DE3025075A1 - Waermeaustauschsystem - Google Patents

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rohr-in-Rohr-Wärmeaustauschsystem und insbesondere ein koaxiales Mehrfachrohrsystem, bei dem der Wärmeaustausch zwischen den Fluiden im System hauptsächlich über einen Metall/ Metall-Wärmeübertragungsweg erfolgt.

Aus dem Stand der Technik ist eine Reihe von Rohr-in~Rohr-Wärmeaustauschsystemen bekannt; sie sind z. B. in der US-PS 2 316 273, der US-PS 2 847 193 und der GB-PS 1 513 beschrieben. In den Systemen der ersten beiden Patentschriften sind keine Lecknachweiseinrichtungen enthalten, wohl aber im System der britischen Patentschrift. Es ist auch bekannt, Lecknachweiseinrichtungen in Wärmeaustauschsystemen mit ummantelten Rohren einzubauen, z. B. aus der US-PS 3 830 290 und der GB-PS 804 592.

Bei keinem der bekannten Wärmeaustauscher sind jedoch integrale Rippen vorgesehen, die radial nach innen vorspringen und auf jedem der koaxialen Röhrenelemente befinden und deren Wärmeaustauscheinrichtungen darstellen, wie es der Fall bei der vorliegenden Erfindung ist. Ihr Wirkungsgrad ist dementsprechend geringer, und der Metall/Metall-Wärmeübertragungsweg gemäß der Erfindung stellt eine neuartige Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik dar..

Das erfindungsgemäße Wärmeaustauschsystem besitzt einen Rohr-in-Rohr-Wärmeaustauseher mit drei koaxialen ineinandergefügten Röhrenelementen, zwischen denen ein Metall/Metall-Kontakt über sich in Längsrichtung erstreckende Rippen besteht, wobei die Zwischenräume zwischen den Rippen Raum zum Durchfließen von Fluiden durch jedes Rohr schaffen, und zwar unabhängig von den Fluiden; die durch die Zwischenräume zwischen den

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Rippen in den anderen Röhren fließen. An jedem Längsende des Wärmeaustauschers befindet sich eine Sammel- bzw. Verzweigungsleitung, so daß Fluid durch die Durchlässe im äußeren Röhrenelement vorzugsweise in Gegenstromrichtung zum Fluid in Umlauf gebracht werden kann, welches durch das innere Röhrenelement fließt, so daß Wärme
zwischen ihnen ausgetauscht wird. Im mittleren Röhrenelement befindet sich ein Fluid, und es sind Einrichtungen vorgesehen, so daß ein Lecken von Fluid aus dem äußer.en oder aus dem inneren Röhrenelement festgestellt werden kann. Die radial nach innen vorspringenden Rippen des äußeren Elementes befinden sich in Metall/Metall-Kontakt mit der Außenfläche des mittleren Elementes,
dessen Rippen sich wiederum in gutem thermischen Kontakt mit dem inneren Element befinden, so daß zwischen
ihnen ein effektiver Metall/Metall-Wärmefließweg vorliegt. Außerdem fördern die sich radial nach innen in die Strömung erstreckenden Rippen des inneren Rohres die Wirksamkeit der Wärmeübertragung, indem die Oberfläche des Rohrs vergrößert wird, welche von dem durch dieses hindurchfließenden Fluids benetzt wird.

Der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher verstärkt so
wesentlich den WärmeübertragungsVorgang. Ein Hauptziel der Erfindung besteht somit darin, ein Rohr-in-Rohr-Wärmeaustauschsystem zu schaffen, bei dem der Wärmeübertragungsweg zwischen den Rohren durch integral in den Rohren ausgebildete Rippen eingerichtet ist, so
daß bei einer Konstruktion mit geringerem Durchmesser, Kompaktaufbau und nicht glatten Wänden ein großer Wirkungsgrad bei der Wärmeübertragung erzielt wird.

Ein anderes Ziel der Erfindung besteht darin, einen
Rohr-in-Rohr-Wärmeaustauscher zu schaffen, bei dem die

