EP3367035A1 - Rohrwendelwärmetauscher und speicherbehälter mit einem rohrwendelwärmetauscher - Google Patents

Rohrwendelwärmetauscher und speicherbehälter mit einem rohrwendelwärmetauscher Download PDF

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Publication number
EP3367035A1
EP3367035A1 EP18156616.7A EP18156616A EP3367035A1 EP 3367035 A1 EP3367035 A1 EP 3367035A1 EP 18156616 A EP18156616 A EP 18156616A EP 3367035 A1 EP3367035 A1 EP 3367035A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pipe
heat exchanger
helical
fluid
turn
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP18156616.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Detlev Rohm
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3367035A1 publication Critical patent/EP3367035A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/10—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium
    • F24H1/12—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium in which the water is kept separate from the heating medium
    • F24H1/14—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium in which the water is kept separate from the heating medium by tubes, e.g. bent in serpentine form
    • F24H1/16—Continuous-flow heaters, i.e. heaters in which heat is generated only while the water is flowing, e.g. with direct contact of the water with the heating medium in which the water is kept separate from the heating medium by tubes, e.g. bent in serpentine form helically or spirally coiled
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H1/00—Water heaters, e.g. boilers, continuous-flow heaters or water-storage heaters
    • F24H1/22—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating
    • F24H1/40—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water tube or tubes
    • F24H1/43—Water heaters other than continuous-flow or water-storage heaters, e.g. water heaters for central heating with water tube or tubes helically or spirally coiled

Definitions

  • the invention relates to a coiled tubing heat exchanger according to the preamble of the independent claim.
  • the subject of the present invention is also a storage container with a coiled tubing heat exchanger.
  • Coil tube heat exchangers are usually used to heat or cool stored in storage containers storage fluids.
  • the tube coil heat exchanger is flowed through by a heat transfer fluid, which transfers its heat via the heat exchanger wall to the storage fluid.
  • Exemplary coiled tubing heat exchangers disclose DE 100 00 861 A1 and DE 195 10 877 A1 , They show simple hollow-cylindrical helices with tube turns of identical diameter, which follow each other directly.
  • the tubular spiral heat exchanger comprises at least one substantially helical, fluid-conducting pipe section with at least two successive pipe turns, wherein the pipe section comprises at least one tube bent around a helix axis.
  • the tubular spiral heat exchanger is characterized in that successive pipe turns of the pipe section have, at least in sections, an offset perpendicular to the helix axis.
  • Under a helical pipe section is meant a bent into a helical pipe.
  • Under Helix axis becomes a Understood center line, around which the pipe bent into a helix winds around.
  • a pipe turn is a turn of the pipe about the helical axis.
  • a complete tube winding has a winding angle of 360 ° around the helical axis.
  • a pipe turn forms an image which, at least in sections, for example, is essentially a circular ring or substantially an elliptical ring.
  • Two consecutive pipe turns of a pipe section are connected in series fluid-conducting throughout.
  • successive pipe turns have an offset at least in sections, that is to say a radial or lateral offset.
  • section or in a section means, for example, in a peripheral portion of the pipe turn along the bent pipe or in an angular section around the helical axis of the pipe turn.
  • at least in one section means that the offset occurs, for example, on a quarter or one-half of a circumference of the pipe length of the pipe turn, or, for example, on a range of 45 ° or 270 ° of the turn angle of the pipe turn.
  • the offset may also occur substantially over the entire circumference of the pipe length of the pipe turn, or substantially to 360 ° of the turn angle of the pipe turn.
  • Substantially here means substantially, almost, approximately, at least 70%, preferably at least 90% or at least 95% of a total or ideals, or complete.
  • the tube helix heat exchanger with a plurality of tube turns can in particular have a substantially hollow-cylindrical envelope as a purely intellectual envelope surface.
  • This envelope surface results from a stack of a double or multiple repetitive sequence of the same Groups of pipe turns, wherein the groups are formed in each case by geometrically differently formed, successive pipe turns.
  • a hollow-cylindrical envelope results from a two-fold sequence of the group "pipe turn-a- pipe turn-b", for example "down” / "down”.
  • the coiled tubing heat exchanger with the features of the independent claim has the advantage of a particularly high efficiency. If the tube spiral heat exchanger is arranged in the interior of a storage container, heat can be effectively transferred between a heat transfer medium flowing through the heat exchanger and a storage fluid stored in the storage container with comparatively few tube turns. If heat is transferred from a warmer heat transfer fluid to a cooler storage fluid, the heat transfer fluid first heats the tube walls of the tube turns of the coiled tubing heat exchanger. The pipe walls then heat the storage fluid.
  • the prerequisite for heat transfer from the tube wall to storage fluid is the presence of a temperature gradient, namely that the tube wall has a higher temperature than the storage fluid contacting the tube wall.
  • the storage fluid heated at the tube wall becomes lighter than the still cool remaining storage fluid and flows upwards.
  • successive tube turns have, at least in sections, an offset perpendicular to the helix axis. It follows that the heated at the pipe wall of a first pipe winding storage fluid flows upwards and at least partially does not hit the pipe wall of a following, second pipe turn because of the offset, but laterally flows past it. Furthermore, the storage fluid heated at the pipe wall of a second pipe turn flows upward and, due to the offset, at least in sections, does not hit the pipe wall of a following, third pipe turn. As a result, the temperature gradient between the storage fluid and the pipe wall of the first pipe turn is just as great as the temperature gradient between the storage fluid and the pipe wall of the second pipe turn. Due to the offset between the successive pipe turns, the upflowing storage fluid offers an effectively larger heat transfer surface (surface of the pipe walls) than is the case with conventional coiled tube heat exchangers. This results in an increased heat transfer efficiency.
  • An embodiment of the tube spiral heat exchanger is characterized in that a bending radius along the tube of the tube section varies at least in sections. Bending radius is understood here to mean the radius of the pipe bend about the helix axis, measured at a specific point of the pipe length or at a specific point of the winding angle of the pipe turn in a projection plane perpendicular to the helix axis.
  • the bending radius can therefore be represented as a function of the pipe length or the pipe turn circumference or the winding angle.
  • the bending radius in an interval of the winding angle of a Pipe turn from 10 ° to 90 ° from a first value to a second value remain constant at an interval of 90 ° to 270 ° to the second value, and in an adjoining interval of for example 270 ° to 350 ° again of the decrease the second value to the first value (the angles mentioned here are measured, for example, starting from a pipe winding start referred to as start angle or zero angle). If a course of the bending radius of a following pipe turn is different from the aforementioned example, then these pipe turns have an offset perpendicular to the helical axis, with the already mentioned advantageous effects for the heat transfer efficiency.
  • the bending radius along the pipe of the pipe section may also be substantially constant.
  • bend radius along a pipe turn is substantially constant and varies along a following pipe turn.
  • An advantageous embodiment of the coiled tubing heat exchanger is characterized in that a first pipe turn has a substantially constant first bend radius, and that a second pipe turn adjoining the first pipe turn has a substantially constant second bend radius, the second bend radius being different from the first bend radius.
  • a first pipe turn any pipe turn of the pipe section can be considered, a second pipe turn is then the subsequent, ie adjacent pipe turn.
  • the projection of a first pipe turn on a projection plane perpendicular to the helical axis for example, a larger circular ring than the projection of a second pipe turn.
  • the projections are not congruent, it results in an at least partially offset the successive pipe turns perpendicular to the helical axis. This results in a pipe section with an exemplary diameter sequence of successive pipe turns according to the scheme a. big / b. small (optional with repetitions).
  • a further embodiment of the coiled tubing heat exchanger results when a third pipe turn adjoining the second pipe turn has a substantially constant third bend radius, wherein the third bend radius is different from the first bend radius and the second bend radius.
  • a fourth pipe turn adjoining the third pipe turn may have a substantially constant fourth bend radius, wherein the fourth bend radius is substantially equal to the first bend radius or equal to the second bend radius.
