DE2912132C2 - Wärmetauscher, insbesondere für Wärmepumpenanlagen mit schraubenförmig gewendelten Rohren - Google Patents
Wärmetauscher, insbesondere für Wärmepumpenanlagen mit schraubenförmig gewendelten RohrenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für Wärmepumpenanlagen, bestehend aus
einem Sekundärteil, das aus wenigstens einem ein Kühlmittel führenden, schraubenförmig gewendelten Rohr
besteht, und aus einem Primärteil mit einem den Wärmeträger führenden, die Rohrwendel des Sekundärteils
umgebenden, gleichfalls schraubenförmigen. Mantelrohr.
Bei Wärmepumpenanlagen werden im wesentlichen zwei Wärmetauscher eingesetzt, und zwar ein Verdampfer,
in welchem der Wärmeträger des Primärkreislaufs seine Wärme an einen Sekundärkreislauf, der
zugleich zentraler Kühlmittelkreislauf ist, abgibt, und ein Kondensator, in welchem der zentrale Kühlmittelkreislauf wiederum seine Wärme an einen wärmeab=
gebenden Kreislauf überträgt Dabei ist in beiden Wärmetauschern ein größtmöglicher Wärmeübergang
und ein geringstmöglicher Druckverlust angestrebt.
Die Möglichkeiten zur Erhöhung der Wärmeübertragung ergeben sich aus der Formel
O = k χ F χ At
Alle Methoden zur Verbesserung zielen darauf ab, einen oder alle diese Einflußfaktoren zu optimieren.
Bei Wärmepumpenanlagen sind allerdings hinsichtlich der Änderung der Temperaturdifferenz At Grenzen
gesetzt, da diese nur auf Kosten der Leistung des Kompressors vergrößert werden kann, wodurch wiederum
die Gesamtleistung der Wärmepumpenanlage reduziert wird. Verbesserungen in der Wärmeübergangszahl k
lassen sich durch Beeinflussung der Strömungsverhältnisse und durch die Werkstoffauswahl erreichen. Ferner
ist es hinlänglich bekannt, die Wärmetauscherfläche F durch entsprechende konstruktive Maßnahmen so groß
als möglich zu gestalten, beispielsweise durch Anbringen von Rippen od. dgl. Auch die schraubenförmige
Wendelung von Rohren zählt hierzu. Dabei ist allerdings häufig eine Grenze durch den Raumbedarf des
Wärmetauschers gegeben.
Bei dem eingangs geschilderten Wärmetauscher (US-PS 3163 210) wird die Austauschfläche unter
anderem dadurch vergrößert bzw. die Baugröße — bei gleicher Austauschfläche — dadurch verringert, daß
ein das Sekundärieil bildendes Bündel paralleler Rohre,
deren Enden in Verteilerkappen sitzen, durch Verdrehen der Verteilerkappen gegeneinander zunächst um
eine zentrale Achse verdrillt und daraufhin in ein das Primärteil bildendes Mantelrohr eingesetzt wird. Anschließend
wird das Mantelrohr zu eine." Schraube mit einander anliegenden Gängen umgeformt Sowohl das
verdrillte Rohrbündel des Sekundärteils, als auch das Mantelrohr des Primärteils bilden also eine gleichachsige
Schraube, so daß eine kleine Baugröße bei großer Wärmeaustauschfläche erhalten wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei gleicher Baugröße eine weitere Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche
und zugleich eine Erhöhung der Wärmeübergangszahl zu erreichen, um insbesondere bei Einsatz
des Wärmetauschers in Wärmepumpenanlagen einen hohen Wirkungsgrad zu erhalten.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das schraubenförmige
Rohr des Sekundärteils mit etwa horizontaler Schraubenachse in dem Mantelrohr des Primärteiis
angeordnet und zusammen mit diesem unter Beibehaltung seiner etwa horizontalen Schraubenachse zu
einer Schraube mit im wesentlichen vertikaler Achse gewendelt ist, und daß das Rohr des Sekundärteils nahe
dem Wärmeträgerablauf des Primärteiis in ein Kernrohr einmündet welches in der Schraubenachse des
Rohrs des Sekundärteils angeordnet ist und dessen Ablauf sich nahe dem Zulauf des Primärteils befindet, so
daß das Kühlmittel im Sekundärteil zunächst im Gleichstrom und dann im Gegenstrom fließt.
