HEAT EXCHANGER, ESPECIALLY FOR HEAT PUMP SYSTEMS

Abstract: 1. A heat exchanger, more specially for heat pump systems made up of a secondary part, which for its part is made up of at least one helically coiled tube (12, 13, 14, 25) for the coolant, and of a primary part with a casing tube (8, 22), for the fluid which is to give up heat, which is placed round the tube helix of the secondary part and itself is helical as well, characterized in that the helically coiled tube (12, 13, 14; 25) of the secondary part is placed with a generally horizontal helix axis in the casing tube (8, 22) and keeps to its generally horizontal helical axis, and in that the tube (12, 13, 14; 25) of the secondary part is designed opening, at a point near the downward current (10, 23) of the fluid which is to give up heat, into a core tube (11), which is placed in the helix axis of the tube of the secondary part und whose downwardly running part is near the inlet (9, 24) of the primary part so that the coolant makes its way in the secondary part firstly with a cocurrent and then with a counter-current motion.

Description: Wärmeaustauscher, insbesondere für Wärmepumpenanlagen Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher, insbesondere für Wärmepumpenanlagen1 bestehend aus einem Sekundärteil mit wenigstens einem ein Kühlmittel führenden, schraubenförmig gewendelten :Rohr mit etwa horizontaler Schraubenachse und einem Primärteil mit einem den Wärmeträger führenden, das Rohr des Sekundärteils umgebenden Mantelrohr. Wärmeaustauscher dieser Ausführung sind in einer Vielzahl von Aus führungsformen bekannt (z. B. SW-PS 196 760, US-PS 3526 273). Bei Wärmepumpenanlagen werden im wesentlichen zwei Wärmeaustauscher eingesetzt, und zwar ein Verdampfer, in welchem der Wärmeträger des Primärkreislaufs seine Wärme an einen Sekundärkreislauf, der zugleich zentraler Kühlmittelkreislauf ist, abgibt, und ein Kondensator, in welchem der zentrale Kühimittelkreislauf wiederum seine Wärme an einen wärme abgebenden Kreislauf überträgt. Dabei ist in beiden Wärmeaustauschem ein grösstmöglicher Wärmeübergang und ein geringstmöglicher Wärme verlust angestrebt. Die Möglichkeiten zur Erhöhung der Wärmeübertragung ergeben sich aus der Formel Q - k x F x t Alle Methoden zur Verbesserung zielen darauf ab, einen oder alle dieser Einflussfkatoren zu optimieren. Bei Wärmepumpenanlagen sind allerdings hinsichtlich der Änderung der Temperaturdifferenz b t Grenzen gesetzt1 nur da diese'auf Kosten der Leistung des Kompressors vergrössert werden kann, wodurch wiederum die Gesamtleistung der Wärmepumpenanlage reduziert wird. Verbesserungen in der Wärmeiibergangszahl k lassen sich durch Beeinflussung der Strömungsverhältnisse und durch die Werk stoffauswahl erreichen. Ferner ist es hinlänglich bekannt, die Wärme austauschfläche F durch entsprechende konstruktive Massnahmen so gross als möglich zu gestalten, beispielsweise durch Anbringung von Rippen oder dgl. . Auch die schraubenförmige Wendelung von Rohren zählt hierzu. Dabei ist allerdings häufig eine Grenze durch den Raum bedarf des Wärmeaustauschers gegeben. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeau stauscher des eingangs geschi Iderten Aufbaus durch Vergrösserung der Wärmeaustauschfläche und Verbesserung der W ärmeübergangszahl k zu optimieren. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Mantelrohr des Primärteils zusammen mit dem darin angeordneten schraubenförmig ge gewendelten Rohr des Sekundärteils seinerseits schraubenförmig gewendelt ist derart, dass die Schraubenachse des Rohrs des Sekundärteils seine etwa horizontale Lage beibehält, und dass dieses Rohr des Sekundärteils nahe dem Wärmeträgerablauf des Primärteils in ein Kern rohr einmünrlet,welches in der Schraubenachse des Rohrs des Sekundärteils angeordnet ist und dessen Ablauf sich nahe dem Zulauf des Primärteils befindet. Die Erfindung geht zunächst von folgender Erkenntnis aus: Bei einer Rohrströmung wirken auf die