Wärmetauscher
Beschreibung :
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit einem in Längsrichtung von einem ersten Medium durchströmten Gehäuse und mit einer Mehrzahl von in Gehäuselängsrichtung angeordneten und von einem zweiten Medium durchströmten Wärmetauscherrohren, wobei die Wärmetauscherrohre als schrauben- wendelför ige Rohrstränge ausgebildet sind und in Gehäusestirnansicht wenigstens einen Rohrbündelring formen.
Ein Wärmetauscher der eingangs beschriebenen Gestaltung wird im Rahmen der US 5 165 472 beschrieben. Hier sind mehrere schraubenwendelförmige Rohrstränge vorgesehen, die einen einzigen Rohrbündelring formen. Im Übrigen sind die jeweils schraubenwendelförmigen Rohrstränge offensichtlich nur eingangs- und ausgangsseitig fixiert, bilden also letztlich ein im Gehäuse frei hängendes Rohrgeflecht. Das ist aus Stabilitätsgründen nachteilig. Auch lassen sich mit der bekannten Gestaltung nicht flexibel verschieden große Wärmetauscher realisieren.
Darüber hinaus kennt man durch die DE 36 11 696 AI einen Wärmetauscher, bei welchem eine Mehrzahl von Rohrbündeln in Längsrichtung des Gehäuses angeordnet ist. Die Rohrbündel sind aus schlangenlinienförmig verlaufenden, mit vertikalen oder schrägen Abschnitten und bogenförmigen Abschnitten geführten, in Längsrichtung gereihten Kühlmittelrohren aufgebaut. An die Rohrbündel sind quer zur Längsrichtung verlaufende Kühlmittelverteilerrohre und Kühlmittelsammel- röhre angeschlossen.
Bei einer anderen bekannten Ausführungsform gemäß DE 195 32 694 Cl sind die Kühlmittelrohre als Kühlspiralen mit einem zentralen Kühlmitteleintritt und einem außenrandseitigen Kühlmittelaustritt ausgebildet. Eine Mehrzahl von Kühlspiralen ist in Strömungsrichtung des zu kühlenden Mediums mit vorgegebenen Abständen zwischen den Kühlspiralen gereiht und angeordnet. Im Zentrum der Kühlspiralen verläuft ein Kühlmittelverteilerrohr, am Außenrand der Kühlspiralen ein Kühlmittelsammelrohr .
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, einen Wärmetauscher der eingangs beschriebenen Ausführungsform zu schaffen, der sich durch kompakten und an verschiedene Gegebenheiten anpassbaren Aufbau auszeichnet und über eine erhöhte Wärmeübertragung zwischen den beiden Medien verfügt .
Zur Lösung dieser technischen Problemstellung ist ein gattungsgemäßer Wärmetauscher dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Rohrbündelringe in konzentrischer Anordnung vorgesehen sind, wobei die benachbarten Rohrstränge der Rohrbündelringe mit ihren Schraubenwendeln um ein vorgegebenes Maß in die Gangabstände zwischen den Schraubenwendeln eingreifen.
Bevorzugt sind die Rohrstränge eintrittsseitig und austrittsseitig an Verteilerrohre mit Mediumeintritt und Mediumaustritt angeschlossen. Wie üblich ermöglicht der beschriebene Wärmetauscher den Wärmeaustausch zwischen dem ersten Medium und dem zweiten Medium. Dabei handelt es sich bei dem ersten Medium regelmäßig um ein gasförmiges Medium,
wenngleich hier auch flüssige Medien denkbar sind. Dagegen ist das zweite Medium üblicherweise als flüssiges Medium ausgeführt und stellt größtenteils ein Kühlmedium dar. Dabei wird der beschriebene Wärmetauscher vorteilhaft in Untertagebetrieben oder im Tunnelbau als Wetterkühler eingesetzt. Aber auch Verwendungen als Verdampfer, Verflüssiger und selbst zur Wassergewinnung aus der Atmosphäre sind denkbar und werden umfasst.
Aufgrund dieser Erfindungsmaßnahmen werden die Wärmetauscherrohre anders als bei herkömmlichen Wärmetauschern optimal von dem ersten bzw. gasförmigen Medium, zum Beispiel Luft umspült. Aus diesem Grund kann mit einer verhältnismäßig geringen Geschwindigkeit des ersten Mediums bzw. einer verhältnismäßig geringen Luftgeschwindigkeit gearbeitet werden und wird dennoch eine hervorragende Wärmeübertragung mit dem zweiten Medium bzw. flüssigen Kühlmedium erreicht .
