DE2815885A1

DE2815885A1 - Waermetauscher

Info

Publication number: DE2815885A1
Application number: DE19782815885
Authority: DE
Inventors: Kurt Vagner Madsen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-04-12
Filing date: 1978-04-12
Publication date: 1979-10-18

Description

Patentanwälte Dip!.-Ing. Curt Wallach

Dipi.-lng. Günther Koch

Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

588 Ü Dipl.-lng. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 ■ Telex 5 29 513 wakai d

~3~ Datum: 12. April 19?8

Unser Zeichen: 16 229

Anmelder: Kurt Vagner Madsen

Brae näekildevej 37
56Ö1 Bellinge
Dänemark

Bezeichnung: Wärmetauscher

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Anmelder: Kurt Vagner Madsen
Brasndekildeve j 37
DK-5681 Bellinge
Dänemark

Wärmetauscher

Die Erfindung "betrifft einen Wärmetauscher mit einem rohrförmigen Mantel, mindestens einem wärmeleitenden Rohr im Mantel und einem zwischen dem Mantel und dem wärmeleitenden Rohr angeordneten schraubenförmigen Rohr, wobei ein Medium im wärmeleitenden Rohr strömt, während ein zweites Medium ausserhalb des wärmeleitenden Rohres strömt.

Aus USA-Patentschrift Nr. 3.831.672 ist ein Wärmetauscher der eingangs genannt en Art bekannt, wobei ein einzelnes wärmeleitendes Rohr im Mantel verwendet wird. Die Leistung dieses Wärmetauschers ist aber im Verhältnis zu seinem Aussendurchmesser verhältnismässig niedrig, da Wärmeübertragung nur durch eine zylindrische Oberfläche stattfindet, deren Durchmesser dem Innendurchmesser des schraubenförmigen Rohres entspricht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher der

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eingangsgenannten Art zu schaffen, der eine im Verhältnis zu seiner Grosse und zum Werkstoffverbrauch hohe Leistung besitzt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass eine Anzahl von wärmeleitenden Rohren innerhalb des schraubenförmigen Rohres angeordnet sind, die gegeneinander und gegen die Innenfläche des schraubenförmigen Rohres derart pressen, dass sowohl mindestens ein kanalförmiger Innenzwischenraum zwischen den wärmeleitenden Rohren als auch kanalförmige Aussenzwischenräume zwischen den wärmeleitenden Rohren und dem schraubenförmigen Rohr gebildet werden, und dass vorzugsweise radial verlaufende Passagen zwischen den wärmeleitenden Rohren ausgebildet sind, die je Strömung eines Mediums zwischen einem kanalförmigen Innenzwischenraum und einem kanalförmigen AussenZwischenraum ermöglichen.

Durch Verwendung eines derart ausgebildeten Wärmetauschers wird ausser dem Vorteil, dass die Wärmeübertragungsfläche zwischen dem wärmeabgebenden und dem wärmeaufnehmenden Medium vergrössert wird, da nicht nur. ein einzelnes wärmeleitendes Rohr mit einem verhältnismässig grossen Durchmesser sondern eine Anzahl von Rohren mit verhältnismässig kleinen Durchmessern verwendet werden, wobei eine erhöhte Möglichkeit für Partikelbestreichung der Wärmeübertragungsflächen des in den wärmeleitenden Rohren strömenden Mediums erreicht wird, auch den Vorteil erreicht, dass das Medium in den kanalförmigen Aussenzwischenräumen durch die vorhandenen Passagen in die kanalförmigen Innenzwischenräume dringen kann und umgekehrt, so dass die Wärmeübertragung zwischen den zwei Medien auch längs der Begrenzungsflächen der kanalförmigen Innenzwischenräume, d^h. die nach innen gekehrten Aussenoberflächenteile der zusammenstossenden und jedes der betreffenden kanalförmigen Innenzwischenräume bildenden wärmeleitenden Rohre, stattfinden kann. Hierdurch wird eine wesentlich erhöhte Wärmeübertragung zwischen dem wärmeabgebenden und dem Wärmeaufnehmenden Medium und daher einen Wärmetauscher mit einer im Verhältnis zu seiner Grosse hohen Leistung erreicht.