  • a further embodiment of the coiled tube heat exchanger is characterized in that the tube section comprises at least one pipe connecting piece, wherein the pipe connecting piece connects the successive pipe turns in a fluid-conducting manner.
  • the pipe connector is a tubular coupling piece which fluidly connects, for example, a first pipe turn and a second pipe turn.
  • the pipe connector may be a straight or a bent pipe connector. Its bending radius can be equal to the bending radius of a first pipe turn or equal to the bending radius of a second pipe turn or different from the bending radii of both pipe joints.
  • a winding angle of 360 ° around the helical axis can be composed of the winding angle of a pipe turn and the winding angle of a pipe connector, while the winding angle of the pipe connector is usually less than or equal to 45 °.
  • the pipe connector so the offset between successive pipe turns can be generated.
  • An advantageous embodiment of the coiled tube heat exchanger comprises at least two pipe connecting pieces, wherein the pipe connecting pieces are arranged at end portions of the pipe section and are adapted to connect the coiled tubing heat exchanger fluidly to a flow line and a return line of a heating and / or cooling system.
  • the pipe fitting is a tubular coupling piece, for example a pipe winding and a supply line, and / or a pipe winding and a return line, or a pipe connector and a supply line, and / or a pipe connector and a return line fluidly interconnects (advantageously releasably), in each case the end portions of the aforementioned individual components.
  • End section is understood here to mean a line end, an end cross section, an inlet cross section or an outlet cross section of the respective individual component (pipeline component).
  • the pipe fitting may be a straight or a bent pipe fitting.
  • the feed line, the return line, as well as the heating and / or cooling system are not part of the tube spiral heat exchanger.
  • a heating and / or cooling system is a heat and / or refrigeration providing system such as a heater, a boiler, a refrigerator, a refrigerator.
  • Feed line and return line are fluid-conducting connection lines between the heating and / or cooling system and the tube coil heat exchanger.
  • An advantageous embodiment of the coiled tubing heat exchanger is characterized in that the coiled tubing heat exchanger, pipe turns, pipe fittings and / or pipe fittings is formed integrally.
  • This one-piece coiled tube heat exchanger can be obtained by a suitable shaping of a single piece of pipe, or as an assembly of welded or glued together individual components. This is particularly advantageous in terms of handling and fluid tightness.
  • the coiled tubing heat exchanger from the individual components pipe turns, pipe fittings and / or pipe fittings is formed in several parts.
  • a further embodiment of the coiled tube heat exchanger comprises at least two substantially helical, fluid-conducting pipe sections as described above, wherein a first pipe section is arranged at least partially substantially concentrically within a second pipe section. So is an inner and an outer Heat exchanger section given, whereby a particularly compact construction is achieved.
  • a further advantageous embodiment of the coiled tube heat exchanger comprises a distributor which fluidly connects the end sections or the pipe connecting pieces to a heat exchanger inlet comprising at least two pipe sections, and further comprises a collector which fluidly connects the end sections or the pipe connecting pieces to a heat exchanger outlet comprising at least two pipe sections.
  • the distributor and the collector are adapted to connect the at least two pipe sections hydraulically connected in parallel to a flow line and a return line of a heating and / or cooling system.
  • the manifold and the collector thus represent connecting pieces between flow line or return line on one side and at least two pipe sections of the coiled tubing heat exchanger on the other side.
  • the pipe sections are hydraulically connected in parallel, so are flowed through in parallel.
  • the storage container according to the invention for storing a storage fluid, with a coiled tubing heat exchanger for passing a heat transfer fluid, wherein the storage fluid can be heated and / or cooled by means of the coiled tube heat exchanger, is characterized in that the coiled tubing heat exchanger is designed according to one of the embodiments described above.
  • the storage container may be a hollow cylindrical storage container, the storage fluid may be a process fluid or a heating water or a drinking water stored in the storage.
  • the heat transfer fluid may be a process fluid or a heating water or a drinking water, which flows through the heat exchanger. In the tube spiral heat exchanger, the storage fluid transfers its heat to the heat transfer fluid, or vice versa, the heat transfer fluid transfers its heat to the storage fluid.
  • a further inventive storage container for storing a storage fluid, with a coiled tube heat exchanger for passing a heat transfer fluid, wherein the storage fluid can be heated and / or cooled by means of the coiled tubewound heat exchanger which can be flowed through by heat transfer fluid, wherein the storage container has a container longitudinal axis, and wherein the coiled tubing heat exchanger has at least one helical, fluid-conducting pipe section with a helical axis, characterized in that the helical axis is arranged at an angle to the container longitudinal axis angle, wherein 0 ° less than or equal to angles A is less than or equal to 45 °, in particular 10 ° less than or equal to angle A is less than or equal to 25 °.
  • the container longitudinal axis is, for example, the longitudinal axis of a hollow cylindrical storage container.
  • the helical axis is angled at an angle A to the container longitudinal axis, the at least one pipe section of the coiled tubing heat exchanger is thus inclined in the storage container.
  • FIG. 1 shows a first coiled tubing heat exchanger (1) in longitudinal section ( FIG. 1a ) and cross section ( FIG. 1b , Looking in the direction of the helical axis from the top of the coiled tube heat exchanger), comprising a substantially helical, fluid-conducting pipe section (2) with seven successive pipe turns (3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g), wherein the pipe section (2 ) comprises at least one tube bent around a helical axis (H).
  • Successive tube turns (3; 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g) have, at least in sections, an offset (V) perpendicular to the helix axis (H).
  • a first pipe turn (3a) has a substantially constant first bend radius (Ra).
  • a second pipe turn (3b) adjoining the first pipe turn (3a) has a substantially constant second bend radius (Rb).
  • the second bending radius (Rb) of the first bending radius (Ra) different, smaller here.
  • a third bending radius (Rc) of a third pipe turn (3c) is substantially equal to the first bend radius (Ra).
  • a fourth bend radius (Rd) of a fourth pipe turn (3d) is substantially equal to the second bend radius (Rb).
  • FIG. 1b shows a projection of the coiled tube heat exchanger (1) on a plane perpendicular to the helical axis (H) projection plane (corresponds to the leaf level of the drawing), thereby forming a tube winding (3; 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g) a picture, the is essentially a circular ring.
  • the winding angle of the first pipe turn (3a) is about 340 ° in the present example.
  • the winding angle of the second pipe turn (3b) in the present example is also about 340 °.
  • the pipe section (2) comprises between each two pipe turns (3; 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g) a pipe connector (4), wherein the pipe connector (4) connects successive pipe turns.
  • the coiled tube heat exchanger (1) comprises two pipe fittings (5), wherein the pipe fittings (5) at the end portions (2 E) of the pipe section (2) are arranged.
  • the pipe connecting pieces (5) are adapted to connect the tube helical heat exchanger (1) to a flow line and a return line (not shown) of a heating and / or cooling system (not shown) fluidly.
  • the pipe threads (3), the pipe fittings (4) and / or the pipe fittings (5) may be formed as a component (one-piece), for example, they may be formed from a single piece of pipe.
  • the pipe threads (3), the pipe fittings (4) and / or the pipe fittings (5) can also be manufactured as individual components and materially connected to each other (for example, welded, soldered or glued).
  • the pipe threads (3), the pipe fittings (4) and / or the pipe fittings (5) can also be manufactured as individual components and be releasably connected to one another by means of pipe connection elements (for example flange connection).
  • FIG. 2 shows a second coiled tubing heat exchanger (1) in longitudinal section ( FIG. 2a ) and cross section ( FIG. 2b ).
  • the tube helical heat exchanger (1) comprises a substantially helical, fluid-conducting tube section (2) with six successive tube turns (3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f), wherein the tube section (2) at least one bent about a helical axis (H) Tube includes.
  • Successive tube turns (3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f) have, at least in sections, an offset (Va, Vb) perpendicular to the helix axis (H).
  • a first pipe turn (3a) has a substantially constant first bend radius (Ra).
  • a second pipe turn (3b) adjoining the first pipe turn (3a) has a substantially constant second bend radius (Rb).
