DE2714617C2

DE2714617C2 - Heat exchanger with a wire coil arranged on a support tube

Info

Publication number: DE2714617C2
Application number: DE2714617A
Authority: DE
Inventors: Franciscus Helmond Roffelsen
Original assignee: Spiro Research NV
Current assignee: Spiro Research NV
Priority date: 1977-04-01
Filing date: 1977-04-01
Publication date: 1982-08-26
Also published as: IT1101855B; YU75978A; FR2386006A1; SE457288B; JPS6127678B2; NL180782C; SE7803595L; DE2714617A1; JPS53128050A; IT7848679A0; GB1579516A; CH635420A5; NO145391C; NO145391B; ATA204478A; FR2386006B1; NO781123L; AT355064B; NL180782B; NL7803013A

Description

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 ineinandergreifen sowie durch einen mit gleicher Steigung mit Abstand um das Trägerrohr gewickelten Draht gegeneinander abgestützt sind.The invention relates to heat exchangers with a helical arrangement on a support tube Helix made of wire, the turns of which extend further in radial directions than in the direction of Support tube axis, and in which adjacent helical turns axially partially interlock as well supported against each other by a wire wound around the support tube with the same pitch at a distance are.

Bei einem aus der US 8 77 252 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. 8 77 252, the helical wire windings have the shape of slender acute-angled isosceles triangles with rounded corners, those with their points pointing outwards. The partially interlocking flanks formed by the triangular legs Adjacent helical turns form a helical groove on the outside, in which a wire is inserted, the turns of the helical wire against displacement and deformation due to external influences should protect.

Trotz dieses Stützdrahts sind jedoch die zur Bildung einer möglichst großen, dem zu erwärmenden oder zu kühlenden Medium ausgesetzten Oberfläche aus sehr dünnem Draht bestehenden 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.In spite of this support wire, however, are to form a large as possible, to be heated or to The surface exposed to the cooling medium consists of very thin wire coils very sensitive to external influences at least in their areas protruding beyond the support wire, as they did during manufacture, but especially during storage, transport and during Installation of such heat exchangers at the place of use are unavoidable.

Das gilt umsomehr, als der Stützdraht nur mit geringer Vorspannung in die von den Wendelwindungen gebildete Rinne eingelegt, an den WendeldrähtenThis is all the more true as the support wire is only slightly pre-tensioned in the coil windings formed groove inserted on the helical wires

; aber nicht befestigt ist. Das hat zur Folge, daß er schon bei geringen Verlagerungen oder Verformungen eines relativ kleinen Teils der Wendeidrahtwindungen seine Vorspannung und seinen Reibungsschluß mit den Wendeldrähten verliert und dann die ihm zugedachte Aufgabe nicht mehr erfüllen kann.; but is not attached. As a result, he's already in the case of slight displacements or deformations of a relatively small part of the turning wire turns Bias and its frictional engagement with the helical wires loses and then the one intended for him Can no longer fulfill the task.

Ein weiterer schwerwiegender Nachteil des bekannten Wärmeaustauschers gegenüber anderen bekannten ίο Austauschen! mit auf dem Trägerrohr nebeneinander aufliegenden Wendelwindungen und dicht an dicht hintereinder liegenden Drahtwindungen besteht darin, daß infolge des Ineinandergreifens der Wendelwindungen sich auf dem Umfang des Trägerrohrs nur jeweilsAnother serious disadvantage of the known heat exchanger compared to other known ones ίο Exchange! with next to each other on the support tube overlying helical windings and closely spaced wire windings is, that due to the interlocking of the helical turns on the circumference of the support tube only in each case

•5 die Hälfte von Wendeidrahtwindungen 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.• 5 accommodate half of the wire turns The resulting loss of exchange surface can be due to the interlocking of the Helical turns achievable increase in the length to be accommodated on a support tube of a given length Number of helical turns are not even approximately compensated.

Schließlich ist auch die offensichtlich zur Ermöglichung eines einfachen kontinuierlichen Wickelvorgangs gewähUe 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 vom Trägerrohr immer geringer, die thermisch zu beeinflussende Menge des M ediums aber immer größer wird.Finally, that is also evident to enable a simple, continuous winding process Choosing the triangular shape of the wire turns is disadvantageous for the heat exchange, since these turns offer a thermally influenced medium a surface that is increasingly smaller towards the outside, and the temperature difference between these surface parts and the medium surrounding them increasing distance from the support tube, the amount of the thermally influenced amount of the M edium is getting bigger and bigger.

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 andererseits 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, in a heat exchanger of the initially named type on the one hand to increase the effective wire surface considerably, the temperature curve to make cheaper within the helix and, on the other hand, to solidify the wire helix so that it all unavoidable during manufacture, storage, transport, installation and use Has grown under stress.

