DE60306353T2

DE60306353T2 - Einlassrohr mit turbulenzeinlage für wärmetauscher

Info

Publication number: DE60306353T2
Application number: DE60306353T
Authority: DE
Inventors: Xiaoyang Toronto RONG
Original assignee: Dana Canada Corp
Current assignee: Dana Canada Corp
Priority date: 2002-04-10
Filing date: 2003-04-07
Publication date: 2007-05-31
Anticipated expiration: 2023-04-08
Also published as: CA2381214A1; KR20040097341A; JP2005527768A; CA2381214C; JP4031761B2; WO2003087692A1; DE60306353D1; KR100692193B1; ATE331197T1; AU2003213964B2; AU2003213964A1; US20030192677A1; US6796374B2; EP1495277A1; EP1495277B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher gemäß dem Teil des Hauptgegenstandes des unabhängigen Anspruches 1, und insbesondere Wärmetauscher, die einen zweiphasigen Fluidstrom, bestehend aus Gas und Flüssigkeit, umfassen, wie beispielsweise Verdampfer oder Kondensatoren.
In Wärmetauschern, die einen zweiphasigen Fluidstrom, bestehend aus Gas und Flüssigkeit, umfassen, ist die Fluidstromverteilung im Inneren des Wärmetauschers ein Hauptproblem. Wenn der zweiphasige Fluidstrom durch viele Kanäle fließt, die alle mit gemeinsamen Einlass- und Auslass-Verteilern verbunden sind, haben die gasförmige und die flüssige Phase die Tendenz, durch unterschiedliche Trägheitsmomente und Änderungen der Strömungsrichtung im Inneren des Wärmetauschers mit verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten durch verschiedene Kanäle zu fließen. Dies bedingt eine ungleichmäßige Strömungsverteilung sowohl des Gases als auch der Flüssigkeit, was wiederum die Wärmeübertragungsleistung besonders in dem Bereich direkt beeinflusst, der sich nahe dem Auslass befinden, weil dort üblicherweise der Masseanteil der flüssigen Phase relativ niedrig ist. Eine schlechte Verteilung der Flüssigkeit erzeugt trockene oder heiße Bereiche. Wenn darüber hinaus die Flüssigkeit in Bereichen oder Kanälen mit einem hohen Flüssigkeitsgehalt nicht vollständig verdampfen kann, kann ein Teil der Flüssigkeit aus dem Wärmetauscher austreten. Dies hat häufig schädliche Auswirkungen auf das System, in dem der Wärmetauscher verwendet wird. So kann beispielsweise in einem Kühlmittel-Verdampfersystem aus dem Verdampfer austretende Flüssigkeit bewirken, dass das Strömungs- oder das Ausdehnungsventil geschlossen und somit der Kühlmittel-Massestrom reduziert wird. Dies reduziert die Gesamt-Wärmeübertragung des Verdampfers.
In herkömmlichen Konstruktionen für Verdampfer und Kondensatoren tritt der zweiphasige Fluidstrom üblicherweise senkrecht zu den Haupt-Wärmeübertragungskanälen in den Einlass-Verteiler ein. Da das Gas ein viel geringeres Trägheitsmoment besitzt, kann es seine Richtung leichter ändern und durch die ersten Kanäle hindurchströmen, die Flüssigkeit hingegen neigt durch ihr höheres Trägheitsmoment eher dazu, zum Ende des Verteilers zu strömen. Folglich haben die letzten Kanäle üblicherweise erheblich höhere Flüssigkeits-Strömungsgeschwindigkeiten und niedrigere Gas-Strömungsgeschwindigkeiten als die ersten. In der Vergangenheit wur den verschiedene Verfahren getestet, um die Strömungsverteilung in Verdampfern gleichmäßiger zu gestalten. Eines davon ist die Verwendung eines Einlass-Verteilers mit Öffnungen, wie in dem US-Patent Nr. 3,976,128 von Patel et al. gezeigt. Ein weiterer Ansatz besteht darin, den Verdampfer in Zonen oder kleinere Gruppierungen von Strömungskanälen zu unterteilen, die in Reihen miteinander verbunden sind, wie in dem US-Patent Nr. 4,274,482 von Noriaki Sonoda gezeigt wird. Diese Ansätze helfen zwar etwas, die Strömungsverteilung ist jedoch nach wie vor nicht ideal, und es entstehen nach wie vor ineffiziente heiße Zonen. In dem US-Patent 6,241,011 wird ein geschichteter Wärmetauscher gezeigt, der eine Einlassleitung mit darauf ausgebildeten parallelen Rippen besitzt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmetauscher wie den oben genannten zu verbessern, indem effizient ein Verwirbelungseffekt erzeugt wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe durch einen Wärmetauscher erfüllt, der Folgendes umfasst: einen Verteiler, der einen ersten und einen zweiten Verteilerkammerabschnitt bildet, die aneinandergrenzen und über eine Öffnung in Strömungsverbindung miteinander stehen; eine erste Vielzahl von Röhrenelementen, die jeweils einen inneren