DE60121576T2

DE60121576T2 - Verbesserter spiralwärmeaustauscher

Info

Publication number: DE60121576T2
Application number: DE60121576T
Authority: DE
Inventors: Jean-Marie Gueguen
Original assignee: Spirec SA
Current assignee: Spirec SA
Priority date: 2000-05-26
Filing date: 2001-05-25
Publication date: 2007-06-28
Anticipated expiration: 2021-05-26
Also published as: US6874571B2; ATE333628T1; US20030102114A1; RU2285216C2; ES2269412T3; EP1283976A1; FR2809483B1; JP2003535303A; EP1283976B1; DE60121576D1; FR2809483A1; AU2001264024A1; JP4811801B2; CN1430719A; CA2410517C; CA2410517A1; CN1299092C; WO2001092805A1

Description

Die Erfindung betrifft Wärmetauscher, und insbesondere Wärmetauscher, die für einen Wärmeaustausch zwischen zwei Fluiden sorgen, die voneinander getrennt sein müssen, beispielsweise spiralförmige Wärmetauscher des Typs, die durch Aufrollen von Metallblechen erzeugt sind. Ein derartiger Wärmetauscher ist von JP 55123993 bekannt.
Es sind Wärmetauscher dieses Typs bekannt, die ausgehend von einer umgefalteten Blechfolie erzeugt werden, die um die Faltung herum auf sich selbst aufgerollt wird. Im Verlauf des Aufrollstadiums werden zwischen den verschiedenen Windungen des Wärmetauschers Abstandhalterelemente angeordnet, welche die Bleche zueinander beabstanden sollen, derart, dass ein Strömen eines Fluids zwischen den verschiedenen Windungen ermöglicht wird. Das Ende des Wärmetauschers sowie die Kanten der die Windungen bildenden Folien müssen demzufolge verschlossen sein, was für gewöhnlich mittels Schweißraupen erfolgt. Ein derartiger Wärmetauscher ist somit aus zwei unabhängigen Kreisläufen gebildet, in denen Fluide, und insbesondere Flüssigkeiten, zirkulieren können, d. h. zum einen dem Raum zwischen den verschiedenen Windungen, und zum anderen dem Raum zwischen zwei gefalteten Wänden einer jeden Windung.
Ein derartiger Wärmetauscher weist, obschon er, was seine Funktion betrifft, vollständig zufriedenstellend ist, Nachteile in Bezug auf seinen Herstellungsmodus auf und insbesondere in Bezug auf die Realisierung der zwei Schweißnähte, die zum Verbinden der Kanten der zwei die Spiralen bildenden Blechfolien dienen. Tatsächlich ist die Form dieser Schweißnähte besonders komplex, da diese der spiralartigen Form der Bleche folgen müssen. Dieser Verschweißvorgang stellt daher eine schwierige Operation dar, die mittels manueller Mittel ausgeführt werden muss.
Das Ziel der Erfindung besteht darin, diesen Nachteil zu beseitigen, dadurch, das sie einen neuartigen Typ von aus Metall bestehendem spiralförmigen Wärmetauscher bereitstellt, der ebenfalls durch Aufrollen eines Bleches erhalten wird, der jedoch den Vorteil aufweist, dass er mittels automatisierter Mittel realisiert werden kann, so dass die erforderlichen Operationen sich einfach durchführen lassen.
Ein Ziel der Erfindung ist daher ein Wärmetauscher vom spiralförmigen Typ, der aus einer Reihe von spiralförmigen Windungen besteht, die durch Abstandhalterelemente mit Abstand zueinander angeordnet sind, wobei die spiralförmigen Windungen aus einem abgeflachten rohrförmigen Element bestehen, das aufgerollt ist und das aus mindestens einer Materialfolie besteht, deren Kanten durch Verbindungseinrichtungen dicht zusammengefügt sind, die sich parallel zur Längsachse der Folie erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass das abgeflachte rohrförmige Element auf seinen Außenflächen Rippen aufweist, die bezüglich dessen Querachse geneigt sind.
