemäßen Wärmetauscheranordnungen mit großen Kapazitäten ist es zweckmäßig, wenn die Wärmetauscheinheiten in mehreren, in Axialrichtung der Verteilerrohre aufeinan­ derfolgenden Ebenen um die Verteilerrohre angeordnet sind.

In bestimmten Anwendungsfällen kann es betriebliche Vorteile zur Folge haben, wenn zueinander in Umfangsrichtung oder in Axialrichtung der Verteilerrohre benachbarte Wärmetauschein­ heiten zueinander parallel oder, bei entsprechend anders ge­ staltetem Anforderungsprofil, in Reihe geschaltet sind.

Darüber hinaus ist es möglich, daß in Umfangsrichtung oder Axialrichtung der Verteilerrohre benachbarte Wärmetauschein­ heiten in Axial- bzw. in Umfangsrichtung der Verteilerrohre zueinander versetzt angeordnet sind. Hierdurch kann sich eine größere Anpaßbarkeit der erfindungsgemäßen Wärmetau­ scheranordnung an die vorgegebenen Raumverhältnisse ergeben.

Zur Erhöhung des Wirkungsgrads der erfindungsgemäßen Wärme­ tauscheranordnung ist es vorteilhaft, wenn die Verteilerroh­ re Einbauten zur Lenkung der Fluidströmung aufweisen.

Um Belastungen an den verteilerrohr- bzw. wärmetauschein­ heitsseitigen Anschlüssen zu reduzieren, ist es vorteilhaft, wenn die Anschlußrohre zwischen den Verteilerrohren einer­ seits und den Wärmetauscheinheiten andererseits und/oder Verbindungsrohre zwischen Wärmetauscheinheiten so ausgebil­ det sind, daß thermische Spannungen an den verteilerrohrsei­ tigen bzw. wärmetauscheinheitsseitigen Anschlußstutzen ver­ mieden sind. Dies kann beispielsweise durch eine geeignete werkstoffmäßige Ausgestaltung der Anschlußrohre bzw. der Verbindungsrohre oder durch eine spezielle körperliche Aus­ gestaltung der entsprechenden Anschlußabschnitte geschehen.

Wenn die Halterung der Verteilerrohre ortsfest und die Hal­ terung der Wärmetauscheinheiten elastisch ausgebildet sind, können aufgrund thermischer Ausdehnung auftretende Spannun­ gen an den Anschlußstutzen der Wärmetauscheinheiten mini­ miert werden.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines Ausführungs­ beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläu­ tert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Wär­ metauscheranordnung;

Fig. 2 einen Anschluß eines Verteilerrohrs der erfin­ dungsgemäßen Wärmetauscheranordnung an einen ein Wärmeträgermedium führenden Kreislauf; und

Fig. 3 eine Prinzipdarstellung einer Reihenschaltung zweier Wärmetauscheinheiten der erfindungsgemäßen Wärmetauscheranordnung.

Eine aus den Fig. 1 und 3 im Prinzip hervorgehende Wärmetauscheranordnung hat vier in Vertikalrich­ tung miteinander fluchtend hintereinander angeordnete Ver­ teilerrohre 1, 2, 3, 4. Das Verteilerrohr 1 bildet den Vor­ lauf eines ein primäres Wärmeträgermedium führenden Fluid­ kreislaufs; das Verteilerrohr 2 bildet den Vorlauf eines ein sekundäres Wärmeträgermedium führenden zweiten Fluidkreis­ laufs; das Verteilerrohr 3 bildet den Rücklauf des das pri­ märe Wärmeträgermedium führenden ersten Fluidkreislaufs; das Verteilerrohr 4 bildet den Rücklauf des das sekundäre Wärme­ trägermedium führenden zweiten Fluidkreislaufs.

