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Wärmetauscher
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Die Erfindung betrifft ein Wärmetauscherelement mit einer Anzahl von
parallelen Röhren mit einem geringen hydraulischen Durchmesser, die in gewissem
Abstand voneinander angeordnet und an jedem Röhrenende an Kammern angeschlossen
sind, wobei jeder der Kammern eine Röhrenverbindung für ein Kühlmittel hat.
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Manchmal ist es erforderlich, daß ein Wärmeaustauscher, der als Verdampfer
oder Kondensor eingesetzt wird, einen vorgegebenen Wirkungsgrad bei einer geringen
Temperaturdifferenz haben soll.
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In diesem Zusammenhang wird auf eine Vorrichtung Bezug genommen, in
welcher der Wärmeaustausch zwischen Kühlmittel und Kühlmedium (Sole) in einem Verdampfer
stattfindet und zwischen einem Kühlmittel und einem Heizmedium in einem Kondensor.
Der Wärmetauscher muß kostengünstig in der Herstellung sein und einen kompakten
Aufbau haben. Er darf einen nur geringen Raum einnehmen und muß leicht einzubauen
sein. Er soll außerdem einen geringen Druckabfall auf Seiten des Heizmediums haben.
Das Füllvolumen auf Seiten
des Kühlmittels sollte möglichst gering
sein. Beim Wärmeaustausch zwischen Kühlmittel und Heizmedium in flüssiger Form sind
die Wäreübergangszahlen, die auf unterschiedlichen Medienseiten vorherrschen, relativ
hoch und im allgemeinen gleich. Ausgestaltungen mit vergrößerter Oberfläche, z.B.
mit röhren mit Leitblechen oder Nockenröhren beispielsweise auf einer der Medienseiten
sind hier von geringerem Interesse. Eine andere Type von Wärmetauschergeometrie,
die keine Flächenvergrößerung benutzt, kann statt dessen gewählt werden.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Wärmetauscherelement,
das auf laminarer Strömung in kurzen Längen mit einem geringen hydraulischen Durchmesser
auf Seiten des Heizmediums basiert. Mit Hilfe dieses Elementes kann ein Wärmetauscher
vorgesehen werden, welcher die angegebenen Erfordernisse erfüllt.
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Das erfindungsgemäße Wärmetauscherelement zeichnet sich im wesentlichen
dadurch aus, daß die Röhren in einem Stapel angeordnet und aus anfänglich im Querschnitt
runden oder rechteckigen Röhren durch ZusammendrUcken auf einen im wesentlichen
rechteckigen Querschnitt mit vorgegebener Höhe und Breite gebildet sind, wobei bestimmte
Abschnitte längs der Röhre eine geringfügig geringere Zusammendrücken aufweisen,
so daß sie eine größere Höhe als die anderen Abschnitte der Röhren aufweisen, wobei
die Abschnitte mit größerer Höhe Abstandshaltemittel zwischen den gestapelten Röhren
bilden, um den Durchtritt des WErmeträgermediums, d.h. des abkühlenden Mediums (Kühlmedium,
Sole) in einem Verdampfer und ein erwärmendes Medium (Heizmedium) in einem Kondensor
zwischen den Röhren des Stapels zu gestatten wobei für das jeweilige Medium im wesentlichen
rechteckige Strömungsdurchlässe vorhanden sind und wobei das Maß der Zusammendrückung
der jeweiligen Röhrenabschnitt so gewählt ist, daß ein geringer hydraulischer Durchmesser
selbst für das Wärmeträgermedium erhalten wird.