Bei einer Rohrströmung wirken auf die Flüssigkeit Zentrifugal- und Gravitationskräfte. Ist das die Flüssigkeit
führende schraubenförmige gewendelte Rohr mit seiner Schraubenachse senkrecht angeordnet, so ergibt
sich aus Gravitations- und Zentrifugalkraft eine Resultierende, die dazu führt, daß die Flüssigkeit an die untere
Rohrwandung gedrängt wird, wobei sich der Flüssigkeitsspiegel schräg mit einem Anstieg von innen
nach außen einstellt. Der obere Teil des Rohrquerschnittes ist hingegen mit Gas bzw, der Dampfphase
gefüllt, insbesondere wenn es sich um Wärmeträger handelt, die zumindest im Einlaufbereich des Wärmetauschers
eine Temperatur nahe dem Siedepunkt aufweisen. Bekanntermaßen ist nun aber der Wärmeübergang
zwischen Gas- bzw. Dampfphase und Rohrwandung schlechter als zwischen der Flüssigkeitsphase und
der Rohrwandung. Während bei einer Schraubenwen-
del mit senkrechter Schraubenachse die aus Gravitations- und Zentrifugalkraft resultierende Kraft über die
gesamte Höhe des Wärmetauschers die gleiche Richtung hat, ändert sich bei einer horizontalen Anordnung
der Schraubenwendel diese Richtung ständig, da beispielsweise im unteren Scheitelpunkt der Schraubenwendel
Gravitations- und Zentrifugalkraft sich addieren, während sie im oberen Scheitel der Schraubenwendel
entgegenwirken. Dies führt also dazu, daß auf die Rohrströmi'tig ständig wechselnde ICräfte 2ur Wirkung
kommen, wodurch die Wahrscheinlichkeit, daß das Rohr auf seinem gesamten Umfang mit Flüssigkeit
belegt ist, erheblich steigt. Diese Wahrscheinlichkeit
wird bei Flüssigkeiten, die zum Stoßsieden neigen, noch vergrößert Dadurch wird die Wärmeübergangszahl
erhöht
Durch die weitere Maßnahme, daß das das schraubenförmig
gewendelte Rohr des Sekundärteils umgebende Mantelrohr zusammen mit diesem schraubenförmig
gewendelt ist, wobei dessen Schraubenachse im wesentlichen senkrecht angeordnet ist mit der Folge,
daß die horizontale Schraubenachse des Rohrs im
Sekundärteil etwa erhalten bleibt, ergibt sich eine nennenswerte Vergrößerung der Austauschfläche bei gleicher
Baugröße.
Durch die vorgenannten Maßnahmen wird also einerseits die Wärmeübergangszahl A; andererseits die
Wärmeaustauschfläche bei geringer Bauhöhe optimiert. Praktische Untersuchungen haben ferner gezeigt, daß
bei einem solchen Aufbau des Wärmetauschers, insbesondere bei Verwendung als Verdampfer, der Druckverlust
im Primärkreislauf gegenüber herkömmlichen Wärmetauschern um ca. 50% und im Sekundärkreislauf
um ca. 90% vermindert werden kann. Dies bedeutet umgekehrt, daß trotz geringem Druckabfall im Kühlmittel-Kreislauf
eine gute Wärmeübertragung möglich ist.
