EP1479995A2 - Wärmeaustauscher - Google Patents

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EP1479995A2
EP1479995A2 EP04009059A EP04009059A EP1479995A2 EP 1479995 A2 EP1479995 A2 EP 1479995A2 EP 04009059 A EP04009059 A EP 04009059A EP 04009059 A EP04009059 A EP 04009059A EP 1479995 A2 EP1479995 A2 EP 1479995A2
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EP
European Patent Office
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heat exchanger
tube element
inner tube
exchanger according
outer tube
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP04009059A
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English (en)
French (fr)
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EP1479995A3 (de
Inventor
Axel Kriegsmann
Andreas Moritz
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Wieland Werke AG
Original Assignee
Wieland Werke AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Wieland Werke AG filed Critical Wieland Werke AG
Publication of EP1479995A2 publication Critical patent/EP1479995A2/de
Publication of EP1479995A3 publication Critical patent/EP1479995A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/10Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/12Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element
    • F28F1/122Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and being formed of wires
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B40/00Subcoolers, desuperheaters or superheaters
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/02Heat-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
    • F28D7/024Heat-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
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/10Heat-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 arranged one within the other, e.g. concentrically
    • F28D7/106Heat-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 arranged one within the other, e.g. concentrically consisting of two coaxial conduits or modules of two coaxial conduits
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28F1/00Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/10Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/105Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being corrugated elements extending around the tubular elements
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02Header boxes; End plates
    • F28F9/0234Header boxes; End plates having a second heat exchanger disposed there within, e.g. oil cooler

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger, in particular intermediate heat exchanger according to the counterflow principle, with an outer tube element with Inlet and outlet openings for a cooling medium that is at least one Inner tube element is penetrated as well as a refrigeration system with a heat exchanger.
  • Intermediate heat exchangers are used in refrigeration and air conditioning technology.
  • the cooling circuit is heated by an intermediate heat exchanger transfer liquid refrigerants to vapor refrigerants. This is supposed to Overheating of the gaseous refrigerant in front of the compressor causes and Highest possible supercooling of the liquid refrigerant in front of the expansion valve can be achieved.
  • Heat exchangers that are in the suction line between evaporators are known and compressors of a refrigeration cycle are integrated. These are mostly countercurrent executed as an additional component in the refrigeration cycle can be. Occasionally, such heat exchangers are used simultaneously used as an oil separator.
  • the intermediate heat exchanger can be from a hose or pipe be formed, the one outer tube element and at least one spaced therefrom on all sides Has inner tube element, which are flowed through in countercurrent.
  • the invention is therefore based on the object of a heat exchanger and to improve an associated refrigeration system in such a way that an increase in Performance is achieved with a compact design.
  • the invention is related to the heat exchanger by the features of Claim 1 reproduced.
  • the further claims 2 to 10 give advantageous Training and developments of the invention again.
  • the invention includes the technical teaching that the heat exchanger includes Outer tube element with inlet and outlet openings for a cooling medium, which is penetrated by at least one inner tube element, each Inner tube element has a sheathing permeable to the cooling medium, wherein the shroud substantially axially along the medium Inner tube element leads.
  • the heat exchanger is the heat exchanger intermediate heat exchangers based on the counterflow principle.
  • the invention is based on the consideration that, as in many areas the technology required for the design of heat exchangers Use the available installation space to save space. This should be made possible by a correspondingly compact design of the heat exchanger become. Also, a compact design with an increase in Efficiency can be combined.
  • the heat exchanger is for this purpose with a casing of the inner tube element equipped with a better heat transfer of the warm liquid medium guaranteed on the gaseous medium.
  • the casing carries the medium in the Essentially axially along the inner tube element. "Essentially” includes in in this connection also the constructive design of the casing, which cause completely different partly laminar, partly turbulent gas flows can. For an optimal heat transfer, the gaseous medium as a whole transported along the inner tube.
  • the outer tube element as a collector tube of an evaporator be trained for the medium. This allows the liquid refrigerant to flow through the liquid line directly through the gaseous refrigerant of the collector pipe, for example of a finned evaporator.
  • the casing has the circumference of the Inner tube element a meandering corrugated tape structure with axially extending Openings or channels.