Die Erfindung ist insbesondere dadurch vorteilhaft, dass sie ein Ersetzen von zwei Schweißnähten, die gemäß dem Stand der Technik spiralförmig ausgebildet waren, durch eine oder mehrere vollständig geradlinige Schweißnähte erlaubt, was es ermöglicht, in besonders konsequenter Weise die Herstellungsoperation zu vereinfachen, indem insbesondere ermöglicht wird, diese mittels automatisierter Mittel durchzuführen.
Das rohrförmige Element kann aus einer Metallfolie ausgebildet sein, die entlang ihrer Längsachse umgefaltet ist, derart dass deren Kanten durch Halte- und Abdichtungseinrichtungen zusammengefügt sind. Vorzugsweise sind die Halte- und Abdichtungseinrichtungen entlang der Mittellängsachse der Folie angeordnet.
Bei einem bevorzugten Ausführungsmodus der Erfindung ist das rohrförmige Element ausgehend von zwei übereinander angeordneten Folien ausgebildet ist, die mit ihren Seitenkanten mittels Halte- und Abdichtungseinrichtungen zusammengefügt sind.
Letztere sind meistens durch eine Schweißnaht gebildet.
Das rohrförmige abgeflachte Element weist auf seinen Außenflächen Rippen auf die bezüglich dessen Querachse geneigt sind. Diese Rippen sind auf der das rohrförmige Element bildenden Metallfolie mittels eines Verfahrens zur Verformung von dieser, und insbesondere mittels eines Tiefziehverfahrens ausgebildet.
Bei einem Ausführungsmodus der Erfindung, der ein Verdoppeln der Durchlaufstrecke eines Fluidkreislaufs erlaubt, sind die Kanten der das abgeflachte rohrförmige Element bildenden Folie mit der gegenüberliegenden Wand des rohrförmigen Elementes über einen Teil von deren Länge verbunden.
Man stellt daher fest, dass gemäß der Erfindung die Tatsache, dass den Rippen bezüglich der Querachse des rohrförmigen Elementes eine Neigung verliehen ist, gewährleistet, dass im Verlauf des Aufrollens gewisse der verschiedenen gebildeten Spiralen nicht miteinander in Kontakt kommen. Tatsächlich erlaubt diese Neigung, dass zwei in Kontakt befindliche Spiralen eine entgegengesetzte Neigung aufweisen, so dass gewährleistet wird, dass der Abstand tatsächlich erzielt wird. Man erhält daher eine große Regelmäßigkeit des dem Fluid dargebotenen Durchgangsquerschnitts, wobei der Durchgangsquerschnitt im Verlauf der Herstellung genau gesteuert werden kann, indem man die Höhe der Rippen variiert.
Die Neigung der Rippen hat auch den Effekt zur Folge, dass die Steifigkeit der Struktur des Wärmetauschers, nachdem dieser aufgerollt wurde, verbessert ist.
Und schließlich hat, auf dem Gebiet der Funktion des Wärmetauschers, die Neigung der Rippen auch einen günstigen Effekt, in dem Sinn, dass sie die Turbulenzeffekte im Verlauf der Durchströmung erhöht, so dass der Kontakt von Fluid und Wand verbessert wird. Es erfolgt somit eine sehr deutliche Verbesserung des Wärmetauschvorgangs.
Im Übrigen ist es bekannt, dass es sich für gewisse spezielle Anwendungen als vorteilhaft erweist, in der Lage zu sein, den effektiven Durchgangsquerschnitt steuern zu können, der in den zwei Kreisläufen vorhanden ist, welche die jeweiligen Flüsse des Wärmetauschers transportieren. Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft darin, dass sie erlaubt, zwei Kreisläufe zu realisieren, deren Durchflussquerschnitte gleichzeitig sehr gut steuerbar und unterschiedlich sind.
