DE202016003318U1 - Heat exchanger for fluids of different phases - Google Patents

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Abstract

Wärmeübertrager (5) zur Wärmeübertragung zwischen zwei voneinander getrennten Massenströmen (7, 8), enthaltend ein Wärmeübertragerelement (1), welches durch spiralförmige Aufwicklung einer gewellten und einer glatten Folie eine Vielzahl von zwischen zwei Stirnseiten parallel verlaufenden ersten Kanälen (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in das Wärmeübertragerelement (1) zusätzlich parallel zu den ersten Kanälen (2) verlaufende zweite Kanäle (10) eingebracht sind, welche mit einer Vielzahl der ersten Kanäle (2) eine gemeinsame Oberfläche aufweisen, wobei ein Massenstrom (7) durch die zweiten Kanäle (10) und der andere Massenstrom (8) durch die ersten Kanäle (2) bevorzugt im Gegenstromprinzip geleitet wird.Heat exchanger (5) for heat transfer between two separate mass flows (7, 8), comprising a heat transfer element (1), which by spiral winding a corrugated and a smooth film having a plurality of parallel between two end faces extending first channels (2), characterized characterized in that second channels (10) running parallel to the first channels (2) are additionally introduced into the heat exchanger element (1), which have a common surface with a plurality of the first channels (2), wherein a mass flow (7) through the second channels (10) and the other mass flow (8) through the first channels (2) is preferably conducted in countercurrent principle.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit zwei voneinander getrennten Volumenströmen beziehungsweise Massenströmen und einem Wärmeübertragerelement, wobei das Wärmeübertragerelement aus einer vorzugsweise kreiszylindrischen Matrix besteht, die durch spiralförmige Aufwicklung zweier übereinander liegender Folien, nämlich eine glatte und eine gewellte Folie, gebildet wird, so dass parallel zur Zylinderachse Längskanäle wie erste Kanäle gebildet werden, deren Wände alle miteinander Wärme leitend verbunden sind. Auf den beiden im Wesentlichen kreisförmigen Stirnseiten der zylinderförmigen Wärmeübertragermatrix sind im Querschnitt des Wärmeübertragungselements voneinander beabstandete Rohre, nämlich jeweils ein Einleitungsrohr und ein axial gegenüber liegend angeordnetes Ausleitungsrohr, so aufgesetzt, dass jedes Rohr auf der einen Stirnseite jeweils mit einem Rohr auf der gegenüberliegenden Stirnseite axial positioniert ist. Die Rohrenden wie Rohrabschnitte sind gasdicht mit den Querschnittsflächen der Stirnseiten des Wärmeübertragerelements verbunden. Der Durchmesser eines aufgesetzten Rohres ist groß gegenüber dem Durchmesser der Längskanäle und auch die Wandstärke eines Rohres ist ein Vielfaches größer als der Durchmesser eines Längskanals. Der Massenstrom des beispielsweise Wärme aufnehmenden Fluids wird über die einzelnen aufgesetzten Rohre in Längskanalbündel mit jeweils gleich großer Querschnittsfläche wie die des Innenquerschnitts eines aufgesetzten Rohres eingeleitet und an der gegenüberliegenden Stirnseite der Matrix wieder ausgeleitet, während entsprechend der Massenstrom des Wärme abgebenden Fluids durch jene Längskanäle geleitet wird, die sich zwischen den von den aufgesetzten Zuführ- bzw. Ableitungsrohren belegten Längskanälen des Massenstroms des Wärme aufnehmenden Fluids befinden.The invention relates to a heat exchanger with two separate volume flows or mass flows and a heat transfer element, wherein the heat transfer element consists of a preferably circular cylindrical matrix, which is formed by spiral winding two superimposed films, namely a smooth and a corrugated foil, so that parallel to Cylinder axis longitudinal channels as first channels are formed, the walls of which are all heat conductively connected. On the two substantially circular end faces of the cylindrical heat transfer matrix are spaced from each other in the cross section of the heat transfer element tubes, namely an inlet tube and an axially oppositely arranged Ausleitungsrohr, so placed that each tube on the one end face each with a tube on the opposite end side axially is positioned. The pipe ends such as pipe sections are gas-tight connected to the cross-sectional areas of the end faces of the heat exchanger element. The diameter of an attached pipe is large compared to the diameter of the longitudinal channels and the wall thickness of a tube is many times greater than the diameter of a longitudinal channel. The mass flow of, for example, heat-absorbing fluid is introduced via the individual patch tubes in longitudinal channel bundles each having the same cross-sectional area as that of the inner cross section of an attached tube and discharged at the opposite end of the matrix again, while passed according to the mass flow of heat-releasing fluid through those longitudinal channels which are located between the longitudinal channels of the mass flow of the heat-absorbing fluid occupied by the attached supply and discharge pipes.

