EP0411404A1 - Wärmeaustauscher - Google Patents

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EP0411404A1
EP0411404A1 EP90113891A EP90113891A EP0411404A1 EP 0411404 A1 EP0411404 A1 EP 0411404A1 EP 90113891 A EP90113891 A EP 90113891A EP 90113891 A EP90113891 A EP 90113891A EP 0411404 A1 EP0411404 A1 EP 0411404A1
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EP
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tube
heat exchanger
exchanger according
ribs
transfer medium
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EP90113891A
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Ulrich Martin
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Wieland Werke AG
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Wieland Werke AG
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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
    • F28D7/026—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 and formed by bent members, e.g. plates, the coils having a cylindrical configuration
    • 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
    • F28D7/10—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 arranged one within the other, e.g. concentrically
    • F28D7/106—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 arranged one within the other, e.g. concentrically consisting of two coaxial conduits or modules of two coaxial conduits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F21/00—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
    • F28F21/06—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of plastics material
    • F28F21/062—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of plastics material the heat-exchange apparatus employing tubular conduits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2275/00—Fastening; Joining
    • F28F2275/12—Fastening; Joining by methods involving deformation of the elements
    • F28F2275/127—Fastening; Joining by methods involving deformation of the elements by shrinking

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger according to the preamble of claim 1.
  • the invention is therefore based on the object of designing heat exchangers of the type mentioned in such a way that the path in the screw channel is ensured over the entire length of the heat exchanger for the second heat transfer medium.
  • the tubular jacket is designed as a shrink tube lying against the ends of the ribs.
  • the heat exchanger can be manufactured inexpensively, which is particularly important when it is used only once, such as when tempering blood in heart-lung machines.
  • “Shrinkable tubes” are to be understood to mean those tubes which are stretched in the thermoelastic range for consolidation, the stretching effects being frozen, and in which the stretching effects decrease again with appropriate heating.
  • the shrink tube is preferably made of polyolefin, polyvinylidene fluoride or similar material.
  • the shrink tube be transparent in order to monitor the freedom from blisters in the blood.
  • the end seal of the heat exchanger is preferably achieved in that the shrink tube is in each case in contact with the non-finned tube ends of the inner tube or, according to an alternative embodiment, in each case encloses an annular disc which is sealed with respect to the non-finned tube ends of the inner tube.
  • the connecting pieces for the inlet and outlet opening for the second heat transfer medium are already integrated in the shrink tube. The aligned arrangement of the connecting pieces is preferred.
  • the ratio of fin height h R / fin pitch t R is preferably in the range from 1 to 8.
  • the heat exchanger according to FIGS. 1/2 consists of an inner tube 1, which is designed as a finned tube with (one or more threads) circumferential, outer fins 2, and an outer tube jacket 3, which is designed as a shrink tube.
  • the shrink tube 3 is pulled onto the finned tube 1 in such a way that it bears firmly against the fin ends 2 ', so that bypasses are avoided.
  • the shrink tube 3 is shrunk, for example, in the range from 100 to 250 ° C. using a hot air blower.
  • the shrink tube 3 according to FIG. 1 closes with the non-ribbed ends 1 ′ of the inner tube 1, according to FIG.
  • the shrink tube 3 each has an inlet opening 6 with an associated connection piece 7 and an outlet opening 8 with an associated connection piece 9.
  • the openings 6/8 are arranged in the end region of the heat exchanger.
  • the connecting pieces 7/9 are already integrated in the shrink tube and shown in alignment in Figures 1/2.
  • the outer tube diameter (fin diameter) d R , the fin height h R , the core diameter d K , the inner diameter d I , the core wall thickness w and the fin pitch t R are also shown in FIG.
  • a first heat transfer medium for example oil, gasoline, blood
  • the second heat transfer medium for example water
  • the long path of the screw channel 10 ensures good heat transfer.
  • the screw channel 10 through which flow flows can be adapted to the desired conditions and installation dimensions by the rib division t R , the rib height h R and by 1-, 2- or multi-pass rolling of the ribs 2.
