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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Wärmetauscherschlangenanordnung
und eine Zusammensetzung davon, insbesondere eine Wärmetauscherschlangenanordnung
zum Austausch von Wärme
zwischen einem Wärmetauschermedium,
welches in einem Gehäuse
eines Wärmetauschers
untergebracht ist, und einem Wärmetauschermedium, welches
eine Rohrschlange durchfließt.
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Gewöhnlich basiert ein Wärmetauscher
auf einem Rohrsystem oder auf einem Plattensystem, wobei das Rohrsystem
zum Einsatz kommt, wenn ein Druckwiderstand in dem Wärmetauschermedium
benötigt
wird. Verschiedene Arten von Wärmetauschern
basieren auf dem Rohrsystem, wie z. B. diejenigen, welche auf einem
Rohrschlangensystem oder einem mehrfachen Röhrensystem basieren. Von diesen
wird ein auf einem Rohrschlangensystem beruhender Wärmetauscher
vielfach für
unterschiedliche Zwecke benutzt, weil der Aufbau einfach ist, die Wärmeaustauschfläche jedoch
kleiner ist verglichen mit dem Fassungsvermögen des Behälters (Gehäuse), so daß dieser als ein Wärmetauscher
mit relativ kleinem Leistungsvermögen verwendet wird.
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15 zeigt
einen herkömmlichen
Wärmetauscher,
der auf einem Rohrschlangensystem basiert. Eine Wärmetauscherschlange 101,
welche spiralförmig
um ein Wärmetauscherrohr
gewickelt ist, ist in einem Gehäuseabschnitt 104 angeordnet,
und ein Einlaßrohr 102 und
ein Auslaßrohr 103 sind
an beiden Enden der Rohrschlange 101 angeordnet. Ein Wärmetauschermedium,
wie z. B. eine Flüssigkeit oder
ein Gas, wird durch das Einlaßrohr 102 in
den Gehäuseabschnitt 104 eingeführt, durchfließt die Wärmetauscherschlange 101,
und strömt
durch das Auslaßrohr 103 aus
dem Gehäuseabschnitt 104 heraus.
Während
das Wärmetauschermedium
durch die Rohrschlange 101 fließt wird Wärme durch die Rohrschlangenwand
zwischen einem Wärmetauschermedium
in der Rohrschlange 101 und dem Wärmetauschermedium in dem Gehäuseabschnitt 104 ausgetauscht.
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Um die Menge von ausgetauschter Wärme zu erhöhen und
die Wärmetausch-Leistungsfähigkeit des
wie oben beschriebenen auf einem Rohrschlangensystem beruhenden
Wärmetauschers
zu steigern, ist es notwendig, die Wärmeaustauschfläche durch
Erhöhung
der Windungszahl in der Rohrschlange 101 zu vergrößern. Dies
führt jedoch
zu einem Wärmeverlust
aufgrund des erhöhten
Reibungswiderstandes der Röhre,
wodurch eine Pumpe mit größerer Leistung
an der Einlaßseite
erforderlich ist, um die Durchflußrate auf einem bestimmten
Wert zu halten.
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Es ist möglich eine größere Menge
von Wärme
mit einer Vorrichtung wie in 17 gezeigt
auszutauschen. Diese Vorrichtung ist mit einem Verteiler 105 an
der Einlaßseite
des Wärmetauschermediums und
einem Verteiler 106 (Sammler) an der Auslaßseite des
Wärmetauschermediums
sowie mit einer Vielzahl von Einlaßröhren 102 sowie Auslaßröhren 103 ausgestattet,
mit denen die Wärmetauscherschlangen
jeweils mit den Verteilern 105, 106 verbunden sind.
In diesem Fall ist der Wirkungsgrad jedoch nicht immer gut. Wenn
das Fassungsvermögen
des Gehäuseabschnitts
größer wird,
so vergrößert sich
auch der für
die Installation des Wärmetauschers
benötigte
Raum.
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18 ist
ein Querschnitt, der einen U-förmigen
Wärmetauscher
zeigt, der von der Art eines mehrfachen Röhrensystems ist. Diese Art
von Wärmetauscher
umfaßt
eine Vielzahl von U-förmigen Röhren 109,
welche jeweils unterschiedliche Länge aufweisen und in dem Gehäuseabschnitt 107 angeordnet
sind. Jede der U-förmigen
Röhren 109 ist durch
einen Metallträger 110 innerhalb
des Gehäuseabschnitts 107 unterstützt, wobei
die Endbereiche sowohl der Einlaß- als auch der Auslaßseite der
Röhren 109 an
einer Verteilerhalteplatte 108 befestigt sind.
