DE68901815T2 - Waermeaustauscher. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, wie er allgemein aus der US-A-4 440 217 bekannt ist.
• Dieses Dokument beschreibt und zeigt einen Wärmetauscher, bei dem ein erstes Fluid zirkuliert, indem es durch drei Kammern tritt und bei dem ein zweites Fluid zirkuliert, indem es durch zwei Kammern tritt, die zwischen den drei vorgenannten Kammern angeordnet sind. Der in diesem Dokument angestrebte Zweck ist es, einen erhöhten Wirkungsgrad des Wärmetausches zwischen nur zwei Fluiden zu erzielen, indem die thermischen Berührungsflächen zwischen den zwei Fluiden vergrößert werden.
• Das Patent CH-A-593 470 beschreibt und zeigt einen Wärmetauscher, bei dem in einer Kammer eine Schlange angeordnet ist, die in einem hohlen Körper vorgesehen ist, der einen doppelten Umfangsmantel aufweist. Bei diesem bekannten Wärmetauscher werden die Wärmeübergänge schlecht beherrscht, die hydraulischen Strömungen über die Wärmetauschflächen sind ungleich und der Fluß des Wärmeüberganges kann nicht groß sein.
• Wie beansprucht, besitzt der Wärmetauscher gemäß der Erfindung einen hohlen Körper mit einer äußere Längswand und zwei Endwänden, der auf der Seite der Endwände eine Zulaufkammer bzw. eine Auslaufkammer aufweist, die an einen ersten, äußeren Fluidkreislauf angeschlossen sind, und die miteinander über wenigstens ein Führungsrohr verbunden sind, in dem sich in Längsrichtung ein längliches Heizelement erstreckt, das von einer der Endwände getragen wird, derart, daß das Fluid des ersten, äußeren Kreislaufes von der Zulaufkammer zur Auslaufkammer tritt, indem es durch den Raum strömt, der das Heizelement und das Führungsrohr voneinander trennt; wobei der hohle Körper weiters zwei Zwischenkammern aufweist, die mit einem zweiten, äußeren Kreislauf verbunden sind, und die miteinander durch wenigstens ein Verbindungsrohr verbunden ist, das um das Führungsrohr herum angeordnet ist; wobei der hohle Körper eine erste Zwischenwand, welche die Zwischenkammern trennt und das Verbindungsrohr mit der Außenwand verbindet, eine zweite Zwischenwand, welche die eine der Zwischenkammern und die Zulaufkammer voneinander trennt und das Führungsrohr mit der Außenwand verbindet, und eine dritte Zwischenwand besitzt, welche die andere Zwischenkammer von der Auslaufkammer trennt und das Führungsrohr mit der Außenwand verbindet, derart, daß das zweite Fluid des zweiten, äußeren Kreislaufes von einer Zwischenkammer in die andere tritt, indem es durch den Raum strömt, der das Führungsrohr und das Verbindungsrohr voneinander trennt.
• So erlaubt es der Wärmetauscher gemäß der Erfindung, Wärmeübergänge zwischen dem länglichen Heizelement und dem ersten Fluid, das in dem Raum zirkuliert, der dieses Element vom Führungsrohr trennt, und Wärmeübergänge zwischen den zwei Fluiden untereinander, die beiderseits des Führungsrohres strömen, zu bewirken.
• Der Wärmetauscher gemäß der Erfindung, wie er eben definiert worden ist, erlaubt es überdies, hohe Wärmeströme zwischen dem länglichen Heizelement, dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid zu erhalten, wobei die Wärmeübergänge beherrscht und insbesondere ihre örtliche Überhitzung vermieden werden, wobei das erste Fluid in vorteilhafter Weise ein thermisches Zwischenglied zwischen dem länglichen Heizelement und dem zweiten Fluid bilden kann.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Zulauf- und die Ablaufkammer über mehrere Führungsrohre verbunden, in denen sich jeweils wenigstens ein längliches Heizelement erstreckt, und die Zwischenkammern sind durch mehrere Verbindungsrohre verbunden, die jeweils um die Führungsrohre herum angeordnet sind.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind das Verbindungsrohr und das längliche Element zylindrisch und koaxial.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Räume derart, daß die Fluidströmung in diesen letzteren turbulent ist.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind Mittel zum Zentrieren des Führungsrohres im Verbindungsrohr vorgesehen, damit zwischen diesen Rohren ein gleichmäßiger Abstand beibehalten wird.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die Mittel zum Zentrieren durch örtliche Verformungen eines der Rohre gebildet, die am anderen anliegen.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Führungsrohr mit der Wand der Zulaufkammer, die es durchquert, und/oder mit der Wand der Auslaufkammer, die es durchquert, über ein in Längsrichtung des Führungsrohres verformbares Mittel dicht verbunden.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das vorgenannte, verformbare Mittel durch eine ringförmige oder rohrförmige Manschette gebildet, die einerseits am Führungsrohr und anderseits an der Wand der vorgenannten Kammer dicht befestigt ist.
