DE69000712T2

DE69000712T2 - HEAT EXCHANGER WITH SPIRAL-WINDED ELEMENTS AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF.

Info

Publication number: DE69000712T2
Application number: DE1990600712
Authority: DE
Inventors: Etienne Jouet
Original assignee: SPIREC SARL
Current assignee: SPIREC SARL
Priority date: 1989-01-25
Filing date: 1990-01-24
Publication date: 1993-07-29
Anticipated expiration: 2010-01-25
Also published as: FR2642153A1; EP0380419B1; DE69000712D1; EP0380419A1; FR2642153B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit einem spiralförmig gewickelten Körper gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zu seiner Herstellung des Anspruchs 4.The present invention relates to a heat exchanger with a spirally wound body according to the preamble of claim 1 and a method for its production of claim 4.

Es ist ein Wärmetauscher dieses Typs bekannt, wie er in der Patentschrift FR-A-2696144 beschrieben ist, der im Innern eines äußeren zylindrischen Mantels einen spiralförmigen Körper aufweist, der zwei spiralförmige, ineinander verschachtelte Kammern aufweist, die von je einem Fluid durchströmt werden, zwischen denen der Wärmeaustausch stattfinden soll. Dieser Spiralkörper ist an seinen beiden Längsenden durch zwei Querflansche geschlossen. In diesem Wärmetauscher werden die beiden spiralförmigen Kammern von einem einzigen Blech gebildet, das diametrai durch die beiden End- bzw. Abschlußflansche führt. Ein erster Abschnitt des Blechs, der von einem Ende eines Durchmessers der Flansche ausgeht, ist glatt, während der zweite Abschnitt des Blechs, der vom entgegengesetzten Ende dieses Durchmessers ausgeht, mit Abstand angeordnete Höcker trägt, die als Abstandshalter zwischen dem ersten und zweiten Blechabschnitt fungieren, wenn diese zur Spirale aufgerollt wurden. Eine der spiralförmigen Kammern, die von einem Eingangs- zu einem Ausgangsende von einem ersten Fluid durchströmt wird, bildet sich zwischen einer Windung des zweiten Blechabschnitts und der Windung des ersten Blechabschnitts, die gegenüber dem vorangehenden außen angeordnet ist. Die andere spiralförmige Kammer, die von einem Eingangs- zu einem Ausgangsende von dem zweiten Fluid durchströmt wird, bildet sich zwischen der vorangehenden Windung des zweiten Blechabschnitts und der Windung dieses zweiten Blechabschnitts, die bezüglich der vorangehenden innen angeordnet ist.A heat exchanger of this type is known, as described in patent FR-A-2696144, which comprises, inside an external cylindrical shell, a spiral body comprising two spiral chambers nested one inside the other, each of which is traversed by a fluid between which the heat exchange is to take place. This spiral body is closed at its two longitudinal ends by two transverse flanges. In this heat exchanger, the two spiral chambers are formed by a single sheet which passes diametrically through the two end flanges. A first section of the sheet, which starts from one end of a diameter of the flanges, is smooth, while the second section of the sheet, which starts from the opposite end of this diameter, has spaced-apart bumps which act as spacers between the first and second sections of the sheet when they have been rolled up into a spiral. One of the spiral-shaped chambers, through which a first fluid flows from an inlet to an outlet end, is formed between a turn of the second sheet metal section and the turn of the first sheet metal section which is arranged outside with respect to the preceding one. The other spiral-shaped chamber, through which the second fluid flows from an inlet to an outlet end, is formed between the preceding turn of the second sheet metal section and the turn of this second sheet metal section which is arranged inside with respect to the preceding one.

Bei allen Ausführungsformen des wie oben beschriebenen Wärmetauschers durchguert zumindest eines der beiden Fluide die ihm zugehörige spiralförmige Kammer der Länge nach und fließt in diese Kammer durch die freien Zwischenräume, die sich zwischen den Höckern bilden, die wie Abstandshalter zwischen den Windungen des Blechs wirken. Nun weisen diese Zwischenräume aber einen relativ großen Gesamtdurchlaßquerschnitt auf, woraus sich eine geringe Durchlaufgeschwindigkeit des Fluids durch den Wärmetauscher und eine relativ schwache Wärmeaustauschleistung ergeben.In all embodiments of the heat exchanger as described above, at least one of the two fluids passes through the spiral chamber associated with it lengthwise and flows into this chamber through the free spaces formed between the humps, which act as spacers between the turns of the sheet metal. However, these spaces have a relatively large total flow cross-section, which results in a low flow rate of the fluid through the heat exchanger and a relatively weak heat exchange performance.

Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen an solcherart Wärmetauschern mit dem Ziel, die Fließgeschwindigkeit des Fluids zu erhöhen, das ihn der Länge nach durchläuft, ohne die Herstellung des Wärmetauschers dadurch komplizierter zu machen.The present invention relates to improvements in heat exchangers of this type with the aim of increasing the flow rate of the fluid passing through it lengthwise without thereby making the manufacture of the heat exchanger more complicated.

Hierzu weist der Wärmetauscher einen spiralförmigen Körper auf, der zwei spiralförmige, ineinander verschachtelte Kammern umfaßt, die von je einem Fluid durchströmt werden, zwischen denen der Wärmeaustausch stattfinden soll, wobei dieser Körper in seinem Mittelbereich zwei quer angeordnete Abschlußflansche zum Verschließen aufweist und die beiden Kammern durch ein einziges Blech gebildet werden, das diametral durch die beiden Abschlußflansche führt, wobei ein erster Abschnitt des Blechs, der von einem Ende eines Durchmessers der Flansche ausgeht, glatt ist, während der zweite Abschnitt des Blechs, der vom entgegengesetzten Ende dieses Durchmessers ausgeht, Höcker aufweist, die den ersten vom zweiten Blechabschnitt weghalten, wenn diese zur Spirale aufgerollt wurden; eine der spiralförmigen Kammern entsteht zwischen einer Windung des zweiten Blechabschnitts und der Windung des ersten Blechabschnitts, die gegenüber der vorangehenden außen angeordnet ist, während die andere spiralförmige Kammer zwischen dieser Windung des zweiten Blechabschnitts und der Windung des ersten Blechabschnitts gebildet wird, die bezüglich der vorangehenden innen liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen des zweiten Blechabschnitts als Vorsprünge parallele Rippen aufweisen, die sich in Längsrichtung des Streifens erstrecken und jeweils eine gewellte Kante aufweisen, das durch eine abwechselnde Folge von Vertiefungen und Höckern gebildet wird, wobei die Höcker schmale Öffnungen begrenzen, die in Längsrichtung von einem Fluid durchströmt werden.For this purpose, the heat exchanger has a spiral-shaped body which comprises two spiral-shaped, nested chambers, each of which is passed through by a fluid, between which the heat exchange is to take place, this body having in its central region two transversely arranged closing flanges for closing them and the two chambers being formed by a single sheet which passes diametrically through the two closing flanges, a first section of the sheet which starts from one end of a diameter of the flanges being smooth, while the second section of the sheet which starts from the opposite end of this diameter has humps which keep the first section of the sheet away from the second section of the sheet when they have been rolled up into a spiral; one of the spiral chambers is formed between a turn of the second sheet metal section and the turn of the first sheet metal section which is arranged on the outside with respect to the preceding one, while the other spiral chamber is formed between this turn of the second sheet metal section and the turn of the first sheet metal section which is arranged on the inside with respect to the preceding one, characterized in that the turns of the second sheet metal section have, as projections, parallel ribs which extend in the longitudinal direction of the strip and each have a corrugated edge, which is formed by an alternating sequence of depressions and humps, the humps delimiting narrow openings through which a fluid flows in the longitudinal direction.

Die Erfindung hat außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers dieser Art zum Gegenstand, bei dem man einen Blechstreifen spiralförmig auf in Drehung versetzte Dorne aufrollt, wobei dieser Blechstreifen in seinem mittleren Bereich diametral zwischen zwei einander gegenüberliegende Dornpaare geführt wird, und auf der einen Seite dieser Dorne einen ersten, glatten Blechabschnitt und auf der anderen Seite der Dorne einen zweiten, mit Vorsprüngen versehenen Blechabschnitt aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß man vorab zum Herstellen der Vorsprünge des zweiten Abschnitts des Blechstreifens durch Prägen parallele Rippen formt, die in transversaler Richtung mit Abstand zueinander angeordnet sind und in Längsrichtung des Streifens verlaufen, wobei jede dieser Rippen eine gewellte Kante aufweist, die durch eine abwechselnde Folge von Vertiefungen und Höckern gebildet wird.The invention also relates to a method for manufacturing a heat exchanger of this type, in which a sheet metal strip is wound spirally on rotating mandrels, said sheet metal strip being guided diametrically between two opposing pairs of mandrels in its central region, and having on one side of said mandrels a first, smooth sheet metal section and on the other side of said mandrels a second, sheet metal section provided with projections, characterized in that, in order to produce the projections of the second section of the sheet metal strip, parallel ribs are formed by stamping, which are arranged at a distance from one another in the transverse direction and extend in the longitudinal direction of the strip, each of said ribs having a corrugated edge formed by an alternating sequence of depressions and bumps.

