DE3510441A1 - Waermetauscher, insbesondere fuer zwei fluessige medien - Google Patents

Description

Beschreibung

1. Wärmetauscher, insbesondere für zwei flüssige Medien, der je einen Zulauf und Ablauf für die beiden Medien aufweist, und in dem getrennte Leitungen oder Kanäle zur Führung der beiden Medien im Gegenstrom zueinander und unter Wärmeaustausch untereinander vorhanden sind, gekennzeichnet

— durch einen, den Wärmetauscher (1) in dessen Mitte in Längsrichtung durchsetzenden, in gleicher Richtung vom ersten Medium durchströmten Zentralkanal (5),

— durch wenigstens einen konzentrisch um den Zentralkanal (5) angeordneten, vom zweiten Medium zirkulär durchströmten Kanal (6),

— durch zum Zentralkanal (5) konzentrisch wenigstens in einem Abstand in zwei Ebenen übereinander angeordnete, gegeneinander winkelversetzte und jeweils zu zweit übereinander durch einen Durchlaß (8) in Verbindung stehende, in Gegenrichtung zum zweiten Medium vom ersten Medium durchströmte kammerartige Kanäle (T, 7"), deren Wandungen (9) wenigstens teilweise zugleich die Wandungen (9) des/der vom zweiten Medium durchströmten Kanals/Kanäle (6) bilden und

— durch wenigstens einen mit Auslässen (12) der Kammern (7") der oberen Ebene und dem Zentralkanal (5) verbundenen Überströmkanal (20).

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die übereinander angeordneten, miteinander verbundenen Kammern (T, 7") derart gegeneinander winkelversetzt sind, daß eine Überschneidung von der Breite des Durchlasses (8) verbleibt.

3. Wärmetauscher nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß er drei konzentrische Kanäle (6) für das zweite Medium und zwischen diesen zwei konzentrische Kammeranordnungen (T, 7") für das erste Medium aufweist.

4. Wärmetauscher nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der wärmetauschenden Wandungen (9) der Kanäle und Kammern (6, T, 7") parallel zum Zentralkanal (5) verlaufende Rippen oder Vorsprünge (10) aufweist.

5. Wärmetauscher nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentralkanal (5) auf seiner Innenseite in Strömungsrichtung verlaufende Rippen (10') aufweist.

6. Wärmetauscher nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß er aus zwei ineinandergesetzten, gegeneinander abgedichteten Teilen (2,3), nämlich einem Becherteil (2) mit dem Zentralkanal (5) und einem Einsatzteil (3) und aus einem einen oberen Abschlußteil bildenden Deckel (4) besteht

7. Wärmetauscher nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die wärmetauschenden Wandungen (9) aus Aluminium bestehen.

8. Wärmetauscher nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der Becherteil (2) und der Einsatzteil (3) im Druckgußverfahren hergestellt sind.

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für zwei flüssige Medien, der je einen Zulauf und Ablauf für die beiden Medien aufweist, und in dem getrennte Leitungen oder Kanäle zur Führung der beiden Medien im Gegenstrom zueinander und unter Wärmeaustausch untereinander vorhanden sind.

Es ist bekannt, daß der Wärmeaustausch zwischen ίο zwei unterschiedlich temperierten, nicht im unmittelbarem Kontakt zueinander stehenden Medien dann den höchsten Wirkungsgrad erreicht, wenn die Medien im Gegenstrom zueinander in geeigneten, mit Leitungen oder Kanälen ausgestatteten Vorrichtungen geführt werden. Üblicherweise bestehen solche Wärmetauscher aus einer inneren, das erste Medium führenden Leitung und aus einer die innere Leitung unter Ausbildung eines Hohlraumes umgebenden zweiten Leitung, worin das zweite Medium im Gegenstrom zum ersten Medium strömt.