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Ein Wärmetauschermedium fließt von einem Einlaß 111 in
den Gehäuseabschnitt 107 und
fließt aus
einem Auslaß 112 heraus.
Das andere Wärmetauschermedium
fließt
von einem Einlaß 113 in
einen Verteiler 114 auf der Einlaßseite, durchfließt die Vielzahl
von U-förmigen
Röhren 109 und
gelangt in einen Verteiler 115 auf der Auslaßseite und
fließt
aus dem Auslaß 116 heraus.
Das andere Wärmetauschermedium
tauscht Wärme
mit dem Wärmetauschermedium
in dem Gehäuseabschnitt 107 aus,
wenn es durch die U-förmigen
Röhren 109 fließt.
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Da eine Vielzahl von U-förmigen Röhren 109 in
dem oben beschriebenen U-förmigen
Wärmetauscher
benutzt wird, ist die Wärmeaustauschfläche groß, so daß der U-förmige Wärmetauscher
als ein Wärmetauscher
mit einem großen
Fassungsvermögen
oder mit großer
Leistungsfähigkeit
in Großanlagen,
beispielweise Atomkraftwerke oder dergleichen, zum Einsatz kommt.
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In diesem Wärmetauscher ist jedoch die
Länge von
jeder U-förmigen
Röhre 109 unterschiedlich, so
daß der
Wärmeverlust
aufgrund des Röhren-Reibungswiderstandes
in jeder U-förmigen
Röhre 109 von
Röhre zu
Röhre variiert,
weshalb die Durchflußgeschwindigkeit
oder Durchflußrate
des Wärmetauschermediums,
welches durch jede U-förmige-Röhre fließt, nicht
auf einem konstanten Wert gehalten werden kann. Deswegen sind thermische
Spannungen, welche in jeder U-förmigen
Röhre 109 erzeugt
werden, ungleichförmig
und es kann leicht zu einer Verwindung oder Rißbildung in einigen der U-förmigen Röhren kommen.
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Ferner hat die U-förmige Röhre 109 einen geraden
Teil und einen Bogenbereich, weshalb der Unterschied in der Verwendung
zwischen den zwei Bereichen größer wird,
was häufig
zu Brüchen
führt.
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Darüberhinaus ist eine angreifende
Kraft an einem Endbereich der U-förmigen Röhre, wo diese an der Verteilerhalteplatte 108 befestigt
sind, unterschiedlich zu der in dem Bogenbereich, so daß es leicht
zu Schwingungen der Röhre
kommen kann, was Materialermüdung
hervorruft und zu Rißbildung in
einem Verbindungsbereich der Uförmigen
Röhre und
dem Metallträger 110 führt.
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Weitere Wärmetauscherschlangenanordnungen
sind in der FR-A-247804, in der US-A-3653796, der WO-A-90/10835 und der US-A-2378308
(von der Anspruch 1 abgegrenzt ist) offenbart. Die EP-A-0610897
(welche nur für
die Beurteilung der Neuheit relevant ist) offenbart eine Wärmetauscherschlangenanordnung,
in welcher die Rohrschlangen von im wesentlichen gleicher Länge sind,
um den Durchflußwiderstand
in jeder Rohrschlange zu vereinheitlichen.