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Das Kühlmittel fließt somit in den Rühren, die so zusammengedrückt
sind, daß Durchlässe mit einer Strömungsfläche von m wesentlichem rechteckigen Querschnitt
gebildet ist. Durch Anpassung des hydraulischen Durchmessers auf Seiten des Kühlmittels
an die tatsächliche Röhrenlänge und den Dimensionierungseffekt kann der Druckabfall
auf der Seite des Kühlmittels auf einen optimalen Wert eingestellt werden. Eine
starke Zusammendrückung der Röhre schafft nämlich eine hohe Strömungsgeschwindigkeit
bei einem vorgegebenen Wärmefluß pro Flächeneinheit, was zu einer hohen Wärmeübergangsrate
führt, aber auch zu einem hohen Druckabfall. Eine geringe Zusammendrückung der Röhre
führt zu der umgekehrten Wirkung, d.h. einer niedrigen Wärmeübergangsrate und einem
niedrigen Druckabfall. In diesem Zusammenhang bezieht sich der opitmale Druckabfall
auf eine solche Röhrenzusammendrückung, daß ein geeigneter Kompromiß erreicht wird.
er hydraulische Durchmesser auf der Seite des erwärmenden Medium wird durch die
Breite des Spaltes bestimmt, dem die gewunschte Dimensionierung durch Anpassung
des Ausmaßes der Röhrenzusammendrückung gegeben werden kann. Die Breite des Spaltes
zwischen den Röhren auf der Seite des erwärmenden Mediums wird definiert durch die
Abstandshaltemittel, die von den weniger zusammengedrückten Abschnitten der Röhren
vorgesehen sind.
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Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der
vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
anhand der beiliegenden Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich
dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand
der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen
oder deren Rückbeziehung.
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Es zeigt: Fig. la und lb eine Röhre, die Teil des Wärmetauscherelementes
bildet, Fig. 2a, 2b und 2c zwei parallele Röhrenstapel oder -bündel, die an Endverteiler
angeschlossen sind und gemeinsam ein Wärmeaustauscherelement bilden, Fig. 3a und
3b zwei derartige Elemente in Parallelschaltung in einem äußeren Gehäuse als Verdampfer
oder Kondensor, Fig. 4 und 5 die Anordnung von Unterteilungswänden zur Strömungsführung,
Fig. 6a und 6b eine Ausführungsform, bei welcher ein Teil der Elemente abgetrennt
wurde, um einen Teilkühler oder Zusatzerhitzer zu bilden, und Fig. 7 eine Wärmepumpenanlage
mit einem Wärmetauscherelement nach der Erfindung.
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Die Fig. la und lb stellen eine Draufsicht und eine Seitenansicht
einer Röhre 1 für ein die Erfindung aufweisendes Wärmetauscherelement dar. Die Röhre
1 hat einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt, der durch Zusammendrücken
einer anfänglich runden oder rechteckigen Röhre gebildet ist. Über bestimmte Abschnitte
3 der Röhre 1 erfolgte die Zusammendrückung etwas weniger als in den anderen Abschnitten
2. In den Fällen, in welchen von ursprünglich rechteckigen Röhren ausgegangen wird,
können diese Abschnitte die ursprünglichen Bemessungen der Röhre haben. Wie aus
Fig. 2b ersichtlich, ist die Höhe
der Röhre 1 in den Abschnitten
3 größer als in den Abschnitten 2. Beim Zusammendrücken können auch Rücksprünge
4 in der jeweiligen Seitenwand der Röhre 1 in bestimmten Abschnitten 3 vorgesehen
werden. Die so erhaltenen Röhren 1 werden in einer vorbestimmten Anzahl übereinander
angeordnet, um einen Stapel zu bilden. Die Röhrenabschnitte 3 bilden somit Abstandshaltemittel
zwischen den Röhren 1, um einen gewissen freien Durchgang zwischen verschiedenen
Röhren 1 vorzusehen.
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Die Fig. 2a und 2b zeigen die Röhren 1 angeordnet in zwei parallelen
Stapeln, wobei die Röhren 1 des jeweiligen Stapels in der gleichen Ebene liegen.
Wie man aus Fig. 2b ersieht, bilden die Abschnitte 3 der Röhren 1 Abstandshaltemittel
und die Durchlässe zwischen den Röhren 1 sind zwischen den Abschnitten 3 vorgesehen.