Da die Wärmeübertragung zwischen zwei strömenden Medien von verschiedenen Temperaturen stattfindet, handelt es sich in Strenge um einen Wärmedurchgang. Hierbei gibt das vorzugsweise gasförmige erste Medium mit der höheren Temperatur zuerst in einem Wärmeübergang Wärme an die Oberfläche der Wärmetauscherrohre ab, die dann durch die Wärmeleitung durch die Rohrwand an die andere Oberfläche der Wärmetauscherrohre geht und von dort in einem zweiten Wärmeübergang an das zweite Medium bzw. Kühlmedium abgegeben wird.
Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass der K-Wert, der sich aus dem Wärmeübergangskoeffizienten auf beiden Seiten der Wärmetauscherrohre und dem Wärmeleitkoeffizienten der Rohrwand der Wärmetauscherrohre zusammen- setzt, um ein drei- bis vierfaches gegenüber dem K-Wert bekannter Wärmetauscher erhöht wird. Das gelingt wegen der optimierten Umspülung der Wärmetauscherrohre mit verhältnismäßig geringen Luftgeschwindigkeiten bzw. Geschwindigkeiten des gasförmigen Mediums und folglich mit reduzierter Antriebsleistung für den zur Erzeugung der Luftströmung bzw. -geschwindigkeit dienenden Verdichter, bei dem es sich bevorzugt um einen Ventilator handelt. Im Ergebnis arbeitet der erfindungsgemäße Wärmetauscher hinsichtlich seiner Kühlleistung mit einem optimalen Wirkungsgrad.
Weitere erfindungswesentliche Merkmale sind im Folgenden aufgeführt. So sieht die Erfindung vor, dass die Rohrbündelringe sich dicht bei dicht konzentrisch umgeben, so dass sie zwangsläufig vollständig von dem gasförmigen Medium bzw. der Luft umströmt werden. Dabei kann der äußere bzw. äußerste Rohrbündelring unmittelbar von dem Gehäuse, z. B. einem Stahlmantel umgeben sein. Die übrigen Rohrbündelringe sind vorzugsweise endseitig von Montagemanschetten umgeben, um deren kreisförmige Anordnung im Zuge der Montage in das Gehäuse zu fixieren. Weiter sieht die Erfindung vor, dass die Rohrstränge bzw. Schraubenwendeln der Rohrbündelringe in vorgegebenen Abständen miteinander verschweißt oder verlötet sind, um auch insoweit eine einwandfreie Fixierung in ihrer Positionierung zu erreichen. Regelmäßig bestehen die Wärmetauscherrohre aus
Edelstahl oder Kupfer.
Um eine versatzfreie Anordnung benachbarter Rohrstränge zueinander zu erreichen, sieht die Erfindung weiter vor, dass benachbarte Rohrstränge mit jeweils rechtsgewickelten und linksgewickelten Schraubenwendeln ineinandergreifen. Durch die gegenläufige Wicklung benachbarter Rohrstränge wird der durch die Schraubenwendel vorgegebene Versatz bei ineinandergreifenden Rohrsträngen gleichsam kompensiert. Vorzugsweise beträgt die Eingriffstiefe der Schraubenwendel benachbarter Rohrstränge 1/2 bis 1/3 des Schraubenwendel- durchmessers in stirnseitiger Projektion. Auf diese Weise werden optimale Strömungsverhältnisse bei verhältnismäßig geringen Druckverlusten erreicht, wobei der Wärmeaustausch in Folge von Turbulenzen optimiert wird, die sich beim Durchströmen und Umströmen der Rohrstränge einstellen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher in schemati- scher Seitenansicht mit geschnittenem Gehäuse,
Fig. 2 eine Stirnansicht auf den Gegenstand nach Fig. 1 gemäß der Linie AA und
Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Gegenstand nach Fig. 1.
In den Figuren ist ein Wärmetauscher mit einem in Längs- richtung von einem ersten Medium durchströmten Gehäuse 1
und mit einer Mehrzahl von in Gehäuselängsrichtung angeordneten und von einem zweiten Medium durchströmten Wärmetauscherrohren 2 dargestellt. Bei dem ersten Medium handelt es sich um ein gasförmiges Medium, zum Beispiel Luft. Das zweite Medium ist als flüssiges Kühlmedium ausgebildet.