  • a corrugated tape is suitable due to its flat geometry particularly good for a preferably axial guidance of the gaseous refrigerant along the inner tube.
  • the corrugated tape can be screwed onto a smooth pipe be wound up and soldered to it.
  • the resulting loop-like Ribs are usually staggered one behind the other.
  • the outer contour the fins can also be surrounded by an enveloping tube and be circular or in the form of a hexagon, making it extremely compact Pipe arrangements in bundles are accessible.
  • the medium can not only at the end of the sheath, but a some also to the side of the axially guided in the corrugated structure Mainstream. This allows the flow resistance to be targeted be adjusted and reduced.
  • the space between the interior and the interior can be used to direct the gaseous medium Outer tube element with profiles, shaped sheets or through closed-pore Be filled out.
  • the casing can have a flow channel to the inner tube element have axially extending ribs.
  • Axial ribs directly support that lead gaseous medium along the inner tube.
  • the casing can contain an open-pore metal foam.
  • Foams represent a particularly simple and rational constructive solution with graded foams, in which, for example, the pore size changes radially is reduced in turn, the flow resistance in the Sheathing can be adjusted by adding a certain portion of the medium laterally to the main flow guided axially in the foam.
  • the inner tube of the inner tube element can be internally ribbed.
  • the structural design of the outer tube element should, for example Use as a collector tube, several basic conditions are sufficient. So can the outer tube can be designed such that the inner tube element with sheathing individually or in a bundle, advantageously off-center and from the inlet opening of the entering cooling medium or the inlet openings removed in the outer tube element is arranged. An acentric arrangement creates on the side of the inlet openings a larger volume for the entering gaseous Medium, which reduces pressure losses.
  • the heat exchanger can do this advantageously at the output end of the outer tubular element have a streamlined connection pipe piece. This transition promotes one lossless flow in the transition to the suction line as a supply line for one in the cooling circuit arranged compressor.
  • the inner tube element and the sheathing advantageously exist made of a highly thermally conductive material. All are particularly suitable for this metallic materials and especially copper and its alloys.
  • the heat exchangers according to the invention are found in particular in refrigeration or Air conditioners their use.
  • the invention includes the technical teaching that the refrigeration system consists of one Compressor, a gas cooler, an expansion device, an evaporator with Collector tube and an intermediate heat exchanger based on the counterflow principle exists, which are flowed through in a circle by the refrigerant, the intermediate heat exchanger from an outer tube element with inlet and outlet openings for the cooling medium, which consists of at least one inner tube element is penetrated and the outer tube element the collector tube of the evaporator forms.
  • the solution according to the invention thus sees an integration of the reheater into the existing periphery of a system by adding the liquid refrigerant the liquid line directly through the gaseous refrigerant of the collector pipe of the evaporator.
  • Lamellar evaporators are particularly suitable as evaporators.
  • the heat is generated by the liquid refrigerant at a higher temperature released the gaseous refrigerant at a lower temperature. It can gaseous refrigerant from the core tubes of the evaporator in the annular gap of the Collector tube are merged. Then the refrigerant forcibly axially around an optionally centrally arranged one Liquid line to be led to open into the suction line. This structure enables particularly good heat transfer.
  • the intermediate heat exchanger is according to the Claims 1 to 10 trained.
  • Inner tube element as a hose or pipe spaced on all sides
  • Collector tube designed as a countercurrent heat exchanger with a smooth surface his.
  • Simple finned tube coils, smooth tube coils or simple straight finned tubes are suitable for use.
  • the advantages achieved by the invention are in particular that the Heat exchangers more efficient, simpler to manufacture and therefore cheaper can be realized.
  • such heat exchangers with little design effort to the overall design of refrigeration or Air conditioning systems adapted and installed in the systems.
  • By a Integration will be additional components and associated additional ones Connections saved in the refrigeration circuit. This allows the installation space to be reduced and also minimize the risk of leakage in the coolant circuit.
  • Embodiments of the invention are based on a schematic drawing explained in more detail.
  • the outer tubular element 2 is from an inner tube element 3 penetrated in the axial direction, the end elements 27 and 28, the ends of the outer tube element on the input side and output side Complete 2.
  • the casing permeable to the gaseous cooling medium in the form a corrugated tape arranged in the interior of the outer tube element 2
  • a casing tube 33 encloses the Corrugated band structure 32 to axially coolant medium along the inner tube member 3 to lead.