  • a third pipe turn (3c) adjoining the second pipe turn (3b) has a substantially constant third bend radius (Rc).
  • the third bending radius (Rc) is different from the second bending radius (Rb), in this case larger, and the second bending radius (Rb) is different from the first bending radius (Ra), in this case larger.
  • a fourth bend radius (Rd) of a fourth pipe turn (3d) is substantially equal to the first bend radius (Ra).
  • a fifth bend radius (Re) of a fifth pipe turn (3e) is substantially equal to the second bend radius (Rb).
  • a sixth bend radius (Rf) of a sixth pipe turn (3f) is substantially equal to the third bend radius (Rc).
  • a pipe section results with a diameter sequence of successive pipe turns (3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f) according to the scheme a. small / b. medium / c. big with repetitions.
  • the different bending radii (R) result in a first offset (Va) perpendicular to the helix axis (H) between the tube turns (3a) and (3b) and between (3d) and (3e), and a second offset (Vb) results. between the pipe turns (3b) and (3c) and between (3e) and (3f).
  • FIG. 2 have an offset (V) or a first offset (Va) and a second offset (Vb) over the entire winding angle of substantially 360 °.
  • FIG. 3 shows a third coiled tubing heat exchanger (1) in longitudinal section ( FIG. 3a ) and cross section ( FIG. 3b ). To avoid repetitions, is for further explanations to FIG. 3 referred to the above description of the figures.
  • the first, third, fifth and seventh pipe turns (3a, 3c, 3e, 3g) are those of the embodiment of FIG. 1 very similar and have a respect to the helical axis H constant first bending radius Ra.
  • the second, fourth and sixth pipe turns (3b, 3d, 3f) have a second bending radius Rb variable with respect to the helical axis H, which varies along the pipe of the pipe turn; in an alternative formulation, the second bending radius Rb (W) varies as a function of the winding angle W.
  • the winding angle W is measured here starting from a pipe turn beginning N. designated as a starting angle or zero angle.
  • the second bending radius can be used Rb of the pipe turns (3b, 3d, 3f) shown here can also be described as constant.
  • the offset V (W) perpendicular to the helix axis H between the successive pipe turns thus also varies depending on the winding angle W, as the two references V (180 °) and V (270 °).
  • the tube spiral heat exchanger (1) according to FIG. 3 can be advantageously manufactured without pipe connectors (4).
  • FIG. 4 shows a fourth tube coil heat exchanger (1) in longitudinal section ( FIG. 4a ) and cross section ( FIG. 4b ). To avoid repetition, will be explained for further explanation FIG. 4 referred to the above description of the figures.
  • the fourth coiled tubing heat exchanger (1) can also be comprehensively described as tube coils whose bending radius (Ra (W), Rb (W)) varies with respect to the helical axis H as a function of the coil angle W. This results in an offset V (W) over large ranges of the winding angle.
  • the fourth coiled tube heat exchanger (1) can be particularly easily from a hollow cylindrical, conventionally wound coiled tubing heat exchanger with pipe turns of constant bending radius produce by a first, third and fifth pipe turn by half the maximum offset (V) from a central axis out in bending one direction and bending a second, fourth and sixth tube turn halfway through the maximum offset (V) from the central axis in the other direction.
  • FIG. 5 shows a fifth tube coil heat exchanger (1) in longitudinal section ( FIG. 5a ) and cross section ( FIG. 5b ).
  • the fifth tube spiral heat exchanger (1) comprises two helical, fluid-conducting tube sections (2, 20), for example those according to FIG FIG. 1 wherein a first pipe section (20) is arranged at least partially substantially concentrically within a second pipe section (2).
  • the heat exchanger input side pipe fittings (5) open into a manifold (6) having a connection for connection to a flow line (not shown) of a heating and / or cooling system (not shown).
  • the heat exchanger exit side pipe fittings (5) open into a collector (7) having a connection for connection to a return line (not shown) of a heating and / or cooling system (not shown).
  • Manifolds and collectors are set up to connect the two pipe sections (2, 20) hydraulically connected in parallel to the supply line and the return line.
  • the successive pipe turns (3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f) of the second pipe section (2) and the successive pipe turns (30a, 30b, 30c, 30d, 30e, 30f) of the first pipe section (20) face one another as well mutually offset (V3, V30) perpendicular to the helical axis.
  • FIG. 6 shows in longitudinal section a with example cool storage fluid (F) filled first storage container (8) arranged therein with a sixth coiled tubing heat exchanger (1).
  • the storage fluid (F) can be heated and / or cooled by means of the tube spiral heat exchanger through which heat transfer fluid can flow.
  • FIG. 6 referred to the above description of the figures.
  • the sixth coiled tubing heat exchanger (1) is flowed through by an example, warm heat transfer fluid and can, for example, as in FIG. 1 be formed first coiled tubing heat exchanger (1).
  • the cool storage fluid (F) heats up on the tube walls of the tube coils (3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g), thereby becomes lighter and flows upwards. In the middle of the tank and / or on the inner wall of the tank cool storage fluid (F) flows downwards. Thus, a turns the Storage tank interior engaging flow roll. Due to the offset between the successive pipe turns (3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g), the upflowing storage fluid (F) offers an effectively larger heat transfer surface (surface of the pipe walls) than conventional tube coil heat exchangers (1). the case is. As a result, more storage fluid (F) is heated. Such a coiled tubing heat exchanger (1) transmits more heat output at a comparable size than a conventional coiled tubing heat exchanger; or it can be built smaller than a conventional coiled tube heat exchanger to achieve the same heat output.
  • FIG. 7 shows in longitudinal section a with, for example, cool storage fluid (F) filled second storage tank (8) arranged therein a seventh coiled tubing heat exchanger (1).
  • the tube coiled heat exchanger (1) is arranged at an angle A of approximately 30 ° obliquely to the longitudinal axis of the container (B) in the storage container (8).
  • the cool storage fluid (F) can flow substantially unhindered each pipe turn (3a, 3b, 3c, 3d) of the coiled tubing heat exchanger (1), whereby more storage fluid (F) is heated.
  • Such a coiled tubing heat exchanger (1) transmits more heat output at a comparable size than a conventional coiled tubing heat exchanger; or it can be built smaller than a conventional coiled tube heat exchanger to achieve the same heat output.

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Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Rohrwendelwärmetauscher nach Gattung des unabhängigen Anspruchs. Der erfindungsgemäße Rohrwendelwärmetauscher umfasst mindestens einen im Wesentlichen helixförmigen, fluidleitenden Rohrabschnitt mit mindestens zwei aufeinander folgenden Rohrwindungen, wobei der Rohrabschnitt mindestens ein um eine Helixachse gebogenes Rohr umfasst. Aufeinander folgende Rohrwindungen weisen zumindest abschnittsweise einen Versatz senkrecht zur Helixachse auf.

Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einem Rohrwendelwärmetauscher nach Gattung des unabhängigen Anspruchs. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Speicherbehälter mit einem Rohrwendelwärmetauscher.
