DE9409288U1 - Wärmetauscher mit zwangsgeführter Strömung - Google Patents
Wärmetauscher mit zwangsgeführter StrömungInfo
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Description
BESCHREIBUNG
Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher, bei dem zwei Medien mit
unterschiedlicher Temperatur in getrennten Kreisläufen geführt werden. Der Kreislauf, in
dem das wärmere Medium geführt wird, wird dabei in der Regel als Primärkreislauf,
und der Kreislauf, in dem das kältere Medium geführt wird, als Sekundärkreislauf bezeichnet.
Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades eines Wärmetauschers soll die Grenzfläche,
die die beiden Medien trennt, möglichst dünn sein, eine möglichst große Oberfläche
und eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Außerdem läßt sich der Wirkungsgrad noch dadurch verbessern, daß die
Medien gegensinnig zueinander strömen.
Es wurde bereits ein Wärmetauscher mit einer Rohranordnung für das wärmeaufnehmende
Medium und mit einem Außenmantel für das wärmeabgebende Medium vorgeschlagen, wobei die Rohranordnung
sehr dünne und verschlungen angelegte Rohre umfaßt und somit eine sehr große Oberfläche aufweist. Solche Vorrichtungen
sind jedoch dann relativ ungeeignet, wenn das durch die Rohranordnung strömende Medium Teilchen, wie zum Beispiel Kalk, mit
sich führt, die sich an den Rohrwänden ablagern können. Dies führt nach und nach zu
einer Verstopfung der Rohranordnung, die sich mechanisch kaum beheben läßt. Außerdem
ist der konstruktive Aufwand für die verschlungenen Rohre erheblich.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Wirkungsgrad eines Wärmetauschers zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch einen Wärmetauscher mit zwangsgeführter Strömung
gelöst mit einem Gehäuse mit rohrförmigem, lichtem Querschnitt ais Teil eines ersten
Wärmekreislaufs, mindestens einem, parallel zur Gehäuselängsachse angebrachten Rohr,
als Teil eines zweiten Wärmekreislaufs, wobei das (die) Roh(e) und das Gehäuse getrennte
Zu- und Abläufe aufweisen, wie bereits in den Dokumenten US-A-4993 485 und JP-A-61-59198 beschrieben wird und
wobei jedes Rohr einen lose eingelegten flexiblen Stab aufweist, dessen Durchmesser
einen Teil des lichten Rohrquerschnitts einnimmt und der in axialer und radialer Rohrrichtung
frei beweglich und drehbar ist.
Zur Erhöhung des Wirkungsgrades werden solche Wärmetauscher in der Regel
mit mehreren parallel zueinander liegenden Rohren versehen. Mit einer solchen Rohranordnung
läßt sich der Wärmetauscher nicht nur sehr einfach aufbauen sondern auch leicht warten, da die Rohre keine Krümmung
aufweisen. Die lose eingelegten flexiblen Stäbe lassen sich einfach aus den Rohren
herausziehen, so daß das Rohrinnere für eine Reinigung zugänglich ist.
Durch die Auslegung der flexiblen Stäbe läßt sich die Strömung in den Rohren
weitgehend beeinflussen, so daß durch die zwangsgeführte Strömung die Wärmeübertragung
im inneren Wärmekreislauf optimiert wird.
Die Aufgabe der Erfindung, den Wirkungsgrad eines Wärmetauschers zu verbessern,
läßt sich auch durch eine zwangsgeführte Strömung im äußeren Wärmekreislauf erreichen. Ein solcher Wärmetauscher weist
ein Gehäuse mit rohrförmigen, lichtem Ouerschnitt als Teil eines äußeren Wärmekreisiaufs
auf und mindestens ein im Gehäuse angebrachtes Rohr, als Teil eines zweiten
Wärmekreislaufs, wobei das (die) Rohr(e) und das Gehäuse getrennte Zu- und Abläufe
aufweisen, wobei mindestens ein quer zur Gehäuselängsachse eingebrachtes Element
vorgesehen ist, das mit dem lichten Gehäusequerschnitt dicht abschließt. Durchführungen
für das (die) Rohr(e) aufweist und wendelförmig ausgebildet ist, so daß das (die)
Rohr(e) vom im ersten Wärmekreislauf befindlichen Medium wendelförmig umströmt wird (werden). Durch das zylinderförmige
Element mit wendeiförmigem Durchlaß wird eine Strömung erzwungen, die tangential
schräg die Rohre an und umströmt und gegenüber einer laminaren Strömung wesentlich
wirkungsvoller ist.
Eine optimale Steigerung des Wirkungsgrads von Wärmetauschern ergibt sich
aus der Kombination der beschriebenen zwangsgeführten Strömung im inneren und
im äußeren Wärmekreislauf.
