DE3824385A1 - Waermetauscher - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit einem ersten Lei­ tungssystem, durch das ein zu verdampfendes Kältemittel fließt, und mit einem zweiten Leitungssystem, durch das ein zu kondensierendes Kältemittel fließt, wobei das zweite Leitungssystem das erste Leitungssystem derart umgibt, daß das erste Leitungssystem vom zu kondensierenden Kältemittel umströmt ist.

Solche Wärmetauscher werden in Kältemittel-Kreisläufen, insbesondere für tiefe Temperaturen, eingesetzt und sind aus der DE-PS 29 47 807 bekannt. Ent­ sprechend Figur 1 dieser Patentschrift weist der Wärmetauscher ein durch eine Rohrwendel gebildetes erstes Leitungssystem auf, dem über einen oben liegenden Eingang beispielsweise ein zu verdampfendes Kältemittel zu- und über einen unteren Ausgang abgeführt wird. Ein zweites Leitungssystem, durch das ein zu kondensierendes Kältemittel geleitet wird, ist derart angeordnet, daß die Rohrwendel des ersten Leitungssystems an der Außenseite umströmt wird. Das im Innenraum des Wärmetauschers sich niederschlagende Kondensat des zu kondensierenden Kältemittels wird über einen Auslaß am unteren Ende des Wärme­ tauschers abgeführt. Das zu kondensierende und das zu verdampfende Kältemittel werden bei diesem Wärmetauscher im Gegenstrom durch die beiden Leitungssysteme geführt. Es sind aber auch Ausführungsformen angegeben, in denen die beiden Kältemittel den Wärmetauscher in derselben Richtung durchströmen. Wärme­ tauscher der genannten Art haben den Vorteil, daß sie durch ihren Aufbau einen geringen Raumbedarf erfordern.

Eine andere Art von Wärmetauschern, sogenannte Koaxial-Kondensatoren, sind aus der Produktinformation der Schmöle Metallwerke GmbH & Co. KG, 5750 Menden 1 "LRK-Kondensatoren für Wärmepumpen und Kälteanlagen (899.02 - 7/1985)" be­ kannt. Solche "Koaxial-Kondensatoren" weisen zwei getrennte Kältemittelkreis­ läufe auf, wobei für die beiden Wasserkreisläufe zwei rohrförmige Leitungs­ systeme zusammengefaßt und zu einer Spirale gewickelt sind.

Ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik liegt der vor­ liegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher der eingangs beschriebenen Art, der mit einem zu kondensierenden und einem zu verdampfenden Kältemittel arbeitet, in seiner Leistung bzw. seinem Wirkungsgrad zu erhöhen unter Beibehaltung einer geringen Baugröße.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß das erste Leitungssystem durch einen Ringraum eines aus Innenrohr und Zwischenrohr bestehende Doppelwandrohrs gebildet ist, und daß das zweite Leitungssystem einerseits durch den Innenraum des Innenrohres und andererseits durch einen Außenraum gebildet ist, der von einem das Zwischenrohr mit Abstand umschließenden Mantelrohr begrenzt wird, wobei der Außenraum an seinem einen Ende mit dem Innenraum verbunden ist. Mit einem solchen Wärmetauscher wird die Wärmeaustauschfläche wesentlich erhöht, indem ein Doppelwandrohr mit zwei zum Innenraum verlaufenden Strömungswegen eingesetzt wird, die durch einen den Innenraum umgebenden Ringraum und einen den Ringraum umgebenden Außenraum gebildet werden, so daß das erste Leitungs­ system mit dem zu verdampfenden Kältemittel sowohl an seiner Außenseite, d. h. über das Zwischenrohr, als auch über die Innenseite, d. h. über das Innenrohr, umströmt wird. Durch einen solchen Aufbau wird im Vergleich zu herkömmlichen Wärmetauschern der Wirkungsgrad wesentlich erhöht, ohne daß sich die Baugröße vergrößert.

