DE8407241U1

DE8407241U1 - WINDED HEAT EXCHANGER, ESPECIALLY FOR HEAT PUMPS OR REFRIGERATION PLANTS

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Publication number: DE8407241U1
Application number: DE19848407241
Authority: DE
Original assignee: Wieland Werke AG
Current assignee: Wieland Werke AG
Priority date: 1984-03-09
Filing date: 1984-03-09
Publication date: 1984-06-07

Description

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Gewickelter Wärmeübertrager/ insbesondere für Wärmepumpen oder KälteanlagenCoiled heat exchanger / especially for heat pumps or refrigeration systems

Die Erfindung betrifft einen gewickelten Wärmeübertrager, insbesondere für Kondensation und/oder Verdampfung in Wärmepumpen oder Kälteanlagen, bestehend aus einem Mantelrohr, aus mindestens einem darin angeordneten, außen berippten Innenrohr mit schraubenlinienförmig umlaufenden Rippen, deren Fuß im wesentlichen radial von der Ruhrwandung absteht, und aus stirnseitig angeordneten Fittingen mit jeweils einer Öffnung für ein Kältemittel zum Durchström im Räum zwischen Mantelrohr und Innenrohr und mit jeweils einer Öffnung für ein zweites Wärmeübertragungsmedium zum Durchstrom im Innenrohr.The invention relates to a wound heat exchanger, in particular for condensation and / or evaporation in heat pumps or refrigeration systems, consisting of a jacket pipe, of at least an externally ribbed inner tube arranged therein with helically circumferential ribs, the foot of which is essentially protruding radially from the Ruhr wall, and from fittings arranged at the end, each with an opening for a refrigerant for throughflow in the space between the jacket tube and the inner tube and each with an opening for a second heat transfer medium to flow through the inner tube.

Die moderne Kältetechnik fordert möglichst leistungsfähige, kompakte und betriebssichere (korrosionssichere) Wärmeübertrager.Modern refrigeration requires the most powerful, compact and reliable (corrosion-proof) heat exchangers.

Bei bereits bekannten Wärmeübertragern (sog. Koaxial-Kondensatoren) der genannten Art wird eine hohe Leistung durch die Verwendung eines außenberippten Innenrohres in Form eines gewalzten Rippenrohres mit integrierten, schraubenlinienförmig umlaufenden Rippen angestrebt. Bei diesem Wärmeübertrager befindet sich Kältemittel als erstes Wärmeübertragungsmedium im Raum zwischen Mantelrohr und Innenrohren, während als zweites Wärmeübertragungsmedium Wasser in den Innenrohren strömt. Die Strömung des Wassers in den Innenrohren begünstigt das Verhalten des Wärmeübertragers hinsichtlich Erosion und Korrosion, um Erosionsschäden zu vermeiden, soll der Wärmeübertrager möglichst gleichmäßigWith already known heat exchangers (so-called coaxial capacitors) of the type mentioned, high performance is achieved through the use of an externally finned inner tube in the form of a rolled finned tube aimed at with integrated, helical circumferential ribs. This heat exchanger contains refrigerant as the first heat transfer medium in the space between the jacket pipe and the inner pipes, while as the second heat transfer medium Water flows in the inner pipes. The flow of water in the inner pipes favors the behavior of the heat exchanger in terms of erosion and corrosion to erosion damage To avoid this, the heat exchanger should be as uniform as possible

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durchströmt werden, οηηέ daS es örtliche Geschwindigkeit" spitzen gibt. Eine solche Forderung wird bei Strömung von Wasser im Rohr weitestgehend erfüllt. Um Korrosionsschäden zu verhindern, müssen beruhigte Wasserbereiche mit Geschwindigkeiten nahe Mull vermieden werden, in solchen Bereichen würden sich absetzbare Stoffe ablagern können, was der Korrosion Vorschub leisten würde. Bei der Strömung des Wassers durch die Innenrohre wirr? dieser Nachteil vermieden.be flowed through, οηηέ that there is local speed " tips there. Such a requirement is largely met when water flows in the pipe. To prevent corrosion damage, Calm water areas with speeds close to Mull must be avoided, in such areas would be Deposable substances can deposit, which would encourage corrosion. When the water flows through the inner pipes confused this disadvantage avoided.

