EP4411306A1 - Wärmeübertrager - Google Patents

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EP4411306A1
EP4411306A1 EP24154591.2A EP24154591A EP4411306A1 EP 4411306 A1 EP4411306 A1 EP 4411306A1 EP 24154591 A EP24154591 A EP 24154591A EP 4411306 A1 EP4411306 A1 EP 4411306A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat exchanger
transfer medium
heat transfer
exchanger according
pipe section
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.)
Pending
Application number
EP24154591.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Johann Vogelmann
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.)
Viessmann Holding International GmbH
Original Assignee
Viessmann Climate Solutions SE
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 Viessmann Climate Solutions SE filed Critical Viessmann Climate Solutions SE
Publication of EP4411306A1 publication Critical patent/EP4411306A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/02—Tubular elements of cross-section which is non-circular
    • F28F1/025—Tubular elements of cross-section which is non-circular with variable shape, e.g. with modified tube ends, with different geometrical features
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/40—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only inside the tubular element
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/06—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media
    • F28F13/12—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media by creating turbulence, e.g. by stirring, by increasing the force of circulation
    • 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
    • F28D1/00—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators
    • F28D1/02—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid
    • F28D1/04—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits
    • F28D1/047—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits the conduits being bent, e.g. in a serpentine or zig-zag
    • F28D1/0477—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits the conduits being bent, e.g. in a serpentine or zig-zag the conduits being bent in a serpentine or zig-zag

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger according to the preamble of patent claim 1.
  • a heat exchanger of the type mentioned above is known from the patent document EN 10 2010 021 692 A1
  • This heat exchanger consists of at least two pipe sections through which a first, fluid heat transfer medium flows and around which a second, gaseous heat transfer medium flows, with the longitudinal axes of these two interconnected pipe sections being arranged parallel to one another.
  • the solution described in this document is particularly concerned with the manufacturing process of this heat exchanger.
  • the invention is based on the object of improving a heat exchanger of the type mentioned at the beginning.
  • a heat exchanger with an even better heat transfer is to be created.
  • each pipe section has an inner wall section with a helical surface structure for imparting a swirl that is stable in the direction of rotation within the respective pipe section to the first, fluid heat transfer medium, wherein the surface structures of the two pipe sections have opposite winding directions to each other.
  • the solution according to the invention is characterized by the fact that the first, fluid heat transfer medium is directed specifically to one side of the heat exchanger despite the opposing direction of the pipe sections, but thanks to the opposite winding directions. This in turn means that higher heat flow densities can be achieved on this side, which can be used specifically for improved heat transfer with the appropriate flow of the second, gaseous heat transfer medium from this side.
  • the first, fluid heat transfer medium which will be discussed in more detail below, is preferably present in two phases, namely a gaseous and a liquid phase.
  • the heat exchanger shown in the figures consists of at least two pipe sections 1, 2 through which a first, fluid heat transfer medium flows and around which a second, gaseous heat transfer medium flows, with longitudinal axes 1.1, 2.1 of these two interconnected pipe sections 1, 2 being arranged parallel to one another.
  • the pipe sections 1, 2 are designed to extend in a straight line.
  • the pipe sections 1, 2 preferably have a round (for example oval), particularly preferably a circular, internal cross-section.
  • rectangular, in particular square, cross-sections can also be provided. The rectangular cross-sections can then be designed either horizontally or vertically and preferably have a particularly small or large aspect ratio.
  • the heat exchanger is designed to work as an evaporator.
  • the pipe sections 1, 2 are designed to have a coolant of a refrigeration circuit flowing through them as the first heat transfer medium, preferably of a heat pump, and/or to have air (in particular ambient air) flowing around them as the second heat transfer medium.
  • the connecting pipe section 3 is preferably bent in a U-shape.
  • fins are arranged on the pipe sections 1, 2. These fins are preferably designed to extend in a plane arranged perpendicular to the longitudinal axes 1.1, 2.1.
