DE2714617A1 - HEAT EXCHANGER WITH A WIRE COIL ARRANGED ON A SUPPORT TUBE - Google Patents
HEAT EXCHANGER WITH A WIRE COIL ARRANGED ON A SUPPORT TUBEInfo
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Description
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Dr.-lng. Reimar KfDnig · Dipl-Ing. Klaus BergenDr.-lng. Reimar KfDnig Dipl-Ing. Klaus Bergen
31. März 1977 28 485 WMarch 31, 1977 28 485 W.
N.V. Spiro Research, Helmcnd / Holland, Indumaweg 6 "Wärmeaustauscher mit auf einem Trägerrohr angeordneter Drahtwendel" NV Spiro Research, Helmcnd / Holland, Indumaweg 6 "Heat exchanger with wire helix arranged on a support tube"
Die Erfindung bezieht sich auf Wärmeaustauscher mit auf einem Trägerrohr schraubenförmig angeordneter Wendel aus Draht, dessen Windungen sich in radialen Richtungen weiter erstrecken als in Richtung der Trägerrohrachse, und bei denen benachbarte Wendelwindungen axial teilweise ineinander greifen sowie durch einen mit gleicher Steigung mit Abstand um das Trägerrohr gewickelten Draht gegeneinander abgestützt sind.The invention relates to heat exchangers with a helix of wire arranged helically on a support tube, the Windings extend further in radial directions than in the direction of the carrier tube axis, and in which adjacent helical windings axially partially mesh with one another as well as by one wound around the support tube with the same pitch at a distance Wire are supported against each other.
Bei einem aus der US-PS 877 252 bekannten Wärmeaustauscher dieser Art haben die Wendeldrahtwindungen die Form schlanker spitzwinkliger gleichschenkliger Dreiecke mit abgerundeten Ecken, die mit ihren Spitzen nach außen weisen. Die von den Dreieckschenkeln gebildeten, teilweise ineinandergreifenden Flanken benachbarter Wendelwindungen bilden außen eine schraubenförmige Rinne, in die ein Draht eingelegt ist, der die Windungen des Wendeldrahts gegen Verlagerungen und Verformungen durch äußere Einwirkungen schützen soll.In a heat exchanger of this type known from US Pat. No. 877,252, the helical wire windings have a slimmer shape Acute-angled isosceles triangles with rounded corners, the tips of which point outwards. The ones from the Triangular legs formed, partially interlocking The flanks of adjacent helical turns form a helical groove on the outside, into which a wire is inserted that holds the turns of the helical wire is intended to protect against displacement and deformation due to external influences.
Trotz dieses Stützdrahts sind jedoch die zur Bildung einer möglichst großen, dem zu erwärmenden oder zu kühlenden Medium ausgesetzten Oberfläche aus sehr dünnem Draht bestehendenIn spite of this support wire, however, they are required to form the largest possible medium for the medium to be heated or cooled exposed surface consisting of very thin wire
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Wendeldrahtwindungen mindestens in ihren über den Stützdraht hinausragenden Bereichen sehr empfindlich gegen äußere Einwirkungen, wie sie schon bei der Herstellung, besonders aber bei der Lagerung, beim Transport sowie beim Einbau solcher Wärmeaustauscher am Verwendungsort unvermeidlich sind.Helical wire windings, at least in their areas protruding beyond the support wire, very sensitive to external influences, as they did during manufacture, but especially during storage, transport and installation of such Heat exchangers are unavoidable at the point of use.
Das gilt umsomehr, als der Stützdraht nur mit geringer Vorspannung in die von den Wendelwindungen gebildete Rinne eingelegt, an den Wendeldrähten aber nicht befestigt ist. Das hat zur Folge, daß er schon bei geringen Verlagerungen oder Verformungen eines relativ kleinen Teils der Wendeldrahtwindungen seine Vorspannung und seinen Re ibungsSchluß mit den Wendeldrähten verliert und dann die ihm zugedachte Aufgabe nicht mehr erfüllen kann.This is all the more true as the support wire is only slightly pretensioned inserted into the groove formed by the helical windings, but not attached to the helical wires. That has as a result, even with slight displacements or deformations of a relatively small part of the helical wire windings its bias and its frictional conclusion with the Loses helical wires and then can no longer perform the task it was intended for.
