EP0017101A1 - Heat exchanger, especially for heat pump systems - Google Patents

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EP0017101A1
EP0017101A1 EP80101493A EP80101493A EP0017101A1 EP 0017101 A1 EP0017101 A1 EP 0017101A1 EP 80101493 A EP80101493 A EP 80101493A EP 80101493 A EP80101493 A EP 80101493A EP 0017101 A1 EP0017101 A1 EP 0017101A1
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heat exchanger
coolant
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/02—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being helically coiled
    • F28D7/024—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being helically coiled the conduits of only one medium being helically coiled tubes, the coils having a cylindrical configuration

Abstract

1. A heat exchanger, more specially for heat pump systems made up of a secondary part, which for its part is made up of at least one helically coiled tube (12, 13, 14, 25) for the coolant, and of a primary part with a casing tube (8, 22), for the fluid which is to give up heat, which is placed round the tube helix of the secondary part and itself is helical as well, characterized in that the helically coiled tube (12, 13, 14; 25) of the secondary part is placed with a generally horizontal helix axis in the casing tube (8, 22) and keeps to its generally horizontal helical axis, and in that the tube (12, 13, 14; 25) of the secondary part is designed opening, at a point near the downward current (10, 23) of the fluid which is to give up heat, into a core tube (11), which is placed in the helix axis of the tube of the secondary part und whose downwardly running part is near the inlet (9, 24) of the primary part so that the coolant makes its way in the secondary part firstly with a cocurrent and then with a counter-current motion.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher, insbesondere für Wärmepumpenanlagen, bestehend aus einem Sekundärteil mit wenigstens einem ein Kühlmittel führenden, schraubenförmig gewendelten Rohr mit etwa horizontaler Schraubenachse und einem Primärteil mit einem den Wärmeträger führenden, das Rohr des Sekundärteils umgebenden Mantelrohr.The invention relates to a heat exchanger, in particular for heat pump systems, consisting of a secondary part with at least one coolant, helically coiled tube with an approximately horizontal screw axis, and a primary part with a jacket tube surrounding the tube of the secondary part and guiding the heat transfer medium.

Wärmeaustauscher dieser Ausführung sind in einer Vielzahl von Ausführungsformen bekannt (z. B. SW-PS 196 760, US-PS 3 526 273). Bei Wärmepumpenanlagen werden im wesentlichen zwei Wärmeaustauscher eingesetzt, und zwar ein Verdampfer, in welchem der Wärmeträger des Primärkreislaufs seine Wärme an einen Sekundärkreislauf, der zugleich zentraler Kühlmittelkreislauf ist, abgibt, und ein Kondensator, in welchem der zentrale Kühlmittelkreislauf wiederum seine Wärme an einen wärmeabgebenden Kreislauf überträgt. Dabei ist in beiden Wärmeaustauschern ein größtmöglicher Wärmeübergang und ein geringstmöglicher Wärmeverlust angestrebt.Heat exchangers of this type are known in a variety of embodiments (e.g. SW-PS 196 760, US-PS 3 526 273). In heat pump systems there are essentially two heat exchangers used, namely an evaporator, in which the heat carrier of the primary circuit gives off its heat to a secondary circuit, which is also a central coolant circuit, and a condenser, in which the central coolant circuit in turn transfers its heat to a heat-emitting circuit. The aim in both heat exchangers is to achieve the greatest possible heat transfer and the lowest possible heat loss.