Im folgenden werden Vorteile und vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung beschrieben
die sich teils auf den erfindungsgemäßen Wärmetauscher mit zwangsgeführter Strömung im inneren Warmekreislauf,
den erfindungsgemäßen Wärmetauscher mit zwangsgeführter Strömung im äußeren Wärmekreislauf und auf einen Wärmetauscher
mit zwangsgeführter Strömung in beiden Kreisläufen beziehen.
Die Rohre bzw. die Rohranordnung mit den lose eingelegten Stäben, die in allen
Richtungen frei beweglich sind und deren
Bewegungsspielraum'mechanisch lediglich
durch die Rohrinnenwände und die Stirnseiten zu denen sie sich in einem konstruktiv
vorgegebenen Abstand befinden, begrenzt sind, bringt noch einen weiteren entscheidenden
Vorteil mit sich.
Durch die flexiblen Stäbe, die vorzugsweise aber nicht zylindrisch oder konisch
sind, wird ein gegenüber starren Stäben, wie zum Beispiel Metallstäben bzw. nadeln,
stark unterschiedliches Strömungsverhalten erreicht. Die lose eingelegten flexiblen
Stäbe "schwimmen" bzw. "schweben" nämlich frei im strömenden Medium und zwar unabhängig von der Lage des Wärmetauschers,
so daß sich zwischen der inneren Rohrwand und dem Stab eine ringspaltenförmige Strömung ausbildet. Damit wird zum
einen erreicht, daß der durch Wärmeleitung zu überbrückende Weg, im Gegensatz zu
einem Rohr ohne Stab, nicht mehr gleich dem Rohrinnenradius ist, sondern lediglich
der Ringspaltbreite entspricht, so daß sich im Vergleich zu einem einfachen Rohrwärmetauscher
ein wesentlich optimierter Wirkungsgrad ergibt.
Der Wirkungsgrad des Wärmetauschers läßt sich nach einer besonders vorteilhaften
Ausbildung der Erfindung noch erheblich verbessern, wenn die verwendeten Stäbe eine Biegefestigkeit aufweisen, die
größer ist als die Biegefestigkeit von PTFE-Kunststoff und die etwas größer sein kann
als die Biegefestigkeit von glasverstärktem Kunststoff. Als "Stäbe" können aber auch
dünnwandige Rohre aus Edelstahl mit beispielsweise 0,5 mm Wandstärke verwendet werden, die an beiden Enden verschlossen
bzw. verkoppelt sind.
In diesem Biegefestigkeitsbereich tritt die durch die Anordnung der losen Stäbe erzielte
Wirkung besonders deutlich hervor. Die in der Strömung schwimmenden Stäbe nehmen nämlich keinen, statischen Zustand
ein, sondern werden vielmehr zu Zwangsschwingungen angefacht, die dadurch entstehen,
daß sich in einem sich verengenden Spait die Strömung beschleunigt und dadurch
der Strömungsdruck in diesem Spalt absinkt. Bedingt durch die Elastizität der Stäbe kann sich dieser Spalt noch weiter
verengen, bis die Viskositätskräfte die Strömung im Spalt bremsen und sich dann der
Spalt durch die Rückstellkraft des elastischen Stabs wieder erweitert. Hiernach beginnt
der beschriebene Verengungseffekt wieder von vorne, Da die Strömung im Ringspalt rotationssymetrisch ist und der
Stab als zusätzlichen Freiheitsgrad auch rotieren kann, wird der Stab sich helixförmig
deformieren und in einen Rotationszustand versetzt werden. Dies hat zum einen zur
Folge, daß o"ie ringspaltenförmige Strömung
stark turbulent ist und dadurch der Wärmetransport vom Medium zur Grenzoberfläche
optimiert wird. Zum anderen ergibt sich durch die Zwangsschwingungen ein hoher Selbstreinigungseffekt, da sich am Stab oder
an der Rohrinnenwand festsetzende Partikel durch die mechanische Bewegung des Stabes
gelöst werden.
Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung von glasfaserverstärktem
Kunststoff (GfK) als Stabmaterial gezeigt; bei Errosionsgefahr können auch Edelstahl
Rohre mit dem Selben &Egr;-Modul wie GfK verwendet werden.
Eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das
Verhältnis von lichtem Rohrdurchmesser zu Stabdurchmesser im Bereich von 1,4 bis 2,5
liegt. In diesem Bereich lassen sich optimale Wärmeübertragungswerte erzielen. Vorteilhaft
werden bei einem lichten Rohrdurchmesser von 5 mm, Stabdurchmesser im Bereich von 2 bis 3 mm und bei einem lichten
Rohrdurchmesser von 7 mm Stabdurchmesser von 3 bis 5 mm verwendet. Die Strömungsgeschwindigkeit
des Mediums zwischen Rohr und Stab sollte größer als ein Meter pro Sekunde sein.