Mit der weiteren Ausbildung, daß das schraubenförmig gewendelte Rohr des Sekundärteils nahe dem
Wärmeträgerablauf des Primärteils in ein Kernrohr einmündet, welches in der Schraubenachse des Rohrs
des Sekundärteils angeordnet ist und dessen Ablauf sich nahe dem Zulauf des Primärteils befindet, wird erreicht,
daß der Wärmeträger im Primärteil zunächst im Gleichstrom mit dem Kühlmittel im Sekundärteil geführt
wird. Am Ende der Austauschstrecke des Primärteils wird die Strömungsrichtung im Sekundärteil an der
Einmündung des schraubenförmigen Rohrs in das Kernrohr umgekehrt, so daß das Kühlmittel im Gegenstrom
zurückgeführt wird. Auch hierdurch ergibt sich eine Verbesserung der Wärmeübertragungsverhältnisse
durch Anpassung der Strömungsrichtung an das axiale Temperaturprofil.
Gemäß einer vorteilhaften Ausfühningsform sind im
Sekundärteil drei parallel schraubenförmig gewendelte Rohre für das Kühlmittel vorgesehen, die nahe dem
Wärmeträgerablauf des Primärteils jeweils in das Kernrohr einmünden. Die Schraubenwendeln aller drei
Rohre können in axialer oder in radialer Richtung nebeneinanderliegen.
Findet bei dem Wärmeaustausch im Kühlmittel eine
Phasenänderung von flüssig zu dampfförmig statt, so ist vorgesehen, daß das Kernrohr einen größeren Querschnitt
aufweist als die Summe der Querschnitte der schraubenförmig gewendelten Rohre des Sekundärteils,
wobei der Wärmetauscher vorzugsweise so gesteuert wird, daß die Dampfphase erst am Übergang zwischen
schraubenförmig gewendelten Rohren und Kernrohr stattfindet.
Die erfindungsgemäße Ausbildung eines Wärmetauschers
schafft ferner die Möglichkeit, den Kompressor für aas Kühlmittel in der Schraubenachse des
schraubenförmig gewendelten Mantelrohrs des Primärteils anzuordnen. Damit ergibt sich eine in thermischer
Hinsicht besonders günstige und zudem schalldämmende Ausführung der gesamten Anlage.
Nachstehend ist die Erfindung anhand eines in der
Nachstehend ist die Erfindung anhand eines in der
ίο Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels gezeigt.
In der Zeichnung zeigt
F i g. 1 einen schematischen Längsschnitt eines herkömmlichen Wärmetauschers (Verdampfer) mit senkrecht
angeordnetem Schraubenrohr im Sekundärteil,
is F i g. 2 einen schematischen Längsschnitt eines
Wärmetauschers mit horizontal angeordnetem Schraubenrohr im Sekundärteil,
F i g. 3 einen Schnitt II1-III gemäß F i g. 2,
F i g. 4 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsg'imäß ausgebildeten Wärmetauscher und
F i g. 3 einen Schnitt II1-III gemäß F i g. 2,
F i g. 4 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsg'imäß ausgebildeten Wärmetauscher und
Fig.5 eine Seitenansicht des Wärmetauschers mit
Kompressor.
F i g. 1 zeigt einen Verdampfer, dessen Primärteil aus einem zylindrischen Behälter 1 gebildet ist Der
Behälter 1 weist oben einen Zulauf 3 für den Wärmeträger, ?.. B. Wasser, und unten einen Abiauf 4 auf. Der
Sekundärteil wird von einem in dem Behälter 1 schraubenförmig verlaufenden Rohr 6 gebildet, dessen
Schraubenachse 2 senkrecht angeordnet ist und das oben einen Zulauf 5 für ein Kühlmitte·1, z. B. Freon, und
unten einen Ablauf 7 aufweist
Bei annähernd gleichbleibender Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels im Rohr 6, stellt sich der Spiegel
der flüssigen Phase — bei vorhandener gasförmiger
r> Phase — in einer Schräglage ein, wie sie in F i g. 1 angedeutet
ist, und die sich aufgrund der vektorielien Addition der Schwerkraft t und der sich aus der Strömungsgeschwindigkeit
ergebenden Zentrifugalkraft c einstellt Der Flüssigkeitsspiegel stellt sich normal zur
Resultierenden R ein.
