DE3027070A1 - Koaxialwaermetauscher - Google Patents

Description

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gü/sd

M.A.N. MASCHINENFABRIK AUGSBURG-NORiIBERG Akti engesei 1 schaft

München, 27. Juni 1980

Koaxialwä r meta u sc h e r

'5 Die Erfindung bezieht sich auf einen Koaxialwarmstauscher für Wärmepurpen, bestehend aus einem Hauptrohr, in dem mindestens ein Innenrohr angeordnet ist.

In Wärmepumpen werden üblicherweise R ohrbundulw'aruie-^ZJ tauscher verwendet, die aus einen kurzen Hohlzylinder bestehen, in denen eine Vielzahl von Innenrohren angeordnet sind. Die aus d-am HoMzyl i ne'er herausragenden Enden der Innenrohre werden zu einen geringeren Durchmesser gebündelt und .-n't den Anschlußleitungen für den

Strötnungskreis eines ersten Arbeitsmittels verbunden.

Dieses ist jedoch ein fertigungstechnisch sehr aufwendiges Verfahren. Abgesehen davon, nüssen diese bekannten Wärmetauscher aufgrund ihres relativ großen

Durchmessers mit einer sehr dicken ','-jndstdrke ausgelegt 30

werden, um den im Vlärmetauscherprozeß auftretenden hohen Drücken standzuhalten. Außerdem bedarf ein derartiger Wärmetauscher eines sehr großen Fül1volumens für die Arbeitsmedien.

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Diese Faktoren beeinträchtigen insbesondere das Gewicht und die Herstellungskosten der mit solchen Wärmetauschern ausgestatteten Viarmepumpen. Die Verwendung von derartigen Vlärn'.etauschern für die Beheizung von Ein- oder Mehrfamilienhäusern ist daher sehr unrentabel, wenn man dazu noch bedenkt, daß durch den Einsatz von Wärmepumpen derzeitig bis höchstens 45% der Primärenergie eingespart werden kann.
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iislang wurden für V_t'ar.ie^u;;r_r en das Prinzip der Kompressorkältemaschinen angewandt. Bei diesen Wärmepumpen, in denen in dor Regel Fluorkohlenwasserstoffe wie Frigen als Kältemittel verwendet werden, sind die Wärmetauscher ^5 £us Kupfer oder Messing hergestellt. Das Prinzip der Sorpti ons'cäl temaschi p.en kann jedoch auch für Wärmepumpen angewandt werden. In diesen Fällen wird Ammoniak als Kältemittel verwandet. Hierzu sind die bekannten Wärmetauscher ab ir uη geeiτ net, ■ / ^ i1 das Kupfer oder Messing

/om Aiiünoni ale cinyagM ff en wird.

Zier Erfindung liegt die AufgeJ.-? zugrunde, einen Wärmetauscher azr eingangs yenanntan Art zu entwickeln, der geeignet ist, in Warna pump en jeder Art verwendet werden ^ zu können₅ und unter Beibehaltung eines hohen Wirkungsgrades die Belange bein Einsatz der Wärmepumpen zur Beheizung von Familienhäusern berücksichtigt.

~ie Aufgabe ist erf i ndu ngsgernS dadurch gelöst, daß das iiantelrohr einen geringeren Durchmesser im Verhältnis zur Länge aufweist und nit dem Innenrohr Spiralen-, oder schrauben-, oder mäanderförnig gebogen ist, und daß das ^M3^tsl- und das Innenrohr h-.js St^hI bestehen,

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Mit einem derartigen Wärmetauschar \/i rd erreicht, daß dieses Bauelement unter Verbesserung des Wirkungsgrades ein nennenswert geringeres Bauvolumen als die herkömmliehen Wärmetauscher aus Stahl erhält. Aufgrund des erheblich kleineren Durchmessers des Hauptrohres können bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher wesentlich dünnere Wandstärken verwendet werden, wodurch auch bei Einsatz in den Bereichen höheren Druckes einer Wärmepumpe eine relativ kleine Masse und dainit geringes Gewicht verzeichnet werden kann. Auch die Feri i gungstech:."' k ist wesentlich einfacher, indem eine viel kleinere Innenrohrzahl, im Bereich von 7 Rohren im Durchschnitt, Verwendung finden, die sich an ihren Enden wesentlich

'5 leichter oder sogar direkt an ein Sanrnel rohr anschließen lassen.

Der erfindungsgenaße Marmetauscher läßt sich ferner für alle Stallen in einem Warriiepurv-viprozoT' ν .wanden,

^^υ in denen »sine '•!^ri.ieübe'-tr agu ng von einem *■'.·; diun auf ein anderes erfolgt, wie z.B. im Kondensator, i :.i Verdä;.i^f er, im Temperaturwochsler, Absorber usw. Diese Al 1 gernai nverwendung führt zu einer sich lohnenden preisgünstigen Serienfertigung von standardisierten Wärmetauschern

gemäß der Erfindung. Unter Berücksichtigung der Verwendbarkeit dieser Wärmetauscher sowohl für Kornpressorwärmepurnpen als auch für Absorpti oriswa'rmepunp en mit aggressiveren Arbei t smedi en, werden die-rie^s ".ti lungskosten durch Erhöhung der Serienfertigungs-Stückzahlan noch

weiter herabgesetzt.

