DE3216877C1

DE3216877C1 - In ein Gehaeuse einbaubares Waermeaustauschelement

Info

Publication number: DE3216877C1
Application number: DE3216877A
Authority: DE
Inventors: Donald Dipl.-Ing. 1000 Berlin Herbst
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-05-03
Filing date: 1982-05-03
Publication date: 1983-11-03
Also published as: US4753286A; FR2526146A1; FR2526146B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein in ein Gehäuse einbaubares Wärmeaustauschelement der im Oberbegriff von Patentanspruch 1 erläuterten Art.

Ein derartiges Wärmeaustauschelement ist aus der DE-OS 2617 356 bekannt. Dieses Tauschelement besteht aus einem Rohrbündel aus starren Kunststoffrohren, wobei die einzelnen Kunststoffrohre unter gegenseitiger Abstandsbildung den Querschnitt des Gehäuses ausfüllen. Das zu erwärmende Medium durchströmt das Gehäuse unter Umspülung der Kunststoffrohre. Hierbei sind die beiderseitigen Enden des Rohrbündels in Anschlußstutzen zusammengefaßt, die zwei gegenüberliegende Wandungen des von dem zu erwärmenden Medium durchströmten Gehäuses bilden, in denen die einzelnen Rohrenden unter gegenseitiger Abdichtung aufgenommen sind. Diese Anschlußstutzen werden an den Zulauf und an den Ablauf des den Wärmetauscher durchströmenden Mediums angeschlossen. Die einzelnen Rohre des Rohrbündels sind selbsttragend, so daß sie in sich in dem Gehäuse auf Abstand gehalten sind. Aus der DE-PS 20 12 883 ist ebenfalls ein Rohrbündel-Wärmetauscher bekannt, bei dem das den Querschnitt des Gehäuses ausfüllende als Wärmeträger dienende Rohrbündel aus einer zu einer Rolle gewickelten aus miteinander durch Drähte verbundenen und auf Abstand gehaltenen starren Rohren gebildeten Matte besteht, die mit der Führung des zu erwärmenden Mediums dienenden Umlenkungselementen versehen ist.

Diese bekannten Rohrbündel-Wärmetauscher sind sogenannte Kreuzstrom-Wärmetauscher, bei denen das zu erwärmende Medium senkrecht zu den Rohren, diese umspülend, gerichtet ist. Diese Kreuzstrom-Wärmetauscher liegen hinsichtlich ihres Wirkungsgrades zwischen den Gleichstromwärmetauschern und Gegenstromwär- ■ metauscher, bei denen die am Wärmetausch beteiligten Medien in gleicher Richtung bzw. in entgegengesetzten Richtungen bewegt werden, wobei der Gegenstromwärmetauscher den besseren Wirkungsgrad besitzt.

Die bekannten Rohrbündel-Wärmetauscher besitzen Nachteile hinsichtlich ihrer Herstellung und Montage und auch hinsichtlich ihrer Verwendungsmöglichkeit. Die Ausbildung und der Einbau des aus Rohren bestehenden Wärmetauschelementes in das Gehäuse ist aufwendig und bietet besondere Probleme, die in erster Linie begründet liegen in der erforderlichen Zusammen-

fassung der beiderseitigen Rohrenden zu Anschlußstutzen in der Gehäusewandung für das das Tauschelement durchströmende Medium. Die Zusammenfassung der Rohrenden zu einem lecksicheren Anschlußstutzen bedarf besonderer Sorgfalt und macht einen erheblichen Zeitaufwand notwendig. Die bekannten Rohrbündel-Wärmetauscher bilden mit ihrem Gehäuse und dem darin eingebauten Tauschelement ein nicht veränderbares Aggregat, das in die das zu erwärmende Medium führende Leitung eingebaut werden muß, und das in seiner Konstruktion auf bestimmte Betriebsverhältnisse und -werte unveränderbar festgelegt ist, so daß für unterschiedliche Betriebsverhältnisse auch unterschiedlich ausgelegte Wärmetauscher zur Verfügung stehen müssen. Hinzu kommt, daß der Wirkungsgrad dieser bekannten Rohrbündel-Wärmetauscher nicht befriedigend den heute gültigen Forderungen nach Energieeinsparung Rechnung trägt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wärmetauschelement der obengenannten Art so auszubilden, daß es kostengünstiger herzustellen ist, daß es sich mit geringstmöglichem Aufwand an unterschiedliche Betriebsverhältnisse und -forderungen anpassen läßt, insbesondere einen problemlosen Anschluß an das es durchströmende Medium ermöglicht, und daß es einen verbesserten Wirkungsgrad besitzt.

