EP2192368A2

EP2192368A2 - Wärmetauscher

Info

Publication number: EP2192368A2
Application number: EP20090177527
Authority: EP
Inventors: Dirk Drews; Frank Schubert
Original assignee: SolarHybrid AG
Current assignee: SolarHybrid AG
Priority date: 2008-11-30
Filing date: 2009-11-30
Publication date: 2010-06-02
Also published as: DE102008059543A1

Abstract

Wärmetauscher zum Austausch von Wärme zwischen einem ersten und einem zweiten Wärmeträgermedium, mit einem von dem ersten Wärmeträgermedium durchströmbaren Strömungskanal (4) und einem von dem zweiten Wärmeträgermedium durchströmbaren Wärmetauscherrohr (5), das innerhalb des Strömungskanals (4) von dem ersten Wärmeträgermedium überströmbar angeordnet ist, wobei Mittel (10, 11, 12) zur Unterstützung einer turbulenten Strömung des ersten Wärmeträgermediums zwischen dem Wärmetauscherrohr (5) und einer Kanalwand (7,8) des Strömungskanals (4) vorgesehen sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zum Austausch von Wärme zwischen einem ersten und einem zweiten Wärmeträgermedium, mit einem von dem ersten Wärmeträgermedium durchströmbaren Strömungskanal und einem von dem zweiten Wärmeträgermedium durchströmbaren Wärmetauscherrohr, das innerhalb des Strömungskanals von dem ersten Wärmeträgermedium überströmbar angeordnet ist.
Wärmetauscher mit in einem Strömungskanal geführten Wärmetauscherrohren, etwa Koaxial- oder Rohrbündeltauscher, dienen in Wärmeversorgungssystemen zur Übertragung von Wärmeenergie zwischen zwei Wärmeträgermedien, beispielsweise zwischen zwei Wasserkreisläufen, zwischen einem Dampfkreislauf und einem Warmwasserkreislauf oder zwischen einem Kältemittelkreislauf und einem Warmwasserkreislauf.
Hierzu wird eines der beiden Wärmeträgermedien in einem Strömungskanal geführt und das zweite Wärmeträgermedium zumeist gegenläufig in einem Wärmetauscherrohr innerhalb des Strömungskanals des ersten Wärmeträgermediums geführt. Über die Mantelfläche des Wärmetauscherrohres findet ein Wärmeaustausch zwischen den beiden Wärmeträgermedien statt.
Bei solchen Wärmetauschern hat sich als nachteilig erwiesen, dass sich im Bereich des äußeren Mantels des Wärmetauscherrohrs um dieses herum laminare Grenzschichten des das Wärmetauscherrohr umströmenden ersten Wärmeträgermediums ausbilden, welche den Wärmeübergang von dem ersten Wärmeträgermedium auf das Wärmetauscherrohr beeinträchtigen.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wärmetauscher anzugeben, bei welchem der Wärmeübergang von dem ersten Wärmeträgermedium auf das Wärmetauscherrohr und damit der Wärmeübergang von dem ersten Wärmeträgermedium auf das zweite Wärmeträgermedium verbessert ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Wärmetauscher der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass Mittel zur Unterstützung einer turbulenten Strömung des ersten Wärmeträgermediums zwischen dem Wärmetauscherrohr und einer Kanalwand des Strömungskanals vorgesehen sind.
Durch die Mittel zur Unterstützung turbulenter Strömungen werden Verwirbelungen des ersten Wärmeträgermediums zwischen dem Wärmetauscherrohr und der Kanalwand des Strömungskanals gezielt unterstützt. Aufgrund dieser Wirbeleffekte werden die laminaren Grenzschichten an dem Mantel des Wärmetauscherrohres abgelöst, wodurch sich ein besserer Wärmeübergang von dem ersten Wärmeträgerfluid auf das Wärmetauscherrohr ergibt. Hinzu kommt, dass das erste Wärmeträgermedium aufgrund von Adhäsionskräften dazu neigt, sich laminar an den Mantel des Wärmetauscherrohres anzulegen, wodurch das erste Wärmeträgerfluid auch in dessen Strömungsrichtung abgewandte Bereiche des Wärmetauscherrohres gelenkt wird, so dass weite Teile des Umfangs des Wärmetauscherrohres zur Wärmeübertragung beitragen.