  • a blood heat exchanger was produced from a finned tube 1 (with the dimensions according to the following table) and from a shrink tube 3.
  • the finned tube 1 additionally had 25 inner fins running at an angle of inclination of 25 ° to the longitudinal axis of the tube.
  • the shrink tube 3 made of polyvinylidene fluoride was shrunk onto the finned tube 1 starting from an outer diameter of 30 mm at approximately 180 ° C.
  • the blood heat exchanger showed excellent heat transfer properties.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher, bestehend aus einem Innenrohr (1), das als Rippenrohr mit auf der Rohraußenseite schraubenlinienförmig umlaufenden, integralen Rippen (2) ausgebildet ist und das von einem ersten Wärmeübertragungs-Medium durchströmt wird, und aus einem das Innenrohr (1) unter endseitiger Abdichtung umschließenden Rohrmantel (3). Dabei weist der Rohrmantel (3) einen dem Außendurchmesser des Innenrohres (1) entsprechenden Innendurchmesser und jeweils eine Einlaß (6)- und eine Auslaßöffnung (8) für ein zweites Wärmeübertragungs-Medium auf. Damit für das zweite Wärmeübertragungs-Medium der Weg im Schraubkanal (10) über die gesamte Länge des Wärmeaustauschers gewährleistet ist, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Rohrmantel (3) als ein an den Enden (2') der Rippen (2) anliegender Schrumpfschlauch ausgebildet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Bei einem Wärmeaustauscher der genannten Art (etwa nach der DE-OS 2.153.654) soll durch die Verwendung von Rippenrohren als Innenrohre ein relativ langer Weg für das zweite Wärmeübertra­gungs-Medium um das Innenrohr - und damit ein guter Wärmeübergang - erzielt werden.
  • Die Fertigungsweise dieser Wärmeaustauscher (nämlich das Ein­schieben des Innenrohres in den Rohrmantel) bringt es jedoch mit sich, daß im fertigen Wärmeaustauscher die Enden der Rippen des Rippenrohres selten an der Innenoberfläche des äußeren Rohrmantels anliegen, d. h. es bilden sich Bypässe. Insbesondere bei Verwen­dung von relativ zähen Medien (Öl, Benzin, Blut) führt der sich ausbildende Druckabfall dazu, daß das zweite Wärmeübertragungs-­Medium zumindest teilweise vom Weg des Schraubkanals abweicht und sich den Weg durch die Bypässe sucht.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Wärmeaustauscher der genannten Art so auszubilden, daß für das zweite Wärmeüber­tragungs-Medium der Weg im Schraubkanal über die gesamte Länge des Wärmeaustauschers gewährleistet wird.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Rohr­mantel als ein an den Enden der Rippen anliegender Schrumpf­schlauch ausgebildet ist.
  • Damit ergibt sich zugleich der Vorteil der Gewichtseinsparung. Zudem läßt sich der Wärmeaustauscher kostengünstig herstellen, was insbesondere bei dessen nur einmaliger Verwendung von Bedeu­tung ist, wie etwa bei der Temperierung von Blut in Herz-Lungen-­Maschinen.
  • Unter "Schrumpfschläuchen" sollen dabei solche Schläuche ver­standen werden, die im thermoelastischen Bereich zur Verfestigung gereckt werden, wobei die Reckeffekte eingefroren werden, und bei denen die Reckeffekte bei entsprechendem Erwärmen wieder zurück­gehen.
  • Es ist zwar aus der DE-OS 3.021.028 bereits bekannt, bei einem Wärmeaustauscher mit mehreren glatten Innenrohren, insbes. bei Koaxial-Verdampfern, u.a. aus Kostengründen als Außenrohr einen flexiblen Schlauch zu verwenden; dadurch wurde allerdings nicht nahegelegt, die Materialeigenschaften des flexiblen Schlauchs zur Abdichtung bei berippten Innenrohren auszunutzen.
