DE4142203C2 - Wendelwärmeübertrager mit dreieckigem Rohrquerschnitt - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmeübertrager nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein derartiger Wärmeübertrager ist aus der GB 334 333 bekannt. Zwei Rohre mit verschieden großen kreisförmigen Querschnitten werden zu Wendeln geformt, deren Wendeldurchmesser ebenfalls unter­ schiedlich ist. Auf diese Weise kann die Wendel mit dem kleineren Durchmesser in die Wendel mit dem größeren Durchmesser eingeschraubt werden, so daß sich insgesamt ein hohlzylindrischer Wärmeübertrager ergibt. Die Wandung dieses Wärmeübertragers besteht abwechselnd aus den Wendelgängen der größeren und der kleineren Wendel, so daß sich insgesamt ein etwa zickzackförmiger Aufbau der Wandung des Hohl­ zylinders ergibt.

Wendel- bzw. hohlzylinderförmige Wärmeübertrager bieten eine gute Leistung bei kleinem Raumbedarf. Sie gehören daher allgemein zum Stand der Technik und sind beispielsweise auch aus der DE 31 22 947 A1 bekannt (Fig. 9). Bei dieser Ausführung weisen die beiden ineinandergeschobenen Wendeln den gleichen Durchmesser auf, so daß sich hier kein zickzack­ förmiger Verlauf der Wandung des Hohlzylinders er­ gibt.

Wie bei dem letztgenannten Stand der Technik ist auch bei der US 43 16 502 eine Verbesserung der Wärmeübertragung zwischen den beiden benachbarten Wendeln angestrebt worden, indem die Kontaktfläche zwischen den beiden Wendeln gebogen oder wellig ver­ läuft und auf diese Weise gegenüber einer geradlini­ gen Kontaktfläche vergrößert ist. Die US 43 16 502 schlägt für eine besonders große Kontaktfläche zwischen den beiden Wendeln vor, die eine Wendel durch zwei Halbwendeln zu ersetzen, welche die andere Wendel von zwei Seiten beaufschla­ gen können und damit eine besonders große Wärmeüber­ tragungsfläche schaffen.

Zur Wärmeübertragung bei Medien, die jeweils nur eine Phase aufweisen, sind die beschriebenen Wärme­ übertrager gut geeignet. Weniger gut eignen sie sich für Zwei-Phasen-Medien, da eine Vermischung beider Phasen auftritt, die die optimale Wärmeübertragung behindert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gat­ tungsgemäßen Wärmeübertrager dahingehend zu verbes­ sern, daß er eine möglichst intensive Wärmeübertra­ gung gewährleistet und vorteilhaft auch bei Medien verwendbar ist, von denen zumindest eines zweiphasig vorliegen kann.

Diese der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die Ausgestaltung gemäß Anspruch 1 gelöst.

Die Erfindung schlägt mit anderen Worten vor, den Hohlzylinder aus zwei Wendeln aufzubauen, die inein­ ander regelrecht verzahnt sind, wobei die Rohrquer­ schnitte in diesem Verzahnungsbereich dreieckig ausgebildet sind, so daß sich eine möglichst große Wärmeübertragungsfläche ergibt.

Vergrößerungen der Wärmeübertragungsflächen und der Kontaktflächen zwischen den einzelnen Rohren sind aus dem Stand der Technik vielfach bekannt, wobei häufig Lötverbindungen vorgeschlagen werden oder das Eintauchen eines derartigen Wärmeübertragers in ein Metallbad.

Dabei wurde die Vergrößerung der Kontaktfläche beider Rohre angestrebt, der Querschnitt der ein­ zelnen Rohre blieb jedoch völlig unbeachtet und wurde zumeist rechtwinklig oder kreisförmig ge­ wählt. Aufgrund des guten Verhältnisses von Platz­ bedarf zur Leistung eines hohlzylindrischen Wen­ delwärmeübertragers wurden Optimierungsversuche bisher offensichtlich nicht angestellt.

Völlig außerachtgelassen wurde die Tatsache, daß aufgrund des wendelförmigen Rohrverlaufs Flieh­ kräfte auf das im Rohr befindliche Medium ein­ wirken. Sobald das Medium zweiphasig vorliegt, findet daher automatisch eine Trennung der beiden Phasen statt. Diese Trennung wird durch die erfin­ dungsgemäße Ausbildung des Rohrquerschnitts be­ günstigt.

Aufgrund des erfindungsgemäß ausgebildeten Rohrquer­ schnitts kann diese Zweiphasentrennung auf einfache Weise dazu ausgenutzt werden, die Leistung des Wärmeübertragers zu erhöhen und eine intensivere Wärmeübertragung zu ermöglichen.