Ein Ziel der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers vom spiralförmigen Typ, der durch ein Aufrollen von mindestens einer Folie gebildet ist, bei dem ein abgeflachtes rohrförmiges Element ausgehend von mindestens einer Folie gebildet wird, deren Kanten durch Verbindungseinrichtungen dicht zusammengefügt werden, die parallel zur Längsachse der Folie verlaufen, und dieses rohrförmige Element auf sich selber aufgerollt wird, um eine Reihe von spiralförmigen Windungen zu bilden, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Schritt aufweist, in dessen Verlauf Abstandhalterelemente auf den spiralförmigen Windungen realisiert werden.
Nachfolgend werden beispielhafte und nicht einschränkend verschiedene Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, in welchen sind:
1 eine partielle Draufsicht einer Metallfolie, die zur Bildung eines Wärmetauschers gemäß der Erfindung dient, und zwar dargestellt vor dem Faltvorgang und vorhergehend zu deren Aufrollen;
2 eine schematische perspektivische Ansicht, welche die verschiedenen Phasen des mit einem Metallstreifens durchzuführenden Faltvorgangs durchzuführen sind, und zwar vor dem Aufrollvorgang;
3 eine partielle Draufsicht der in 1 dargestellten Metallfolie nach dem Faltvorgang;
4 eine partielle perspektivische Draufsicht der in 3 dargestellten gefalteten Folie;
5 eine perspektivische Ansicht einer Gesamtordnung einer Metallfolie, die gefaltet und dann aufgerollt wurde, und von zwei Eintritts-/Austrittsdurchgängen des Wärmetauschers gemäß der Erfindung;
6 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsvariante, die einen Wärmetauscher gemäß der Erfindung nach dem Falt- und Schweißvorgang bildet;
7 eine Querschnittsansicht der in 6 dargestellten gefalteten Metallfolie, und zwar entlang Achse VII-VII von dieser;
8 eine Querschnittsansicht der in 6 dargestellten gefalteten Metallfolie, und zwar entlang Achse VIII-VIII von dieser;
9 eine Querschnittsansicht einer Ausführungsvariante der Erfindung, die zwei zusammengefügte Metallfolien vor dem Aufrollvorgang darstellt;
10 eine schematische Ansicht einer Ausführungsvariante eines Wärmetauschers gemäß der Erfindung.
Der aus Metall bestehende Wärmetauscher vom spiralförmigen Typ gemäß der Erfindung ist ausgehend von einer Metallfolie 1 aufgebaut, die insbesondere aus rostfreiem Stahl besteht, und die sich dem Benutzer in Form einer Rolle 2 darstellt. Auf der Folie 1 werden Rippen 3 ausgebildet, die durch Tiefziehen erzielt werden. Diese Rippen 3 bilden einen gewissen Einfallswinkel i mit der Querachse xx' der Folie 1, die beim vorliegenden Ausführungsmodus in der Größenordnung von 45° liegt. Die Rippen 3 verteilen sich auf drei Zonen in Querrichtung, und zwar eine erste seitliche Zone 3a, deren Länge im Wesentlichen einem Viertel der Breite e der Folie 1 entspricht, einer mittleren Zone 3b, deren Länge im Wesentlichen der Hälfte von dieser entspricht, und schließlich einer dritten seitlichen Zone 3c, deren Länge im Wesentlichen einem Viertel von dieser entspricht. Die Höhe h dieser Rippen 3 entspricht der Hälfte des Zwischenraums, der nach Abschluss der Aufrolloperation zwischen den spiralförmigen Windungen vorgesehen sein soll. Tatsächlich ermöglicht die Neigung i der Rippen bezüglich der Querachse xx' der Folie 1, dass im Verlauf des Aufrollens die Rippen 3 der Innenfläche einer spiralförmigen Windung gegen die Rippen 3 der Außenfläche der vorhergehenden spiralförmigen Windung zur Anlage kommen, da die jeweiligen Rippen sich während des Aufrollens überkreuzen. Dieser Ausführungsmodus ist vorteilhaft insofern, da er erlaubt, dass während des Faltens eine Überlagerung der Höhen h der Rippen erzielt wird, die jeweils auf der Basislage 1' und auf den Lagen 1'' ausgebildet sind, ohne dass es dazu erforderlich ist, einen speziellen Abstand entlang der Längsachse yy' der Blechfolie 1 zu berechnen und zu definieren.