Eine weitere, besonders vorteilhafte Ausführung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß die Stäbe über mindestens einen Teil ihrer Länge konisch ausgeführt sind. Da sich mit zunehmender
Wegstrecke, die das Medium im Ringspalt zwischen einem Rohr und dem darin befindlichen
Stab zurücklegt, die Temperatur des Mediums ändert, ändert sich auch dessen Dichte und Viskosität. Bei einem zylindrischen
Stab würde sich mit abnehmender Viskosität eine Druckverluständerung einstellen,
und damit würde sich der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung verschlechtern. Durch die konische Ausführung der Stäbe
kann dieser Nachteil jedoch kompensiert werden, indem die Durchflußrichtung des Mediums bzw, die Lage dar Stäbe so gewählt
wird, daß mit abnehmender Dichte des Mediums der Durchmesser der Stäbe zunimmt. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung
sollte wegen der Wartungsfreundlichkeit des Wärmetauschers darauf geachtet werden, daß der Zugang zur inneren Rohranordnung
von der dickeren Seite der Stäbe ermöglicht wird, um so sicherzustellen, daß sich die Stäbe einfach herausziehen lassen.
Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung, bei der mindestens eine Stirn-
wand des Gehäuses lösbar befestigt ist, läßt sich eine besonders einfache Wartung
durchführen, da lediglich die Stirnwand abgenommen zu werden braucht, um die Stirnseite
der Rohranordnung mit den darin befindlichen Stäben freizulegen.
Eine vorteilhafte Ausbildung des Wärmetauschers mit der zwangsgeführten Strömung
im äußeren Wärmekreislauf besteht darin, daß in das Gehäuse mehrere zylinderförmige
Elemente mit wendeiförmigem Durchlaß im vorgegebenen Abstand eingebracht sind. Durch das jeweils in axialer
Strömungsrichtung folgende nächste Element wird die wendeiförmige Strömung während des Durchlaufs durch den äußeren
Wärmekreislauf immer von neuem angeregt, so daß damit einer Dämpfung in axialer Strömungsrichtung entgegengewirkt werden
kann. Zur Optimierung des wendeiförmigen Strömungverlaufs kann der Abstand entsprechend
variiert werden und die zylinderförmigem Elemente mit wendeiförmigem
Durchlaß können so gegeneinander verdreht werden, daß die abklingende Strömung optimal
in das nachfolgende Element eintritt. Durch die spiralförmige Strömung im äußeren^Wärmekreislauf ergeben sich auch
keine Tö'dzonen und somit auch keine Ablagerungen in diesen und ebenso keine durch
die Todzonen verursachten Schaden durch Korrosion bzw. Kavitation. Durch die Reduzierung
der Korrosion können die Wärmetauscherrohre in der Wandstärke verringert
werden. Insgesamt kann durch die Kombination von zylinderförmigen Elementen mit wendeiförmigem Durchlaß und Stäben ist
den Rohren die Gesamtlänge des Wärmetauschers auf 1/3 der Gesamtfänge von herkömmlichen
Rohrbündelwärmetauschern reduziert werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist der Zulauf des
äußeren Wärmekreislaufs so angeordnet und ausgebildet, daß das zufließende Medium
tangential zum lichten Querschnitt einströmt.
Ein Ausführungsbeispiei der Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung
näher beschrieben. Dabei zeigen:
Durch eine variable Anzahl von zylinderförmigen Elementen mit wendeiförmigem
Durchlaß und durch eine Variation der Anströmwinkel, sowie durch gradweisen Versatz
der Anströmöffnungen der Elemente, wird die Strömung nach den jeweiligen Anforderungen
optimiert. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung weisen die zyiinderförmigen Elemente mit wendeiförmigem
Durchlaß in ihrem Zentrum einen Stab oder eine stabförmige Ausbildung von vorgegebener Länge auf. Dadurch läßt
sich der Abstand der Elemente voneinander festlegen, so daß die so ausgeführten Elemente
lediglich in das Gehäuse des Wärmetauschers eingebracht werden müssen und automatisch den richtigen Abstand einnehmen.
Zur Abdichtung gegenüber dem Gehäusemante! können die zylinderförmigen Elemente mit wendeiförmigem Durchlaß jeweils
mit einer oder mehreren Dichtlippen versehen sein.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, daß durch die paßgenauen zylinderförmigen
Elemente mit wendieförmigem Durchlaß die Länge der Rohre und damit die Länge eines Wärmetauschers beliebig verlängert
werden kann, da die Schwingungen, zu denen die Rohre sonst vom strömenden Medium angeregt werden, durch die beabstandet
eingebrachten Elemente abgefangen werden und somit keine Abscherungen und Ermüdungserscheinungen auftreten können.