Die Möglichkeiten zur Erhöhung der Wärmeübertragung ergeben sich aus der Formel

Figure imgb0001
Alle Methoden zur Verbesserung zielen darauf ab, einen oder alle dieser Einflußfkatoren zu optimieren. Bei Wärmepumpenanlagen sind allerdings hinsichtlich der Änderung der Temperaturdifferenz Δ t Grenzen gesetzt, da diese nur auf Kosten der Leistung des Kompressors vergrößert werden kann, wodurch wiederum die Gesamtleistung der Wärmepumpenanlage reduziert wird. Verbesserungen in der Wärmeübergangszahl k lassen sich durch Beeinflussung der Strömungsverhältnisse und durch die Werkstoffauswahl erreichen. Ferner ist es hinlänglich bekannt, die Wärmeaustauschfläche F durch entsprechende konstruktive Maßnahmen so groß als möglich zu gestalten, beispielsweise durch Anbringung von Rippen oder dgl.. Auch die schraubenförmige Wendelung von Rohren zählt hierzu. Dabei ist allerdings häufig eine Grenze durch den Raumbedarf des Wärmeaustauschers gegeben.The possibilities for increasing the heat transfer result from the formula
Figure imgb0001
 All methods of improvement aim to optimize one or all of these influencing factors. In heat pump systems, however, there are limits to the change in the temperature difference Δ t, since this can only be increased at the expense of the output of the compressor, which in turn reduces the overall output of the heat pump system. Improvements in the heat transfer coefficient k can be achieved by influencing the flow conditions and through the choice of materials. Furthermore, it is well known to make the heat exchange surface F as large as possible by means of appropriate constructive measures, for example by attaching ribs or the like. This also includes the helical spiraling of pipes. However, there is often a limit due to the space requirement of the heat exchanger.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeaustauscher des eingangs geschilderten Aufbaus durch Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche und Verbesserung der Wärmeübergangszahl k zu optimieren.The invention has for its object to optimize a heat exchanger of the structure described above by increasing the heat exchange area and improving the heat transfer coefficient k.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Mantelrohr des Primärteils zusammen mit dem darin angeordneten schraubenförmig gewendelten Rohr des Sekundärteils seinerseits schraubenförmig gewendelt ist derart, daß die Schraubenachse des Rohrs des Sekundärteils seine etwa horizontale Lage beibehält, und daß dieses Rohr des Sekundärteils nahe dem Wärmeträgerablauf des Primärteils in ein Kernrohr einmündet welches in der Schraubenachse des Rohrs des Sekundärteils angeordnet ist und dessen Ablauf sich nahe dem Zulauf des Primärteils befindet.This object is achieved in that the jacket tube of the primary part, together with the helically coiled tube of the secondary part arranged therein, is in turn helically coiled such that the screw axis of the tube of the secondary part maintains its approximately horizontal position, and that this tube of the secondary part is close to the heat transfer of the Primary part opens into a core tube which is arranged in the screw axis of the tube of the secondary part and the outlet of which is located near the inlet of the primary part.

Die Erfindung geht zunächst von folgender Erkenntnis aus: Bei einer Rohrströmung wirken auf die Flüssigkeit Zentrifugal- und Gravitationskräfte. Ist das die Flüssigkeit führende schraubenförmig gewendelte Rohr mit seiner Schraubenachse senkrecht angeordnet, so ergibt sich aus Gravitations- und Zentrifugalkraft eine Resultierende, die dazu führt; daß die Flüssigkeit an die untere Rohrwandung gedrängt wird, wobei sich der Flüssigkeitsspiegel schräg mit einem Anstieg von innen nach außen einstellt. Der obere Teil des Rohrquerschnittes ist hingegen mit Gas bzw. der Dampfphase gefüllt, insbesondere wenn es sich um Wärmeträger handelt, die zumindest im Einlaufbereich des Wärmeaustauschers eine Temperatur nahe dem Siedepunkt aufweisen. Bekanntermaßen ist nun aber der Wärmeübergang zwischen Gas- bzw. Dampfphase und Rohrwandung schlechter als zwischen der Flüssigkeitsphase und der.Rohrwandung . Während bei einer Schraubenwendel mit senkrechter Schraubenachse die aus Gravitations- und Zentrifugalkraft resultierende Kraft über die gesamte Höhe des Wärmeaustauschers die gleiche Richtung hat, ändert sich bei einer horizontalen Anordnung der Schraubenwendel diese Richtung ständig, da beispielsweise im unteren Scheitelpunkt der Schraubenwendel Gravitations-und Zentrifugalkraft sich addieren, während sie im oberen Scheitel der Schraubenwendel einander entgegenwirken. Dies führt also dazu, daß auf die Rohrströmung ständig wechselnde Kräfte zur Wirkung kommen, wodurch die Wahrscheinlichkeit, daß das Rohr auf seinem gesamten Umfang mit Flüssigkeit belegt ist, erheblich steigt. Diese Wahrscheinl ichkeit wird bei Flüssigkeiten, die zum Stoßsieden neigen, noch vergrößert.The invention is initially based on the following knowledge: In a tube flow, centrifugal and gravitational forces act on the liquid. If the helically coiled pipe carrying the liquid is arranged vertically with its screw axis, then a resultant results from gravitational and centrifugal force, which leads to this; that the liquid is pressed onto the lower tube wall, the liquid level being set obliquely with an increase from the inside to the outside. The upper part of the pipe cross section, on the other hand, is filled with Ga s or the vapor phase, in particular when it is a question of heat carriers which have a temperature close to the boiling point at least in the inlet area of the heat exchanger. As is known, however, the heat transfer between the gas or vapor phase and the pipe wall is now worse than between the liquid phase and the pipe wall. While with a helical coil with a vertical screw axis, the force resulting from gravitational and centrifugal force over the entire amount of heat Exchanger has the same direction, with a horizontal arrangement of the helix, this direction changes constantly, since, for example, gravity and centrifugal force add up at the lower vertex of the helix, while they counteract each other in the upper vertex of the helix. This leads to the fact that constantly changing forces come into effect on the pipe flow, whereby the probability that the pipe is filled with liquid over its entire circumference increases considerably. This probability is further increased in the case of liquids which tend to boil rapidly.