• Vorzugsweise enthält das längliche Heizelement wenigstens einen elektrischen Widerstand.
• Die vorliegende Erfindung wird beim Studium eines Wärmetauschers, der beispielsweise und nicht beschränkend beschrieben und in der Zeichnung gezeigt wird, besser verstanden werden. In welchen :
• - die Figur 1 einen Längs schnitt eines Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
• - die Figur 2 einen Querschnitt längs II-II des Wärmetauschers von Figur 1 zeigt;
• - die Figur 3 einen vergrößerten Radialschnitt einer Ausführungsform, die das Zentrieren der rohrförmigen Elemente des Wärmetauschers von Figur 1 erlaubt, zeigt;
• - die Figur 4 in vergrößertem Maßstab einen Längsschnitt einer Ausführungsform, die in Figur 3 gezeigt ist, zeigt;
• - und die Figur 5 in vergrößertem Maßstab einen Längs schnitt einer Art der Verbindung von zwei Teilen des Wärmetauschers, der in Figur 1 gezeigt ist, zeigt.
• Der in den Figuren gezeigte Wärmetauscher, der allgemein durch das Bezugszeichen 1 bezeichnet wird, besitzt einen hohlen Körper 2, der eine zylindrische Längswand 3 und zwei radiale Endwände 4 und 5 aufweist.
• Ausgehend von der Endwand ist das Innenvolumen des hohlen Körpers 2 in Längsrichtung in vier aufeianderfolgende Kammern 6, 7, 8, 9 unterteilt, die voneinander jeweils durch radiale Wände 10, 11 und 12 getrennt sind. Im Beispiel wird die zylindrische Wand 3 des Körpers 2 in Längsrichtung in Teile unterteilt, die mit Flanschen versehen sind, an denen jeweils diese radialen Wände befestigt sind.
• Die Zwischenkammern 7 und 8 sind im Beispiel durch zwei längslaufende zylindrische Rohre 13 und 14 verbunden, die sich durch die radiale Zwischenwand 11 erstrecken und die vorzugsweise in dichter Form von dieser letzteren getragen werden, wobei die Enden dieser Verbindungsrohre 13 und 14 im Abstand von den radialen Wänden 10 und 12 angeordnet sind.
• Die Endkammern 6 und 9 werden durch langgestreckte, zylindrische Führungsrohre 15 und 16 verbunden, die sich durch die Verbindungsrohre 13 und 14 erstrecken, zu denen sie koaxial sind, und die sich durch die radialen Wände 10 und 12 erstrekken, wobei die Führungsrohre 15 und 16 von diesen radialen Wänden 10 und 12 dicht getragen werden und wobei ihre Enden jeweils im Abstand von den Endwänden 4 und 5 des hohlen Körpers 2 angeordnet sind.
• Auch die Zwischenkammern 7 und 8 werden durch Ringräume 17 und 18 verbunden, welche die Verbindungsrohre 13 und 14 bzw. die Führungsrohre 15 und 16 voneinander trennen.
• In den Führungsrohren 15 und 16 und koaxial zu letzteren erstrecken sich längliche, längslaufende Heizelemente 19 und 20, die sich ebenfalls durch die Endkammer 6 und die Endwand 4 erstrecken und die von dieser letzteren getragen werden. Die länglichen Heizelemente enthalten wenigstens im Bereich der Führungsrohre 15 und 16 elektrische Widerstände.
• Auch die Endkammern 6 und 9 werden durch Ringkanäle 21 und 22 verbunden, welche die länglichen Heizelemente 19 und 20 und die Führungsrohre 15 und 16 voneinander trennen.
• Schließlich trägt die Wand 3 des zylindrischen Körpers 2 einerseits radiale Rohrstutzen 23 und 24, mit welchen die Zwischenkammern 6 und 9 an einen ersten, äußeren Kreislauf angeschlossen werden können, und anderseits radiale Rohrstutzen 25 und 26, mit welchen die Zwischenkammern 7 und 8 an den zweiten, äußeren Kreislauf angeschlossen werden können.
• Der Wärmetauscher 1, der oben beschrieben ist und der in den Figuren gezeigt wird, funktioniert und kann in der folgenden Weise verwendet werden.
• Ein erstes Fluid, beispielsweise eine Flüssigkeit, die im ersten erwähnten Kreislauf zirkuliert, tritt durch den Rohrstutzen 23 in die Zulaufkammer 6 ein, strömt durch die ringförmigen Räume 21 und 22, die jeweils die Heizelemente 19 und 20 und die Führungsrohre 15 und 16 trennen, zur Auslaufkammer 9, aus der es durch den radialen Rohrstutzen 24 abströmt.
• Auf diese Weise wird das erste Fluid, wenn die elektrischen Widerstände, welche die länglichen Heizelemente 19 und 20 enthalten, mit elektrischer Energie gespeist werden, während seines Durchtrittes durch die Ringräume 21 und 22 erhitzt.