Nachfolgend wird eine beispielhafte und nicht einschrankende Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben, mit Bezug zu den folgenden Zeichnungen:An exemplary and non-limiting embodiment of the present invention is described below, with reference to the following drawings:

Fig. 1 ist ein Querschnitt durch einen Wärmetauscher mit spiralförmig aufgerolltem Körper gemäß der Erfindung.Fig. 1 is a cross-section through a heat exchanger with a spirally rolled body according to the invention.

Fig. 2 ist eine Teildraufsicht des Blechstreifens, der den spiralförmigen Körper des Wärmetauschers bilden soll, vor dem Aufrollen dieses Blechstreifens.Fig. 2 is a partial plan view of the sheet metal strip intended to form the spiral body of the heat exchanger, before rolling up this sheet metal strip.

Fig. 3 ist ein vertikaler, schematischer Längsschnitt, der die Anwendung des Verfahrens zur Herstellung des Wärmetauschers der Erfindung vor dem spiralförmigen Aufrollen seines Körpers verdeutlicht.Fig. 3 is a vertical, schematic longitudinal section illustrating the application of the process for manufacturing the heat exchanger of the invention before spiral rolling of its body.

Fig. 4 ist ein vertikaler, schematischer Längsschnitt, der das Verfahren zur Herstellung des Wärmetauschers während des Aufrollens des spiralförmigen Körpers zeigt.Fig. 4 is a vertical schematic longitudinal section showing the process of manufacturing the heat exchanger during the rolling up of the spiral body.

Der auf Fig. 1 dargestellte Wärmetauscher weist einen spiralförmigen Körper 1 auf, der durch das spiralförmige Aufrollen eines einzigen Blechstreifens 2 gebildet wird. Dieses spiralförmige Aufrollen wird erreicht, indem die Längsränder des mittleren Bereichs des Blechs 2 diametral zwischen zwei Paare von Dornen 3 und 4 geführt werden, die in Pfeilrichtung f (Fig. 3 und 4) um eine gemeinsame Querachse 5 in Drehung versetzt werden können. Die beiden Dorne 3 und 4 jedes Paars sind bezüglich der Drehachse 5 symmetrisch angeordnet, so daß sie zwischen sich einen diametralen Spalt bilden, in den der Längsrand des Blechs 2 eingeführt wird. Jeder der beiden Dorne 3, 4 weist außerdem eine Umfangsfläche mit überwiegend spiralförmigem Querschnitt auf.The heat exchanger shown in Fig. 1 comprises a spiral body 1 formed by the spiral rolling of a single sheet metal strip 2. This spiral rolling is achieved by passing the longitudinal edges of the central region of the sheet metal 2 diametrically between two pairs of mandrels 3 and 4 which rotate in the direction of arrow f (Figs. 3 and 4) around a common transverse axis 5. can be set in rotation. The two mandrels 3 and 4 of each pair are arranged symmetrically with respect to the axis of rotation 5, so that they form a diametrical gap between them into which the longitudinal edge of the sheet 2 is introduced. Each of the two mandrels 3, 4 also has a peripheral surface with a predominantly spiral cross-section.