Wie insbesondere aus Fig. 1 hervorgeht, gehören zu der Wär­ metauscheranordnung Wärmetauscheinheiten 5, die in einer konzentrischen Teilkreisanordnung um die Verteilerrohre 1, 2, 3, 4 angeordnet sind, wobei der Abstand in Umfangsrich­ tung der Verteilerrohre 1, 2, 3, 4 zwischen den Wärmetausch­ einheiten 5 gleich ist und ein Umfangsabschnitt 6 der Ver­ teilerrohre 1, 2, 3, 4 nicht mit Wärmetauscheinheiten 5 ver­ sehen ist.

Aufgrund der konzentrischen Anordnung der aufeinanderfolgen­ den Wärmetauscheinheiten 5 in bezug auf die Verteilerrohre 1, 2, 3, 4 ergibt sich für jede Wärmetauscheinheit 5 der gleiche Radialabstand zu den Verteilerrohren 1, 2, 3, 4.

Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß bei der dargestellten Aus­ führungsform die Wärmetauscheinheiten 5 in zwei in Axial­ richtung der Verteilerrohre 1, 2, 3, 4 beabstandeten Ebenen um die Verteilerrohre 1, 2, 3, 4 angeordnet sind. Zwischen den Verteilerrohren 1, 2, 3, 4 und den Wärmetauscheinheiten 5 sind Anschlußrohre 7 vorgesehen, mittels denen die beiden Wärmeträgermedien von den als Vorläufe fungierenden Vertei­ lerrohren 1 bzw. 2 zu den Wärmeaustauscheinheiten 5 bzw. von den Wärmetauscheinheiten 5 zu den als Rücklauf fungierenden Verteilerrohren 3, 4 geführt werden. Aufgrund der konzentri­ schen Anordnung der Wärmetauscheinheiten 5 um die Verteiler­ rohre 1, 2, 3, 4 können die Anschlußrohre gleiche Abmessun­ gen aufweisen.

Zweckmäßigerweise können die Anschlußrohre 7 mit zusätzli­ chen Rohrbögen versehen werden, um die mechanischen Bean­ spruchungen, die aufgrund von thermischer Ausdehnung entste­ hen, an Anschlußstutzen 8 der Wärmetauscheinheiten 5 zu re­ duzieren.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform sind zwei Wärmetauscheinheiten 5 zueinander in Reihe geschaltet. Aus dem den Vorlauf des das sekundäre Wärmeträgermedium führen­ den Kreislaufs bildenden Verteilerrohr 2 wird das sekundäre Wärmeträgermedium durch das Anschlußrohr 7 in die in Fig. 3 obere Wärmetauscheinheit 5 geführt; das sekundäre Wärmeträ­ germedium durchströmt zwecks Wärmeaustausch mit dem primären Wärmeträgermedium die in Fig. 3 obere Wärmetauscheinheit 5 und verläßt diese durch ein Verbindungsrohr 9, welches das sekundäre Wärmeträgermedium aus der in Fig. 3 oberen Wärme­ tauscheinheit 5 in die in Fig. 3 untere Wärmetauscheinheit 5a leitet. In der in Fig. 3 unteren Wärmetauscheinheit 5a findet erneut ein Wärmeaustausch zwischen dem primären und dem sekundären Wärmeträgermedium statt. Aus der in Fig. 3 unteren Wärmetauscheinheit 5a gerät das sekundäre Wärmeträ­ germedium in zu der bereits beschriebenen analogerweise zum als Rücklauf des das sekundäre Wärmeträgermedium führenden zweiten Fluidkreislaufs fungierenden Verteilerrohr 4.

Wie insbesondere in Fig. 2 dargestellt ist, sind die Ver­ teilerrohre 1, 2, 3, 4 an demjenigen Umfangsabschnitt 6, an dem keine Wärmetauscheinheiten 5 vorgesehen sind, über einen Anschluß 10 an den jeweiligen Fluidkreis angeschlossen.