Die beiden Stapel sind mit einem Verteilerrohr 6 an jedem Ende ausgerüstet. Die
Verteilerröhren 6 sind mit einem äußeren Gehäuse 7 und einer Röhrenverbindung 8
ausgestattet. Die Stapel sind mit den Verteilerröhren 6 verschweißt, wobei ein rechteckiger
Stab 9 zwischen den Röhren 1 als Verschlußglied vorgesehen ist. Zwischen den Rücksprüngen
4 in benachbarten Röhren 1 sind im wesentlichen kreisförmige Öffnungen gebildet,
in welche stangenförmige Mittel 5 einsetzbar sind. Auf diese Weise wird eine Querunterteilung
in dem Wärmeträgerelement, bestehend aus den Stapeln und den Verteilerröhren, gebildet.
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Die Röhren 8 sind an das Kühlmittel für den Wärmetauscher angeschlossen,
welches somit durch die zusammengedrückten Röhren 1 hindurchgelangt. Die Röhren
1 werden außen umgeben von dem erwärmenden Medium des Wärmetauschers.
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Die Fig. 3a und 3b veranschaulichen einen Wärmetauscher in einer Draufsicht
und einer Seitenansicht. Er hat zwei Wärmetauscherelemente nach der Erfindung, wovon
jeder zwei Stapel
zusammengedrückter Röhren 1 aufweist. Die Elemente
sind parallel geschaltet und jeweils mit einem gemeinsamen Einlaß- und Auslaßrohr
8 für das Kühlmittel verbunden. Die Elemente sind in einem äußeren Gehäuse 11 angeordnet,
welches mit Röhrenverbindungen 13 und 14 für das erwärmende Medium ausgestattet
sind. tangenförmige Mittel 5 sind in den Rücksprüngen der seitlichen Flächen der
Röhren der Wärmetauscherelemente vorgesehen, wodurch Querunterteilungen in dem Röhrenpaket
vorgesehen sind, das von den Elementen gebildet ist. Dadurch ist das Paket in Sektionen
unterteilt. Darüber hinaus sind Leitbleche 10 zwischen einem Ende der Querunterteilung
und dem äußeren Gehäuse 19 vorgesehen.
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Diese Leitbleche 10 sind abwechselnd Bezug zu den Querunterteilungen
angeordnet, so daß die eingehende Strömung des erwärmenden Mediums zunächst durch
die Sektion des Röhrenpaketes geleitet wird, das dem Einlaß am nächsten ist, und
dann durch die dazu benachbarte Sektion, usw., bis die Strömung durch alle Sektionen
gegangen ist und den Auslaß erreicht hat. Wie in Fig. 3b veranschaulicht, tritt
das erwärmende Medium durch die Verbindung 13 ein, gelangt durch die erste Sektion
in eine Richtung. Daraufhin wird die Strömung zur Umkehr gezwungen und gelangt durch
die andere Sektion in entgegengesetzter Richtung. Die Strömung des erwärmenden Mediums
ändert dann seine Richtung wieder, wenn sie durch die dritte und vierte Sektion
gelangt, bevor sie endgültig über die Verbindung 14 austritt.
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Durch diese Anordnung wird ein Strömungsmuster von im wesentlichen
Quer- und Gegenströmung zwischen Kühlmittel und Wärmeträgermedium erreicht.
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Ein Wärmetauscher der Artf wie er in den Fig. 3a und 3b veranschaulicht
ist, kann sowohl als Kondensor als auch als Verdampfer eingesetzt werden. Wenn er
als Kondensor eingesetzt wird9 sind die Elemente im wesentlichen horizontal angeordnet,
wenn er als Verdampfer eingesetzt wird, sind die Elemente vorzugsweise vertikal
angeordnet.
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Fig. 4 veranschaulicht einen Wärmetauscher, bei welchem drei Wärmetauscherelemente
15 parallelgeschaltet innerhalb eines Außengehäuses 11 angeordnet sind. Die Rohrverbindungen
8 sind zu einem gemeinsamen Kühlmittelanschluß an den jeweiligen Enden des Elementes
zusammengefaßt. Die Verbindungen 13 und 14 für das erwärmende Medium sind in dem
Außengehäuse 11 untergebracht.