  • a gas-tight partition 25 is attached near the outlet opening 22 to ensure that the gas flow flows through the corrugated band structure 32.
  • the gaseous cooling medium enters via the feed pipes 23 Heat exchanger 1 and is along the outside of the jacket tube 33 to led to the inlet opening 34 of the corrugated tape structure 32.
  • the gas flows in Absorption of the heat given off by the liquid medium along the inner tube 31 and enters the suction pipe through the discharge pipe 26.
  • the Outer tube 24 shown with inlet and outlet openings is at the same time Evaporator collector tube for the medium.
  • the heat exchanger 1 according to FIG. 2 is constructed analogously to that in FIG. 1 with the special feature that at the output end of the outer tubular element 2 between the partition 25 and the discharge pipe 26 a streamlined Connection pipe piece 29 is attached.
  • the connecting pipe piece 29 ensures after Heating phase in the inner tube element 3 for a lossless flow to the Compressor.
  • FIG. 3 Another variant of the heat exchanger 1 at the output end shows Fig. 3.
  • the diagonally placed end element proves itself as a streamlined variant for the gaseous medium.
  • FIG. 4 a-c shows cross sections of different variants for Inner ear elements 3 with corrugated band structure 32.
  • the inner tube 31 of of the corrugated band structure 32 The corrugated band structure 32 becomes helically wound and soldered onto the inner tube 31. Thereby the loop-like ribs are staggered one behind the other, which makes gaseous medium at several inlet openings along the inner tube 31 can occur, but the gas flow essentially axially to the inner tube 31 to be led.
  • the Inner tube 31 wound corrugated tape structure 32 enveloped by a jacket tube 33.
  • Fig. 4 c shows a hexagonal cross section of a Inner tube element 3, with the tube bundle in particular from several covered inner tubes 31 can be arranged to save space.
  • FIG. 5 A possible arrangement of several inner tube elements 3 with corrugated tape structure 32 is shown in FIG. 5.
  • a tube bundle of three according to the in Fig. 4 a inner tube elements 3 shown.
  • the smooth ones are also clearly visible not covered pipe ends of the inner pipe 31, which in the installed state pass through the end elements of the outer tube.
  • FIGs. 6 to 8 Other embodiments of the heat exchanger for a refrigeration or Air conditioning are shown in Figs. 6 to 8.
  • the inner tube element 1 is on all sides spaced from the outer tube element 2 as a hose or pipe with a smoother Surface (Fig. 6), as a finned tube coil (Fig. 7) or as a straight finned tube (Fig. 8) trained.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher, insbesondere einen Zwischenwärmeaustauscher nach dem Gegenstromprinzip, mit einem Außenrohrelement mit Eintritts- und Austrittsöffnungen für ein Kühlmedium, das zumindest von einem Innenrohrelement durchdrungen ist. Dazu weist jedes Innenrohrelement eine für das Kühlmedium durchlässige Ummantelung auf, wobei die Ummantelung das Medium im Wesentlichen axial entlang dem Innenrohrelement führt.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Kälteanlage mit einem Kompressor, einem Gaskühler, einer Expansionseinrichtung, einem Verdampfer mit Sammlerrohr und einem Zwischenwärmeaustauscher nach dem Gegenstromprinzip, die in einem Kreis von dem Kältemittel durchflossen sind, wobei der Zwischenwärmeaustauscher aus einem Außenrohrelement mit Eintritts- und Austrittsöffnungen für das Kühlmedium besteht, das zumindest von einem Innenrohrelement durchdrungen ist und das Außenrohrelement das Sammlerrohr des Verdampfers bildet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher, insbesondere Zwischenwärmeaustauscher nach dem Gegenstromprinzip, mit einem Außenrohrelement mit Eintritts- und Austrittsöffnungen für ein Kühlmedium, das zumindest von einem Innenrohrelement durchdrungen ist sowie eine Kälteanlage mit Wärmeaustauscher.