• Ein zweites Fluid, beispielsweise eine Flüssigkeit, die im zweiten erwähnten Kreislauf zirkuliert, tritt über den radialen Rohrstutzen 25 in die erste Zwischenkammer 7 ein, strömt durch die ringförmigen Räume 17 und 18, welche jeweils die Verbindungsrohre l3 und 14 und die Führungsrohre 15 und 16 trennen, zur zweiten Zwischenkammer 8, um aus dieser durch den radialen Rohrstutzen 26 auszutreten.
• So kann, wenn das zweite Fluid durch die Ringräume 17 und 18 und das erste Fluid durch die Ringräume 21 und 22 strömt, durch die Wand der Führungsrohre 15 und 16 ein Wärmeaustausch von einem zum anderen entstehen.
• In einem Anwendungsbeispiel kann es zu einer ersten Zeit erforderlich sein ein Fluid zu erwärmen, dann zu einer zweiten Zeit dieses abzukühlen. Hiezu läßt man dieses Fluid, das im ersten Kreislauf zirkuliert, durch die Ringräume 21 und 22 treten, in denen es vom elektrischen Widerstand der länglichen Heizelemente 19 und 20 erhitzt wird, und um es abzukühlen, läßt man es durch die Ringräume 21 und 22 strömen, wobei man zugleich ein zweites Kühlfluid durch die Ringräume 17 und 18 strömen läßt, das in dem zweiten Kreislauf zirkuliert, Es versteht sich, daß die Länge der Verbindungsrohre 13 und 14, welche die Länge der ringförmigen Durchgänge 17 und 18 bestimmt, einen der Parameter zur Bestimmung des Wärmeflusses zwischen den zwei Fluiden bildet.
• Um auch zwischen den länglichen Heizelementen 19 und 20 und dem in den ringförmigen Räumen 21 und 22 zirkulierenden Fluid ebenso bedeutende Wärmeströme zu erhalten wie zwischen dem Fluid, das in den Ringräumen 17 und 18 zirkuliert, und dem Fluid, das in den Ringräumen 21 und 22 zirkuliert, ist es besonders vorteilhaft, wenn diese Ringräume so ausgebildet und dimensioniert werden, daß die Strömung des Fluids in letzteren turbulent ist.
• Wie man gesehen hat, werden die länglichen Heizelemente 19 und 20 von der Endwand 4 des hohlen Körpers 2 getragen und erstrecken sich durch die Zulaufkammer 6 und in den Führungsrohren 15 und 16. Um diese Heizelemente 19 und 20 und die Führungsrohre 15 und 16 koaxial zu halten, damit der Ringraum der sie trennt, konstant bleibt, wird gemäß einer Variante, die in den Figuren 3 und 4 gezeigt ist, vorgeschlagen, in der Wand der Führungsrohre 19 und 20 örtliche Verformungen 27 auszubilden, die sich nach innen vorspringend erstrecken und gegen welche die jeweiligen Heizelemente 19 und 20 in Anlage kommen. So sind die länglichen Heizelemente 19 und 20 in gleicher Weise zentriert. Überdies können die länglichen Heizelemente 19 und 20 und die Führungsrohre 15 und 16 aneinander in Längsrichtung gleiten, um ihre Verformungen zufolge von Temperaturänderungen aufzufangen.
• Man hat gesehen, daß die Verbindungsrohre 13 und 14 die Zwischenwand 11 durchsetzen und von dieser getragen werden. Um den Ringraum, der sie von den Führungsrohren 15 und 16 trennt, konstant zu halten und um ein Gleiten dieser Verbindungsrohre über den Führungsrohren in Längsrichtung zu ermöglichen, was Verformungen wegen der Temperaturänderungen auffängt, werden, wie in den Figuren 3 und 4 ersichtlich, die Verbindungsrohre 13 und 14 ebenfalls mit örtlichen Veformungen 28 versehen, die sich nach innen erstrecken und gegen welche die Führungsrohre 15 bzw. 16 anliegen.
• In der Ausführuntgsform, die in den Figuren 1 und 2 gezeigt ist, sind die Führungsrohre 15 und 16 dicht jeweils an den Wänden 10 und 12 des hohlen Körpers 2 befestigt, z.B. angeschweißt. In der in Figur 5 gezeigten Ausführungsvariante wird vorgeschlagen, die Führungsrohre 15 und 16 mit der Wand 12 des hohlen Körpers 2 über ein in Längsrichtung verformbares Element zu verbinden, um Längenänderungen der Führungsrohre 15 und 16 zufolge von Temperaturänderungen aufzufangen und so zu vermeiden, daß auf letztere übermäßige, mechanische Spannungen ausgeübt werden. In der bevorzugten Ausführungsform, die in Figur 5 gezeigt ist, sind an der Wand 12 Muffen 29 dicht befestigt und umgeben die Führungsrohre 15 und 16. Manschetten 30 umgeben und sind im Abstand von den Muffen 29 dicht an diesen Führungsrohren befestigt. Die Muffen 29 und 30 werden durch ringförmige oder rohrförmige Manschetten 31, vorzugsweise aus Metall, verbunden, deren Längsenden dicht an den Muffen 29 und 30 befestigt sind. So erlauben es die Manschetten 31, Änderungen der Längslage der Führungsrohre 15 und 16 gegenüber der Wand 12 zu aufzufangen.