Strömungskanal bilden, wobei jeder der inneren Strömungskanäle durch die erste Vielzahl von Röhrenelementen gebildet wird, die eine Strömungskanalöffnung in den ersten Verteilerkammerabschnitt hinein haben; eine zweite Vielzahl von Röhrenelementen, die jeweils einen inneren Strömungskanal bilden, wobei jeder der inneren Strömungskanäle durch die zweite Vielzahl von Röhrenelementen gebildet wird, die eine Strömungskanalöffnung in den zweiten Verteilerkammerabschnitt hinein haben; und eine längliche Einlassröhre, die zum Einleiten eines Fluids in den Wärmetauscher in dem Verteiler befestigt ist, die einen Abschnitt besitzt, der sich durch einen ersten Verteilerkammerabschnitt und durch die Öffnung hindurch erstreckt und die durch eine Verwirbelungsstruktur gekennzeichnet wird, die sich entlang einer Außenfläche der Einlassröhre befindet, die an eine Vielzahl der Strömungskammeröffnungen der inneren Strömungskanäle, die durch die erste Vielzahl von Röhrenelementen gebildet werden, angrenzt, wobei die Verwirbelungsstruktur Teile aufweist, die sich von der Einlassröhre nach außen erstrecken und die nicht parallel zu einer Längsachse der Einlassröhre zum Umleiten eines Flüssigphasen-Fluids, das an die Einlassröhre in dem ersten Verteilerkammerabschnitt angrenzend strömt, sind, wobei der erste Verteilerkammerabschnitt einen Fluidströmungsbereich um die Verwirbelungsstruktur und die Einlassröhre herum umfasst und sich die Verwirbelungsstruktur über eine Länge der Einlassröhre in dem ersten Verteilerkammerabschnitt erstreckt, und der Fluidströ mungsbereich mit der Vielzahl von Strömungskanalöffnungen der inneren Strömungskanäle in Verbindung steht, die durch die erste Vielzahl von Röhrenelementen gebildet werden.
Dementsprechend befindet sich eine Vorrichtung zum Erhöhen der Strömung, die eine Verwirbelungsstruktur um eine Innenröhre umfasst, in einem Wärmetauscher-Verteiler, um das Flüssigphasen-Fluid durch eine Vielzahl von Röhrenelementen zu verteilen, die mit dem Verteiler verbunden sind:
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden in den Unteransprüchen dargelegt.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung ausführlich durch mehrere Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
1 eine Ansicht aus der Höhe eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 eine Draufsicht des in 1 gezeigten Wärmetauschers zeigt;
3 eine Ansicht von links des in 1 gezeigten Wärmetauschers zeigt;
4 eine Ansicht aus der Höhe einer der Haupt-Kernplatten zeigt, die zur Herstellung des in 1 gezeigten Wärmetauschers verwendet werden;
5 eine Seitenansicht der in 4 gezeigten Platte zeigt;
6 eine vergrößerte Schnittdarstellung entlang der Linien VI-VI in 4 zeigt;
7 eine Ansicht aus der Höhe einer Art von Trenn- oder Unterteilungs-Platte zeigt, die in dem in 1 gezeigten Wärmetauscher verwendet wird;
8 eine vergrößerte Schnittdarstellung entlang der Linien VIII-VIII in 7 zeigt;
9 eine Ansicht des rechten Endes der in 7 dargestellten Trennplatte zeigt;
10 eine Ansicht aus der Höhe einer anderen Art von Trenn- oder Unterteilungs-Platte zeigt, die in dem in 1 gezeigten Wärmetauscher verwendet wird;
die 11 und 12 perspektivische Diagramm-Ansichten der gegenüberliegenden Seiten einer Strömungsstrecke innerhalb des Wärmetauschers 10 zeigen;
13 eine Schnittdarstellung entlang der Linien XIII-XIII in 1 zeigt;
die 14A-14E skizzenhafte Ansichten sind, die unterschiedliche Konfigurationen einer spiralförmigen Verwirbelungseinrichtung des in 1 gezeigten Wärmetauschers zeigen;
15 eine skizzenhafte Teilschnitt-Seitendarstellung einer weiteren Konfiguration einer Verwirbelungseinrichtung des in 1 gezeigten Wärmetauschers 1 zeigt und 15A eine Schnittdarstellung entlang der Linien XV-XV von 15 zeigt;
16 eine perspektivische Darstellung der in 15 gezeigten Verwirbelungseinrichtung zeigt;
17 eine skizzenhafte Teilschnitt-Seitendarstellung einer weiteren Konfiguration einer Verwirbelungseinrichtung des in 1 gezeigten Wärmetauschers 1 zeigt und 17A eine Schnittdarstellung entlang der Linien XVII-XVII von 17 zeigt;
18 eine skiz zenhafte Seitendarstellung einer weiteren Konfiguration einer Verwirbelungseinrichtung des in 1 gezeigten Wärmetauschers zeigt; und
19 eine Schnittdarstellung einer weiteren Konfiguration einer Verwirbelungseinrichtung des in 1 gezeigten Wärmetauschers zeigt.