  • each pipe section 1, 2 has an inner wall section 1.2, 2.2 with a helical surface structure 1.3, 2.3 in order to impart a rotationally stable swirl within the respective pipe section 1, 2 to the first fluid heat transfer medium, wherein the surface structures 1.3, 2.3 of the two pipe sections 1, 2 have opposite winding directions.
  • this requirement serves to specifically convey the first heat transfer medium to the side of the pipe section against which the second heat transfer medium flows in order to (further) improve the heat transfer of the heat exchanger.
  • the surface structure 1.3, 2.3 is correspondingly approximately helical.
  • each pipe section 1, 2 has an outer wall 1.4, 2.4 against which the second heat transfer medium flows and that the helical surface structure 1.3, 2.3 guides the first heat transfer medium flowing into the pipe section 1, 2 in the direction of the outer wall against which the second heat transfer medium flows.
  • 1.4, 2.4 is designed to be conductive.
  • the said outer wall 1.4, 2.4 preferably comprises half of the outer surface of the respective pipe section 1, 2.
  • helical surface structures 1.2, 2.2 with the same winding direction or smooth wall sections 1.5, 2.5 are provided for each pipe section 1, 2.
  • the helical surface structures 1.2, 2.2 are arranged at least at the beginning of the pipe sections 1, 2, preferably over the entire length of the pipe sections 1, 2.
  • the heat transfer medium at the inlet of the first pipe section 1 has a vapor content of at least 0.02, preferably at least 0.03, even more preferably at least 0.05, and very particularly preferably at least 0.1.
  • the heat transfer medium at the end of the last inner wall section (1.2, 2.2) has a vapor content of at least 0.5, preferably at least 0.7, even more preferably at least 0.9. In this case, it always applies that, for example, a vapor content of 0.3 corresponds to a coolant content of 30 percent by weight gas and 70 percent by weight liquid.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, umfassend mindestens zwei nacheinander von einem ersten, fluiden Wärmeträgermedium durch- und von einem zweiten, gasförmigen Wärmeträgermedium umströmte Rohrabschnitte (1, 2), wobei Längsachsen (1.1, 2.1) dieser beiden miteinander verbundenen Rohrabschnitte (1, 2) parallel zueinander verlaufend angeordnet sind. Nach der Erfindung ist vorgesehen, dass jeder Rohrabschnitt (1, 2) zur Aufprägung eines innerhalb des jeweiligen Rohrabschnitts (1, 2) drehrichtungsstabilen Dralls auf das erste, fluide Wärmeträgermedium einen Innenwandabschnitt (1.2, 2.2) mit einer schraubenlinienförmig ausgebildeten Oberflächenstruktur (1.3, 2.3) aufweist, wobei die Oberflächenstrukturen (1.3, 2.3) der beiden Rohrabschnitte (1, 2) zueinander entgegengesetzte Windungsrichtungen aufweisen.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Ein Wärmeübertrager der eingangs genannten Art ist aus dem Patentdokument DE 10 2010 021 692 A1 bekannt. Dieser Wärmeübertrager besteht aus mindestens zwei nacheinander von einem ersten, fluiden Wärmeträgermedium durch- und von einem zweiten, gasförmigen Wärmeträgermedium umströmten Rohrabschnitten, wobei Längsachsen dieser beiden miteinander verbundenen Rohrabschnitte parallel zueinander verlaufend angeordnet sind. Bei der in diesem Dokument beschriebenen Lösung geht es insbesondere um das Herstellungsverfahren dieses Wärmeübertragers.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeübertrager der eingangs genannten Art zu verbessern. Insbesondere soll ein Wärmeübertrager mit einer noch besseren Wärmeübertragung geschaffen werden.