So kann bei der Ausgestaltung des Wärmeübertragers als Verdampfer beispielsweise die innere Wendel zur Mitte des Hohlzylinders hin einen ausgebauchten Rohrquerschnitt aufweisen, so daß dort ein relativ großer Raum für das entstehende Gas vorhanden ist. Durch die Zentrifugalkraft wird die zu verdampfende Flüssigkeit immer in dem radial äußeren Bereich, al­ so in der Spitze des Dreiecks dieser inneren Wendel geführt. Diese Spitze liegt im Zwickel zweier be­ nachbarter Heizrohrabschnitte, so daß das zu ver­ dampfende Fluid intensiv durch die beiden benach­ barten Rohrabschnitte der äußeren Wendel beheizt werden kann.

Weiterhin können bei der Ausbildung des Wärmeüber­ tragers als Verdampfer die Rohrquerschnitte der äußeren Wendel zur Zylindermitte hin eingezogen sein, so daß sich das Heizmedium nahezu aus­ schließlich in dem Bereich befindet, der den beiden benachbarten inneren Rohrabschnitten anliegt, wobei in diesen Rohren das zu verdampfende Fluid geführt wird.

Bei der Ausbildung als Kondensator kann die innere Rohrwendel vorteilhafterweise das Kühlmittel führen, während in der äußeren Wendel das zu kondensierende Gas geführt wird. Dabei können nach unten verlaufen­ de Aussackungen im Rohrquerschnitt der äußeren Wen­ del vorgesehen sein, in denen sich das Kondensat sammelt. In der steilen Wendelung fließt es schnell ab. Aufgrund des auf diese Weise vergrößerten Rohr­ querschnittes der äußeren Wendel können die einzel­ nen Wendelgänge der äußeren Wendel sich schuppen­ artig überlappen.

Hierdurch wird der Vorteil erzielt, daß eine opti­ male Trennung zwischen Kondensat und Gasphase er­ zielt wird, so daß die Gasphase intensiv von dem Kühlmittel abgekühlt werden kann.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen im fol­ genden näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines vorschlags­ gemäßen Wärmeübertragers, der als Verdampfer ausgelegt ist, wobei ledig­ lich ein Teil der Wandung eines Hohl­ zylinders dargestellt ist,

Fig. 2 zeigst einen ähnlichen Wandungsaus­ schnitt, jedoch für einen Kondensator und

Fig. 3 zeigt einen ähnlichen Wandungsaus­ schnitt für einen Abgaswärmeübertrager.

In Fig. 1 ist ein Ausschnitt der Wandung eines hohl­ zylindrischen Wärmeübertragers dargestellt, wobei diese Wandung aus zwei getrennten wendelförmigen Rohren besteht. In einem ersten Rohr 1 wird das Heizmedium geführt, wobei das Rohr 1 die äußere Wen­ del bildet. Eine innere Wendel wird aus einem Rohr 2 gebildet, in welchem die zu verdampfende Flüssigkeit geführt wird.

Aufgrund der Zentrifugalkräfte erfolgt automatisch eine Trennung der beiden Phasen innerhalb der inneren Wendel. Die zu verdampfende Flüssigkeit als Phase mit der höheren Dichte wird durch die Flieh­ kraft nach außen, also in die Spitze des Rohrquer­ schnitts des Rohres 2 gedrängt. Auf diese Weise kann dort ein intensiver Wärmeübergang durch die benachbarten Rohrabschnitte des Rohres 1 gewähr­ leistet werden und die Verdampfung innerhalb des Rohres 2 fördern.

Das äußere Rohr 1 ist in seiner Außenseite leicht eingezogen, so daß eine Querschnittsverringerung stattfindet und das eingesetzte Heizmedium mög­ lichst optimal lediglich im Bereich der beiden Ab­ schnitte des Rohres 1 anliegt, die jeweils mit dem Rohr 2 Kontakt haben.

Innerhalb des Rohrquerschnitts besteht an dem zur Wendelachse gerichteten inneren Wandungsabschnitt der äußeren Wendel die Gefahr, daß bei Teillast­ betrieb ein Strömungsabriß erfolgt. Gerade dort ist aber die intensivste Wärmeübertragung möglich. Durch die einfallende bzw. eingezogene äußere Wandung wird das Fluid zur dichten Anlage an der radial inneren Wandung des äußeren Rohres gezwungen, so daß die intensive Wärmeübertragung mit dem zu verdampfenden Medium gewährleistet wird.

Das innere Rohr 2 weist einen Querschnitt auf, der zum Inneren des Wärmeübertragers hin ausgebaucht ist, um auf diese Weise einen möglichst großen Raum für die entstehende Gasphase zur Verfügung zu stellen.

Bei der Ausbildung eines vorschlagsgemäßen Wärme­ übertragers als Kondensator (Fig. 2) ist ebenfalls ein äußeres Rohr 1a und ein inneres Rohr 2a vorge­ sehen. Im Kontaktbereich der beiden Rohre 1a und 2a sind diese ähnlich wie in Fig. 1 dreieckig ausge­ bildet. Das innere Rohr 2a führt in diesem Fall jedoch das Kühlmittel, während im äußeren Rohr 1a das zu kondensierende Medium geführt wird.