Die Erfindung geht also zunächst von dieser günstigen Anordnung des schraubenförmig gewendelten Rohrs des Sekundärteils aus. Um nun bei geringstmöglicher Baulänge eine größtmögliche Wärmeaustauschfläche zu schaffen, sieht die Erfindung weiterhin vor, daß das das schraubenförmig gewendelte Rohr des Sekundärteils umgebende Mantelrohr seinerseits schraubenförmig gewendelt ist, wobei dessen Schraubenachse im wesentlichen senkrecht angeordnet ist mit der Folge, daß die horizontale Schraubenachse des Rohrs im Sekundärteil etwa erhalten bleibt.The invention therefore starts from this favorable arrangement of the helically coiled tube of the secondary part. In order to create the largest possible heat exchange surface with the smallest possible overall length, the invention further provides that the jacket tube surrounding the helically coiled tube of the secondary part is in turn helically coiled, the screw axis of which is arranged essentially vertically, with the result that the horizontal screw axis of the tube remains in the secondary part.

Durch die vorgenannten Maßnahmen wird also einerseits die Wärmeübergangszahl k, andererseits die Wärmeaustauschfläche bei geringer Baugröße optimiert. Praktische Untersuchungen haben femer gezeigt, daß bei einem solchen Aufbau des Wärmeaustauschers, insbesondere bei Verwendung als Verdampfer, der Druckverlust im Primärkreislauf gegenüber herkömmlichen Wärmeaustauschem um ca. 50% und im Sekundärkreislauf um ca. 90% vermindert werden kann. Dies bedeutet umgekehrt, daß trotz geringem Druckabfall im Kühlmittel-Kreislauf eine gute Wärmeübertragung mögl ich ist.The above-mentioned measures therefore optimize the heat transfer coefficient k on the one hand and the heat exchange surface on the other hand in a small size. Practical studies have also shown that with such a construction of the heat exchanger, in particular when used as an evaporator, the pressure loss in the primary circuit can be reduced by approx. 50% compared to conventional heat exchangers and in the secondary circuit by approx. 90%. Conversely, this means that despite low pressure drop in the coolant circuit, good heat transfer is possible.

Mit der weiteren Ausbildung, daß das schraubenförmig gewendelte Rohr des Sekundärteils nahe dem Kühlmittelablauf des Primärteils in ein Kemrohr einmündet, welches in der Schraubenachse des Rohrs des Sekundärteils angeordnet ist und dessen Ablauf sich nahe dem Zulauf des Primärteils befindet, wird erreicht, daß der Wärmeträger im Primärteil zunächst im Gleichstrom mit dem Kühlmittel im Sekundärteil geführt wird. Am Ende der Austauschstrecke wird die Strömungsrichtung im Sekundärteil an der Einmündung des schrauben förmigen Rohrs in das Kernrohr umgekehrt, so daß das Kühlmittel im Gegenstrom zurückgeführt wird. Auch hierdurch ergibt sich eine Verbesserung der Wärmeübertragungsverhältnisse durch Anpassung der Strömungsrichtung an das axiale Temperaturprofil.With the further training that the helically coiled tube of the secondary part opens near the coolant outlet of the primary part into a core tube, which is arranged in the screw axis of the tube of the secondary part and whose outlet is close to the inlet of the primary part, it is achieved that the heat carrier in Primary part is first performed in direct current with the coolant in the secondary part. At the end of the exchange section, the direction of flow in the secondary part at the confluence of the helical tube and the core tube is reversed, so that the coolant is returned in countercurrent. This also results in an improvement in the heat transfer conditions by adapting the flow direction to the axial temperature profile.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind im Sekundärtei drei parallel schraubenförmig gewendelte Rohre für das Kühlmittel vorgesehen, die nahe dem Ablauf des Primärteils jeweils in das Kemrohr einmündet. Die Schraubenwendeln aller drei Rohre können in axialer oder in radialer Richtung nebeneinander liegen.According to an advantageous embodiment, three parallel helical tubes for the coolant are provided in the secondary part, each of which opens into the core tube near the outlet of the primary part. The helixes of all three tubes can lie side by side in the axial or in the radial direction.