Es ist ersichtlich,daß in dem Fall der Fig. 1, bei welche-.n
die Achse 2 des Behälters 1 senkrecht verläuft, -die Zentrifugalkraft c immer in einer waagerechten
Ebene liegt, so daß, da die Schwerkraft t immer senkrecht nach unten verläuft, der Winkel zwischen den
Kräften c und r sich nicht ändert Demgemäß ist die auf das Kühlmittel wirkende Resultierende für alle Rohrquerschnitte
gleich, so daß die flüssige Phase des Kühlmittels nur im Bereich des unteren Scheitels des Rohres
6 fließt, während das Rohr 6 im Bereich des oberen Scheitels mit der flüssigen Phase des Kühlmittels nicht
in Berührung kommt.
Anders stellt es sich dar, wenn die Schraubenachse 2 des Rohrs 6 des Sekundärteils nicht senkrecht verläuft,
sondern waagerecht, wie dies in F i g. 2 für denselben Behälter 1 dargestallt ist. Bei konstante! Strömungsgeschwindigkeit
des Kühlmittels durch das Rohr 6 ist auch die Zentrifugalkraft c konstant und stets radial
gerichtet, jedoch oberhalb der Schraubenachse nach oben, unterhalb der Schraubenachse nach unten, während
die Schwerkraft f stets radial nach unten gerichtet ist. F i g. 3 zeigt die Kräfte c und t an verschiedenen
Stellen des Umfangs des Rohres 6. Es ist ersichtlich, daP die sich aus Schwerkraft t und Zentrifugalkraft c er-
b) gebende resultierende Kraft R ihre Größe und Richtung
dauernd ändert, so daß auch der Flüssigkeitsspiegel seine Lage ständig ändert. Wird zusätzlich berücksichtigt,
daß in der Praxis eine konstante Strömungs-
geschwindigkeit und damit eine konstante Zentrifugalkraft c nicht erzielt werden kann, solange das Rohr 6
nicht vollständig mit flüssiger Phase gefüllt ist. und daß das Sieden oft als Stoßsieden eintritt, so zeigt sich, daß
eine große Wahrscheinlichkeit dafür besteht, daß die
gesamte Innenwand des Rohres mit der flüssigen Phase des Kühlmittels in Berührung kommt. In jedem Fall ist
diese Wahrscheinlichkeit wesentlich größer als bei dem in F i g. I gezeigten Beispiel, selbst wenn man Störungen
der Strömung beim Sieden unterstellt.
In Fig. 4 ist ein Wärmetauscher gemäß der F.rfindung
in Funktion als Verdampfer dargestellt zur Verwendung bei einer Wasser/Wasser Wärmepumpenanlage.
Der Wärmetauscher weist als Primärteil ein Mantelrohr 8 auf. welches in Fig.4 aus Gründen der
Übersichtlichkeit geradlinig dargestellt ist, in Wirklichkeit aber schraubenlinienförmig verläuft, wie mit
Bezug auf F i g. 5 noch erläutert werden wird. An dem ei"C" Ends des Mantelrohr*1* ^ hpfjnHpt sjph pin Fjnlauf
9 für den Wärmeträger, hier Wasser, und am anderen Ende ein Auslauf 10 für das Wasser. Das Mantelrohr
8 ist Teil eines an sich bekannten geschlossenen Wasserkreislaufs, zu welchem auch ein nicht dargestelltes
Rohrsystem gehört, daß z. B. in der Erde angeordnet ist um die Erdwärme aufzunehmen. Demgemäß ist das
durch den Einlauf 9 in das Mantelrohr 8 einströmende Wasser wärmer als das am Ablauf 10 abströmende
Wasser.