Diese Aufgabe wird bei einem Wärmetauschelement nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches gelöst durch die in seinem kennzeichnenden Teil unter Schutz gestellten Merkmale.

Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung nach dem Hauptanspruch dar.

Das wesentliche Merkmal der Erfindung liegt in der Verwendung eines Wärmetauschelementes, das aus einem Mattenkörper besteht, der seinerseits aus sich gitterartig kreuzenden flexiblen Kunststoffrohren gebildet ist und eine in seinem Umfang rechteckige Form besitzt, bei der an den beiden Schmalseiten die den Mattenkörper bildenden Rohre mit ihren Enden durch Umspritzung in einem rohrförmigen Anschlußstück vereinigt sind, das auf einfache Weise in die das den Wärmetauscher durchströmende Medium führende Leitung einfügbar ist, so daß ein lecksicherer Anschluß des Wärmetauschelementes gewährleistet ist. Das erfindungsgemäße Wärmetauschelement ist ohne Schwierigkeiten an unterschiedliche Betriebsverhältnisse anzupassen aufgrund der Tatsache, daß es als quergerichtete Wand in das Gehäuse einsetzbar ist, so daß die Möglichkeit besteht, durch Hintereinanderanordnung einer Mehrzahl von Mattenkörpern unterschiedlichen Betriebsforderungen und -bedingungen Rechnung zu tragen. Die Flexibilität des Mattenkörpers erleichtert den Einbau in das Gehäuse und gleicht durch Temperaturschwankungen gegebene Längenänderungen aus, ohne daß schädliche Spannungen in dem Wärmetauschelement auftreten können. Der aus sich kreuzenden Rohren gebildete Mattenkörper hat einen höheren Wirkungsgrad als das Rohrbündel der bekannten Tauschelemente, da bei Durchgang durch das Kreuzgitter das zu erwärmende Medium einer erhöhten Verwirbelung unterworfen ist, die zu einem besseren Wärmeübergang und damit zu einem besseren Wirkungsgrad führt. Bei Verwendung mehrerer hintereinandergeschalteter Mattenkörper ist es zweckmäßig, einen Mattenkörper größerer Länge zu benutzen, der durch mehrfache Faltung um senkrecht zu seiner Länge gerichtete Linien zu einem mehrschichtigen Körper ausgebildet wird. Da der Mattenkörper aus flexiblen Kunststoffrohren besteht, ist eine solche Faltung zu einem mehrschichtigen Körper ohne weiteres möglich. Hierbei bietet sich der weitere Vorteil, daß durch die mehrfache Faltung hinsichtlich des Wirkungsgrades sich eine Annäherung an den Gegenstrom-Wärmetauscher ergibt, wodurch der Wirkungsgrad weiter verbessert wird. Ein weiterer nicht unwesentlicher Vorteil besteht darin, daß beispielsweise bei Lüftungs- und Klimaanlagen, bei denen Rohrleitungen rechteckigen Querschnittes für die Führung der Luft benutzt werden, diese rechteckige Rohrleitung unmittelbar als Gehäuse für das erfindungsgemäße Wärmetauschelement verwendet werden kann, wodurch die Kosten gegenüber den bekannten Wärmetauschern erheblich gesenkt werden, da hier nur die Herstellung eines entsprechenden Wärmetauschelementes rechteckiger Form erforderlich ist, das dann direkt in das luftführende Gehäuse eingesetzt werden kann.

Der kreuzgitterartige Mattenkörper läßt sich auf unterschiedliche Methoden herstellen, beispielsweise durch Verflechtung der flexiblen Kunststoffrohre zu einer kreuzgitterartigen Rechteckform. Der kreuzgitterartige Mattenkörper kann auch gebildet werden aus einer Matte, die aus im Abstand zueinander parallelen längsgerichteten Rohren besteht, und die um eine oder mehrere Linien auf sich gefaltet ist, die einen Winkel von 45° zur Längsrichtung bilden; hierbei werden zweckmäßigerweise zwei in gleicher Weise gefaltete Matten bei spiegelbildlicher Lage ineinander eingeschoben, wobei sie zwangsläufig einen aus zwei Schichten bestehenden Mattenkörper bilden, dessen Rohrenden an den Schmalseiten zusammengeführt werden zu dem Anschlußstutzen. Eine aus längsgerichteten Rohren gebildete Matte kann auch zu einem spiralförmigen Rohr gewickelt werden, das durch Zusammendrücken zu dem Mattenkörper ausgebildet wird.