  • Rohrwendelwärmetauscher dienen üblicherweise dem Erwärmen oder Abkühlen von in Speicherbehältern bevorrateten Speicherfluiden. Dazu wird der Rohrwendelwärmetauscher von einem Wärmeträgerfluid durchströmt, das seine Wärme über die Wärmetauscherwand an das Speicherfluid überträgt. Beispielhafte Rohrwendelwärmetauscher offenbaren DE 100 00 861 A1 und DE 195 10 877 A1 . Sie zeigen einfache hohlzylindrische Helices mit Rohrwindungen identischen Durchmessers, die direkt aufeinander folgen.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Der erfindungsgemäße Rohrwendelwärmetauscher umfasst mindestens einen im Wesentlichen helixförmigen, fluidleitenden Rohrabschnitt mit mindestens zwei aufeinander folgenden Rohrwindungen, wobei der Rohrabschnitt mindestens ein um eine Helixachse gebogenes Rohr umfasst. Der Rohrwendelwärmetauscher ist dadurch gekennzeichnet, dass aufeinanderfolgende Rohrwindungen des Rohrabschnitts zumindest abschnittsweise einen Versatz senkrecht zur Helixachse aufweisen. Unter einem helixförmigen Rohrabschnitt wird ein zu einer Schraubenlinie gebogenes Rohr verstanden. Unter Helixachse wird eine Mittellinie verstanden, um die sich das zu einer Schraubenlinie gebogene Rohr herumwindet. Eine Rohrwindung ist eine Windung des Rohres um die Helixachse. Schaut ein Betrachter in Richtung der Helixachse auf den Rohrabschnitt, so erblickt er die ihm nächstliegende Rohrwindung. Eine vollständige Rohrwindung weist einen Windungswinkel von 360° um die Helixachse auf. Durch Projektion auf eine zur Helixachse senkrechte Projektionsebene bildet eine Rohrwindung eine Abbildung, die zumindest abschnittsweise beispielsweise im Wesentlichen ein Kreisring oder im Wesentlichen ein elliptischer Ring ist. Zwei aufeinander folgende Rohrwindungen eines Rohrabschnitts sind fluidleitend durchgängig in Reihe geschaltet. In einer Projektionsebene senkrecht zur Helixachse weisen aufeinander folgende Rohrwindungen mindestens abschnittsweise einen Versatz auf, also einen radialen bzw. seitlichen Versatz. Das heißt, dass die Projektionen zweier aufeinander folgenden Rohrwindungen in einer zur Helixachse senkrechten Projektionsebene nicht deckungsgleich sind, sondern dass mindestens eine Rohrwindung zumindest in einem Abschnitt um den Versatz über die andere Rohrwindung hinausragt. Abschnittsweise oder in einem Abschnitt bedeutet hier zum Beispiel in einem Umfangsabschnitt der Rohrwindung entlang des gebogenen Rohrs oder in einem Winkelabschnitt um die Helixachse der Rohrwindung. Zumindest in einem Abschnitt bedeutet hier beispielsweise, dass der Versatz beispielsweise auf einem Viertel oder einer Hälfte eines Umfangs der Rohrlänge der Rohrwindung, oder beispielsweise auf einem Bereich von 45° oder 270° des Windungswinkels der Rohrwindung auftritt. Alternativ kann der Versatz auch im Wesentlichen auf dem gesamten Umfang der Rohrlänge der Rohrwindung, oder im Wesentlichen auf 360° des Windungswinkels der Rohrwindung auftreten.
  • Im Wesentlichen heißt hier weitgehend, fast, in etwa, zu mindestens 70 %, vorzugsweise zu mindestens 90 % oder zu mindestens 95 % einer Gesamtheit oder einer Idealen, oder vollständig.
  • Der Rohrwendelwärmetauscher mit mehreren Rohrwindungen kann insbesondere eine im Wesentlichen hohlzylindrische Einhüllende als rein gedankliche Hüllfläche aufweisen. Diese Hüllfläche ergibt sich aus einem Stapel einer zweifach oder mehrfach sich wiederholenden Abfolge von gleichen Gruppen von Rohrwindungen, wobei die Gruppen in sich von geometrisch jeweils unterschiedlich ausgebildeten, aufeinander folgenden Rohrwindungen gebildet sind. Beispielsweise ergibt sich eine hohlzylindrische Einhüllende aus einer zweifachen Abfolge der Gruppe "Rohrwindung-a- Rohrwindung-b", beispielsweise "a-b"/"a-b".
  • Der Rohrwendelwärmetauscher mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat den Vorteil eines besonders hohen Wirkungsgrades. Ist der Rohrwendelwärmetauscher im Inneren eines Speicherbehälters angeordnet, so kann mit vergleichsweise wenigen Rohrwindungen Wärme zwischen einem den Wärmetauscher durchströmenden Wärmeträgerfluid und einem im Speicherbehälter bevorrateten Speicherfluid effektiv übertragen werden. Wird Wärme von einem wärmeren Wärmeträgerfluid auf ein kühleres Speicherfluid übertragen, so erwärmt das Wärmeträgerfluid zunächst die Rohrwandungen der Rohrwindungen des Rohrwendelwärmetauschers. Die Rohrwandungen erwärmen dann das Speicherfluid. Voraussetzung für eine Wärmeübertragung von Rohrwandung auf Speicherfluid ist das Vorliegen eines Temperaturgefälles, nämlich dass die Rohrwandung eine höhere Temperatur als das die Rohrwandung berührende Speicherfluid aufweist. Das an der Rohrwandung erwärmte Speicherfluid wird leichter als das noch kühle restliche Speicherfluid und strömt nach oben.
  • Bei herkömmlichen Rohrwendelwärmetauschern nach dem Stand der Technik, die rein hohlzylindrisch aufgebaut und mit vertikal stehender Helixachse im Speicherbehälter angeordnet sind, befinden sich die Rohrwindungen direkt vertikal übereinander. Daher strömt im herkömmlichen Fall das an der Rohrwandung einer ersten Rohrwindung erwärmte Speicherfluid nach oben und trifft auf die Rohrwandung einer folgenden, zweiten Rohrwindung, wo es nur noch wenig Wärme aufnehmen kann, denn das die Rohrwandung der zweiten Rohrwindung berührende Speicherfluid ist bereits erwärmt und das Temperaturgefälle gegenüber der Rohrwandung fällt kleiner aus. Das die Rohrwandung der zweiten Rohrwindung berührende, bereits erwärmte Speicherfluid schirmt das restliche kühle, noch zu erwärmende Speicherfluid von der Temperatur der Rohrwandung ab, das "bremst" die Wärmeübertragung. Das an der zweiten Rohrwindung noch leicht weiter erwärmte Speicherfluid strömt weiter nach oben und trifft auf die Rohrwandung einer folgenden, dritten Rohrwindung, wo es noch weniger Wärme aufnehmen kann, denn das Speicherfluid ist bereits nach der ersten Rohrwindung auch von der zweiten Rohrwindung erwärmt und das Temperaturgefälle zwischen Speicherfluid und Rohrwandung der dritten Rohrwindung fällt noch einmal kleiner aus. Dadurch wird der Wirkungsgrad eines herkömmlichen Rohrwendelwärmetauschers deutlich eingeschränkt.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Rohrwendelwärmetauscher weisen aufeinander folgende Rohrwindungen zumindest abschnittsweise einen Versatz senkrecht zur Helixachse auf. Daraus ergibt sich, dass das an der Rohrwandung einer ersten Rohrwindung erwärmte Speicherfluid nach oben strömt und wegen des Versatzes zumindest abschnittsweise nicht auf die Rohrwandung einer folgenden, zweiten Rohrwindung trifft, sondern seitlich davon vorbeiströmt. Ferner strömt das an der Rohrwandung einer zweiten Rohrwindung erwärmte Speicherfluid nach oben und trifft wegen des Versatzes zumindest abschnittsweise nicht auf die Rohrwandung einer folgenden, dritten Rohrwindung. Dadurch ist das Temperaturgefälle zwischen Speicherfluid und Rohrwandung der ersten Rohrwindung genauso groß wie das Temperaturgefälle zwischen Speicherfluid und Rohrwandung der zweiten Rohrwindung. Durch den Versatz zwischen den aufeinander folgenden Rohrwindungen bietet sich dem aufströmenden Speicherfluid eine effektiv größere Wärmeübertragerfläche (Oberfläche der Rohrwandungen) an, als es bei herkömmlichen Rohrwendelwärmetauschern der Fall ist. Das hat einen erhöhten Wirkungsgrad der Wärmeübertragung zur Folge.