Nachteilig ist bei derartigen Wärmetauschern, daß sie entweder sperrige, langgestreckte Formen aufweisen oder daß, wenn sie in eine kompaktere Form gebracht werden sollen, dies nur mit einem hohen Herstellungsaufwand realisierbar ist. Weiterhin nachteilig ist, daß Zu- und Ablauf für die beiden Medien jeweils weit voneinander entfernt angeordnet sind und so aufwendige Leitungsführungen erforderlich sind. Schließlich ist ein hohes Gewicht nachteilig für viele Anwendungen.

Es stellt sich daher die Aufgabe, einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art zu schaffen, der die aufgeführten Nachteile vermeidet und der insbesondere eine kompakte Form und ein geringes Gewicht aufweist, einen geringen Herstellungsaufwand erfordert, günstige Zu- und Ableitungsführungen erlaubt und einen guten Wirkungsgrad hat.

Die Lösung der Aufgabe gelingt erfindungsgemäß durch einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1.

Durch die konzentrische Anordnung der Kanäle werden eine optimale Raumausnutzung und eine sehr kompakte Bauform erreicht, die keinen toten Raum enthält. Die zirkuläre Strömung des Kühlmittels wird dadurch erzeugt, daß Ein- und Auslaß für das zweite Medium nahe benachbart diesseits bzw. jenseits einer radial verlaufenden Trennwand liegen, so daß das durchfließende zweite Medium einen angenäherten 360°-Bogen beschreibt. Dies ergibt eine eindeutig definierte, einheitliche Strömungsrichtung des zweiten Mediums im Wärmetauscher. Die eng benachbarte Lage von Kühlmitteleinlaß und -auslaß erlaubt eine platzsparende, parallele Führung der zugehörigen Leitungen bzw. Schläuche. Die Querschnittsform des Kanals bzw. der Kanäle ist vorzugsweise die eines hohen, schmalen Rechteckes, da so eine relativ große Wandungsfläche bei einem geringen radialen Platzbedarf erzielt wird.

Um das erste Medium in den für einen guten Wirkungsgrad vorteilhaften Gegenstrom zum zweiten Medium zu bringen, ist die beschriebene Anordnung von kammerartigen Kanälen vorgesehen. Die Kammerquerschnittsform ähnelt der des Kanals für das zweite Medium, hat aber nur etwa deren halbe Höhe. Die zirkuläre Erstreckung der Kammern ist so bemessen, daß diese die Höhe der Kammern deutlich übertrifft. Nach dem Einströmen in eine Kammer z. B. der unteren Ebene, an deren einem Ende fließt also das erste Medium in zirkularer Richtung, d. h. der Haupterstrekkungsrichtung der Kammer bis zum gegenüberliegenden Ende, steigt von

dort durch einen Durchlaß in eine Kammer der oberen Ebene und verläßt diese an deren Ende durch einen Auslaß nach oben und tritt in einen mit dem Zentralkanal verbundenen Überströmkanal ein. Je nach Höhe und Durchmesser des Wärmetauschers sowie Abstand der Kammern vom zentralen Kanal kann eine Anordnung mindestens je zwei Kammern pro Ebene umfassen, es kann aber auch eine größere Anzahl sein. Auch können in radialer Richtung gesehen mehrere Kammeranordnungen für das erste Medium und Kanäle für das zweite Medium vorhanden sein.

Zu einer guten Wärmeübertragung trägt weiterhin bei, daß die Wandungen zum großen Teil auf einer Seite vom einen Medium und auf der anderen vom zweiten Medium überstrichen werden. Den Wärmeübergang behindernde Grenzflächen oder Zwischenräume sind nicht vorhanden.