Wie in den schematischen 1 und 2 dargestellt, ist die Folie 1 entlang zwei Längsachse aa' und bb' gefaltet, die jeweils in einer Entfernung e/4 der Seitenkanten 1a und 1b der Folie 1 angeordnet sind. Nach dem Falten, wie dargestellt in den 3 und 4, befinden sich die jeweiligen Seitenkanten 1a und 1b einander zugewandt und entlang der Längsachse und Mittelachse yy' der Folie 1 angeordnet. Nach einem derartigen Faltvorgang bildet die Folie 1 somit drei Lagen, wie in 4 dargestellt, und zwar eine Basislage 1' und zwei obere Lagen 1''. Die oberen Lagen 1'' befinden sich mit Abstand zur Basislage 1' angeordnet, derart, dass zwischen den Innenflächen dieser Lagen ein Durchgang gebildet wird, der eines der Fluide des Wärmetauschers aufnimmt. Die Seitenkanten 1a und 1b der zwei oberen Lagen werden dann durch eine geradlinige Schweißnaht 4 miteinander verbunden, wobei sich diese Operation leicht mittels, sogar vereinfachter, automatisierter Mittel realisieren lässt.
Das gefaltete Blech wird dann auf sich selbst in einer solchen Richtung aufgerollt, dass sich die Schweißnaht 4 im Inneren der aufgerollten Anordnung befindet. Nachdem dies durchgeführt wurde, verfügt man über ein Element, das nach verschiedenen Anpassungsoperationen in der Lage ist, den Wärmetauscher zu bilden.
Diese Operationen bestehen, in bei diesem Produkttyp bekannter Weise, darin, einen Eintritt und einen Austritt für jeden der zwei unabhängigen Kreisläufe zu bilden. Somit ist der erste Kreislauf, der durch den zwischen den jede spiralförmige Win dung bildenden Lagen 1' und 1'' vorhanden ist, wie dargestellt in 5 mit einem ersten Ein-/Austritt, der aus einem mit der Mitte des Wärmetauschers verbundenen Rohr 7 gebildet ist, und einem zweiten Ein-/Austritt versehen, der durch ein mit der Peripherie von diesem verbundenes Rohr 7' gebildet ist. Der zweite Kreislauf ist seinerseits durch die zwischen den verschiedenen Windungen vorhandenen Zwischenräume gebildet.
Bei einer Ausführungsvariante der Erfindung kann man die vom Fluid durchlaufene Strecke im ersten Kreislauf, d. h. in dem zwischen den Lagen 1' und 1'' befindlichen Kreislauf verdoppeln. Es sei somit Bezug genommen auf die 6 bis 8, die in schematischer Weise eine Blechfolie darstellen, die einen Wärmetauscher nach einem Falten und vor einem Aufrollen bildet. Gemäß dieser Variante werden auf dem größeren Teil L1 der Länge L des gefalteten Bleches die zwei Enden 1a und 1b der oberen Lagen 1'' mit der unteren Lage 1' verbunden, derart, dass auf diese Weise zwei Kanäle gebildet werden, die parallel angeordnet sind. Auf der verbleibenden Länge L2 sind die Kanten 1a und 1b lediglich untereinander verbunden, derart, dass ein Durchgang zwischen den zwei Kanälen gebildet wird. Bei diesen Bedingungen erfolgt, was den zweiten Kreislauf betrifft, der Zufluss des Fluids über eine der zwei Ein-/Austrittsflächen 11a, und der Austritt des Fluids erfolgt über den anderen Ein-/Austritt 11b. Eine derartige Anordnung ermöglicht, die Durchlaufstrecke des Fluids in diesem Kreislauf zu verdoppeln, was den Wärmetauschvorgang verbessert. Im Übrigen erlaubt dies gleichermaßen, ein Eintreten und ein Austreten des Fluids ausgehend von der Mitte des Wärmetauschers zu realisieren, wobei das Rohr 7' dann bei diesem Ausführungsmodus koaxial zum Ein-/Austritt 7 ist.