Im Mantelrohr 8 ist als Teil des Sekundärkreislaufs ein zentral verlaufendes Kernrohr 11 angeordnet. Um
dieses Kernrohr 11 sind in Schraubenlinienform drei parallel zueinander verlaufende Kupferrohre 12, 13 und
14 angeordnet. Die Kupferrohre 12, 13 und 14 sind durch das Mantelrohr 8 hindurchgeführt und mit einem
Einlaufkasten 15 für das Kühlmittel, z. B. Freon. verbunden,
welches dem Einlaufkasten 15 durch eine Leitung
16 zuströmt, wobei die Zufuhr von einem Thermoventil
17 gesteuert wird.
Dem Ende des Mantelrohres 8 benachbart, an welchem der Auslauf 10 angeordnet ist. ist das Kernrohr 11
durch eine Stirnscheibe 18 geschlossen, und die Enden der Kupferrohre 12, 13 und 14 sind über je einen Anschluß
19, 20 bzw. 21. die auf dem Umfang des Kernrohres 11 um 120' versetzt sind, mit dem Kernrohr 11
nahe dessen geschlossenem Ende verbunden. An seinem gegenüberliegenden Ende ist das Kernrohr 11 an
den entsprechenden Ende des Mantelrohrs 8. d. h. nahe dem Einlauf 9. durch das Mantelrohr 8 hindurch nach
außen geführt, um einen Auslaufstutzen für das Kühlmittel zu bilden, wie dies aus F i g. 4 ersichtlich ist.
Die Darstellung der F i g. 4 zeigt, daß die Rohre 12,
13 und 14 weder mit dem Kernrohr 11 noch mit dem Mantelrohr 8 in Berührung stehen. In der Praxis werden
die Rohre 12, 13 und 14 jedoch an einigen Stellen am Kernrohr 11 abgestützt sein. Es könnten aber auch
Stützteile, beispielsweise an der Innenwand des Mantelrohres
8 und'oder an der Außenwand des Kernrohres 11 vorgesehen sein, welche die Rohre 12, 13 und 14 auf
Abstand von dem Mantelrohr 8 und dem Kernrohr 11 halten. Das Mantelrohr 8 besteht aus einem isolierenden
Material, beispielsweise aus Kunststoff oder Gummi. Auch die übrigen außerhalb des Mantelrohres 8
befindlichen Bauteile des Rohrsystems können wärmeisoliert sein.
F i g. 5 zeigt eine in der Praxis angewandte Ausführungsform des Wärmetauschers (Verdampfer oder
Kondersator) gemäß der Erfindung. Dem in F i g. 4 geradlinig dargestellten Mantelrohr 8 entspricht in
F i g. 5 das Mantelrohr 22, während das schraubenförmig gewundene Rohr(e) 12, 13, 14 des Sekundärteils
gemäß Fig. 4 in der F i g. 5 an der aufgebrochenen Stelle den Mantelrohrs 22 erkennbar und mit 25 bezeichnet
ist. Der Wärmetauscher gemäß F i g. 5 wird also aus dem linearen Gebilde gemäß F i g. 4 dadurch
erhalten, daß das Mantelrohr des Primärteils mit der pingphaiiu»n Rohrschlange Hes Sekundärteils um eine
senkrechte Achse schraubenförmig verformt wird. Dabei bleibt die horizontale Schraubenachse der inneren
Rohrschlange weitgehend erhalten. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel ist in der Schraubenachse des
Mantelrohrs 22 der Kompressor 26 angeordnet, der also von dem Mantelrohr 22 umhüllt wird. Der Wärmeträger
gelangt über den Zulauf 24 in das Mantelrohr und verläßt dieses über den Ablauf 23 (entsprechend 9
und 10-i: Fig.4). Der Einlaufkasten 15 und Thermoventil
17 sowie der Ablauf des Kernrohrs 11 des Sekundärteils
(F i g. 4) sind in F i g. 5 nicht gezeigt. Sie befinden sich an der unteren Windung der Schraube des
Mantelrohrs 22 nahe dem Zulauf 24 des Primärteils.