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Daher stellt die vorliegende Erfindung
eine Wärmetauscherschlangenanordnung
zur Verfügung, welche
einen ersten Verteiler aufweist und einen zweiten Verteiler , der
in einer longitudinalen Richtung der Wärmetauscherschlangenanordnung
im Abstand vom ersten Verteiler angebracht ist, und eine Vielzahl
von Wärmetauscherschlangen
welche jeweils zwischen dem ersten Verteiler und dem zweiten Verteiler
derart angebracht sind, daß die
beiden Verteiler miteinander in Verbindung stehen, wobei die Wärmetauscherschlangen
in einer Gruppe angeordnet sind, in der alle Wärmetauscherschlangen im wesentlichen
von gleicher longitudinaler Dicke sind und jede der Wärmetauscherschlangen
einen unterschiedlichen Krümmungsdurchmesser
hat, derart daß eine
innere Wärmetauscherschlange
von einer anderen Wärmetauscherschlange
mit einem größeren Krümmungsdurchmesser
umgeben ist, und wobei die Wärmetauscherschlangenanordnung
weiterhin ein Einlaßrohr
zur Zuführung
eines Wärmetauschermediums
in die Gruppe der Wärmetauscherschlangen über den
ersten Verteiler und ein Auslaßrohr
zur Abführung
des Wärmetauschermediums
aus der Gruppe der Wärmetauscherschlangen über den zweiten
Verteiler umfaßt,
wobei das Einlaßrohr
(4) und das Auslaßrohr
(5) sich im wesentlichen parallel zueinander erstrecken
und wobei der erste Verteiler (2) und der zweite Verteiler
(3) im wesentlichen jeweils rechtwinklig zum Einlaßrohr und
zum Auslaßrohr
und in axialer Richtung des Einlaß- und Auslaßrohres
im Abstand voneinander sind und wobei die Anzahl der Windungen jeder
Wärmetauscherschlange
von der Innenseite der Wärmetauscherschlangenanordnung
her zu deren Aussenseite hin immer kleiner wird, so daß jede der
Wärmetauscherschlangen (9)
in der Gruppe im wesentlichen die gleiche Länge hat, und wobei sowohl das
Einlaßrohr
(4) als auch das Auslaßrohr
(5) innerhalb eines Abstands angeordnet sind, welcher kleiner
ist als der Durchmesser der Wärmetauscherschlange
(9) mit dem kleinsten Krümmungsdurchmesser und mindestens
eines der Einlaß-
und Auslaßrohre
sich innerhalb der Gruppe der Wärmetauscherschlangen
erstreckt.
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In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist der Krümmungsdurchmesser jeder Wärmetauscherschlange innerhalb
eines Bereiches, welcher durch den folgenden Ausdruck ausgedrückt ist: 2D + d ≤ Krümmungsdurchmesser ≤ (2D + d)·n/1,5;
wobei D ein Rohrdurchmesser sowohl des Einlaßrohres als auch des Auslaßrohres
ist, d einen Rohrdurchmesser einer Wärmetauscherschlange bezeichnet,
und n die Anzahl der Windungen der Wärmetauscherschlange mit dem
kleinsten Krümmungsdurchmesser
bezeichnet.
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In einem weitere vorteilhaften Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist insoweit eine Zusammensetzung zur
Verfügung
gestellt, welche eine Vielzahl der Wärmetauscherschlangenanordnungen
umfaßt,
worin die Gruppen von Wärmetauscherschlangen
von jeder Wärmetauscherschlangenanordnung
so angeordnet sind, daß die
Gruppen eine gemeinsame axiale Linie besitzen und das Einlaßrohr und
das Auslaßrohr
von jeder Wärmetauscherschlangenanordnung
sich innerhalb der Wärmetauscherschlangengruppe
der nächsten
Wärmetauscherschlangenanordnung
erstreckt.
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Einige vorteilhafte Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden im folgenden nur beispielhaft
und anhand der begleitenden Zeichnungen beschrieben, worin:
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1 eine
Draufsicht ist, welche ein erstes vorteilhaftes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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2 ein
Aufriß,
dargestellt von der Vorderseite des Ausführungsbeispieles von 1 ist;
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3 und 4 stellen Anordnungen des
Einlaß-
und Auslaßrohres
dar, welche außerhalb
des Bereichs der vorliegenden Erfindung liegen;
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5 eine
Draufsicht eines zweiten vorteilhaften Ausführungsbeispiels ist;
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6 eine
teilweise im Aufriß dargestellte Vorderansicht
der Ausführungsform
von 5 ist;
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7 eine
Draufsicht eines dritten bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden
Erfindung ist;
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8 eine
teilweise im Aufriß dargestellte Vorderansicht
des bevorzugten Ausführungsbeispiels
von 7 ist;
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9 eine
Draufsicht eines vierten bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden
Erfindung ist;
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10 eine
Vorderansicht des bevorzugten Ausführungsbeispiels von 9 ist;
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11 eine
Korrelation zwischen einem Einlaß- und einem Auslaßrohr und
einer zirkularen Rohrschlange darstellt;
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12 eine
Darstellung der Korrelation zwischen einem Einlaß- und einem Auslaßrohr und
einer ovalen Rohrschlange ist;
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13 ein
Aufriß entlang
der Achse eines Wärmetauschers
mit einer bevorzugten Wärmetauscherschlangenanordnung
gemäß der vorliegenden Erfindung
ist;
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14 ein
vertikaler Aufriß desselben
Wärmetauschers
wie in 13 gezeigt ist;
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15 eine
Darstellung der Vorderseite eines herkömmlichen Wärmetauschertyps ist;
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16 ein
Aufriß entlang
der Linie 16–16 von 15 ist;
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17 eine
Draufsicht eines weiteren herkömmlichen
Wärmetauschertyps
ist; und
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18 ein
Aufriß eines
weiteren herkömmlichen
Typs eines Wärmetauschers
ist.