Bei einer Ausführungsvariante der Erfindung kann die Schweißnaht der zwei Seitenflächen 1a und 1b auf der Basislage 1' durch eine elastische Dichtung ersetzt werden, die zwischen den Seitenkanten 1a und 1b auf der zuvor erwähnten Länge L1 angeordnet ist.
Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft in Bezug darauf, dass festgestellt wurde, dass die Rippen 3, die zur Ausbildung eines gegebenen vorbestimmten Abstandes zwischen den unterschiedlichen spiralförmigen Windungen des Wärmetauschers dienen, ermöglichen, und zwar aufgrund der Verformungsfähigkeit, die durch diese in Längsrichtung erreicht wird, dass sich die zwei unteren und oberen Blechlagen bezüglich zueinander verformen, wie dies die im Verlauf des Aufwickelvorgangs auftretende Erhöhung des Krümmungsradius dieser zwei jeweiligen Lagen erfordert.
Bei einem weiteren Ausführungsmodus der Erfindung, der in 9 dargestellt ist, greift man nicht auf eine gefaltete Blechfolie, sondern auf zwei separate Folien 10 zurück, die nach der Ausbildung der Rippen 3 insbesondere mittels einer Schweißnaht 4 zusammengefügt sind, die in Längsrichtung entlang jeder der Transversalkanten 1a, 1b ausgebildet ist.
Selbstverständlich kann dieses Element auch ausgehend von einem rohrförmigen Element erzeugt werden, das man verformt.
Die Erfindung erlaubt, wie zuvor erwähnt, zwei Fluidzirkulationskreisläufe auszubilden, deren Durchgangsquerschnitte voneinander verschieden sind, was im Rahmen verschiedener Anwendungen des Wärmetauschers vorteilhaft ist.
In sehr schematischer Weise ist in 10 ein solcher Ausführungsmodus der Erfindung dargestellt. In dieser sind mit A (einfache Schraffur) bzw. B (Kreuzschraffur) die zwei Fluidkreisläufe des Wärmetauschers dargestellt.
Mit der Linie uu' ist die Kontaktebene der Scheitelpunkte von zwei aufeinanderfolgenden spiralförmigen Windungen, und durch vv' die Kontaktebene von zwei eine spiralförmige Windung bildenden verschweißten Elementen dargestellt. 10 stellt die Gesamtanordnung der Elemente vor dem Aufrollvorgang dar.
Gemäß diesem Ausführungsmodus sind die Höhen der zwei aufeinanderfolgenden Rippen h_B1 und h_B2 unterschiedlich. Daraus folgt, dass, wie in 10 dargestellt, der Durchgangsquerschnitt des Kreislaufs B größer ist als der des Kreislaufs A. Durch Variieren des Unterschiedes der Höhen h_B1 und h_B2 der Rippen 3 kann man daher diesen Unterschied des Durchgangsquerschnitts steuern, und somit den Druckabfall, der den jeweiligen Fluiden durch die zwei Kreisläufe dargeboten wird.
Zwar wird bei den zuvor beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsmodi der Erfindung auf Folien aus Metall zurückgegriffen, jedoch können gleichermaßen für gewisse Anwendungstypen Folien aus anderen Materialien, und insbesondere aus Synthesematerialien verwendet werden.