In vorteilhafter Ausgestaltung des Erfindungsgedankens wird vorgeschlagen, dass die Unterstützungsmittel Engstellen im durchströmbaren Querschnitt des Strömungskanals bilden. Im Bereich der Engstellen kommt es zu einer Änderung der Strömungsgeschwindigkeit des ersten Wärmeträgermediums. Beim Durchströmen der Engstelle wird das Wärmeträgermedium stromschnellenartig beschleunigt und anschließend nach Passieren der Engstelle verzögert, wodurch sich innerhalb der Strömung des ersten Wärmeträgerfluids Impulse bilden, die sich wellenförmig fortsetzen und der Ausbildung laminarer Schichten am Mantel des Wärmetauscherrohres entgegenwirken.
In weiterer Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die Unterstützungsmittel durch eine Strukturgebung des Mantels des Wärmetauscherrohres gebildet werden. Hierdurch ergibt sich eine montagefreundliche Ausgestaltung des Wärmetauschers, bei welcher die Unterstützungsmittel einstückig am Mantel des Wärmetauscherrohres vorgesehen sind. Es ist nicht erforderlich, in dem Bereich zwischen dem Mantel des Wärmetauscherrohres und einer Kanalwand des Strömungskanals separate Elemente anzuordnen.
Weiter wird vorgeschlagen, dass das Wärmetauscherrohr ein Wellrohr ist, dessen Wellen die Unterstützungsmittel bilden. Wellrohre sind gekennzeichnet durch eine sowohl innen- als auch außenwellige Kontur des Rohrkörpers, wobei die Außenwellen eine Unterstützung zur Ausbildung turbulenter Außenströmungen des ersten Wärmeträgermediums im Bereich zwischen dem Wärmetauscherrohr und einer Wand des Strömungskanals bilden. Durch die Innenwellen wird eine turbulente Strömung des zweiten Wärmeträgermediums erreicht, so dass sich auch an der Innenfläche des Wärmetauscherrohres keine den Wärmeübergang beeinflussenden, laminaren Grenzschichten bilden. Eine solche Ausgestaltung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das erste und das zweite Wärmeträgermedium flüssig sind. Bei der Erwärmung von Brauchwarmwasser als zweitem Wärmeträgermedium sind insbesondere Edelstahlwellrohre aufgrund der hygienisch vorteilhaften Eigenschaften von Edelstahl im Brauchwasserbereich von Vorteil.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass das Wärmetauscherrohr ein Rippenrohr ist, dessen Rippen die Unterstützungsmittel bilden. Ähnlich den Außenwellen eines Wellrohres unterstützen die Rippen die Bildung einer turbulenten Außenströmung des ersten Wärmeträgermediums. Im Gegensatz zu einem Wellrohr ist die Innenfläche herkömmlicher Rippenrohre jedoch eben, so dass an der Innenseite des Wellrohres keine Unterstützungsmittel zur Bildung turbulenter Innenströmungen vorgesehen sind. Diese Ausgestaltung bietet sich insbesondere dann an, wenn im Wärmetauscherrohr ein dampfförmiges Wärmeträgermedium geführt wird, wie dies beispielsweise bei Kältemittelkreisläufen der Fall ist.
Weiter wird vorgeschlagen, dass die Unterstützungsmittel derart an einer der beiden Kanalwände anliegen, dass sich Durchlassöffnungen bilden. Die Durchlassöffnungen bilden Engstellen des Strömungsquerschnitts des ersten Wärmeträgerfluids, wodurch sich düsenartige Engstellen mit den damit verbundenen, laminare Grenzschichten lösenden Geschwindigkeitsdifferenzen ergeben.
Alternativ wird vorgeschlagen, dass die Unterstützungsmittel von Strömungshindernissen gebildet werden. Die Strömungshindernisse können im Bereich zwischen dem Wärmetauscherrohr und einer Kanalwand des Strömungskanals zur Reduzierung des Strömungsquerschnitts angeordnet werden. Auch hierdurch ergeben sich Engstellen im Strömungsweg des ersten Wärmeträgermediums, die die Bildung von Turbulenzen fördern und laminare Schichten lösen.