Zwischenwärmeaustauscher werden in der Kälte- und Klimatechnik eingesetzt. Im Kältekreislauf wird mit Hilfe eines Zwischenwärmeaustauschers Wärme von flüssigen Kältemitteln auf dampfförmige Kältemittel übertragen. Damit soll eine Überhitzung des gasförmigen Kältemittels vor dem Verdichter bewirkt und eine möglichst hohe Unterkühlung des flüssigen Kältemittels vor dem Expansionsventil erreicht werden.
Vorbekannt sind Wärmeaustauscher, die in die Saugleitung zwischen Verdampfer und Verdichter eines Kältekreislaufes integriert sind. Diese sind zumeist als Gegenströmer ausgeführt, die als zusätzliches Bauteil in den Kältekreislauf eingebaut werden können. Gelegentlich werden derartige Wärmeaustauscher auch gleichzeitig als Ölabscheider eingesetzt.
Aus der Druckschrift DE 198 29 335 C2 ist eine Kälteanlage mit einem Kompressor, einem Gaskühler, einer Expansionseinrichtung und einem Verdampfer bekannt, die in einem Kältemittelkreis durchflossen sind, wobei zwischen dem Gaskühler und der Expansionseinrichtung ein erster Wärmeaustauscherstrang eines Zwischenwärmeaustauschers und zwischen dem Verdampfer und dem Kompressor ein mit dem ersten Wärmeaustauscherstrang wärmetechnisch gekoppelter zweiter Wärmeaustauscherstrang des Zwischenwärmeaustauschers vorgesehen ist. Der Zwischenwärmeaustauscher ist in einem durch Verblendungsteile gebildeten Totraum eines Anlagen-Gehäuses eingebaut.
Der Zwischenwärmeaustauscher kann dabei von einer Schlauch- oder Rohrleitung gebildet sein, die ein Außenrohrelement und mindestens ein davon allseitig beabstandetes Innenrohrelement aufweist, die im Gegenstrom durchströmt werden.
Die vorbekannten Lösungen sind ausnahmslos zusätzliche Bauteile, die üblicherweise auf einen bestehenden Verdampfer folgend im Kältemittelkreislauf angebracht sind. Dazu muss erst ein entsprechend vergrößerter Einbauraum zur Verfügung gestellt werden. Die zum Einbau benötigten Anschlüsse verursachen einen zusätzlichen Montageaufwand mit entsprechender Kostenfolge. Des Weiteren können die zusätzlich benötigten Anschlüsse auch die Leckagegefahr im Kühlmittelkreislauf erhöhen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeaustauscher sowie eine zugehörige Kälteanlage dahingehend zu verbessern, dass eine Steigerung der Leistungsfähigkeit bei kompakter Bauweise erzielt wird.
Die Erfindung wird bezüglich des Wärmeaustauschers durch die Merkmale des Anspruchs 1 wiedergegeben. Die weiteren Ansprüche 2 bis 10 geben vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass der Wärmeaustauscher ein Außenrohrelement mit Eintritts- und Austrittsöffnungen für ein Kühlmedium umfasst, das zumindest von einem Innenrohrelement durchdrungen ist, wobei jedes Innenrohrelement eine für das Kühlmedium durchlässige Ummantelung aufweist, wobei die Ummantelung das Medium im Wesentlichen axial entlang dem Innenrohrelement führt. Insbesondere handelt es sich bei dem Wärmeaustauscher um Zwischenwärmeaustauscher nach dem Gegenstromprinzip.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass es, wie in vielen Bereichen der Technik, bei der Konzeption von Wärmeaustauschern erforderlich ist, den zur Verfügung stehenden Einbauraum möglichst Platz sparend zu nutzen. Dies sollte durch eine entsprechend kompakte Bauweise des Wärmeaustauschers ermöglicht werden. Auch sollte eine kompakte Bauweise mit einer Steigerung der Leistungsfähigkeit kombinierbar sein.
Der Wärmeaustauscher ist dazu mit einer Ummantelung des Innenrohrelements ausgestattet, die einen besseren Wärmeübergang des warmen flüssigen Mediums auf das gasförmige Medium gewährleistet. Die Ummantelung führt das Medium im Wesentlichen axial entlang dem Innenrohrelement. "Im Wesentlichen" umfasst in diesem Zusammenhang auch die konstruktive Auslegung der Ummantelung, die ganz unterschiedliche teils laminare, teils turbulente Gasströmungen verursachen kann. Für einen optimalen Wärmeübergang wird das gasförmige Medium insgesamt entlang dem Innenrohr transportiert.
