DE2736489C2 - Wärmetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft r'mcn Wärmetauscher mit lageweise schraubenförmig ai'f ein Kernrohr gewickelten Rohren und einem die Rohre um; ?bendcn Außenmantel, bei dem von der innersten /ur äußersten Lage die Zahl der parallel gewickelten Rohre je Lage derart vermehrt und die Zahl der mit den parallel gewickelten Rohren ausgeführten Windungen derart vermindert ist. daß die mittlere Rohrlänge und die Wicklungshöhe in allen Lagen gleich ist.

Aus Rohren gewickelte Wärmetauscher, bei denen ein in den Rohren strömendes Fluid mit einem außerhalb der Rohre strömenden Fluid in Wärnietausch tritt, werden in bekannter Weise so hergestellt, daß für das außerhalb der Rohre strömende Fluid durch Anordnung von axial gerichteten Stegen zwischen den Rohrlagcn (DE-OS 19 12 341) oder durch wendclförmiges Umwikkeln der Rohre jeder /weiten Lage mit Draht ein Strömungsweg freigehalten wird.

Die wendeiförmige Umwicklung der Rohre jeder zweiten Lage mit Draht ist jedoch sehr arbcits- und damit auch kostenintensiv. Andererseits bietet diese Bauart die Möglichkeit, eine größere Anzahl von Rohren in einem bestimmten Volumen anzuordnen als dies bei einer Anordnung von Stegen zwischen den Lagen möglich ist. da die Rohre einer Lage jeweils in die Lükken zwischen zwei Rohre der darunterliegenden Lage gelegt werden können. Der Abstand zwischen benachbarten Rohren wird bei dieser Bauart von der Stärke des Drahtes der Umwicklung der Rohre bestimmt, Da benachbarte Rohrlagen bei einer solchen Wicklung auf Lücke keinen geradlinig verlaufenden Sirömungsweg für das im Außenrauni strömende Fluid aufweisen, wird die Ausbildung von Turbulenzen gefördert und damit der Wbrmciausch günstig beeinflußt. Um einen gleichmäßigen Wnimeliniseh im gesamten WukliiMj.'skörpcr /u erzielen, muß jedoch eine für alle Knlirlavcn niilierungsweise konstante Rohrlänge eingehalten werden. Deshalb ist es bei Wärmetauschern dieser Bauart erforderlich, nur eine geringe Anzahl von Lagen sowie einen möglichst großen Durchmesser der innersten Lage zu wählen.

Bei Verwendung von Stegen als Abstandselementen zwischen den einzelnen Rohrlagen treten diese Probleme nicht auf. Bei dieser Bauart wird eine Anzahl von tragfähigen Stegen in axialer Richtung gleichmäßig auf to dem Umfang einer Wicklung verteilt und befestigt. Die nächste Rohrlage kann dann auf die Stege gewickelt werden, wobei beispielsweise die Zahl der für jede Lage verwendeten Rohre oder deren Windungszahl von Lage zu Lage so verändert werden kann, daß sich eine gleichrmäßige Wicklungshöhe und eine für alle Lagen konstante Rohrlänge ergibt.

Da die Stege in vielen Fällen erhebliche Gewichte abstützen müssen, ist es erforderlich, sie in entsprechender Stärke auszuführen. Damit kann aber ein bestimmler Lagenabstand nicht unterschritten werden. Darüber hinaus besteht die Gefahr, daß auf die Stege aufgebrachte Lagen nicht kreisrund sind, sondern die Form eines Vielecks aufweisen. Unrunde Wicklungen führen aber beim Einbau in einen die Wicklung umgebenden Mantel zu großen Schwierigkeiten in Hinsicht auf eine Abdichtung des Raumes zwischen der Wicklung und dem Mantel.

Der F.rfindung Hegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher der eingangs beschriebenen Art zu entjo wickeln, der einen geringen Abstand zwischen benachbarten Wickcllagcn sowie einen im wesentlichen runden Querschnitt der Wicklungen aufweist, und der überdies einfach und kostengünstig herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen zwei Rohrlagcn jeweils eine gasdurchlässige, benachbarte Rohrlagcn beabstandcnde Schicht angeordnet ist.

F.rfindungsgcmai! ist im Gegensatz zu der bekannten Anordnung, bei der einzelne Siege als Abstandshalter Ad vorgesehen sind, eine gasdurchlässig; Schicht zwischen jeweils zwei benachbarten Rohrlagen eingefügt, die flächenartig den gesamten Zwischenraum zwischen den Rohrlagcn ausfüllt.