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In der Wärmetauscherschlangenanordnung des
ersten bevorzugten Ausführuiigsbeispiels
der vorliegenden Erfindung wie in den 1 und 2 dargestellt, ist der Verteiler 2 an
der Einlaßseite
senkrecht zu der Achse des Einlaßrohrs 4, d. h. die
Anordnung ist im allgemeinen L-förmig.
Der Verteiler 3 (Sammler) an der Auslaßseite ist ebenfalls rechtwinklig
zu der Achse des Auslaßrohres 5,
ist also ebenfalls L-förmig.
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Das Einlaßrohr 4 und das Auslaßrohr 5 sind parallel
zueinander, und der Verteiler 2 an der Einlaßseite und
der Verteiler 3 an der Auslaßseite sind in axialer Richtung
des Einlaß-
und Auslaßrohres 4 und 5 im
Abstand voneinander angeordnet. Eine Vielzahl von Auslaßöffnungen 6 sind
in der äußeren Wand des
Verteilers 2 an der Einlaßseite mit einem bestimmten
Abstand in axialer Richtung zueinander vorgesehen. In diesem Ausführungsbeispiel
gibt es vier Auslaßöffnungen 6.
Der Verteiler 3 an der Auslaßseite hat gleichermaßen dieselbe
Anzahl von Einlaßöffnungen 7 wie
es Auslaßöffnungen 6 gibt,
wobei diese unter bestimmtem Abstand zueinander vorgesehen sind.
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Eine Gruppe von Wärmetauscherschlangen 8 ist
zwischen dem Verteiler 2 an der Einlaßseite und dem Verteiler 3 an
der Auslaßseite
vorgesehen. Die Gruppe von Wärmetauscherschlangen 8 umfaßt eine Vielzahl
von zirkularen Wärmetauscherschlangen 9 mit
jeweils unterschiedlichem Krümmungsdurchmesser.
Jeder der Wärmetauscherschlangen 9 mit
kleinerem Durchmesser ist so angeordnet, daß jede von diesen von einer
anderen Wärmetauscherschlange 9 mit
einem größeren Krümmungsdurchmesser
umgeben ist. In dieser Ausführungsform
hat jede der Wärmetauscherschlangen 9 eine
gemeinsame Achse und die Schlangen sind somit konzentrisch.
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Weiterhin hat jede der Wärmetauscherschlangen 9 im
wesentlichen die gleiche Länge. Demzufolge
verringert sich die Anzahl der Windungen von jeder Wärmetauscherschlange 9 von
der Innenseite des Wärmetauschers
zu dessen Außenseite.
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Die Wärmetauscherschlange 9 selbst
ist von dem gleichen Typ eines Wärmetauscherrohrs
wie in dem herkömmlichen
Typ und ist mit einem Kupferrohr, einem Stahlrohr oder einem Spezialstahlrohr oder
dergleichen hergestellt, welches spiralförmig gewickelt ist.
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Die oberen/unteren Enden jeder Wärmetauscherschlange 9 sind
jeweils mit einer Einlaßöffnung 7 des
Verteilers 3 an der Auslaßseite und mit einer Auslaßöffnung 6 des
Verteilers 2 an der Einlaßseite verbunden. Insbesondere
sind die inneren Wärmetauscherschlangen 9 mit
Auslaßöffnungen 6 und
Einlaßöffnungen 7 an
der Unterseite der Verteiler 2 und 3 verbunden,
und die äußeren Wärmetauscherschlangen 9 sind
mit Auslaßöffnungen 6 und
Einlaßöffnungen 7 an
der Oberseite der Verteiler 2 und 3 verbunden.
Wie oben beschrieben stehen der Verteiler 2 an der Einlaßseite und
der Verteiler 3 an der Auslaßseite durch die Wärmetauscherschlangen 9 in Verbindung
miteinander.
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In dem Ausführungsbeispiel sind sowohl
das Einlaßrohr 4 und
das Auslaßrohr 5 in
einem Abstand angeordnet, welcher kleiner ist als der Durchmesser der
Wärmetauscherschlange 9 mit
dem kleinsten Krümmungsdurchmesser.
Demzufolge erstreckt sich das Einlaßrohr 4 innerhalb
der Gruppe von Wärmetauscherschlangen 8.