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Gefahr eines möglichen Leckens eines Fluids im Austauscher, welches zur Kontamination des anderen durch diesen durchfließenden Fluids führt, wesentlich herabgesetzt oder ausgeschaltet ist und bei dem Einrichtungen zum Nachweis irgendeines Leckens vorgesehen sind, so daß Korrekturmaßnahmen eingeleitet werden können.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, einen Rohr-in-Rohr-Wärmeaustauscher zu schaffen, bei dem der Wärmeübertragungsweg zwischen den Fluiden im System hauptsächlich durch einen Metall/Metall-Kontakt zustandekommt, der durch integral in den Rohren selbst ausgebildete Rippen bewerkstelligt wird, so daß der Durchmesser der Vorrichtung reduziert und der thermische Wirkungsgrad erhöht ist.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, einen Rohr-in-Rohr-Wärmeaustauscher zu schaffen, bei dem die Wärmeübertragungsrippen integral in den Bohrungen der Rohre ausgebildet sind, um den thermischen Wirkungsgrad der Vorrichtung zu verbessern,und bei dem die Rippen außerdem bewirken, daß die Rohre konzentrisch mit Abstand zueinander angeordnet sind, wodurch die Zahl der bei der Vorrichtung benötigten Teile reduziert wird, so daß die Materialkosten und die Kompliziertheit des Herstellvorgangs herabgesetzt sind*

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, einen Rohr-in-Rohr-Wärmeaustauscher zu schaffen, bei dem äußere Verbindungen mit inneren Durchlässen direkt ohne das Durchdringen eines mittleren Raums hergestellt sind, um die Kompliziertheit der Vorrichtung herabzusetzen und die Zuverlässigkeit der Konstruktion zu erhöhen.

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Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:

Fig. 1 eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschsystems, bei der der Wärmeaustauscher im Längsschnitt dargestellt ist, und

Fig. 2 eine Querschnitt-Teilansicht der koaxialen Röhrenelemente des Wärmeaustauschers.

Fig. 1 zeigt das erfindungsgemäße Wärmeaustauschsystem 10. In dem System dient ein Wärmeaustauscher 12 dazu, von einem Sonnenkollektor 14 oder einer anderen Wärmequelle an ein erstes Fluid abgegebene Wärme an ein zweites Fluid zu übertragen, welches durch den Wärmeaustauscher fließt. Das erwärmte Fluid wird dabei durch eine geeignete Einrichtung, z. B. eine Pumpe 16, im Umlauf zu einer Stelle, wo es verwendet wird, oder zu einem Sammelbehälter 18 gebracht, aus dem es zur Benutzung später entnommen wird. Der Wärmeaustauscher 12 enthält ein äußeres Röhrenelement 20, ein mittleres Röhrenelement 22 und ein inneres Röhrenelement 24, die vorzugsweise koaxial ineinander angeordnet sind. An jedem Ende des äußeren Elementes 20 befindet sich eine fluiddichte Sammel- bzw. Verzweigungsleitung (manifold) 26 bzw. 28, die durch scheibenartige Endwände 30, 32 gebildet wird, welche sich in Querrichtung zum Wärmeaustauscher von der Außenfläche 34 des mittleren Elementes 22 bis zu den Abschnitten 36, 38 mit erweitertem Durchmesser der Außenwand 40 des äußeren Elementes 20 erstrekken. Endwände 42, 44, die sich in Querrichtung zum Wärmeaustauscher von der Außenfläche 46 des inneren Elementes 24 bis zu den Erweiterungen 48, 50 der Abschnitte 36,

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38 mit erweitertem Durchmesser erstrecken, bilden für das mittlere Element 22 eine Sammel- bzw. Verzweigungsleitung (manifold) 52 bzw. 54. Die Endwände sind mit den entsprechenden zugehörigen Flächen der Röhrenelemente durch beliebige geeignete Mittel, z. B. durch Hartlöten, verbunden, um fluiddichte Verbindungsstellen zu bilden.

Die Sammelleitung 26 besitzt ein Auslaßrohrstück 56, welches mit' dem Rohr 58 verbunden ist, welches zum Einlaßrohrstück 60 einer Wärmequelle, z. B. eines Sonnenkollektors 14 führt. Der Kollektor wiederum besitzt ein Auslaßrohrstück 62, welches mit dem Rohr 64 in Verbindung steht, das zu einem Einlaßrohrstück 66 führt. Dieses Einlaßrohrstück öffnet sich in die Verzweigungsleitung 28 des äußeren Elementes 20. Bei Bedarf kann eine Pumpe 68 an geeigneter Stelle im Fluidkreislauf, ζ. Β. im Rohr 58, eingebaut sein, um das Fluid zwischen dem Sonnenkollektor 14 und dem äußeren Röhrenelement 20 des Wärmeaustauschers in Umlauf zu bringen bzw. für seine Beibehaltung zu sorgen.

