DE3209760C2 - Wärmeaustauscher - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Wärmetauscherelement mit einer Anzahl von parallelen Röhren, die aufeinandergestapelt sind. Die Röhren haben einen geringen hydraulischen Durchmesser und bestehen aus anfänglich runden oder rechteckigen Röhren, die in eine im wesentlichen rechteckige Querschnittsgestalt mit vorbestimmter Höhe und Breite zusammengedrückt sind. In bestimmten Abschnitten entlang der Röhren ist die Zusammendrückung etwas geringer, wodurch die Höhe in diesen Abschnitten größer ist als in anderen Teilen der Röhren. Die Abschnitte mit größerer Höhe bilden Abstandshaltemittel zwischen den gestapelten Röhren. Die Röhren sind an beiden Enden mit Verteilern mit Anschlüssen für das Kühlmittel verbunden. Das Röhrenpaket ist in einem äußeren Gehäuse mit Anschlüssen für das Wärmeträgermedium angeordnet. Das Wärmeträgermedium kann so zwischen den zusammengedrückten Röhren hindurchtreten, es handelt sich um das kühlende Medium (Kühlmedium, Sole), wenn das Wärmetauscherelement Teil eines Verdampfers ist, und um das erwärmende Medium (Heizmedium), wenn das Element Teil eines Kondensors ist. Die Strömungsdurchlässe des Wärmeträgermediums sind im wesentlichen rechteckig und haben ebenfalls einen geringen hydraulischen Durchmesser.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiger Wärmeaustauscher ist aus der FR 39 401 bekannt. Danach sind die einzelnen Röhren zusammengeschweißt. Die beiden Medien fließen nur in einem Querstrom mit entsprechend geringem Wirkungsgrad des Wärmetauschers.

Aus dem DE-GM 19 52 436 ist es bekannt, bei einem Rohrbündelwärmeübertrager mit im wesentlichen in Längsrichtung strömendem Wärmeträgermittel quer zur Längsrichtung der Röhren angeordnete Umlenkbleche vorzusehen. Die Montage eines solchen Rohrbündelwärmeübertragers ist aufwendig, weil die einzelnen Röhren jeweils durch die verschiedenen Leitbleche hindurchgesteckt und zusätzlich abgedichtet werden müssen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wärmeaustauscher der gattungsgemäßen Art so weiter zu bilden, daß aufgrund einfacher konstruktiver Maßnahmen günstige Strömungsverhähnisse für den Wärmeübergang erreicht werden.

Diese Aufgabe wird im wesentlichen mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs I ge

löst

Ein solcher Wärmeaustauscher besteht aus einfachen, leicht zusammenfügbaren Teilen, wobei mit Hilfe der Querunterteilungen variabel Quer- und Gegenströmungen zwischen Kühl- und Wärmeträgermedium erzeugt werden können. Dadurch ist jeweils ein günstiger Wirkungsgrad des Wärmetauschers erzielbar. Die als Abstandshalter dienenden Röhrenabschnitte können außerdem so bemessen sein, daß für das Wärmeträgermedium durch einen geringen hydraulischen Durchmesser laminare Strömungen erzielt werden. Die Röhren können aus anfänglich im Querschnitt runden oder rechtekkigen Röhren durch Zusammendrücken auf einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt mit vorgegebener Höhe und Breite gebildet werden, wobei bestimmte Abschnitte längs der Röhre eine geringfügig geringere Zusammendrückung aufweisen, so daß diese eine größere Höhe als die anderen Abschnitte der Röhren haben. Der für das Wärmeträgermedium erzielte Strömungsquersennitt hat dadurch einen geringen hydraulischen Durchmesser. Außerdem kann der Druckabfall auf Seiten des Kühlmittels auf einen optimalen Wert eingestellt werden. Eine starke Zusammendrückung der Röhren schafft nämlich eine hohe Strömungsgeschwindigkeit bei einem vorgegebenen Wärrnsfluß pro Flächeneinheit, was zu einer hohen Wärmeübergangsrate führt, aber auch zu einem hohen Druckabfall. Eine geringe Zusammendrückung der Röhren führt zu der umgekehrten Wirkung, d. h. zu einer niedrigen Wärme-Übergangsrate und einem niedrigen Druckabfall. Dazwischen kann ein geeigneter Kompromiß erreicht werden. Der hydraulische Durchmesser für das Wärmeträgermedium wird durch die Breite der Spalte zwischen den Röhren bestimmt, welchen die gewünschte Dimensionierung durch Anpassung der Höhe der weniger zusammengedrückten Abschnitte der Röhren gegeben werden kann. Denn die Breite der Spalte zwischen den Röhren für das Wärmeträgcrmedk.rn wird bestimmt durch die Abstandshaltemittel, die von den weniger zusammengedriickten Abschnitten der Röhren gebildet sind.