Findet bei dem Wärmeaustausch im Kühlmittel eine Phasenänderung von flüssig zu dampfförmig statt, so ist vorgesehen, daß das Kernrohr einen größeren Querschni tt aufweist als die Summe der Querschnitte der schraubenförmig gewendelten Rohre des Sekundärteils, wobei der Wärmeaustauscher vorzugsweise so gesteuert wird, daß die Dampfphase erst am Übergang zwischen schraubenförmig gewendelten Rohren und Kernrohr stattfindet.If there is a phase change from liquid to vapor in the heat exchange in the coolant, it is provided that the core tube has a larger cross-section than the sum of the cross-sections of the helically coiled tubes of the secondary part, the heat exchanger preferably being controlled so that the vapor phase only at the transition between helically coiled tubes and core tube.

Die erfindungsgemäße Ausbildung eines Wärmeaustauschers schafft ferner die Möglichkeit, den Kompressor für das Kühlmittel in der Schraubenachse des schraubenförmig gewendelten Mantelrohrs des Sekundärteils anzuordnen. Damit ergibt sich eine in thermischer Hinsicht besonders günstige und zudem schalldämmende Ausführung der gesamten Anlage.The inventive design of a heat exchanger also creates the possibility of arranging the compressor for the coolant in the screw axis of the helically coiled jacket tube of the secondary part. This results in a thermally particularly favorable and soundproofing version of the entire system.

Nachstehend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten AusfÜhrungsbeispiels gezeigt. In der Zeichnung zeigen:

  • Figur 1 einen schematischen Längsschnitt eines herkömmlichen Wärmeaustauschers (Verdampfer) mit senkrecht angeordnetem Schraubenrohr im Sekundärteil;
  • Figur 2 einen schematischen Längsschnitt eines Wärmeaustauschers mit horizontal angeordnetem Schraubenrohr im Sekundärteil;
  • Figur 3 einen Schnitt III - III gemäß Figur 2;
  • Figur 4 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäß ausgebi Ideten Wärmeaustauscher und
  • Figur 5 eine Seitenansicht des Wärmeaustauscher mit Kompressor.
The invention is shown below with reference to an exemplary embodiment shown in the drawing. The drawing shows:
  • Figure 1 is a schematic longitudinal section of a conventional heat exchanger (evaporator) with a vertically arranged screw tube in the secondary part;
  • Figure 2 is a schematic longitudinal section of a heat exchanger with a horizontally arranged screw tube in the secondary part;
  • Figure 3 shows a section III - III according to Figure 2;
  • 4 shows a schematic longitudinal section through an inventive heat exchanger and
  • Figure 5 is a side view of the heat exchanger with a compressor.

Figur 1 zeigt einen Verdampfer, dessen Primärteil aus einem zyl indrischen Behälter 1 gebildet ist. Der Behälter 1 weist oben einen Zulauf 3 für den Wärmeträger, z. B. Wasser, und unten einen Ablauf 4 auf. Der Sekundärteil wird von einem in dem Behälter 1 schraubenförmig verlaufenden Rohr 6 gebildet, dessen Schraubenachse 2 senkrecht angeordnet ist und das oben einen Zulauf 5 für ein Kühlmittel, z. B. Freon, und unten einen Ablauf aufweist.Figure 1 shows an evaporator, the primary part of which is formed from a cylindrical Indian container 1. The container 1 has an inlet 3 for the heat transfer medium, z. B. water, and below a drain 4. The secondary part is formed by a helically extending tube 6 in the container 1, the screw axis 2 of which is arranged vertically and which has an inlet 5 for a coolant, e.g. B. Freon, and has a drain below.

Bei annähernd gleichbleibender Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels im Rohr 6, stellt sich der Spiegel der flüssigen Phase - bei vorhandener gasförmiger Phase - in einer Schräglage ein, wie sie in Figur 1 angedeutet ist und die sich aufgrund der vektoriellen Addition der Schwerkraft t und der sich aus der Strömungsgeschwindigkeit ergebenden Zentrifugalkraft c einstellt. Der Flüssigkeitsspiegel stellt sich normal zur Resultierenden R ein.When the flow rate of the coolant in the tube 6 is approximately constant, the level of the liquid phase - in the presence of the gaseous phase - is set in an inclined position, as indicated in FIG. 1, which is due to the vectorial addition of gravity t and which results from the Set the flow velocity resulting centrifugal force c. The liquid level is normal to the resultant R.

