DE3408626A1

DE3408626A1 - Gewickelter waermeuebertrager, insbesondere fuer waermepumpen oder kaelteanlagen

Info

Publication number: DE3408626A1
Application number: DE19843408626
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr.-Ing. Dr. 7900 Ulm Hage
Original assignee: Wieland Werke AG
Current assignee: Wieland Werke AG
Priority date: 1984-03-09
Filing date: 1984-03-09
Publication date: 1985-09-12

Description

Gewickelter Wärmeübertrager, insbesondere
für Wärmepumpen oder Kälteanlagen Die Erfindung betrifft einen gewickelten Wärmeübertrager, insbesondere für Kondensation und/oder Verdampfung in Wärmepumpen oder Kälteanlagen, bestehend aus einem Mantelrohr, aus mindestens einem darin angeordneten, außen berippten Innenrohr mit schraubenlinienförmig umlaufenden Rippen, deren Fuß im wesentlichen radial von der Rohrwandung absteht, und aus stirnseitig angeordneten Fittingen mit jeweils einer Öffnung für ein Kältemittel zum Durchstrom im Raum zwischen Mantelrohr und Innenrohr und mit jeweils einer Öffnung für ein zweites Wärmeübertragungsmedium zum Durchstrom im Innenrohr.
Die moderne Kältetechnik fordert möglichst leistungsfähige, kompakte und betriebssichere (korrosionssichere) Wärmeübertrager.
Bei bereits bekannten Wärmeübertragern (sog. Koaxial-Kondensatoren der genannten Art wird eine hohe Leistung durch die Verwendung eines außenberippten Innenrohres in Form eines gewalzten Rippenrohres mit integrierten, schraubenlinienförmig umlaufenden Rippen angestrebt. Bei diesem Wärmeübertrager befindet sich Kältemittel als erstes Wärmeübertragungsmedium im Raum zwischen Mantelrohr und Innenrohren, während als zweites Wärmeübertragungsmedium Wasser in den Innenrohren strömt. Die Strömung des Wassers in den Innenrohren begünstigt das Verhalten des Wärmeübertragers hinsichtlich Erosion und Korrosion. Um Erosionsschäden zu vermeiden, soll der Wärmeübertrager möglichst gleichmäßig durchströmt werden, ohne daß es örtliche Geschwindigkeitsspitzen gibt. Eine solche Forderung wird bei Strömung von Wasser im Rohr weitestgehend erfüllt. Um Korrosionsschäden zu verhindern, müssen beruhigte Wasserbereiche mit Geschwindigkeiten nahe Null vermieden werden. In solchen Bereichen würden sich absetzbare Stoffe ablagern können, was der Korrosion Vorschub leisten würde. Bei der Strömung des Wassers durch die Innenrohre wird dieser Nachteil vermieden.
Eine Umschaltung von Kondensatorbetrieb auf Verdampferbetrieb ist bei dem bekannten Wärmeübertrager allerdings nur kurzfristig möglich, da die Verdampfungsleistung im Verhältnis zur Kondensationsleistung zu gering ist. Deshalb ist man bisher gezwungen, auf sog. Koaxial-Verdampfer überzuqehen, bei denen sich Wasser im Raum zwischen Mantelrohr und Innenrohren befindet und das Kältemittel in innenberippten Innenrohren verdampft. Bei solchen Koaxial-Verdampfern mit Strömung des Wassers um die Innenrohre ergeben sich tote Ecken und Winkel, die Ablagerungen und damit der Korrosion Vorschub leisten.
Eine Erzielung großer Kompaktheit und damit die dichte Anordnung der Innenrohre in dem Mantelrohr wäre bei dem bekannten Koaxial-Kondensator mit mehreren gewalzten Rippenrohren ebenfalls nicht möglich, da dann durch entsprechend konstruierte Abstandshalter sichergestellt werden müßte, daß eine Verhakung der Rippen untereinander vermieden und der Wärmeübertrager überhaupt gebogen werden kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeübertrager der genannten Art so auszubilden, daß unter Beibehaltung der bisherigen Vorteile hinsichtlich Erosion und Korrosion Leistung und Kompaktheit verbessert werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Rippen des Innenrohres mit einer im Rippenquerschnitt gleichbleibenden T-Form umlaufen, wobei die glatten Enden der Rippen auf einer gedachten, mit der Rohrmittelachse koaxialen Zylinderfläche liegen und wobei sich die Enden unter Ausbildung enger Nuten einander nähern.