  • Eine Ausgestaltung des Rohrwendelwärmetauschers ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Biegeradius entlang des Rohrs des Rohrabschnitts zumindest abschnittsweise variiert. Unter Biegeradius wird hier der Radius der Rohrbiegung um die Helixachse verstanden, gemessen an einer konkreten Stelle der Rohrlänge bzw. an einer konkreten Stelle des Windungswinkels der Rohrwindung in einer Projektionsebene senkrecht zur Helixachse. Der Biegeradius kann also als Funktion der Rohrlänge bzw. des Rohrwindungsumfangs bzw. des Windungswinkels dargestellt werden. So kann zum Beispiel der Biegeradius in einem Intervall des Windungswinkels einer Rohrwindung von 10° bis 90° von einem ersten Wert auf einen zweiten Wert anwachsen, in einem Intervall von 90° bis 270° konstant auf dem zweiten Wert bleiben, und in einem daran anschließenden Intervall von zum Beispiel 270° bis 350° wieder von dem zweiten Wert auf den ersten Wert abnehmen (die hier genannten Winkel sind zum Beispiel gemessen ab einem als Startwinkel oder Nullwinkel bezeichneten Rohrwindungsanfang). Ist ein Verlauf des Biegeradius einer folgenden Rohrwindung verschieden von dem vorgenannten Beispiel, so weisen diese Rohrwindungen einen Versatz senkrecht zur Helixachse auf, mit den bereits erwähnten vorteilhaften Wirkungen für den Wirkungsgrad einer Wärmeübertragung.
  • Alternativ kann der Biegeradius entlang des Rohrs des Rohrabschnitts im Wesentlichen auch konstant sein.
  • Eine weitere Option ist, dass der Biegeradius entlang einer Rohrwindung im Wesentlichen konstant ist und entlang einer folgenden Rohrwindung variiert.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Rohrwendelwärmetauschers ist dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Rohrwindung einen im Wesentlichen konstanten ersten Biegeradius aufweist, und dass eine an die erste Rohrwindung sich anschließende zweite Rohrwindung einen im Wesentlichen konstanten zweiten Biegeradius aufweist, wobei der zweite Biegeradius vom ersten Biegeradius verschieden ist. Als eine erste Rohrwindung kann eine beliebige Rohrwindung des Rohrabschnitts betrachtet werden, eine zweite Rohrwindung ist dann die darauf folgende, also benachbarte Rohrwindung. Somit ist also die Projektion einer ersten Rohrwindung auf eine Projektionsebene senkrecht zur Helixachse beispielsweise ein größerer Kreisring als die Projektion einer zweiten Rohrwindung. Somit sind die Projektionen nicht deckungsgleich, es ergibt sich ein zumindest abschnittsweiser Versatz der aufeinander folgenden Rohrwindungen senkrecht zur Helixachse. Somit ergibt sich ein Rohrabschnitt mit einer beispielhaften Durchmesserabfolge von aufeinander folgenden Rohrwindungen nach dem Schema a. groß / b. klein (optional mit Wiederholungen).
  • Eine weitere Ausgestaltung des Rohrwendelwärmetauschers ergibt sich, wenn eine an die zweite Rohrwindung sich anschließende dritte Rohrwindung einen im Wesentlichen konstanten dritten Biegeradius aufweist, wobei der dritte Biegeradius vom ersten Biegeradius und vom zweiten Biegeradius verschieden ist. Eine an die dritte Rohrwindung sich anschließende vierte Rohrwindung kann einen im Wesentlichen konstanten vierten Biegeradius aufweisen, wobei der vierte Biegeradius im Wesentlichen gleich dem ersten Biegeradius oder gleich dem zweiten Biegeradius ist. Somit ergeben sich beispielsweise ein Rohrabschnitt mit einer beispielhaften Durchmesserabfolge von aufeinander folgenden Rohrwindungen nach dem Schema a. groß / b. mittel / c. klein (optional mit Wiederholungen), oder a. groß / b. mittel / c. klein / d. mittel (optional mit Wiederholungen).
  • Eine weitere Ausgestaltung des Rohrwendelwärmetauschers ist dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrabschnitt mindestens ein Rohrverbindungsstück umfasst, wobei das Rohrverbindungsstück die aufeinanderfolgenden Rohrwindungen fluidleitend verbindet. Das Rohrverbindungsstück ist ein rohrförmiges Kupplungsstück, das beispielsweise eine erste Rohrwindung und eine zweite Rohrwindung fluidleitend verbindet. Das Rohrverbindungsstück kann ein gerades oder ein gebogenes Rohrverbindungsstück sein. Sein Biegeradius kann gleich dem Biegeradius einer ersten Rohrwindung oder gleich dem Biegeradius einer zweiten Rohrwindung oder verschieden von den Biegeradien beider Rohrverbindungen sein. Ein Windungswinkel von 360° um die Helixachse kann sich aus dem Windungswinkel einer Rohrwindung und dem Windungswinkel eines Rohrverbindungsstücks zusammensetzen, dabei wird der Windungswinkel des Rohrverbindungsstücks in der Regel kleiner oder gleich 45° betragen. Mittels des Rohrverbindungsstücks kann so auch der Versatz zwischen aufeinander folgenden Rohrwindungen erzeugt werden.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Rohrwendelwärmetauschers umfasst mindestens zwei Rohranschlussstücke, wobei die Rohranschlussstücke an Endabschnitten des Rohrabschnitts angeordnet sind und dazu eingerichtet sind, den Rohrwendelwärmetauscher an eine Vorlaufleitung und eine Rücklaufleitung eines Heiz- und/oder Kühlsystems fluidleitend anzuschließen. Das Rohranschlussstück ist ein rohrförmiges Kupplungsstück, das beispielsweise eine Rohrwindung und eine Vorlaufleitung, und/oder eine Rohrwindung und eine Rücklaufleitung, oder ein Rohrverbindungsstück und eine Vorlaufleitung, und/oder ein Rohrverbindungsstück und eine Rücklaufleitung fluidleitend miteinander verbindet (vorteilhafterweise lösbar), und zwar jeweils die Endabschnitte der vorgenannten Einzelkomponenten. Unter Endabschnitt wird hier ein Leitungsende, ein Endquerschnitt, ein Eintrittsquerschnitt oder ein Austrittsquerschnitt der jeweiligen Einzelkomponente (Rohrleitungskomponente) verstanden. Das Rohranschlussstück kann ein gerades oder ein gebogenes Rohranschlussstück sein. Die Vorlaufleitung, die Rücklaufleitung, sowie das Heiz- und/oder Kühlsystem sind nicht Teil des Rohrwendelwärmetauschers. Ein Heiz- und/oder Kühlsystem ist ein Wärme- und/oder Kälte bereitstellendes System wie beispielsweise ein Heizgerät, ein Heizkessel, ein Kühlgerät, eine Kältemaschine. Vorlaufleitung und Rücklaufleitung sind fluidleitende Verbindungsleitungen zwischen dem Heiz- und/oder Kühlsystem und dem Rohrwendelwärmetauscher.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Rohrwendelwärmetauschers ist dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrwendelwärmetauscher, Rohrwindungen, Rohrverbindungsstücke und/oder Rohranschlussstücke umfassend, einteilig ausgebildet ist. Dieser einteilige Rohrwendelwärmetauscher kann sich durch eine geeignete Formgebung aus einem einzigen Rohrleitungsstück ergeben, oder als Baugruppe aus zusammengeschweißten oder zusammengeklebten Einzelkomponenten. Dies ist insbesondere hinsichtlich des Handlings und der Fluiddichtigkeit von Vorteil.
  • Alternativ ist der Rohrwendelwärmetauscher aus den Einzelkomponenten Rohrwindungen, Rohrverbindungsstücke und/oder Rohranschlussstücke mehrteilig ausgebildet.