Nach der besonderen Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 2 wird erreicht, daß ein abgeteilter Abschnitt des Wärmetauschers als Zusatzkühler oder Zusatzerhitzer arbeitet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. la und Ib eine Röhre, die Teil des Wärmetauscherelementes bildet,

Fig.2a,2bund 2czwei parallele Röhrenstapel,die an Eiidverteiler angeschlossen sind und gemeinsam ein Wärmeaustauscherelement bilden,

Fig.3a und 3b zwei derartige Wärmetauscherelemente in Parallelschaltung in einem äußeren Gehäuse als Verdampfer oder Kondensor,

Fig.4 und 5 die Anordnung von Querunterteilung zur Strömungsführung,

F i g. 6a und 6b eine Ausführungsform, bei welcher ein Teil der Wärmetauscherelemente abgetrennt wurde, um einen Teilkühler oder Zusatzerhitzer zu bilden, und

F i g. 7 eine Wärmepumpenanlage mit einem Wärmetauscherelement nach der Erfindung.

Die Fig. la und Ib stellen eine Draufsicht und eine Seitenansicht einer Röhre 1 für ein Wärmetauscherelement 15 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 erfolg-

te die Zusammendrückung etwas weniger als in den anderen Abschnitten 2. In den Fällen, in welchen von ursprünglich rechteckigen Röhren ausgegangen wird, können die Abschnitte 3 die ursprünglichen Bemessungen der Röhre haben. Wie aus F i g. 2b ersichtlich, ist die Höhe der Röhre 1 in den Abschnitten 3 größer als in den Abschnitten 2. ?eim Zusammendrücken werden Rücksprünge 4 in der jeweiligen Seitenwand der Röhre 1 in bestimmten Abschnitten 3 vorgesehen. Die so erhaltenen Röhren 1 werden in einer vorbestimmten Anzahl übereinander angeordnet, um einen Stapel zu bilden. Die Abschnitte 3 bilden somit Abstandshaltemittel zwischen den Röhren 1, um einen gewissen freien Durchgang zwischen verschiedenen Röhren 1 vorzusehen.

Die F i g. 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 F i g. 2b ersieht, bilden die Abschnitte 3 der Röhren 1 Äbätandshaliernitte! und die Strörnyp.gsdurchlässe zwischen den Röhren 1 sind zwischen den Abs-.hnitten 3 vorgesehen. Die beiden Stapel sind mit einem Verteilerrohr 6 an jedem Ende ausgerüstet Die Verteilerrohre 6 sind mit einem äußeren Gehäuse 7 und einem Anschlußstutzen 8 ausgestattet. Die Stapel sind mit den Verteilerrohren 6 verschweißt, wobei ein rechteckiger Stab 9 zwischen den Röhren 1 als Verschlußglied vorgesehen ist Durch die Rücksprünge 4 sind zwischen benachbarten Röhren 1 im wesentlichen kreisförmige öffnungen gebildet, in welche stangenförmige Mittel S einsetzbar sind. Auf diese Weise wird eine Querunterteilung 36 in dem Wärmetauscherelement 15, bestehend aus den Stapeln und den Verteilerrohren 6, gebildet Die Rohranschlüsse 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 Wärmeträgermedium des Wärmetauschers.