Ein weiterer schwerwiegender Nachteil des bekannten Wärmeaustauschers gegenüber anderen bekannten Austauschern mit auf dem Trägerrohr nebeneinander aufliegenden Wendelwindungen und dicht an dicht hintereinander liegenden Drahtwindungen besteht darin, daß infolge des Ineinandergreifens der Wendelwindungen sich auf dem Umfang des Trägerrohrs nur jeweils die Hälfte von Wendeldrahtwindungen unterbringen läßt. Der dadurch verursachte Verlust an Austauschfläche kann durch die infolge des Ineinandergreifens der Wendelwindungen erreichbare Vermehrung der auf einem Trägerrohr gegebener Länge unterzubringenden Zahl von Wendelwindungen nicht annähernd ausgeglichen werden.Another serious disadvantage of the known heat exchanger compared to other known exchangers with helical windings lying next to one another on the support tube and tight on wire windings lying close behind one another is that as a result of the interlocking of the helical windings the circumference of the support tube can accommodate only half of the helical wire turns. The loss caused by it on the exchange surface can be achieved through the increase in the amount of a support tube of a given length to be accommodated number of helical turns are not even approximately compensated.
Schließlich ist auch die offensichtlich zur Ermöglichung eines einfachen kontinuierlichen Wickelvorgangs gewählte Dreieckform der Drahtwindungen nachteilig für den Wärmeaustausch, da diese Windungen dem thermisch zu beeinflussenden Medium eine nach außen zunehmend kleiner werdende Oberfläche anbieten, und der Temperaturunterschied zwischen diesen Oberflächenteilen und dem sie umgebenden Medium mit zunehmender Entfernung vomFinally, the triangular shape obviously chosen to enable a simple continuous winding process is also chosen of the wire windings is disadvantageous for the heat exchange, since these windings follow the thermally influenced medium offer increasingly smaller surface outside, and the temperature difference between these surface parts and the surrounding medium with increasing distance from
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Trägerrohr immer geringer, die thermisch zu beeinflussende Menge des Mediums aber immer größer wird.The carrier tube is getting smaller and smaller, but the amount of the medium to be thermally influenced is increasing.
Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, bei einem Wärmeaustauscher der eingangs genannten Art einerseits die wirksame Drahtoberfläche beträchtlich zu vergrößern, den Temperaturverlauf innerhalb der Wendel günstiger zu gestalten sowie anderseits die Drahtwendel so zu verfestigen, daß sie allen bei der Fertigung, beim Lagern, beim Transport, bei der Installation sowie beim Gebrauch unvermeidbaren Beanspruchungen gewachsen ist.In contrast, the object of the invention is, on the one hand, in a heat exchanger of the type mentioned at the outset to increase the effective wire surface considerably, to make the temperature curve within the helix more favorable and on the other hand to solidify the wire coil so that they all during production, storage, transport, during the Installation and use is able to cope with unavoidable stresses.
Erreicht wird das erfindungsgemäß dadurch, daß die Windungen des Wendeldrahts so gestaltet sind, daß sie mit äußeren achsparallelen Stegen auf einer mit der Trägerrohrachse konzentrischen Zylinderfläche liegen und benachbarte Wendelwindungen mindestens soweit ineinandergreifen und der Stützdraht so um den Außenumfang der Wendel gewickelt und an dieser befestigt ist, daß er alle achsparallelen Stege benachbarter Wendelwindungen miteinander verbindet.This is achieved according to the invention in that the turns of the helical wire are designed so that they are axially parallel with outer ones The webs lie on a cylindrical surface concentric with the carrier tube axis and adjacent helical turns at least so far interlock and the support wire is wrapped around the outer circumference of the helix and attached to it is that it connects all axially parallel webs of adjacent helical turns with one another.
Der so angeordnete und befestigte Stützdraht sichert alle Drähte der Wendel in ihrer radialen Ausrichtung und stützt zugleich alle Drahtwindungen in Richtung der Wendelachse aneinander ah. Er bildet mit den äußeren Wendeldrahtschenkeln ein geschlossenes zylindrisches Gitter, das allen praktisch zu erwartenden äußeren Krafteinwirkungen widersteht.The support wire arranged and fastened in this way secures all the wires of the helix in their radial alignment and provides support at the same time all wire windings in the direction of the helix axis together ah. It forms a closed one with the outer spiral wire legs cylindrical grid, which withstands all practically expected external forces.
Die Wendeldrahtwindungen können die Form von länglichen Rechtecken, von sich nach außen verjüngenden oder verbreiternden Trapezen aber auch von mit ihren Spitzen auf dem Trägerrohr wärmeleitend befestigten gleichschenkligen Dreiecken haben. Durch die Wahl der Windungsform können die Größe der Austauschfläche, der Temperaturverlauf, aber auch der Wickelvorgang in relativ weiten Grenzen beeinflußt werden.The helical wire windings can take the form of elongated rectangles, of trapezoids that taper or widen outwards, but also of their tips on the support tube have thermally conductive attached isosceles triangles. By choosing the shape of the winding, the size of the exchange area, the temperature profile, but also the winding process can be influenced within relatively wide limits.