Zunächst wird mit Bezug auf die 1 bis 6 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben, das aus einem Stapel von Plattenpaaren 20 besteht, die durch rückseitig verbundene Platten 14 der in den 4 bis 6 gezeigten Art gebildet werden. Jedes Plattenpaar 20 ist ein röhrenartiges Element, das einen U-förmigen Strömungskanal 86 zwischen seinen Platten 14 bildet. Jedes Plattenpaar 20 besitzt vergrößerte distale Endabschnitte oder Erhebungen 22, 26 mit ersten 24 und zweiten 30 Öffnungen, die sich in den Erhebungen befinden und mit entgegengesetzten Enden des U-förmigen Strömungskanals verbunden sind. Jede Platte 14 kann eine Vielzahl von einheitlich beabstandeten Vertiefungen 6 (oder anderen, die Strömung erhöhenden Einrichtungen, beispielsweise Verwirbelungseinrichtungs-Einsätzen oder kurze Lamellen) enthalten, die in die Strömungskanäle hineinreichen, die von jedem Plattenpaar 20 gebildet werden. Vorzugsweise befinden sich zwischen aneinandergrenzen Plattenpaaren gewellte Rippen 8. Die Erhebungen 22 auf einer Seite der Platten 14 sind miteinander verbunden, um einen ersten Verteiler 32 zu bilden, und die Erhebungen 26 auf der anderen Seite der Platten 14 sind miteinander verbunden, um einen zweiten Verteiler 34 zu bilden. Wie am besten in 2 zu sehen ist, läuft eine längliche Einlassröhre 15 durch die ersten Verteileröffnungen 24 in den Platten, um das hineingeleitete Fluid, wie beispielsweise eine zweiphasige Gas-Flüssigkeits-Mischung aus Kühlmittel, in den rechten Abschnitt des Wärmetauschers 10 hineinzuleiten. Wie im Folgenden ausführlicher erläutert werden wird, wird eine spiralförmige Verwirbelungseinrichtung entlang eines Teils der länglichen Röhre 15 bereitgestellt, um den Fluidstrom in einen Teil des Verteilers 32 zu leiten. 3 zeigt die Endplatte 35 mit einem Endanschluss 37, der die Öffnungen 39, 41 besitzt, die mit dem ersten Verteiler 32 beziehungsweise dem zweiten Verteiler 34 verbunden sind.
Der Wärmetauscher 10 wird in die Plattenpaar-Abschnitte A, B und C unterteilt, indem die Sperr- oder Trennplatten 7 und 11, wie in den 7 bis 10 gezeigt, zwischen den Erhebungen 22, 26 ausgewählter Plattenpaare in dem Wärmetauscher angebracht werden, wodurch der Wärmetauscher als Vielstufen-Wärmetauscher eingerichtet wird. Wie in den Diagramm-Darstellungen in den 11 und 12 und in der Schnittdarstellung in 13 gezeigt, unterteilen die Trennplatten 7 und 11 die ersten und zweiten Verteiler 32 und 34 in die Verteilerkammern 32A, 32B, 32C sowie 34A, 34B und 34C. Die Ein lassröhre 15 verläuft durch die Verteilerkammer 32C, durch eine Öffnung 38 durch die Trennplatte 11, durch die Verteilerkammer 32B und durch eine Öffnung 70 in die Verteilerkammer 32A, die mit einem offenen Ende der Einlassröhre 15 in Strömungsverbindung steht. Die Öffnung 38 durch die Trennplatte 11 ist größer als der äußere Durchmesser der Einlassröhre 15, wodurch die aneinandergrenzenden Verteilerkammern 32B und 32C in direkter Strömungsverbindung miteinander stehen. Der Umfang der Öffnung 70 durch die Trennplatte ist jedoch dicht und abdichtbar in den äußeren Durchmesser der Einlassröhre 15 eingepasst, so dass die aneinandergrenzenden Verteilerkammern 32A und 32B nicht in direkter Strömungsverbindung miteinander stehen. Durch die Positionierung der Einlassröhre 15, die durch die Verteilerkammern 32B und 32C hindurchführt, können sich die Wärmetauscher-Einlass- und Auslassöffnungen 39, 41 an demselben Ende des Wärmetauschers 10 befinden.