Bei einem Wärmeübertrager, dessen Innenrohre T-förmige Außenrippen aufweisen, ergibt sich generell der Vorteil höherer Leistung aufgrund der besseren Leistungsfähigkeit des Rippenrohres mit T-förmigen Rippen gegenüber den Rippenrohren nach dem Stand der Technik.
Außerdem hat sich herausgestellt, daß der Wärmeübertrager in gleicher Weise für Kondensator- und Verdampferbetrieb optimiert ist; d. h. die erreichbare Verdampferleistung steht in richtigem Verhältnis zur Kondensationsleistung, da die Verdampfungsleistung durch die Oberflächenstruktur der Innenrohre stark angehoben wird.
Bei einem Wärmeübertrager mit mehreren Innenrohren ergibt sich der Vorteil großer Kompaktheit, da die Innenrohre ein Wickeln ohne Distanzhalter zwischen den Innenrohren erlauben; denn die Innenrohre können sich aufgrund ihrer Oberflächenstruktur beim Biegevorgang relativ zueinander bewegen.
Rippenrohre mit äußeren T-förmigen Rippen sind zwar als solche bekannt, jedoch nicht deren Einsatz in gewickelten Wärmeübertragern. Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung nimmt der Abstand der Rippen in Radialrichtung ausgehend von der Rohrwandung kontinuierlich zu und zu den Rippenenden hin kontinuierlich ab.
Zur Erzielung guter Wärmeübertragungseigenschaften empfiehlt es sich, zwei bis zwanzig Rippen pro cm anzuordnen, wobei die obere Nutbreite vorzugsweise 0,1 bis 1,0 mm betragen sollte.
Bei Wärmeübertragern mit einem Innenrohr liegt das Verhältnis des Innendurchmessers des Mantelrohres zur Breite des Ringraumes vorzugsweise im Bereich von 5 bis 20, insbesondere von 8 bis 13.
Bei Wärmeübertragern mit mehreren Innenrohren liegt das Verhältnis des Innendurchmessers des Mantelrohres zum hydraulischen Durchmesser ebenfalls vorzugsweise im Bereich von 5 bis 20. Der hydraulische Durchmessers ist dabei als folgendes Verhältnis definiert: 4 x durchströmte Querschnittsfläche im Mantelrohr außerhalb der Innenrohre gesamte benetze Umfangslänge des Mantelrohres und der Innenrohre Bei Wärmeübertragern mit mehreren Innenrohren empfiehlt es sich aus herstellungstechnischen Gründen, wenn die Innenrohre untereinander denselben Durchmesser aufweisen, dabei ist die Anordnung der Innenrohre um ein zentrales Innenrohr bevorzugt.
Zur Erzielung einer Drallströmung des im Raum zwischen Mantelrohr und Innenrohren strömenden Mediums kann in vorteilhafter Weise um das zentrale Innenrohr ein gewendelter Draht geführt sein. Wenn verschiedene Wärmeübertragungsmedien durch die Innenrohre geführt werden sollen, dann empfiehlt sich die Ausbildung der Innenrohre mit untereinander unterschiedlichen Außendurchmessern.
Bei Wärmeübertragern mit mehreren Innenrohren sind die Innenrohre normalerweise achsparallel im Mantelrohr angeordnet, jedoch auch die verdrallte Anordnung des Bündels fällt in den Rahmen der Erfindung.
Zur Erzielung optimaler Wärmeübertragungseigenschaften ist das Kältemittel im Gegenstrom zum zweiten Wärmeübertragungsmedium geführt.