Durch die crfindungsgcmäßc Anordnung läßt sich einc dichtere Rohrpackung erreichen als mit einer Verwendung von Stegen, ohne auf die Vorteile dieser Wicklungsart bezüglich frei wählbarer Windungs- bzw. Rohrzahl je Lage verzichten zu müssen. Da eine die Rohrlagcn bedeckende Schicht verwendet wird, kann wegen oo der großen Fläche, die zur Abstützung zur Verfügung steht, die Stärke der Schicht v.escntlich geringer gewählt werden als dies bei Stegen möglich ist. Auch ist so auf eine einfache Weise sichergestellt, daß sich kein unrunder Wickelkörper bildet.

oo Auch für den Wärmetausch ergeben sich Vorteile gegenüber der Bauart mit Stegen, da keine in axialer Richtung frei durchslrömbaren Räume, wie zwischen /wci Rohrlagen und zwei Stegen, auftreten. Die gasdurchlässige Schicht tragt vielmehr /ur Turbulcnzbtklung in dem M) die Rohre umströmenden Fluid und damit zu einem besonders intensiven Wärmetausch bei.

Als günstig erweist es sich, als gasdurchlässige Schicht ein Drahtgewebe zu verwenden. Der enge Kontakt zwischen den Rohren und dem Gewebe und die gute Wärmeleitfähigkeit eines metallischen Gewebes fordern clabei den Wärmelausch in günsiiiieT Weise.

Als (.'iiristin h;it sich erwiesen, ein Drahtgewebe ims DriihlcM im! einer Slarkr /wischen 0.1 und I mm /ii

'erwcnden.

Die Maschenweite des Drahtgewebes liegt vorteiliaft zwischen 0,2 und 2 mm. Bei einer solchen Ausfühung des Drahtgewebes ergeben sich einerseits eine Vielzahl von Berührungspunkten mit den benachbarten Rohrlagen, und andererseits ist eine gute Verwirbelung des die Rohre umströmenden Fluids möglich.

Weiter erweist es sich als günstig, das Drahtgewebe punktweise mit einer Rohrlage zu verbinden, beispielsweise durch punktwcises Verschweißen oder Verlöten.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert, das in der Figur schematisch dargestellt ist.

Die Figur zeigt einen Schnitt in axialer Richtung durch einen Teil eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers, wobei in einem Ausschnitt das Kernrohr und eine Schicht durchbrochen ist, um die Anordnung der Rohre und der Schicht zwischen zwei Rohrlagen zu zeigen.

Eine erste Lage 1 von Rohren 2 ist auf ein an dem Kernrohr 3 befestigtes dünnes Drahtgiitcr 4 aufgebracht. Auf der Rohrlage 1 ist ein weiteres Drahtgitter 4 angeordnet, wodurch eine im wesentlichen ebene Unterlage für die zweite Rohrlage 5 entsteht. Die Rohre 2 dieser Lage 5 lassen sich mit jeder gewünschten Windungshöhe wickeln, und es besteht keine Gefahr, daß bei geringen Unterschieden der Windungshöhen benachbarter Rohrlagen I₁ 5 die Rohre 2 einer Lage 5 in die Lücken zwischen den Rohren 2 benachbarter weiter innen liegender Lagen 1 fallen. Weiter außen anschließende Rohrlagen 6 sind in gleicher Weise auf weiteren Drahtgittern 4 angeordnet.

Die Windungshöhe weiter außen liegender Rohrlagen 5,6 nimmt entsprechend dem wachsenden Umfang des Wicklungskörpers 7 zu. Dadurch lassen sich bei abnehmender Windungszahl Rohre 2 konstanter Länge in jeder Lage 1,5,6 anordnen, wodurch ein gleichmäßiger Wärmelausch innerhalb des gesamten Wärmetauschers ermöglicht wird. Bei zunehmender Windungshöhe lassen sich dabei in weiter außen liegenden Rohrlagcn 6 eine größere Anzahl von Rohren 2 anordnen als in weiter innen liegenden Rohrlagen 1,5.