Die Trennplatte 11 ist zwischen den aneinandergrenzenden Verteilerkammern 34B und 34C dicht, wodurch eine direkte Strömungsverbindung zwischen diesen beiden Kammern unterbunden wird. Durch die Trennplatte 7 wird eine Öffnung 36 bereitgestellt, so dass die aneinandergrenzenden Verteilerkammern 34A und 34B in direkter Strömungsverbindung miteinander stehen. Wie in den 7 bis 10 gezeigt, kann jede Trennplatte 7, 11 einen Endflansch oder Endflansche 42 besitzen, die so positioniert sind, dass die Trennplatten visuell voneinander unterschieden werden können, wenn sie in dem Wärmetauscher positioniert sind. So besitzt beispielsweise die Trennplatte 7 zwei Endflansche 42 und Trennplatte 11 besitzt einen oben positionierten Endflansch 42. In einem alternativen Ausführungsbeispiel können die Trennplatten 7 und 11 in die Erhebungsabschnitte 22, 26 ausgewählter Platten 14 integriert werden, so dass keine separaten Trennplatten 7 und 11 erforderlich sind. So kann beispielsweise ein Verteilerabschnitt dadurch ausgebildet werden, dass die Öffnung 24 in den Platten eines ausgewählten Plattenpaares 20 nicht ausgestanzt wird.
Eine neuartige Eigenschaft des Wärmetauschers 10 besteht darin, eine spiralförmige Verwirbelungseinrichtung 80, die durch eine wendelförmige Rippe 82 erzeugt wird, die sich entlang eines Abschnittes der Einlassröhre 15, die längs hindurchführt, erstreckt und die von den Wänden der Verteilerkammer 32C beabstandet ist, in die Verteilerkammer 32C einzufügen. Wie im Folgenden ausführlich erläutert wird, verteilt die spiralförmige Verwirbelungseinrichtung 80 den Fluidstrom, insbesondere die flüssige Phase des Fluidstroms, zwischen der Vielzahl von Röhrenelementen, die Strömungskanäle besitzen, die mit der Verteilerkammer 32C verbunden sind.
Wie durch die Strömungsrichtungspfeile in den 11, 12 und 13 angegeben, tritt bei der Verwendung des Wärmetauschers 10 als Verdampfer das zu verdampfende Fluid in die Wärmetauscher-Einlassöffnung 39 ein und strömt durch die Einlassröhre 15 in die Verteilerkammer 32A von Abschnitt A des Wärmetauschers. Das Fluid, das in der Verteilerkammer 32A typischerweise zwei Phasen besitzt und sich hauptsächlich in der flüssigen Phase befindet, gelangt in die Strömungskanäle 86, die von dem Stapel paralleler Plattenpaare 20 gebildet werden, die Abschnitt A bilden, fließt parallel durch die U-förmigen Strömungskanäle 86 und in die Verteilerkammer 34A hinein, wodurch ein erster Durchlauf abgeschlossen ist. Das Fluid gelangt dann durch die Öffnung 36 in der Sperrplatte 7 und in die Verteilerkammer 34B des Wärmetauscher-Abschnittes B, fließt durch die U-förmigen Strömungskanäle 86 der Plattenpaare, die Abschnitt B bilden, und gelangt in die Verteilerkammer 32A, wodurch ein zweiter Durchlauf abgeschlossen ist.