Nach der Erfindung weist der Blechstreifen 2 einen ersten, glatten Abschnitt 2a auf, der auf Fig. 2 bis 4 rechts von den Aufrolldornen 3,4 liegt. Der Blechstreifen 2 weist außerdem einen zweiten Abschnitt 2b auf, der auf Fig. 2 bis 4 links von den Dornen 3,4 liegt, und der auf seiner Unterfläche parallel verlaufendende Rippen 6 aufweist, die in Längsrichtung des Streifens 2 verlaufen und als Abstandshalter zwischen den einzelnen Windungen des spiralförmigen Körpers 1 gedacht sind. Die unteren Rippen 6 werden im zweiten Abschnitt 2b des Streifens 2 im Zuge eines einzigen Prägevorgangs geformt. Wie dies klar aus der Zeichnung hervorgeht, wird jede der Rippen 6 während des Prägens so geformt, daß sie keine gerade, sondern eine gewellte Kante aufweist, die aus einer abwechselnden Folge von Vertiefungen 7 und Höckern 8 besteht. Die Ganghöhe der Wellungen ist mit 5-10 mm gering, und der Abstand zwischen den Rippen 6 liegt beispielsweise zwischen 10 und 20 mm.According to the invention, the sheet metal strip 2 has a first, smooth section 2a, which is located to the right of the winding mandrels 3, 4 in Fig. 2 to 4. The sheet metal strip 2 also has a second section 2b, which is located to the left of the mandrels 3, 4 in Fig. 2 to 4, and which has parallel ribs 6 on its lower surface, which run in the longitudinal direction of the strip 2 and are intended as spacers between the individual turns of the spiral-shaped body 1. The lower ribs 6 are formed in the second section 2b of the strip 2 in the course of a single embossing process. As can be clearly seen from the drawing, each of the ribs 6 is formed during embossing in such a way that it does not have a straight edge, but a wavy edge, which consists of an alternating sequence of depressions 7 and bumps 8. The pitch of the corrugations is small at 5-10 mm, and the distance between the ribs 6 is, for example, between 10 and 20 mm.

Um den spiralförmigen Körper zu bilden, versetzt man die beiden einander gegenüberliegenden Dornpaare 3, 4 in entgegengesetzter Richtung zum Uhrzeigersinn in Pfeilrichtung f in Drehung, wobei der Streifen 2 zunächst platt liegt, wie auf Fig. 2 und 3 zu sehen. Der erste, glatte Abschnitt 2a des Streifens, der sich über die Dornpaare 3, 4 hinaus erstreckt, wird frei gelassen, während der zweite, mit Rippen versehene Abschnitt 2b während des Aufrollvorgangs einer Zugkraft F ausgesetzt wird. Zu Beginn des Aufrollens wird der Teil des zweiten, gerippten Abschnitts 2b, der sich nahe der Dorne 3, 4 befindet, um 180º auf den Dorn 3 aufgerollt, wobei diese gewellten Rippen 6 nach außen gedreht werden. Auf diese Rippen 6, die Abstandshalter bilden, wird wiederum der erste, glatte Abschnitt 2a des Blechstreifens 2 aufgerollt. Auf diese Weise liegt dieser glatte Abschnitt 2a nur auf den Höckern 8 der Rippen 6 auf und bildet mit diesen einzelnen Rippen 6 Durchlaßöffnungen 9 sehr geringen Querschnitts, wobei jede Öffnung 9 durch die Kante einer Rippe 6 und das glatte Blech 2a gebildet wird.In order to form the spiral body, the two pairs of mandrels 3, 4 facing each other are rotated in the opposite direction to the clockwise in the direction of the arrow f, with the strip 2 initially lying flat, as can be seen in Figs. 2 and 3. The first, smooth section 2a of the strip, which extends beyond the pairs of mandrels 3, 4, is left free, while the second, ribbed section 2b is subjected to a tensile force F during the rolling-up process. At the start of the rolling-up process, the part of the second, ribbed section 2b which is close to the mandrels 3, 4 is rolled up 180º onto the mandrel 3, with these corrugated ribs 6 being turned outwards. The first, smooth section 2a of the sheet metal strip 2 is in turn rolled up onto these ribs 6, which form spacers. In this way, this smooth section 2a lies only on the humps 8 of the ribs 6 and forms with these individual ribs 6 passage openings 9 of very small cross-section, each opening 9 being formed by the edge of a rib 6 and the smooth sheet 2a.

Wenn der spiralförmige Körper vollständig aufgerollt ist, wie dies auf Fig. 1 dargestellt ist, bildet er zwei ineinander verschachtelte, spiralförmige Kammern A und B, die von ihren jeweiligen Kühlfluiden durchströmt werden, zwischen denen der Wärmeaustausch stattfinden soll. Die erste Kammer A entsteht zwischen einer Windung des zweiten Streifenabschnitts 2b auf der Seite, die der gegenüberliegt, auf der sich die Rippen 6 befinden, und der Windung des ersten, glatten Blechstreifenabschnitts 2a, die sich außen befindet.When the spiral body is completely rolled up, as shown in Fig. 1, it forms two nested spiral chambers A and B, through which flow their respective cooling fluids, between which the heat exchange must take place. The first chamber A is formed between a turn of the second strip section 2b on the side opposite to that on which the fins 6 are located, and the turn of the first smooth sheet metal strip section 2a, which is located on the outside.