  • Der Schrumpfschlauch besteht vorzugsweise aus Polyolefin, Poly­vinylidenfluorid oder ähnlichem Material. Insbesondere für den bereits angesprochenen Zweck als Blut-Wärmeaustauscher empfiehlt es sich, daß der Schrumpfschlauch durchsichtig ist, um die Bla­senfreiheit des Blutes zu überwachen.
  • Die endseitige Abdichtung des Wärmeaustauschers wird vorzugsweise dadurch erreicht, daß der Schrumpfschlauch jeweils an den unbe­rippten Rohrenden des Innenrohres anliegt bzw. nach einer alter­nativen Ausführungsform jeweils eine gegenüber den unberippten Rohrenden des Innenrohres abgedichtete Ringscheibe umschließt. Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung sind die Anschlußstutzen für die Ein- und Auslaßöffnung für das zweite Wärmeübertragungs-Medium bereits im Schrumpfschlauch integriert. Dabei ist die fluchtende Anordnung der Anschlußstutzen bevorzugt. Es empfiehlt sich weiterhin, daß der Durchmesser der Einlaß- bzw. Auslaßöffnung für das zweite Wärmeübertragungs-Medium bei ein­gängig umlaufenden Rippen im wesentlichen der Rippenteilung tR bzw. bei mehrgängig umlaufenden Rippen im wesentlichen der Stei­gung der Rippen entspricht (Rippenteilung tR = Abstand von Rippenmitte zu Rippenmitte; bei n-gängig umlaufenden Rippen ist die Steigung = n·tR).
  • Das Verhältnis Rippenhöhe hR/Rippenteilung tR liegt vorzugsweise im Bereich von 1 bis 8.
  • Die Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen
    • Fig. 1 und 2 Längsschnitte durch Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers.
  • Der Wärmeaustauscher nach den Figuren 1/2 besteht aus einem Innenrohr 1, das als Rippenrohr mit (ein- oder mehrgängig) schraubenlinienförmig umlaufenden, äußeren Rippen 2 ausgebildet ist, und einem äußeren Rohrmantel 3, der als Schrumpfschlauch ausgebildet ist.
  • Der Schrumpfschlauch 3 ist derart auf das Rippenrohr 1 aufgezogen, daß es fest an den Rippenenden 2′ anliegt, so daß Bypässe ver­mieden werden.
  • Der Schrumpfschlauch 3 wird beispielsweise im Bereich von 100 bis 250° C mit einem Heißluftgebläse geschrumpft.
  • Zur endseitigen Abdichtung schließt der Schrumpfschlauch 3 gemäß Figur 1 jeweils mit den unberippten Enden 1′ des Innenrohres 1 ab, gemäß Figur 2 umschließt er jeweils eine Ringscheibe 4, die gegenüber den unberippten Enden 1′ mit einem O-Ring 5 abgedichtet ist.
  • Der Schrumpfschlauch 3 weist jeweils eine Einlaßöffnung 6 mit zugeordnetem Anschlußstutzen 7 und eine Auslaßöffnung 8 mit zugeordnetem Anschlußstutzen 9 auf. Die Öffnungen 6/8 sind im Endbereich des Wärmeaustauschers angeordnet. Die Anschlußstutzen 7/9 sind bereits in den Schrumpfschlauch integriert und in den Figuren 1/2 fluchtend dargestellt.
  • In Figur 1 sind ebenfalls der Rohraußendurchmesser (Rippendurch­messer) dR, die Rippenhöhe hR, der Kerndurchmesser dK, der Innen­durchmesser dI, die Kernwanddicke w sowie die Rippenteilung tR eingezeichnet.
  • Im Betrieb des Wärmeaustauschers durchströmt ein erstes Wärme­übertragungs-Medium (beispielsweise Öl, Benzin, Blut) den Schraub­kanal 10 von der Einlaßöffnung 6 bis zur Auslaßöffnung 8. Das zweite Wärmeübertragungs-Medium (beispielsweise Wasser) wird im Innenrohr 1 im Gleich- oder im Gegenstrom geführt. Durch den langen Weg des Schraubkanals 10 wird eine gute Wärmeübertragung gewährleistet. Der durchströmte Schraubkanal 10 läßt sich durch die Rippenteilung tR, die Rippenhöhe hR und durch 1-, 2- bzw. mehrgängiges Walzen der Rippen 2 den gewünschten Bedingungen und Einbaumaßen anpassen.