Nach zwei Durchläufen durch den Wärmetauscher ist im Allgemeinen die gasförmige Komponente des Fluids im Vergleich zu der flüssigen Phase signifikant angestiegen, es ist jedoch häufig noch etwas von der flüssigen Phase vorhanden. Das zweiphasige Fluid strömt durch den Durchlass, der zwischen der äußeren Wand der Einlassröhre 15 und dem Umfang der Öffnung 38 gebildet wird, von der Verteilerkammer 32B in die Verteilerkammer 32A, eine derartige Passage funktioniert als Kammer-Einlassöffnung für die Kammer 32A. Der Teil der Einlassröhre 15, der durch die Öffnung 38 hindurchführt, befindet sich vorzugsweise mittig in der Öffnung 38, so dass der Umfang der gesamten äußeren Wand von dem Umfang der Öffnung 39 beabstandet ist. Auf diese Weise wird das zweiphasige Fluid, das in die Kammer 32A gelangt, im Allgemeinen um eine Außenfläche der Einlassröhre 15 herum verteilt und in fließt eine Richtung, die im Wesentlichen parallel zu der Längsachse der Röhre 15 ist. Die auf der Röhre 15 bereitgestellte, wendelförmige Rippe 82 erhöht die Strömung des Fluids in der Verteilerkammer 32C, um bei der Verteilung des Fluids, insbesondere der flüssigen Phase des Fluids, unter den Strömungskanälen 86 der Plattenpaare 20, die mit der Verteilerkammer 32C verbunden sind, mitzuwirken. Nachdem das Fluid durch die Strömungskanäle 86 der Plattenpaare 20 von Abschnitt C hindurchgeströmt ist, gelangt es in die Verteilerkammer 34C hinein und verlässt danach den Wärmetauscher 10 durch die Auslassöffnung 41.
Ist keine wendelförmige Rippe 82 vorhanden, neigt die Flüssigkeit (die ein größeres Trägheitsmoment besitzt als das Gas) dazu, mit hoher Geschwindigkeit entlang der Außenfläche der Einlassröhre 15 geradeaus durch die Verteilerkammer 32C zu fließen und somit die ersten Strömungskanäle in Abschnitt C zu verpassen, so dass die flüssige Phase in letzten Plattenpaaren 20 in Abschnitt C (das heißt, in denjenigen Plattenpaa ren, die sich am dichtesten an der Endplatte 35 befinden) überproportional konzentriert ist, wodurch die letzten Strömungskanäle bedeutend höhere Strömungsgeschwindigkeiten der flüssigen Phase und geringere Strömungsgeschwindigkeiten der gasförmigen Phase besitzen als die ersten Kanäle in Abschnitt C. Eine derartig ungleichmäßige Konzentration kann die Wärmeübertragungsleistung nachteilig beeinflussen und dazu führen, dass eine unerwünschte Menge Flüssigkeit den Wärmetauscher verlässt, wodurch "Flattern" des Strömungs- oder des Ausdehnungsventils erzeugt werden kann (das heißt, dauerndes Öffnen und Schließen des Ventils wegen intermittierender Anwesenheit von Flüssigkeit, dadurch reduzierter Massestrom des Kühlmittels). Die wendelförmige Rippe 82 der spiralförmigen Verwirbelungseinrichtung 80 bricht den Flüssigkeitsstrom, um den Flüssigkeitsstrom parallel durch die Strömungskanäle des letzten Durchlauf-Abschnittes C hindurchzuleiten. Eine gleichmäßigere Verteilung bewirkt eine verbesserte Wärmeübertragungsleistung und bewirkt, dass weniger Flüssigphasen-Fluid den Wärmetauscher verlässt, wodurch das "Flattern" des Ausdehnungsventils reduziert wird.
Die spiralförmige Verwirbelungseinrichtung 80 kann in Massenproduktions-Wärwetauschern wirtschaftlich eingesetzt werden und besitzt eine Konfiguration, die in einer Fertigungsumgebung konsistent reproduziert werden kann und relativ unempfindlich gegenüber den negativen Bedingungen ist, die beim Betrieb von Wärmetauschern auftreten.
Die Steigung und die Höhe der Rippe können so gewählt werden, dass sie für die Steuerung der Flüssigkeits-Strömungsverteilung für eine spezielle Wärmetauscherkonfiguration und -anwendung optimal geeignet sind. In den 14A bis 14E werden verschiedene Arten der Rippen-Konfiguration für spiralförmige Verwirbelungseinrichtungen 80 gezeigt. 14B zeigt eine spiralförmige Verwirbelungseinrichtung mit einer relativ steilen Steigung und einem engen Abstand zwischen aneinandergrenzenden Rippenumläufen, die Rippe 62 ragt deutlich quer zur Strömungsrichtung der hineingelangenden Flüssigkeit in Kammer 32C heraus. 14A zeigt eine spiralförmige Verwirbelungseinrichtung mit einer flacheren Steigung und größeren Abständen zwischen den einzelnen Umläufen. In den 14A bis 14E werden zwar nur fünf Konfigurationen gezeigt, die Verwendung anderer Konfigurationen wird jedoch ebenfalls erwogen. In einigen Konfigurationen kann die wendelförmige Rippe äußere Kanten besitzen, die nicht kreisförmig sind (beispielsweise rechteckige äußere Kanten, wie in 14C gezeigt), oder sie kann eine Anzahl wendelförmiger Rippen besitzen, die parallel zueinander verlaufen (wie beispielsweise in 14D). In einigen Ausführungsbeispielen können die Steigung, der Abstand der Spiralen zwischen in Längsrichtung aneinan dergrenzenden Rippenabschnitten, der Winkel und die Größe (das heißt, die Höhe) oder Kombinationen aus einem oder mehreren der genannten Elemente entlang der Länge der Röhre 15 variieren, wie in der imaginären spiralförmigen Verwirbelungseinrichtung in 14E gezeigt. In einigen Ausführungsbeispielen kann die wendelförmige Rippe entlang der Länge der Röhre 15 Unterbrechungen aufweisen (nicht dargestellt).
