DE3300929C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Wärmetauscher für ein Medium mit Phasenübergang und ein Medium ohne Phasenübergang werden insbesondere bei Wärmepumpen, in Kältemaschinen, bei Wärmerohren oder bei Heißdampfsystemen eingesetzt.

Ein Wärmetauscher der eingangs beschriebenen Art ist aus der WO 82/03270 bekannt. Dabei ist einem ovalen oder auch runden Gehäuse ein Innenrohr schräg zwischen Seitenwänden eingebracht, auf welches eine Berippung aufgesetzt ist. Die Berippung kann in Form kreisrunder Scheiben gleicher Fläche ausgebildet sein, die im Zentrum der kreisrunden Scheiben zum Aufsetzen auf das Innenrohr gelocht sind. Die Berippung läuft parallel zum Innenrohr und versetzt zu der Außenwandung des Gehäuses. Die Außenwandung des Gehäuses ist dabei so verformt, daß die kreisrunden Scheiben der Berippung tangentenartig an das Gehäue an­ stoßen, um eine gute Wärmeleitung zwischen dem berippten Innenrohr und dem Gehäuse zu erzielen. Die Herstellung eines solchen Wärmetauschers und seine Anpassung an verschiedene Anwendungsfälle, bei denen z. B. unter­ schiedlich lange Innenrohre und unterschiedliche kreis­ runde Scheiben bezüglich der Berippung Anwendung finden sollen, setzt jeweils ein individuelles und angepaßtes Gehäuse voraus. Es wird vorgeschlagen, diesen bekannten Wärmetauscher in der Weise zu betreiben, daß das Kühl­ medium durch das Innenrohr geführt wird, während das Medium mit Phasenübergang das Innenrohr mit den kreis­ förmigen Scheiben umspült. Wird jedoch ein solcher be­ kannter Wärmetauscher unter Vertauschung der beiden Medien betrieben, so daß das Medium mit Phasenübergang in dem Innenrohr geführt wird, während das Medium ohne Phasenübergang zwischen der Außenwandung des Gehäuses und der Berippung geführt wird, dann besteht die Möglich­ keit, diese Betriebsweise so zu gestalten, daß eine Kondensatin oder Verdampfung auf einem möglichst großen Teil des Wärmetauschers stattfindet.

Aus der FR 23 22 345 ist ein Wärmetauscher bekannt, der in seinem Innern zentral ein Wellrohr zur Führung des Mediums mit Phasenübergang aufweist, wobei die Außen­ wandung des Gehäuses parallel zu einer solchen Berippung geführt ist. In dem das Wellrohr umschließenden Bereich wird das Medium ohne Phasenübergang geführt. Bei allge­ meiner Betriebsweise ergibt sich hier eine Abkühl- bzw. Vorwärmzone, ein Bereich konstanter Temperatur mit Phasenübergang des einen Mediums und nachfolgend ein Bereich mit Abkühlung des Kondensates bzw. Überhitzung des Dampfes. Ein solcher Wärmetauscher läßt sich zwar vergleichsweise einfach herstellen, ermöglicht jedoch nicht die Aufteilung des Mediums ohne Phasenübergang in eine Vielzahl parallel geschalteter Strömungspfade.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärme­ tauscher der eingangs beschriebenen Art aufzuzeigen, der eine einfache Herstellung und Anpassung an die jeweili­ gen Anwendungsfälle zuläßt.