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 Zylinderoberfläche 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 with outer axially parallel webs on a cylinder surface concentric with the carrier tube axis lie and adjacent helical turns interlock at least as far and the support wire so around the The outer circumference of the helix is wound and attached to it so that it has all axially parallel webs of adjacent ones Helical turns connects 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 ab. 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 at the same time supports all wire windings on one another in the direction of the helix axis. He forms with the outside Spiral wire legs form a closed cylindrical grid, which all practically expected outer Resists force effects.

Die Wendeidrahtwindungen können die Form von länglichen Rechtecken, von sich nach außen 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 turning wire windings can take the form of elongated rectangles, widening outwards Trapeze but also of isosceles with their tips attached to the support tube in a thermally conductive manner Have 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.

Während zum Aufwickeln von Wendeln mit rechtekkigen oder sich nur geringfügig in einer Richtung verjüngenden trapezförmigen Drahtwindungen eineWhile for winding coils with rectangular or only slightly in one direction tapered trapezoidal wire windings a

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3030th

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.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 expanded to a greater extent towards the outside trapezoidal or with their - functional something flattened - tips triangular turns resting on the support tube without such an auxiliary device Wind it up in its end position on the carrier tube.

Wendeln mit den 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 turn shapes have a more favorable temperature profile insofar as the temperature difference to the thermally influencing decreases towards the outside Medium the surface offered to this becomes increasingly larger.

Aus der DE-AS 19 02 575 ist es zwar bereits bekannt, auf einem Trägerrohr einer elektrischen Heizeinheit eine schraubenförmig angeordnete Drahtwendel vorzusehen, deren Windungen sich in radialer Richtung weiter erstrecken als in Richtung der Rohrachse und bei der die Wendelwindungen gegeneinander durch einen mit gleicher Steigung mit Abstand um das Trägerrohr gewickelten Draht abgestützt sind, wobei die Windungen des Wendeldrahtes so gestaltet sind, daß sie mit äußeren achsparallelen Stegen auf einer mit der Achse des Trägerrohrs konzentrischen Zylinderfläche liegen; dabei liegt der Stützdraht nur auf den äußeren achsparallelen Stegen einer einzelnen freien Drahtwendel auf. Abgesehen davon, daß es sich dabei um ein mit Widerstandsdraht bewickeltes, elektrisches Heizelement handelt, sind dort jedoch darüber hinaus die axial benachbarten Wendelwindungen auch nicht ineinandergreifend angeordnet, so daß von daher auch bereits ein Unterschied zum eingangs diskutierten Stand der Technik besteht. Außerdem haben die Windungen dieser bekannten Einrichtung die Form von sich vom Trägerrohr nach außen verjüngenden Trapezen, wodurch diesem bekannten Vorschlag die zuvor erwähnten Nachteile hinsichtlich des Aufwickeins auf das Trägerrohr sowie des Ί emperaturverlaufs anhaften.From DE-AS 19 02 575 it is already known to provide a helically arranged wire coil on a support tube of an electrical heating unit, the turns of which extend further in the radial direction than in the direction of the pipe axis and at which the helical turns against each other by one with the same pitch at a distance around the support tube Coiled wire are supported, the turns of the helical wire are designed so that they with outer axially parallel webs lie on a cylindrical surface concentric with the axis of the support tube; the support wire lies only on the outer, axially parallel webs of a single free wire helix on. Apart from the fact that it is an electrical heating element wrapped with resistance wire is, however, there are also the axially adjacent helical turns not intermeshing arranged, so that there is already a difference to the state of the art discussed at the beginning Technology exists. In addition, the turns of this known device have the shape of Support tube outwardly tapering trapezoids, making this known proposal the aforementioned There are disadvantages with regard to the winding onto the carrier tube and the temperature curve.

Einige Ausführungsbeispiele für den den Gegenstand der Erfindung bildenden Wärmeaustauscher sind in der Zeichnung schematisch dargestellt. Darin zeigtSome embodiments of the heat exchanger forming the subject of the invention are shown in FIG Drawing shown schematically. In it shows

F i g. 1 einen im Bereich einer Wendelwindung durch einen Wärmeaustauscher gelegten Querschnitt,
I Fig.2 einen Längsschnitt durch einen Teil eines Wärmeaustauschers mit länglich rechteckigen Wen- > deldrahtwindungen,F i g. 1 shows a cross-section through a heat exchanger in the area of a spiral turn,
I Fig. 2 a longitudinal section through part of a heat exchanger with elongated rectangular helical wire windings,

< Fig.3 eine Abwandlung des Austauschteils nach F i g. 2 in gleicher Darstellung, < FIG. 3 a modification of the replacement 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,