In diesem Zusammenhang wird weiter vorgeschlagen, dass die Strömungshindernisse Teil eines Drahtnetzes sind, welches im Bereich zwischen dem Wärmetauscherrohr und einer Kanalwand des Strömungskanals angeordnet ist. An den Maschen des Drahtnetzes wird die Strömung des ersten Wärmeträgerfluids aufgrund der Querschnittsreduzierung beschleunigt und umgelenkt, wodurch sich laminare Grenzschichten an dem Mantel des Wärmetauscherrohres vermeiden lassen.
In konstruktiv vorteilhafter Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass der Strömungskanal ringzylindrisch ausgebildet ist, wobei eine innere Kanalwand von einem Innenrohr und eine äußere Kanalwand von einem Außenrohr gebildet wird. Es ergibt sich eine Art Doppelrohrwärmetauscher, dessen ringzylindrischer Kanal als Strömungskanal für das erste Wärmeträgermedium genutzt wird.
Für einen effizienten Austausch von Wärme wird weiter vorgeschlagen, dass das Wärmetauscherrohr wendelförmig um das Innenrohr herum durch den Strömungskanal verläuft, wodurch sich lange Strömungswege des zweiten Wärmeträgermediums innerhalb des Wärmetauscherrohres und die damit verbundene, effiziente Wärmeübertragung von dem einen auf das andere Wärmeträgermedium ergibt.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass das Innenrohr aus einem steifen Material besteht, so dass das biegsame Wärmetauscherrohr wendelförmig um das Innenrohr herum gewickelt werden kann.
In Ausgestaltung der Erfindung wird weiter vorgeschlagen, dass das Außenrohr aus einem biegsamen Material, insbesondere aus Folienmaterial geeigneter Dicke, besteht. Nach dem Umwickeln des Innenrohres mit dem Wärmetauscherrohr, kann das biegsame Material des Außenrohres dicht an die radial außen liegenden Unterstützungsmittel gelegt und anschließend beispielsweise über Spanngurte verzurrt werden, so dass sich eine enge Anlage der Unterstützungsmittel an den beiden Kanalwänden des Strömungskanals ergibt. In alternativer Ausgestaltung kann das Außenrohr aus einem Rohr, beispielsweise Kunststoffrohr gebildet sein, welches im Vorfeld der Montage längsseitig in zwei Hälften geteilt, die Hälften um das Wärmetauscherrohr herum positioniert und anschließend mittels geeigneter Verfahren miteinander verbunden werden, beispielsweise durch Verschweißen. In diesem Zusammenhang ist es ebenfalls möglich, das Rohr einseitig zu schlitzen, etwas aufzubiegen und dabei über das Wärmetauscherrohr zu stülpen und anschließend die Schlitzung z.B. durch Verschweißen zu verbinden.
In weiterer Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass der Strömungskanal und das Wärmetauscherrohr in einem gemeinsamen Druckraum angeordnet sind, was eine in konstruktiver Hinsicht günstige Führung der beiden Ströme von Wärmeübertragungsmedien erlaubt.
Von montagetechnischem Vorteil ist ferner eine Ausgestaltung, bei welcher das Innenrohr, das Außenrohr und das Wärmetauscherrohr eine Baueinheit bilden, die in den Druckraum einsetzbar ist. Die Baueinheit aus Innenrohr, Außenrohr und Wärmetauscherrohr sowie die zugehörigen Einlass- und Auslassanschlüsse für die Wärmeträgermedien können in einem ersten Schritt vormontiert und anschließend in baulicher Einheit in den Druckraum eingesetzt werden, wodurch sich eine einfache Montage ergibt.
Schließlich wird vorgeschlagen, dass das Außenrohr über ein Dichtelement gegenüber einer Innenfläche des Druckraums abgedichtet und das Innenrohr über eine unterhalb eines Einlasses für das erste Wärmeträgermedium angeordnete Wand geschlossen ist. Hierdurch werden ungewollte Strömungswege blockiert. Zum einen wird eine Strömung zwischen dem Außenrohr und der Innenfläche des Druckraums vermieden. Zum anderen wird vermieden, dass sich innerhalb des Innenrohres eine durchgehende Strömung ausbildet.