  • Eine weitere Ausgestaltung des Rohrwendelwärmetauschers umfasst mindestens zwei im Wesentlichen helixförmige, fluidleitende Rohrabschnitte wie vorstehend beschrieben, wobei ein erster Rohrabschnitt zumindest abschnittsweise im Wesentlichen konzentrisch innerhalb eines zweiten Rohrabschnitts angeordnet ist. So ist ein innerer und ein äußerer Wärmetauscher-Abschnitt gegeben, wodurch ein besonders kompakter Aufbau erreicht ist.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Rohrwendelwärmetauschers umfasst einen Verteiler, der die Endabschnitte oder die Rohranschlussstücke an einem mindestens zwei Rohrabschnitte umfassenden Wärmetauschereingang fluidleitend verbindet, und umfasst ferner einen Sammler, der die Endabschnitte oder die Rohranschlussstücke an einem mindestens zwei Rohrabschnitte umfassenden Wärmetauscherausgang fluidleitend verbindet. Dabei sind der Verteiler und der Sammler dazu eingerichtet, die mindestens zwei Rohrabschnitte hydraulisch parallel geschaltet an eine Vorlaufleitung und eine Rücklaufleitung eines Heiz- und/oder Kühlsystems anzuschließen. Der Verteiler und der Sammler stellen somit Verbindungsstücke zwischen Vorlaufleitung bzw. Rücklaufleitung auf der einen Seite sowie mindestens zwei Rohrabschnitten des Rohrwendelwärmetauschers auf der anderen Seite dar. Damit sind die Rohrabschnitte hydraulisch parallel geschaltet, sind also parallel durchströmbar.
  • Der erfindungsgemäße Speicherbehälter zum Speichern eines Speicherfluids, mit einem Rohrwendelwärmetauscher zum Hindurchleiten eines Wärmeträgerfluids, wobei das Speicherfluid mittels des von Wärmeträgerfluid durchströmbaren Rohrwendelwärmetauschers erwärmbar und/oder abkühlbar ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrwendelwärmetauscher nach einer der vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen ausgebildet ist. Der Speicherbehälter kann ein hohlzylindrischer Speicherbehälter sein, das Speicherfluid kann ein Prozessfluid oder ein Heizungswasser oder ein Trinkwasser sein, das im Speicher bevorratet ist. Das Wärmeträgerfluid kann ein Prozessfluid oder ein Heizungswasser oder ein Trinkwasser sein, das den Wärmetauscher durchströmt. Dabei überträgt in dem Rohrwendelwärmetauscher das Speicherfluid seine Wärme auf das Wärmeträgerfluid, oder umgekehrt überträgt das Wärmeträgerfluid seine Wärme auf das Speicherfluid.
  • Ein weiterer erfindungsgemäßer Speicherbehälter zum Speichern eines Speicherfluids, mit einem Rohrwendelwärmetauscher zum Hindurchleiten eines Wärmeträgerfluids, wobei das Speicherfluid mittels des von Wärmeträgerfluid durchströmbaren Rohrwendelwärmetauschers erwärmbar und/oder abkühlbar ist, wobei der Speicherbehälter eine Behälter-Längsachse aufweist, und wobei der Rohrwendelwärmetauscher mindestens einen helixförmigen, fluidleitenden Rohrabschnitt mit einer Helixachse aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Helixachse winklig unter einem Winkel A zur Behälter-Längsachse angeordnet ist, wobei 0° kleiner oder gleich Winkel A kleiner oder gleich 45°, insbesondere 10° kleiner oder gleich Winkel A kleiner oder gleich 25°, beträgt. Die Behälter-Längsachse ist beispielsweise die Längsachse eines hohlzylindrischen Speicherbehälters. Die Helixachse ist winklig unter einem Winkel A zur Behälter-Längsachse angeordnet, der mindestens eine Rohrabschnitt des Rohrwendelwärmetauschers steht also schräg im Speicherbehälter.
  • Die Zeichnungen offenbaren beispielhafte Ausführungen des erfindungsgemäßen Rohrwendelwärmetauschers. Es zeigen
    • Figur 1
    einen ersten Rohrwendelwärmetauscher in Längs- und Querschnitt,
    Figur 2
    einen zweiten Rohrwendelwärmetauscher in Längs- und Querschnitt,
    Figur 3
    einen dritten Rohrwendelwärmetauscher in Längs- und Querschnitt,
    Figur 4
    einen vierten Rohrwendelwärmetauscher in Längs- und Querschnitt,
    Figur 5
    einen fünften Rohrwendelwärmetauscher in Längs- und Querschnitt,
    Figur 6
    einen ersten Speicherbehälter mit Rohrwendelwärmetauscher,
    Figur 7
    einen zweiten Speicherbehälter mit Rohrwendelwärmetauscher.
  • Figur 1 zeigt einen ersten Rohrwendelwärmetauscher (1) im Längsschnitt (Figur 1a) und Querschnitt (Figur 1b, Blick in Richtung der Helixachse von oben auf den Rohrwendelwärmetauscher), umfassend einen im Wesentlichen helixförmigen, fluidleitenden Rohrabschnitt (2) mit sieben aufeinander folgenden Rohrwindungen (3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g), wobei der Rohrabschnitt (2) mindestens ein um eine Helixachse (H) gebogenes Rohr umfasst. Aufeinander folgende Rohrwindungen (3; 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g) weisen zumindest abschnittsweise einen Versatz (V) senkrecht zur Helixachse (H) auf. Eine erste Rohrwindung (3a) weist einen im Wesentlichen konstanten ersten Biegeradius (Ra) auf. Eine an die erste Rohrwindung (3a) sich anschließende zweite Rohrwindung (3b) weist einen im Wesentlichen konstanten zweiten Biegeradius (Rb) auf. Dabei ist der zweite Biegeradius (Rb) vom ersten Biegeradius (Ra) verschieden, vorliegend kleiner. Ein dritter Biegeradius (Rc) einer dritten Rohrwindung (3c) ist im Wesentlichen gleich dem ersten Biegeradius (Ra). Ein vierter Biegeradius (Rd) einer vierten Rohrwindung (3d) ist im Wesentlichen gleich dem zweiten Biegeradius (Rb). Somit ergibt sich ein Rohrabschnitt (2) mit einer Durchmesserabfolge von aufeinander folgenden Rohrwindungen (3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g) nach dem Schema a. groß / b. klein mit Wiederholungen. Durch die verschiedenen Biegeradien (R) ergibt sich der Versatz (V) senkrecht zur Helixachse (H) zwischen den Rohrwindungen (3; 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g). Figur 1b zeigt eine Projektion des Rohrwendelwärmetauschers (1) auf eine zur Helixachse (H) senkrechte Projektionsebene (entspricht der Blattebene der Zeichnung), dabei bildet eine Rohrwindung (3; 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g) eine Abbildung, die im Wesentlichen ein Kreisring ist. Der Windungswinkel der ersten Rohrwindung (3a) beträgt im vorliegenden Beispiel etwa 340°. Der Windungswinkel der zweiten Rohrwindung (3b) beträgt im vorliegenden Beispiel ebenfalls etwa 340°. Der Rohrabschnitt (2) umfasst zwischen je zwei Rohrwindungen (3; 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g) ein Rohrverbindungsstück (4), wobei das Rohrverbindungsstück (4) aufeinander folgende Rohrwindungen verbindet. Der Rohrwendelwärmetauscher (1) umfasst zwei Rohranschlussstücke (5), wobei die Rohranschlussstücke (5) an den Endabschnitten (2 E) des Rohrabschnitts (2) angeordnet sind. Die Rohranschlussstücke (5) sind dazu eingerichtet, den Rohrwendelwärmetauscher (1) an eine Vorlaufleitung und eine Rücklaufleitung (nicht dargestellt) eines Heiz- und/oder Kühlsystems (nicht dargestellt) fluidleitend anzuschließen. Die Rohrwindungen (3), die Rohrverbindungsstücke (4) und/oder die Rohranschlussstücke (5) können als ein Bauteil (einteilig) ausgebildet sein, beispielsweise können sie aus einem einzigen Rohrstück geformt sein. Die Rohrwindungen (3), die Rohrverbindungsstücke (4) und/oder die Rohranschlussstücke (5) können auch als Einzelkomponenten gefertigt und stoffschlüssig miteinander verbunden (zum Beispiel verschweißt, verlötet oder verklebt) sein. Ferner können die Rohrwindungen (3), die Rohrverbindungsstücke (4) und/oder die Rohranschlussstücke (5) auch als Einzelkomponenten gefertigt und mittels Rohrleitungsverbindungselementen (zum Beispiel Flanschverbindung) lösbarer miteinander verbunden sein.