Von besonderem Interesse ist die Möglichkeit der Systemintegration des Wärmeaustauschers in die Peripherie bereits bestehender Anlagen. In bevorzugter Ausführungsform kann dazu das Außenrohrelement als Sammlerrohr eines Verdampfers für das Medium ausgebildet sein. Dadurch kann das flüssige Kältemittel der Flüssigkeitsleitung direkt durch das gasförmige Kältemittel des Sammlerrohres, beispielsweise eines Lamellenverdampfers, geführt werden.
In bevorzugter Ausführungsform weist die Ummantelung über den Umfang des Innenrohrelements eine mäanderförmige Wellbandstruktur mit axial verlaufenden Öffnungen oder Kanälen auf. Ein Wellband eignet sich durch seine flache Geometrie besonders gut zu einer bevorzugt axialen Führung des gasförmigen Kältemittels entlang dem Innenrohr. Das Wellband kann schraubenlinienförmig auf ein Glattrohr aufgewickelt und mit diesem weich verlötet sein. Die daraus gebildeten schlaufenartigen Rippen werden in der Regel hintereinander versetzt angeordnet. Die Außenkontur der Berippung kann auch mit einem hüllenden Rohr umgeben werden und kreisförmig oder in Form eines Sechskants ausgebildet sein, wodurch äußerst kompakte Rohranordnungen in Bündeln erreichbar sind. Ist jedoch kein Hüllrohr vorhanden, so kann das Medium nicht nur am Ende der Ummantelung, sondern ein gewisser Teil auch seitlich zur axial in der Wellbandstruktur geführten Hauptströmung hinzutreten. Hierdurch kann gezielt der Strömungswiderstand eingestellt und reduziert werden.
Zur gezielten Führung des gasförmigen Mediums kann der Raum zwischen Innenund Außenrohrelement mit Profilen, Formblechen oder durch geschlossenporiges Ausschäumen ausgefüllt sein.
Alternativ kann die Ummantelung einen Strömungskanal mit zum Innenrohrelement axial verlaufenden Rippen aufweisen. Axiale Rippen unterstützen unmittelbar, das gasförmige Medium entlang dem Innenrohr zu führen.
Alternativ kann die Ummantelung einen offenporigen Metallschaum enthalten. Derartige Schäume stellen eine besonders einfache und rationelle konstruktive Lösung dar. Mit gradierten Schäumen, bei denen beispielsweise die Porengröße radial nach außen reduziert wird, kann wiederum gezielt der Strömungswiderstand in der Ummantelung eingestellt werden, indem ein gewisser Anteil des Mediums seitlich zur axial im Schaum geführten Hauptströmung hinzutritt.
Auch ein verbesserter Wärmeübergang des im Innenrohr strömenden flüssigen Mediums auf das Rohr trägt zur Effizienz eines Wärmeaustauschers bei. Vorteilhafterweise kann dazu das Innenrohr des Innenrohrelements innenberippt sein.
Die konstruktive Auslegung des Außenrohrelementes sollte, beispielsweise beim Einsatz als Sammlerrohr, gleich mehreren Rahmenbedingungen genügen. So kann das Außenrohr derart ausgeführt sein, dass das Innenrohrelement mit Ummantelung einzeln oder im Bündel, vorteilhafterweise außermittig und von der Eintrittsöffnung des eintretenden Kühlmediums oder den Eintrittsöffnungen entfernt im Außenrohrelement angeordnet ist. Durch eine azentrische Anordnung entsteht auf der Seite der Eintrittsöffnungen ein größeres Volumen für das eintretende gasförmige Medium, wodurch Druckverluste reduziert werden.
Generell sind unnötige Druckverluste zu vermeiden. Dazu kann der Wärmeaustauscher vorteilhafterweise am ausgangsseitigen Ende des Außenrohrelements ein strömungsgünstiges Anschlussrohrstück aufweisen. Dieser Übergang fördert eine verlustfreie Strömung im Übergang zur Saugleitung als Zuleitung für einen im Kühlkreislauf angeordneten Verdichter.