Diese Vorteile schlagen sich alle in der Verminderung des Gesamtgewichtes und des Preises von Wärmepumpen aus, wodurch ein wichtiger Beitrag zur Rentabilität

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von Haus-Heizungswärmepumpen Geleistet wird, zumal eine Wärmepumpe gleichzeitig mit mehreren Wärmetauschern ausgestattet ist.

Das erfindungsgemäße Aggregat hat den v/eiteren Vorteil, daß es durch relativ einfache Variierung seiner Grundgeometrie eine Anpassung an die Anforderungen von verschiedenen Wärmetauschern zuläßt. Es ist auch möglich, die Zahl der Innenrohre herabzusetzen und dafür mit Rippen versehene Innenrohre zu verwenden.

Das geringe Behältervolumen und die kleine Masse ermöglichen im Zusammenhang mit der Medien-Zwangsführung ein schnelles Ansprechen auf Lei stungsä'nderungen und außerdem einen guten Wärmeübergang schon bei kleinen Volumenströmen, wodurch ein hoher Wirkungsgrad auch bei kleinen Tenparaturdifferenzen erreicht wird. Auch dieses trägt dazu bei, den Einsatz des erfi ndu nQsgeoiäDen Wärmetauschers auf möglichst viele verfahrenstechnische Anwendungsfälle auszudehnen.

Für die von Ammoniak bzw. Anmoniak-Wasserlösung beaufschlagten Teile des Wärmetauschers können vorzugsweise Kohlenstoff-Stähle oder Chrom-MicKel-Stähle unter Verwendung von Natrium-Dichromat (Na₂ Cr 0 ) als Inhibitor verwendet werden.

Die Erfindung erstreckt sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines im Anspruch 1 gekennzeichneten Wärmetauschers.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, nach dem Zusammensetzen der abgelängten Innsnrohre mit dem Mantelrohr eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser, in das Mantelrohr und eine Kühlsole in die Innenrohe einzufüllen, und

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das Wärmetauscherrohr nach dem Einfrieren des Wassers auf einem Dorn zu biegen.

Es ist bekannt, daß bei Biegevorgangen von Rohren die Rohre mit einem stützenden Stoff befüllt werden, um ein Einfallen von deren Querschnitten zu vermeiden. Bei herkömmlichen Verfahren werden die Rohre entweder mit Sand oder mit niedrig schmelzenden Legierungen gefüllt. Diese Hilfsmittel haben jedoch den !Sachtt_-i Ί , d-.i"· sie nach .1 e s Biegen nur unzulänglich zu entfernen sind. A',..-.. ".ehy.. davon, muß bei den Verfahren mit Legierungen das Schi.,elzverfahren nicht nur beim Einfüllen sondern auch beim Hs..-ausnehmen

durchgeführt werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dagegen ist der Einsatz von Fremdenergie nur einmal nötig und zwar, wenn die Kühlsole in die Innenrohre eingepumpt wird, wahrend das Ui cüerauf tauen des Eises bei Ra^;inte[„pot-a':jr ο line ^ weiteres erfolgt. Außerdem ist das Hilfsmittel Wasser und die Kühlsole sehr leicht und vollständig aus ά·ιη ilonren entfernbar, D^:izu kann vorzugsweise -'as Sy,v?· —icht.νϋτΐ ich mit einen Entwasserungsf1uid gespult werden.

Es hat sich ferner herausgestellt, daß das Eis gleichzeitig zur Halterung bzw. Abstandshalterung -.o-ie zur Stützung für die Innennrohre dient, so daß die Innenrohre nicht zusätzlich noch mit einem Stützmittel abfülle werde,ι müssen.

Um einen genauen Abstand zwischen den I nnenro'nren untereinander und mit dem Mantelrohr zu gewährleisten, ist es vor toi 1 !',aft, '/er: η '.'■ \ ?. I nr.enrolir -: vor d >m Γ ; η ν χ'- γρ:ι 'η des Mantelrohr mit Abstandshaltern, wie z.B. Federringen be-

stück t './erden.

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Eine erf indungsy eroäße Ausführung -fs I in der Zeichnung sche matisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 das Ausführungsbeispiel in Seitenansicht

und

Fig. 2 in Draufsicht.