Dies wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kenn­ zeichnenden Teil des Anspruchs 1 in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs erreicht. Das Medium mit Phasenübergang wird prinzipiell durch das Innenrohr ge­ leitet, während das meist nahezu unter atmosphärischem Druck strömende Medium ohne Phasenübergang außen geführt wird. Das Innenrohr verläuft immer gerade zwischen den Seitenwänden im Zentrum des Wärmetauschers, so daß seine Anschlußstellen in den Seitenwänden immer gleich sind. Die Berippung kann entweder aus identischen Scheiben be­ stehen, wobei dann eine entsprechend versetzt ausgebil­ dete Außenwandung schräg zu dem Innenrohr und der Be­ rippung verläuft, so daß auf diese Weise die Vielzahl einzelner kurzer Strömungspfade und der Sammel- und Verteilerkanal für das Medium ohne Phasenübergang ge­ bildet werden. Die andere Möglichkeit besteht darin, daß auch die Außenwandung des Gehäuses parallel zu dem Innenrohr verläuft. In diesem Fall muß die Berippung versetzt verlaufen. In beiden Fällen ist es jedoch in einfacher Weise möglich, je nach Anwendungsfall zusätz­ liche Rippen auf länger oder kürzer gestaltete Innenrohre aufzusetzen und gehäusemäßig eine Anpassung herbeizu­ führen. Bei parallel zum Innenrohr geführter Außenwandung sind die Rippen der Berippung für den Durchtritt des Innenrohres an jeweils unterschiedlicher Stelle gelocht, während die Fläche jeder aufgesetzten Rippe trotzdem iden­ tische Größe und identische Flächengestaltung aufweist.

Es ergibt sich für verschiedene Anwendungsfälle vorteil­ haft die Möglichkeit, derart aufgebaute Wärmetauscher individuell zusammenzusetzen. Beispielsweise ist es mög­ lich, daß die Rippen oder Rillen der die Wärme übertra­ genden Berippung zu mehreren Paketen zusammengefaßt sind, und daß der Strömungspfad für das Medium ohne Phasenüber­ gang nacheinander durch die einzelnen Pakete geführt ist, um beispielsweise eine Vorwärmzone, eine Verdampfungszone und eine Überhitzungszone zu bilden.

Die Erfindung wird anhand einiger Ausführungsbeispiele beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch den Wärmetau­ scher in einer ersten Ausführungs­ form,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Wärme­ tauscher gemäß der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine ähnliche Schnittdarstellung mit anderer Querschnittsausbildung des Wärmetauschers,

Fig. 4 eine weitere Schnittdarstellung eines weiteren Wärmetauschers,

Fig. 5 einen Schnitt durch einen zwei­ stufigen Wärmetauscher,

Fig. 6 einen Schnitt durch einen vierstufigen Wärmetau­ scher mit vier Paketen,

Fig. 7 einen Schnitt durch einen einstufigen Wärmetau­ scher in einer weiteren Ausführungsform,

Fig. 8 eine ähnliche Ausführungsform des Wärmetauschers und

Fig. 9 eine weitere Schnittdarstellung durch einen Wärme­ tauscher.

Der in Fig. 1 dargestellte Wärmetauscher besitzt ein Gehäuse 1 mit einer Außenwandung 2, die, wie die Fig. 2 bis 4 aufzei­ gen, ganz verschiedenen Querschnitt besitzen kann. Die beispiels­ weise zylindrische Außenwandung 2 ist vorn und hinten durch Sei­ tenwände 3 und 4 abgeschlossen. Die Seitenwände 3 und 4 werden zentral von einem Innenrohr 5 durchsetzt, welches einen Strö­ mungspfad 6 für das Medium mit Phasenübergang bildet. An den Seitenwänden 3 und 4 sind Anschlüsse 7 und 8 vorgesehen, die den Anfang und das Ende eines Strömungspfades 9 für das Medium ohne Phasenänderung darstellen.