Grundsätzlich ist eine Strömungsrichtung des zu kondensierenden Kältemittels sowohl zunächst über den Innenraum und dann über den Außenraum oder aber in umgekehrter Richtung möglich. Es sollte jedoch beachtet werden, daß in Strö­ mungsrichtung des zu kondensierenden Kältemittels gesehen die Kondensation des zunächst in dampfförmiger Phase vorliegenden Kältemittels nach der Verbin­ dungsstelle zwischen dem Außenraum und dem Innenraum erfolgt, so daß das Kondensat ungehindert ablaufen kann. Bevorzugt wird der Wärmetauscher in einer solchen Lage und Anordnung betrieben, daß dasjenige Rohr, d. h. das Innenrohr oder das Mantelrohr je nach Strömungsrichtung des zu kondensierenden Kälte­ mittels, das das Kondensat abführt, zur Austrittsöffnung für das Kondensat hin ein Gefällt aufweist.

Falls eine große Wärmeaustauschfläche erforderlich ist, kann zur Erzielung einer kompakten Bauweise das Doppelwandrohr als Spirale ausgebildet sein, wobei diese Spirale zum einen mit in Achsrichtung fortlaufenden Windungen ausgebildet sein kann, so daß eine Art Zylinder gebildet wird, oder aber die Spirale in einer Ebene verlaufende Rohrachsen aufweist, so daß eine sehr flache Bauweise erhalten wird.

Falls die Spirale durch drei ineinander geschobene Rohre gebildet wird, soll­ ten die beiden inneren Rohre, d. h. das Innenrohr und das darüber geschobene Zwischenrohr, an ihrer Außenseite Distanzteile, beispielsweise Noppen auf­ weisen, um einen gleichbleibenden Querschnitt des Ringraumes bzw. Außenraumes zu erzielen. In einer solcher Anordnung wird bevorzugt das zu kondensierende Kältemittel zunächst dem Außenraum zugeführt, so daß auf eine Isolierung des Wärmetauschers verzichtet werden kann. Gegebenenfalls kann natürlich dieser Wärmetauscher von einer Isolierung umgeben werden.

Ein Wärmetauscher, dessen Innenraum und Ringraum durch ein spiralförmig ver­ laufendes Doppelwandrohr gebildet ist, wird um einen Außenraum zu erhalten, in einen Topf eingesetzt, wobei das eine Ende des Innenraumes mit dem Innen­ raum des Topfes verbunden ist; dieser Innenraum des Topfes bildet den Außen­ raum zur Hindurchleitung des zu kondensierenden Kältemittels. Mit einer sol­ chen Wärmetauscher-Anordnung, sei es mit einer zu einem Zylinder gewickelten oder mit einer flachen Spirale, sollte der Topf an seiner Außenseite wärme­ isoliert sein, um die Wärmeverluste nach außen gering zu halten. Um das Kondensat austragen zu können, ist bevorzugt der Ablauf eines Wärmetauschers mit im wesentlichen vertikal verlaufender Achse des spiralförmigen Doppelwand­ rohres im unteren Bereich angeordnet, wobei für den Fall, daß der Außenraum durch einen Topf als Mantelrohr begrenzt wird, der untere Bereich des Topfes als Kondensatsammler dient. In allen beschriebenen Anordnungen ohne Topf wird das zu kondensierende Kältemittel durch den Außenraum, der einen Teil des zweiten Leitungssystems bildet, hindurchgeführt.

In einer besonders einfachen Ausführungsform ist die Rohrachse des Doppelwand­ rohres eine Gerade, d. h. das Innenrohr, das Zwischenrohr und das Mantelrohr sind Rohrabschnitte, die konzentrisch zueinander angeordnet sind, wobei das aus Zwischenrohr und Innenrohr zusammengesetzte Doppelwandrohr stirnseitig abgeschlossen ist und dessen Länge kürzer ausgebildet ist als das Mantelrohr, so daß das Doppelwandrohr von dem zu kondensierenden Kältemittel nicht nur an seiner Außenseite entlang des Zwischenrohres und an seiner Innenseite entlang des Innenrohres umströmt wird, sondern das kondensierende Kältemittel auch die stirnseitig abgeschlossenen Enden des Doppelwandrohres umfließt. In einer solchen Anordnung werden radial nach außen die Zu- und Abführungen für das durch den Ringraum strömende zu verdampfende Kältemittel durch den Außenraum hindurchgeführt.