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Die Wärmetauscherschlangenanordnung 1 ist
in dem Gehäuseabschnitt
eines Wärmetauschers angeordnet,
der in 1 und 2 nicht dargestellt ist. Das
erste Wärmetauschermedium,
wie z. B. ein Gas oder eine Flüssigkeit,
ist in den Gehäuseabschnitt der
Anordnung im Abwärtsfluß durch
das Einlaßrohr 4 eingeführt. Das
Wärmetauschermedium
fließt
in jede der Wärmetauscherschlangen 9 durch
die Auslaßöffnungen 6 des
Verteilers 2 an der Einlaßseite ein und steigt im Inneren
dieser Wärmetauscherschlangen 9 spiralförmig auf.
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Das erste Wärmetauschermedium tauscht Wärme mit
einem zweiten Wärmetauschermedium
in dem Gehäuseabschnitt
durch die Rohrwand aus, während
es durch diese Wärmetauscherschlangen 9 fließt. Das
erste Wärmetauschermedium
fließt
ferner über
eine Einlaßöffnung 7 in
den Verteiler 3 an der Auslaßseite und wird durch das Auslaßrohr 5 aus dem
Gehäuseabschnitt
ausgestoßen
und wird in den Raum (Lastsystem) entsandt.
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Gemäß diesen Wärmetauscherschlangenanordnungen 1 ist
die Wärmetauscher-Leistungsfähigkeit
durch die Verwendung einer Vielzahl von Wärmetauscherschlangen 9 erhöht. Weil
jede der Wärmetauscherschlangen 9 so
angeordnet ist, daß die Schlangen 9 von
einer anderen Wärmetauscherschlange 9 mit
einem größeren Krümmungsdurchmesser
umgeben sind wird der Platz gespart, der ausgefüllt wird bei deren Installation
in dem Gehäuseabschnitt
der Wärmetauscherschlangenanordnung 1.
Mit anderen Worten bedeutet dies, daß die Wärmeaustauschfläche vergrößert werden
kann ohne das Fassungsvermögen
des Gehäuses
zu vergrößern.
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Weiterhin ist jede der Wärmetauscherschlangen 9 nicht
in einem Zustand einer seriellen vielfachen Wicklung, sondern ist
vielmehr unabhängig
gewickelt, so daß der
Verlust an Verteilerdruck aufgrund des Reibungswiderstandes der
Röhre sich
nicht vergrößert.
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Weiter kann die Wärmetauscher-Leistungsfähigkeit
entsprechend den Erfordernissen frei eingestellt werden durch Erhöhung oder
Erniedrigung der Anzahl von Wärmetauscherschlangen 9 und
die Wärmetauscherschlangenanordnung
kann in Wärmetauschern
vom Kleinformat bis hin zum Großformat
angewendet werden.
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Weiterhin wird der Verlust im Verteilerdruck in
jeder Wärmetauscherschlange 9 im
wesentlichen konstant, da jede der Wärmetauscherschlangen 9 im wesentlichen
die gleiche Länge
aufweist. Infolgedessen wird die Durchflußrate des Wärmetauschermediums, welches
in jeder der Wärmetauscherschlangen 9 fließt, gleichförmig und
Verwindungen oder Rißbildung
aufgrund von ungleichmäßigen thermischen Spannungen,
welche in Teilen des Wärmetauschers erzeugt
werden, treten nicht auf. Aus diesem Grunde werden Wärmetauscherröhren der
gleichen Form bevorzugt benutzt, was die Prozeßüberwachung vereinfacht. Weiterhin
sind die Arbeitszeiten für
die Reparatur der Schlangen und für den Austausch der Schlangen
im wesentlichen die gleiche, so daß die Wartung der Schlangen
einfacher ist.
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In den 3 und 4 ist die Gruppe der Wärmetauscherschlangen 8 zur
Vereinfachung als eine Kettenlinie dargestellt. Die 3 und 4 stellen
keine Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung dar. Zunächst ist in 3 ein Beispiel gezeigt, bei dem das Einlaßrohr 4 außerhalb
der Gruppe von Wärmetauscherschlangen 8 (außerhalb
der Wärmetauscherschlange 9 mit
dem maximalen Krümmungsdurchmesser)
vorgesehen ist, während
das Auslaßrohr 5 innerhalb
der Gruppe der Wärmetauscherschlangen 8 (innerhalb
der Wärmetauscherschlange 9 mit
dem kleinsten Krümmungsdurchmesser)
vorgesehen ist. In 4 ist
ein Beispiel gezeigt, bei dem das Einlaßrohr 4 innerhalb
der Gruppe der Wärmetauscherschlangen 8 vorgesehen
ist, während
das Auslaßrohr 5 außerhalb
der Gruppe der Wärmetauscherschlangen 8 vorgesehen
ist. Es ist jedoch klar, daß die
in den 1 und 2 gezeigten Arten die kompaktesten
darstellen und bei einer Installation Platz sparen kann.