Weitere Einzelheiten und Vorteile des erfindungsgemäßen Wärmetauschers werden nachfolgend unter Zuhilfenahme der beigefügten Zeichnungen von Ausführungsbeispielen erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1: eine perspektivische Ansicht eines Wärmetauschers,
Fig. 2: eine seitliche Ansicht des Wärmetauschers aus Fig. 1,
Fig. 3: eine seitliche Ansicht des Wärmetauschers aus Fig. 1 unter Weglassung einiger Bauteile zur Veranschaulichung des inneren Aufbaus,
Fig. 4: eine seitliche Ansicht des Wärmetauschers aus Fig. 1 unter Weglassung einiger Bauteile zur Veranschaulichung des inneren Aufbaus,
Fig. 5: eine seitliche Ansicht eines Wärmetauschers,
Fig. 6: eine Schnittdarstellung des Wärmetauschers aus Fig. 5 gemäß der in Fig. 5 mit VI-VI bezeichneten Schnittebene,
Fig. 7: eine vergrößerte Detaildarstellung gemäß der in Fig. 6 mit VII bezeichneten Einzelheit,
Fig. 8 bis 11: verschiedene Ansichten eines Wärmetauscherrohrabschnitts gemäß einer ersten Ausführung,
Fig. 12 bis 15: verschiedene Ansichten eines Wärmetauscherrohrabschnitts gemäß einer zweiten Ausführung,
Fig. 16: eine schematische Draufsicht auf einen Wärmetauscher,
Fig. 17: eine vergrößerte Detaildarstellung gemäß der in Fig. 16 mit XVII bezeichneten Einzelheit,
Fig. 18: eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Strömungsverhältnisse,
Fig. 19: eine weitere Ausführung eines Wärmetauschers in perspektivischer Ansicht mit einigen Herausschnitten zur Veranschaulichung des inneren Aufbaus,
Fig. 20: eine Schnittdarstellung des Wärmetauschers gemäß Fig. 19,
Fig. 21: eine vergrößerte Detailansicht gemäß der in Fig. 20 mit XXI bezeichneten Einzelheit,
Fig. 22: eine schematisierte Draufsicht auf den Wärmetauscher gemäß Fig. 19 und
Fig. 23: eine vergrößerte Detailansicht gemäß der in Fig. 22 mit XXIII bezeichneten Einzelheit.

Die Figuren 1 bis 7 zeigen verschiedene Ansichten eines Wärmetauschers 1, anhand welcher nachfolgend zunächst der Aufbau des Wärmetauschers 1 und die strömungstechnischen Gegebenheiten im Inneren des Wärmetauschers 1 erläutert werden.
Der Wärmetauscher 1 setzt sich zusammen aus einer innen liegenden Baueinheit 40, die innerhalb eines nach außen abgedichteten Druckraums 20 angeordnet ist. Der Druckraum 20 ist von insgesamt zylindrischer Geometrie und wird gebildet von einem Druckzylinder 21, der stirnseitig über Flanschplatten 22 geschlossen ist. Bei der Montage des Wärmetauschers 1 wird zunächst die Baueinheit 40 vormontiert und anschließend in den Druckzylinder 21 eingeschoben, der bereits mit einer der beiden Flanschplatten 22 verbunden sein kann. Anschließend wird die zweite Flanschplatte 22 mit dem Druckzylinder 22 verbunden, wodurch der Druckraum 20 nach außen hin abgedichtet wird.
An der Baueinheit 40 sind vier Anschlüsse 23, 24, 25, 26 vorgesehen, die als Ein- bzw. Auslässe des ersten bzw. zweiten Wärmeträgermediums dienen, vgl. insbesondere die Figuren 1 und 5.