  • Diese Aufgabe ist mit einem Wärmeübertrager der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
  • Nach der Erfindung ist also vorgesehen, dass jeder Rohrabschnitt zur Aufprägung eines innerhalb des jeweiligen Rohrabschnitts drehrichtungsstabilen Dralls auf das erste, fluide Wärmeträgermedium einen Innenwandabschnitt mit einer schraubenlinienförmig ausgebildeten Oberflächenstruktur aufweist, wobei die Oberflächenstrukturen der beiden Rohrabschnitte zueinander entgegengesetzte Windungsrichtungen aufweisen.
  • Mit anderen Worten zeichnet sich die erfindungsgemäße Lösung somit dadurch aus, dass das erste, fluide Wärmeträgermedium trotz der Gegenläufigkeit der Rohrabschnitte, aber Dank der entgegengesetzten Windungsrichtungen gezielt auf eine Seite des Wärmeübertragers gelenkt wird. Dies wiederum führt dazu, dass auf dieser Seite höhere Wärmestromdichten erreichbar sind, was bei entsprechender Anströmung mit dem zweiten, gasförmigen Wärmeträgermedium von dieser Seite gezielt für eine verbesserte Wärmeübertragung genutzt werden kann. Dabei liegt das erste, fluide Wärmeträgermedium, worauf weiter unten noch genauer eingegangen wird, vorzugsweise in zwei Phasen vor, nämlich einer gasförmigen und einer flüssigen Phase.
  • Andere vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
  • Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager einschließlich seiner vorteilhaften Weiterbildungen gemäß der abhängigen Patentansprüche wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Es zeigt schematisch
    • Figur 1
    in Seitenansicht den erfindungsgemäßen Wärmeübertrager mit insgesamt drei Rohrabschnitten;
    Figur 2
    als Ausschnitt und teilweise im Schnitt die beiden oberen Rohrabschnitte des Wärmeübertragers gemäß Figur 1; und
    Figur 3
    im Querschnitt ein einseitig (hier: von links) angeströmter Rohrabschnitt.
  • Der in den Figuren dargestellte Wärmeübertrager besteht aus mindestens zwei nacheinander von einem ersten, fluiden Wärmeträgermedium durch- und von einem zweiten, gasförmigen Wärmeträgermedium umströmten Rohrabschnitten 1, 2, wobei Längsachsen 1.1, 2.1 dieser beiden miteinander verbundenen Rohrabschnitte 1, 2 parallel zueinander verlaufend angeordnet sind. Dabei ist, wie dargestellt, bevorzugt vorgesehen, dass die Rohrabschnitte 1, 2 geradlinig erstreckt ausgebildet sind. Außerdem weisen die Rohrabschnitte 1, 2 vorzugsweise einen runden (zum Beispiel auch ovalen), besonders bevorzugt einen kreisrunden, Innenquerschnitt auf. Ebenso können aber auch rechteckige, insbesondere quadratische, Querschnitte vorgesehen sein. Die rechteckigen Querschnitte können dann wahlweise liegend oder stehend ausgebildet sein und vorzugsweise ein besonders kleines oder großes Aspektverhältnis aufweisen.
  • Weiterhin ist grundsätzlich bevorzugt vorgesehen, dass der Wärmeübertrager als Verdampfer arbeitend ausgebildet ist. Noch etwas genauer betrachtet, ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass die Rohrabschnitte 1, 2 wahlweise von einem Kältemittel eines Kältekreismittelkreislaufs als erstem Wärmeträgermedium vorzugsweise einer Wärmepumpe durch- und/oder von Luft (insbesondere Umgebungsluft) als zweitem Wärmeträgermedium umströmt ausgebildet sind.
  • Wie insbesondere aus Figur 1 ersichtlich, ist ferner bevorzugt vorgesehen, dass die Rohrabschnitte 1, 2 über einen Verbindungsrohrabschnitt 3 miteinander verbunden ausgebildet sind.
  • Dabei ist der Verbindungsrohrabschnitt 3 vorzugsweise u-förmig gebogen ausgebildet.
