DE3132641A1 - "waermetauscher" - Google Patents

Description

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Wärmetauscher

Es gibt viele verschiedene Anwendungsfälle für Wärmetauscher, bei denen eines der am Wärmeaustausch beteiligten Fluide Wasser oder ein anderes wasserhaltiges Fluid ist. Diese Anwendungsfälle treten auf in Verbindung mit einer großen Variationsbreite von industriellen Anlagen, mit vielen kommerziellen Einbauten und sogar mit häuslichen Kühle.inrichtungen. In solchen Anlagen kann das Wasser gefrieren, sofern es zu einer Fehlfunktion der Systemsteuerungen kommt oder wenn andere außergewöhnliche Betriebsbedingungen auftreten. Da sich das Wasser beim Gefrieren ausdehnt, kann eine beträchtliche Beschädigung (Ho Fo"! ρ·,ο sein. Dies gilt insbesondere für Rohr-in-Rohr-Wiirmetauscher, die eine Kernleitung koaxial innerhalb einer rohrförmigen Mantelleitung aufweisen, wobei das Wasser oder ein anderes wasserhaltiges Fluid durch eine der Leitungen zirkuliert, während ein weiteres Fluid, häufig ein gasförmiges Kältemittel, durch die andere Leitung strömt. Bei dieser Art von Rohr-in-Rohr-Wärmetauschern kann ein Einfrieren eine oder beide der zwei

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Leitungen zerreissen, was zu einem beträchtlichen Schaden führt. Dasselbe Problem tritt auf bei einem Mantel- und Rohrwärmetauscher, bei dem eines der Fluide aus Wasser, Luft mit einem beträchtlichen Anteil an mitgerissenem Wasserdampf oder aus einem anderen wasserhaltigen Fluid besteht.

Natürlich wurde das Problem des Einfrierens von Wärmetauscheranlagen., die mit Wasser arbeiten, schon eher erkannt. Eine früher versuchte Lösung im Zusammenhang mit einer Vorrichtung zum Gefrieren eines Eisblocks innerhalb eines starren Metallgehäuses ist in der US-PS 1 380 987 (Lippincott) offenbart. Bei einer Anordnung nach dieser US-PS erstreckt sich ein flexibles Rohr für Lösung durch das Metallgehäuse, und zwar mit dem Zweck, durch die Kompression dieses Rohres einen gewissen Ausgleich für die Expansion des umgebenden VJassers bei de-ssen Gefrieren zu schaffen. Der dortige Erfinder hat offenbar erkannt, daß sich diese Anordnung als unzureichend erweisen körmto, wenn die Lösung im wesentlichen inkompreüslbel i.!3t. Die US-PS gibt nämlich weitere Beispiele an, in denen eine Reihe von luftgefüllten Rohren durch das Gehäuse für den Eisblock hindurchführen, um eine angemessenere Kompensation für die beim Gefrieren des Wassers auftretende Expansion zu bieten. Eine solche Anordnung kann jedoch bei dauernden Gebrauch ebenfalls erhebliche Probleme aufwerfen, wenn eine beträchtliche Wassermenge von der Luft mitgerissen wird, wie es häufig der Fall ist.

Weitere Beispiele des Standes der Technik, die enger mit denjenigen Problemen zusammenhängen, welche bei Röhren-WärmetauGehern auftreten, ergeben sich aus dor ΠΠ-ΡΒ 1 952 780 (Small), der US-PS 2 409 3O4 (Morrison) und dur Uli-PS . 5-99 325 (Fritzberg). Jede dieser Patentschriften rieh-

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tet sich auf einen Wärmetauscher, bei dem Wasser durch eine Reihe rohrförmiger Leitungen geführt wird, welche innerhalb eines Kältemittels verlaufen. In jedem Falle umfaßt die vorgeschlagene Lösung des Gefrierproblems einen kompressiblen · Kern, der sich axial zur Wasserleitung erstreckt. Wenn ein Gefrieren auftritt, wird die Expansion des Wassers innerhalb der Leitung durch die Kompression des Kerns aufgefangen, wodurch sich die Möglichkeit eines Leitungsbruchs auf ein Minimum reduziert.