Nachstend werden einige Ausführungsformen des Wärmeaustauschelementes an Hand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung des Wärmetauschers;

F i g. 2 eine abgewandelte Ausführungsform gemäß Fig. 1;

F i g. 3 eine abgewandelte Ausführungsform gemäß Fig. 1 und2;

F i g. 4 die Verwendung des Wärmetauschelementes in einem Kühlturm in schematischer Darstellung;

F i g. 5 Darstellungen der Ausbildung des Mattenkörpers;
F i g. 6 eine Abwandlung gemäß F i g. 5;

Fig.7 eine Schnittdarstellung des Anschlußstutzens; F i g. 8 die Seitenansicht gemäß F i g. 7; und

F i g. 9 die Aufsicht gemäß F i g. 7.

Die F i g. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Teil einer Rohrleitung A rechteckigen Querschnittes, wie sie beispielsweise in Klimaanlagen und Lüftungsanlagen Verwendung findet. In der Leitung A ist als Einsatzkörper das Wärmetauschelement B angeordnet, das aus einem aus gitterförmig sich kreuzenden Rohren bestehenden Mattenkörper gebildet ist, der in vier Lagen zurückgefaltet ist und bogenförmig den Querschnitt der Leitung A ausfüllend eingesetzt ist und aus einem zweischichtigen, vierlagigen Mattenkörper aus gitterartig sich kreuzenden flexiblen Kunststoffrohren besteht, deren Durchmesser in der Größenordnung von 2 mm liegt. Das Wärmetauschelement B wird über Anschlußstutzen in Pfeilrichtung von Wasser durchströmt, während die Luft in der eingezeichneten

Pfeilrichtung in der Rohrleitung A gefördert wird. In einer Klimaanlage wird bei kälterer Jahreszeit die in der Leitung A angesaugte Zuluft durch das auf angemessener Temperatur gehaltene Wärmetauschelement B auf eine verträgliche Raumtemperatur erwärmt, während der durch Verweilen in den Räumlichkeiten weiter in ihrer Temperatur erhöhten Abluft durch ein in der Abluftleitung angeordnetes, als Wärmeabsorber wirkendes Wärmetauschelement die Wärme entzogen wird, wobei die in dem Absorber aufgenommene Wärmeenergie bei der Erwärmung der Zuluft wieder Verwendung finden kann. Die durch die auftretenden Temperaturschwankungen in dem Wärmetauschelement B bedingten Längenänderungen der Rohre des Wärmetauschelementes werden durch die Bogenform elastisch aufgenommen und ausgeglichen.

Die Darstellung der F i g. 2 entspricht der F i g. 1 mit der Ausnahme, daß das Wärmetauschelement B geradlinig schräg liegend in der Rohrleitung A angeordnet ist.

Die F i g. 3 zeigt eine weitere Abwandlung, bei der der Betrieb bei hohen Temperaturen erfolgt, und das Wärmetauschelement B wegen der hierdurch bedingten starken Längenänderungen abgestützt gehalten werden muß, um eine Störung durch Durchsacken zu verhindem. In diesem Falle ist das Wärmetauschelement B waagerecht liegend auf einer nicht dargestellten Abstützung in einem Gehäuseteil C aufgenommen, das in die Leitung A einsetzbar ist.

Die F i g. 4 zeigt die Verwendung des Wärmetauschelementes B in einem sogenannten Kühlturm D. Das Wärmetauschelement B, das beispielsweise in seiner Form demjenigen der F i g. 2 entspricht, wird von unten nach oben durch einen Ventilator E mit Kaltluft durchströmt und gleichzeitig über eine mit einer Pumpe ausgestattete Leitung F von oben her mit Wasser besprüht, um die Abkühlung des in dem Wärmetauschelement B geführten Mediums durch die Verdunstungskälte zu erhöhen.