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Stangenförmige Mittel 5 sind in den Rücksprüngen 4 der Röhren des
jeweiligen Wärmeaustauscherelementes und zwischen den Elementen vorgesehen, wodurch
Querunterteilungen in und zwischen den Elementen erreicht werden. Darüber hinaus
sind Leitbleche 10 zwischen den Querunterteilungen und dem Außengehäuse in der Weise
vorgesehen, daß das erwärmende Medium über die Verbindung 13 so geführt wird, daß
es wiederum durch die einzelnen Sektionen des Wärmetauschers nacheinander hindurchgeleitet
wird, bevor es über die Verbindung 14 austritt.
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In Fig. 5 ist ein zusätzliches Wärmetauscherelement innerhalb des
äußeren Gehäuses im Vergleich zu dem in Fig. 4 dargestellten Wärmetauscher vorgesehen.
Das zusätzliche Element 15, welches in der untersten Position in dem Wärmetauscher
nach Fig. 5 vorgesehen ist, ist im wesentlichen von dem übrigen Wärmetauscher durch
eine Abteilung 16 abgeschirmt. Die Abteilung 16 besteht aus einem Leitblech, das
zwischen dem äußeren Gehäuse und der am entferntesten liegenden Unterteilung der
Elemente 15, die parallelgeschaltet sind, gesehen von der Zufuhrverbindung 13 aus,
angeordnet ist. Das abgeteilte Wärmetauscherelement-ist hierdurch der erste Abschnitt
des Wärmeaustauschers, der der eintretenden Strömung des erwärmenden Mediums ausgesetzt
ist. Die Strömung wird dann wechselweise durch die unterschiedlichen Sektionen der
Elemente geführt, die parallelgeschaltet sind, bis. sie über die Verbindung 14 austritt.
Der abgeteilte Abschnitt des Wärmetauschers arbeitet dann als Zusatzkühler oder
Zusatzerhitzer,
je nach der beabsichtigten Funktion dieses Restes
des Wärmetauschers. In dem Wärmetauscher nach Fig. 4 als auch in dem nach Fig. 5
sind die Wärmetauscherelemente und folglich auch die Röhren in Bezug auf das äußere
Gehäuse leicht geneigt, so daß dieses bei einfacher Installation des Wärmetauschers
möglichst geringe Abmessungen haben kann.
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Die Fig. 6a und 6b veranschaulichen eine praktische Ausführungsform
der Vorrichtung entsprechend Fig. 5. Das Gehäuse 11, welches von einer Isolation
12 umgeben ist, enthält zwei Kammern 21 und 22, die durch eine Unterteilung 16 getrennt
sind. Die Unterteilung weist ein Leitblech auf, welches zwischen den kurzen Seiten
des Außengehäuses angeordnet ist. Eine Öffnung 23 ist aus der Untertei-lung 16 im
abliegenden Ende, gesehen von den Verbindungen des erwärmenden Mediums, ausgeschnitten.
In der Kammer 21 ist das Wärmetauscherelement 15 vorgesehen, welches den Abschnitt
eines Zusatzkühlers oder Zusatzerhitzers bildet.
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Dieser Abschnitt ist mit Verbindungsröhren 19 und 20 versehen.
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In Bezug auf die Zusammendrückung der Röhren des Elementes kann das
Wärmetauscherelement 15 eine etwas andere Ausbildung haben, als die anderen Elemente
des Wärmetauschers, um optimale Betriebsbedingungen zu erhalten, wenn er als Zusatzkühler
oder Zusatzerhitzer benutzt wird. Das erwärmende Medium fließt von der Verbindung
13 über die Kammer 21 und von dort durch die Öffnung 23 in die Kammer 22. Drei parallelgeschaltete
Wärmetauscherelemente 15 sind in dieser Kammer vorgesehen, wobei die Röhrenverbindungen
dieser Elemente außerhalb zu einem Verbindungsrohr 17 an jedem Ende des Wärmetauschers
zusammengefaßt sind.