Die Arbeitsweise des Wärmetauschers als Verdampfer ist wie folgt: Das Ventil 17 wird in bekannter Weise
von dem Druck vor einem nicht dargestellten Kompressor in dem geschlossenen Sekundärkreislauf gesteuert.
Es, 17, läßt entsprechend Kühlmittel in den Verteilerkasten 15 einströmen, von welchem aus sich die flüssige
Phase des Kühlmittels in den Rohren 12, 13 und 14 (25 in Fig. 5) verteilen wird. Es folgt dann zunächst eine
Wärmeübertragung von dem durch den Einlauf 9 (24) einströmenden Wärmeträger, z. B. Wasser, auf das in
den Rohren 12, 13 und 14 strömende Kühlmittel, und zwar im Gleichstrom. Das Kühlmittel verdampft und
strömt in Dampfform am anderen Ende des Mantelrohres Il (22). d. h. nahe dem Ablauf 10 (23) in das Kernrohr
11 in welchem es im Gegenstrom zu dem Wasser strömt jnd dabei weiter erwärmt wird.
Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Abwandlungen
möglich. Beispielsweise können die drei schraubenlinienförmig verlaufenden Rohre 12, 1" und
14 des Sekundärteils jeweils für sich zum Einlauf zurückgeführt werden, wobei dann das Kernrohr 11 durch
drei Rücklaufrohre ersetzt wird. Statt einer steigenden Schraubenwendel, wie sie F i g. 5 zeigt, kann das Mantelrohr
8 (22) auch in einer horizontalen Ebene nach Art einer Spirale gewendelt sein.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Wärmetauscher, insbesondere für Wärmepumpenanlagen, bestehend aus einem Sekundärteil, der
aus wenigstens einem das Kühlmittel führenden, schraubenförmig gewendelten Rohr und aus einem
Primärteil mit einem den Wärmeträger führenden, die Rohrwendel des Sekundärteils umgebenden,
gleichfalls schraubenförmigen Mantelrohr, dadurch gekennzeichnet, daß das schrau-
benförmige Rohr (12, 13, 14; 25) des Sekundärteils mit etwa horizontaler Schraubenachse in dem
Mantelrohr (8, 22) des Primärteils angeordnet und zusammen mit diesem unter Beibehaltung seiner
etwa horizontalen Schraubenachse zu einer Schraube mit im wesentlichen vertikaler Achse gewendelt
ist, und daß das Rohr (12,13, 14; 25) des Sekundärteils nahe dem Wärmeträgerablauf (10, 23) des
Primärteils in ein Kernrohr (11) einmündet, welches
in der Schraubenachse des Rohrs des Sekundärteils angeordnet ist und dessen Ablauf sich nahe dem
Zulauf (9, 24) des Primärteiis befindet, so daß das Kühlmittel im Sekundärteil zunächst im Gleichstrom
und dann im Gegenstrom fließt
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, insbesondere für Kühlmittel mit einer beim Wärmetausch erfolgenden
Phasenänderung flüssig-dampfförmig, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernrohr (11) einen
größeren Querschnitt aufweist als die Summe der Querschnitte der schraubenförmig gewendelten
Rohre (12, 13,14) des Sekundärteils.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß ir- Sekundärteil drei parallel schraubenförmig gewendelte Rohre (12,13,
14, 25) für das Kühlmittel vorgesehen sind, die nahe dem Wärmeträgerablauf (10, 2J) des Primärteils
jeweils in das Kernrohr (11) einmünden.
4. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, mit einem im Sekundärteil angeordneten Kompressor,
dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor (26) 4u in der Schraubenachse des Mantelrohrs (22) des
Primärteils angeordnet ist
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OAP | Request for examination filed | ||
OD | Request for examination | ||
D2 | Grant after examination | ||
8331 | Complete revocation |