Um die Wärmeaustauschfläche zu vergrößern, kann eine Strukturierung der Außen­ seite des Zwischenrohres von Vorteil sein. Hierzu eignen sich insbesondere Lamellen oder Rippen. Besonders gute Ergebnisse zeigt ein Wärmetauscher mit einer Füllung zumindest in Teilen des Ringraumes aus einem gut wärmeleitenden Werkstoff, beispielsweise ein Metallgranulat oder eine Füllung aus Metall­ spänen. Bevorzugt wird jedoch ein wärmeleitender Werkstoff aus gesintertem Material für eine solche Füllung eingesetzt, die einen besonders guten Wärme­ übergang zwischen den beiden Kältemitteln entlang der Strömungswege mit sich bringt. Alternativ oder zusätzlich zu den vorstehend angegebenen Maßnahmen kann die Wandung des Ringraumes ebenfalls zur Oberflächenvergrößerung strukturiert werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher er­ läutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt entlang der Rohrachse eines Wärmetauschers mit geraden Rohren,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Schnittlinie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 einen spiralförmigen Wärmetauscher mit zylindrischer Außenkontur und einem äußeren Topf,

Fig. 4 einen spiralförmigen Wärmetauscher entsprechend Fig. 3 ohne Topf,

Fig. 5 einen spiralförmigen Wärmetauscher in einer flachen Anordnung,

Fig. 6 einen Wärmetauscher entsprechend Fig. 5 mit einem Topf und

Fig. 7 die Temperaturverhältnisse in den beiden Leitungssystemen eines Wärmetauschers, wie er in den Fig. 1 bis 6 dargestellt ist.

Der Wärmetauscher weist, wie Fig. 1 und 2 zeigt, ein Doppelwandrohr bestehend aus einem Innenrohr 1 und einem mit Abstand zu diesem einen Ringraum 2 radial nach außen begrenzenden Zwischenrohr 3 auf. Das Zwischenrohr 3 wird mit Ab­ stand von einem Mantelrohr 4 umgeben, wobei zwischen dem Mantelrohr 4 und dem Zwischenrohr 3 ein ringförmiger Außenraum 5 gebildet ist. Der von dem Innen­ rohr 1 umschlossene Innenraum 6, der Ringraum 2 und der Außenraum 5 sind einem ersten Leitungssystem zur Führung eines zu verdampfenden Kältemittels und einem zweiten Leitungssystem zur Führung eines zu kondensierenden Kältemittels zugeordnet. Das zu verdampfende Kältemittel strömt durch den Ringraum 2, der an den beiden Stirnseiten 7 abgeschlossen ist. Dem einen Ende des Ringraumes 2 ist ein Zufuhrstutzen 8 und dem anderen Ende ein Abfuhrstutzen 9 für das zu verdampfende Kältemittel zugeordnet. Die Strömungsrichtung des zu verdampfen­ den Kältemittels ist durch die Pfeile 10 angedeutet. Das zweite Leitungs­ system, durch das das zu kondensierende Kältemittel strömt, besteht aus dem Außenraum 5 und dem Innenraum 6, die an einem Ende, und zwar in Fig. 1 am linken Ende, strömungsmäßig miteinander verbunden sind, wie die Strömungs­ pfeile 11 für das zu kondensierende Kältemittel zeigen. Da das Mantelrohr 4 länger ausgebildet ist als das Innenrohr 1 und das Zwischenrohr 3 werden auch die beiden Stirnseiten 7 der innerhalb des Mantelrohres 4 liegenden Rohre von dem zu kondensierenden Kältemittel umspült. Das zu kondensierende Kältemittel wird über einen Zuflußstutzen 12 zunächst dem Außenraum 5 zugeführt, von wo aus es zum linken Ende des Wärmetauschers hinströmt, bevor es durch den Innen­ raum 6 des Innenrohres 1 zum eingangsseitigen Ende zurückgeführt wird, wo ein Abflußstutzen 13 in Verlängerung des Innenrohres 1 vorgesehen ist. Die einzel­ nen Rohre sind, wie die Fig. 2 zeigt, konzentrisch zur Achse 14 des Wärme­ tauschers angeordnet. Dadurch, daß das zu kondensierende Kältemittel zunächst durch den Außenraum 5 strömt, bleibt die Außenseite 4 warm.