Der in Fig. 1 in Seitenansicht dargestellte Koaxialv.'ärnetauscher besteht aus eine.'ii schrauben föri.ii g gebogenen Wär.ne tauscherrohr 10, das aus einem Mantelrohr 11 und 7 darin angeordneten Innenrohren 12 ausgebildet, ist. Innerhalb des Mantelrohres 11 werden die Innenrohre 12 mit Abstands-

^- haltern 13 in gewissen Abständen voneinander und von üer Mantel rohrwand gehalten, darnit die Innanrohre 12 gleichmäßig von den im Mantelrohr strömenden Medium unspült v/erden, damit eine optimale Wärmeübertragung zwischen dem

Medium innerhalb der Innenrohre 12 iinü außerhalb der silber= on
^A" gewährleistet ist. Die innerhalb des l/ärnetauscherrohres 10 zwangsgeführten warüietauschenden i-iadiin kanten im deich- oder in günstigeren G-cjpnstrorn fliaßon.

Vn" e in Fig. 2 näher dargestellt, sind die Enden des Warmetauscherrohres 10 mit jeweils einem T-Anschlußstutzen 14 versehen. Die Innenrohre 12 sind mit einen Endstück 15 des T-Stutzens verschweißt. Hieran schließt sich ein nicht dargestelltes Kanal system für das durch dia Innanrohru 12 fließende A rh (i i 13 :n ⁿ. d i um.

Für das zweite im Mantelrohr 11 außerhalb der Innenrohre 12 fließende zweite Arbeitsmedium ist ein seitlicher Anschluß lö am T-Stuf.zen vorgesehen.

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Die Herstellung von derartigen Wärmtauscher·: umfaßt nur wenige sehr einfache Verfahrensschritte. Die zunächst gerade verlaufenden Rohre 11 und 12 werden entsprechend abgelängt. Die Innenrohre 12 werden in Abständen mit den Abstandshaltern 13 versehen und in das Mantelrohr eingeschoben. Anschließend werden die T-Anschlußstücke 14 entsprechend angeschweißt und das so gebildete Rohrsystem über den Anschluß 16 mit Wasser oder einer anderen Flüssigkeit gefüllt.

Um die im Mantelrohr 11 befindliche Flüssigkeit einzufrieren, wird durch die Innenrohre 1? ein Kühlmedium eingepumpt. Aufgrund des verwendeten Werkstoffes Stahl, insbesondere llei chs tah 1, wird das Uormetiuscherrohr 10 nicht durch die beim Einfrieren erfolgende Wärmedehnung des Wassers beeinträchtigt.

Das dann mit Eis als Hilfsmittel gefüllte i'ohr wird dann auf einem Dorn entsprechend gewunden bzw. gebo-jen. Um eine möglichst geringe Baugroße zu erreichen, warden die einzelnen Windungen dicht an dicht nebeneinander gedrückt. Dadurch verringert sich gleichzeitig gewi sseri.iaßen die mit der Atmosphäre in Kontakt stehende Außenfläche des Wärmetauschers. Es hat sich herausgestellt, daß bei diesem Verfahren nach dem Einfrieren der Biegewerkzeuge das Rohr nur minimal sich wieder elastisch aufweitet. Es ist daher nöglich, das Endprodukt präzise ur.J reproduzierbar für Serienfertigungen mit engen Toleranzen herzustellen.

Nach dem Biegsvorgang schmilzt das Eis automatisch aufgrund der Zimmertemperatur, so daß d i e r; .'j r. Hif3"iittül und das in die Innenrohre eingepumpte Kühlmittel direkt

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-ιοί wieder herausgelassen warden können. Bei Bedarf werden die Rohre 11 und 12 mit einem weiteren Mediun nachgespült.

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Claims (1)

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   M.A.N. MASCHINENFABRIK AUGSBURG-NÜRNBERG Akti engesel1 schaft

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   Patentansprüche

   i, Koaxialwärmetauscher für V/armepur-ipen, bestehend aus einem Hantel rohr, in dem mindestens ein Innenrohr angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelrohr (11) einen geringen Durchmesser im Verhältnis zur Lange a.ru^ist und mit dem Innen-

   rohr (12) Spiralen-, oder schrauben- oder maanderfönnig gebogen ist, und daß Mantel- und Innenrohre aus Stahl bestehen.

   2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, ■" daß als Stahl ein Kohlenstoffstahl verwendet wird.

   3. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Stahl Chrom-Nickel-Stahl verwendet wird.

   4. Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Zusammensetzen der abgelangten Innenrohre (12) mit dem Mantelrohr (11) eine Flüssigkeit; in das Mantelrohr

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   und eine Kühlsole in die Innenrohre eingefüllt wird, und daß das Wärmetauscherrohr (10) nach den Einfrieren der Flüssigkeit auf einen Dorn gebogen wird. 5

   5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Wasser im Mantelrohr (11) mit der Kühlsole eingefroren wird.

   G. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenrohre (12) vjr den Einsetzen in das Mantelrohr (11) mit Abstandshaltern (13) bestückt werden,

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