Diese bekannten Anordnungen weisen den Nachteil auf, daß die Förderkapazität der Wasserleitung beträchtlich durch das Vorhandensein des elastischen Kerns vermindert wird. Außerdem sind die Kosten solcher Anordnungen übermäßig groß, da ein vollständig komressibler Kern lediglich als Schutzmaßnahme gegen ein möglicherweise auftretendes Einfrieren vorgesehen werden muß.

In der vorliegenden Beschreibung und in den Ansprüchen soll der Begriff "Wasser" auch Mischungen von Wasser mit anderen Flüssigkeiten umfassen, beispielsweise mit Alkohol, Kthylen, Glykol und dgl. Der Begriff "wasserhaltiges Fluid" soll Wasser selbst, flüssige Mischungen von Wasser mit anderen Flüssigkeiten sowie Luft und andere G-ase umfassen, die beträchtliche Mengen an mitgerissenem Wasserdampf enthalten.

Vor allem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine neue und verbesserte Konstruktion für einen Wärmetauscher :-'.u schaffen, bei dem eines der am Wärmeaustausch beteiligten Fluide Wasser oder ein anderes wasserhaltiges Fluid ist, welches wirksam und tatsächlich gegen ein Gefrieren geschützt wird, wobei jedoch nicht die oben erwähnten Nachteile der bekannten Anordnungen in Kauf genommen werden.

Insbesondere richtet sich die Erfindung auf einen Wärmetauscher, bei dem eines der am Wärmeaustausch beteiligten Fluide Wasser oder ein anderes wasserhaltiges Fluid ist, welches wirksam und tatsächlich gegen ein Gefrieren geschützt wird, und zwar lediglich durch Modifikation der Konstruktion eines oder beider der Leitungen ohne daß zusätzliche Bauteile erforderlich wären.

Die Erfindung betrifft also einen Wärmetauscher mit einer rohrförmigen Kernleitunp;, die Im wesentlichen koaxial innerhalb einer Mantelleitung angeordnet ist und am; einem Material mit relativ hoher Wärmeleitfähigkeit besteht, wobei ein wasserhaltiges Fluid durch eine der Leitungen zirkuliert, und zwar im Wärmeaustausch mit einem weiteren Fluid,, das durch die andere Leitung unter solchen Bedingungen zirkuliert, die ein Gefrieren des Wassers bed außergewöhnlichem Betrieb oder bei einem Betrieb während langer Zeitabstände auftreten lassen können. Dieser Wärmetauscher ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Leitungen, die mit dem zirkulierenden, wasserhaltigen Fluid in Berührung steht, von elastischer, dehnbarer und zuaammenziehbarer Konstruktion int, um den Wärmetauscher gegen einen Leitungsbruch im Ka-IU?" cine:; (W--frierens des Wassers zu schützen.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung. Die Zeichnung zeigt in:

Figur 1 eine zum Teil geschnittene, zum Teil schematische Darstellung eines Wärmetauschers nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

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Figur 2 in vergrößertem Maßstab einen Schnitt etwa entlang der Linie 2-2 in Figur 1;

Figur 3 im Detail einen Längsschnitt einer abgewandelten Ausführungsform nach der Erfindung.

Figur 1 zeigt in Verbindung mit der Detaildarstellung nach Figur 2 einen Wärmetauscher 10 nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Wärmetauscher 10 handelt es sich um einen Rohr-in-Rohr-Wärmetauscher mit einer rohrförmigen Kernleitung 11, die im wesentlichen koaxial innerhalb einer rohrförmigen Mantelleitung 12 angeordnet ist. Es sei davon ausgegangen, daß der Wärmetauscher 10 nach Figur 1 in einen Wässerkühler eingebaut ist, wobei Wasser" von einer Quelle 13 in einer ersten Richtung gemäß dem Pfeil A durch das Mantelrohr 12 zu einem Kaltwasser-Reservoir lh gepumpt wird.