Gemäss der Erfindung kann eine enge Passung zwischen dem Mantel und

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dem schraubenförmigen Rohr vorhanden sein. Hierdurch wird ein Zentrieren und sicheres Festhalten des schraubenförmigen Rohres und der wärmeleitenden Rohre erreicht. Dies vermindert die Gefahr für unzweckmässige Deformation des Mantels, des schraubenförmigen Rohres und der wärmeleitenden Rohre, wenn diese später in eine für die Verwendung des Wärmetauschers zweckmässige Form gebogen werden.

Ferner kann das schraubenförmige Rohr erfindungsgemäss von zwei U-förmigen um einen zylindrischen Dorn und nach einer Schraubenlinie gewickelten Bändern aus Metall gebildet sein, wobei das erste Band um den Dorn mit nach aussen gekehrten Schenkeln gewickelt ist, während das zweite Band mit nach innen gekehrten Schenkeln gewickelt ist und mit dem ersten Band derart eingreift, dass die zwei Schenkel des ersten Bandes um den rechten bzw. den linksen Schenkel in zwei anliegenden Wicklungen des zweiten Bandes greifen. Hierdurch wird ein biegsames schraubenförmiges Rohr erreicht, das sich beim Biegen in die erwünschte Form des Mantels mit schraubenförmigem Rohr und wärmeleitenden Rohren leicht in die erwünschte Form ohne Missbildung biegen lässt.

Ausserdem kann der Wärmetauscher gemäss der Erfindung derart ausgebildet sein, dass er an jedem Ende mit einem Reduktionsstück versehen ist, wobei das freie Ende des ausgeweiteten Teiles des Reduktionsstückes aussen auf dem Ende des Mantels befestigt ist, während der eingeengte Teil des ReduktionsStückes aussen auf dem Ende der wärmeleitenden Rohre angeordnet ist, welche Rohre an beiden Enden des Wärmetauschers etwas aus dem Ende des Mantels und des schraubenförmigen Rohres ragen und an ihren Enden gegeneinander teilweise flach gedrückt sind, und dass die kanalförmigen Innen- und Aussenzwischenräume mit Material, vorzugsweise Lötmaterial, am Ende der wärmeleitenden Rohre im eingeengten Teil des Reduktionsstückes ausgefüllt sind. Hierdurch wird ein einfacher Abschluss der Rohre an beiden Enden des Wärmetauschers erreicht, da man die für Wärmetauscher mit einer Anzahl von wärmeleitenden Rohren bekannten Rohrabschlussplatten vermeidet.

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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispieles eines Wärmetauschers gemäss der Erfindung,

Fig. 2 in grösserem Massstab einen perspektivischen Längsabschnitt des Mantels des Wärmetauschers mit einem schraubenförmigen Rohr und wärmeleitenden Rohren, wobei ein Teil des Mantels und,ein Teil des schraubenförmigen Rohres deutlichkeitshalber vom rechten Ende des Längsabschnittes entfernt sind,

Fig. 3 in grösserem Massstab einen Längsschnitt durch das eine Ende des Wärmetauschers, und

Fig. 4 das Ende in Fig. 3 des Wärmetauschers in Richtung des Pfeiles IV gesehen.

Der in Fig. 1 dargestellte Wärmetauscher weist drei nebeneinanderliegende viereckige Wicklungen eines rohrförmigen Mantels oder eines Mantelrohres 1 auf. Der Wärmetauscher kann auch eine willkürliche andere Form vom Verwendungszweck abhängig haben.

Wie in Fig. 2 dargestellt, besitzt der Mantel 1 eine Anzahl von wärmeleitenden Rohren 2 und ein zwischen dem Mantel 1 und den wärmeleitenden Rohren 2 angeordnetes schraubenförmiges Rohr 3. Der Wärmetauscher gewährt Wärmeübertragung zwischen zwei Medien, wobei das erste Medium innerhalb der wärmeleitenden Rohre 2 strömt, während das zweite Medium ausserhalb der wärmeleitenden Rohre 2 strömt, d.h. im kanalförmigen Innenzwischenraum 4 zwischen den wärmeleitenden Rohren 2 und in den kanalförmigen Aussenzwischenräumen zwischen den wärmeleitenden Rohren 2 und dem Mantel 1.