Eine die Verteilerrohre 1, 2, 3, 4 aufnehmende Halterung der Wärmetauscheranordnung ist als Festpunkt­ halterung ausgeführt. Dahingegen ist eine die Wärmetausch­ einheiten 5 aufnehmende Halterung pendelnd und höhenbeweg­ lich ausgebildet. Hieraus resultiert, daß mechanische Span­ nungen an den Anschlußstutzen 8 der Wärmetauscheinheiten, die aufgrund von thermischen Ausdehnungen auftreten, mini­ miert werden.

Claims (14)

1. Wärmetauscheranordnung mit einem Tragrohr und Wärme­ tauscheinheiten, in denen die Wärmeenergieübertragung zwi­ schen Wärmeträgermedien stattfindet und die in Umfangsrich­ tung des Tragrohrs aufeinanderfolgend um das Tragrohr ange­ ordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Tragrohr in se­ parate aufeinanderfolgende Verteilerrohre (1, 2, 3, 4) für die Vor- und Rückläufe von die Wärmeträgermedien führenden Fluidkreisläufen unterteilt ist, und daß die Wärmetauschein­ heiten (5) zur getrennten Durchleitung der Wärmeträgermedien an die Verteilerrohre (1, 2, 3, 4) angeschlossen sind.

2. Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 1, deren Verteiler­ rohre (1, 2, 3, 4) in ihrer Axialrichtung aufeinanderfolgend neben- oder übereinander angeordnet sind.

3. Wärmetauscheranordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Radialabstand zwischen den Verteilerrohren (1, 2, 3, 4) einerseits und den Wärmetauscheinheiten (5) andererseits gleich ist.

4. Wärmetauscheranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der Umfangsabstand zwischen den Wärmetauscheinheiten (5) gleich ist.

5. Wärmetauscheranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der an einem Umfangsabschnitt der Verteilerrohre keine Wärmetauscheinheiten angeordnet sind.

6. Wärmetauscheranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Wärmetauscheinheiten (5) als gelötete Platten­ wärmetauscher ausgebildet sind.

7. Wärmetauscheranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der Anschlußrohre zwischen den Verteilerrohren (1, 2, 3, 4) und den Wärmetauscheinheiten (5) Rohrbögen aufweisen.

8. Wärmetauscheranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Wärmetauscheinheiten (5) in mehreren, in Axial­ richtung der Verteilerrohre (1, 2, 3, 4) aufeinanderfolgen­ den Ebenen um die Verteilerrohre (1, 2, 3, 4) angeordnet sind.

9. Wärmetauscheranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der zueinander in Umfangsrichtung oder in Axialrichtung der Verteilerrohre (1, 2, 3, 4) benachbarte Wärmetauschein­ heiten (5) zueinander parallel geschaltet sind.

10. Wärmetauscheranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der zueinander in Umfangsrichtung oder in Axialrichtung der Verteilerrohre (1, 2, 3, 4) benachbarte Wärmetauschein­ heiten (5) in Reihe geschaltet sind.

11. Wärmetauscheranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der in Umfangs- oder Axialrichtung der Verteilerroh­ re (1, 2, 3, 4) benachbarte Wärmetauscheinheiten (5) in Axial- bzw. in Umfangsrichtung der Verteilerrohre (1, 2, 3, 4) zueinander versetzt angeordnet sind.

12. Wärmetauscheranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der die Verteilerrohre (1, 2, 3, 4) Einbauten zur Lenkung der Fluidströmung aufweisen.

13. Wärmetauscheranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der Anschlußrohre (7) zwischen den Verteilerrohren (1, 2, 3, 4) einerseits und den Wärmetauscheinheiten (5) an­ dererseits und/oder Verbindungsrohre (9) zwischen Wärmetau­ scheinheiten (5) so ausgebildet sind, daß thermische Span­ nungen an den verteilerrohrseitigen bzw. wärmetauschein­ heitsseitigen Anschlußstutzen (8) vermieden sind.

14. Wärmetauscheranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der die Halterung der Verteilerrohre (1, 2, 3, 4) ortsfest und die Halterung der Wärmetauscheinheiten (5) ela­ stisch ausgebildet ist.