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In dem zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, welche in den 5 und 6 dargestellt
ist, basiert das Lastsystem auf zwei Systemen und gemäß diesem
System wird die Wärmetauscherschlangenanordnung
eine Zusammensetzung, welche zwei Bereiche von Wärmetauscherschlangen umfaßt. Die
beiden Wärmetauscherschlangenanordnungen 1a und 1b haben
jeweils dieselbe Konfiguration wie die Wärmetauscherschlangenanordnung 1 wie
in den 1 und 2 gezeigt, und der gleiche Buchstabe
a oder b ist den Bezugszahlen der gleichen Wärmetauscherschlangenanordnung
hinzugefügt.
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Die beiden Wärmetauscherschlangenanordnungen 1a und 1b sind
als separierte Einheiten in einer mehrstufigen Anordnung angeordnet,
so daß diese
Gruppen der Wärmetauscherschlangen 8a und 8b eine
gemeinsame Axiallinie aufweisen. Die gemeinsame Axiallinie ist in
diesem Ausführungsbeispiel eine
Achse, welche sich in vertikaler Richtung erstreckt. Ebenso erstrecken
sich das Einlaßrohr 4a und
das Auslaßrohr 5a der
an der Unterseite angeordneten Wärmetauscherschlangenanordnung 1a innerhalb
der Gruppe der Wärmetauscherschlangen 8b der
an der Oberseite angeordneten Wärmetauscherschlangenanordnung 1b.
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In dem Fall, in dem zwei Bereiche
von Wärmetauscherschlangenanordnungen
benutzt werden, und auch in dem Fall, in dem drei oder mehr Bereiche benutzt
werden, sind das Einlaßrohr
und das Auslaßrohr
der Wärmetauscherschlangenanordnung
an der Unterseite so angeordnet, daß sie sich in die Gruppe von
Wärmetauscherschlangen
von allen Wärmetauscherschlangenanordnungen
an der Oberseite erstrecken.
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In den 7 und 8 ist ein drittes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung gezeigt. In jedem der oben beschriebenen
Ausführungsbeispiele
sind zirkulare Wärmetauscherschlangen
verwendet. Die Wärmetauscherschlangenanordnung 11 von diesem
Ausführungsbeispiel
ist eine, in der Wärmetauscherschlangen 19 mit
einer ovalen oder einer bahnförmigen
Form benutzt sind. Was andere Merkmale, außer der Form der Wärmetauscherschlangen anbelangt,
ist die hier gezeigte Konfiguration die gleiche, wie in dem Ausführungsbeispiel,
welches die oben beschriebenen kreisförmigen Schlangen verwendet
und gleiche Bezugszahlen bezeichnen gleiche Elemente.
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Ein viertes Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung ist in den 9 und 10 gezeigt und umfaßt eine
Zusammensetzung aus einer Vielzahl von Wärmetauscherschlangenanordnungen
wie in den 5 und 6 gezeigt, und diese Gruppen
von Wärmetauscherschlangen 8a, 8b und 8c sind
als getrennte Einheiten in einer mehrstufigen Anordnung mit einer
gemeinsamen Axiallinie angeordnet. In den Ausführungsbeispielen der 7 und 8 sind jedoch drei Wärmetauscherschlangenanordnung 11a, 11b und 11c verwendet,
um den drei unterschiedlichen Lastarten zu entsprechen, und das
Ausführungsbeispiel
unterscheidet sich darin von den Ausführungsbeispielen der 5 und 6, daß die hier verwendete Wärmetauscherschlange 19 in
ovaler oder bahnförmiger
Form ist.
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Die drei Wärmetauscherschlangenanordnungen 11a, 11b und 11c haben
die gleiche Konfiguration wie die in den 7 und 8 gezeigte
Wärmetauscherschlangenanordnung 11 und
der gleiche Buchstabe a, b oder c ist jeweils zu den Bezugszahlen
derselben Wärmetauscherschlangenanordnungen
hinzugefügt.
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Eine Korrelation sowohl zwischen
dem Einlaßrohr
als auch dem Auslaßrohr
und der zirkularen Schlange ist in 11 gezeigt,
wobei bei der oben beschriebenen Verwendung einer zirkularen Schlange
der minimale Krümmungsdurchmesser,
m, der Schlange durch den folgenden Ausdruck beschrieben ist, worin
D einen Durchmesser des Einlaßrohrs 4 und
des Auslaßrohrs 5 und
d einen Durchmesser der Schlange bezeichnet: m
= 2D + d.