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich die spiralförmige Verwirbelungseinrichtung selektiv in der Eingangs-Verteilerkammer 32C des letzten Durchlaufes eines Vielstufen-Wärmetauschers. Es wird erwogen, dass sich in einigen Anwendungen spiralförmige Verwirbelungseinrichtungen in der Eingangs-Verteilerkammer eines anderen Durchlaufes anstelle des Enddurchlaufes oder zusätzlich zu dem Enddurchlauf befinden können. In einigen Anwendungen kann die spiralförmige Verwirbelungseinrichtung in einem Einstufen-Wärmetauscher oder in einem Vielstufen-Wärmetauscher genutzt werden, der mehr oder weniger Durchläufe besitzt als die drei Durchläufe des exemplarischen Wärmetauschers, der in den Figuren gezeigt und beschrieben wurde. Die spiralförmige Verwirbelungseinrichtung kann in Wärmetauschern genutzt werden, deren Strömungskanäle keine U-Form besitzen, sondern beispielsweise gerade ausgebildet sind, und sie ist nicht beschränkt auf Wärmetauscher, in denen die Röhrenelemente aus Plattenpaaren gebildet werden.
In dem dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die wendelförmige Rippe an der Einlassröhre 15 befestigt, und dasselbe Fluid strömt sowohl durch die Innenseite der Einlassröhre als auch später außen an der Einlassröhre 15 entlang. In einigen Anwendungen kann eine Innenröhre als Kern für die wendelförmige Rippe verwendet werden, die ungleich der Einlassröhre 15 ist (beispielsweise in einem Ausführungsbeispiel, in dem die Einlassröhre 15 durch eine direkte äußere Öffnung in die Verteilerkammer 32A ersetzt wurde).
Eine spiralförmige Verwirbelungseinrichtung mit einer wendelförmigen Rippe wurde im Vorgenannten als das bevorzugte Ausführungsbeispiel einer Verwirbelungseinrichtung, die an der Einlassröhre befestigt ist, beschrieben, da eine derartige Konfiguration relativ leicht in großen Mengen herzustellen ist, indem ein Draht oder ein anderes Element wendelförmig um den Abschnitt der Einlassröhre, der sich in der Verteilerkammer 32C befindet, herumgewickelt und daran befestigt wird. In einigen Ausführungsbeispielen können jedoch auch andere die Strömung steigernde Strukturen entlang der Einlassröhre 15 bereitgestellt werden, um das Flüssigphasen-Fluid zu verteilen, das durch die Öffnung 38 zwischen den Plattenpaaren 20 der Verteilerkammer 32C strömt. So zeigen die 15 und 15A beispielhaft eine weitere mögliche Verwirbelungseinrichtung 90 zum Einsatz in der Verteilerkammer 32C, die statt einer wendelförmigen Rippe eine Reihe radial hervorstehender Ringe 92 besitzt, die um die Einlassröhre 15 herum angeordnet sind und dazu dienen, die Flüssigphasen-Fluidströmung zu brechen und zu verteilen. Wie in 16 gezeigt, kann entlang der Einlassröhre 15 eine Längsrippe 94 bereitgestellt werden, die von einer entsprechenden Nut in jedem der Ringe 92 aufgenommen wird und das Positionieren der Ringe auf der Röhre 15 unterstützt. Alternativ dazu kann eine Längsnut entlang der Einlassröhre 15 zum Aufnehmen einer in einer Innenfläche jedes Ringes 92 bereitgestellten Nase bereitgestellt werden. 17 und 17A zeigen eine weitere mögliche Verwirbelungseinrichtung 96, die der Verwirbelungseinrichtung 90 insofern ähnelt, dass sie eine Reihe radial abstehender Ringe 98 umfasst, die sich entlang der Länge der Einlassröhre 15 erstrecken. Die Ringe 98 und die Röhre 15 sind jedoch eine Konstruktion aus einem Stück, und die Ringe 98 werden gebildet, indem Abschnitte der Einlassröhre 15 in Abständen entlang ihrer Länge zusammengepresst werden.