Der günstigste Strömungsverlauf des ersten Mediums ergibt sich in den Kammern, wenn die beiden miteinander verbundenen Kammern um einen solchen Winkel gegeneinander zirkulär versetzt sind, daß die Überschneidung gerade noch die für den Durchlaß erforderliche Größe hat. Hierdurch wird das bestmögliche Verhältnis von zirkulärem zu axialem Strömungsweg erreicht, so daß zwischen den beiden Medien weitgehend ein Gegenstrom besteht. Lediglich im Bereich von Ein- und Auslaß des zweiten Mediums und des Zentralkanals ist dies nicht der Fall.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Wärmetauschers sieht vor, daß drei konzentrische, parallel durchströmte Kanäle für das zweite Medium und zwischen diesen zwei konzentrische Kammeranordnungen für das erste Medium aufweist. Hiermit wird einerseits eine genügend große Wärmeaustauschfläche bei geringer Baugröße erreicht, andererseits wird aber noch ein ausreichend großer Kanalquerschnitt gewährleistet, bei dem Druckverluste der Medien noch nicht zu hoch werden.

Bei glattflächigen Wandungen der Kanäle stellt sich eine im wesentlichen laminare Strömung in den Medien ein, was Temperaturgradienten in den fließenden Medium zur Folge hat. Hierbei sind die wandungsnahen Schichten und die mittleren Schichten unterschiedlich temperiert. Abhilfe schafft hier die Erzeugung von Turbulenzen, die eine gleichmäßigere Wärmeverteilung in den fließenden Medien und damit einen verstärkten Wärmeaustausch bewirken. Hierfür sind Rippen oder Vorsprünge auf den Wandungen der Kanäle und Kammern, bevorzugt auf den wärmeaustauschenden Wandungen, vorgesehen. Die Rippen erstrecken sich sinnvollerweise senkrecht zur Strömungsrichtung, d. h. parallel zum Zentralkanal, um bestmöglich für eine Verwirbelung zu sorgen. Parallel wird die Wärmeaustauschfläche hierdurch weiter vergrößert.

Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die Rippen abwechselnd auf einander gegenüberliegenden Wandungen eines Kanals bzw. einer Kammer angeordnet sind und eine Höhe haben, die etwa bis zur Mitte des Kanals reicht. Es wird so zusätzlich ein mäandrierender Fluß der Medien und so ein verlängerter Fließweg mit dem Ergebnis eines verbesserten Wärmeaustausches erzielt.

Zur Verbesserung des Wärmeaustausches durch die Wandung des Zentralkanals ist dieser vorteilhaft auf seiner Innenseite mit in Strömungsrichtung verlaufenden Rippen versehen. So wird die Wärmeaustauschfläche vergrößert, der Durchflußwiderstand aber nicht mehr nennenswert erhöht.

Um eine kostengünstige und rationelle Herstellung zu gewährleisten, ist vorgesehen, daß der Wärmetauscher aus zwei ineinandergesetzten, gegeneinander abgedichteten Teilen, nämlich aus einem Becherteil mit dem Zentralkanal und einem Einsatzteil und aus einem einen oberen Abschlußteil bildenden Deckel (4) besteht. Der Einsatzteil umfaßt zumindest eine ringförmige Kammeranordnung, kann aber auch zwei oder mehr derartiger Anordnungen aufweisen. Die Abdichtung der Teile gegeneinander kann beispielsweise durch O-Ringe

ίο oder auch durch Verklebung erfolgen. Nach oben werden die beiden ineinandergesteckten Teile durch den Deckel mit wenigstens einem Überströmkanal verschlossen. Durch die beschriebene Konstruktion des Wärmetauschers mit nur drei Teilen wird der Herstellungs- und Montageaufwand sehr gering.

Besonders vorteilhaft ist es, zumindest die wärmeaustauschenden Wandungen aus Aluminium herzustellen. Aluminium hat sowohl eine gute Wärmeleitfähigkeit als auch ein geringes Gewicht und läßt sich sehr leicht bearbeiten.

Besondere wirtschaftliche Vorteile ergeben sich daraus, daß vorgesehen ist, zumindest den Becherteil und den Einsatzteil im Druckgußverfahren herzustellen. Dies ist bei der beschriebenen Ausführung der Teile problemlos möglich, da die Voraussetzung der Entformbarkeit, d. h. die Möglichkeit, Gußformen nach dem Gießen von dem Gußteil einfach zu trennen, gegeben ist. Nach dem Guß ist lediglich eine Bearbeitung von geringem Umfang erforderlich. Auch für den Deckel ist diese Herstellungsweise möglich.