Das erste Wärmeträgermedium durchströmt einen in den Ausführungsbeispielen ringzylindrischen bzw. rohrspaltförmigen Strömungskanal 4, der von einem aus einem Innenrohr 2 und einem konzentrischen Außenrohr 3 gebildeten Doppelrohr gebildet wird, deren innere bzw. äußere Mantelflächen die Kanalwände 7, 8 des Strömungskanals 4 bilden, vgl. insbesondere die Figuren 6 und 7. Innerhalb dieses ringzylindrischen Raums strömt das erste Wärmeträgermedium gemäß der Darstellung in Figur 6 von oben nach unten, wobei es das sich in dem Strömungskanal 4 wendelförmig um das Innenrohr 2 herum erstreckende Wärmetauscherrohr 5 überströmt. In Inneren 6 des Wärmetauscherrohrs 5 strömt das zweite Wärmeträgermedium entgegen der Strömungsrichtung des ersten Wärmeträgermediums von unten nach oben.
Da sich die beiden Wärmeträgermedien auf unterschiedlichen Temperaturniveaus befinden, findet innerhalb des Wärmetauschers 1 ein Austausch von Wärme von dem einen auf das andere Wärmeträgermedium statt, so dass das eine Wärmeträgermedium den Wärmetauscher 1 abgekühlt und das andere Wärmeträgermedium den Wärmetauscher 1 erwärmt verlässt. Die Übertragung der Wärme erfolgt stets über das Wärmetauscherrohr 5, kann jedoch in zwei Richtungen erfolgen. Wie nachfolgend im Einzelnen erläutert werden wird, kann das zweite, in dem Wärmetauscherrohr 5 geführte Wärmeträgermedium, beispielsweise Brauchwarmwasser, über das erste, in dem Strömungskanal 4 geführte Wärmeträgermedium erwärmt werden. Dabei unterstützen die sich aufgrund der Temperaturänderungen einstellenden Dichteänderungen der Wärmeträgermedien die Strömungen innerhalb des Wärmetauschers. Das im unteren Bereich kalt in das Wärmetauscherrohr 5 eintretende zweite Wärmeträgermedium wird über das erste Wärmeträgermedium erwärmt, wodurch sich dessen Dichte reduziert, es also leichter wird, und innerhalb des Wärmetauscherrohres nach oben steigt. Anders verhält es sich mit dem ersten Wärmeträgermedium. Dies tritt mit höherer Temperatur oben in den Wärmetauscher ein. Durch die Abkühlung erhöht sich die Dichte des ersten Wärmeträgermediums, so dass die Strömung des sich abkühlenden ersten Wärmeträgermediums nach unten aufgrund der Schwerkraftverhältnisse innerhalb des Strömungskanals 4 ebenfalls unterstützt wird. Es ergibt sich eine natürliche Unterstützung der Strömungen durch die sich ändernden Dichteverhältnisse.
Die Übertragung der Wärme kann jedoch auch in umgekehrter Richtung von dem in dem Wärmetauscherrohr 5 geführten Wärmeträgermedium auf das in dem Strömungskanal 4 geführte, erste Medium übertragen werden, etwa dann, wenn der Wärmetauscher als Kondensator in Wärmepumpen verwendet wird. Um die Strömungen im Wärmetauscher durch die sich ändernden Dichteverhältnisse zu unterstützen, ist es vorteilhaft, wenn bei einer solchen Ausgestaltung die Strömungsrichtungen umgekehrt zu der vorstehend beschriebenen Brauchwassererwärmung verlaufen, d.h. das erste Wärmeträgermedium in dem Strömungskanal 4 nach oben und das zweite Wärmeträgermedium in dem Wärmetauscherohr 5 nach unten strömt.