Die Sammelleitung 52 des mittleren Elementes 22 besitzt ein Auslaßrohrstück 70, das mit einem Rohr 72' verbunden ist, das an geeignete Nachweiseinrichtungen, z. B. einen Druckschalter 74 oder ein Schauglas 76 oder dergleichen angeschlossen ist. Die von der Nachweiseinrichtung fortführende Rückleitung 78 ist mit einem Einlaßrohrstück 80 verbunden, welches sich in die Verzweigungsieitung 54 des mittleren Elementes 22 öffnet. Bei dieser Konstruktion dienen die Durchlässe 82 des mittleren Elementes 22 dazu, Lecks von entweder dem äußeren oder dem inneren Röhrenelement 20 bzw. 24 nachzuweisen. Ein geeignetes nichttoxisches Fluid, ζ. B. Luft oder Wasser, füllt die Durchlässe 82 und das restliche Volumen des Nachweis-

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systems. Wie bekannt ist, wird das Eindringen von Fluid aus entweder dem inneren oder dem äußeren Röhrenelernent in das Fluid im Nachweissystem, was ein Leck in diesen Elementen anzeigen würde, am Schauglas 76 oder durch den Druckschalter 74 festgestellt, so daß ein Korrekturvorgang in Gang gesetzt werden kann. Des weiteren ist es bekannt, daß außer der Betätigung eines Schalters durch Druck oder dem sichtbaren Anstieg von Fluid in einem Schauglas weitere Alarmmethoden bestehen können in dem überlaufen aus einer Entlüftungsöffnung, im Anstieg einer Flüssigkeit zwischen elektrischen Kontakten, um einen elektrischen Alarm zu betätigen oder geeignete Ventile abzusperren, oder im Abtasten eines Druckanstiegs in Röhren mit geschlossenem Ende. Da diese Nachweisvorrichtungen wohlbekannt sind, brauchen sie hier nicht dargestellt und auch nicht beschrieben zu werden, und es braucht hinsichtlich der Zusatzausstattung auch nicht ins einzelne gegangen zu werden, was z.B. den elektrischen oder elektronischen Stromkreis oder die Nachweisstromkreise bzw. -schaltungen und Ähnliches in diesem Zusammenhang anbelangt."

Das innere Röhrenelement 24 besitzt ein Einlaßende 84, welches ein geeignetes Rohrstück 86 für den Anschluß an ein Rohr 88 besitzt, durch welches durch Wärmeaustausch aufzuwärmendes Wasser aus einer Versorgungsquelle, z. B. einem Sammelbehälter 18, fließt. Der Sammelbehälter 18 kann einen Einlaß 90 für Wasser aus einer Hauptleitung und einen Auslaß 92 besitzen, welcher zu einem Hahn oder dergleichen führt. Ein geeignetes Rohrstück 94 am Auslaßende 96 des inneren Elementes ist mit einem Rohr 98 verbunden, durch welches die aus dem Wärmeaustauscher heraustretende Flüssigkeit zum Sammelbehälter 18 oder zu einem anderen beliebigen geeigneten Abfluß

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zur Verwendung fließt.

Beim erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher wird ein hoher thermischer Wirkungsgrad erzielt, da der Wärmeübertragungsweg durch Metall/Metall-Kontakt mittels integraler Rippen in den Bohrungen eines jeden der Röhrenelemente zustandekommt. Wie am besten in Fig. 2 zu sehen ist, besitzt das äußere Röhrenelement 20 radial nach innen vorspringende integrale Rippen lOO, die in seiner Bohrung 102 ausgebildet sind und sich in Längsrichtung über die gesamte Länge von der Sammelleitung 26 bis zur Verzweigungsleitung 28 des Elementes erstrecken. Die Rippen 100 sind mit Abstand voneinander peripher um das Element herum angeordnet, so daß Fluiddurchlässe 1O4 gebildet sind. Das mittlere Röhrenelement 22 besitzt radial nach innen vorspringende.integrale Rippen 106, die in seiner Bohrung 108 ausgebildet sind und sich in Längsrichtung über die gesamte Länge von der Sammelleitung 52 bis zur Verzweigungsleitung 54 des Elementes erstrecken. Die Rippen 106 sind mit Abstand voneinander peripher um das Element so herum angeordnet, daß bereits oben erwähnte Fluiddurchlässe 82 gebildet sind. Das innere Element 24 besitzt radial nach innen vorspringende integrale Rippen 112, die in seiner Bohrung 114 ausgebildet sind und sich in Längsrichtung über die gesamte Länge vom Rohrstück 86 bis zum Rohrstück 94 des Elementes erstrecken. Nach der Zeichnung sind die Rippen 112 mit Abstand voneinander peripher um das Element herum angeordnet .