Auf dem Innenrohr 5 ist eine Vielzahl von Rippen 10 in der dar­ gestellten Weise aufgebracht bzw. aufgeschrumpft, so daß sich ein gut wärmeleitender Kontakt zwischen den Rippen 10 und dem Innenrohr 5 ergibt. Die Gesamtzahl der Rippen 10 und die ent­ sprechenden Bereiche des Innenrohres 5 bilden zusammen eine Berippung 11, über die die zu übertragende Wärme per Wärmelei­ tung fließen muß. Durch die schräg versetzte Anordnung der Rip­ pen 10 wird im Gehäuse 1 oberhalb der Rippen 10, also nachfol­ gend zum Anschluß 7 ein Verteilerkanal 12 gebildet, während unterhalb der Rippen 10 ein entsprechender Sammelkanal 13 vor­ gesehen ist. Durch diese Gestaltung wird der Strömungspfad 9 in eine Vielzahl von Teilströmungspfaden 14, von denen der Übersichtlichkeit halber nur drei eingezeichnet sind, aufge­ teilt. Wesentlich ist es, die Aufteilung des Strömungspfades 9 in die Teilströmungspfade 14 so durchzuführen, daß gleiche Verhältnisse über die ganze Länge des Wärmetauschers auftre­ ten, insbesondere das Innenrohr 5 über die gesamte Länge des Wärmetauschers eine gleich große Temperatur annimmt, um bei­ spielsweise das Medium mit Phasenübergang im Innenraum des Innenrohres 5 über die gesamte Länge zu verdampfen. Die ins­ gesamt die Berippung 11 bildenden Rippen 10 besitzen auch eine gleich große Fläche und sind hier auf gleichem Abstand gegen­ einander angeordnet. Der Versatz der Rippen 10 zur Bildung des Verteilerkanals 12 und des Sammelkanals 13 ist hier linear durch­ geführt. Der Versatz kann selbstverständlich an eine Optimie­ rungsfunktion angepaßt werden. Auch der gegenseitige Abstand benachbarter Rippen 10 kann - muß aber nicht - variiert wer­ den.

Die Fig. 2 bis 4 zeigen Querschnitte durch einen Wärmetauscher einmal mit rechteckiger, dann mit zylindrischer und schließlich mit rhombischer Außenwandung 2. Andere Ausgestaltungen sind selbstverständlich ebenfalls möglich.

Fig. 5 zeigt einen zweistufig aufgebauten Wärmetauscher, bei dem zwei Pakete 15 und 16 etwa so angeordnet und ausgebildet sind, wie dies anhand der Fig. 1 nur für ein Paket von Rippen 10 dargestellt ist. Die Anschlüsse 7 und 8 sind hier nicht im Bereich der Seitenwände 3 und 4, sondern beispielsweise im Be­ reich der Außenwandung 2 vorgesehen. Ganz analog ist auch hier der Strömungspfad 9 für das Medium ohne Phasenübergang im Be­ reich des Paketes 16 als auch des Paketes 15 aus den die Berip­ pung 11 bildenden Rippen 10 in Teilströmungspfade 14 und 17 aufgeteilt. Bei einem solchen Wärmetauscher ist es beispiels­ weise möglich, ein verdampfendes Medium gemäß dem Strömungs­ pfad 6 im Innenrohr 5 im Bereich des Paketes 15 zu verdampfen und im Bereich des Paketes 16 zu überhitzen. Damit kann man mit aufeinanderfolgenden Paketen die Wirkung eines Gegenstrom­ wärmetauschers teilweise erzeugen. Gemäß Fig. 6 ist ein vier­ stufiger Wärmetauscher mit Paketen 15, 16, 18 und 19 vorge­ sehen. Bei Anordnung von unendlich vielen Paketen hätte man den idealen Gegenstrom erreicht. Auf diese Weise kann in einem Wärmetauscher ohne weiteres zuerst ein Phasenübergang und dann eine Wärmeübertragung an das Kondensat oder den Dampf bewirkt werden.

Die Fig. 7 bis 9 zeigen weitere Ausführungsmöglichkeiten, wo­ bei Fig. 7 verdeutlichen soll, daß identische Rippen 10 zen­ trisch auf ein Innenrohr 5 aufgesetzt angewendet werden können, was eine Herstellungsvereinfachung erbringt. Der Verteilerka­ nal 12 und der Sammelkanal 13 müssen hier durch Ausbildung des Gehäuses 1 gestaltet werden, was aber keine Schwierigkei­ ten bereitet. Fig. 8 ist an sich ähnlich ausgebildet, wird je­ doch vorzugsweise in vertikaler Anordnung benutzt. Es ist hier ein Innenrohr 20 mit Rillen 21, also beispielsweise ein Well­ rohr, vorgesehen. Auch hierbei erfolgt die Aufteilung des Strömungspfades 9 des Mediums ohne Phasenübergang in eine Viel­ zahl von Teilströmungspfaden 14.