An Stelle von nach außen stehenden Einrichtungen zum Erhöhen der Strömung wie beispielsweise wendelförmigen Rippen 62 oder Ringen 92 oder 98 auf der Röhre 15 können in einigen Ausführungsbeispielen auch Verwirbelungen nach innen genutzt werden, um die Flüssigphasen-Fluidströmung in der Verteilerkammer 32C zu verteilen. So zeigt die 18 eine weitere mögliche Verwirbelungseinrichtung 100 zum Einsatz in der Verteilerkammer 32C, bei der statt einer wendelförmigen Rippe eine wendelförmige Nut 102 entlang der Außenfläche der Einlassröhre 15 angeordnet ist, die dazu dient, die Flüssigphasen-Fluidströmung zu brechen und zu verteilen. In einigen Ausführungsbeispielen können alternativ dazu auch eine wendelförmige Nut und eine wendelförmige Rippe abwechselnd genutzt werden. In einigen Ausführungsbeispielen kann die wendelförmige Nut durch eine Anzahl beabstandeter ringförmiger Nuten ersetzt werden, wie in 19 gezeigt.

Claims

Wärmetauscher (10), der umfasst: einen Verteiler, der einen ersten und einen zweiten Verteilerkammerabschnitt (32C, 32B) bildet, die aneinandergrenzen und über eine Öffnung (38) in Strömungsverbindung miteinander stehen; eine erste Vielzahl (C) von Röhrenelementen (20), die jeweils einen inneren Strömungskanal (86) bilden, wobei jeder der inneren Strömungskanäle (86) durch die erste Vielzahl (C) von Röhrenelementen (20) gebildet wird, die eine Strömungskanalöffnung in den ersten Verteilerkammerabschnitt (32) hinein haben; eine zweite Vielzahl (B) von Röhrenelementen (20), die jeweils einen inneren Strömungskanal (86) bilden, wobei jeder der inneren Strömungskanäle (86) durch die zweite Vielzahl (B) von Röhrenelementen (20) gebildet wird, die eine Strömungskanalöffnung in den zweiten Verteilerkammerabschnitt (32b) hinein haben; und eine längliche Einlassröhre (15), die in dem Verteiler befestigt ist, um Fluid in den Wärmetauscher hineinzubringen, und die einen Abschnitt hat, der sich durch den ersten Verteilerkammerabschnitt (32C) und durch die Öffnung (38) hindurch erstreckt, gekennzeichnet durch eine Verwirbelungsstruktur (80), die sich an einer Außenfläche der Einlassröhre (15) an eine Vielzahl der Strömungskammeröffnungen der inneren Strömungskanäle (86), die durch die erste Vielzahl (C) von Röhrenelementen (20) gebildet werden, angrenzend befindet, wobei die Verwirbelungsstruktur (80) Teile aufweist, die sich von der Einlassröhre nach außen erstrecken und nicht parallel zu einer Längsachse der Einlassröhre (15) sind, um Flüssigphasen-Fluid, das an die Einlassröhre (15) in dem ersten Verteilerkammerabschnitt (32C) angrenzend strömt, umzuleiten, wobei der erste Verteilerkammerabschnitt (32C) einen Fluidströmungsbereich um die Verwirbelungsstruktur (80) und die Einlassröhre (15) herum enthält und sich die Verwirbelungsstruktur (80) über eine Länge der Einlassröhre (15) in dem ersten Verteilerkammerabschnitt (32C) erstreckt und der Fluidstrombereich mit der Vielzahl von Strömungskammeröffnungen der inneren Strömungskanäle (86) in Verbindung steht, die durch die erste Vielzahl (C) von Röhrenelementen (20) gebildet werden.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verwirbelungsstruktur (80) eine wendelförmige Rippe (82) enthält.
Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich wenigstens Größe, Steigung oder Abstand zwischen benachbarten Windungen der wendelförmigen Rippe (82) über eine Länge der Einlassröhre ändert.
Wärmetauscher nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die wendelförmige Rippe (82) von der Einlassröhre im Wesentlichen quer zu der primären Flüssigkeitsströmungsrichtung nach außen erstreckt.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verwirbelungsstruktur (80) eine Vielzahl beabstandeter Ringe (92, 98) enthält, die von einer Außenfläche der Einlassröhre (15) vorstehen.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verwirbelungsstruktur (80) eine wendelförmige Nut (102) enthält, die an einer Außenfläche der Einlassröhre (15) ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verwirbelungsstruktur (80) eine Vielzahl beabstandeter Ringnuten (104) enthält, die an einer Außenfläche der Einlassröhre (15) ausgebildet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verwirbelungsstruktur (80) einen wendelförmigen Draht (82) enthält, der um die Einlassröhre (15) herumgewickelt und an ihr befestigt ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die längliche Einlassröhre (15) eine Längsachse hat, die im Wesentlichen parallel zu einer primären Flüssigkeitsströmungsrichtung einer Flüssigkeit ist, die über die Verteilerkammer-Einlassöffnung (38) in die Verteilerkammer (32C) eintritt.
Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringe an einer Außenfläche der Einlassröhre (15) befestigt sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringe aus zusammengedrückten Abschnitten der Einlassröhre (15) ausgebildet sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher ein Vielstufen-Wärmetauscher ist und der Teil der Einlassröhre (15), der die Verwirbelungsstruktur aufweist, sich nur in dem ersten Verteilerkammerabschnitt (32C) befindet und der erste Verteilerkammerabschnitt mit einer abschließenden Wärmetauscherstufe verbunden ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher ein Verdampfer ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Röhrenelemente (20) ein Plattenpaar ist, das durch rückseitig verbundene Platten (14) gebildet wird, die den Strömungskanal (86) dazwischen begrenzen.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass: die erste Vielzahl (C) von Röhrenelementen (20) zusammengeschichtet sind und jeweils erste Einlass- und distale Auslass-Endabschnitte (22, 26) aufweisen, die jeweils erste Einlass- und Auslass-Öffnungen (24, 30) bilden, wobei alle der ersten Einlass-Öffnungen so miteinander verbunden sind, dass die ersten distalen Einlass-Endabschnitte den ersten Verteilerkammerabschnitt (32C) bilden, und alle der ersten Auslass-Öffnungen so miteinander verbunden sind, dass die ersten distalen Auslass-Endabschnitte eine Auslass-Verteilerkammer (34C) bilden; die zweite Vielzahl (B) von Röhrenelementen (20) zusammengeschichtet sind und jeweils zweite Einlass- und zweite distale Auslass-Endabschnitte (26, 22) aufweisen, die jeweils zweite Einlass- und zweite Auslass-Öffnungen (30, 24) bilden, wobei alle der zweiten Einlass-Öffnungen so miteinander verbunden sind, dass die zweiten distalen Einlass-Endabschnitte eine Einlass-Verteilerkammer (34B) bilden und alle der zweiten Auslass-Öffnungen so miteinander verbunden sind, dass die zweiten distalen Auslass-Endabschnitte den zweiten Verteilerkammerabschnitt (32B) bilden, wobei die Öffnung (38) größer ist als der Einlassröhrenabschnitt, der sich durch sie hindurch erstreckt, um Fluid von dem zweiten Verteilerkammerabschnitt (32B) zu der ersten Verteilerkammer (32C) über die Öffnung (38) außerhalb der Einlassröhre strömen zu lassen, und die Verwirbelungsstruktur (80) an dem Teil der Einlassröhre (15) in dem ersten Verteilerkammerabschnitt (32C) vorhanden ist, um Fluid, das über die Öffnung (38) in den ersten Verteilerkammerabschnitt (32C) hinein strömt, unter der Vielzahl von Röhrenelementen (20) zu verteilen.
Wärmetauscher nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine weitere Vielzahl (A) von Röhrenelementen (20), die zusammengeschichtet sind und jeweilige weitere Einlass- und weitere distale Auslass-Endabschnitte aufweisen, die jeweilige weitere Einlass- und weitere Auslass-Öffnungen bilden, wobei alle der weiteren Einlass-Öffnungen so miteinander verbunden sind, dass die weiteren distalen Einlass-Endabschnitte einen weiteren Einlass-Verteilerkammerabschnitt (32A) bilden, und alle der weiteren Auslassöffnungen so miteinander verbunden sind, dass die weiteren distalen Auslass-Endabschnitte einen weiteren Auslass-Verteilerkammerabschnitt (34A) bilden; die Einlassröhre (15) eine Auslass-Endöffnung hat, die sich in den weiteren Einlass-Verteilerkammerabschnitt (32A) hinein öffnet, die weitere zweite und erste Vielzahl von Röhrenelementen so angeordnet sind, dass sie einen Wärmetauscher-Strömungsweg bilden, der Fluid, das über die Einlassröhre in den Wärmetauscher eintritt, zuerst durch die weitere Vielzahl (A) von Röhrenelementen, anschließend durch die zweite Vielzahl (B) von Röhrenelementen und dann durch die erste Vielzahl (C) von Röhrenelementen leitet.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Röhrenelemente (20) eine U-förmige Gestalt haben.