Die Fig.5 zeigt eine einfache Möglichkeit der Herstellung des aus flexiblen Kunststoffrohren gebildeten Mattenkörpers 8. Die Fig.5a zeigt zwei Matten 1, Γ, die aus in Längsrichtung im Abstand parallel laufenden Rohren 2, 2' bestehen. An den beiden Schmalseiten sind die Matten 1,Γ zu Anschlüssen 6.7; 6', 7' für die Zulauf- und die Ablaufleitung des Mediums ausgestattet. Die beiden Matten werden um die einem annähernden Winkel von 45° zu den Rohren 2, 2' gerichteten Linien 3,3' gefaltet, wie in F i g. 1 b gezeigt ist. Nach der Faltung bildet die Matte 1 bzw. Γ jeweils so zwei Schenkel 4,5 bzw. 4', 5', die die Linien 3 bzw. 3' als Basislinie gemeinsam haben. Die Schenkel 4> 5 bzw. 4', 5' überdecken sich in einem Bereich in Form eines rechtwinkligen Dreiecks, in dem die Rohre 2 bzw. 2' in zwei Schichten sich gitterartig überkreuzen. Wie F i g. Ib zeigt, werden zwei derart gefaltete Matten 1,1' in Richtung der Pfeile ineinandergeschoben, wodurch ein in Fig. Ic gezeigter Mattenkörper 8 entsteht, der eine rechteckige Fläche bildet aus sich in zwei Schichten gitterartig kreuzenden Rohren 2, 2'. Der Mattenkörper 8 besitzt an jeder Schmalseite zwei Anschlüsse 6,7 bzw. 6', 7' zum Anschluß an eine Zufluß- und Abflußleitung für das Medium.

Die F i g. 6 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform, die der Herstellung einer Matte größerer Länge dient, so daß diese mehrlagig zusammengefaltet werden kann, wie in den F i g. 1 und 2 gezeigt ist.

Die F i g. 6a zeigt zwei Matten 10,10', die den Matten 1,1' entsprechen mit der Ausnahme, daß die Matten 10, 10' eine größere Länge besitzten. Diese Matten werden jede um zwei einander parallele, im Abstand angeordnete, im Winkel von 45° zu den Rohren der Matten geneigte Linien 9, 11 bzw. 9', 11' gefaltet, wie aus F i g. 6b ersichtlich ist. Hierbei liegen die Schenkel 4, 5 und 4', 5' in einem solchen Abstand voneinander, daß zwischen ihnen ein Raum 12 besteht, der der Breite der Matte 10 bzw. 10' entspricht. Die Matten 10,10' werden gemäß F i g. 6b in Pfeilrichtung ineinandergefügt, wobei sich ein Mattenkörper 13 ergibt, der eine aus zwei Schichten sich überkreuzender Rohre gebildete rechtekkige Fläche aufweist, wie aus Fig.6c ersichtlich ist. Auch dieser Mattenkörper besitzt an jeder Schmalseite zwei Anschlüsse 6,7 bzw. 6', T.

Zur Herstellung eines als Wärmetauschelement B dienenden Mattenkörpers kann auch eine einzige Matte 1 bzw. 10 gemäß F i g. 5 und 6 von an sich beliebiger Länge durch spiralförmige Aufwicklung zu einem Rohrkörper gebildet werden, der durch Flachdrücken zu einem zweischichtigen Mattenkörper geformt werden kann, der anschließend durch Faltung zu einem mehrlagigen Mattenkörper gemäß F i g. 1 und 2 ausgebildet werden kann, der als Wärmetauschelement B ohne weiteres verwendbar ist, und an jeder Schmalseite einen Anschluß für das es durchströmende Medium bildet.

Die F i g. 7 bis 9 zeigen den die Anschlüsse 6, 7 des Heizkörpers aufnehmenden Rohrstutzen 24, der einen axial gerichteten nach außen vorspringenden, die Reihe der freien Rohrenden 2 dichtend umschließenden Steg

25 besitzt. Der Rohrstutzen 24 mit seinem Steg 25 wird im Wege des Spritzgießens hergestellt, wobei die in Reihe angeordneten Rohrenden 2, die während des Spritzgießvorganges verschlossen gehalten werden, in eine mit einem Kerneinsatz versehene geteilte Form eingelegt werden. Während des Spritzgießvorganges werden die Rohrenden 2 in dem Steg 25 dichtend umschlossen und mit dem Rohrstutzen 24 zu einem Teil verbunden, und bei Entnahme des spritzgegossenen Rohrstutzens 24 aus der nicht dargestellten Form wird das die Rohrenden 2 offen haltende Formteil entfernt, so daß die Rohrenden 2 mit dem Innenraum des Rohrstutzens 24 über durch das Spritzgießen in der Wandung des Rohrstutzens 24 ausgeformte Öffnungen