Fig. 4 zeigt einen Wärmetauscher, der von der koaxialen Anordnung des Innen­ rohres 1, des Zwischenrohres 3 und des Mantelrohres 4 der Ausführungsform nach Fig. 1 entspricht. Die Rohre sind jedoch, im Vergleich zur Ausführungsform nach Fig. 1, in ihrem Durchmesser kleiner, weisen aber eine wesentlich größere Länge auf. Die Rohre 1, 3 und 4 sind in einer Spirale gewickelt mit gleichbleibendem Krümmungsradius der Windungen, wobei die Achse 15 der Spirale vertikal verläuft und die einzelnen Windungen in Richtung dieser Achse 15 fortlaufen. Die Stutzen, die in Fig. 1 zur Zuführung des zu kondensierenden Kältemittels in den Außenraum 5 am linken Ende angeordnet sind, sind in Fig. 4 am unteren Ende der Spirale zu sehen und mit der entsprechenden Bezugsziffer bezeichnet. Der Außenraum 5 und der Innenraum 6 sind am oberen Ende der Spirale strömungsmäßig, durch die Strömungspfeile 11 angedeutet, miteinander verbunden, während der Abflußstutzen 13 für das zu kondensierende Kältemittel entsprechend am unteren Ende der Spirale liegt, so daß das Kondensat, das sich im Innenraum 6 bildet, austreten kann. Die Pfeile für die Strömungsrichtung der beiden Kältemittel entsprechen in ihrer Bezeichnung den Strömungspfeilen nach Fig. 1. Auch der Wärmetauscher nach Fig. 4 benötigt keine Außen­ isolierung.

Im Gegensatz zu der Ausführungsform nach Fig. 4 besteht die Spirale des Wärmetauschers nach Fig. 3 nur aus dem inneren Doppelwandrohr mit dem Innen­ rohr 1 und dem Zwischenrohr 3, die den Innenraum 6 und den Ringraum 2 für das zu kondensierende und zu verdampfende Kältemittel bilden. Der Außenraum, in diesem Beispiel ebenfalls mit 5 bezeichnet, wird einerseits durch die Außen­ seite des Zwischenrohres 3 und andererseits durch einen Topf 16, der die gesamte Spirale umgibt, begrenzt. Das zu kondensierende Kältemittel wird, im Gegensatz zu den Ausführungsformen nach Fig. 4 und nach den Fig. 1 und 2, zunächst dem Innenraum 6 über das Innenrohr 1 am unteren Ende der Spirale zugeführt und am oberen Ende der Spirale in den Außenraum 5, d. h. direkt in den Topf 16 eingeleitet. Der Topf 16 besitzt an seinem Boden einen Abfluß- Stutzen 13 für das sich im Bodenbereich sammelnde Kondensat. In dieser Anord­ nung ist der das Mantelrohr 4 bildende Topf 16 auf seiner Außenseite von einer Isolierung 17 umgeben, um Wärmeverluste an der Außenseite des Topfes 16 zu vermeiden.