Das erste, höher temperierte Wärmeträgermedium, bei dem es sich beispielsweise um Heizungswasser aus einem Pufferspeicher handeln kann, tritt bei der Ausführung gemäß Fig. 6 über den Einlass 23 in den Innenbereich des Innenrohres 2 ein. Dort trifft das erste Wärmeträgermedium auf eine den weiteren Strömungsweg verschließende Wand 28, was zu einer Richtungsumkehr der Strömung des ersten Wärmeträgerfluids führt, vgl. insbesondere Figuren 6 und 7. Nach Art eines Überlaufs tritt das erste Wärmeträgermedium im oberen Bereich in den ringzylindrischen Strömungskanal 4 ein und verlässt nach Überströmen des wendelförmigen Wärmetauscherrohres 5 den Wärmetauscher 1 abgekühlt über den Auslass 24. Gegenströmig zur Strömungsrichtung des ersten Wärmeträgermediums tritt über den Einlass 25 das weniger hoch temperierte zweite Wärmeträgermedium in das Wärmetauscherrohr 5 ein, bei dem es sich beispielsweise um Wasser eines Brauchwarmwasserversorgungssystems handeln kann. Das zweite Wärmeträgermedium steigt in dem Wärmetauscherrohr 5 wendelförmig in dem Strömungskanal 4 nach oben und tritt erwärmt über den Auslass 26 aus dem Wärmetauscher aus. Zur Vermeidung von Leckage- bzw. Bypass-Strömungen ist zwischen dem Außenrohr 3 und einer Innenwand 29 des Druckzylinders 21 ein Dichtelement 27 vorgesehen.
Wie die vergrößerte Detaildarstellung in Fig. 7 erahnen lässt, in welcher ebenso wie in den Figuren 1 bis 6 die erfindungsgemäßen Unterstützungsmittel 10, 11, 12 zur Veranschaulichung nicht eingezeichnet sind, können sich im Mantelbereich des Wärmetauscherrohres 5 laminare Grenzschichten des ersten Wärmeträgermediums bilden, die die Oberfläche des Wärmetauscherrohres 5 ähnlich einem Ölfilm umgeben und den Wärmeübergang von dem ersten Wärmeträgermedium auf das in dem Wärmetauscherrohr 5 strömende zweite Wärmeträgermedium beeinträchtigen. Auch können sich beim Durchströmen des Strömungskanals 4 Staupunkte des ersten Wärmeträgermediums im Bereich zwischen den Wendeln des Wärmetauscherrohres 5 bilden, wodurch der Wärmeübergang ebenfalls beeinträchtigt wird.
Zur Verbesserung des Wärmeübergangs sind erfindungsgemäß Unterstützungsmittel 10, 11, 12 zur Unterstützung bzw. Ausbildung turbulenter Strömungen zwischen dem Wärmetauscherrohr 5 und den Kanalwänden 7, 8 des ringzylindrischen Strömungskanals 4 vorgesehen, die einstückig am Mantel des Wärmetauscherrohres 5 und oder als separate Bauelemente ausgebildet sind, was nachfolgend anhand der Figuren 8 bis 26 im Einzelnen erläutert werden wird.
In den Figuren 8 bis 11 ist ein Abschnitt eines Wärmetauscherrohrs 5 gemäß einer ersten Ausführung des Wärmetauschers 1 dargestellt. Das Wärmetauscherrohr 5 ist als Wellrohr, beispielsweise als trinkwasserzugelassenes Edelstahl-Wellrohr, ausgebildet. Die Wellen des Wellrohres bilden die Mittel 10 zur Unterstützung turbulenter Strömungen, was nachfolgend unter Zuhilfenahme der Figuren 16 bis 18 erläutert werden wird.