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Weiterhin ist bei gegebener Windungszahl, n,
die Länge,
L, der Schlange mit dem minimalen Krümmungsdurchmesser durch den
folgenden Ausdruck gegeben: L = Π·m·n = Π·(2D +
d)·n
.............. (1)
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Andererseits ist die Länge der
Schlange mit dem maximalen Krümmungsdurchmesser
gleich zu L und die Anzahl der Windungen ist daher 1,5 (eineinhalb
Windungen) so daß bei
gegebenem maximalen Krümmungsdurchmesser
der Schlange, M, die obige Relation durch folgenden Ausdruck erfüllt wird: L = 1,57 Π M ............... (2)
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Mit den Ausdrücken (1) und (2) ist der maximale
Krümmungsdurchmesser
der Schlange durch folgende Relation ausgedrückt: M =
(2D + d)·n/1,5
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Die Korrelation sowohl zwischen dem
Einlaßrohr
als auch dem Auslaßrohr
und der ovalförmigen
Schlange ist in 12 gezeigt,
wobei bei der oben beschriebenen Verwendung einer Schlange mit ovaler
oder bahnförmiger
Form der minimale Durchmesser der Schlange, m, durch den folgenden
Ausdruck ausgedrückt
ist: m = D + d
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Ebenso ist bei gegebener Windungszahl,
n, die Länge,
L, der Schlange mit dem minimalen Krümmungdurchmesser in Anbetracht
der Länge
D der geraden Linie durch den folgenden Ausdruck ausgedrückt:
L = (Π·m + 2D)·n = {Π·(D + d) + 2D}·n ................... (3)
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Andererseits ist ähnlich wie in dem Fall der zirkularen
Schlange die Länge
der Schlange mit dem maximalen Krümmungsdurchmesser gleich zu
L und die Anzahl der Windungen hiervon ist 1,5, so daß bei einem
gegebenen maximalen Krümmungsdurchmesser
der Schlange von M, die obige Relation mit dem folgenden Ausdruck
erfüllt
wird: L = 1,5 (Π·M·2D) ................ (4)
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Mit den Ausdrücken (3) und (4) ist der maximale
Krümmungsdurchmesser,
M, der Schlange durch den folgenden Ausdruck ausgedrückt: M = (D + d)·n/1,5
+ (2n-3)·D/1,5Π
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In dem Heißwasserbereiter welcher den Wärmetauscher
bildet, der die bevorzugte Wärmetauscherschlangenanordnung
der vorliegenden Erfindung wie in den 13 und 14 gezeigt anwendet, ist
der Kanal 21 am Boden des Gehäuseabschnitts 20 angeordnet
und der Heizraum 22 ist innerhalb des Kanals gebildet.
Die Verbrennungseinrichtung 23 öffnet sich zum Heizraum 22 und
der Betrieb der Verbrennungseinrichtung 23 wird durch das
Thermostat 24 gesteuert, so daß Wasser 25, welches
in dem Gehäuseabschnitt 20 gespeichert
ist auf der spezifizierten Temperatur gehalten wird.
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Eine in der Verbrennungseinrichtung 23 erzeugte
Flamme erhitzt das Gas in dem Heizraum 22 auf hohe Temperaturen
und das Gas strömt
durch das Abgasrohr nach außen.
Während
dieser Zeit erhitzt das Gas das Speicherwasser 25 über die
Rohrwand der Konvektionsröhre 27 und
die Wand des Kanals 21. Der Gehäuseabschnitt 20 ist
in Verbindung mit dem destillierten Wassertank 30 über die
Verbindungsröhre 29.
Der Kugelzapfhahn ist in dem destillierten Wassertank 30 angeordnet
und Brauchwasser ist von der destillierten Wasserröhre 22 zugeführt, so daß das Niveau
des gespeicherten Wassers konstant gehalten werden kann.
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Die Luftkammer 33 ist oberhalb
des Niveaus in dem Gehäuseabschnitt 20 gebildet
und die Luftkammer 33 öffnet
sich zur Luft über
die Verbindungsröhre 34,
dem destillierten Wassertank 30 und die Luftöffnungsröhre 35.
Mit diesem Merkmal wird das Speicherwasser 25 bei Umgebungsdruck
aufgeheizt, so daß seine
Temperatur den Siedepunkt (100°C)
bei Normaldruck nicht überschreiten
kann.