Flüssigkeit Zentrifugal- und Gravitationskräfte. Ist das die Flüssigkeit führende schraubenförmig gewendelte Rohr mit seiner Schraubenachse senkrecht angeordnet, so ergibt sich aus Gravitations- und Zentrifugalkraft eine Resultierende, die dazu führt; dass die Flüssigkeit an die untere Rohrwandung gedrängt wird, wobei sich der Flüssigkeitsspiegel schräg mit einem Anstieg von innen nach aussen einstellt. Der obere Teil des Rohrquerschnittes ist hingegen mit Gas bzw. der Dampfphase gefüllt, insbesondere wenn es sich um Wärmeträger handelt, die zumindest im Ein laufbereich des Wärmeaustauschers eine Temperatur nahe dem Siedepunkt aufweisen. Bekanntermassen ist nun aber der Wärmeübergang zwischen Gas- bzw. Dampfphase und Rohrwandung schlechter als zwischen der Flüssigkeitsphase und der Rohrwandung . Während bei einer Schraubenwendel mit senkrechter Schraubenachse die aus Gravitations- und Zentrifugalkraft resultierende Kraft über die gesamte Höhe des Wärme austauschers die gleiche Richtung hat, ändert sich bei einer horizontalen Anordnung der Schraubenwendel diese Richtung ständig, da beispielsweise im unteren Scheitelpunkt der Schraubenwendel Gravitationsund Zentrifugalkraft sich addieren, während sie im oberen Scheitel der Schraubenwendel einander entgegenwirken. Dies führt also dazu, dass auf die Rohrströmung ständig wechselnde Kräfte zur Wirkung kommen, wodurch die Wahrscheinlichkeit, dass das Pohr auf seinem gesamten Umfang mit Flüssigkeit belegt ist, erheblich steigt. Diese Wahrscheinlichkeit wird bei Flüssigkeiten, die zum Stosssieden neigen, noch vergrössert. Die Erfindung geht also zunächst von dieser günstigen Anordnung des schraubenförmig gewendelten Rohrs des Sekundärteils aus. Um nun bei geringstmöglicher Bau länge eine grösstmögliche Wärmeaustauschfläche zu schaffen sieht die Erfindung weiterhin vor, dass das das schraubenförmig gewendelte Rohr des Sekundärteils umgebende Mantelrohr seinerseits schraubenförmig gewendelt ist, wobei dessen Schraubenachse im wesentlichen senkrecht angeordnet ist mit der Folge, dass die horizontale Schraubenachse des Rohrs im Sekundärteil etwa erhalten bleibt. Durch die vorgenannten Massnahmen wird also einerseits die Wärme übergangszahl k, andererseits die Wärmeaustauschfläche bei geringer Baugrösse optimiert. Praktische Untersuchungen haben ferner gezeigt1 dass bei einem solchen Aufhau des Wärmeaustauschers, insbesondere bei Verwendung als Verdampfer, der Druckverlust im Primärkreislauf gegenüber herkömmlichen Wärmeaustauschem um ca. 50% und im Sekundärkreislauf um ca. 90% vermindert werden kann. D ies bedeutet umgekehrt, dass trotz geringem Druckabfall im Kühlmittel-Kreislauf eine gute Wärmeübertragung möglich ist. Mit der weiteren Ausbildung, dass das schraubenförmig gewendelte Rohr des Sekundärteils nahe dem Kühlmittelablauf des Primärteils in ein Kemrohr einmündet, welches in der Schraubenachse des Rohrs des Sekundär teils angeordnet ist und dessen Ablauf sich nahe dem Zulauf des Primär teils befindet, wird erreicht, dass der Wärmeträger im Primärteil zunächst im Gleichstrom mit dem Kühlmittel im Sekundärteil geführt wird. Am Ende der Austauschstrecke wird die Strömungsrichtung im Sekundärteil an der Einmündung des schrauben förmigen Rohrs in das Kernrohr umgekehrt, so dass das Kühlmittel im Gegenstrom zurückgeführt wird. Auch hierdurch ergibt sich eine Verbesserung der Wärmeübertragungsverhältnisse durch Anpassung der Strömungsrichtung an das axiale Temperaturprofil. Gemäss einer vorteilhaften Ausführungsform sind im Sekundärteil drei parallel schraubenförmig gewendelte Rohre für das Kühlmittel vorge sehen, die nahe dem Ablauf des Primärteils jeweils in das Kemrohr einmündet. Die Schraubenwendeln aller drei Rohre können in axialer oder in radialer Richtung nebeneinander liegen. Findet bei dem Wärmeaustausch im Kühlmittel eine Phasenänderung von flüssig zu dampfförmig statt, so ist vorgesehen, dass das Kernrohr einen grösseren Querschnitt aufweist als