In Fig. 16 ist eine Draufsicht auf den Wärmetauscher 1 und insbesondere das wendelförmig durch den ringzylindrischen Strömungskanal 4 zwischen dem Innenrohr 2 und dem Außenrohr 3 hindurch verlaufende Wärmetauscherrohr 5 gezeigt. Das Wärmetauscherrohr 5 wird von einem Wellrohr gemäß den Darstellungen in den Figuren 8 bis 11 gebildet und weist gemäß den Darstellungen in den Figuren 8 bis 11 eine wellige Außenkontur auf, deren Wellen 10 Mittel zur Unterstützung einer turbulenten Strömung bilden. Im Bereich der Kanalwände 7 und 8 des Strömungskanals 4 liegen die Wellenberge der Wellen 10 an dem Innenrohr 2 und dem Außenrohr 3 an. Hierdurch ergeben sich in den Wellentälern Durchlassöffnungen 9, die von dem ersten Wärmeträgermedium beim Durchströmen des Strömungskanals 4 durchströmt werden. Gegenüber dem übrigen Strömungsweg, vgl. Darstellung in den Figuren 6 und 7, stellen diese Durchlassöffnungen 9 Engstellen im Überströmungsbereich des Wärmetauscherrohres 5 dar, weshalb das erste Wärmeträgermedium beim Durchströmen dieser Durchlassöffnungen 9 beschleunigt und nach Durchtreten der Durchlassöffnungen 9 wieder verzögert wird. Hierdurch ergeben sich turbulente Strömungen gemäß der in Fig. 18 dargestellten Schemaansicht, die zum einen laminare Grenzschichten an der Mantelfläche des Wärmetauscherrohres 5 ablösen und zum anderen auch in in Strömungsrichtung betrachtet hinter dem Wärmetauscherrohr 5 liegende Bereiche strömen, so dass das Wärmetauscherrohr 5 über weite Umfangsbereiche an der Wärmeübertragung zwischen dem ersten und zweiten Wärmeträgerfluid teilnimmt.
Durch das Vorsehen der Unterstützungsmittel 10 am Mantel des Wärmetauscherrohrs 5 und deren Anlage an den Kanalwänden 7, 8 des Strömungskanals 4 ergibt sich eine über den gesamten Strömungsweg des Strömungskanals 4 nahezu gleich bleibend turbulente Strömung des ersten Wärmeträgermediums und damit eine effiziente Übertragung der Wärme zwischen dem Wärmetauscherrohr 5 und dem ersten Wärmeträgermedium.
Eine zweite Ausführung eines Unterstützungsmittels 11 zur Ausbildung einer turbulenten Strömung ist in den Figuren 12 bis 15 dargestellt. Diese zeigen einen Abschnitt eines alternativ ausgestalteten Wärmetauscherrohres 5, auf dessen Umfang Rippen 11 angeordnet sind, wohingegen das Innere des Wärmetauscherrohres 5 glattflächig ausgebildet ist. Während bei einem Wärmetauscherrohr 5 gemäß den Figuren 8 bis 11 auch im Inneren des Wärmetauscherrohres 5 bzw. im zweiten Wärmeträgerfluid Turbulenzen erzeugt werden, ist dies bei einem Wärmetauscherrohr 5 gemäß den Figuren 8 bis 11 nur bei dem ersten, das Wärmetauscherrohr 5 umströmenden Wärmeträgermedium der Fall. Bei dem in den Figuren 12 bis 15 dargestellten Wärmetauscherrohr handelt es sich insbesondere um ein Kupferrippenrohr. Ein solches Rohr bietet sich an, wenn im Inneren des Wärmetauscherrohrs 5 ein dampfförmiges bzw. sich in Phasenübergängen befindendes Wärmeträgermedium, beispielsweise Kältemittel einer Wärmepumpe geführt wird, da bei den Phasenübergängen Sieden oder Kondensation bzw. Verdampfung oder Verflüssigung der Wärmeübergang durch laminare Grenzschichten weniger stark beeinträchtigt wird.
Während bei den vorbeschriebenen Ausführungen die Unterstützungsmittel 10, 11 einstückiger Bestandteil der äußeren Mantelfläche des Wärmetauscherrohres 5 sind, zeigen die Figuren 19 bis 23 eine Ausführung, bei welcher die Unterstützungsmittel 12 durch zusätzliche, in dem Bereich zwischen dem Wärmetauscherrohr 5 und einer Kanalwand 7, 8 eingebrachte Strömungshindernisse gebildet werden.
Wie die perspektivische Darstellung in Fig. 19 erkennen lässt, handelt es sich bei den Unterstützungsmitteln um Strömungshindernisse 12, die Engstellen innerhalb des Strömungskanals 4 darstellen. Die Strömungshindernisse 12 werden von einer Art Drahtkorb 13 gebildet, wobei das erste Wärmeträgermedium beim Überströmen der Maschen des Drahtkorbs 13 umgelenkt und beschleunigt wird, wodurch sich die laminaren Grenzschichten an dem Wärmetauscherrohr 5 ebenfalls ablösen lassen. Wie insbesondere die Darstellung in Fig. 21 erkennen lässt, sind die Unterstützungsmittel 12 sowohl im Bereich zwischen dem Innenrohr 4 und dem Wärmetauscherrohr 5, als auch im Bereich zwischen dem Wärmetauscherrohr 5 und dem Außenrohr 3 als an den Kanalwänden 7, 8 anliegende Zwischenlage vorgesehen, vgl. auch Fig. 23.
