DE3813501A1

DE3813501A1 - COUNTERFLOW HEAT EXCHANGER

Info

Publication number: DE3813501A1
Application number: DE19883813501
Authority: DE
Inventors: Gottfried Dipl Phys Dr Paehler
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1988-04-22
Filing date: 1988-04-22
Publication date: 1989-11-09
Also published as: EP0339318A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Gegenstromwärmeaustauscher nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a counterflow heat exchanger according to the preamble of claim 1.

Gegenstromwärmeaustauscher, im folgenden abkürzend als Wärmetauscher bezeichnet, spielen eine wichtige Rolle bei vielen Kühlvorrichtungen, bei der Gasverflüssigung und bei der Gasreinigung.Counterflow heat exchanger, hereinafter abbreviated as Designated heat exchangers play an important role with many cooling devices, with gas liquefaction and gas cleaning.

Aufgabe eines Wärmetauschers ist es, Wärme von einem strömenden Medium (Gas, Flüssigkeit) auf ein anderes zu übertragen, ohne daß sich die Stoffe dabei vermischen. Man erreicht dieses Vorhaben entweder durch gut wärme leitende Trennwände oder mit Hilfe wärmespeichender Massen. Die Erfindung bezieht sich dabei auf die erst genannten Trennwand-Wärmetauscher, bei denen ein Gas das strömende Medium bildet.The job of a heat exchanger is to get heat from one flowing medium (gas, liquid) towards another transferred without the substances mixing. You can achieve this by either warming well conductive partitions or with the help of heat-storing Masses. The invention relates to the first called partition wall heat exchangers, in which a gas forms the flowing medium.

Damit der Wärmetauscher effizient mit hohem Wirkungs grad arbeitet, muß ein guter Wärmekontakt zwischen dem warmen und dem kalten Medium über die Trennwand gegeben sein. Der Wirkungsgrad kann einerseits durch eine Ver größerung der Kontaktfläche und andererseits durch eine Erhöhung der sehr geringen Wärmeübergangszahl zwischen der Trennwand und dem strömenden Gas verbessert werden. So that the heat exchanger is efficient with high efficiency is working, there must be good thermal contact between the given warm and the cold medium over the partition be. The efficiency can on the one hand by ver enlargement of the contact area and on the other hand by a Increase in the very low heat transfer coefficient between the partition and the flowing gas can be improved.

Zur Vergrößerung der Kontaktfläche werden der Trennwand, die meist als Metallrohr ausgebildet ist, parallel ste hende Rippen aus einem Metall mit hoher Wärmeleitfähig keit, beispielsweise Kupfer, aufgelötet.To increase the contact area, the partition, which is usually designed as a metal tube, parallel ste ribs made of a metal with high thermal conductivity speed, for example copper, soldered.

Die Wärmeübergangszahl kann ungefähr um den Faktor 4 gesteigert werden, wenn die Strömung des kalten Gases an der Außenseite des Rohrs nicht mehr laminar, sondern turbulent verläuft. Dies wird meist dadurch erreicht, daß zwischen den Metallrippen dünne Nylonfäden oder Turbulenzdrähte angebracht werden, die ein Abreißen der laminaren Strömung bewirken. Dies erfordert jedoch ei nen zusätzlichen Fertigungsschritt beim Herstellungs prozeß des Wärmetauschers, zudem sind die benötigten dünnen Drähte nur sehr schwierig herzustellen.The heat transfer coefficient can be approximately 4 times be increased when the flow of cold gas on the outside of the tube no longer laminar, but is turbulent. This is mostly achieved by that between the metal ribs thin nylon threads or Turbulence wires are attached that will tear off the effect laminar flow. However, this requires egg NEN additional manufacturing step in manufacturing process of the heat exchanger, moreover, the required thin wires very difficult to manufacture.

Eine Erhöhung der Wärmeübergangszahl zwischen Metall rohr und strömendem Medium und damit eine Verbesserung des Wirkungsgrads der Kühlvorrichtung wird nach der Erfindung ohne zusätzliche Hilfsmittel dadurch erreicht, daß die Metallrippen derart unterschiedlich schräg ge geneinander angestellt sind, daß die Strömung des rück strömenden Gases turbulent verläuft.An increase in the heat transfer coefficient between metal pipe and flowing medium and thus an improvement the efficiency of the cooling device is according to the Invention achieved without additional tools that the metal ribs ge so differently inclined are against each other that the flow of the back flowing gas is turbulent.

Bei gleicher Abmessung des Wärmetauschers führt dies zu wesentlich kürzeren Abkühlzeiten bzw. bei gleicher Ab kühlzeit kann die Abmessung der Kühlvorrichtung oder die Zahl der Kühlrippen verringert werden.With the same dimensions of the heat exchanger, this leads to significantly shorter cooling times or with the same ab cooling time can be the dimension of the cooling device or the number of cooling fins can be reduced.