Derartige Wärmeübertrager sind bekannt (Gebrauchsmuster „Gegenstromwärmetauscher”, Aktenzeichen 20 2008 010 691.5, angemeldet am 12. 08. 2008; Gebrauchsmuster „Wärmeübertrager”, Aktenzeichen 20 2014 009 011.4, angemeldet am 14. 11. 2014). Sie sind vorzugweise für eine Wärmeübertragung zwischen zwei Fluiden gleicher Phase und annähernd gleicher Dichte geeignet.Such heat exchangers are known (utility model "countercurrent heat exchanger", file reference 20 2008 010 691.5, filed on 12. 08. 2008, utility model "heat exchanger", file reference 20 2014 009 011.4, filed on 14. 11. 2014). They are preferably suitable for heat transfer between two fluids of the same phase and approximately the same density.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die vorteilhafte Weiterbildung derartiger Wärmeübertrager für den Fall einer Wärmeübertragung zwischen zwei Fluiden unterschiedlicher Phase beziehungsweise gleicher Phase aber mit deutlich unterschiedlich großer Dichte.The object of the present invention is the advantageous development of such heat exchangers for the case of heat transfer between two fluids of different phase or the same phase but with significantly different density.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass jeweils zwischen Einleitungs- und axial gegenüber liegend positioniertem Ausleitungsrohr zusätzlich zu den ersten, als Längskanäle der Aufwicklung der eine Wärmeübertragermatrix bildenden Folien resultierenden Kanälen bevorzugt im Querschnitt größer als die Längskanäle ausgebildete zweite Kanäle in einem Wärmeübertragerelement wie Wärmeübertragermatrix eingearbeitet, zum Beispiel gebohrt, sind. Die Größe des Durchmessers dieser zweiten Kanäle wird an die Eigenschaften des Fluids, das diese zweiten Kanäle durchströmt, angepasst. Der Durchmesser der Rohrabschnitte für die zweiten Kanäle kann zur Verbesserung der Wärmeübertragung vorzugsweise geringfügig größer als der Durchmesser der sie verbindenden zweiten Kanäle vorgesehen sein, wodurch dann um die zweiten Kanäle eine schlauchförmige Schicht mit ersten, zum Teil aufgebrochenen Kanälen gebildet würde, was dann Verwirbelungen des über die Rohrabschnitte eingeleiteten Fluids zur Folge haben könnte.The object is achieved in that in addition to the first, as longitudinal channels of the winding of a heat transfer matrix-forming films resulting channels between inlet and axially oppositely positioned Ausleitungsrohr preferably formed in cross-section larger than the longitudinal channels formed second channels in a heat transfer element such as heat transfer matrix, for example, are bored. The size of the diameter of these second channels is adapted to the properties of the fluid flowing through these second channels. The diameter of the pipe sections for the second channels may be provided to improve the heat transfer preferably slightly larger than the diameter of the second channels connecting them, which would then be formed around the second channels a tubular layer with first, partially broken channels, which then turbulence of the could result in fluids introduced via the pipe sections.