FIG 1: Einen Wärmetauscher mit einer Anordnung von mehreren parallelen
Rohren.
FIG 2: Einen Ausschnitt aus der Rohranordnung,
FIG 3: Ein Wärmetauscherrohr mit einem zylinderförmigen Element mit wendeiförmigem
Durchlaß.
FIG 4: Ein Wärmetauscherrohr mit für eine Rohrbündelanordnung ausgebildeten
zylinderförmigen Elementen mit wendeiförmigem Durchlaß.
FIG 5: Ein Wärmetauscherrohr mit gegeneinander verdrehten zylinderförmigen
Elementen mit wendeiförmigem Durchlaß.
FlG 6: Eine weitere Ausführung eines
Wärmetauscherrohres mit zylinderförmigen Elementen mit wendeiförmigem Durchlaß.
FlG 7: Einen Querschnitt durch ein Wärmetauscherrohr mit Zulauf.
FiG 8: Einen Wärmetauscher mit zwangsgeführter Strömung im inneren und
äußeren Kreislauf.
Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Wärmetauscher, der aus einem rohrförmigen
Gehäuses (1) besteht, das an den Stirnseiten durch zwei kreisförmige Stirnwandplatten
(2,11) absgeschlossen ist. Wie an der Stirnseite {2) zu erkennen ist, sind die
Stirnwände (2,11) mittels Schrauben lösbar befestigt. Das Gehäuse (1) des Wärmetauschers
weist einen Zufluß (4) und einen Abfluß (5) für den äußeren Wärmekreislauf, also den Kreislauf zwischen der Rohranordnung
und dem Gehäusemantel auf. Außerdem ist es von einer Isoiierschicht (3) umgeben.
Im inneren des rohrförmigen Gehäuses (1) befindet sich eine Rohranordnung, die
aus mehreren parallel zueinander angeordneten Rohren (6) besteht. An der Ober- und
Unterseite der Rohranordnung sind die Rohre (6) in Rohrboden (7) befestigt. Durch diese
Rohrboden (7) wird der Primär- vom Sekundärkreislauf,
bzw. der äußere vom inneren Wärmekreislauf des Wärmetauschers getrennt. Der verbleibende Raum zwischen den
Rohrboden (7) und den Stirnwänden (2,11)
des Gehäuses (1) dient als gemeinsamer Zu- bzw. Abfluß für das durch die einzelnen
Rohre der Rohranordnung strömende Medium, das über den Zulauf (8) zugeführt wird
und über den Ablauf (9) den inneren Kreislauf des Wärmetauschers wieder vorläßt.
In die Rohre (6) sind zylindrische Stäbe (10) eingelassen, deren Durchmesser
kleiner ist als der lichte Durchmesser der Rohre (6). Die zylindrischen Stäbe (10) sind
langer als die Rohre (6), aber kurzer als die lichte Länge des Gehäuses (1), so das die
Stäbe (10), wenn sie in die Rohre (6) eingelegt sind, beabstandet zu den Stirnwänden
(2,11) liegen und damit einen axialen Bewegungsspielraum
besitzen. Da der Wärmetauscher im Ausführungsbeispiei stehend angeordnet
ist, fallen die lose eingelegten zylindrischen Stäbe bis zur bodenseitigen Stirnwand
(11) durch und stützen sich an dieser ab.,
Figur 2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Bereich der oberen Rohrenden.
Dabei ist deutlich zu erkennen, daß die Rohre (6) durch Öffnungen des Rohrbodens
(7) geführt sind. Da das Medium des äußeren Kreislaufes unterhalb des oberen Rohrbodens
(7) strömt und das Medium des inneren Kreislaufes oberhalb des Rohrbodens
(7) in die jeweiligen Ringspalte, die sich zwischen den Rohren (6) und den zylindrischen
Stäben (10) ergeben, einströmt, müssen die Rohre (6) dicht mit dem Rohrboden (7) verbunden
sein. Dies kann beispielsweise durch Presspassungen oder, je nach verwendetem Material, durch Schweiß- oder Lötverbindungen
sichergestellt werden.