Anhand der Fig. 1, 2a und 2b soll nun, am Beispiel eines Joule-Thomson-Kühlers, das Kühlprinzip mit Hilfe des Wärmetauschers sowie die erfindungsgemäße Verbes serung des Wärmetauschers erläutert werden.Referring to Figs. 1, 2a and 2b will now, the example of a Joule-Thomson cooler, the cooling principle with the aid of the heat exchanger as well as the verb according to the invention the heat exchanger provement will be explained.

Fig. 1 zeigt im Längsschnitt den schematischen Aufbau des Joule-Thomson-Kühlers. Fig. 1 shows in longitudinal section the schematic structure of the Joule-Thomson cooler.

Die Fig. 2a und 2b zeigen Ausschnitte vom Joule- Thomson-Kühlermantel mit dem Strömungsverlauf des kal ten Gases, wobei Fig. 2a den Stand der Technik wieder gibt und Fig. 2b die erfindungsgemäße Ausgestaltung zeigt. FIGS. 2a and 2b show details of Joule-Thomson cooler coat with the flow path of the kal th gas, wherein Fig. 2a are the prior art again, and Fig. 2b shows the embodiment according to the invention.

In Fig. 1 ist der Strömungsverlauf des zu kühlenden Gases in einem Joule-Thomson-Kühler 1 dargestellt. Die ses Gas, meist Stickstoff oder Argon, strömt mit hohem Druck, beispielsweise 100-300 bar, aus der Zuleitung 4 a eines Hochdruckgasspeichers 4 entlang eines Edel stahl-Hochdruckrohrs 5, das hier als Trennwand des Wär metauschers dient; das Hochdruckrohr 5 ist üblicherwei se spiralförmig auf einen meist aus einem dünnwandigen Metallrohr bestehenden Trägerkörper 3 aufgelötet. In einer Expansionsdüse 9 expandiert das hoch verdichtete Gas 7 adiabatisch (Drosselentspannung); dies führt zu einer Temperaturabsenkung. Das entspannte kalte Gas 8 strömt an der Außenseite des Rohrs 5 zwischen dem Dewar gefäß 2, das zur Wärmeisolation dient, entlang der Me tallrippen 6 am zu kühlenden Objekt 3 a vorbei, das sich zusammen mit dem Joule-Thomson-Kühler 1 im Dewargefäß 3 befindet, nach unten, bevor es aus dem Joule-Thomson- Kühler 1 austritt.In Fig. 1 the flow path is shown of the gas to be cooled in a Joule-Thomson cooler 1. This gas, mostly nitrogen or argon, flows at high pressure, for example 100-300 bar, from the supply line 4 a of a high-pressure gas storage 4 along a stainless steel high-pressure pipe 5 , which serves as a partition of the heat exchanger here; The high-pressure pipe 5 is usually soldered in a spiral shape onto a support body 3 which usually consists of a thin-walled metal pipe. In an expansion nozzle 9 , the highly compressed gas 7 expands adiabatically (throttle relaxation); this leads to a drop in temperature. The relaxed cold gas 8 flows on the outside of the tube 5 between the Dewar vessel 2 , which is used for heat insulation, along the metal fins 6 past the object 3 a to be cooled, which together with the Joule-Thomson cooler 1 in the Dewar vessel 3 is down before it exits the Joule-Thomson cooler 1 .

Der Betrag der Abkühlung ist von der Gasart und von der Druckdifferenz der Gase 7 und 8 abhängig.The amount of cooling depends on the type of gas and the pressure difference of gases 7 and 8 .

Da durch das rückströmende kalte Gas 8 das einströmende warme Gas 7 vorgekühlt wird, ist durch sukzessives Fort führen der Prozeßschritte Drosselentspannung und Wärme austausch eine weitere Temperaturabsenkung des Gases bis hin zur Verflüssigung möglich, wodurch eine effek tive Kühlung des Objekts 3 a erreicht wird. Bei Stick stoff beispielsweise beträgt diese Verflüssigungstem peratur 77 K. Das Objekt 3 a ist beispielsweise ein Glas Hohlzylinder, der als Kühlfinger für ein nicht darge stelltes CdHgTe-Infrarot-Detektorelement dient, das sich an der Stirnfläche des Joule-Thomson-Kühlers be findet.Since the inflowing warm gas 7 is pre-cooled by the returning cold gas 8, the process steps throttle relaxation and heat exchange lead to a further reduction in the temperature of the gas up to liquefaction by successive continuation, whereby an effective cooling of the object 3 a is achieved. In stick material, for example, this Verflüssigungstem is temperature 77 K. The object 3 a is for example a hollow glass cylinder which is as a cooling finger for a non Darge notified CdHgTe infrared detector element is used, which is found at the end face of the Joule-Thomson cooler be.