Bei der vorliegenden Erfindung ist der Massenstrom des Fluids mit der größeren Dichte vorzugsweise in den aufgesetzten Rohren zur Durchströmung der zweiten Kanäle vorgesehen. Von einem aufgesetzten Einleitungsrohr gelangt dieser Massenstrom über den durch das Wärmeübertragerelement führenden verbindenden zweiten Kanal zum zugehörigen Ausleitungsrohr. Der Massenstrom des Fluids mit der kleineren Dichte wird bevorzugt in die ersten Kanäle wie Längskanäle der Wärmeleitermatrix geleitet, die sich zwischen den die Eingangs- und Ausgangsrohre verbindenden Kanälen befinden, wobei die mittlere Dimension des Querschnitts dieser ersten Kanäle in bevorzugter Weise sehr klein ist im Vergleich zum Durchmesser der zweiten Kanäle des Massenstroms des Fluids mit der größeren Dichte, die die Eingangs- mit den Ausgangsrohren verbinden.In the present invention, the mass flow of the higher density fluid is preferably provided in the mounted tubes for flow through the second channels. From an attached inlet pipe, this mass flow reaches the associated discharge pipe via the connecting second channel leading through the heat exchanger element. The mass flow of the smaller density fluid is preferably directed into the first channels, such as longitudinal channels of the heat conductor matrix, which are between the channels connecting the input and output tubes, the average dimension of the cross section of these first channels being preferably very small in comparison to the diameter of the second channels of the mass flow of the fluid of greater density connecting the inlet and outlet pipes.

Die Erfindung wird anhand der in den 1 bis 3 gezeigten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:The invention is based on the in the 1 to 3 shown embodiments explained in more detail. Showing:

1 Ansicht eines Ausschnitts aus einem Teil eines Wärmeübertragerelements, das die ersten Kanäle für den Massenstrom des Fluids mit der kleineren Dichte zeigt, 1 View of a section of a part of a heat exchanger element, which shows the first channels for the mass flow of the fluid with the smaller density,

2 schematische Darstellung eines Wärmeübertragers und 2 schematic representation of a heat exchanger and

3 schematische Darstellung der Verteilung der Kanäle der Massenströme der beiden Fluide in einem Ausschnitt des Wärmeübertragers der 2 in Draufsicht. 3 schematic representation of the distribution of the channels of the mass flows of the two fluids in a section of the heat exchanger of 2 in plan view.

1 zeigt einen Ausschnitt desjenigen Teils des eine Wärmeübertragermatrix enthaltenden Wärmeübertragerelements 1, das die ersten Kanäle 2 wie Längskanäle für den Massenstrom wie Volumenstrom des Fluids mit der kleineren Dichte enthält. Die ersten Kanäle 2 werden durch spiralförmige Aufwicklung zweier übereinander liegender Folien, 3, 4 gebildet, von denen die eine Folie 3 glatt und die darüberliegende Folie 4 gewellt ist. Aus der Aufwicklung ergibt sich vorzugsweise eine zylindrische Wärmeübertragmatrix. 1 shows a section of that part of a heat transfer matrix containing heat transfer element 1 that the first channels 2 how longitudinal channels for the mass flow as volume flow of the fluid with the smaller density contains. The first channels 2 become by helical winding of two superimposed foils, 3 . 4 formed, of which a foil 3 smooth and the overlying film 4 is wavy. From the winding preferably results in a cylindrical heat transfer matrix.