Bei der Vorrichtung nach Figur 1 wird ein gasförmiges Kältemittel aus einer Kältemittelquelle 15 durch die Kernleitung 11 im Gegenstrom zu dem Wasser in -Richtung des Pfeils B zirkuliert. Nach dem Austritt aus dem Wärmetauscher 10 kann das Kältemittel zur Kältemittelquelle 15 zurückgeführt werden, und zwar durch ein nicht dargestelltes •Kühlsystem, bestehend aus einem Kompressor und einem Kondensator.

Bei dem Wärmetauscher 10 kann die Kernleitung 11 aus einem Kupferrohr oder einem anderen Metallrohr mit hoher Wärmeleitfähigkeit bestehen. Ferner kann die Kernleitung 11, wie in Figur 1 und 2 dargestellt, äußere Rippen 17 tragen, um die gesamte Wärmeleitfähigkeit des Wärmetauschers zu erhöhen. Die Gestaltung und Verteilung der Wärmeübertragungs-Rippen kann in weitem Umfange variiert wer-

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den und stellt kein kritisches Merkmal für die vorliegende Erfindung dar. Tatsächlich können die Rippen 17 auch vollständig fortgelassen werden. Der Wärmetauscher 10 ist außerdem vorzugsweise mit Einrichtungen versehen, die die Kernleitung 11 im wesentlichen koaxial zur Mantelleitung 12 halten, und zwar über der gesamten Länge der beiden Leitungen. Im -Falle des dargestellten Ausführungsbeispiels besteht diese- Stützeinrichtung aus einer Re ihr von "lül:·;-elementen 18, die an der Kernleitung 11 befest i p\\, w i ml und nach außen stützend ins Innere der Mantelleitung 12 vorspringen. Wiederum können jedoch andere vergleichbare Anordnungen verwendet werden, solange sie nicht in unzulässigem Ausmaß die Wasserströmung durch die Mantelleitung 12 stören; als Alternative können die Stützelemente l8. auch fortgelassen werden.

Soweit bisher beschrieben, ist der Wärmetauscher 10 im wesentlichen von gebräuchlicher Konstruktion. Die erfindungsgemäße Verbesserung betrifft im Falle des speziellen Ausführungsbeispiels die Atisbildung der Mantel le itiirir, IP, die dazu dient, den Wärmetauscher gegen ei nun Hruoh entweder der Kernleitung 11, oder der Mantelleitung 12 üu schützen, sofern das Wasser in der Mantelleitung gefrieren sollte. Ein Gefrieren des Wassers kann unter einer Vielzahl von Umständen auftreten. Beispielsweise kann die Pumpe der Wasserquelle 13 ausfallen, mit dem Ergebnis, daß die Viasserströmung durch die Mantelleitung 12 aufhört und das in der Mantelleitung verbleibende Wasser gefriert. Auch kann eine thermische Steuerung für das System, zu dem der Wärmetauscher gehört, ausfallen oder falsch funktionieren, woraus sich eine übermäßige Strömung von Kältemittel ergibt, die das Wasser im Mantelrohr 12 einfriert. Ferner kann eine Vielzahl weiterer, außergewöhnlicher Betriebsbedingungen ein Einfrieren hervorrufen.

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Als Gegenmaßnahme gegen diese Möglichkeiten ist bei dem Wärmetauscher 10 die äußere Mantelleitung 12 von elastischer, dehnbarer und zusammenziehbarer Konstruktion. Das spezielle Material für die Mantelleitung 12 stellt kein besonders kritisches Merkmal dar, da die Mantelleitung nicht an der WärmcM'ibertragung teilnimmt, sondern nur als Behälter für das durch sie hindurchströmende Wasser dient. Dementsprechend können Harze, Gummi und andere elastische Materialien bei der Herstellung der Mantelleitung 12 verwendet werden, ohne Rücksicht auf ihre Wärmeleitfähigkeit.