Der Wärmetauscher ist teils als wärmeaufnehmender Apparat, z.B. bei Kühltrocknen von Druckluft, teils als wärmeabgebender Apparat, z.B. bei Heizen von'Gebrauchswasser, verwendbar.

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Wenn der Wärmetauscher als wärmeaufnehmender Apparat verwendet wird, tritt das wärmeabgebende Medium (z.B. Druckluft) vorzugsweise durch einen Eintritt 6 des Wärmetauschers ein und durch einen Austritt 7 des Wärmetauschers aus. Das wärmeaufnehmende Medium (z.B. Freon) tritt in den Wärmetauscher durch einen Eintritt 8 ein und aus dem Wärmetauscher durch einen Austritt 9 aus. Das wärmeabgebende und das wärmeaufnehmende Medium strömen so im Gegenstrom zueinander.

Wenn der Wärmetauscher als wärmeabgebender Apparat verwendet wird, tritt das wärmeaufnehmende Medium (z.B. Gebrauchswasser) durch den Eintritt 6 ein und durch Austritt 7 des Wärmetauschers aus, während das wärmeabgebende Medium (z.B. Fernheizwasser oder KessecLwasser) durch den Eintritt 8 und durch den Austritt 9 des Wärmetauschers ein bzw. austritt. Auch in diesem Fall strömen die zwei Medien vorzugsweise im Gegenstrom zueinander.

Die obigen Verwendungen sind nur Verwendungsbeispiele des Wärmetauschers. Es ist auch klar, dass die Strömungsrichtung der Medien gekehrt werden kann, und die zwei Medien teils in entgegengesetzte Richtungen und teils in dieselbe Richtung strömen können.

Wie in Fig. 2 dargestellt, pressen die wärmeleitenden Rohre 2 gegeneinander und gegen die Innenfläche des schraubenförmigen Rohres 3. Wenn das wärmeabgebende Medium innerhalb der wärmeleitenden Rohre 2 strömt, findet - wenn der Wärmetauscher im Betrieb ist eine Wärmeübertragung vom Medium innerhalb der wärmeleitenden Rohre 2 und durch die Aussenfläche dieser Rohre zu dem ausserhalb der wärmeleitenden Rohre 2 strömenden Medium statt. Falls die wärmeleitenden Rohre 2 im Mantel 1 frei angeordnet wären, wurden die wärmeleitenden Rohre 2 eine Wärmeübertragungsfläche besitzen, die dem vom Medium, das ausserhalb der wärmeleitenden Rohre 2 in den Zwischenräumen 4 und 5 strömt, bestrichenen Aussenfläche der Rohre entsprach.

Da die wärmeleitenden Rohre 2 aber gegen das schraubenförmige Rohr

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3 pressen, -wird Wärme durch die Berührungsstellen der wärmeleitenden Rohre 2 auf dem schraubenförmigen Rohr 3 in das schraubenförmige Rohr 3 geführt, und von der Innenfläche dieses Rohres lässt die Wärme sich zu dem durch die Zwischenräume 4 und 5 strömenden Medium überführen. Die grosse Innenfläche des schraubenförmigen Rohres 3 gewährt eine Vergrösserung der Wärmeübertragungsfläche und damit eine erhöhte Wärmeübertragung.

Es ist zu bemerken, dass man durch Verwendung des schraubenförmigen Rohres 3 eine Vergrösserung der Wärmeübertragungsfläche erreicht, ohne die einzelnen glatten wärmeleitenden Rohre 2 mit Lamellen, Flossen, Rippen o.dgl. oberflächenvergrösserten Elementen auf ihrer Aussenseite zu versehen.

Da die Innenfläche des schraubenförmigen Rohres 3 schraubenförmig und nicht glatt ist, verursacht diese Innenfläche eine turbulente Strömung des Mediums in den Zwischenräumen 4 und 5> wobei eine erhöhte Möglichkeit für Partikelbestreichung dieses Mediums und damit eine erhöhte Wärmeübertragung zum Medium erreicht wird.