2 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Wärmeübertragers 5 mit dem Wärmeübertragerelement 1, das in einer Aufnahme 6, beispielsweise einem rohrförmigen Gehäuse, aufgenommen ist. Durch den Wärmeübertrager 5 werden im Gegenstromprinzip zwei Massenströme 7, 8 geleitet, wobei zum Beispiel der Massenstrom 7 der einer Flüssigkeit ist und der Massenstrom 8 der eines Gases. Der Massenstrom 7 wird mittels der Rohrabschnitte 9 in die zweiten Kanäle 10 des Wärmeübertragerelements 1 aufgeteilt. Die Rohrabschnitte 9, 11 werden an die Stirnseiten des Wärmeübertragerelements 1 angelegt beziehungsweise aufgesetzt und vorzugsweise axial gegen diese verspannt. Der Massenstrom 7 wird über die Rohrabschnitte 9 entlang der zweiten Kanäle 10 zu den Rohrabschnitten 11 geleitet und im Auslauf 12 gesammelt und ausgeleitet. Der Massenstrom 8 wird im Zulauf eingeleitet, verteilt sich auf die ersten Kanäle 2, die sich zwischen den die Rohrabschnitte 9, 11 verbindenden zweiten Kanäle 10 befinden, und wird durch die Kanäle 2 zum Auslauf 13 geleitet. 2 schematically shows an embodiment of a heat exchanger 5 with the heat transfer element 1 that in a recording 6 , For example, a tubular housing is received. Through the heat exchanger 5 become in countercurrent principle two mass flows 7 . 8th headed, for example, the mass flow 7 which is a liquid and the mass flow 8th the one gas. The mass flow 7 is by means of the pipe sections 9 in the second channels 10 the heat transfer element 1 divided up. The pipe sections 9 . 11 be on the front sides of the heat exchanger element 1 applied or placed and preferably clamped axially against them. The mass flow 7 gets over the pipe sections 9 along the second channels 10 to the pipe sections 11 headed and in the outlet 12 collected and discharged. The mass flow 8th is introduced in the inlet, distributed to the first channels 2 that is between the pipe sections 9 . 11 connecting second channels 10 and is through the channels 2 to the spout 13 directed.

3 zeigt die Verteilung der Kanäle (2, 10) des Wärmeübertragers 5 der 2. Der Massenstrom 7 des Fluids mit der größeren Dichte wird aufgeteilt in die zweiten Kanäle 10, die mit den Rohrabschnitten 9, 11 verbunden sind. Die Wände 14 der Rohrabschnitte haben eine Dicke, die ein Mehrfaches der mittleren Dimension des Querschnitts eines ersten Kanals 2 beträgt. Der Massenstrom 8 des Fluids mit der kleineren Dichte wird durch die ersten Kanäle 2 geleitet, die sich zwischen den zweiten Kanälen 10 des Fluids mit der größeren Dichte befinden. 3 shows the distribution of channels ( 2 . 10 ) of the heat exchanger 5 of the 2 , The mass flow 7 of the higher density fluid is split into the second channels 10 that with the pipe sections 9 . 11 are connected. The walls 14 the pipe sections have a thickness which is a multiple of the mean dimension of the cross section of a first channel 2 is. The mass flow 8th of the smaller density fluid passes through the first channels 2 passed between the second channels 10 of the fluid of greater density.

Claims (7)