Wie dargestellt, ist die Mantelleitung 12 mit ringförmigen Wellen versehen, wobei ihre Konstruktion im wesentlichen der von Auto-Kühlwasserschläuchen gleicht. Eine solche Konstruktion erlaubt eine beträchtliche Expansion der Mantelleitung 12, und zwar in Radialrichtung, in Längsrichtung, oder in beiden Richtungen, wie sie ausreicht, um die begrenzte Dehnung des Wassers innerhalb der Mantelleitung im Falle des Gefrierens zu kompensieren.- Andererseits bietet die wellenförmige, elastische Konstruktion die Möglichkeit für eine Kontraktion der Mantelleitung, wenn sich der Gefrierzustand auflöst, so daß die Mantelleitung bei einem späteren Einfrieren erneut expandieren kann, um den Wärmetauscher 10 zu schützen. Es sei jedoch darauf hingewiesen, (i:if.l eine? W(¹I lon form ige Konstruktion kein wesentliches Merkmal der Mantelleitung 12 darstellt. Es kann auch ein glattwandiges Rohr mit der gewünschten Expansions- Kontraktions-Elastizität verwendet werden. So kann man Rohre aus Gummi und Polyvinylchlorid mit oder ohne Wellen einsetzen.

Zwar stellen die speziellen Materialien und Gestaltungen, die für die Mantelleitung 12 des Wärmetauschers 10 gewählt werden, keine besonders kritischen Merkmale dar, jedoch ist es wesentlich, daß die Mantelleitung dehnbar und zusammen-

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ziehbar sowie ferner elastisch ist. Sie sollte annähernd ihre ursprünglichen Abmaße wieder einnehmen, wenn sie nach einem Einfieren auftaut.

Figur 3 zeigt eine abgewandelte Konstruktion nach der Erfindung mit einer Kernleitung 111 und einer Mantelleitung 112. Im vorliegenden Fall zirkuliert das Wasser durch die Kernleitung Hl₃ während ein Kältemittel oder ein anderes Fluid im Gegenstrom durch die Mantelleitung 112 hindurchgeht. Bei dieser umgekehrten Anordnung würde eine elastische₃ dehnbare und zusammenziehbare Mantelleitung den Wärmetauscher nicht schützen,, da nämlich das durch die Kernleitung fließende Wasser aufgrund seiner Dehnung während des GefrLerens die Gefahrenquelle bildet.. Dementsprechend muß bei der Anordnung nach Figur 3 die Kernleitung 111 von elastischer, dehnbarer und zusammenziehbarer Konstruktion sein. Die obigen Ausführungen zur Konstruktion der Mantelleitung 12 des Beispiels nach Figur 1 und 2 finden also Anwendung auf die Kernleitung 111 der Ausführungsform nach Fig, 3· Zusätzlich dazu muß bei diesem Ausführungsbeispiel die Kernleitung 111 eine angemessene Wärmeleitfähigkeit besitzen. Wenn das Basismaterial der Kernleitung 111 in dieser Hinsicht ungenügend ist, können Metalleinsätze 113 verwendet werden.

Es sei auf die grundsätzliche Anordnung nach Figur 1 zurückgegriffen, in der das Wasser durch die Mantelleitung und das weitere, am Wärmeaustausch beteiligte Fluid durch die Kernleitung des Wärmetauschers strömt. Dabei sei hervorgehoben, daß sowohl die Kernleitung 11 als auch die Mantelleitung 12 zum Zwecke des Gefrierschutzes von elastischer, dehnbarer und zusammenziehbarer Konstruktion sein können. Tatsächlich würde die Anordnung nach Figur 3 auch für eine umgekehrte Fluidströmung, wie in

Figur 1 gezeigt, zufriedenstellend funktionieren, insbesondere wenn das zweite Fluid des Systems (welches kein Wasser enthält), ein Gas und damit ohne weiteres kompressibel ist.