Claims

Wärmetauscher vom spiralförmigen Typ, der aus einer Reihe von spiralförmigen Windungen besteht, die durch Abstandhalterelemente (3) mit Abstand zueinander angeordnet sind, wobei die spiralförmigen Windungen aus einem abgeflachten rohrförmigen Element bestehen, das aufgerollt ist und das aus mindestens einer Materialfolie (1) besteht, deren Kanten (1a, 1b) durch Verbindungseinrichtungen (4) dicht zusammengefügt sind, die sich parallel zur Längsachse (yy') der Folie (1) erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandhalterelemente (3) Rippen sind, die auf den Außenflächen des abgeflachten rohrförmigen Elementes ausgebildet sind und die bezüglich dessen Querachse (xx') geneigt und derart beschaffen sind, dass für zwei in Kontakt miteinander befindliche spiralförmige Windungen deren Neigung entgegengesetzt ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das rohrförmige Element aus einer Folie (1) ausgebildet ist, die entlang ihrer Längsachse (yy') umgefaltet ist, derart dass deren Kanten (1a, 1b) durch Halte- und Abdichtungseinrichtungen (4) zusammengefügt sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Halte- und Abdichtungseinrichtungen entlang der Längsachse (yy') der Folie angeordnet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das rohrförmige Element ausgehend von zwei übereinander angeordneten Folien (10) ausgebildet ist, die mit ihren Seitenkanten (1a, 1b) mittels Halte- und Abdichtungseinrichtungen (4) zusammengefügt sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Halte- und Abdichtungseinrichtungen aus einer Schweißnaht (4) bestehen.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (3) auf der das rohrförmige Element bildenden Folie (1) mittels eines Verfahrens zur Verformung von dieser, und insbesondere mittels eines Tiefziehverfahrens ausgebildet sind.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanten (1a, 1b) der das abgeflachte rohrförmige Element bildenden Folie (1) mit der gegenüberliegenden Wand des rohrförmigen Elementes über einen Teil (L1) von deren Länge (L) zusammengefügt sind.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (1) eine Metallfolie ist.
Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers vom spiralförmigen Typ, der durch ein Aufrollen von mindestens einer Folie (1) gebildet ist, bei dem ein abgeflachtes rohrförmiges Element ausgehend von mindestens einer Folie (1) gebildet wird, deren Kanten (1a, 1b) durch Verbindungseinrichtungen (4) dicht zusammengefügt werden, die parallel zur Längsachse (yy') der Folie (1) verlaufen, und dieses rohrförmige Element auf sich selber aufgerollt wird, um eine Reihe von spiralförmigen Windungen zu bilden, dadurch gekennzeichnet, dass das abgeflachte rohrförmige Element ausgehend von einer Folie realisiert wird, die mit Rippen versehen ist, welche bezüglich der Querachse der Folie geneigt sind, und zwar derart, dass die Neigung der auf den Außenflächen des rohrförmigen abgeflachten Elementes ausgebildeten Rippen für zwei in Kontakt befindliche spiralförmige Windungen entgegengesetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das rohrförmige Element ausgehend von einer Folie (1) ausbildet wird, die entlang ihrer Längsachse (yy') umgefaltet wird, derart dass deren Kanten (1a, 1b) durch Halte- und Abdichtungseinrichtungen (4) zusammengefügt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das rohrförmige Element ausgehend von zwei Folien (10) realisiert wird, die übereinander angeordnet werden und an ihren Seitenkanten (1a, 1b) mittels Halte- und Abdichtungseinrichtungen (4) zusammengefügt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandhalterelemente (3) mittels eines Verformungsverfahrens, beispielsweise insbesondere Tiefziehen, auf der Folie (1) vor dem Umfalten von dieser erzeugt werden.