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Während zum Aufwickeln von Wendeln mit rechteckigen oder sich nur geringfügig in einer Richtung verjüngenden trapezförmigen Drahtwindungen eine Hilfsvorrichtung zum nachherigen axialen Ineinanderschieben nebeneinander aufgewickelter Wendelwindungen oder Windungsteile erforderlich ist, lassen sich Wendeln mit sich nach außen stärker erweiternden trapezförmigen oder mit ihren - zweckmäßig etwas abgeflachten - Spitzen auf dem Trägerrohr aufliegenden dreieckigen Windungen ohne eine solche Hilfsvorrichtung in ihre Endlage auf das Trägerrohr aufwickeln. While for winding coils with rectangular or only slightly tapered trapezoidal Wire windings an auxiliary device for the subsequent axial sliding into one another of helical windings wound next to one another or parts of turns is required, spirals can be made with trapezoidal shapes that expand more outwardly or with their - appropriately somewhat flattened - tips resting on the support tube triangular turns without one Wind such auxiliary device in its end position on the carrier tube.
Wendeln mit dem zuletzt genannten Drahtwindungsformen haben übrigens einen günstigeren Temperaturverlauf insofern, als mit nach außen abnehmender Temperaturdifferenz zum thermisch zu beeinflussenden Medium die diesem angebotene Oberfläche zunehmend größer wird.By the way, coils with the last-mentioned wire winding form have a more favorable temperature profile insofar as with as the temperature difference to the thermally influenced medium decreases, the surface offered to it increases gets bigger.
Einige Ausführungsbeispiele für den Gegenstand der Erfindung bildenden Wärmeaustauscher sind in der Zeichnung schematisch
dargestellt.
Darin zeigen:Some embodiments for the subject of the invention forming heat exchangers are shown schematically in the drawing.
Show in it:
Fig. 1 einen im Bereich einer Wendelwindung durch einen Wärmeaustauscher gelegtem Querschnitt,1 shows a coil winding through a heat exchanger laid cross-section,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Teil eines Wärmeaustauschers mit länglich rechteckigen Wendeldrahtwindungen, Fig. 2 is a longitudinal section through part of a heat exchanger with elongated rectangular helical wire windings,
Fig. 3 eine Abwandlung des Austauschteils nach Fig. 2 in gleicher Darstellung,3 shows a modification of the interchangeable part according to FIG. 2 in the same representation,
Fig. 4 einen Längsschnitt durch einen Teil eines Wärmeaustauschers mit dreieckigen Wendeldrahtwindungen,4 shows a longitudinal section through part of a heat exchanger with triangular helical wire windings,
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Fig. 5 eine Draufsicht auf einen Teil einer abgewickelten Umfangsfläche eines der Auführungsbeispxele nach den Figuren 2, 3 oder 4. 5 shows a plan view of part of a developed circumferential surface of one of the exemplary embodiments according to FIGS. 2, 3 or 4.
Der Wärmeaustauscher besteht grundsätzlich aus einem Leitungsrohr 1 für einen fließfähigen Wärmeträger, dessen Temperatur unter oder über der Temperatur des den Austauscher umgebenden, thermisch zu beeinflussenden Mediums liegen kann, einer auf das Rohr als Träger schraubenförmig aufgewickelten Drahtwendel 2 und einem über den Außenumfang der Drahtwendel gewikkelten Versteifungs- oder Kopfdraht 3.The heat exchanger basically consists of a pipe 1 for a flowable heat transfer medium, its temperature can be below or above the temperature of the thermally influenced medium surrounding the exchanger, one on the tube as a carrier helically wound wire coil 2 and one wound over the outer circumference of the wire coil Stiffening or head wire 3.
Alle Drahtwindungen sind auf dem Trägerrohr 1 in bekannter Weise durch Löten oder Schweißen derart befestigt, daß sich für den Wärmedurchgang von der Rohrwand zur Drahtwindung ein metallischer Querschnitt ergibt, der mindestens dem doppelten Querschnitt des Wendeldrahts entspricht. Auch der Kopfdraht 3 ist mit jeder von ihm gekreuzten Windung des Wendeldrahts fest verbunden, wobei es allerdings mehr auf die Festigkeit als auf die Leitfähigkeit der Verbindung ankommt.All wire windings are attached to the support tube 1 in a known manner by soldering or welding in such a way that for the heat transfer from the pipe wall to the wire winding results in a metallic cross-section that is at least twice that Cross-section of the helical wire corresponds. The head wire 3 is also with each turn of the helical wire that it crosses firmly connected, although the strength of the connection is more important than the conductivity of the connection.