Wenn durch den Zulauf (8) ein Medium in Pfeilrichtung in den inneren Kreislauf
des Wärmetauschers einströmt, werden die Stäbe (10), auch wenn der Wärmetauscher
nicht wie gezeigt senkrecht steht, durch die Strömung in Richtung der Stirnwand (11)
verschoben bis sie an dieser anstoßen und sich gegen sie abstützen. Wenn die Biegefestigkeit der Stäbe (10) im durch die
Ansprüche definierten Bereich liegt, wird sich der eingangs näher beschriebene Effekt
besonders vorteilhaft einstellen, so daß die Stäbe (10) zu Zwangsschwingungen angefacht
werden, Da die zylindrischen Stäbe nur lose eingelegt sind, können sie sich sowohl
axial als auch transversal zur Längsachse bewegen und zusätzlich Drehbewegungen ausführen. Es hat sich gezeigt, daß zur Anregung
solcher Schwingungen eine Strömungsgeschwindigkeit des Mediums größer als 1 Meter pro Sekunde vorteilhaft ist. Als
Stabmaterial mit ausreichender Biegefestigkeit ist glasfaserverstärkter Kunststoff (GfK)
besonders geeignet. Alternativ dazu lassen sich auch beidseitig verschlossene Edelstahlrohre
mit demselben oder einem annähernd gleichen Elastizitätsmodul wie GfK verwenden.
Solche Edeistahlrohre erweisen sich als besonders günstig, wenn Errosionsgefahr
besteht. Stabmaterial mit PTFE-Kunststoff oder mit Teflon ummanteltem PTFE-Kunststoff
hat sich als weniger geeignet erwiesen.
Durch die Zwangsschwingungen, die die Stäbe (10) in den Rohren (6) ausführen,
wird die Strömung in den ringspaltförmigen Kanälen zwischen den Stäben und den
Rohrinnenwänden Stark turbulent. Damit wird die Wärmeleitung zur Rohrwand gegenüber
einer laminaren Strömung erheblich verbessert. Gleichzeitig werden durch die Zwangsschwingungen der Stäbe (10) sich
an diesen oder an der Rohrinnenwand ansetzende Schmutzteilchen gelöst und ausgespült,
bzw. es kommt gar nicht erst dazu, daß sich Teilchen festsetzen können. Der
damit erzielte hohe Selbstreinigungseffekt verlängert die wartungsfreien Zeiten des
Wärmetauschers erheblich. Wenn jedoch eine Wartung notwendig sein sollte, ist dies
besonders einfach möglich. Die Stirnwand (2) kann mittels der lösbaren Verbindungen
einfach vom Gehäuse (1) entfernt werden, so daß der Zugang zur Rohranordnung und
den Stäben freigelegt ist. Die Stäbe (10) können dann aus den Rohren (6) herausgezogen
und gereinigt werden. Auch die Rohrinnenwände sind dann für eine Reinigung frei zugänglich.
Das Verhältnis des Durchmessers der Stäbe (10) zum lichten Durchmesser der
Rohre (6) kann je nach Anwendungsfall variiert werden. Es hat sich herausgestellt, daß
der Bereich von 1,4 bis 2,5 besonders geeignet ist. Durch die Variation des Stabdurchmessers
läßt sich der Wärmetauscher hinsichtlich Strömungsgeschwindigkeit und Druckabfall optimal auf die geforderten
Wärmeübertragungsleistungen anpassen, so daß sich für jedes Einsatzgebiet ein möglichst
hoher Wirkungsgrad erzielen läßt.
Die bisher beschriebene Erhöhung des Wirkungsgrades eines Wärmetauschers bezog
sich auf Maßnahmen im inneren Kreislauf, also die Rohranordnungen betreffend. Es ist jedoch auch möglich, wie im folgenden
gezeigt wird, den Wirkungsgrad eines Wärmetauschers durch eine Zwangsführung des im äußeren Wärmekreislauf strömenden
Mediums zu erhöhen.
An Hand der Figur 3 wird das Prinzip der Erhöhung des Wirkungsgrades im äußeren
Kreislauf eines Wärmetauschers erläutert. Dargestellt ist ein Ausschnitt aus einem
Wärmetauscher, der wie der aus Figur 1 bekannte Wärmetauscher aufgebaut sein kann.
An Stelle der aus Figur 1 bekannten Rohranordnungen ist hier jedoch lediglich ein Rohr
(6) vorgesehen, in dem sich ein Stab (10) befindet. Das Rohr (6) befindet sich innerhalb
des bekannten Gehäuses (1) und ist durch das Zentrum eines zylinderförmigen Elementes mit wendeiförmigem Durchlaß
(12) geführt. Das zylinderförmige Element mit wendeiförmigem Durchlaß (12) schließt
mit der Mantelinnenfläche des Gehäuses (1) dicht ab.
Das zylinderförmige Element mit wendeiförmigem Durchlaß (12) kann beispielsweise
aus einen zylinderförmigen Material durch einfräsen eines Gewindeganges hergestellt
werden. Es könnte aber auch in einer Form gegossen werden oder, wenn als Material beispielsweise Kunststoff verwendet
wird, auch gespritzt werden.