F i g. 5 eine Draufsicht auf einen Teil einer abgewikkelten Umfangsfläche eines der Ausführur.gsbeispiele nach den F i g. 2,3 oder 4.F i g. 5 is a plan view of part of a developed circumferential surface of one of the exemplary embodiments according to the F i g. 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 Diahtwendel 2 und einem über dsn Außenumfang der Drahtwendel gewickelten Versteifungs- oder Kopfdraht 3.The heat exchanger basically consists of a pipe 1 for a flowable heat transfer medium, its temperature below or above the temperature of the medium surrounding the exchanger, which is to be thermally influenced, one on the Tube as a carrier helically wound wire coil 2 and one over the outer circumference of the Wire helix wound 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 allerding mehr auf die Festigkeit als auf die Leitfähigkeit der Verbindung ankommt.All wire windings are on the support tube 1 in a known manner by soldering or welding attached that there is a metallic cross-section for the heat transfer from the pipe wall to the wire winding results, which corresponds to at least twice the cross section of the helical wire. Even the head wire 3 is firmly connected to each turn of the helical wire that it crosses, although there is more the strength is more important than the conductivity of the connection.

Wie aus F i g. 1 erkennbar liegen die Windungen des die Wendel 2 bildenden Drahts auf der Wand des Tragerrohrs 1 mit gegenseitigen Abständen auf, die mindestens gleich dem Drahtdurchrnesser sind. Dadurch ist es möglich, während des kontinuierlichen Aufwikkelns 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 F i g. 2 und 3 ersichtliche Anordnung der Wendeldrahtwindungen 2a. 2a'auf dem Trägerrohr 1. Dort greifen aus im wesentlichen länglich rechteckigen Wendeldrahtwindungen 2a bzw. 2a' bestehende benachbarter Wendelwindungen mit etwa einem Drittel ihrer axialen Breite ihrer Drahtwindungen ineinander ein. Die in Umfangsrichtung nebeneinanderliegenden 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.As shown in FIG. 1 the turns of the wire forming the helix 2 lie on the wall of the Support tube 1 with mutual distances that are at least equal to the wire diameter. Through this it is possible during the continuous winding of the helix between the wire windings of an already applied spiral turn the wire turns of the subsequently applied next to it Insert the helix winding axially. An auxiliary device is used for this purpose, which as such is not the subject of this Invention is. In this way one of the FIGS. 2 and 3 arrangement of the helical wire windings can be seen 2a. 2a 'on the support tube 1. There are essentially elongated, rectangular helical wire turns 2a or 2a 'existing adjacent helical turns with about a third of their axial Width of their wire turns into one another. The parts of the adjacent in the circumferential direction Wire turns of adjacent spiral turns are wound through one over the outer circumference of the spiral and on all wire windings attached 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 ausschnittsweise in F i g. 5 dargestellt ist.The outer legs of the helical wire windings form a stable tubular shape with the head wire Lattice, of which a development is shown in detail in FIG. 5 is shown.

Bei der Ausführungsform nach F1 g. 2 liegt dabei der Kopfdraht 3 auf den Außenschenkeln der Draht windungen auf, während bei der Ausführungsform nach F i g. 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 F1 g. 2 is the Head wire 3 turns on the outer legs of the wire, while in the embodiment according to F i g. 3 the head wire 3 is sunk by its diameter in a helical groove which is of the beveled outer corners of the wire windings 2a '.

Bei der Ausführungsform nach Fig.4 besteht die Drahtwendel aus gleichschenkligen spitzwinklig-dreiekkigen 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 F i g. 5.In the embodiment of Figure 4 there is Wire helix made of isosceles acute-angled-triangular wire windings, which with their rounded or slightly flattened tips rest on the support tube 1 and only with their outer parts between the Wire turns of an adjacent spiral turn protrude. Such coils with only in the area of yours The outer circumference of the interlocking turns can be turned into the Bring drawn position without the need for an axial displacement of the respective winding. The external image of this wire helix, which is also solidified by a head wire 3, corresponds to the illustration in Fig. 5.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1.Heat exchanger with a helix made of wire arranged helically on a support tube, the turns of which extend further in the radial direction than in the direction of the pipe axis, and in which adjacent helix windings partially interlock axially and are supported against one another by a wire wound around the support tube with the same pitch at a distance are, characterized in that the turns (2a, 2a ', 2a ") of the helical wire are designed so that they lie with outer axially parallel webs on a cylindrical surface concentric with the axis of the support tube (1), adjacent helical turns (2) at least so intermesh far and the support wire (head wire) (3) is wrapped around the outer circumference of the turn and attached to this so that it connects all axially parallel webs of adjacent helical windings with one another.

2. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the head wire (3) is sunk approximately by its diameter in a groove which is formed by the beveled outer corners of the wire windings (2a ') of adjacent helical windings (2) (F i g. 3).

3. Heat exchanger according to one of claims 1 and 2, characterized in that the Wire windings (2a ″,) of the helix (2) have the shape of the support tube (1) widening outwards have isosceles triangles or trapezoids.