Der gesamte Wickelkörper 7 ist von einem Süßeren Mantel 8 umgeben, der über die Enden des Wickclkörpers 7 hinausragt. Dabei ist der Zwischenraum zwischen der äußersten Rohrlage und dem MantiM 8 abgedichtet, um sicherzustellen, daß das außerhalb der Rohre 2 strömende Fluid den Wickelkörper 7 vollständig durchströmt.

Das Kernrohr 3 endet eiwa in Höhe der Enden dos Wickelkörpers 7 und ist durch eine Platte 9. die durch eine geschlossene Schweißnaht 10 mit dem Kernrohr 3 verbunden ist, abgedichtet. Ein Rohrstück 11 als Verlängerung des Kernrohrs 3 ist ebenfalls durch die Schweißnaht 10 dicht mit der Platte 9 verbunden. An seinem freien Ende ist es mit einer weiteren Platte 12 über eine geschlossene Schweißnaht 13 dicht verbunden. In einer zentralen Bohrung der Platte 12 ist ein Anschlußrohr 14 für das eine der wärmetauschenden Fluide angeordnet.

Der durch das Rohrstück 11 und die Platten 9 und 12 umschlossene Raum 15 dient als Sammelraum für das die Rohre 2 durchströmende Fluid. In gleichmäßig über den Umfang des Rohrstücks 11 verleihen öffnungen 16 münden die Enden der Rohre 2 und sind dort mit dem Rohrstück 11 jeweils durch eine .Schweißnaht 17 abdichtend mit diesem verbunden. Um die Figur übersichtlich /u gestalten, ist lediglich Γϊτ ein Rohr 2 die Verbindung mit dem Rohrstück 11 angedeutet.

Der äußere Mantel 8 ist an den Enden durch eine Platte 18 abgedichtet. Diese Platte weist eine zentrale Bohrung auf, deren Durchmesser dem Außendurchmesser des Rohrstücks 11 entspricht und ist mit dem Rohr-

stück 11 verschweißt. In einer weiteren öffnung der Platte 18 ist ein Anschlußrohr 19 für das zweite Fluid vorgesehen. Sollen zwei unter verschiedenem Druck stehende Fluide miteinander in Wärmetausch gebracht werden, so ist es vorteilhaft, das unter dem höheren

ίο Druck stehende Fluid über den Anschluß 14 und den Sammelraum 35 durch die Rohre 2 zu leiten und das unter dem niedrigeren Druck stehende Fluid über den Anschluß 19 und den Sammelraum 20 dem Wickelkörper 7 zuzuführen.

In einem speziellen Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers, der für den Einsatz in einer Heliumverflüssigungsanlage geeignet ist, sind auf einem Kernrohr mit 76,1 mm Durchmesser 13 Wicklungsanlagen aufgebracht. Dabei wird der Wickelkörper gebildet aus ingesamt 27 Rohren mit einem Durchmesser von 3 mm, einer Wandstärke vr- 0.4 mm und einer Länge von jeweils 58 m. Das zwischen dnn Rohr'.agen angeordnete Drahtgewebe besteht aus 0,2 mm starkem Draht mit einer Maschenweite von 0,5 mm. Die besonders wirtschaftliche Herstellung dieses Wärmetauschers ergibt sich schon aus einem Vergleich des für die Herstellung erforderlichen Zeitaufwands, der um etwa ein Drittel niedriger liegt als bei herkömmlichen Wärmetauschern gleicher Größenordnung, bei denen die Rohre jeder zweiten Lage mit einem Draht zur Beabstandung der Lagen umwickelt sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Wärmetauscher mil lagenweisc schraubenförmig auf ein Kernrohr gewickelten Rohren und einem die Rohre umgebenden Außenmantel, bei dem von der innersten zur äußersten Lage die Zahl der parallel gewickelten Rohre je Lage derart vermehrt und die Zahl der mit den parallel gewickelten Rohren ausgeführten Windungen derart vermindert ist, daß die mittlere Rohrlänge und die Wicklungshöhe in allen Lagen gleich ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei Rohrlagen jeweils eine gasdurchlässige, benachbarte Rohrlagen bcabstandende Schicht angeordnet ist.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gasdurchlässige Schicht aus einem Drahtgewebe besteht.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß das Drahtgewebe aus Drähten mit einerSrirke zwischen 0,1 und 1 mm besteht.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Drahtgewebe eine Maschenweite zwischen 0,2 und 2 mm aufweist.

5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Drahtgewebe punktweise auf der jeweils darunterliegenden Rohrlage aufgeschweißt ist.