Eine Umschaltung von Kondensatorbetrieb auf Verdampferbetrieb ist bei dem bekannten Wärmeübertrager allerdings nur kurzfristig möglich, da die Verdampfungsleistung im Verhältnis zur Kondensationsleistung zu gering ist. Deshalb ist man bisher gezwungen, auf sog. Koaxial-Verdampfer überzugehen, bei denen sich Wasser im Raum zwischen Mantelrohr und Innenrohren befindet und das Kältemittel in innenberippten Innenrohren verdampft. Bei solchen Koaxial-Verdampfern mit Strömung des Wassers um die Innenrohre ergeben sich tote Ecken und Winkel, die Ablagerungen und <?s=Mnit der Korrosion Vorschub leisten.Switching from condenser operation to evaporator operation is, however, only brief in the known heat exchanger possible because the evaporation capacity is too low in relation to the condensation capacity. That is why one has so far been forced to move to so-called coaxial evaporators, in which there is water in the space between the jacket pipe and the inner pipes and that Refrigerant evaporates in internally finned inner tubes. In such Coaxial evaporators with the flow of water around the inner tubes result in dead nooks and crannies, deposits and <? s = with promoting corrosion.

Eine Erzielung großer Kompaktheit und damit die dichte Anordnung der Innenrohre in dem Mantelrohr wäre bei dem bekannten Koaxial-Kondensator mit mehreren gewalzten Rippenrohren ebenfalls nicht möglich, da dann durch entsprechend konstruierte Abstandshalter sichergestellt werden müßte, daß eine Verhakung der Rippen untereinander vermieden und der Wärmeübertrager überhaupt gebogen werden kann.Achieving great compactness and thus the tight arrangement of the inner tubes in the jacket tube would be with the known coaxial condenser with several rolled finned tubes also not possible, because then by appropriately designed spacers It would have to be ensured that the ribs do not get caught in one another and that the heat exchanger is bent at all can.

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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeübertrager der genannten Art so auszubilden, daß unter Beibehaltung der bisherigen Vorteile hinsichtlich Erosion und KorrosionThe invention is therefore based on the object of a heat exchanger of the type mentioned so that while maintaining the previous advantages in terms of erosion and corrosion

^ Leistung und Kompaktheit verbessert werden. 5^ Performance and compactness are improved. 5

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Rippen des Innenrohres mit einer im Rippenquerschnitt gleichbleibenden T-Form umlaufen, wobei die glatten Enden der Rippen auf einer gedachten, mit der Rohrmittelachse koaxialen Zylinderfläche liegen und wobei sich die Enden unter Ausbildung enger Nuten einander nähern.The object is achieved according to the invention in that the ribs of the inner tube have a constant rib cross-section T-shape, with the smooth ends of the ribs on an imaginary cylinder surface that is coaxial with the pipe center axis lie and wherein the ends approach each other with the formation of narrow grooves.

Bei einem Wärmeübertrager, dessen Innenrohre T-förmige Außenrippen aufweisen, ergibt sich generell der Vorteil höherer Leistung aufgrund der besseren Leistungsfähigkeit des Rippenrohres mit T-förmigen Rippen gegenüber den Rippenrohren nach dem Stand der Technik.In the case of a heat exchanger, the inner tubes of which have T-shaped outer ribs have, there is generally the advantage of higher performance due to the better performance of the finned tube with T-shaped fins compared to the finned tubes according to the prior art.