Der gewickelte Wärmeübertrager ist vorzugsweise gewendelt, insbesondere mit flachovaler Grundfläche, oder spiralförmig ausgeführt.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 einen Längs- bzw. Teilschnitt durch einen Wärmeübertrager mit einem Innenrohr, Fig. la das Detail A nach Fig. 1, Fig. 2 schematisch einen Querschnitt durch den Wärmeübertrager nach Fig. 1 nach Linie II-II, Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen Wärmeübertrager mit mehreren Innenrohren, Fig. 4 einen Querschnitt durch den Wärmeübertrager nach Fig. 3 nach Linie IV-IV und Fig. 5 eine Seitenansicht eines Wärmeübertragers in gewendelter Ausführung.
Bei dem Ausführungsbeispiel eines Wärmeübertragers nach Fig. 1, 1a und 2 ist in einem Mantelrohr 1 ein als Rippenrohr ausgebildetes Innenrohr 2 koaxial angeordnet. Bei dem Innenrohr 2 laufen T-förmige Rippen 3 schraubenlinienförmig mit einer im Rippenquerschnitt gleichbleibenden T-Form um. Der Fuß 4 der Rippen 3 steht also radial von der Rohrwandung 5 ab, während die Rippenenden 6 glatt ausgebildet sind und auf einer gedachten, mit der Rohrmittelachse koaxialen Zylinderfläche liegen. So entstehen Nuten 7 (vgl. die obere Nutbreite B in Fig. 1a). Der Abstand zwischen den Rippen 3 ändert sich kontinuierlich, so daß zwischen den Rippen 3 im wesentlichen abgerundete Hohlräume vorhanden sind.
Die Breite des Ringraumes 8 zwischen Mantelrohr 1 und Innenrohr 2 ist in Fig. 2 mit R bezeichnet, der Innendurchmesser des Mantelrohres mit d1, die Rippenhöhe mit hR Der schraubenlinienförmige Verlauf der Rippen 3 ist durch einen Trennstrich angedeutet. Fig. 1 zeigt links einen Fitting 9 mit zwei Öffnungen 10, 11; durch die Öffnung 10 wird das unberippte Ende des Innenrohres 2 geführt, so daß der Ringraum 8 stirnseitig abgeschlossen ist. Ein Kältemittel 12 wird als Wärmeübertragungsmedium dem Raum 8 durch die Öffnung 11 im Fitting 9 zugeführt, ein zweites Wärmeübertragungsmedium 13 strömt durch das Innenrohr 2.
Die Fig. 3 und 4 zeigen das Ausführungsbeispiel eines Wärmeübertragers, bei dem im Mantelrohr 1 sieben Innenrohre 2 mit untereinander gleichem Außendurchmesser angeordnet sind. Sechs Innenrohre 2 sind dabei in dichter Anlage um ein zentrales Innenrohr angeordnet. Zur Erzielung eines Dralleffektes für das erste Wärmeübertragungsmedium im Raum zwischen Mantelrohr 1 und Innenrohren 2 ist ein gewendelter Draht 14 um das zentrale Innenrohr geführt. Bei dieser mehrrohrigen Ausführungsform ist der Fitting 9 mit einem Stützblech 15 versehen, in dem die Enden der Innenrohre 2 gehalten sind.
Die Pfeile in Fig. 1 und 3 deuten an, daß das Kältemittel 12 im Raum 8 als ein erstes Wärmeübertragungsmedium zwischen Mantelrohr 1 und Innenrohren 2 im Gegenstrom zum zweiten Wärmeübertragungsmedium 13 (beispielsweise Wasser) in den Innenrohren 2 geführt ist. Im Verdampferbetrieb verdampft das Kältemittel 12 im Raum 8, im Kondensationsbetrieb kondensiert es dort.
Fig. 5 zeigt den Wärmeübertrager nach Fig. 3, 4 in gewendelter Ausführung.
Beispiel: Es wurde ein gewendelter Wärmeübertrager (Windungszahl: 4,5) mit einem Cu-Mantelrohr von 64 x 2,5 mm und" sieben Cu-Innenrohren hergestellt. Die Abmessungen der Innenrohre mit T-förmigen Rippen betrugen: Rippenteilung 1135 mm Rippendurchmesser: 19,0 mm Kerndurchmesser : 16,6 mm Innendurchmesser : 15,0 mm Rippenhöhe hR : 1,2 mm Bei Einsatz von Wasser in den Innenrohren und von Kältemittel R 22 im Ringraum betrug die Verdampfungsleistung im Verhältnis zur Kondensationsleistung 78,5 % im Gegensatz zu etwa 45 bis 50 % bei Wärmeübertragern mit bisher üblichen, gewalzten Rippenrohren.