Die F i g. 3a und 3b veranschaulichen einen Wärmetauscher in einer Draufsicht und einer Seitenansicht. Er hat zwei Wärmetauscherelemente 15, woven jeder zwei Stapel zusammengedrückter Röhren 1 aufweist Die Wärmetauscherelemente 15 sind parallel geschaltet und jeweils mit einem gemeinsamen Einlaß- und Auslaßrohranschiußstutzeii 8 für das Kühlmittel verbunden. Die Wärmeaustauscherelemente 15 sind in einem äußeren Gehäuse 11 angeordnet, welches mit Rohrstutzen 13 und 14 für das Wärmeträgermedium ausgestattet sind. Stangenförmige Mittel S sind in den Rücksprüngen 4 der seitlichen Flächen der Röhren 1 der Wärmetauscherelemente 15 vorgesehen, wodurch Querunterteilungen 36 in dem Röhrenpaket vorgesehen sind, das von den Wärmetauscherelementen 15 gebildet ist. Dadurch ist das Röhrenpaket in Sektionen unterteilt. Darüber hinaus sind Leitbleche 10 zwischen einem Ende der Querunterteilung 36 und dem äußeren Gehäuse 11 vorgesehen. Diese Leitbleche 10 sind abwechselnd in bezug zu den Querunterteilungen 36 angeordnet, so daß die eingehende Strömung des Wärmeträgermediums zunächst durch die Sektion des Röhrenpaketes geleitet wird, daß dem Einiaßrohrstutzen 13 am nächsten ist, und dann durch die dazu benachbarte Sektion, usw., bis die Strömung durch alle Sektionen gegangen ist und den Auslaßrohrstutzsr« erreicht hat. Wie in Fig.3b veranschaulicht, tritt das Wärmeträgermedium durch den Rohrstutzen 13 ein, geengt 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 Wärmeträgermediums anderί dann ihre Richtung wieder, wenn sie durch die dritte und vierte Sektion gelangt, bevor sie endgültig über den Rohrstutzen 14 austritt Durch diese Anordnung wird ein Strömungsmuster von im wesentlichen Quer- und Gegenströmung zwischen Kühlmittel und Wärmeträgermedium erreicht.

Ein Wärmetauscher dieser Art, wie er in den F i g. 3a und 3b veranschaulicht ist kann sowohl als Kondensator als auch als Verdampfer eingesetzt werden. Wenn er als Kondensator eingesetzt wird, sind die Wärmetauscherelemente 15 im wesentlichen horizontal angeordnet wenn er als Verdampfer eingesetzt wird, sind die Wärmetauscherelemente 15 vorzugsweise vertikal angeordnet

Fig.4 veranschaulicht einen Wärmetauscher, bei welchem drei Wärmetauscherelemente 15 parallelgeschaltet innerhalb eines äußeren Gehäuses 11 angeordnet sind. Die Anschlußstutzen 8 sind -üs einem gemeinsamen Kühlmittelanschluß an den jeweiligen Enden des Wärmetauscherelementes 15 zusammengefaßt Die Rohrstutzen 13 und 14 für das Wärmeträgermedium sind in dem Gehäuse 11 untergebracht Stangenförmige Mittel 'J sind in den Rücksprüngen 4 der Röhren 1 des jeweiligen Wärmetauscherelements 15 und zwischen den Wärmetauscherelementen 15 vorgesehen, wodurch Querunterteilungen 36 in und zwischen den Wärmetauscherelementen 15 erreicht werden. Darüber hinaus sind Leitbleche 10 zwischen den Querunterteilungen 36 und dem Gehäuse 11 in der Weise vorgesehen, daß das Wärmeträgermedium über den Rohrstutzen 13 so geführt wird, daß es wiederum durch die einzelnen Sektionen des Wärmetauschers nacheinander hindurchgeleitet wird, bevor es über den Rohrstutzen 14 austritt.

In F i g. 5 ist ein zusätzliches Wärmetauscherelement 15 innerhalb des äußeren Gehäuses 11 im Vergleich zu dem in Fig.4 dargestellten Wärmetauscher angeordnet, so daß zwei Gruppen I und II von Wärmetauscherelenenten 15 vorgesehen sind. Das zusätzliche Wärmetauscherelement 15, welches in der untersten Gruppe II in den Wärmetauscher nach F i g. 5 vorgesehen ist, ist im wesentlichen von der anderen Gruppe I des Wärmetauschers durch eine Teilungswand 16 abgeschirmt. Die Teilungswand 16 besteht aus einem Leitblech, das zwisehen dem äußeren Gehäuse 11 und der am entferntesten liegenden Querunterteilung 36 der Wärmetauscherelemente 15, die parallel geschaltet sind, gesehen von dem Einlaßrohrstutzen 13 aus, angeordnet ist. Das abgeteilte Wärmetauscherelement 15 der Gruppe I ist