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In dem Gehäuseabschnitt 20 sind
zwei bevorzugte Wärmetauscherschlangenanordnungen 1 und 11 gemäß der vorliegenden
Erfindung angeordnet. Eine der Wärmetauscherschlangenanordnungen 1 umfaßt zirkulare
Schlangen, während
die andere Wärmetauscherschlangenanordnung 11 Schlangen von
ovaler oder bahnförmiger
Form umfaßt.
Die beiden Wärmetauscherschlangenanordnungen 1 und 11 sind
jeweils mit verschiedenen Lastsystemen verbunden. Hierbei sind die
Lastsysteme beispielsweise Heizzirkulationssysteme, wie z. B. Heizung,
Heißwasserversorgung,
ein Badezimmer und ein Schwimmbad.
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Das erste Wärmetauschermedium (normalerweise
eine Flüssigkeit
wie beispielsweise Wasser) des Lastsystems wird in den Gehäuseabschnitt 20 über das
Einlaßrohr 4 der
Wärmetauscherschlangenanordnungen 1 und 11 eingeführt. Während es
in jeder der Wärmetauscherschlangen
in den Gruppen von Wärmetauscherschlangen 8 fließt, tauscht
das erste Wärmetauschermedium
Wärme mit
dem Speicherwasser 25 aus, welches das zweite Wärmetauschermedium
darstellt, wird dabei aufgeheizt und wird über das Auslaßrohr 5 in
das Lastsystem geschickt.
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Obwohl bevorzugte Ausführungsbeispiele der
vorliegenden Erfindung wie oben beschrieben dargestellt wurden,
ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele
beschränkt
und es ist nicht notwendig zu betonen, daß verschiedene Modifikationen
wie unten beschrieben möglich
sind, soweit diese Modifikationen nicht vom Wesen der vorliegenden
Erfindung abweichen.
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- (1) Der Fluß des
Wärmetauschermediums
in der Wärmetauscherschlangenanordnung 1 kann
entgegengesetzt zu den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen sein. Das
Auslaßrohr 5 und
der Verteiler 3 an der Auslaßseite können nämlich jeweils als Einlaßrohr und
Verteiler an der Einlaßseite
ausgebildet sein, und das Einlaßrohr 4 und
der Verteiler 2 an der Einlaßseite können jeweils als Auslaßrohr und
als Verteiler an der Auslaßseite
ausgebildet sein.
- (2) Die Krümmungsform
der Wärmetauscherschlangen
ist nicht auf einen Kreis oder eine ovale Form beschränkt, vielmehr
können
verschiedene Arten von Formen, wie z. B. Polygone oder dergleichen
benutzt werden.
- (3) Die Wärmetauscherschlangenanordnung
der vorliegenden Erfindung ist nicht auf ein System beschränkt, welches
auf dem Wärmeaustausch
von Flüssigkeit
zu Flüssigkeit
basiert, sondern kann vielmehr auch für den Wärmeaustausch von Gas zu Gas oder
von Gas zu Flüssigkeit
benutzt werden. Das in den Schlangen fließende Wärmetauschermedium kann auch
jedes beliebige wärmespeichernde
Medium und Heizmedium sein.
- (4) In den 13 und 14 ist ein Beispiel einer
Wärmetauscherschlangenanordnung
gemäß der vorliegenden
Erfindung benutzt als ein Wärmetauscher
in einem Vertikaltyp, es kann jedoch auch als ein Wärmetauscher
in einem Horizontaltyp verwendet werden.
-
Somit ist zumindest in bestimmten
bevorzugten Ausführungsbeispielen
eine Wärmetauscherschlangenanordnung
zur Verfügung
gestellt, welche die Leistungsfähigkeit
zum Austausch von Wärme
erhöhen
kann, ohne dabei ein vergrößertes Fassungsvermögen des
Gehäuseabschnitts
zu benötigen
und welche in einem Wärmetauscher
mit großformatiger Leistungsfähigkeit
benutzt werden kann; ferner ist eine Wärmetauscherschlangenanordnung
zur Verfügung
gestellt, bei der die Leistungsfähigkeit
zum Austausch von Wärme
unabhängig
sein kann in einem Bereich von einem vorgegebenen Fassungsvermögen des
Gehäuseabschnitts;
ferner ist eine Wärmetauscherschlangenanordnung
zur Verfügung
gestellt, in der eine Vielzahl von Wärmetauscherschlangen verwendet
wird, wobei jedoch die Durchflußrate
des in diesen Schlangen fließenden
Wärmetauschermediums
auf einem konstanten Niveau gehalten wird.