  • Figur 2 zeigt einen zweiten Rohrwendelwärmetauscher (1) im Längsschnitt (Figur 2a) und Querschnitt (Figur 2b). Um Wiederholungen zu vermeiden, wird für weitere Erläuterungen zur Figur 2 auf die Figurenbeschreibung zur Figur 1 verwiesen. Der Rohrwendelwärmetauscher (1) umfasst einen im Wesentlichen helixförmigen, fluidleitenden Rohrabschnitt (2) mit sechs aufeinander folgenden Rohrwindungen (3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f), wobei der Rohrabschnitt (2) mindestens ein um eine Helixachse (H) gebogenes Rohr umfasst. Aufeinander folgende Rohrwindungen (3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f) weisen zumindest abschnittsweise einen Versatz (Va, Vb) senkrecht zur Helixachse (H) auf. Eine erste Rohrwindung (3a) weist einen im Wesentlichen konstanten ersten Biegeradius (Ra) auf. Eine an die erste Rohrwindung (3a) sich anschließende zweite Rohrwindung (3b) weist einen im Wesentlichen konstanten zweiten Biegeradius (Rb) auf. Eine an die zweite Rohrwindung (3b) sich anschließende dritte Rohrwindung (3c) weist einen im Wesentlichen konstanten dritten Biegeradius (Rc) auf. Dabei ist der dritte Biegeradius (Rc) vom zweiten Biegeradius (Rb) verschieden, vorliegend größer, und ist der zweite Biegeradius (Rb) vom ersten Biegeradius (Ra) verschieden, vorliegend größer. Ein vierter Biegeradius (Rd) einer vierten Rohrwindung (3d) ist im Wesentlichen gleich dem ersten Biegeradius (Ra). Ein fünfter Biegeradius (Re) einer fünften Rohrwindung (3e) ist im Wesentlichen gleich dem zweiten Biegeradius (Rb). Ein sechster Biegeradius (Rf) einer sechsten Rohrwindung (3f) ist im Wesentlichen gleich dem dritten Biegeradius (Rc). Somit ergibt sich ein Rohrabschnitt mit einer Durchmesserabfolge von aufeinander folgenden Rohrwindungen (3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f) nach dem Schema a. klein / b. mittel / c. groß mit Wiederholungen. Durch die verschiedenen Biegeradien (R) ergibt sich ein erster Versatz (Va) senkrecht zur Helixachse (H) zwischen den Rohrwindungen (3a) und (3b) sowie zwischen (3d) und (3e), und ergibt sich ein zweiter Versatz (Vb) zwischen den Rohrwindungen (3b) und (3c) sowie zwischen (3e) und (3f).
  • Die Rohrwendelwärmetauscher (1) nach Figur 1 bzw. Figur 2 weisen einen Versatz (V) bzw. einen ersten Versatz (Va) und einen zweiten Versatz (Vb) über dem gesamten Windungswinkel von im Wesentlichen 360° auf.
  • Figur 3 zeigt einen dritten Rohrwendelwärmetauscher (1) im Längsschnitt (Figur 3a) und Querschnitt (Figur 3b). Um Wiederholungen zu vermeiden, wird für weitere Erläuterungen zur Figur 3 auf die vorstehenden Figurenbeschreibungen verwiesen. Die erste, dritte, fünfte und siebte Rohrwindung (3a, 3c, 3e, 3g) sind denen des Ausführungsbeispiels von Figur 1 sehr ähnlich und weisen einen bezüglich der Helixachse H konstanten ersten Biegeradius Ra auf. Die zweite, vierte und sechste Rohrwindung (3b, 3d, 3f) weisen einen bezüglich der Helixachse H variablen zweiten Biegeradius Rb auf, der entlang des Rohrs der Rohrwindung variiert; in einer alternativen Formulierung variiert der zweite Biegeradius Rb(W) in Abhängigkeit vom Windungswinkel W. Der Windungswinkel W ist hier gemessen ab einem als Startwinkel oder Nullwinkel bezeichneten Rohrwindungsanfang N. (In Bezug auf einen anderen, hier nicht dargestellten Mittelpunkt lässt sich der zweite Biegeradius Rb der hier dargestellten Rohrwindungen (3b, 3d, 3f) durchaus auch als konstant beschreiben.) Der Versatz V(W) senkrecht zur Helixachse H zwischen den aufeinander folgenden Rohrwindungen variiert somit ebenfalls in Abhängigkeit vom Windungswinkel W, wie die zwei Hinweise V(180°) und V(270°) zeigen. Der Rohrwendelwärmetauscher (1) nach Figur 3 kann vorteilhafterweise ohne Rohrverbindungsstücke (4) gefertigt werden.
  • Figur 4 zeigt einen vierten Rohrwendelwärmetauscher (1) im Längsschnitt (Figur 4a) und Querschnitt (Figur 4b). Um Wiederholungen zu vermeiden, wird für weitere Erläuterungen zur Figur 4 auf die vorstehenden Figurenbeschreibungen verwiesen. Auch der vierte Rohrwendelwärmetauscher (1) lässt sich als Rohrwindungen umfassend beschreiben, deren Biegeradius (Ra(W), Rb(W)) bezüglich der Helixachse H in Abhängigkeit vom Windungswinkel W variiert. Somit entsteht über große Bereiche des Windungswinkels ein Versatz V(W). Der vierte Rohrwendelwärmetauscher (1) lässt sich besonders einfach aus einem hohlzylindrischen, herkömmlich nach dem Stand der Technik gewickelten Rohrwendelwärmetauscher mit Rohrwindungen von konstantem Biegeradius herstellen, indem eine erste, dritte und fünfte Rohrwindung um den halben maximalen Versatz (V) aus einer Mittelachse heraus in die eine Richtung gebogen wird, und indem eine zweite, vierte und sechste Rohrwindung um den halben maximalen Versatz (V) aus der Mittelachse heraus in die andere Richtung gebogen wird.
  • Figur 5 zeigt einen fünften Rohrwendelwärmetauscher (1) im Längsschnitt (Figur 5a) und Querschnitt (Figur 5b). Um Wiederholungen zu vermeiden, wird für weitere Erläuterungen zur Figur 4 auf die vorstehenden Figurenbeschreibungen verwiesen. Der fünfte Rohrwendelwärmetauscher (1) umfasst zwei helixförmige, fluidleitende Rohrabschnitte (2, 20), zum Beispiel solche nach Figur 1, wobei ein erster Rohrabschnitt (20) zumindest abschnittsweise im Wesentlichen konzentrisch innerhalb eines zweiten Rohrabschnitts (2) angeordnet ist. Die wärmetauschereingangsseitigen Rohranschlussstücke (5) münden in einen Verteiler (6), der einen Anschluss zum Anschließen an eine Vorlaufleitung (nicht dargestellt) eines Heiz- und/oder Kühlsystems (nicht dargestellt) aufweist. Die wärmetauscherausgangsseitigen Rohranschlussstücke (5) münden in einen Sammler (7), der einen Anschluss zum Anschließen an eine Rücklaufleitung (nicht dargestellt) eines Heiz- und/oder Kühlsystems (nicht dargestellt) aufweist. Verteiler und Sammler sind dazu eingerichtet, die zwei Rohrabschnitte (2, 20) hydraulisch parallel geschaltet an die Vorlaufleitung und die Rücklaufleitung anzuschließen. Die aufeinander folgenden Rohrwindungen (3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f) des zweiten Rohrabschnitts (2) und die aufeinander folgenden Rohrwindungen (30a, 30b, 30c, 30d, 30e, 30f) des ersten Rohrabschnitts (20) weisen untereinander sowie zueinander einen Versatz (V3, V30) senkrecht zur Helixachse auf. Mit dem fünften Rohrwendelwärmetauscher (1) lässt sich eine besonders große Wärmemenge auf engem Raum übertragen.