Die Dicke der Rippen lOO, 1O6 und 112, ihre Anordnung mit Abstand voneinander, die Wanddicke der Röhrenelemente und ihre radiale Anordnung mit Abstand voneinander, welche die Größe der Fluiddurchlässe im Wärmeaustauscher

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bestimmen, werden durch wohlbekannte thermodynamische und hydrodynamische Erwägungen bestimmt, was die Konstruktionsmaterialien der Vorrichtung anbelangt. Die Rippen selbst können in Längsrichtung gerade sein oder sich schraubenförmig winden. Hinsichtlich der Herstellung des Wärmeaustauschers selbst kann jede geeignete Herstell- bzw. Fertigungstechnik verwendet werden, um die Röhrenelemente zu formen und sie dann ineinander einzufügen, so daß die Rippen der Mußeren zwei Elemente sich in gutem thermischen Kontakt mit der Außenwand des radial innerhalb des anderen angeordneten Elementes befinden.

Das innere Element 24 kann mit integralen radialen Rippen nicht nur in seiner Bohrung, sondern auch mit radial nach außen vorspringenden Rippen an seiner Außenfläche ausgebildet sein. Bei einer solchen Konstruktion würde das mittlere Element 22 so integrale radial nach außen vorspringende Rippen besitzen, und das äußere Element wäre lediglich ein Rohr mit glatter Wand. Dies wäre auch der Fall bei einer Konstruktion, bei der das mittlere Element integrale radiale Rippen nicht nur in seiner Bohrung, sondern auch radial nach außen vorspringende Rippen auf seiner Außenfläche besitzen würde. Das innere Element würde bei einer solchen Konstruktion lediglich in seiner Bohrung Rippen besitzen, wie es beim Ausfuhrungsbeispiel der Fig. 2 der Fall ist. Gemäß der Erfindung können andere solcher Kombinationen durchgeführt werden.

Bei Betrieb werden die Durchlässe 82 und. das übrige Volumen des mittleren Elementes 22 und der dazugehörige Lecknachweiskreis mit einem geeigneten nichttoxischen Fluid, z. B. Wasser gefüllt, und es wird am Kreis ent-

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sprechend der Art der dort eingebauten Nachweisvorrichtung eine Nulleinstellung vorgenommen. Z. B. durch Öffnen geeigneter Ventile (nicht gezeigt) und/oder durch Betätigen der Pumpen 68 und 16, wird damit begonnen, das Fluid von den Sonnenkollektoren 14 und vom Sammelbehälter 18 in Umlauf zu bringen. Das (durch Pfeile angedeutete Fluid), das durch die Sonnenenergie in den Kollektoren, aufgewärmt worden ist, fließt durch das Rohr 64 in die Verzweigungsleitung 28 und bewegt sich dann längs der Durchlässe 1O4 im äußeren Element 20, wobei es Wärme abgibt. Das Fluid gelangt dann in die Sammelleitung 26 und wird durch die Leitung 58 zum Wiederaufheizen bzw. -erwärmen zurückgeführt. Das zu erwärmende Fluid (durch Pfeile 118 angedeutet) wird dem Wärmeaustauscher durch das Rohr 88 z'ugeführt und tritt durch die Bohrung 120 hindurch, wobei es durch thermischen Austausch mit dem Fluid 116 aus dem Sonnenkollektor Wärme aufnimmt. Das erwärmte Fluid wird durch das Rohr 98 zum Sammelbehälter 18 für spätere Verwendung geführt. Sollte sich ein Leck in der Wand von entweder dem inneren oder dem mittleren Element entwickeln, würde das Lecken in das im Lecknachweiskreis enthaltene Fluid durch einen Anstieg in der Höhe des Fluids im Schauglas 76 festgestellt werden, oder die durch das Leck bewirkte Druckänderung würde den Druckschalter 74 durch wohlbekannte (nicht gezeigte) Einrichtungen so betätigen, daß geeignete, korrigierende Maßnahmen in Gang gesetzt werden können.

Die Kapazität des erfindungsgemäßen Systems kann erhöht werden, indem die Wärmeaustauscher 12 parallel zueinander betrieben werden. Die Wirksamkeit erhöht sich auch im allgemeinen, wenn die Wärmeaustauscher aufgerollt oder gewickelt sind. JDas erfindungsgemäße Wärmeaustauschsystem

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kann nicht nur mit einem Sonnenkollektor oder einer anderen Wärmequelle zur Erwärmung bzw. Aufheizung eines Fluids verwendet werden, sondern es ist gleichermaßen bei Anwendungsfällen wirksam, bei denen ein Arbeitsfluid gekühlt wird. Als Beispiel für einen solchen Anwendungsfall sei die Verwendung des Systems bei einer herkömmlichen Kältemaschine genannt, um trinkbare Fluide sicher und wirksam zu kühlen.