Die Gesamtwirkung durch Verwendung des schraubenförmigen Rohres 3 ist so eine wesentlich erhöhte Wärmeübertragung zwischen dem wärmeabgebenden und dem wärmeaufnehmenden Medium, und ein Wärmetauscher mit einer im Verhältnis zu seiner Grosse und zum Werkstoffverbrauch (für den Mantel 1, wärmeleitende Rohre 2 und schraubenförmiges Rohr 3) sehr hohe Leistung wird gewährleistet. Dies ist durch Versuche bestätigt worden.

Fig. 2 zeigt eine Anzahl von vier gleichen wärmeleitenden Rohren Eine willkürliche geeignete Anzahl von Rohren mit gleichen oder verschiedenen Durchmessern lässt sich aber auch verwenden, da eine optimale Ausfüllung der Lichte des schraubenförmigen Rohres 3 erstrebt wird, teils um eine gute Berührung zwischen den wärmeleitenden Rohren 2 und dem schraubenförmigen Rohr 3 zu erreichen, und teils um eine für das vom Eintritt 8 zum Austritt 9 strömende Medium geeignete Lichtenweite zu erreichen.

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Eine enge Passung ist zwischen dem Mantel 1 und dem schraubenförmigen Rohr 3 vorhanden, vgl. Fig. 2. Hierdurch wird ein Zentrieren und sicheres Festhalten des schraubenförmigen Rohres 3 und der wärmeleitenden Rohre 2 erreicht, was die Gefahr für unzweckmässige Deformation des Mantels 1, des schraubenförmigen Rohres 3 und der wärmeleitenden Rohre 2 vermindert, wenn diese Rohre später in eine für die Verwendung des Wärmetauschers zweckmässige Form gebogen werden.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel des schraubenförmigen Rohres 3 dargestellt. Dieses Rohr ist von zwei U-förmigen Bändern 3¹ und 3" aus Metall gebildet, die nach einer Schraubenlinie um einen zylindrischen Dorn gewickelt sind. Ein solches schraubenförmiges Rohr 3 wird dadurch hergestellt, dass das erste Band 3^f um den Dorn mit nach aussen gekehrten Schenkeln 10a' und 10b¹ gewickelt sind, während das zweite Band 3" mit nach innen gekehrten Schenkeln 10a" und 10b" gewickelt und derart angeordnet wird, dass es mit dem ersten Band 3' derart eingreift, dass die zwei Schenkel 10a' und 10b' des ersten Bandes 3' um den rechten 10a" bzw. linksen Schenkel 10b" in zwei anliegenden Wicklungen des zweiten Bandes 3" greifen. Hierdurch wird ein biegsames schraubenförmiges Rohr 3 erreicht, das sich beim Biegen in die erwünschte Form des Mantels mit schraubenförmigem Rohr 3 und wärmeleitenden Rohren 2 leicht in die erwünschte Form ohne Missbildung biegen lässt.

Ein derart ausgebildetes schraubenförmiges Rohr 3 wird in gewissen Fällen als ein Panzerschlauch bezeichnet.

Das schraubenförmige Rohr 3 braucht nicht von zwei U-förmigen Bändern hergestellt zu sein. Es kann in vielen anderen Weisen hergestellt werden, z.B. kann es von zwei S-förmigen Bändern gebildet werden, die ineinander wie die U-förmigen Bänder greifen.

Der Wärmetauscher wird dadurch hergestellt, dass ein schraubenför-

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miges Rohr 3 und eine geeignete Anzahl von wärmeleitenden losen Rohren 2 in einen rohrförmigen Mantel 1 gepresst werden, wonach alle Teile in eine für die Verwendung des Wärmetauschers zweckmässige Form gebogen werden.