Es ist ersichtlich, daß in dem Fall der Figur 1, bei welchem die Achse 2 des Behälters 1 senkrecht verläuft, die Zentrifugalkraft c immer in einer waagerechten Ebene liegt, so daß, da die Schwerkraft t immer senkrecht nach unten verläuft, der Winkel zwischen den Kräften c und t sich nicht ändert. Demgemäß ist die auf das Kühlmittel wirkende Resultierende für alle Rohrquerschnitte gleich, so daß die flüssige Phase des Kühlmittels nur im Bereich des unteren Scheitels des Rohres 6 fließt, während das Rohr 6 im Bereich des oberen Scheitels mit der flüssigen Phase des Kühlmittels nicht in Berührung kommt.It can be seen that in the case of FIG. 1, in which the axis 2 of the container 1 runs vertically, the centrifugal force c is always in a horizontal plane, so that since gravity t always runs vertically downwards, the angle between the Forces c and t do not change. Accordingly, the resultant acting on the coolant is the same for all pipe cross sections, so that the liquid phase of the coolant only flows in the region of the lower vertex of the pipe 6, while the pipe 6 does not come into contact with the liquid phase of the coolant in the region of the upper vertex .

Anders stellt es sich dar, wenn die Schraubenachse 2 des Rohrs 6 des Sekundärteils nicht senkrecht verläuft, sondern waagerecht, wie dies in Figur 2 für denselben Behälter 1 dargestellt ist. Bei konstanter Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels durch das Rohr 6 ist auch die Zentrifugalkraft c konstant und stets radial gerichtet, jedoch oberhalb der Schraubenachse nach oben, unterhalb der Schraubenachse nach unten, während die Schwerkraft t stets radial nach unten gerichtet ist. Figur 3 zeigt die Kräfte c und t an verschiedenen Stellen des Umfangs des Rohres 6. Es ist ersichtlich, daß die sich aus Schwerkraft t und Zentrifugalkraft c ergebende resultierende Kraft R ihre Größe und Richtung dauernd ändert, so daß auch der Flüssigkeitsspiegel seine Lage ständig ändert. Wird zusätzlich berücksichtigt, daß in der Praxis eine konstante Strömungsgeschwindi gkeit und damit eine konstante Zentrifugalkraft c nicht erzielt werden kann, solange das Rohr 6 nicht vollständig mit flüssiger Phase gefüllt ist, und daß das Sieden öft als Stoßsieden eintritt, so zeigt sich, daß eine große Wahrscheinlichkeit dafür besteht,It is different if the screw axis 2 of the tube 6 of the secondary part does not run vertically, but horizontally, as is shown in FIG. 2 for the same container 1. At a constant flow rate of the coolant through the tube 6, the centrifugal force c is also constant and always directed radially, but above the screw axis upwards, below the screw axis downwards, while gravity t is always directed radially downwards. Figure 3 shows the forces c and t at different points on the circumference of the tube 6. It can be seen that the resulting force R resulting from gravity t and centrifugal force c changes its size and direction continuously, so that the liquid level also constantly changes its position . If additional consideration is given to the fact that in practice a constant flow speed and thus a constant centrifugal force c cannot be achieved as long as the tube 6 is not completely filled with liquid phase, and that boiling often occurs as surge boiling, it can be seen that a there is a high probability that

daß die gesamte Innenwand des Rohres mit der flüssigen Phase des Kühlmittels in Berühung kommt. In jedem Fall ist diese Wahrscheinlichkeit wesentlich größer als bei dem in Figur 1 gezeigten Beispiel, selbst wenn man Störungen der Strömung beim Sieden unterstellt.that the entire inner wall of the tube comes into contact with the liquid phase of the coolant. In any case, this probability is significantly greater than in the example shown in FIG. 1, even if one assumes disturbances in the flow during boiling.