Die Wärmetauscherrohre 2 sind als schraubenwendelförmige Rohrstränge 3 ausgebildet. Diese Rohrstränge 3 sind eintrittsseitig und austrittsseitig an Verteilerrohre 4 mit Mediumeintritt 5 und Mediumaustritt 6 angeschlossen. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels handelt es sich bei den Verteilerrohren 4 um Kühlmittelverteilerrohre 4 mit Kühlmitteleintritt 5 und Kühlmittelaustritt 6. Folgerichtig sind die Rohrstränge 3 kühl itteleintrittsseitig und kühl- mittelaustrittsseitig an die Kühlmittelverteilerrohre 4 mit Kühlmitteleintritt 5 und Kühlmittelaustritt 6 angeschlossen.
Ferner ist ein Ventilator 7 eingangsseitig des Gehäuses 1 vorgesehen, welcher dafür sorgt, dass das gasförmige Medium bzw. die Luft das Gehäuse 1 in Gehäuselängsrichtung durchströmt .
Die in Gehäuselängsrichtung verlaufenden Rohrstränge 3 bilden in Gehäusestirnansicht (vgl. Fig. 2) mehrere Rohrbündelringe 8. Im Rahmen des Ausführungsbeispiels sind vier Rohrbündelringe 8 vorgesehen, und zwar jeweils in konzentrischer Anordnung zueinander. Man erkennt, dass zu jedem Rohrbündelring 8 in Stirnansicht ein Verteilerrohr 4 gehört, wobei die kreisringförmig verlaufenden Verteilerrohre 4 wie die kreisringförmig angeordneten Rohrbündel-
ringe 8 jeweils konzentrisch zu einem gemeinsamen Zentrum des Gehäuses 1 angeordnet sind. Verbindungsleitungen zwischen den jeweils ringförmigen Verteilerrohren 4 sorgen dafür, dass das flüssige Kühlmedium beginnend vom Kühl- mitteleintritt 5 die jeweiligen Rohrstränge 3 durchströmt und den Wärmetauscher über den Kühlmittelaustritt 6 verlässt .
Benachbarte Rohrstränge 3 der Rohrbündelringe 8 greifen mit ihren Schraubenwendeln 9 um ein vorgegebenes Maß in Gangabstände A zwischen den Schraubenwendeln 9 ein. Das ist in Fig. 3 dargestellt. Durch diese Ineinanderschachtelung der Rohrstränge 3 in Gehäuselängsrichtung wird in dieser Dimension bereits ein äußerst kompakter Aufbau erreicht.
Hinzu kommt, dass sich die konzentrischen Rohrbündelringe 8 dicht bei dicht umgeben, so dass auch in Querrichtung des Gehäuses 1 eine optimale Raumausnutzung ohne Leerräume gegeben ist. Der äußere bzw. äußerste Rohrbündelring 8a wird dabei unmittelbar von dem Gehäuse 1 umgeben, bei dem es sich im Rahmen der Darstellung um einen Stahlmantel handelt. Dagegen werden die übrigen (inneren) Rohrbündelringe 8 jeweils endseitig von Montagemanschetten 10 umgeben bzw. umreift.
Aufgrund dieser Ausgestaltung können die einzelnen Rohrbündelringe 8 mit den zugehörigen Montagemanschetten 10 vorgefertigt und als Module in das Gehäuse 1 eingesetzt werden, welches bereits mit dem äußersten Rohrbündelring 8a ausgerüstet ist. Diese Montagefreundlichkeit wird noch dadurch unterstützt, dass jedem Modul gleichsam ein Ring
des Verteilerrohres 4 zugeordnet ist. Das wird anhand der Fig. 2 besonders deutlich.
Die Rohrstränge 3 bzw. Schraubenwendel 9 der Rohrbündel- ringe 8 sind in vorgegebenen Abständen miteinander verschweißt, verlötet oder sonst wie untereinander verbunden. Dabei greifen benachbarte Rohrstränge 3 mit jeweils rechtsgewickelten und linksgewickelten Schraubenwendeln 9 ineinander ein, wie die Fig. 3 zeigt. Die zugehörige Eingriffstiefe T der Schraubenwendel 9 benachbarter Rohrstränge 3 beträgt in diesem Zusammenhang 1/2 bis 1/3 des Schraubenwendeldurchmessers in stirnseitiger Projektion (vgl. die Fig. 3 sowie die Vergrößerung nach Fig. 2) .