Mit Hilfe der vorstehend beschriebenen Unterstützungsmittel 10, 11, 12 werden turbulente Strömungen des ersten Wärmeträgerfluids über die gesamte Länge des Strömungskanals 4 aufrechterhalten, wodurch sich eine verbesserte Wärmeübertragung an dem von der turbulenten Strömung überströmten Wärmetauscherrohr 5 ergibt.

Bezugszeichenliste:

1: Wärmetauscher
2: Innenrohr
3: Außenrohr
4: Strömungskanal
5: Wärmetauscher
6: Rohrinnenraum
7: Kanalwand
8: Kanalwand
9: Durchlassöffnungen
10: Unterstützungsmittel, Welle
11: Unterstützungsmittel, Rippe
12: Unterstützungsmittel, Strömungshindernis

20: Druckraum
21: Druckzylinder
22: Flanschplatte
23: Einlass
24: Auslass
25: Einlass
26: Auslass
27: Dichtelement
28: Wand
29: Innenfläche
40: Baueinheit

50: Verbindungselement
51: Trennelement

Claims

Wärmetauscher zum Austausch von Wärme zwischen einem ersten und einem zweiten Wärmeträgermedium, mit einem von dem ersten Wärmeträgermedium durchströmbaren Strömungskanal (4) und einem von dem zweiten Wärmeträgermedium durchströmbaren Wärmetauscherrohr (5), das innerhalb des Strömungskanals (4) von dem ersten Wärmeträgermedium überströmbar angeordnet ist,
gekennzeichnet durch,
Mittel (10, 11, 12) zur Unterstützung einer turbulenten Strömung des ersten Wärmeträgermediums zwischen dem Wärmetauscherrohr (5) und einer Kanalwand (7,8) des Strömungskanals (4).
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterstützungsmittel (10, 11, 12) Engstellen im durchströmbaren Querschnitt des Strömungskanals (4) bilden.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterstützungsmittel (10, 11) durch eine Strukturgebung des Mantels des Wärmetauscherrohres (5) gebildet werden.
Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauscherrohr (5) ein Wellrohr ist, dessen Wellen die Unterstützungsmittel (10) bilden.
Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauscherrohr (5) ein Rippenrohr ist, dessen Rippen die Unterstützungsmittel (11) bilden.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterstützungsmittel (10, 11) derart an einer oder beiden Kanalwänden (7, 8) anliegen, dass sich Durchlassöffnungen (9) bilden.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterstützungsmittel (12) von Strömungshindernissen gebildet werden.
Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungshindernisse (12) Teil eines Drahtnetzes (13) sind.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (4) ringzylindrisch ausgebildet ist, wobei eine innere Kanalwand (7) von einem Innenrohr (2) und eine äußere Kanalwand (8) von einem Außenrohr (3) gebildet wird.
Wärmetauscher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauscherrohr (5) wendelförmig um das Innenrohr (2) herum durch den Strömungskanal (4) verläuft.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr (2) aus einem steifen Material besteht.
Wärmetauscher nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenrohr (3) aus einem biegsamen Material, insbesondere Folienmaterial, besteht.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (4) und das Wärmetauscherrohr (5) in einem gemeinsamen Druckraum (20) angeordnet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr (2), das Außenrohr (3) und das Wärmetauscherrohr (4) eine Baueinheit (40) bilden, die in den Druckraum (12) einsetzbar ist.
Wärmetauscherrohr nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenrohr (3) über ein Dichtelement (27) gegenüber einer Innenfläche (29) des Druckraums (12) abgedichtet und das Innenrohr (2) über eine unterhalb eines Einlasses (23) für das erste Wärmeträgermedium angeordnete Wand (28) geschlossen ist.