  • Figur 6 zeigt im Längsschnitt einen mit beispielsweise kühlem Speicherfluid (F) gefüllten ersten Speicherbehälter (8) mit einem darin angeordneten sechsten Rohrwendelwärmetauscher (1). Das Speicherfluid (F) ist mittels des von Wärmeträgerfluid durchströmbaren Rohrwendelwärmetauschers erwärmbar und/oder abkühlbar. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird für weitere Erläuterungen zur Figur 6 auf die vorstehenden Figurenbeschreibungen verwiesen. Der sechste Rohrwendelwärmetauscher (1) ist von einem beispielsweise warmen Wärmeträgerfluid durchströmt und kann beispielsweise wie der in Figur 1 dargestellte erste Rohrwendelwärmetauscher (1) ausgebildet sein. Das kühle Speicherfluid (F) erwärmt sich an den Rohrwandungen der Rohrwindungen (3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g), wird dadurch leichter und strömt nach oben. In Behältermitte und/oder an der Behälterinnenwand strömt kühles Speicherfluid (F) nach unten. Somit stellt sich eine den Speicherbehälterinnenraum einnehmende Strömungswalze ein. Durch den Versatz zwischen den aufeinander folgenden Rohrwindungen (3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g) bietet sich dem aufströmenden Speicherfluid (F) eine effektiv größere Wärmeübertragerfläche (Oberfläche der Rohrwandungen) an, als es bei herkömmlichen Rohrwendelwärmetauschern (1) der Fall ist. Dadurch wird mehr Speicherfluid (F) erwärmt. Ein solcher Rohrwendelwärmetauscher (1) überträgt bei vergleichbarer Größe mehr Wärmeleistung als ein herkömmlicher Rohrwendelwärmetauscher; oder er kann zur Erreichung gleicher Wärmeleistung kleiner als ein herkömmlicher Rohrwendelwärmetauscher gebaut werden.
  • Figur 7 zeigt im Längsschnitt einen mit beispielsweise kühlem Speicherfluid (F) gefüllten zweiten Speicherbehälter (8) mit einem darin angeordneten siebten Rohrwendelwärmetauscher (1). Um Wiederholungen zu vermeiden, wird für weitere Erläuterungen zur Figur 7 auf die vorstehenden Figurenbeschreibungen verwiesen. Der Rohrwendelwärmetauscher (1) ist unter einem Winkel A von ca. 30° schräg zur Behälter-Längsachse (B) im Speicherbehälter (8) angeordnet. Dadurch stellt sich zwischen aufeinander folgenden Rohrwindungen (3) zumindest abschnittsweise ein vertikaler Versatz ein. Das kühle Speicherfluid (F) kann im Wesentlichen ungehindert jede Rohrwindung (3a, 3b, 3c, 3d) des Rohrwendelwärmetauscher (1) anströmen, wodurch mehr Speicherfluid (F) erwärmt wird. Ein solcher Rohrwendelwärmetauscher (1) überträgt bei vergleichbarer Größe mehr Wärmeleistung als ein herkömmlicher Rohrwendelwärmetauscher; oder er kann zur Erreichung gleicher Wärmeleistung kleiner als ein herkömmlicher Rohrwendelwärmetauscher gebaut werden.

Claims (11)

  1. Rohrwendelwärmetauscher (1) umfassend mindestens einen im Wesentlichen helixförmigen, fluidleitenden Rohrabschnitt (2) mit mindestens zwei aufeinander folgenden Rohrwindungen (3), wobei der Rohrabschnitt (2) mindestens ein um eine Helixachse (H) gebogenes Rohr umfasst,
    dadurch gekennzeichnet, dass aufeinanderfolgende Rohrwindungen (3) zumindest abschnittsweise einen Versatz (V) senkrecht zur Helixachse (H) aufweisen.
  2. Rohrwendelwärmetauscher (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass ein Biegeradius (R) entlang des Rohrs des Rohrabschnitts (2) zumindest abschnittsweise variiert.
  3. Rohrwendelwärmetauscher (1) nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Rohrwindung (3, 3a) einen im Wesentlichen konstanten ersten Biegeradius (R, Ra) aufweist, und dass eine an die erste Rohrwindung (3, 3a) sich anschließende zweite Rohrwindung (3, 3b) einen im Wesentlichen konstanten zweiten Biegeradius (R, Rb) aufweist, wobei der zweite Biegeradius (R, Rb) vom ersten Biegeradius (R, Ra) verschieden ist.
  4. Rohrwendelwärmetauscher (1) nach Anspruch 3,
    wobei eine an die zweite Rohrwindung (3, 3b) sich anschließende dritte Rohrwindung (3, 3c) einen im Wesentlichen konstanten dritten Biegeradius (R, Rc) aufweist, wobei der dritte Biegeradius (R, Rc) vom ersten Biegeradius (R, Ra) und vom zweiten Biegeradius (R, Rb) verschieden ist.
  5. Rohrwendelwärmetauscher (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrabschnitt (2) mindestens ein Rohrverbindungsstück (4) umfasst, wobei das Rohrverbindungsstück (4) die aufeinanderfolgenden Rohrwindungen (3) verbindet.
  6. Rohrwendelwärmetauscher (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend mindestens zwei Rohranschlussstücke (5), wobei die Rohranschlussstücke (5) an Endabschnitten (2 E) des Rohrabschnitts (2) angeordnet sind und dazu eingerichtet sind, den Rohrwendelwärmetauscher (1) an eine Vorlaufleitung und eine Rücklaufleitung eines Heiz- und/oder Kühlsystems fluidleitend anzuschließen.
  7. Rohrwendelwärmetauscher (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrwindungen (3), die Rohrverbindungsstücke (4) und/oder die Rohranschlussstücke (5) einteilig ausgebildet sind.
  8. Rohrwendelwärmetauscher (1) umfassend mindestens zwei im Wesentlichen helixförmige, fluidleitende Rohrabschnitte (2, 20) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein erster Rohrabschnitt (20) zumindest abschnittsweise im Wesentlichen konzentrisch innerhalb eines zweiten Rohrabschnitts (2) angeordnet ist.
  9. Rohrwendelwärmetauscher (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend einen Verteiler (6), der die wärmetauschereingangsseitigen Endabschnitte (2E) oder die Rohranschlussstücke (5) mindestens zweier Rohrabschnitte (2, 20) fluidleitend verbindet, und umfassend einen Sammler (7), der die wärmetauscherausgangsseitigen Endabschnitte (2E) oder die Rohranschlussstücke (5) mindestens zweier Rohrabschnitte (2, 20) fluidleitend verbindet, wobei der Verteiler (6) und der Sammler (7) dazu eingerichtet sind, die mindestens zwei Rohrabschnitte (2, 20) hydraulisch parallel geschaltet an eine Vorlaufleitung und eine Rücklaufleitung eines Heiz- und/oder Kühlsystems anzuschließen.
  10. Speicherbehälter (8) zum Speichern eines Speicherfluids (F), mit einem Rohrwendelwärmetauscher (1) zum Hindurchleiten eines Wärmeträgerfluids, wobei das Speicherfluid (F) mittels des von Wärmeträgerfluid durchströmbaren Rohrwendelwärmetauschers (1) erwärmbar und/oder abkühlbar ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrwendelwärmetauscher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist.
  11. Speicherbehälter (8) zum Speichern eines Speicherfluids (F), mit einem Rohrwendelwärmetauscher (1) zum Hindurchleiten eines Wärmeträgerfluids, wobei das Speicherfluid (F) mittels des von Wärmeträgerfluid durchströmbaren Rohrwendelwärmetauschers (1) erwärmbar und/oder abkühlbar ist, wobei der Speicherbehälter (8) eine Behälter-Längsachse (B) aufweist, und wobei der Rohrwendelwärmetauscher (1) mindestens einen helixförmigen, fluidleitenden Rohrabschnitt (2) mit einer Helixachse (H) aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Helixachse (H) winklig unter einem Winkel A zur Behälter-Längsachse (B) angeordnet ist, wobei 0° kleiner oder gleich Winkel A kleiner oder gleich 45°, insbesondere 10° kleiner oder gleich Winkel A kleiner oder gleich 25°.
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