Außer der konstruktiven Anordnung, spielt auch das eingesetzte Material eine wesentliche Rolle. Vorteilhafterweise besteht das Innenrohrelement und die Ummantelung aus einem gut wärmeleitfähigen Material. Besonders geeignet hierfür sind alle metallischen Werkstoffe und insbesondere Kupfer und dessen Legierungen.
Die erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher finden insbesondere in Kälte- oder Klimaanlagen ihre Verwendung.
Des Weiteren wird die Erfindung bezüglich einer Kälteanlage durch die Merkmale des Anspruchs 11 wiedergegeben. Die weiteren abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die Kälteanlage aus einem Kompressor, einem Gaskühler, einer Expansionseinrichtung, einem Verdampfer mit Sammlerrohr und einem Zwischenwärmeaustauscher nach dem Gegenstromprinzip besteht, die in einem Kreis von dem Kältemittel durchflossen sind, wobei der Zwischenwärmeaustauscher aus einem Außenrohrelement mit Eintritts- und Austrittsöffnungen für das Kühlmedium besteht, das zumindest von einem Innenrohrelement durchdrungen ist und das Außenrohrelement das Sammlerrohr des Verdampfers bildet.
Die erfindungsgemäße Lösung sieht somit eine Integration des Zwischenüberhitzers in die bereits bestehende Peripherie einer Anlage vor, indem das flüssige Kältemittel der Flüssigkeitsleitung direkt durch das gasförmige Kältemittel des Sammlerrohrs des Verdampfers geführt ist. Als Verdampfer eigenen sich insbesondere Lamellenverdampfer. Die Wärme wird dabei vom flüssigen Kältemittel höherer Temperatur an das gasförmige Kältemittel mit niedrigerer Temperatur abgegeben. Dabei kann das gasförmige Kältemittel aus den Kernrohren des Verdampfers im Ringspalt des Sammlerrohres zusammengeführt werden. Anschließend kann das Kältemittel zwangsweise axial um eine gegebenenfalls zentrisch angeordnete Flüssigkeitsleitung geführt sein, um in die Saugleitung zu münden. Dieser Aufbau ermöglicht eine besonders gute Wärmeübertragung.
In bevorzugter Ausführungsform ist der Zwischenwärmeaustauscher gemäß den Ansprüchen 1 bis 10 ausgebildet.
Für besonders einfache konstruktive Auslegungen kann vorteilhafterweise das Innenrohrelement als Schlauch- oder Rohrleitung allseitig beabstandet vom Sammlerrohr als Gegenstrom-Wärmeaustauscher mit glatter Oberfläche ausgebildet sein. Auch können sich einfache Rippenrohrwendeln, Glattrohrwendeln oder einfache gerade Rippenrohre für einen Einsatz eignen.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass der Wärmeaustauscher leistungsfähiger, fertigungstechnisch einfacher und somit preisgünstiger realisiert werden kann. Insbesondere können derartige Wärmeaustauscher mit geringem konstruktivem Aufwand an die Gesamtkonzeption von Kälte- bzw. Klimaanlagen angepasst und in die Anlagen eingebaut werden. Durch eine Integration werden zusätzliche Bauteile und damit verbundene zusätzliche Anschlüsse im Kältekreislauf eingespart. Damit lässt sich der Einbauraum verringern und zudem die Leckagegefahr im Kühlmittelkreislauf minimieren. Durch eine stufenlose Variation der eingebauten Übertragungsfläche lässt sich damit die Effizienz des Wärmeaustauschers an die Leistung des Gesamtsystems exakt anpassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert.