Der Wärmetauscher gemäß Fig. 9 besitzt ein sich konisch erwei­ terndes Innenrohr 22, auf dem Rippen 23 so angeordnet sind, daß sie gleiche Verhältnisse hinsichtlich der Temperatur schaf­ fen, also etwa gleiche Fläche aufweisen. Die Außenwandung 2 des Gehäuses 1 ist entsprechend angepaßt, um auch hier wieder einen Verteilerkanal 12 und einen Sammelkanal 13 zu schaffen. Der sich erweiternde Querschnitt des Innenrohres 22 ist auf die Volumenzunahme beim Phasenübergang flüssig/gasförmig abge­ stimmt. Umgekehrtes gilt für einen Kondensator.

• Bezugszeichenliste: 1  = Gehäuse
  2  = Außenwandung
  3  = Seitenwand
  4  = Seitenwand
  5  = Innenrohr
  6  = Strömungspfad
  7  = Anschluß
  8  = Anschluß
  9  = Strömungspfad
  10 = Rippen
  11 = Berippung
  12 = Verteilerkanal
  13 = Sammelkanal
  14 = Teilströmungspfad
  15 = Paket
  16 = Paket
  17 = Teilströmungpfad
  18 = Paket
  19 = Paket
  20 = Innenrohr
  21 = Rillen
  22 = Innenrohr
  23 = Rippen

Claims (3)

1. Wärmetauscher für ein kondensierendes oder verdampfendes Medium, z. B. Kältemittel, und ein Medium ohne Phasenüber­ gang, mit einem Gehäuse, in dem Strömungspfade für die beiden Medien vorgesehen sind, die durch eine eine Berippung aufweisende Wandung voneinander getrennt sind, durch die die zu übertragende Wärme infolge Wärmeleitung fließt, wobei der Strömungspfad für das eine Medium in einer Vielzahl relativ kurzer Teilströmungspfade mit etwa gleicher mengen­ mäßiger Beaufschlagung durch das Medium unterteilt ist, die Teilströmungspfade durch die Ausbildung und Anordnung der die Wärme übertragende Berippung parallel zueinander in dem Gehäuse geführt sind, und die die Teilströmungspfade gegen­ einander abgrenzenden Flächen der Berippung zur Erzielung gleichbleibender Temperaturen entlang des Strömungspfades des einen Mediums etwa gleich groß bemessen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungspfad (9) für das Medium ohne Phasenübergang in die Vielzahl relativ kurzer Teilströmungspfade (14 bzw. 14 und 17) unterteilt ist, und daß als Strömungspfad (6) für das Medium mit Phasen­ übergang ein innen glattes Innenrohr (5) zwischen Seiten­ wänden (3, 4) zentral im Gehäuse (1) angeordnet ist, und daß das Gehäuse (1) entweder eine parallel zum Innenrohr (5) geführten Außenwandung (2) aufweist und die die Rippen (10) oder Rillen (21) aufweisende Berippung (11) für die Übertragung der Wärme versetzt zum Innenrohr (5) angeordnet ist, oder das Gehäuse (1) eine versetzt zum Innenrohr (5) geführte Außenwandung (2) aufweist und die die Rippen (10) oder Rillen (21) aufweisende Berippung (11) für die Übertragung der Wärme parallel zum Innenrohr (5) angeordnet ist.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei parallel zum Innenrohr (5) geführter Außenwan­ dung (2) die Rippen (10) der Berippung (11) für den Durchtritt des Innenrohres (5) an jeweils unterschied­ licher Stelle gelocht sind.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Rippen (10) oder Rillen (21) der die Wärme übertragenden Berippung (11) zu mehreren Paketen (15, 16 bzw. 15, 16, 18, 19) zusammengefaßt sind, und daß der Strömungspfad (9) für das Medium ohne Phasen­ übergang nacheinander durch die einzelnen Pakete ge­ führt ist (Fig. 5 und 6).