Das äußere Rohr 1a weist in diesem Fall eine Quer­ schnittsvergrößerung auf, wobei diese als nach unten gerichtete Aussackung 3 ausgebildet ist. Auf­ grund des so vergrößerten Querschnitts des Rohres 1a überlappen sich die einzelnen Windungen der Wen­ del des Rohres 1a. Durch die Zentrifugalkraft wird das Kondensat im radial äußeren Bereich des Rohrs 1a, also in der Aussackung 3, gesammelt.

Auch in diesem Fall trägt die Zentrifugalkraft für eine saubere Trennung der beiden Phasen Sorge und gewährleistet, daß die zu kondensierende gasförmige Phase innerhalb des Rohres 1a möglichst ungestört dem Kühlmittel benachbart bleibt. Eine Vermischung der Phasen findet aufgrund der wendelförmigen Rohr­ führung nicht statt und zudem wird durch die teil­ weise dreieckige Ausbildung der Rohrquerschnitte für eine intensive Wärmeübertragung Sorge getragen, ohne daß die jeweils unerwünschte Phase die optimale Wärmeübertragung behindert.

In Fig. 3 ist ein Ausschnitt aus einem Abgaswärme­ übertrager dargestellt, der vorschlagsgemäß aufge­ baut ist. In dem äußeren Rohr 1b wird das Abgas ge­ führt, während das innere Rohr 2b Kühlwasser oder verdampfendes Kältemittel führt.

Da im inneren Rohr 2b eine Flüssigkeit oder ver­ dampfendes Kältemittel und im äußeren Rohr 1b ein Gas vorliegt, können die Querschnitte dementspre­ chend angepaßt sein, indem das innere Rohr 2b le­ diglich einen kleinen Querschnitt benötigt, während in dem äußeren Rohr 1b ein großer Querschnitt dafür Sorge trägt, daß eine ausreichender Kapazitätsstrom in diesem Rohr geführt werden kann, um eine inten­ sive Wärmeübertragung bei geringem Druckverlust zu ermöglichen.

Aufgrund der hohen Temperaturunterschiede und der damit verbundenen Dehnung der Materialien können vorteilhaft Lötverbindungen oder andere Verbin­ dungen, die einen optimalen Wärmeübergang begünsti­ gen, lediglich in den Kontaktflächen zwischen dem äußeren Rohr 1b und dem inneren Rohr 2b vorgesehen sein. Wo die Wandungen des äußeren Rohrs 1b anein­ ander anliegen, werden dagegen vorteilhaft keine Lötverbindungen vorgesehen, um Spannungen innerhalb des Wärmeübertragers zu vermeiden.

Aufgrund der verzahnten, teilweise dreieckigen Quer­ schnittform der Rohre des vorschlagsgemäßen Wärme­ übertragers wird eine optimale Wärmeübertragung er­ möglicht, da bei dem Verdampfer die zu verdampfende Flüssigkeit an den "direkten" Wärmeübertragungs­ flächen mit den Heizrohren anliegt. Die gasförmige Phase, zu der die Wärmeübertragung ohnehin nicht so intensiv erfolgen kann, steht mit der "indirekten" Wärmeübertragungsfläche in Kontakt.

Beim Kondensator dagegen befindet sich die flüssige Phase in der äußeren Wendel im wesentlichen in Kon­ takt mit der "indirekten" Wärmeübertragungsfläche, während die abzukühlende Gasphase wiederum im Kon­ takt mit der "direkten" Wärmeübertragungsfläche steht.

Claims (4)

1. Wärmeübertrager mit getrennten Rohren für die beiden Medien, wobei die Rohre jeweils wen­ delförmig verlaufen und einen insgesamt hohl­ zylindrischen Wärmeübertrager ausbilden, des­ sen Wand abwechselnd aus den einander anlie­ genden Gängen der ersten und der zweiten Wen­ del besteht, wobei die Durchmesser beider Wendeln unterschiedlich sind, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Rohre (1, 2; 1a, 2a; 1b, 2b) in den einander anliegenden Bereichen einen dreieckigen Querschnitt aufweisen, bei dem die Spitzen des inneren Rohrs (2, 2a, 2b) nach außen und die Spitzen des äußeren Rohrs (1, 1a, 1b) in das Innere des Hohlzy­ linders gerichtet sind.

2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, gekennzeich­ net durch einen zur Zylindermitte ausgebauch­ ten Querschnitt des inneren Rohrs (2, 2a).

3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, ge­ kennzeichnet durch einen zur Zylindermitte eingezogenen Querschnitt des äußeren Rohrs (1).

4. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine nach unten verlängerte Aussackung (3) des Querschnitts des äußeren Rohrs (1a), wobei sich die Gänge dieses Rohrs (1a) außen überlappen.