In Figur 4 ist ein Wärmeaustauscher gemäß der Erfindung in Funktion als Verdampfer dargestellt zur Verwendung bei einer Wasser/Wasser Wärmepumpenanlage. Der Wärmeaustauscher weist als Primärteil ein Mantelrohr 8 auf, welches in Figur 4 aus Gründen der Übersichtlichkeit geradlinig dargestellt ist, in Wirklichkeit aber schraubenlinienförmig verläuft, wie mit Bezug auf Figur 5 noch erläutert werden wird. An dem einen Ende des Mantelrohres 8 befindet sich ein Einlauf 9 für den Wärmeträger, hier Wasser, und am anderen Ende ein Auslauf 10 für das Wasser. Das Mantelrohr 8 ist Teil eines an sich bekannten geschlossenen Wasserkreislaufs, zu welchem auch ein nicht dargestelltes Rohrsystem gehört, daß z. B. in der Erde angeordnet ist um die Erdwärme aufzunehmen. Demgemäß ist das durch den Einlauf 9 in das Mantelrohr 8 einströmende Wasser wärmer als das am Ablauf 10 abströmende Wasser.FIG. 4 shows a heat exchanger according to the invention in function as an evaporator for use in a water / water heat pump system. The heat exchanger has a jacket tube 8 as the primary part, which is shown in a straight line in FIG. 4 for reasons of clarity, but in reality runs helically, as will be explained with reference to FIG. 5. At one end of the casing tube 8 there is an inlet 9 for the heat transfer medium, here water, and at the other end an outlet 10 for the water. The casing tube 8 is part of a known closed water circuit, which also includes a pipe system, not shown, that z. B. is arranged in the earth to absorb geothermal energy. Accordingly, the water flowing through the inlet 9 into the casing tube 8 is warmer than the water flowing out at the outlet 10.

Im Mantelrohr 8 ist als Tei des Sekundärkreislaufs ein zentral verleufendes Kemrohr 11 angeordnet. Um dieses Kernrohr 11 sind in Schraubenlinienform drei parallel zueinander verlaufende Kupferrohre 12, 13 und 14 angeordnet. Die Kupferrohre 12, 13 und 14 sind durch das Mantelrohr 8 hindurchgeführt und mit einem Einlaufkasten 15 für das Kühlmittel, z. B. Freon, verbunden, welches dem Einlaufkasten 15 durch eine Leitung 16 zuströmt, wobei die Zufuhr von einem Thermoventil 17 gesteuert wird.A central core tube 11 is arranged in the casing tube 8 as part of the secondary circuit. Around this core tube 11, three parallel copper tubes 12, 13 and 14 are arranged in a helical shape. The copper tubes 1 2, 1 3 and 14 are passed through the jacket tube 8 and with an inlet box 15 for the coolant, for. B. Freon, which flows to the inlet box 15 through a line 16, the supply being controlled by a thermal valve 17.

Dem Ende des Mantelrohres 8 benachbart, an welchem der Auslauf 10 angeordnet ist, ist das Kernrohr 11 durch eine Stimscheibe 18 geschlossen, und die Enden der Kupferrohre 12, 13 und 14 sind über je einen Anschluß 19, 20 bzw. 21, die auf dem Umfang des Kemrohres 11 um 1200 versetzt angeordnet sind, mit dem Kemrohr 11 nahe dessen geschlossenem Ende verbunden. An seinem gegenüberliegenden Ende ist das K emrohr 11 an dem entsprechenden Ende des Mantelrohrs 8, d. h. nahe dem Einlauf 9, durch das Mantelrohr 8 hindurch nach außen geführt, um einen Auslaufstutzen für das Kühlmittel zu bilden, wie dies aus Figur 4 ersichtlich ist.The end of the casing tube 8, at which the outlet 10 is arranged, the core tube 11 is closed by a face plate 18, and the ends of the copper tubes 12, 13 and 14 are each via a connection 19, 20 and 21, respectively, on the periphery of the core tube 11 are arranged offset by 120 0, connected to the core pipe 11 near the closed end thereof. At its opposite end, the core tube 11 is guided outwards through the jacket tube 8 at the corresponding end of the jacket tube 8, ie near the inlet 9, in order to form an outlet connection for the coolant, as can be seen from FIG. 4.

Die Darstellung der Figur 4 zeigt, daß die Rohre 12, 13 und 14 weder mit dem Kemrohr 11 noch mit dem Mantelrohr 8 in Berührung stehen. In der Praxis werden die Rohre 12, 13 und 14 jedoch an einigen Stellen am Kemrohr 11 abgestützt sein. Es könnten ober auch Stutzteile, beispielsweise an der Innenwand des Mantelrohres 8 und/oder an der Außenwand des Kemrohres 11 vorgesehen sein, welche die Rohre 12, 13 und 14 auf Abstand von dem Mantelrohr 8 und dem Kemrohr 11 halten. Das Mantelrohr 8 besteht aus einem isolierenden Material, beispielsweise aus Kunststoff oder Gummi. Auch die übrigen außerhalb des Mantelrohres 8 befindlichen Bauteile des Rohrsystems können wärmeisoliert sein.The illustration in FIG. 4 shows that the tubes 12, 13 and 14 are neither in contact with the core tube 11 nor with the jacket tube 8. In practice, however, the tubes 12, 13 and 14 will be supported at some points on the core tube 11. Upper parts, for example on the inner wall of the casing tube 8 and / or on the outer wall of the core tube 11, could also be provided, which keep the tubes 12, 13 and 14 at a distance from the jacket tube 8 and the core tube 11. The casing tube 8 consists of an insulating material, for example plastic or rubber. The other components of the pipe system located outside the casing pipe 8 can also be thermally insulated.