Wenn das Medium im äußeren Kreislauf des Wärmetauschers strömt, wird sich
durch das Element (12) eine wendel- bzw. spiralförmige Strömung einsteilen. So daß
das Rohr (6) vom äußeren Medium tangential schräg umströmt wird. Die Schrägheit der Strömung hängt dabei von der Steigung
des Wendelganges oder anders ausgedrückt vom Anströmwinkel des zylinderförmigen Element mit wendeiförmigem Durchlaß (12)
ab. Das spiralförmig strömende Medium im äußeren Wärmekreislauf legt damit einen
größeren Weg zurück als ein laminar, das heißt parallel zum Rohr (6) strömendes Medium
zurücklegen würde. Damit kann im Vergleich zu Wärmetauschern mit laminarer Strömung die Länge des Wärmetauschers
bei gleicher Wärmeübertragungsleistung wesentlich verkürzt werden. .
Bei gleicher Länge des Wärmetauschers ergibt sich eine Steigerung des Wirkungsgrades die aber nicht nur durch die
Verlängerung des effektiven Weges bezüglich des strömenden Mediums erzielt wird,
sondern auch dadurch, daß das Rohr (6) tangential angeströmt wird und die Strömung
insgesamt turbulenter verläuft, als bei einer laminaren Strömung, so daß die Wärmeaufnahme
bezogen auf das Gesamtvolumen des strömenden Mediums optimiert wird.
Bei der Verwendung der zylinderförmigen Elemente mit wendeiförmigem Durchlaß
(12) im äußeren Wärmekreislauf braucht jedoch auf eine Rohrbündelanordnung für den
inneren Wärmekreislauf nicht verzichtet zu werden. Die zylinderförmigen Elemente mit
wendeiförmigem Durchlaß können nämlich mit mehreren Bohrungen versehen werden, durch die dann die Rohre (6) einer Rohranordnung
geführt werden können.
In Figur 4 ist ein Ausschnitt aus einem solchen Rohrbündel-Wärmetauscher gezeigt.
Im Gehäuse (1) des Rohrbündelwärmetauschers befinden sich im vorgebbaren
Abstand zwei zylinderförmige Elemente mit wendleförmigem Durchlaß (12), durch die
eine Anzahl von Rohren (6) geführt ist. Der sich einstellende Strömungsverlauf im äußeren
Wärmekreislauf ist durch Strömungslinien schematisch dargestellt. Es ist deutlich
zu erkennen, daß sich eine spriral- bzw. wendeiförmige Strömung einstellt, die die
Rohre (6) tangential schräg umfließt. Die durch das erste zylinderförmige Element (12)
(von links nach rechts) erzeugte spiralförmige Strömung wird durch die eigene Viskosität
und durch die Rohre bedämpft, so daß sie entlang des Weges durch das Gehäuse
(1) mehr und mehr abklingt. Sie kann jedoch an jeder beliebigen Stelle durch ein weiteres
zylinderförmiges Element mit wendeiförmigem Durchlaß wieder aufgefangen und von neuem mit einer bestimmten Steigung
"angefacht" werden. Durch die entsprechende Anordnung der zylinderförmigen
Elemente mit wendleförmigem Durchlaß kann also der gesamte Strömungsverlauf im äußeren Wärmekreislauf beeinflußt werden.
Wenn die Strömung an einer beliebigen Stelle im Gehäuse (1) durch ein zylinderförmiges
Element mit wendeiförmigem Durch-
laß wieder angefacht werden soll, so kann das Element (12) durch Drehung um seine
Längsachse so eingebracht werden, daß das strömende Medium optimal in die Wendelöffnung
einströmt. In Figur (5) sind beispielsweise zwei Elemente (12) in einem Gehäuse
(1) dargestellt, die um 180^ gegeneinander
verdreht sind.
Figur 6 zeigt einen Ausschnitt aus einem Wärmetauscher mit einem Gehäuse (1)
und einem Zulauf {4) für den äußeren Wärmekreislauf, in den zylinderförmige Elemente
mit wendleförmigem Durchlaß (12) eingebracht sind, deren Ausführungsform etwas verschieden von den bisher gezeigten ist.
Wie bereits angedeutet, kann die Ausführungsform des Elementes (12) den jeweiligen Gegebenheiten in Bezug auf die
Größe, den Anströmwinkel, das Material, etc. angepaßt werden. Das in Fig. 6 gezeigte
zylinderförmige Element mit wendleförmigem Durchlaß (12) weist in seinem Zentrum eine
stabförmige Ausbildung (13) von der Länge des Elements auf. Diese stabförmige Ausbildung dient der Stabilität des Elements.