  • Zur Ausbildung eines möglichst effizienten Wärmeübertragers ist weiterhin noch bevorzugt vorgesehen (allerdings nicht extra dargestellt), dass an den Rohrabschnitten 1, 2 Lamellen angeordnet sind. Dabei sind diese Lamellen vorzugsweise in einer senkrecht zu den Längsachsen 1.1, 2.1 angeordneten Ebene erstreckt ausgebildet.
  • Wesentlich für den erfindungsgemäße Wärmeübertrager ist nun, dass jeder Rohrabschnitt 1, 2 zur Aufprägung eines innerhalb des jeweiligen Rohrabschnitts 1, 2 drehrichtungsstabilen Dralls auf das erste, fluide Wärmeträgermedium einen Innenwandabschnitt 1.2, 2.2 mit einer schraubenlinienförmig bzw. helixförmig ausgebildeten Oberflächenstruktur 1.3, 2.3 aufweist, wobei die Oberflächenstrukturen 1.3, 2.3 der beiden Rohrabschnitte 1, 2 zueinander entgegengesetzte Windungsrichtungen aufweisen. Wie eingangs erläutert, dient diese Maßgabe dazu, das erste Wärmeträgermedium gezielt zur vom zweiten Wärmeträgermedium angeströmten Seite des Rohrabschnitts zu befördern, um die Wärmeübertragung des Wärmeübertragers (weiter) zu verbessern. Bei den vorgenannten rechteckigen Querschnitten ist die Oberflächenstruktur 1.3, 2.3 entsprechend angenähert schraubenlinien- bzw. helixförmig ausgebildet.
  • Noch etwas genauer betrachtet, ist dazu besonders bevorzugt vorgesehen, dass jeder Rohrabschnitt 1, 2 eine vom zweiten Wärmeträgermedium angeströmte Außenwandung 1.4, 2.4 aufweist und dass die schraubenlinienförmig ausgebildete Oberflächenstruktur 1.3, 2.3 in den Rohrabschnitt 1, 2 einströmendes erstes Wärmeträgermedium in Richtung der angeströmten Außenwandung 1.4, 2.4 leitend ausgebildet ist. Die besagte Außenwandung 1.4, 2.4 umfasst dabei bevorzugt die Hälfte der Außenoberfläche des jeweiligen Rohrabschnitts 1, 2.
  • Zur Realisierung des vorgenannten "drehrichtungsstabilen Dralls", also eines Dralls, der sich über die gesamte Länge eines Rohrabschnitts 1, 2 nicht (wesentlich) ändert, insbesondere seine Drehrichtung beibehält (und höchstens abnimmt, sich aber nicht umkehrt), sind ferner bevorzugt pro Rohrabschnitt 1, 2 wahlweise schraubenlinienförmig ausgebildete Oberflächenstrukturen 1.2, 2.2 mit gleicher Windungsrichtung oder glatte Wandungsabschnitte 1.5, 2.5 vorgesehen.
  • Zur frühzeitigen Aufprägung des Dralls ist dabei ferner bevorzugt vorgesehen, dass die schraubenlinienförmig ausgebildeten Oberflächenstrukturen 1.2, 2.2 jeweils mindestens am Anfang der Rohrabschnitte 1, 2 angeordnet sind, vorzugsweise über die gesamte Länge der Rohrabschnitte 1, 2.