Figur 5 zeigt eine in der Praxis angewandte Ausführungsform des Wärmeaustauschers (Verdampfer oder Kondensator) gemäß der Erfindung. Dem in Figur 4 geradlinig dargestellten Mantelrohr 8 entspricht in Figur 5 das Mantelrohr 22, während das schraubenförmig gewundene Rohr(e) 12, 13, 14 des Sekundärteils gemäß Figur 4 in der Figur 5 an der aufgebrochenen Stelle des Mantelrohrs 22 erkennbar und mit 25 bezeichnet ist. Der Wärmeaustauscher gemäß Figur 5 wird also aus dem linearen Gebilde gemäß Figur 4 dadurch erhalten, daß das Mantelrohr des Primärteils mit der eingebauten Rohrschlange des Sekundärteils um eine senkrechte Achse schraubenförmig verformt wird. Dabei bleibt die horizontale Schraubenachse der inneren Rohrschlange weitgehend erhalten. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel ist in der Schraubenachse des Mantelrohrs 22 der Kompressor 26 angeordnet, der also von dem Mantelrohr 22 umhüllt wird. Der Wärmeträger gelangt über den Zulauf 23 in das Mantelrohr und verläßt dieses über den Ablauf 24 (entsprechend 9 und 10 in Figur 4). Der Einlaufkasten 15 und Thermoventil 17 sowie der Ablauf des Kemrohrs 11 des Sekundärteils (Figur 4) sind in Figur 5 nicht gezeigt. Sie befinden sich an der unteren Windung der Schraube des Mantelrohrs 22 nahe dem Ablauf 24 des Primärteils.FIG. 5 shows an embodiment of the heat exchanger (evaporator or condenser) according to the invention which is used in practice. The jacket tube 22 corresponds in FIG. 5 to the jacket tube 8 shown in a straight line in FIG. 5, while the helically wound tube (s) 12, 13, 14 of the secondary part according to FIG. 4 can be seen in FIG. 5 at the broken point of the casing tube 22 and is designated by 25. The heat exchanger according to FIG. 5 is thus obtained from the linear structure according to FIG. 4 in that the jacket tube of the primary part is deformed helically around a vertical axis with the built-in coil of the secondary part. The horizontal screw axis of the inner coil is largely preserved. In the exemplary embodiment shown, the compressor 26 is arranged in the screw axis of the casing tube 22 and is therefore enveloped by the casing tube 22. The heat transfer medium enters the jacket tube via the inlet 23 and leaves it via the outlet 24 (corresponding to 9 and 10 in FIG. 4). The inlet box 15 and thermal valve 17 and the drain of the core tube 11 of the secondary part (FIG. 4) are not shown in FIG. They are located on the lower turn of the screw of the casing tube 22 near the outlet 24 of the primary part.

Die Arbeitsweise des Wärmeaustauschers als Verdampfer ist wie folgt:

  • Das Thermoventil 17 wird in an sich bekannter Weise von dem Druck vor einem ni cht dargestellten Kompressor in dem geschlossenen Sekundärkreislauf gesteuert. Das Thermoventit 17 läßt entsprechend Kühlmittel in den Verteilerkasten 15 einströmen, von welchem aus sich die flüssige Phase des Kühlmittels in den Rohren 12, 13 und 14 (25 in Figur5) verteilen wird. Es erfolgt dann zunächst eine Wärmeübertragung von dem durch den Einlauf 9 (23) einströmenden Wärmeträger, z. B. Wasser, auf das in den Rohren 12, 13 und 14 strömende Kühlmittel, und zwar im Gleichstrom. Das Kühlmittel verdampft und strömt in Dampfform am anderen Ende des Mantelrohres 8 (22), d. h. nahe dem Auslauf 10 (24) in das Kernrohr 11, in welchem es im Gegenstrom zu dem Wasser strömt und dabei weiter erwärmt wird.
The heat exchanger works as an evaporator as follows:
  • The thermal valve 17 is controlled in a manner known per se from the pressure in front of a compressor not shown in the closed secondary circuit. The thermoventite 17 accordingly allows coolant to flow into the distribution box 15, from which the liquid phase of the coolant will be distributed in the tubes 12, 13 and 14 (25 in FIG. 5). Then there is first a heat transfer from the inflowing through the inlet 9 (23) heat transfer medium, for. B. water, on the flowing in the tubes 12, 13 and 14 coolant, and that in cocurrent. The coolant evaporates and flows in vapor form at the other End of the casing tube 8 (22), ie near the outlet 10 (24) into the core tube 11, in which it flows in countercurrent to the water and is further heated.

Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Abwandlungen möglich. Beispielsweise können die drei schraubenlinienförmig verlaufenden Rohre 12, 13 und 14 des Sekundärteils jeweils für sich zum Einlauf zurückgeführt werden, wobei dann das Kemrohr 11 durch drei Rücklaufrohre ersetzt wird. Statt einer steigenden Schraubenwendet, wie sie Figur 5 zeigt, kann das Mantelrohr 8 (22) auch in einer horizontalen Ebene nach Art einer Spirale gewendelt sein.Various modifications are possible within the scope of the invention. For example, the three helically extending tubes 12, 13 and 14 of the secondary part can each be returned to the inlet individually, in which case the core tube 11 is then replaced by three return tubes. Instead of a rising screw as shown in FIG. 5, the casing tube 8 (22) can also be coiled in a horizontal plane in the manner of a spiral.

Claims (4)

Wärmeaustauscher, insbesondere für Wärmepumpenanlagen, bestehend aus einem Sekundärteil mit wenigstens einem das Kühlmittel führenden, schraubenförmig gewendelten Rohr mit t etwa horizontaler Schraubenachse und einem Primärteil mit einem den Wärmeträger führenden, das Rohr des Sekundärteils umgebenden Mantelrohr,
dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelrohr (8, 22) des Primärteils zusammen mit dem darin angeordneten schraubenförmig gewendelten Rohr (12, 13, 14, 25) des Sekundärteils seinerseits schraubenförmig gewendelt ist derart, daß die Schraubenachse des Rohrs des Sekundärteils seine etwa horizontale Lage beibehält, und daß das Rohr (12, 13, 14, 25) des Sekundärteils nahe dem Wärmeträgerablauf (10, 24) des Primärteils in ein Kernrohr (11) einmündet, welches in der Schraubenachse des Rohrs des Sekundärteils angeordnet ist und dessen Ablauf sich nahe dem Zulauf (9, 23) des Primärteils befindet.Heat exchanger, in particular for heat pump systems, consisting of a secondary part with at least one helically coiled tube guiding the coolant with t approximately horizontal screw axis and a primary part with a jacket tube guiding the heat carrier and surrounding the tube of the secondary part,
characterized in that the jacket tube (8, 22) of the primary part together with the helically coiled tube (12, 13, 14, 25) of the secondary part arranged therein is in turn helically coiled such that the screw axis of the tube of the secondary part maintains its approximately horizontal position , and that the tube (12, 13, 14, 25) of the secondary part near the heat transfer outlet (10, 24) of the primary part opens into a core tube (11) which is arranged in the screw axis of the tube of the secondary part and the flow of which is close to that Inlet (9, 23) of the primary part is located. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, insbesondere für Kühlmittel mit einer beim Wärmeaustausch erfolgenden Phasenänderung flüssig-dampfförmig, dadurch gekennzeichnet, daß das Kemrohr (11) einen größeren Querschnitt aufweist als die Sum me der Querschnitte der schraubenförmig gewendelten Rohre (12, 13, 14) des Sekundärteils.Heat exchanger according to Claim 1, in particular for coolants with a liquid-vapor phase change during heat exchange, characterized in that the core tube (11) has a larger cross section than the sum of the cross sections of the helically coiled tubes (12, 13, 14) of the secondary part . Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, mit einem im Sekundärteil angeordneten Kompressor, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor (26) in der Schraubenachse des Mantelrohrs (22) des Sekundärteils angeordnet ist.Heat exchanger according to claim 1 or 2, with a compressor arranged in the secondary part, characterized in that the compressor (26) is arranged in the screw axis of the casing tube (22) of the secondary part. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Sekundärteil drei parallel schraubenförmig gewendelte Rohre (12, 13, 14, 25) für das Kühlmittel vorgesehen sind, die nahe dem Ablauf (10, 24) des Primärteils jeweils in das Kemrohr (11) einmünden.Heat exchanger according to one of claims 1 to 3, characterized in that in the secondary part three parallel helically coiled tubes (12, 13, 14, 25) are provided for the coolant, each of which in the core tube near the outlet (10, 24) of the primary part (11) lead into.
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