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher ist damit im Vergleich zu bekannten derartigen Vorrichtungen bei vergleichbarem Wirkungsgrad sowohl wesentlich kompakter in seiner Baugröße als auch rationeller und kostengünstiger herstellbar.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen im einzelnen:
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher in Vertikalschnitt,

Fig. 2 den Wärmetauscher im Horizontalschnitt entlang der Linie A-A in Fig. 1 und

Fig. 3 eine Anordnung von kammerartigen Kanälen im Wärmetauscher in abgerollter Darstellung.

Wie Fig. 1 zeigt, besteht der erfindungsgemäße Wärmetauscher 1 aus drei Teilen 2,3 und 4, nämlich einem Becherteil 2 (Schraffur nach rechts steigend), einem Einsatzteil 3 (Schraffur nach links steigend) und aus einem im dargestellten Beispiel in zwei Teile 4' und 4" unterteilten Deckel 4. In seiner Mitte weist der Becherteil 2 einen zentralen, in Richtung der Längsachse des Wärmetauschers 1 verlaufenden Zentralkanal 5 auf. Dieser mündet im unteren Teil des Wärmetauscher 1 in eine Ablaufleitung 14. Parallel hierzu verläuft eine Zulaufleitung 13. Beide Leitungen 13 und 14 dienen zur Führung des ersten Mediums.

In den Becherteil 2 ist der Einsatzteil 3 unter Abdichtung mittels Dichtungen 18 gegen den Becherteil 2 eingesetzt. Der Einsatzteil 3 weist im dargestellten Beispiel der Erfindung vier zueinander und zum Zentralkanal 5 parallele Wandungen 9 auf, wodurch im Zusammenwirken mit dem Becherteil 2 Kanäle 6, T und 7" gebildet werden, deren Querschnittsform der eines hohen schmalen Rechteckes entspricht. Die Kanäle T und 7" dienen der Führung des ersten Mediums, das durch Einlasse 11 an der Unterseite der Kanäle 7 dorthin gelangt. Die Verbindung der Kanäle 7" mit dem Zentralkanal 5 stellen Auslässe 12 an den oberen Enden der Kanäle 7"

sowie Überströmkanäle 19,20 her. Die Kanäle 6, die sich in radialer Richtung gesehen mit den Kanälen 7' und 7" abwechseln, dienen der Führung des zweiten Mediums. Nach oben sind die Kanäle 6 durch das Unterteil 4" des Deckels 4 verschlossen, so daß zwei völlig getrennte Kreisläufe gegeben sind, bei denen eine Vermischung von erstem und zweitem Medium ausgeschlossen ist.

Die wechselweise Anordnung der Kanäle 6 und T bzw. 7" für die beiden Medien zeigt besonders deutlich Fig. 2, die einen Schnitt entlang der Linie A-A in Fig. 1 zeigt. In der Mitte ist der Zentralkanal 5 zu erkennen, der auf seiner Innenseite oberflächenvergrößernde Rippen 10' aufweist, die in Richtung der Strömung verlaufen. Das zweite Medium gelangt durch einen Einlaufstutzen 15 an der Außenseite des Wärmetauschers 1 in die Kanäle 6, die mit unterschiedlichen Abständen konzentrisch zum Zentralkanal 5 angeordnet sind. Die Kanäle 6 beschreiben einen angenäherten 360°-Bogen und enden an einem Auslaßstutzen 16 zum Abführen des zweiten Mediums, wobei die Trennung vom Einlaß durch eine radial verlaufende Trennwand 17 erfolgt. Zwischen den drei Kanälen 6 sind zwei Ringe von kammerartigen Kanälen T und 7" zur Führung des ersten Mediums angeordnet, wobei diese in von einem Einlaß 8 bis zum nächsten Einlaß 8 sich erstreckende Teilabschnitte unterteilt ist.