Wie in Fig. 1 dargestellt, ist der Wärmetauscher an beiden Enden mit einem Reduktionsstück 11 versehen. Wie in Fig. 3 gezeigt, ist das freie Ende des ausgeweiteten Teiles 11' des ReduktionsStückes 11 aussen auf dem Ende des Mantels 1 befestigt, während der eingeengte Teil 11" des Reduktionsstückes aussen auf dem Ende der wärmeleitenden Rohre 2 angeordnet ist. Diese Rohre 2 ragen an beiden Enden des Wärmetauschers etwas aus dem Ende des Mantels 1 und des schraubenförmigen Rohres 3 und sind durch geeignete Ausbildung an ihren Enden gegeneinander teilweise flach gedrückt. Diese Ausbildung der Enden der wärmeleitenden Rohre 2 gewährt, teils dass sie zum eingeengten Teil 11" des ReduktionsStückes passen, und teils dass die Seitenwände der wärmeleitenden Rohre 2 längs hauptsächlich radial ausstrahlender Linien im Verhältnis zur Mitte des Reduktionsstückes 11 zusammenstossen, wobei es sehr leicht ist, die Enden der wärmeleitenden Rohre 2 zum Reduktionsstück 11 (am 12) zu löten und die wärmeleitenden Rohre 2 gegenseitig zusammenzulöten, vgl. die Lötung 13 in Fig. 3 und 4. Es ist zu bemerken, dass die engen Zwischenräume zwischen den Rohren 2 in Fig. 4 mit Lötmaterial ausgefüllt sind. Die Lötungen 12 und 13 sicherstellen sowohl Befestigen der wärmeleitenden Rohre 2 zum Reduktionsstück 11 als auch Dichtheit zwischen dem vor den Enden der wärmeleitenden Rohre 2 vorliegenden Raum und den zwischen den im Mantel 1 angeordneten wärmeleitenden Rohren 2 und dem schraubenförmigen Rohr 3 vorhandenen Zwischenräumen.

Durch diesen Abschluss der Enden der wärmeleitenden Rohre 2 vermeidet man die so für Wärmetauscher mit mehreren wärmeleitenden Rohren bekannten Rohrabschlussplatten, gleichzeitig damit dass die wärmeleitenden Rohre 2 mit einer mit Bezug auf ihre Gesamtlichtenweite minimalen Weite in der Öffnung vor den Enden der wärmeleitenden Rohre 2 enden. ,Hierdurch wird gleichzeitig ein einfaches Her-

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lungsverfahren und Einströmung des Mediums mit geringem Druckverlust erreicht.

Der Mantel 1 und die wärmeleitenden Rohre 2 lassen sich "beispielsweise aus Kupfer oder Stahl vom Zweck des Wärmetauschers abhängig herstellen. Das schraubenförmige Rohr 3 ist vorzugsweise aus verzinktem Stahl oder aus Aluminium. Als Lötungsmaterial für die Lötungen 12 und 13 ist beispielsweise Hartlot verwendbar.

Der Wärmetauscher ist für die für Wärmetauscher allgemein bekannten Zwecke verwendbar. Beispielsweise kann er als Kondensator und Verdampfer in Heizpumpeanlagen verwendet werden. Er ist auch in Wärmerückgewinnanlagen verwendbar, wobei die Wärmeübertragung zwischen zwei einander nicht berührenden Medien stattfindet, z.B. Luft-Luft, Luft-Freon, Wasser-Wasser oder Wasser-Freon.

Als schraubenförmige Rohre werden vorzugsweise solche Rohre verwendet, die im Längsschnitt hauptsächlich senkrecht zur Achse des Mantels 1 gekehrte Flanscheflächen aufweisen. Durch diese Flanscheflächen, die bei den U-förmigen Bändern 3¹ und 3" den Schenkeln entsprechen, wird eine gute Steifheit während des Biegenvorganges des Mantels 1 erreicht.