so hierdurch der erste Abschnitt des Wärmetauschers, welcher der eintretenden Strömung des Wärmeträgermeaiums ausgesetzt ist. Die Strömung wird dann wechselweise durch die unterschiedlichen Sektionen der Wärmetauscherelemente 15 geführt die parallel geschaltet sind, bis sie über den Rohrstutzen 14 austritt. Der abgeteilte Abschnitt des Wärmetauschers arbeitet dann als Zusatzkühler ode- Zusatzerhitzer, je nach der beabsichtigten Funktion dieses Restes des Wärmetauschers. In dem Wärmetauscher nach Fig.4 als auch in dem nach

ω F i g. 5 sind die Wärmetauscherelemente 15 und folglich auch die Röhren 1 in bezug auf das äußere Gehäuse 11 leicht geneigt, so daß dieses bei einfacher Installation des Wärmetauschef;¹ möglichst geringe Abmessungen haben kann.

Die Fi g. 6a und 6b veranschaulichen eine praktische Ausführungsform der Vorrichtung entsprechend F i g. 5. Das Gehäuse 11, welches von einer Isolation 12 umgeben ist, enthält zwei Kammern 21 und 22, die durch eine

Teilungswand 16 getrennt sind. Die Teilungswand 16 weist ein Leitblech auf, welches zwischen den kurzen Seiten des Gehäuses 11 angeordnet ist. Eine öffnung 23 ist aus der Teilungswand 16 im abliegenden Ende, gesehen von den Rohrstutzen 13, 14 des Wärmeträgermediums ausgeschnitten. In der Kammer 21 ist das Wärmetauscherelement 15 vorgesehen, welches den Abschnitt eines Zusatzkühlers oder Zusatzerhitzers bildet. Dieser Abschnitt ist mit Anschlußrohren 19 und 20 versehen. In bezug auf die Zusammendrückung der Röhren 1 des Wärmetauscherelements 15 kann das Wärmetauschcrelement 15 eine etwas andere Ausbildung haben, als die anderen Wärmetauscherelemente 15 des Wärmetauschers, um optimale Betriebsbedingungen zu erhalten, wenn er als Zusatzkühlcr oder Zusatzcrhitzcr benutzt wird. Das Wärmeträgermcdium fließt von dem Rohrstutzen 13 über die Kammer 21 und von dort durch die Öffnung 23 in die Kammer 22. Drei parallel geschaltete Wärmetauscherelemente 15 sind in der Kammer 22 vorgesehen, wobei die Rohranschlüsse 8, dieser Wärmetauscherelemente 15 außerhalb zu je einem Anschlußrohr 17, 18 an jedem Ende des Wärmetauschers zusammengefaßt sind.

Fig.6a zeigt runde stangenförmige Mittei 5, die in und zwischen den Wärmetauscherelementen 15 angeordnet sind, um Sektionen in dem Röhrenpaket zu erhalten. Fig. 6a veranschaulicht auch ein Leitblech 10, welches zwischen einer so erhaltenen Querunterteilung 36 der TeilungswanJ 16 angeordnet ist, wobei das Leitblech 10 dazu dient, die Strömung, die durch die öffnung 23 eintritt, durch die erste Sektion des Röhrenpaketes zu lenken. Ähnliche Leitbleche sind an den anderen Querunterteilungen 36 in der Fig. 5 veranschaulichten Weise vorgesehen. In den Wärmetauscherelemeten 15 des Wärmetauschers nach den F i g. 6a und 6b beträgt J5 die Breite der Spalten zwischen den Röhren ί etwa 0.8 mm. wodurch ein geringer hydraulischer Durchmesser, wie erwünscht, und eine laminare Strömung vorgesehen ist. (Die Breite der zusammengedrückten Röhre 1 beträgt etwa 9 mm.) Der hydraulische Durchmesser ist definiert als äquivalenter Durchmesser des Strömungsdurchlasses, welcher gleich dem Produkt einer Konstante (= 4) und dem Durchiaßquerschnitt geteilt durch den Umfang des Durchlasses, ist.