Darin zeigen:
  • Fig. 1 einen Wärmeaustauscher mit ummanteltem Innenrohrelement,
  • Fig. 2 einen Wärmeaustauscher mit strömungsgünstigem Anschlussrohrstück,
  • Fig. 3 einen an die Peripherie angepassten Wärmeaustauscher,
  • Fig. 4 a-c einen Querschnitt von Innenrohrelementen mit Wellbandstruktur,
  • Fig. 5 ein Innenrohrelement mit Wellbandstruktur im Rohrbündel,
  • Fig. 6 ein Wärmeaustauscher mit Schlauch- oder Rohrleitung als Innenrohrelement,
  • Fig. 7 ein Wärmeaustauscher mit Glattrohrwendel als Innenrohrelement, und
  • Fig. 8 ein Wärmeaustauscher mit geradem Rippenrohr als Innenrohrelement.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
    Der Wärmeaustauscher 1 gemäß Fig. 1 besteht aus einem Außenrohrelement 2 mit Eintrittsöffnungen 21 und einer Austrittsöffnung 22. Das Außenrohrelement 2 ist von einem Innenrohrelement 3 in axialer Richtung durchdrungen, wobei die Abschlusselemente 27 und 28 eingangsseitig und ausgangsseitig die Enden des Außenrohrelements 2 abschließen. Im Innenraum des Außenrohrelements 2 ist um das Innenrohr 31 die für das gasförmige Kühlmedium durchlässige Ummantelung in Form eines Wellbandes angeordnet. Ein Mantelrohr 33 umschließt dabei die Wellbandstruktur 32, um das Kühlmedium axial entlang dem Innenrohrelement 3 zu führen. Nahe der Austrittsöffnung 22 ist eine gasdichte Trennwand 25 angebracht um zu gewährleisten, dass der Gasstrom durch die Wellbandstruktur 32 strömt. Auf diese Weise tritt über die Zuleitungsrohre 23 das gasförmige Kühlmedium in den Wärmeaustauscher 1 ein und wird entlang der Außenseite des Mantelrohres 33 bis zur Eintrittsöffnung 34 der Wellbandstruktur 32 geführt. Das Gas strömt unter Aufnahme der vom flüssigen Medium abgegebenen Wärme entlang dem Innenrohr 31 hindurch und tritt durch das Ableitungsrohr 26 in die Saugleitung ein. Das dargestellte Außenrohr 24 mit Eintritts- und Austrittsöffnungen ist zugleich das Sammlerrohr des Verdampfers für das Medium.
    Der Wärmeaustauscher 1 gemäß Fig. 2 ist analog zu dem in Fig. 1 aufgebaut, mit der Besonderheit, dass am ausgangsseitigen Ende des Außenrohrelements 2 zwischen der Trennwand 25 und dem Ableitungsrohr 26 ein strömungsgünstiges Anschlussrohrstück 29 angebracht ist. Das Anschlussrohrstück 29 sorgt nach der Erwärmungsphase im Innenrohrelement 3 für eine verlustfreie Strömung zum Verdichter.
    Eine weitere Variante des Wärmeaustauschers 1 am ausgangsseitigen Ende zeigt Fig. 3. Das Abschlusselement 28, der ausgangsseitig das Außenrohr abschließt, ist schräg aufgesetzt, so dass ein geknicktes Innenrohr 31 besonders platzsparend angeordnet werden kann. Zudem erweist sich das schräg aufgesetzte Abschlusselement als strömungsgünstige Variante für das gasförmige Medium.
    Die Fig. 4 a-c zeigt Querschnitte von unterschiedlichen Varianten für Innerohrelemente 3 mit Wellbandstruktur 32. In Fig. 4 a wird das Innenrohr 31 von der Wellbandstruktur 32 umhüllt. Die Wellbandstruktur 32 wird schraubenlinienförmig auf das Innenrohr 31 aufgewickelt und verlötet. Dadurch sind die schlaufenartigen Rippen hintereinander versetzt angeordnet, wodurch das gasförmige Medium an mehreren Eintrittsöffnungen entlang dem Innenrohr 31 eintreten kann, jedoch die Gasströmung im Wesentlichen axial zum Innenrohr 31 geführt wird. Bei dem in Fig. 4 b dargestellten Innenrohrelement 3 wird die auf das Innenrohr 31 aufgewickelte Wellbandstruktur 32 von einem Mantelrohr 33 umhüllt. Auf diese Weise wird der seitliche Eintritt des gasförmigen Kühlmediums verhindert, so dass nur an einem Ende der Wellbandstruktur 32 eine eintrittsseitige Öffnung für die Gasströmung gebildet ist. Fig. 4 c zeigt einen sechseckigen Querschnitt eines Innenrohrelements 3, mit dem insbesondere Rohrbündel aus mehreren ummantelten Innenrohren 31 platzsparend angeordnet werden können.