Die zweite, vom zweiten Fluid durchströmte Kammer B wird dagegen von derselben Windung des zweiten Blechstreifenabschnitts 2b, der die nach außen zeigenden Rippen 6 trägt, und der Windung des ersten, glatten Blechstreifenabschnitts 2a gebildet, die sich innen befindet und gegen die Rippen 6 gedrückt und von diesen gehalten wird.The second chamber B through which the second fluid flows is, on the other hand, formed by the same turn of the second sheet metal strip section 2b, which carries the outward-facing ribs 6, and the turn of the first, smooth sheet metal strip section 2a, which is located on the inside and is pressed against the ribs 6 and held by them.

Am Ende des Aufrollvorgangs wird der Wärmetauscher auf die im Patent FR-A-2596144 beschriebene Art fertiggestellt, insbesondere durch das Auf wickeln eines Blechstücks 10, das einen Außenmantel bildet, sowie die Montage von Abschlußflanschen 11 gleicher Form wie die Aufwickeldorne 3, 4 anstelle dieser Dorne.At the end of the winding operation, the heat exchanger is completed in the manner described in patent FR-A-2596144, in particular by winding a piece of sheet metal 10 forming an outer shell and by mounting end flanges 11 of the same shape as the winding mandrels 3, 4 in place of these mandrels.

Die Rippen 6, die der Blechstreifenabschnitt 2b aufweist, wurden mit gewellter Kante vorgesehen, um ihr spiralförmiges Aufrollen zu ermöglichen, was mit geraden Kanten unmöglich wäre. Man erreicht auf diese Weise eine Art "polygonales" Aufrollen aufgrund des "Brechens" der einzelnen Rippen 6 im Bereich der Höcker 8.The ribs 6 of the sheet metal strip section 2b have been provided with a corrugated edge to enable them to be rolled up in a spiral, which would be impossible with straight edges. In this way, a kind of "polygonal" rolling is achieved due to the "breaking" of the individual ribs 6 in the area of the humps 8.

Claims

1. Heat exchanger with a spiral body forming two spiral chambers (A, B) nested one inside the other and through which two fluids flow between which heat exchange is to take place, the body containing in its central part two transverse closing end flanges (11), the two spiral chambers (A, B) being delimited by one and the same sheet (2) which passes diametrically through the two end flanges (12), a first section (2a) of the sheet (2) starting from one end of a diameter of the flanges (12) being smooth, while the second section (2b) starting from the opposite end of the same diameter has projections which ensure the mutual spacing of the first and second sections (2a, 2b) of the sheet after they have been wound together into a spiral, one of the Spiral chambers (A) are defined between one turn of the second section (2b) of the sheet and the turn of the first section (2a) of the sheet located outside the former, while the other spiral chamber (B) is defined by this turn of the second section (2b) of the sheet and the turn of the first section (2a) of the sheet located inside the former, characterized in that the turns of the second section (2b) of the sheet have as projections parallel ribs (6) extending in the longitudinal direction of the strip and each having a corrugated end formed by an alternating sequence of depressions (7) and humps (8), the humps (8) forming narrow openings (9) for the longitudinal passage of a fluid.

2. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the ribs (6) project inwards.

3. Heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that the pitch of the corrugations is in the order of 5 to 10 mm and the spacing of the ribs is approximately in the order of 10 to 20 mm.

4. Method for manufacturing a heat exchanger according to one of the preceding claims, in which a sheet metal strip (2) is wound spirally on mandrels (3, 4) set in rotation, the sheet metal strip (2) being gripped in its central part diametrically between a pair of two opposing mandrels (3, 4) and having on the side of the mandrels a first smooth sheet metal section (2a) and on the other side of the mandrels (3, 4) a second sheet metal section (2b) provided with projections, characterized in that, in order to form the projections of the second section (2b) of the sheet metal strip (2), parallel ribs (6) are formed beforehand by embossing, which are transversely spaced from one another, extend in the longitudinal direction of the strip and each have a corrugated end which is formed by an alternating sequence of depressions (7) and humps (8).

5. Method according to claim 4, characterized in that ribs (6) are formed on the second sheet metal section (2b), which project outwards after the spiral winding onto the mandrels (3, 4).