Die zusammengedrückten Röhren 1 können ferner rr.it Überkreüzungsmustern od. dgl. ausgerüstet sein, um das Vermischen der Medien und folglich die Wärmeübergaiigsrate zu erhöhen. Es kann auch höherer Druck in den Röhren 1 eingesetzt werden.

Mittels des beschriebenen Wärmetauscherelementes 15 ist es so möglich, einen Wärmetauscher 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 einen vorgegebenen Wirkungsgrad bei einer geringen Temperaturdifferenz. Außerdem weist er einen geringen Druckabfall auf Seiten des Wärmeträgermediums auf.

Ein Anwendungsgebiet, auf welchem die Benutzung des Wärmetauschers besonders vorteilhaft ist ist die der Wärmepumpen, bei welchen er sowohl als Verdampfer als auch als Kondensor eingesetzt werden kann, also bei gleichem konstruktivem Aufbau für unterschiedliche Funktionen einsetzbar ist F i g. 7 veranschaulicht eine besondere Ausführungsform einer Wärmepumpenanlage. Die Anlage enthält einen Verdampfer 25. an welchem ein Kreislauf 26 für das kühlere Medium angeschlossen ist. Ein Kompressor 27 ist ebenfalls mit dem Verdampfer 25 verbunden. Der Kompressor 27 ist ferner über einen Hcißgaskühlcr28an einen Kondensor 30 angeschlossen. Ein Heißwasserkreis 29 ist an den Hcißgaskühler 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 Zusa'zkühler 34 ist zwischen den Zusatzkühler 32 und den Verdampfer 25 über ein Expansionsventil 24 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 Wärmcpumpenanlage können die erfindungsgemäßen Wärmetauscherelemente 15 Bauelemente nicht nur in dem Verdampfer 25 und Kondensor 30 mit Zusatzkühler 32, sondern auch in dem Heißgaskühler 28 und dem weiteren Zusatzkühler 34 bilden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Wärmeaustauscher bestehend aus wenigstens einem Wärmetauscherelement mit einer Anzahl von parallelen Röhren, die, im Abstand voneinander gestapelt, ein Röhrenpaket bilden, und mit ihrem jeweiligen Röhrenende mit Kammern verbunden sind, welche Kammern Anschlußstutzen für ein Kühlmedium aufweisen, wobei die Röhren einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen und bestimmte Röhrenabschnitte entlang der jeweiligen Röhren eine größere Höhe als diejenige von anderen Röhrenabschnitten einnehmen und dadurch Abstandshalter für die gestapelten Röhren bilden, um das Wärmeträgermedium durch im wesentlichen rechteckige Strömungsdurchlässe zwischen den Röhren hindurchtreten zu lassen, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhren (1) des Wärmetauscherelements (15) in mindestens zwei paraHeien Stapeln angeordnet sind, wobei die Röhren (1) des jeweiligen Stapels in der gleichen Ebene liegen und daß in den jeweiligen Seitenflächen der Röhren (1) in bestimmten Rohrabschnitten (3) mit größerer Höhe Rücksprünge (4) für die Aufnahme von stabförmigen Mitteln (5) zur Bildung von Querunterteilungen (36) des Röhrenpaketes vorgesehen sind.

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Wärmetauscherelemente (15) in zwei Gruppen (1, II) angeordnet sind, wobei die Wärmetauscherelemerc'.e (15) -eder Gruppe (I, II) parallel geschaltet und die Gruppen (I, II) durch eine Teilungswand (16) voneinander getrennt sind, die sich in Längsrichtung der Röhren (1) erstreckt, daß die Teilungswand (16) zwischen einem äußeren Gehäuse (11) und der von einem Einlaßrohrstutzen (13) des Wärmeträgermediums am entferntesten liegenden Querunterteilung (36) des Röhrenpaketes der einen Gruppe (I) angeordnet ist, und daß der anderen Gruppe (II) der Einlaßrohrstutzen (13) des Wärmeträgermediums zugeordnet ist (F i g. 5).