Die stabförmige Ausbildung (13) kann aber auch beiderseitig langer sein als das Element
(12) selbst. Sie kann nach einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung beiderseitig soweit
über das Element hinausragen, daß sich mit ihm automatisch der Abstand zum nächsten,
ebenfalls eine stabförmige Ausbildung aufweisenden Element, einstellen läßt. Damit
müssen die Elemente (12) im Gehäuse (1) nicht zusätzlich fixiert werden, sondern
brauchen lediglich in das Gehäuse eingeschoben zu werden und sind dann durch die
stabförmigen Ausbildungen (13)
automatisch im richtigen Abstand zueinander angeordnet. Für die Dichtung
zwischen dem Gehäusemantel und dem Element (12) können zusätzliche Dichtlippen am Element (12) vorgesehen sein.
und der Dorne bzw. Stäbe in den Rohren, lassen sich Wärmetauscher in kompaktester
Bauform herstellen, die gezielt auf die Einsatzbedingungen, wie gewünschte Temperatur
und Druckdifferenz und Strömungsgeschwindigkeiten auf das jeweilige Medium abstimmbar sind. Mit einem solchen Wärmetauscher
ergeben sich viele variable Verwendungsmöglichkeiten. Sie verbinden alle Vorteile eines Plattenwärmetauschers, wie
z.B. kleine Abmessungen, hohe Wärmeübertragungsleistung, breites Leistungsspektrum
bei ein und derselben Baugröße, mit den Vorteilen eines Rohrbündeltauschers, wie
leichte Reinigungsmöglichkeiten, geringe Druckverluste, hohe statische Drücke. Durch
die Strömungsoptimierung in und um die Rohre lassen sich sehr hohe Standzeiten erzielen.
Damit die wendel- bzw. spiralförmige Strömung im äußeren Kreislauf von Anfang
an möglichst optimal angeregt wird, kann der Zulauf (4), wie in Fig. (7) gezeigt, seitlich
am Gehäuse (1) angebracht sein, so daß sich bereits beim Einströmen des Mediums ein bezüglich des Gehäusequerschnitts tangentialer
Strömungsverlauf ergibt.
In Fig. 8 ist der bereits aus Fig. 1 und Fig. 2 bekannte Rohrbündelwärmetauscher
dargestellt. Zusätzlich ist schematisch in den äußeren Wärmekreislauf ein zylinderförmiges
Element mit wendeiförmigem Durchlaß (12) eingebracht, daß im Ausschnitt mit den Rohren
vergrößert dargestellt ist. Durch das Zusammenspiel beider Maßnahmen, also der zylinderförmigen Elemente mit wendleförmigem
Durchlaß im äußeren Wärmekreislauf
Claims (2)
1. Wärmetauscher mit
zwangsgeführter Strömung mit folgenden Merkmalen:
zwangsgeführter Strömung mit folgenden Merkmalen:
1.1. einem Gehäuse (1) mit rohrförmigem lichtem Querschnitt als Teil eines
äußeren Wärmekreislaufs,
1.2. mindestens einem, parallel zur Gehäuselängsachse angebrachten Rohr (6), als
Teil eines inneren Wärmekreislaufs, wobei das (die) Rohr{e) (6) und das Gehäuse (1) getrennte Zu-
und Abläufe aufweist und wobei
1.3. jedes Rohr (6) einen lose eingelegten flexiblen Stab
(10) aufweist, dessen Durchmesser kleiner als der lichte Durchmesser des
Rohres ist, so daß ein Ringspalt für die Strömung des Mediums des inneren Wärmekreislaufes entsteht,
und der in axialer und radialer Richtung frei beweglich und drehbar ist.
2. Wärmetauscher mit
zwangsgeführter Strömung mit folgenden Merkmalen:
zwangsgeführter Strömung mit folgenden Merkmalen:
2.1. einem Gehäuse (1) mit rohrförmigem, lichtem
Querschnitt als Teil eines äußeren Wärmekreislaufs,
2.2. mindestens einem, im Gehäuse angebrachten Rohr (6), als Teil eines inneren
Wärmekreislaufs, wobei das (die) Rohr{e) (6) und das Gehäuse (1) getrennt Zu- und
Abläufe (4,5; 8,9) aufweisen, 2.3. mindestens einem quer zur Gehäuselängsachse
angeordneten Element (12), das mit dem lichten Gehäusequerschnitt dicht
abschließt und
2.3.1. zylinderförmig mit einem wendeiförmigen Durchlaß ausgebildet ist, so
daß das (die) Rohr{e) vom im ersten Wärmekreislauf befindlichen Medium wendleförmig umströmt wird