26 in Verbindung stehen. Hierdurch wird eine bisher erforderliche Kleb- oder Schweißverbindung der Rohrenden 2 mit dem Rohrstutzen 24 überflüssig.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. In ein Gehäuse einbaubares Wärmeaustauschelement, das aus Rohren aus Kunststoff gefertigt ist und an beiden Enden mit Anschlußstutzen für den Zulauf und Ablauf eines flüssigen Mediums versehen ist, und das auf der Außenseite quer zu den Rohren von einem durch das Gehäuse geleiteten gasförmigen Medium umströmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoff rohre flexibel sind, sich gitterartig kreuzen und einen rechteckigen Mattenkörper bilden, der eine quer zur Richtung des gasförmigen Mediums angeordnete, das Gehäuse ^durchgreifende Wand bildet.

2. Wärmeaustauschelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffrohre (2) einen Durchmesser von ca. 2 mm besitzen.

3. Wärmeaustauschelement nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeaustauschelement (B) aus zueinander parallel angeordneten, hintereinander geschalteten Mattenkörpern (8,13) besteht.

4. Wärmeaustauschelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mattenkörper (8,13) des Tauscherelementes (B) eine derartige Länge besitzt, daß er um eine oder mehrere senkrecht zu seiner Längsrichtung liegende Linien ein- oder mehrfach auf sich zusammenfaltbar ist.

5. Wärmeaustauschelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei mit Rohrleitungen rechteckigen Querschnittes ausgestatteten Lüftungsanlagen, Klimaanlagen oder dergleichen die Rohrleitung das Gehäuse (A) des Wärmetauschers bildet, und das Tauscherelement (B) als in den Innenwandungen der Rohrleitung (A) anliegender Einsatzkörper ausgebildet ist.

6. Wärmeaustauschelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeaustauschelement (B) in einem seiner Versteifung dienenden, flexiblen Rahmen aufgenommen ist.

7. Wärmeaustauschelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der das Tauscherelement (B) bildende Mattenkörper (8, 13) durch Verflechtung der Rohre (2) zu einer Gitterstruktur ausgebildet ist.

8. Wärmeaustauschelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Tauscherelement (B) aus zwei aus in Längsrichtung unter Abstandsbildung parallel liegenden Rohren (2, 2') bestehenden Matten (I₃1'; 10,10') gebildet wird, die um wenigstens eine mit den Rohren (2, 2') einen Winkel von annähernd 45° bildenden Linie (3,3') auf sich zurückgefaltet sind, daß die beiden Matten (1,1'; 10, 10') spiegelbildlich zueinander liegend zu einem zweischichtigen Mattenkörper (8, 13) rechteckiger Form vereinigt sind, und daß die Rohre (2, 2') an beiden Enden derart geführt sind, daß ihre der Aufnahme der Anschlußstutzen (24) dienenden freien Enden (6, 6'; 7, T) in reihenweiser Nebeneinanderanordnung in einer mit der Ebene des Mattenkörpers (8, 13) gemeinsamen Ebene liegen.

9. Wärmeaustauschelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Austauschelement (B) aus einer Matte gebildet wird, die aus in Längsrichtung im Abstand parallel liegenden Rohren besteht, die zu einem spiralförmigen Rohrkörper gewickelt und durch Zusammendrücken zu einem Mattenkörper geformt ist.

10. Wärmeaustauschelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußstutzen (24) aus im Spritzgießwege hergestellten, in die Zulauf- bzw. Ablaufleitung des das Tauscherelement (B) speisenden Mediums dichtend einfügbaren Rohrteilen bestehen, die einen axial gerichteten, nach außen vorspringenden, die Reihe der freien Rohrenden aufnehmenden Steg (25) besitzen.

11. Wärmeaustauschelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die während des Spritzgießvorganges geschlossen gehaltenen Öffnungen der freien Rohrenden durch Umspritzen dichtend in dem Steg (25) aufgenommen sind und über in dem Steg (25) angeordnete Bohrungen (26) in den Rohrteil münden.