Wie aus Fig. 1 erkennbar liegen die Windungen des die Wendel 2 bildenden Drahts auf der Wand des Trägerrohrs 1 mit gegenseitigen Abständen auf, die mindestens gleich dem Drahtdurchmesser sind. Dadurch ist es möglich, während des kontinuierlichen Aufwickeins der Wendel zwischen die Drahtwindungen jeweils einer bereits aufgebrachten Wendelwindung die Drahtwindungen der anschließend daneben aufgebrachten Wendelwindung axial einzuschieben. Dazu dient eine Hilfsvorrichtung, die als solche nicht Gegenstand dieser Erfindung ist. Auf diese Weise ergibt sich eine aus den Figuren 2 und 3 ersichtliche Anordnung der Wendeldrahtwindungen 2a, 2a1 auf dem Trägerrohr 1. Dort greifen aus im wesentlichen länglich rechteckigen Wendeldrahtwindungen 2a bzw. 2a' bestehende benach-As can be seen from FIG. 1, the turns of the wire forming the helix 2 rest on the wall of the support tube 1 with mutual spacings which are at least equal to the wire diameter. As a result, it is possible, during the continuous winding up of the helix, to axially insert the wire windings of the helical winding subsequently applied next between the wire windings of an already applied helical winding. An auxiliary device is used for this purpose, which as such is not the subject of this invention. This results in an arrangement of the helical wire windings 2a, 2a 1 on the carrier tube 1, which can be seen in FIGS. 2 and 3.
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barter Wendelwindungen mit etwa einem Drittel ihrer axialen Breite ihrer Drahtwindungen ineinander ein. Die in Umfangsrichtung nebeneinander liegenden Teile der Drahtwindungen benachbarter Wendelwindungen sind durch einen über den äußeren Wendelumfang gewickelten und an allen Drahtwindungen befestigten Kopfdraht 3 in der ihnen gegebenen Lage gegen tangentiale und axiale Verlagerungen gesichert.barter helical windings into one another with about a third of their axial width of their wire windings. The one in the circumferential direction adjacent parts of the wire turns of adjacent helical turns are through one over the outer Helical circumference wound and attached to all wire windings head wire 3 in the given position against tangential and axial displacements secured.
Die äußeren Schenkel der Wendeldrahtwindungen bilden mit dem Kopfdraht ein stabiles rohrförmiges Gitter, von dem eine Abwicklung ausschnittweise in Fig. 5 dargestellt ist.The outer legs of the helical wire windings form a stable tubular grid with the head wire, one of which is developed is shown in detail in FIG.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 liegt dabei der Kopfdraht 3 auf den Außenschenkeln der Drahtwindungen auf, während bei der Ausführungsform nach Fig. 3 der Kopfdraht 3 um seinen Durchmesser versenkt in einer schraubenförmigen Rinne liegt, die von dem abgeschrägten äußeren Ecken der Drahtwindungen 2a' liegt.In the embodiment according to FIG. 2, the head wire is located 3 on the outer legs of the wire turns, while in the embodiment of FIG. 3, the head wire 3 around his Diameter is sunk in a helical groove leading from the beveled outer corners of the wire windings 2a 'lies.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 besteht die Drahtwendel aus gleichschenkligen spitzwinklig - dreieckigen Drahtwindungen, die mit ihren abgerundeten oder leicht abgeflachten Spitzen auf dem Trägerrohr 1 aufliegen und nur mit ihren äußeren Teilen zwischen die Drahtwindungen einer benachbarten Wendelwindung ragen. Solche Wendeln mit nur im Bereich ihres Außenumfangs ineinandergreifenden Windungen lassen sich beim Aufwickeln auf das Trägerrohr in die gezeichnete Lage bringen, ohne daß es eines axialen Verschiebens der jeweils auflaufenden Windung bedarf. Das äußere Bild dieser ebenfalls durch einen Kopfdraht 3 verfestigten Drahtwendel entspricht der Darstellung in Fig. 5.In the embodiment according to FIG. 4, the wire helix consists of isosceles acute-angled-triangular wire windings, which rest with their rounded or slightly flattened tips on the support tube 1 and only with their outer parts protrude between the wire turns of an adjacent spiral turn. Such coils with only in the area of yours The outer circumference of the interlocking turns can be brought into the position shown when being wound onto the support tube, without the need for an axial displacement of the respective winding. The external picture of this one as well A wire coil solidified by a head wire 3 corresponds to the illustration in FIG. 5.
Wie bereits einleitend dargelegt, ist die Erfindung nicht auf die in der Zeichnung dargestellten Formen der Wendeldrahtwindungen beschränkt.As already stated in the introduction, the invention is not limited to the shapes of the helical wire windings shown in the drawing limited.
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