Claims (9)

1. Wärmetauscher (1) mit einem hohlen Körper (2), der eine äußere Längswand (3) und zwei Endwände (4, 5) besitzt und der auf der Seite dieser Endwände eine Zulaufkammer (6) bzw. eine Auslaufkammer (9) aufweist, die an einen ersten, äußeren Fluidkreislauf angeschlossen sind, und die miteinander über wenigstens ein Führungsrohr (15) verbunden sind, in dem sich in Längsrichtung ein längliches Heizelement (19) erstreckt, das von einer der Endwände getragen wird, derart, daß das Fluid des ersten, äußeren Kreislaufes von der Zulaufkammer zur Auslaufkammer tritt, indem es durch den Raum (21) strömt, der das Heizelement und das Führungsrohr voneinander trennt; wobei der hohle Körper (2) weiters zwei Zwischenkammern (7, 8) aufweist, die mit einem zweiten, äußeren Kreislauf verbunden sind, und die miteinander durch wenigstens ein Verbindungsrohr (13) verbunden sind, das um das Führungsrohr (15) herum angeordnet ist; wobei der hohle Körper (2) eine erste Zwischenwand (11), welche die Zwischenkammern (7, 8) trennt und das Verbindungsrohr (13) mit der Außenwand verbindet, eine zweite Zwischenwand (10), welche die eine der Zwischenkammern (7) und die Zulaufkammer (6) voneinander trennt und das Führungsrohr (15) mit der Außenwand (3) verbindet, und eine dritte Zwischenwand (12) besitzt, welche die andere Zwischenkammer (8) von der Auslaufkammer (9) trennt und das Führungsrohr (15) mit der Außenwand (3) verbindet, derart, daß das zweite Fluid des zweiten, äußeren Kreislaufes von einer Zwischenkammer in die andere tritt, indem es durch den Raum (17) strömt, der das Führungsrohr (15) und das Verbindungsrohr (13) voneinander trennt.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zulaufkammer (6) und die Ablaufkammer (9) über mehrere Führungsrohre verbunden sind, in denen sich jeweils wenigstens ein längliches Heizelement erstreckt, und daß die Zwischenkammern (7, 8) durch mehrere Verbindungsrohre verbunden sind, die jeweils um die Führungsrohre herum angeordnet sind.

3. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Führungsrohr (15), das Verbindungsrohr (13) und das längliche Element (19) zylindrisch und koaxial sind.

4. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Räume (17, 21) derart sind, daß die Fluidströmung in diesen letzteren turbulent ist.

5. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Zentrieren des Führungsrohres (15) im Verbindungsrohr (13) vorgesehen sind, damit zwischen diesen Rohren ein gleichmäßiger Abstand beibehalten wird.

6. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Zentrieren durch örtliche Verformungen (28) eines der Rohre gebildet werden, die am anderen anliegen.

7. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Führungsrohr (15) mit der Wand (12) der Zulaufkammer, die es durchquert, und/oder mit der Wand der Auslaufkammer, die es durchquert, über ein in Längsrichtung des Führungsrohres verformbares Mittel (31) dicht verbunden ist.

8. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das vorgenannte, verformbare Mittel durch eine ringförmige oder rohrförmige Manschette (31) gebildet ist, die einerseits am Führungsrohr und anderseits an der Wand der vorgenannten Kammer dicht befestigt ist.

9. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das längliche Heizelement wenigstens einen elektrischen Widerstand enthält.