  • Schließlich ist, da sich auf diese Weise die Wärmeübertragung noch weiter steigern lässt, bevorzugt vorgesehen, dass das Wärmeträgermedium am Eintritt des ersten Rohrabschnitts 1 einen Dampfgehalt von mindestens 0,02, vorzugsweise von mindestens 0,03, noch bevorzugter von mindestens 0,05, ganz besonders bevorzugt von mindestens 0,1, aufweist. Ferner ist umgekehrt betrachtet noch bevorzugt vorgesehen, dass das Wärmeträgermedium am Ende des letzten Innenwandabschnitts (1.2, 2.2) einen Dampfgehalt von mindestens 0,5, vorzugsweise von mindestens 0,7, noch bevorzugter von mindestens 0,9, aufweist. Dabei gilt stets, dass zum Beispiel ein Dampfgehalt von 0,3 einem Kältemittelanteil von 30 Gewichtsprozent Gas und 70 Gewichtsprozent Flüssigkeit entspricht.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Rohrabschnitt
    1.1
    Längsachse
    1.2
    Innenwandabschnitt
    1.3
    Oberflächenstruktur
    1.4
    Außenwandung
    1.5
    glatter Wandungsabschnitt
    2
    Rohrabschnitt
    2.1
    Längsachse
    2.2
    Innenwandabschnitt
    2.3
    Oberflächenstruktur
    2.4
    Außenwandung
    2.5
    glatter Wandungsabschnitt
    3
    Verbindungsrohrabschnitt

Claims (10)

  1. Wärmeübertrager, umfassend mindestens zwei nacheinander von einem ersten, fluiden Wärmeträgermedium durch- und von einem zweiten, gasförmigen Wärmeträgermedium umströmte Rohrabschnitte (1, 2), wobei Längsachsen (1.1, 2.1) dieser beiden miteinander verbundenen Rohrabschnitte (1, 2) parallel zueinander verlaufend angeordnet sind,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass jeder Rohrabschnitt (1, 2) zur Aufprägung eines innerhalb des jeweiligen Rohrabschnitts (1, 2) drehrichtungsstabilen Dralls auf das erste, fluide Wärmeträgermedium einen Innenwandabschnitt (1.2, 2.2) mit einer schraubenlinienförmig ausgebildeten Oberflächenstruktur (1.3, 2.3) aufweist, wobei die Oberflächenstrukturen (1.3, 2.3) der beiden Rohrabschnitte (1, 2) zueinander entgegengesetzte Windungsrichtungen aufweisen.
  2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass jeder Rohrabschnitt (1, 2) eine vom zweiten Wärmeträgermedium angeströmte Außenwandung (1.4, 2.4) aufweist und dass die schraubenlinienförmig ausgebildete Oberflächenstruktur (1.3, 2.3) in den Rohrabschnitt (1, 2) einströmendes erstes Wärmeträgermedium in Richtung der angeströmten Außenwandung (1.4, 2.4) leitend ausgebildet ist.
  3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass pro Rohrabschnitt (1, 2) wahlweise schraubenlinienförmig ausgebildete Oberflächenstrukturen (1.2, 2.2) mit gleicher Windungsrichtung oder glatte Wandungsabschnitte (1.5, 2.5) vorgesehen sind.
  4. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die schraubenlinienförmig ausgebildeten Oberflächenstrukturen (1.2, 2.2) jeweils mindestens am Anfang der Rohrabschnitte (1, 2) angeordnet sind.
  5. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das erste, fluide Wärmeträgermedium am Eintritt des ersten Rohrabschnitts (1) einen Dampfgehalt von mindestens 0,02 aufweist.
  6. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Rohrabschnitte (1, 2) über einen Verbindungsrohrabschnitt (3) miteinander verbunden ausgebildet sind.
  7. Wärmeübertrager nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Verbindungsrohrabschnitt (3) u-förmig gebogen ausgebildet ist.
  8. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass an den Rohrabschnitten (1, 2) Lamellen angeordnet sind.
  9. Wärmeübertrager nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Lamellen in einer senkrecht zu den Längsachsen (1.1, 2.1) angeordneten Ebene erstreckt ausgebildet sind.
  10. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Rohrabschnitte (1, 2) einen runden Innenquerschnitt aufweisen.
EP24154591.2A 2023-02-06 2024-01-30 Wärmeübertrager Pending EP4411306A1 (de)

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