Die Erfindung betrifft also einen Rohr-in-Rohr-Wärmeaustauscher mit drei koaxialen Röhrenelementen, die eines in das andere eingesetzt sind, mit einer Sammel- bzw. Verzweigungsleitung (manifold) an jedem Längsende des Austauschers für den Umlauf des Fluids durch das äußere Rohrelement in Gegenstromrichtung zum Fluid, welches durch das innere Rohrelement fließt, so daß Wärme da- ■ zwischen ausgetauscht wird. Im mittleren Röhrenelement befindet sich ein Fluid, so daß ein Leck im äußeren oder im inneren Röhrenelement festgestellt werden kann. Jedes der Röhrenelemente besitzt integrale radial nach innen vorspringende Rippen in seiner Bohrung, wobei die Rippen des äußeren Elementes sich in gutem thermischen Kontakt mit dem mittleren Element befinden, dessen Rippen wiederum sich in gutem thermischen Kontakt mit dem inneren Element befinden, so daß ein effektiver Warmeströmungsweg zwischen ihnen vorliegt.

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Claims (2)

Patentansprüche:

1. Wärmeaustauschsystem mit einem Wärmeaustauscher, dadurch gekennzeichnet,

daß zumindest ein äußeres, ein mittleres und ein inneres Röhrenelement jeweils ineinander eingesetzt sind und sich in physikalischem Kontakt untereinander befinden, daß das äußere und mittlere Element in ihren Bohrungen ausgenommene Flächen besitzen, die sich im wesentlichen in Längsrichtung erstrecken und dort äußere und mittlere Fluiddurchlässe bilden, daß die Bohrung des inneren Elementes einen dritten Fluiddurchlaß bildet, daß die Endabschnitte des äußeren Röhrenelementes einen erweiterten Durchmesser bezüglich des Abschnittes des äußeren Elementes, der sich zwischen den erweiterten Endabschnitten befindet, besitzen,

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daß erste koaxiale Endwände an jedem Ende des mittleren Röhrenelementes befestigt sind und sich von ihm in Querrichtung nach außen in eine abdichtende Verbindung mit der Innenfläche der Abschnitte des äußeren Röhrenelementcs erstrecken, die einen erweiterten Durchmesser besitzen, daß zweite koaxiale Endwände in Längsrichtung mit Abstand außerhalb der ersten koaxialen Wände angeordnet sind, daß die zweiten Wände an der Außenfläche des inneren Röhrenelementes befestigt sind und von.diesem in Querrichtung sich nach außen zu einer abdichtenden Verbindung mit der Innenfläche der Abschnitte des äußeren Röhrenelementes erstrecken, die einen erweiterten Durchmesser besitzen, daß die Endwände die äußeren und mittleren Längsdurchlässe so abschließen, daß die Fluiddurchlässe voneinander und vom inneren Durchlaß isoliert sind,

daß Wärmeleitungseinrichtungen in jedem der Röhrenelemente integral ausgebildet sind, daß die Einrichtungen aus Rippen bestehen, die sich im wesentlichen in Längsrichtung erstrecken und radial nach innen vorspringen, daß die Rippen des äußeren Elementes mit der Außenwand des mittleren Elementes in Kontakt stehen, daß die Rippen des mittleren Elementes mit der Außenwand des inneren Elementes in Kontakt stehen, so daß zwischen den Elementen eine Metall/Metall-Wärmeaustauschverbindung besteht, daß jede Rippe der Elemente von den benachbarten Rippen in einem Abstand angeordnet ist, so daß im äußeren und im mittleren Element in Längsrichtung Fluiddurchlässe gebildet werden,

daß Einlaß- und Auslaßöffnungen sich in die Durchlässe in den Elementen öffnen, um den Umlauf des Fluids durch diese zu gestatten,

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daß Nachweiseinrichtungen mit dem Fluid in den mittleren Durchlässen in Verbindung stehen, um einen Zustand im mittleren Fluid abzutasten und zu erfassen, der ein Leck in einem der Röhrenelemente anzeigt, und

daß eine Einrichtung vorgesehen ist, um das Fluid durch die Längsdurchlässe des äußeren Elementes und durch die Bohrung des inneren Elementes in Umlauf zu bringen und zu halten, wodurch Wärme '/wischen den Fluiden ausgetauscht wird.

2. Wärmeaustauschsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhrenelemente zueinander konzentrisch sind.

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