Wärmeübertrager (5) zur Wärmeübertragung zwischen zwei voneinander getrennten Massenströmen (7, 8), enthaltend ein Wärmeübertragerelement (1), welches durch spiralförmige Aufwicklung einer gewellten und einer glatten Folie eine Vielzahl von zwischen zwei Stirnseiten parallel verlaufenden ersten Kanälen (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in das Wärmeübertragerelement (1) zusätzlich parallel zu den ersten Kanälen (2) verlaufende zweite Kanäle (10) eingebracht sind, welche mit einer Vielzahl der ersten Kanäle (2) eine gemeinsame Oberfläche aufweisen, wobei ein Massenstrom (7) durch die zweiten Kanäle (10) und der andere Massenstrom (8) durch die ersten Kanäle (2) bevorzugt im Gegenstromprinzip geleitet wird.Heat exchanger ( 5 ) for heat transfer between two separate mass flows ( 7 . 8th ), comprising a heat transfer element ( 1 ), which by spiral winding a corrugated and a smooth film, a plurality of parallel between two end faces extending first channels ( 2 ), characterized in that in the heat transfer element ( 1 ) in addition to the first channels ( 2 ) extending second channels ( 10 ) are introduced, which with a plurality of the first channels ( 2 ) have a common surface, wherein a mass flow ( 7 ) through the second channels ( 10 ) and the other mass flow ( 8th ) through the first channels ( 2 ) is preferably passed in countercurrent principle. Wärmeübertrager (5) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die ersten Kanäle (2) von den zweiten Kanälen (10) in ihrer mittleren Dimension ihres Querschnitts unterscheiden.Heat exchanger ( 5 ) according to claim 1, characterized in that the first channels ( 2 ) from the second channels ( 10 ) differ in their mean dimension of their cross section. Wärmeübertrager (5) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Dimension der Querschnitte der zweiten Kanäle (10) ein Vielfaches größer als die mittlere Dimension der ersten Kanäle (2) ist.Heat exchanger ( 5 ) according to claim 2, characterized in that the mean dimension of the cross sections of the second channels ( 10 ) is several times larger than the mean dimension of the first channels ( 2 ). Wärmeüberträger (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände sämtlicher aneinander grenzender Kanäle (2, 10) Wärme leitend miteinander verbunden sind.Heat exchanger ( 5 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the walls of all adjacent channels ( 2 . 10 ) Are conductively connected to each other. Wärmeübertrager (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an den Stirnseiten der Wärmeübertragermatrix (1) beabstandete Rohre gasdicht aufgesetzt sind, wobei jeweils ein Rohrabschnitt (9) eines Einleitungsrohrs eines Massenstroms (7) des ersten Fluids mit einem zu diesem Einleitungsrohr axial positionierten Ausleitungsrohr (11) mittels eines zweiten Kanals (10) verbunden ist, und der Massenstrom (8) des anderen Fluids über eine Einlassöffnung an einer Stirnseite der ersten Kanäle (2) der Wärmeübertragermatrix (1) eingeleitet und an der gegenüber liegenden Stirnseite der Wärmeübertragermatrix (1) durch eine Auslassöffnung (13) wieder ausgeleitet wird.Heat exchanger ( 5 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that at the end faces of the heat transfer matrix ( 1 ) spaced tubes are placed gas-tight, each with a pipe section ( 9 ) an inlet pipe of a mass flow ( 7 ) of the first fluid with a discharge pipe axially positioned to this inlet pipe ( 11 ) by means of a second channel ( 10 ), and the mass flow ( 8th ) of the other fluid via an inlet opening at an end face of the first channels ( 2 ) of the heat transfer matrix ( 1 ) and at the opposite end face of the heat transfer matrix ( 1 ) through an outlet opening ( 13 ) is discharged again. Wärmeübertrager (5) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser der Rohrabschnitte (9, 11) größer als der Durchmesser der zweiten Kanäle (10) ist.Heat exchanger ( 5 ) according to claim 5, characterized in that the inner diameter of the pipe sections ( 9 . 11 ) greater than the diameter of the second channels ( 10 ). Wärmeübertrager nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, dass eine Differenz zwischen dem Innendurchmesser der Rohrabschnitte (9, 11) und dem Durchmesser der zweiten Kanäle (10) im Wesentlichen das Doppelte der mittleren Dimension des Querschnitts der ersten Kanäle (2) beträgt.Heat exchanger according to claim 5, characterized in that a difference between the inner diameter of the pipe sections ( 9 . 11 ) and the diameter of the second channels ( 10 ) is substantially twice the mean dimension of the cross section of the first channels ( 2 ) is.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US11287190B2 (en) * 2019-03-20 2022-03-29 Subaru Corporation Spiral heat exchanger

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