Außerdem hat sich herausgestellt, daß der Wärmeübertrager in gleicher Weise für Kondensator- und Verdampferbetrieb optimiert ist; d. h. die erreichbare VerdampferIeistung steht in richtigem Verhältnis zur Kondensationsleistung, da die Verdampfungs-'leistung durch die Oberflächenstruktur der Innenrohre stark angehoben wird.
25It has also been found that the heat exchanger is optimized in the same way for condenser and evaporator operation; That is to say, the achievable evaporation output is in the correct relationship to the condensation output, since the evaporation output is greatly increased by the surface structure of the inner tubes.
25th

Bei einem Wärmeübertrager mit mehreren Innenrohren ergibt sich der Vorteil großer Kompaktheit, da die Innenrohre ein WickelnIn the case of a heat exchanger with several inner tubes, there is the advantage of great compactness, since the inner tubes are wound

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ohne Distanzhalter zwischen den Innenrohren erlauben; denn die Innenrohre können sich aufgrund ihrer Oberflächenstruktur beim Biegevorgang relativ zueinander bewegen.allow without spacers between the inner tubes; because the inner tubes can be due to their surface structure when Move the bending process relative to each other.

Rippenrohre mit äußeren T-förmigen Rippen sind zwar als solche bekannt, jedoch nicht deren Einsatz in gewickelten Wärmeübertragern. Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung nimmt der Abstand der Rippen in Radialrichtung ausgehend von der Rohrwandung kontinuierlich zu und zu den Rippenenden hin kontinuierlich ab.Finned tubes with outer T-shaped fins are known as such, but not their use in wound heat exchangers. According to a particular embodiment of the invention, the distance between the ribs increases in the radial direction starting from the pipe wall continuously to and continuously down to the fin ends.

Zur Erzielung guter Wärmeübertragungseigenschaften empfiehlt es sich, zwei bis zwanzig Rippen pro cm anzuordnen, wobei die obere Nutbreite vorzugsweise 0,1 bis 1,0 mm betragen sollte. 15To achieve good heat transfer properties, it is advisable to arrange two to twenty ribs per cm, with the upper one Groove width should preferably be 0.1 to 1.0 mm. 15th

Bei Wärmeübertragern mit einem Innenrohr liegt das Verhältnis des Innendurchmessers des Mantelrohres zur Breite des Ringraumes vorzugsweise im Bereich von 5 bis 20, insbesondere von 8 bisIn the case of heat exchangers with an inner tube, the ratio of the inner diameter of the jacket tube to the width of the annular space is preferably in the range from 5 to 20, in particular from 8 to

Bei Wärmeübertragern mit mehreren Innenrohren liegt das Verhältnis des Innendurchmessers des Mantelrohres zum hydraulischen Durchmesser ebenfalls vorzugsweise im Bereich von 5 bis 20. Der hydraulische Durchmessers ist dabei als folgendes Verhältnis definiert: '—In the case of heat exchangers with several inner tubes, the ratio is of the inside diameter of the jacket tube to the hydraulic diameter also preferably in the range of 5 to 20. The hydraulic diameter is defined as the following ratio: '-

4 χ durchströmte Quersehnittsflache im Mantelrohr außerhalb der Innenrohffe gesamte benetze Umfangelänge des Mantelrohres und der Innenröhre 4 χ cross-sectional area in the casing tube flowed through outside the inner tube ffe entire wetted circumferential length of the casing tube and the inner tube

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Bei Wärmeübertragern mit mehreren Innenrohren empfiehlt es sich aus herstellungstechnischen Gründen, wenn die Innenrohre untereinander denselben Durchmesser aufweisen, dabei ist die Anordnung der Innenrohre um ein zentrales Innenrohr bevorzugt. Zur Erzielung einer Drallströmuug des im Raum zwischen Hantelrohr und Innenrohren strömenden Mediums kann in vorteilhafter Welse um das zentrale Innenrohr ein gewendelter Draht geführt sein. Wenn verschiedene Wärmeübertragungsmedien durch die Innenrohre geführt werden sollen, dann empfiehlt sich die Ausbildung der Innepxohre mit untereinander unterschiedlichen Außendurchmesserri.In the case of heat exchangers with several inner tubes, it is advisable for manufacturing reasons if the inner tubes have the same diameter as one another, the arrangement of the inner tubes around a central inner tube is preferred. To achieve a twist flow in the space between the dumbbell tube and inner tubes of flowing medium, a coiled wire can advantageously be guided around the central inner tube be. If different heat transfer media are to be routed through the inner tubes, then this training is recommended of the inner epxo tubes with mutually different outer diametersri.