Claims

Patentansprüche: 1. Gewickelter Wärmeübertrager, insbesondere für Kondensation und/oder Verdampfung in Wärmepumpen oder Kälteanlagen, bestehend aus einem Mantelrohr (1), aus mindestens einem darin angeordneten, außen berippten Innenrohr (2) mit schraubenlinienförmig umlaufenden Rippen (3), deren Fuß (4) im wesentlichen radial von der Rohrwandung (5) absteht, und aus stirnseitig angeordneten Fittingen (9) mit jeweils einer öffnung (11) für ein Kältemittel (12) zum Durchstrom im Raum (8) zwischen Mantelrohr (1) und Innenrohr (2) und mit jeweils einer Öffnung (10) für ein zweites Wärmeübertragungsmedium (13) zum Durchstrom im Innenrohr (2), dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (3) des Innenrohres (2) mit einer im Rippenquerschnitt gleichbleibenden T-Form umlaufen, wobei die glatten Enden (6) der Rippen (3) auf einer gedachten, mit der Rohrmittelachse koaxialen Zylinderfläche liegen und wobei sich die Enden (6) unter Ausbildung enger Nuten (7) einander nähern.
2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Rippen (3) in Radialrichtung ausgehend von der Rohrwandung (5) kontinuierlich zunimmt und zu den Rippenenden (6) hin kontinuierlich abnimmt.
3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei bis zwanzig Rippen (3) pro cm angeordnet sind.
4. Wärmeübertrager nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Nutbreite (B) 0,1 bis 1,0 mm beträgt.
5. Wärmeübertrager nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 mit einem Innenrohr (2), dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Innendurchmessers (dI) des Mantelrohres (1) zur Breite (R) des Ringraumes (8) 5 bis 20 beträgt.
6. Wärmeübertrager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis 8 bis 13 beträgt.
7. Wärmeübertrager nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 mit mehreren Innenrohren (2), dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Innendurchmessers (dI) des Mantelrohres (1) zum hydraulischen Durchmesser 5 bis 20 beträgt.
8. Wärmeübertrager nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenrohre (2) untereinander denselben Außendurchmesser aufweisen.
9. Wärmeübertrager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenrohre (2) um ein zentrales Innenrohr angeordnet sind.
10. Wärmeübertrager nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß um das zentrale Innenrohr ein gewendelter Draht (12) geführt ist.
11. Wärmeübertrager nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenrohre (2) untereinander unterschiedliche Außendurchmesser aufweisen.
12. Wärmeübertrager nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 und 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Bündel der Innenrohre (2) insgesamt verdrallt ist.
13. Wärmeübertrager nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältemittel (12) im Gegenstrom zum zweiten Wärmeübertragungsmedium (13) geführt ist.
14. Wärmeübertrager nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß er gewendelt ausgeführt ist.
15. Wärmeübertrager nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß er eine flachovale Grundfläche aufweist.
16. Wärmeübertrager nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß er spiralförmig ausgeführt ist.