Die Gestaltung der Kanäle T und 7" wird besonders deutlich aus der in Flg. 3 gezeigten abgerollten Darstellung eines Teiles einer Wandung 9. Es sind kammerartige Kanäle T und 7", angeordnet in zwei übereinanderliegenden Ebenen, vorhanden, wobei die Längenerstrekkung der Kanäle bzw. Kammern 7' und 7" größer ist als deren Höhe. An einer der unteren Ecken der unteren Kammern 7' ist jeweils ein Einlaß 11 angeordnet, durch den das erste Medium in die Kammer 7' einströmt. An der diagonal gegenüberliegenden Ecke ist ein Durchlaß 8 vorhanden, der seinerseits am Anfang einer Kammer 7" der oberen Ebene liegt. Die obere Kammer 7" verfügt wiederum diagonal gegenüber dem Durchlaß 8 über einen Auslaß 12. Diese Anordnung von je zwei versetzt übereinander angeordneten Kammern T und 7" wiederholt sich je nach dem verfügbaren Raum, abhängig vom Abstand vom Zentralkanal 5, ein- bis mehrmal.

Durch Rippen 10 auf den Wandungen 9 wird die Warmetauscherfläche vergrößert und es werden Turbulenzen in den fließenden Medien erzeugt. Höhe, Anzahl und Abstand der Rippen 10 liegen im Ermessen des Fachmannes und richten sich nach den Erfordernissen bezüglich Wärmeaustausch und Druckverlust. Auch eine Ausführung des Wärmetauschers 1 ohne Rippen 10, 10' oder mit Rippen 10,10', nur in einem Teil der Kanäle 6,7', 7" ist denkbar.

Im folgenden wird die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Wärmetauschers erläutert.

Es sei angenommen, daß ein heißes, zu kühlendes erstes Medium durch die Leitung 13 in den Wärmetauscher gelangt. Von dort wird es durch die Einlasse 11 in die kammerartigen Kanäle bzw. Kammern T verteilt. Nach dem Durchströmen der Kammern T der unteren Ebene in zirkularer Richtung, im Beispiel mit dem Uhrzeigersinn, folgt der Übergang in die Kammern 7" der oberenen Ebene durch die Durchlässe 8. Die Kammern 7" werden ebenfalls in zirkularer Richtung im Uhrzeigersinn vom ersten Medium durchströmt und durch Auslässe 12 verlassen. Weiter fließt das Medium durch Überströmkanäle 19, 20 in den Zentralkanal 5 und von dort durch die Leitung 14 ab.

Parallel hierzu strömt durch den Einlaßstutzen 15 das zweite Medium, ein Kühlmittel wie z. B. Kühlwasser in die Kanäle 6 ein, durchfließt diese in zirkulärer Richtung entgegengesetzt zum ersten Medium, also gegen den Uhrzeigersinn und tritt durch den Auslaßstutzen 16 wieder aus und wird abgeführt.

Durch die gemeinsamen Wandungen 9 der Kanäle 6 und Kammern T und 7" findet ein Wärmeaustausch statt, dessen Effektivität dadurch, daß die aneinander vorbeifließenden Medien, z.B. Kühlwasser und öl, im Gegenstrom fließen, sehr hoch ist. Der Zweck des Wärmeaustauschers in der beschriebenen Beschickung mit Medium ist die Kühlung des mit hoher Temperatur einströmenden ersten Mediums. Auch der umgekehrte Effekt kann vorteilhaft sein, d. h. die Erwärmung des zweiten Mediums.

Schließlich kann auch die Beschickung des Wärmetauschers umgekehrt werden, d. h.

a) Ein- und Auslaß beider Medien sind zugleich zu vertauschen, ohne daß die prinzipielle Wirkungsweise, abgesehen von umgekehrten Strömungsrichtungen, verändert wäre oder

b) die Temperaturverhältnisse der beiden Medien sind vertauscht, was lediglich die Richtung des Wärmeüberganges umkehrt.

Claims (1)

1. Patentansprüche