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Fig. 6a zeigt runde Stangen 5, die in und zwischen den Wärmetauscherelementen
angeordnet sind, um Sektionen in der Elementpackung zu erhalten. Diese Figur veranschaulicht
auch ein Leitblech
10, welches zwischen einer so erhaltenen Querwand
und der Unterteilung 16 angeordnet ist, wobei das Leitblech 10 dazu dient, die Strömung,
die durch die Öffnung 23 eintritt, durch die erste Sektion der Elementpackung zu
lenken. Ähnliche Leitbleche sind an den anderen Querwänden in der in Fig. 5 veranschaulichten
Weise vorgesehen. In den Wärmetauscherelementen der Vorrichtung nach den Fig. 6a
und 6b beträgt die Breite der Spalten zwischen den Röhren etwa 0,8 mm, wodurch ein
geringer hydraulischer Durchmesser, wie erwünscht, und eine laminare Strömung vorgesehen
ist. (Die Breite der zusammengedrückten Röhre beträgt etwa 9 mm). Der hydraulische
Durchmesser ist definiert als äquivalenter Durchmesser des Strömungsdurchlasses,
welcher gleich dem Produkt einer Konstante und der Querschnittsfläche X des Durchlasses,
geteilt durch den Umfang des Durchlasses, ist.
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Die zusammengedrückten Röhren können ferner mit Uberkreuzungsmustern
od. dgl. ausgerüstet sein, um das Vermischen der Medien und folglich die Wärmeübergangsrate
zu erhöhen. Es kann auch höherer Druck in den Röhren eingesetzt werden.
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Mittels des beschriebenen Wärmetauscherelementes ist es so möglich,
einen Wärmeaustauscher zu erhalten, der einfach aufgebaut und mit niedrigen Kosten
herstellbar ist und welcher geringen Raum und einfache Installation erfordert. Es
erfüllt die technischen Anforderungen für die Übertragung eines vorgegebenen Effektes
bei einer geringen Temperaturdifferenz. Außerdem weist er einen geringen Druckabfall
auf Seiten des erwärmenden Mediums auf.
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Ein Anwendungsgebiet, auf welchem die Benutzung des erfindungsgemäßen
Wärmetauscherelementes besonders vorteilhaft ist, ist die der Wärmepumpen, bei welchen
es sowohl als Verdampfer als auch als Kondensor eingesetzt werden kann, also bei
gleichem
konstruktivem Aufbau für unterschiedliche Funktionen einsetzbar
ist. Fig. 7 veranschaulicht eine besondere Ausführungsform einer Wärmepumpenanlage.
Die Anlage enthält einen Verdampfer 25, an welchem ein Kreislauf 26 für das kühlende
Medium angeschlossen ist. Ein Kompressor 27 ist ebenfalls mit dem Verdampfer 25
verbunden. Der Kompressor 27 ist ferner über einen Heißgaskühler 28 an einen Kondensor
30 angeschlossen. Ein Heißwasserkreis 29 ist an den Heißgaskühler 28 angeschlossen.
Ein Radiatorkreis 31 ist mit dem Kondensor 30 verbunden. Der Kondensor 30 ist mit
einem Zusatzkühler 32 verbunden, ein sogenannter Empfänger 33 zwischen den Kondensor
30 und den Zusatzkühler 32 geschaltet. Ein weiterer Zusatzkühler 34 ist zwischen
den Zusatzkühler 32 und den Verdampfer 35 über ein Expansionsventil 34 geschaltet.
Mit dem weiteren Zusatzkühler 34 ist ein getrennter Niedrigtemperaturkreis 35 verbunden,
der beispielsweise für das Heizen einer Garage oder zur Erwärmung von Luft verwendet
werden kann, die von außen in ein Anwesen mittels eines Gebläses eingeleitet wird.
Bei der beschriebenen Wärmepumpenanlage können die erfindungsgemäßen Wärmetauscherelemente
Bauelemente nicht nur in dem Verdampfer und Kondensor mit Zusatzkühler, sondern
auch in dem Heißgaskühler und dem weiteren Zusatzkühler bilden.
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Die Ausbildung und Verwendung des Wärmetauscherelementes ist nicht
auf die oben genannten Möglichkeiten beschränkt. Abwandlungen der speziellen AusfUhrungsbeispiele
im Rahmen der Erfindung sind ohne weiteres möglich.