Bei Wärmeübertragern mit mehreren Innenrohren sind die Innenrohre normalerweise achsparallel im Mantelrohr angeordnet, jedoch auch die verdrallte Anordnung des Bündels fällt in den Rahmen der Erfindung.In the case of heat exchangers with several inner tubes, the inner tubes are usually arranged axially parallel in the jacket tube, however, the twisted arrangement of the bundle also falls within the scope of the invention.

Zur Erzielung optimaler Wärmeübertragungseigenschaften ist das Kältemittel im Gegenstrom zum zweiten Wärmeübertragungsmedium geführt.In order to achieve optimal heat transfer properties, the refrigerant is in countercurrent to the second heat transfer medium guided.

Der gewickelte Wärmeübertrager ist vorzugsweise gewendelt, insbesondere mit flachovaler Grundfläche, oder spiralförmig ausgeführt.
25The coiled heat exchanger is preferably coiled, in particular with a flat oval base area, or is designed in a spiral shape.
25th

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Die Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigtThe invention is explained in more detail with the aid of the following exemplary embodiments. It shows

Fig. 1 einen Längs- bzw. Teilschnitt durch einen Wärmeübertrager mit einem Innenrohr,
Fig. 1a das Detail A nach Fig. 1,1 shows a longitudinal or partial section through a heat exchanger with an inner tube,
Fig. 1a shows the detail A of Fig. 1,

Fig. 2 schematisch einen Querschnitt durch den Wärmeübertrager nach Fig. 1 nach Linie II-II, Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen Wärmeübertrager mit mehreren Innenrohren,FIG. 2 schematically shows a cross section through the heat exchanger according to FIG. 1 along line II-II, 3 shows a longitudinal section through a heat exchanger with several inner tubes,

Fig. 4 einen Querschnitt durch den Wärmeübertrager nach Fig. 3FIG. 4 shows a cross section through the heat exchanger according to FIG. 3

nach Linie IV-IV undto line IV-IV and

Fig. 5 eine Seitenansicht eines Wärmeübertragers in gewendelter Ausführung.5 shows a side view of a heat exchanger in a coiled design.

1515th

Bei dem Ausführungsbeispiel eines Wärmeübertragers nach F„lg. 1, 1a und 2 ist in einem Mantelrohr 1 ein als Rippenrohr ausgebildetes Innenrohr 2 koaxial angeordnet. Bei dem Innenrohr 2 laufen T-förmige Rippen 3 schraubenlinienförmig mit einer im Rippenquerschnitt gleichbleibenden T-Form um. Der Fuß 4 der Rippen 3 steht ala-o radial von der Rohrwandung 5 ab, während die Rippenenden 6 glatt ausgebildet sind und auf einer gedachten, mit der Rohrmittelachse koaxialen Zylinderfläche liegen. So entstehen Nuten 7 (vgl. die obere Nutbreite B in Fig. 1a). Der Abstand zwisehen den Rippen 3 ändert sich kontinuierlich, so daß zwischen den Rippen 3 im wesentlichen abgerundete Hohlräume vorhanden sind. In the embodiment of a heat exchanger according to FIG. 1, 1a and 2, an inner tube 2 designed as a finned tube is arranged coaxially in a casing tube 1. In the case of the inner tube 2, T-shaped ribs 3 run helically with a T-shape that remains constant in the rib cross-section. The foot 4 of the ribs 3 projects ala-o radially from the pipe wall 5, while the rib ends 6 are smooth and lie on an imaginary cylinder surface that is coaxial with the pipe center axis. This creates grooves 7 (cf. the upper groove width B in FIG. 1a). The distance between the ribs 3 changes continuously, so that between the ribs 3 there are essentially rounded cavities.