(werden),
2.3.2. Durchführungen für das (die) Rohr(e) (6) aufweist.
3. Wärmetauscher mit
zwangsgeführter Strömung mit folgenden Merkmalen:
3.1. einem Gehäuse (1) mit rohrförmigem, lichtem Querschnitt als Teil eines
äußeren Wärmekreislaufs,
3.2. mindestens einem, parallel zur Gehäuselängsachse (1) angebrachten Rohr (6), als
Teil eines inneren Wärmekreislaufs, wobei das (die) Rohr(e) (6) und das Gehäuse (1) getrennte Zu-
und Abläufe (4,5; 8,9) aufweisen,
3.3 mindestens einem quer zur Gehäuselängsachse angeordneten Element (12),
das mit dem lichten Gehäusequerschnitt dicht abschließt und
3.3.1. zylinderförmig mit einem wendeiförmigen Durchlaß ausgebildet ist, so
daß das (die) Rohr(e) vom im ersten Wärmekreislauf befindlichen Medium
wendleförmig umströmt wird (werden),
3.3.2. Durchführungen für das (die) Rohr(e) (6) aufweist.
3.4. jedes Rohr (6) weist einen lose eingelegten flexiblen Stab (10) auf, dessen
Durchmesser einen Teil des lichten Rohrquerschnitts einnimmt und der in axialer
und radialer Rohrrichtung frei beweglich und drehbar ist.
Wärmetauscher nach Anspruch oder 3, wobei die Biegefestigkeit der Stäbe (10) im Bereich
2 S
Gfk
PFTE
liegt, wenn "Sq^" die
Biegefestigkeit von
glasverstärktem Kunststoff und "Sp-ppg" die Biegefestigkeit von PTFE-Kunststoff ist.
glasverstärktem Kunststoff und "Sp-ppg" die Biegefestigkeit von PTFE-Kunststoff ist.
Wärmetauscher nach Anspruch oder 3, wobei die Stäbe (10) aus glasverstärktem Kunststoff sind,
oder als Edelstahlrohre mit (annähernd gleichem Elastizitätsmodul wie glasfaserverstärkter Kunststoff
ausgeführt sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1,3,4 oder 5, wobei das Verhältnis von lichtem Rohrdurchmesser zu Stabdurchmesser im Bereich von 1.4. bis 2.5. liegt.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1,3,4 oder 5, wobei das Verhältnis von lichtem Rohrdurchmesser zu Stabdurchmesser im Bereich von 1.4. bis 2.5. liegt.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1,3,4,5 oder 6, wobei das durch die Rohre (6) strömende
Medium eine
Strömungsgeschwindigkeit aufweist, die größer als ein Meter pro Sekunde ist.
Strömungsgeschwindigkeit aufweist, die größer als ein Meter pro Sekunde ist.
8. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1,3,4,5,6 oder 7, wobei die Stäbe (6) über
mindestens einen Teil ihrer Länge konisch ausgeführt sind.
9. Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche wobei mindestens eine Stirnwand (2,11)
des Gehäuses lösbar ist.
10. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei in das Gehäuse (1) mehrere
zylinderförmige Elemente mit wendeiförmigem Durchlaß (12) im vorgegebenen Abstand eingebracht
sind.
11. Wärmetauscher nach Anspruch 10, wobei die zylinderförmigen
Elemente mit wendeiförmigem Durchlaß (12) um einen vorgegebenen Winkel
gegeneinander verdreht sind.
2. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 2 bis 11, wobei die
zylinderförmigen Elemente mit wendeiförmigem Durchlaß (12) in ihrem Zentrum einen Stab (13)
oder eine stabförmige Ausbildung (13) vorgegebener Länge aufweisen.
13. Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei
der Zulauf (4) des äußeren Wärmekreisiaufs so angeordnet
und ausgebildet ist, daß das zufließende Medium tangential zum lichten Gehäusequerschnitt
einströmt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE9409288U DE9409288U1 (de) | 1994-06-08 | 1994-06-08 | Wärmetauscher mit zwangsgeführter Strömung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE9409288U DE9409288U1 (de) | 1994-06-08 | 1994-06-08 | Wärmetauscher mit zwangsgeführter Strömung |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE9409288U1 true DE9409288U1 (de) | 1994-09-29 |
Family
ID=6909599
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE9409288U Expired - Lifetime DE9409288U1 (de) | 1994-06-08 | 1994-06-08 | Wärmetauscher mit zwangsgeführter Strömung |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE9409288U1 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102016001085A1 (de) | 2016-02-02 | 2017-08-03 | Ralf Rieger | Rotationssymmetrisches Kombisystem für Wärmeübertragung und Vortrieb in einem kleinen Blockheizkraftwerk |
-
1994
- 1994-06-08 DE DE9409288U patent/DE9409288U1/de not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102016001085A1 (de) | 2016-02-02 | 2017-08-03 | Ralf Rieger | Rotationssymmetrisches Kombisystem für Wärmeübertragung und Vortrieb in einem kleinen Blockheizkraftwerk |
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