Fig. 5 zeigt eine Anordnung der Spirale, wie sie in Fig. 4 gezeigt ist, die jedoch im Gegensatz zu der Ausführung nach Fig. 4 derart gewickelt ist, daß sich die Achsen der konzentrisch zueinander angeordneten Rohre in einer Ebene erstrecken. In dieser Anordnung wird eine flache Bauweise des Wärmetauschers erzielt. Die einzelnen Bauteile des Wärmetauschers nach Fig. 5 sind ent­ sprechend Fig. 4 bezeichnet. In Fig. 6 ist, entsprechend Fig. 3, die flache Spirale nach Fig. 5, jedoch nur aus einem Innenrohr 1 und einem Zwischen­ rohr 3 bestehend, wiederum in einem flachen Topf 16 angeordnet, der an seiner Außenseite von einer Isolierung 17 umgebeben ist.

In der Ausführungsform nach Fig. 5 strömt das zu kondensierende Kältemittel, durch die Strömungspfeile 11 angedeutet, zunächst über den Zufluß-Stutzen 12 in den Außenraum 5, durchläuft die Spirale bis in die innere Windung etwa zu der Stelle hin, an der der Abfuhr-Stutzen 9 für das zu verdampfende Kälte­ mittel angeordnet ist, strömt von dort in das Innenrohr 1, von wo aus es zurückgeführt und über den Abfluß-Stutzen 13 aus dem Wärmetauscher austritt. Das zu verdampfende Kältemittel wird über den Zufuhrstutzen 8 dem Zwischen­ rohr 3 zugeführt. Während nach Fig. 5 das zu kondensierende Kältemittel dem Wärmetauscher zunächst über den Außenraum 5 zugeführt wird, strömt das zu kondensierende Kältemittel in der Ausführungsform des Wärmetauschers nach Fig. 6 zunächst über den Zufluß-Stutzen 12 in das Innenrohr 1 und tritt am inneren Ende der Spirale, durch den Ausgang 18 angedeutet, in den Außenraum 5, d. h. in den Raum zwischen der Außenseite des Zwischenrohres 3 und der Wandung des Topfes 16, der das Mantelrohr 4 bildet. Das Kondensat läuft über den Abfluß-Stutzen 13 im Bodenbereich des Topfes 16 ab.

In Fig. 7 sind die Temperaturverhältnisse eines Wärmetauschers aufgeführt, wie er in Fig. 1 und Fig. 3 gezeigt ist. In dem Diagramm ist der Temperatur­ verlauf des zu verdampfenden Kältemittels durch die Kurve 20 dargestellt und diejenige des zu kondensierenden Kältemittels, mit dem Bezugszeichen 19 be­ zeichnet, gezeigt, wobei "S" die Länge des Außenraumes und des Innenraumes darstellt; in der Ausführung nach Fig. 3 entspricht die Länge des Außenraumes der Höhe des Topfes 16 in seinem Innern. Die Punkte S ₁ bis S ₅ sind sowohl in Fig. 1 als auch in Fig. 3 eingetragen. Als zu verdampfendes Kältemittel ist beispielsweise R 22 (Chlordifluormethan CHClF₂) und als zu kondensieren­ des Kältemittel R 13 (Chlortrifluormethan CClF₃) eingesetzt.

In der Ausführung nach Fig. 1 tritt das zu kondensierende Kältemittel über den Zufluß-Stutzen 12 am Punkt S ₁ mit etwa 100°C in das Mantelrohr bzw. den Außenraum 5 ein. Das zu verdampfende Kältemittel, das über den Zufuhr- Stutzen 8 dem Ringraum 2 zugeführt wird, besitzt eine Temperatur von etwa -20°C. Im Bereich des Zwischenrohres 3 findet ein Wärmeaustausch statt, indem das zu kondensierende Kältemittel Wärme abgibt und seine Temperatur am Punkt S ₂ auf etwa -60°C und am Punkt S ₃, d. h. am Ende ds Außenraumes 5, auf +20°C absinkt. Nachdem das zu kondensierende Kältemittel in den Innenraum 6 eintritt, sinkt die Temperatur an der Stelle S ₄ auf etwa -10°C ab, d. h. das Kältemittel kondensiert und tritt am Abfluß-Stutzen 13, d. h. am Punkte S ₅, mit einer Temperatur von -10°C aus. Ein gleicher Temperaturverlauf gilt für die Ausführungsform nach Fig. 3, bei der allerdings die Punkte S ₁ bis S ₃, entsprechend der Strömungsrichtung des zu kondensierenden Kältemittels zu­ nächst durch das Innenrohr 1, entlang dem Innenraum 6 liegen. Auch in dieser Ausführungsform ist die Länge des Doppelwandrohres bzw. der Spirale derart gewählt, daß eine Kondensation des zu kondensierenden Kältemittels erst nach dem Ausgang 18, über den das zu kondensierende Kältemittel von dem Innenraum 6 in den Außenraum 5 strömt, erfolgt.