    Eine mögliche Anordnung von mehreren Innenrohrelementen 3 mit Wellbandstruktur 32 ist in Fig. 5 dargestellt. Es wird ein Rohrbündel aus drei, gemäß den in Fig. 4 a dargestellten Innenrohrelementen 3 gebildet. Deutlich zu sehen sind auch die glatten nicht ummantelten Rohrenden des Innenrohres 31, die im eingebauten Zustand durch die Abschlusselemente des Außenrohres hindurchtreten.
    Weitere Ausführungsformen des Wärmeaustauschers für eine Kälte- oder Klimaanlage sind den Fig. 6 bis 8 zu entnehmen. Das Innenrohrelement 1 ist allseitig beabstandet vom Außenrohrelement 2 als Schlauch- oder Rohrleitung mit glatter Oberfläche (Fig. 6), als Rippenrohrwendel (Fig. 7) oder als gerades Rippenrohr (Fig. 8) ausgebildet.
    Bezugszeichenliste
    1
    Wärmeaustauscher
    2
    Außenrohrelement
    3
    Innenrohrelement
    21
    Eintrittsöffnungen
    22
    Austrittsöffnung
    23
    Zuleitungsrohre
    24
    Außenrohr mit Eintritts- und Austrittsöffnungen
    25
    Trennwand
    26
    Ableitungsrohr
    27
    eingangsseitiges Abschlusselement
    28
    ausgangsseitiges Abschlusselement
    29
    strömungsgünstiges Anschlussrohrstück
    31
    Innenrohr
    32
    Wellbandstruktur
    33
    Mantelrohr
    34
    Eintrittsöffnung der Wellbandstruktur

    Claims (13)

    1. Wärmeaustauscher (1), insbesondere Zwischenwärmeaustauscher nach dem Gegenstromprinzip, mit einem Außenrohrelement (2) mit Eintritts- und Austrittsöffnungen (21, 22) für ein Kühlmedium, das zumindest von einem Innenrohrelement (3) durchdrungen ist, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Innenrohrelement eine für das Kühlmedium durchlässige Ummantelung (32, 33) aufweist, wobei die Ummantelung das Medium im Wesentlichen axial entlang dem Innenrohrelement führt.
    2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenrohrelement als Sammlerrohr eines Verdampfers für das Medium ausgebildet ist.
    3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung über den Umfang des Innenrohrelements eine mäanderförmige Wellbandstruktur mit axial verlaufenden Öffnungen oder Kanälen aufweist.
    4. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung einen Strömungskanal mit zum Innenrohrelement axial verlaufenden Rippen aufweist.
    5. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung einen offenporigen Metallschaum enthält.
    6. Wärmeaustauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr (31) des Innenrohrelements innenberippt ist.
    7. Wärmeaustauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohrelement mit Ummantelung außermittig und von der Eintrittsöffnung oder den Eintrittsöffnungen entfernt im Außenrohrelement angeordnet ist.
    8. Wärmeaustauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass am ausgangsseitigen Ende des Außenrohrelements ein strömungsgünstiges Anschlussrohrstück (29) angeordnet ist.
    9. Wärmeaustauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohrelement und die Ummantelung aus einem gut wärmeleitfähigen Material besteht.
    10. Verwendung des Wärmeaustauschers nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 9 in einer Kälte- oder Klimaanlage.
    11. Kälteanlage mit einem Kompressor, einem Gaskühler, einer Expansionseinrichtung, einem Verdampfer mit Sammlerrohr und einem Zwischenwärmeaustauscher nach dem Gegenstromprinzip, die in einem Kreis von dem Kältemittel durchflossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenwärmeaustauscher aus einem Außenrohrelement (2) mit Eintritts- und Austrittsöffnungen (21, 22) für das Kühlmedium besteht, das zumindest von einem Innenrohrelement (3) durchdrungen ist und das Außenrohrelement (2) das Sammlerrohr des Verdampfers bildet.
    12. Kälteanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenwärmeaustauscher gemäß den Ansprüchen 1 bis 10 ausgebildet ist.
    13. Kälteanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohrelement (3) allseitig beabstandet vom Außenrohrelement (2) als Schlauch- oder Rohrleitung mit glatter Oberfläche, als Rippenrohrwendel, Glattrohrwendel oder als gerades Rippenrohr ausgebildet ist.
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