Fig. 2a zeigt die Anordnung der Metallrippen 6 auf dem Hochdruckrohr 5 nach dem Stand der Technik. Die Metall rippen 6 werden alle parallel zueinander in Richtung der Mantellinien 11 auf das Hochdruckrohr aufgelötet. Die Strömungsrichtung des entspannten kalten Gases zwi schen den Metallrippen 6 verläuft in etwa parallel zur Zylinderachse bzw. zu den Mantellinien 11; man erhält eine laminare Gasströmung 10 a. Fig. 2a shows the arrangement of the metal fins 6 on the high-pressure pipe 5 according to the prior art. The metal ribs 6 are all soldered parallel to each other in the direction of the surface lines 11 on the high pressure pipe. The flow direction of the relaxed cold gas between the metal ribs 6 runs approximately parallel to the cylinder axis or to the surface lines 11 ; a laminar gas flow 10 a is obtained .

In Fig. 2b ist die erfindungsgemäße Anordnung der Me tallrippen 6 gezeigt; die Rippen 6 sind unterschiedlich schräg gegeneinander angestellt, ihr lateraler Abstand entspricht vorzugsweise der Rippendicke.In Fig. 2b the arrangement according to the invention of tall ribs 6 is shown; the ribs 6 are set at different angles to one another, their lateral spacing preferably corresponds to the rib thickness.

Dadurch wird eine Verwirbelung des rückströmenden Gas stroms erreicht; die Strömung 10 b verläuft somit nicht mehr parallel zu den Mantellinien 11 und wird turbu lent. Als Material für die Rippen 6 wird vorzugsweise ein Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit und guter Löt barkeit, beispielsweise Kupfer, verwendet.A swirling of the back-flowing gas stream is thereby achieved; the flow 10 b thus no longer runs parallel to the surface lines 11 and becomes turbu lent. As a material for the ribs 6 , a metal with high thermal conductivity and good solderability, for example copper, is preferably used.

In einem Ausführungsbeispiel verlaufen auf dem metal lischen Trägerkörper, der einen Durchmesser von 5 mm und eine Länge von 10 cm besitzt, 15 Windungen des Hoch druckrohrs. Pro Windung sind 150 Metallrippen ange bracht, die Höhe der Metallrippen beträgt 2 mm. Die Metallrippen sind 100 µm dick, ihr lateraler Abstand ist ebenfalls 100 µm. Die Metallrippen sind in einem Winkel von +30° bis zu -30° in bezug auf die Mantel linie des Trägerkörpers angestellt. In one embodiment, run on the metal mical support body, which has a diameter of 5 mm and has a length of 10 cm, 15 turns of high pressure pipe. There are 150 metal ribs per turn brings, the height of the metal ribs is 2 mm. The Metal ribs are 100 µm thick, their lateral spacing is also 100 µm. The metal ribs are in one Angles from + 30 ° to -30 ° with respect to the jacket line of the support body.

In einer anderen, hier nicht dargestellten Ausführungs form, ist der Kühlkreislauf geschlossen, d. h. das rück strömende kalte Gas geht nach dem Durchlaufen des Wärme tauschers nicht verloren, sondern wird durch einen Kom pressor erneut verdichtet.In another execution, not shown here shape, the cooling circuit is closed, i.e. H. the back flowing cold gas goes out after going through the heat exchanger is not lost, but is replaced by a comm pressor compressed again.

Wegen ihres einfachen Funktionsprinzips, wegen ihrer guten Miniaturisierungsmöglichkeiten und da sie keine beweglichen Teile enthalten und somit keine Vibrationen verursachen, werden Joule-Thomson-Kühler zur Gasverflüs sigung aber auch zur Kühlung von elektronischen Bauele menten eingesetzt.Because of their simple operating principle, because of their good miniaturization options and since they are none contain moving parts and therefore no vibrations cause Joule-Thomson coolers to become gas condensers but also for cooling electronic components ment used.

Auch bei allen sonstigen Verwendungsmöglichkeiten einer Gaskältemaschine kann der Wirkungsgrad des Wärmetau schers gemäß der erfinderischen Maßnahme verbessert werden.Even with all other possible uses Gas chiller can increase the efficiency of heat accumulation schers improved according to the inventive measure will.

Claims

1. countercurrent heat exchanger of a gas refrigeration machine ( 1 ), metal fins ( 6 ) being arranged on the outside of a partition ( 5 ) of the countercurrent heat exchanger, which separates an inflowing gas ( 7 ) and a returning gas ( 8 ), characterized in that that the metal ribs ( 6 ) are so differently inclined against each other that the flow of the back-flowing gas ( 8 ) is turbulent ( 10 b) .

2. Using a counterflow heat exchanger after Claim 1 in a Joule-Thomson cooler for cooling of electronic components.

3. Using a counterflow heat exchanger after Claim 1 in a gas liquefaction machine.