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Die Breite des Ringraumes 8 zwischen Mantelrohr 1 und innenrohr 2 ist in Fig. 2 mit R bezeichnet, der Innendurchmesser des Mantelrohres mit d_T, die Rippenhöhe mit h_. Der schrauben-The width of the annular space 8 between casing pipe 1 and inner pipe 2 is denoted by R in FIG. 2, the inside diameter of the casing pipe by d _T , the rib height by h_. The screw

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linienförmige Verlauf der Rippen 3 ist durch einen Trennstrich angedeutet. Fig. 1 zeigt links einen Fitting 9 mit zwei öffnungen 10, 11; durch die öffnung 10 wird das unberippte Ende des Innenrohres 2 geführt, so daß der Ringraum 8 stirnseitig abgeschlossen ist. Ein Kältemittel 12 wird als Wärmeübertragungsmedium dem Raum 8 durch die öffnung 11 im Fitting 9 zugeführt, ein zweites Wärmeübertragungsmedium 13 strömt durch das Innenrohr 2.linear course of the ribs 3 is indicated by a dividing line. 1 shows a fitting 9 with two openings on the left 10, 11; the unripped end of the Inner tube 2 guided so that the annular space 8 is closed at the end. A refrigerant 12 is used as a heat transfer medium the space 8 through the opening 11 in the fitting 9, a second heat transfer medium 13 flows through the inner tube 2.

Die Fig. 3 und 4 zeigen das Ausführungsbeispiel eines Wärmeübertragers, bei dem im Mantelrohr 1 sieben Innenrohre 2 mit untereinander gleichem Außendurchmesser angeordnet sind. Sechs Innenrohre 2 sind dabei in dichter Anlage um ein zentrales innenrohr angeordnet. Zur Erzielung eines Dralleffektes für das erste Wärmeübertragungsmedium im Raum zwischen Mantelrohr 1 und Innenrohren 2 ist ein gewendelter Draht 14 um das zentrale Innenrohr geführt. Bei dieser mehrrohrigen Ausführungsform ist der Fitting 9 mit einem Stützblech 15 versehen, in dem die Enden der Innenrohre 2 gehalten sind.3 and 4 show the embodiment of a heat exchanger, in which seven inner tubes 2 with the same outer diameter are arranged in the jacket tube 1. six Inner tubes 2 are arranged in close contact around a central inner tube. To achieve a twist effect for the The first heat transfer medium in the space between jacket tube 1 and inner tubes 2 is a coiled wire 14 around the central inner tube guided. In this multi-tube embodiment, the Fitting 9 is provided with a support plate 15 in which the ends of the inner tubes 2 are held.

Die Pfeile in Fig. 1 und 3 deuten an, daß das Kältemittel 12 im Raum 8 als ein erstes Wärmeübertragungsmedium zwischen Mantelrohr 1 und Innenrohren 2 im Gegenstrom zum zweiten Wärmeübertragungsmedium 13 (beispielsweise Wasser) in den Innenrohren 2The arrows in Fig. 1 and 3 indicate that the refrigerant 12 in space 8 as a first heat transfer medium between the jacket tube 1 and inner tubes 2 in countercurrent to the second heat transfer medium 13 (for example water) in the inner tubes 2

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geführt ist. Im Verdampferbetrieb verdampft das Kältemittel im Raum 8, im Kondensationsbetrieb kondensiert es dort.is led. In the evaporator mode, the refrigerant evaporates in room 8; in the condensation mode, it condenses there.

Fig. 5 zeigt den Wärmeübertrager nach Fig. 3, 4 in gewendelter Ausführung.FIG. 5 shows the heat exchanger according to FIGS. 3, 4 in a coiled manner Execution.