Zwar wurde die Erfindung im einzelnen anhand eines Rohri n-Hohr-W'irtncitausehers erläutert, jedoch ist sie anwendbar auch auf Mantel- und Rohrwärmetauscher, insbesondere unter Verwendung einer elastischen, dehnbaren und kompressiblen Kernrohrkonstruktion, wie etwa im Falle der Kernleitung 111 nach Figur 3· Die Erfindung ist außerdem wertvoll für solche Anlagen, wie etwa Presslufttrockner, bei denen ein Einfrieren auftreten kann infolge einer Eisansammlung durch Unterkühlen von Luft oder anderem, .mit Feuchtigkeit beladenem Gas während längerer Zeit, und zwar unabhängig davon, ob es sich um eine Rohr-in-Rohr-Konstruktion oder um eine Mantel- und Rohrkonstruktion handelt. Hervorzuheben ist, daß bei sämtlichen Wärmetauschern, bei denen die Kernleitung von elastischer, dehnbarer und zusammenziehbarer Konstruktion ist, diese Kernleitung eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen muß, und zwar unabhängig davon, welche der Leitungen das Wasser führt.

Claims (9)

1. Application Engeneering Corp. 11029

   850 Pratt Boulevard
   Elk Grove Village
   111.., V-St₈A.

   Patentansurüche

   f 1 .J Wärmetauscher mit einer rohrförmigen, aus relativ wärmeleitfähigem Material bestehenden Kernleitung innerhalb einer Mantelleitung, bei dem ein wasserhaltiges Fluid durch eine der Leitungen zirkuliert, und zwar im Wärmeaustausch mit einem .weiteren Fluid, das durch die andere Leitung unter solchen Bedingungen zirkuliert, die ein Gefrieren des Wassers frei außergewöhnlichem Betrieb oder bei einem Betrieb während langer Zeitabstände auftreten lassen können, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Leitungen (11, 12; 111, 112), die mit dem zirkulierenden, wasserhaltigen Fluid in Berührung steht, von elastischer3 dehnbarer und zusammenziehbarer Konstruktion ist, um den Wärmetauscher (10) gegen einen Leitungsbruch im Falle eines Gefrierene des Wassers zu schützen.
2. 2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch .«; e kennzeichnet, daß das wasserhaltige Fluid durch die Mantelleitung (12) zirkuliert und daß die. Man-

   telleitung von elastischer, dehnbarer und zusammenziehbarer Konstruktion ist.
3. 3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernleitung (11) aus Metallrohr besteht.
4. 4. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wasserhaltige Fluid durch die Mantelleitung zirkuliert und daß die Kernleit-ung von elastischer, dehnbarer und zusammenziehbarer Konstruktion ist, wobei sie aus einem Material mit relativ hoher Wärmeleitfähigkeit besteht.
5. 5. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wasserhaltige Fluid durch die Mantelleitung zirkuliert, daß beide Leitungen von elastischer, dehnbarer und zusammenziehbarer Konstruktion sind und daß die Kernleitung aus einem Material mit relativ hoher Wärmeleitfähigkeit besteht.
6. 6. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wasserhaltige Fluid durch die Kernleitung (111) zirkuliert und daß die Kernleitung von elastischer, dehnbarer und zusammenziehbarer Konstruktion ist, wobei sie aus einem Material mit einer relativ hohen Wärmeleitfähigkeit besteht.
7. 7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennz eichnet, daß die Leitung (z.B. 12) von elastischer, radial dehnbarer und zusammenziehbarer Konstruktion eine Mehrzahl ringförmiger Wellen im wesentlichen über ihrer gesamten Länge aufweist.

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8. 8. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das wasserhaltige Fluid eine Flüssigkeit mit einem wesentlichen Wasseranteil ist.
9. 9. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das wasserhaltige Fluid ein Gas mit einer wesentlichen Menge von mitgerissenem Wasserdampf ist.