    • Ausführungsbeispiel:
  • Es wurde ein Blut-Wärmeaustauscher aus einem Rippenrohr 1 (mit den Abmessungen nach folgender Tabelle) und aus einem Schrumpfschlauch 3 hergestellt. Dabei wies das Rippenrohr 1 zusätzlich 25 unter einem Steigungswinkel von 25° zur Rohrlängsachse umlaufende Innenrippen auf. Tabelle:
    Rippenteilung tR 2,5 mm
    Rippendurchmesser dR 28,0 mm
    Rippenhöhe hR 7,0 mm
    Kerndurchmesser dK 14,0 mm
    Wanddicke w 1,25 mm
    (lichter) Innendurchmesser dI 11,0 mm
    Länge 22,5 cm
  • Der Schrumpfschlauch 3 aus Polyvinylidenfluorid wurde ausgehend von einem Außendurchmesser von 30 mm bei etwa 180° C auf das Rippenrohr 1 aufgeschrumpft.
  • Beim Betrieb floß Blut im Schraubkanal 10 von der Einlaßöffnung 6 bis zur Auslaßöffnung 8. Die Innenseite des Rippenrohres 1 wurde im Gegenstrom mit Wasser von 37° C beaufschlagt - zur Erwärmung des Blutes von 30° C und Kühlung von 40° C.
  • Der Blut-Wärmeaustauscher zeigte ausgezeichnete Wärmeübertra­gungseigenschaften.

Claims (9)

1. Wärmeaustauscher, bestehend aus einem Innenrohr (1), das als Rippenrohr mit auf der Rohraußenseite schraubenlinienförmig umlaufenden, integralen Rippen (2) ausgebildet ist und das von einem ersten Wärmeübertragungs-Medium durchströmt wird, und aus einem das Innenrohr (1) unter endseitiger Abdichtung umschließenden Rohrmantel (3),
wobei der Rohrmantel (3) einen dem Außendurchmesser des Innenrohres (1) entsprechenden Innendurchmesser und jeweils eine Einlaß (6)- und eine Auslaßöffnung (8) für ein zweites Wärmeübertragungs-Medium aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Rohrmantel (3) als ein an den Enden (2′) der Rippen (2) anliegender Schrumpfschlauch ausgebildet ist.
2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Schrumpfschlauch (3) aus Polyolefin, Polyvinyliden­fluorid oder ähnlichem Material besteht.
3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­zeichnet,
daß der Schrumpfschlauch (3) durchsichtig ist.
4. Wärmeaustauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Schrumpfschlauch (3) jeweils an den unberippten Rohrenden (1′) des Innenrohres (1) anliegt.
5. Wärmeaustauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Schrumpfschlauch (3) jeweils eine gegenüber den unberippten Rohrenden (1′) des Innenrohres (1) abgedichtete Ringscheibe (4) umschließt.
6. Wärmeaustauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Anschlußstutzen (7, 9) für die Einlaß- und Auslaß­öffnung (6, 8) für das zweite Wärmeübertragungs-Medium im Schrumpfschlauch (3) integriert sind.
7. Wärmeaustauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Anschlußstutzen (7, 9) fluchten.
8. Wärmeaustauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet,
daß der Durchmesser der Einlaß- bzw. Auslaßöffnung (6, 8) für das zweite Wärmeübertragungs-Medium bei eingängig umlaufenden Rippen (2) im wesentlichen der Teilung tR bzw. bei mehrgängig umlaufenden Rippen (2) im wesentlichen der Steigung der Rippen (2) entspricht.
9. Wärmeaustauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet,
das das Verhältnis von Rippenhöhe hR/Rippenteilung tR im Bereich von 1 bis 8 liegt.
EP90113891A 1989-08-03 1990-07-20 Wärmeaustauscher Withdrawn EP0411404A1 (de)

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