Das Medium innerhalb der wärmeleitenden Rohre 2 kann an beiden Enden des Wärmetauschers durch den eingeengten Teil 11" aus bzw. eintreten. Mit Bezug auf das Medium ausserhalb der wärmeleitenden Rohre 2 kann dieses Medium vom aussen durch eine Seitenöffnung 14 (Fig. 3) im Reduktionsstück 11 an beiden Enden des Wärmetauschers den Aussenzwisehenräumen 5 (Fig. 2) zu bzw. abgeführt werden,sondern dem Innenzwischenraum 4 zwischen den wärmeleitenden Rohren 2 nicht zugeführt werden. Um Verbindung zum Innenzwischenraum 4 zu schaffen, wird ein meissel.förmiger Dorn durch die Seitenöffnung 14 zwischen den zwei wärmeleitenden der Seitenöffnung 14 zunächsten Rohren gesteckt, Diese Rohre werden dann derart etwas deformiert oder abgebreitet, dass eine Passage gebildet wird, durch die das in den Aussenzwischenräumen 5 strömende Medium in den Innenzwischenraum

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4 dringen kann. Falls mehrere der wärmeleitenden Rohre 2 an den Enden des Wärmetauschers abzubreiten sind, wird dies vor Befestigen des Reduktionsstückes 11 vorgenommen. Das Medium in den verschiedenen, längsverlaufende Kanäle bildenden Zwischenräumen 5 ist ferner in gegenseitiger Verbindung durch die gewindeähnlichen Rillen im schraubenförmigen Rohr 3.

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Claims

Patentansprüche:

1. '■ Wärmetauscher mit einem rohrförmigen Mantel, mindestens einem \v£ärmeleitenden Rohr im Mantel und einem zwischen dem Mantel und dem wärmeleitenden Rohr angeordneten schraubenförmigen Rohr, wobei ein Medium im wärmeleitenden Rohr strömt, während ein zweites Medium ausserhalb des wärmeleitenden Rohres strömt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von wärmeleitenden Rohren (2) innerhalb des schraubenförmigen Rohres (3) angeordnet sind, die gegeneinander und gegen die Innenfläche des schraubenförmigen Rohres (3) derart pressen, dass sowohl mindestens ein kanalförmiger Innenzwischenraum (4) zwischen den wärmeleitenden Rohren (2) als auch kanalförmige Aussenzwischenräume (5) zwischen den wärmeleitenden Rohren (2) und dem schraubenförmigen Rohr (3) gebildet werden, und dass vorzugsweise radial verlaufende Passagen zwischen den wärmeleitenden Rohren (2) ausgebildet sind, die je Strömung eines Mediums zwischen einem kanalförmigen Innenzwischenraum (4) und einem kanalförmigen Aussenzwischenraum (5) ermöglichen.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine enge Passung zwischen dem Mantel (l) und dem schraubenförmigen Rohr (2) vorhanden ist.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e η η-zeichnet, dass das schraubenförmige Rohr (3) von zwei U-förmigen um einen zylindrischen Dorn und nach einer Schraubenliniegewickelten Bändern (3', 3") aus Metall gebildet ist, wobei das erste Band (3¹) um den Dorn mit nach aussen gekehrten Schenkeln (1Oa', 10b') gewickelt ist, während das zweite Band (3") mit nach innen gekehrten Schenkeln (1Oa", 10b") gewickelt ist und mit dem ersten Band (3') derart eingreift, dass die zwei Schenkel (1Oa', 10b') des ersten Bandes (3') um den rechten (1Oa") bzw. den linksen Schenkel (1Ob") in zwei anliegenden Wicklungen des zweiten Bandes (3") greifen.

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4. Wärmetauscher nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass er an jedem Ende mit einem Reduktionsstück

(II) versehen ist, wobei das freie Ende des ausgeweiteten Teiles

(II^I) des Reduktionsstückes aussen auf dem Ende des Mantels (l) befestigt ist, während der eingeengte Teil (11") des Reduktionsstückes aussen auf dem Ende der wärmeleitenden Rohre (2) angeordnet ist, welche Rohre (2) an beiden Enden des Wärmetauschers etwas aus dem Ende des Mantels (l) und des schraubenförmigen Rohres (3) ragen und an ihren Enden gegeneinander teilweise flach gedrückt sind, und dass die kanalförmigen Innen- (4) und Aussenzwischenräume (5) mit Material (12, 13), vorzugsweise Lötmaterial, am Ende der wärmeleitenden Rohre (2) im eingeengten Teil (11") des ReduktionsStückes ausgefüllt sind.

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