Example:

Es wurde ein gewendeter Wärmeübertrager (Windungszahl: 4,5) mit einem Cu-Mantelrohr von 64 χ 2,5 mm und sieben Cu-Innenrohren hergestellt. Die Abmessungen der Innenrohre mit T-förmigen Rippen betrugen:A reversed heat exchanger was used (number of turns: 4.5) with a Cu jacket tube of 64 χ 2.5 mm and seven Cu inner tubes manufactured. The dimensions of the inner tubes with T-shaped ribs were:

Rippenteilung : 1,35 mmRib pitch: 1.35 mm

Rippendurchmesser: 19,0 mmRib diameter: 19.0 mm

Kerndurchmesser : 16,6 mmCore diameter: 16.6 mm

Innendurchmesser : 15,0 mmInner diameter: 15.0 mm

Rippenhöhe h_R : 1,2 mmRib height h _R : 1.2 mm

Bei Einsatz von Wasser in den Innenrohren und von Kältemittel R 22 im Ringraum betrug die Verdampfungsleistung im Verhältnis zur Kondensationsleistung 78,5 % im Gegensatz zu etwa 45 bis 50 % bei Wärmeübertragern mit bisher üblichen, gewalzten Rippenrohren .When using water in the inner tubes and refrigerant R 22 in the annular space, the evaporation output was proportionate 78.5% for the condensation performance, in contrast to around 45 to 50% for heat exchangers with rolled finned tubes that were customary up to now .

Claims

• · · ■ ■ · ■■■ · t · · Wieland-Werke AG 7900 Ulm (Donau), 03/08/84 ka TPT-2664 Claims:

1. Coiled heat exchanger, especially for condensation and / or evaporation in heat pumps or refrigeration systems, consisting of a jacket tube (1), of at least one inside arranged, externally ribbed inner tube (2) with a helical shape circumferential ribs (3), the foot (4) of which protrudes essentially radially from the pipe wall (5), and from Fittings (9) arranged on the end face, each with an opening (11) for a refrigerant (12) to flow through the

Space (8) between jacket tube (1) and inner tube (2) and each with an opening (10) for a second heat transfer medium (13) to flow through in inner tube (2), p
characterized by

that the ribs (3) of the inner tube (2) with a rib cross-section constant T-shape, the smooth ends (6) of the ribs (3) on an imaginary, with the Pipe center axis are coaxial cylindrical surface and wherein the ends (6) with the formation of narrow grooves (7) each other approach.

2. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the distance between the ribs (3) starting in the radial direction increases continuously from the pipe wall (5) and continuously decreases towards the rib ends (6).

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3. Heat exchanger according to claim 1 or 2, characterized in that
that two to twenty ribs (3) are arranged per cm.

4. Heat exchanger according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that
that the upper groove width (B) is 0.1 to 1.0 mm.

5. Heat exchanger according to one or more of the claims? up to 4 with an inner tube (2), characterized in that that the ratio of the inside diameter (d) of the jacket tube (1) to the width (R) of the annular space (8) is 5 to 20.

6. Heat exchanger according to claim 5, characterized in that that the ratio is 8 to 13.

7. Heat exchanger according to one or more of claims 1 to 4 with several inner tubes (2), characterized in that the ratio of the inner diameter (d) of the jacket tube (1) to the hydraulic diameter is 5 to 20.

8. Heat exchanger according to one or more of claims 1 to 4 and 7, characterized in that

that the inner tubes (2) have the same outer diameter as one another.

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9. Heat exchanger according to claim 8, characterized in that that the inner tubes (2) are arranged around a central inner tube are.

10. Heat exchanger according to claim 9, characterized in that that a converted wire (12) is guided around the central inner tube.

11. Heat exchanger according to one or more of claims 1 to 4 and 7, characterized in that the inner tubes (2) differ from one another Have outside diameter.

12. Heat exchanger according to one or more of claims 1 to 4 and 7 to 11, characterized in that that the bundle of inner tubes (2) is twisted as a whole.

13. Heat exchanger according to one or more of claims 1 to 12, characterized in that

that the refrigerant (12) in countercurrent to the second heat transfer medium (13) is performed.

14. Heat exchanger according to one or more of claims 1 to 13, characterized in that

that it is made coiled.

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15. Heat exchanger according to claim 14, characterized in that it has a flat oval base area.

16. Heat exchanger according to one or more of claims 5 to 13, characterized in that that it is designed spirally.