Zur Vergrößerung der Oberflächen der einzelnen Rohre können rohrflächenver­ größernde Maßnahmen, beispielsweise in Form von auf den Außenwandungen und Innenwandungen der Rohre aufgebrachten Rippen 21 vorgesehen werden. Insbeson­ dere im Bereich des Ringraumes 2 kann eine Füllung 22, beispielsweise in Form von gut wärmeleitendem Schüttmaterial, eingebracht werden. Besonders gut hat sich hierbei Sintermaterial erwiesen. Eine solche Füllung bewirkt bei sehr langen Wärmetauscherrohren die Vermeidung eines zu großen Druckabfalls entlang des Strömungsweges.

Claims (14)

1. Wärmetauscher mit einem ersten Leitungssystem, durch das ein zu ver­ dampfendes Kältemittel fließt, und mit einem zweiten Leitungssystem, durch das ein zu kondensierendes Kältemittel fließt, wobei das zweite Leitungs­ system das erste Leitungssystem derart umgibt, daß das erste Leitungs­ system vom zu kondensierenden Kältemittel umströmt ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das erste Leitungssystem durch einen Ringraum (2) eines aus Innenrohr (1) und Zwischenrohr (2) bestehenden Doppelwandrohrs gebildet ist und daß das zweite Leitungssystem einerseits durch den Innenraum (6) des Innenrohres (1) und andererseits durch einen Außenraum (5) gebildet ist, der von einem das Zwischenrohr (3) mit Abstand umschließenden Mantelrohr (4) begrenzt wird, wobei der Außenraum (5) an seinem einen Ende mit dem Innenraum (6) verbunden ist.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Doppel­ wandrohr (1, 3) eine solche Länge aufweist, daß in Strömungsrichtung des kondensierenden Kältemittels gesehen die Kondensation nach der Verbin­ dungsstelle zwischen dem Außenraum (5) und den Innenraum (6) erfolgt.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Doppelwandrohr (1, 3) als Spirale ausgebildet ist.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen der Spirale in Achsrichtung (15) fortlaufen.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen der Spirale einen gleichbleibenden Radius aufweisen.

6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spirale in einem Topf (16) eingesetzt ist, dessen Wand das Mantel­ rohr (4) bildet, und der außen von einer Wärme-Isolierung (17) umgeben ist.

7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (15) der Spirale im wesentlichen vertikal verläuft, wobei unten ein Abfluß-Stutzen (13) für das Kondensat vorgesehen ist.

8. Wärmetauscher nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung (12) für das zu kondensierende Kältemittel am unten liegenden Ende des Spirale angeordnet ist.

9. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das zu kondensierende Kältemittel zunächst dem Außenraum (5) zugeführt wird.

10. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohr-Achse (14) des Doppelwandrohres (1, 3) eine Gerade ist.

1. Wärmetauscher nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenseite des Zwischenrohres (3) zur Oberflächenvergrößerung strukturiert ist.

12. Wärmetauscher nach Anspruch 9 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der Ringraum (2) teilweise wärmeleitenden Werkstoff enthält.

13. Wärmetauscher nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff aus gesintertem Material besteht.

14. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandungen des Ringraums (2) zur Ober­ flächenvergrößerung strukturiert sind.