die Summe der Querschnitte der schraubenförmig gewendelten Rohre des Sekundärteils, wobei der Wärmeaustauscher vorzugsweise so gesteuert wird, dass die Dampfphase erst am Übergang zwischen schraubenförmig gewendelten Rohren und Kernrohr stattfindet. Die erfindungsgemässe Ausbildung eines Wärmeaustauschers schafft ferner die Möglichkeit, den Kompressor für das Kühlmittel in der Schraubenachse des schraubenförmig gewendelten Mantelrohrs des Sekundärteils anzuordnen. Damit ergibt sich eine in thermischer Hinsicht besonders günstige und zudem schalldämmende Ausführung der gesamten Anlage. Nachstehend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung darge stellten Ausführungsbeispiels gezeigt. In der Zeichnung zeigen; Figur 1 einen schematischen Längsschnitt eines herkömm lichten Wärmeaustauschers (Verdampfer) mit senk recht angeordnetem Schrubenrohr im Sekundärteil; Figur 2 einen schematischen Längsschnitt eines Wärmeaustauschers mit horizontale angeordnetem Schraubenrohr im Sekundär- teil; Figur 3 einen Schnitt lil - 111 gemäss Figur 2; Figur 4 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäss ausgebildeten Wärmeaustauscher und Figur 5 eine Seitenansicht des Wärmeaustauscher mit Kompressor. Figur 1 zeigt einen Verdampfer, dessen Primärteil aus einem zylind rischen Behälter 1 gebildet ist. Der Behälter 1 weist oben einen Zu lauf 3 für den Wärmeträger, z. B. Wasser, und unten einen Ablauf 4 auf. Der Sekundärteil wird von einem in dem Behälter 1 schraubenförmig verlaufenden Rohr 6 gebildet, dessen Schraubenachse 2 senkrecht ange ordnet ist und das oben einen Zulauf 5 für ein Kühlmittel, z. 8. Freon, und unten einen Ablauf aufweist. Bei annähernd gleichbleibender Strömungsgeschwindigkeit des Kühl mittels im Rohr 6, stellt sich der Spiegel der flüssigen Phase - bei vorhandener gasförmiger Phase - in einer Schräglage ein, wie sie in Figur 1 angedeutet ist und die sich aufgrund der vektoriellen Addition der Schwerkraft t und der sich aus der Strömungsgeschwindigkeit er gebenden Zentrifugalkraft c einstellt. Der Flüssigkeitsspiegel stellt sich normal zur Resultierenden R ein. Es ist ersichtlich, dass in dem Fall der Figur 1, bei welchem die Achse 2 des Behälters 1 senkrecht verläuft, die Zentrifugalkraft c irnrner in einer waagerechten Ebene liegt, so dass, da die Schwerkraft t immer senkrecht nach unten verläuft, der Winkel zwischen den Kräften c und t sich nicht ändert. Demgemäss ist die auf das Kühlmittel wirkende Resultierende für alle Rohrquerschnitte gleich, so dass die flüssige Phase des Kühlmittels nur im Bereich des unteren Scheitels des Rohres 6 fliesst, während das Rohr 6 im Bereich des oberen Scheitels mit der flüssigen Phase des Kühlmittels nicht in Berührung kommt. Anders stellt es sich dar, wenn die Schraubenachse 2 des Rohrs 6 des Sekundärteils nicht senkrecht verläuft, sondem waagerecht wie dies in Figur 2 für denselben Behälter 1 dargestellt ist. Bei konstanter Strö mungsgeschwindigkeit des Kühlmittels durch das Rohr 6 ist auch die Zentrifugalkraft c ki:stant und stets radial gerichtet, jedoch oberhalb der Schraubenachse nach c > ben, unterhalb der Schraubenachse nach unten, während die Schwerkraft t stets radial nach unten gerichtet ist. Figur 3 zeigt die Kräfte c und t an verschiedenen Stellen des Umfangs des Rohres 6. Es ist ersichtlich, dass die sich aus Schwerkraft t und Zentri fugalkraft c ergebende resultierende Kraft R ihre Grösse und Richtung dauernd ändert, so dass auch der Flüssigkeitsspiegel seine Lage ständig ändert. Wird zusätzlich berücksichtigt, dass in der Praxis eine konstante Strömungsgeschwindi gkeit und damit eine konstante Zentrifugalkraft c nicht erzielt werden kann, solange das Rohr 6 nicht vollständig mit flüssiger Phase gefüllt ist, und dass das Sieden öft als Stosssieden ein tritt, so zeigt sich, dass eine grosse Wahrscheinlichkeit dafür besteht, dass die gesamte Innenwand des Rohres mit der flüssigen Phase des Kühlmittels in Berühung kommt. In jedem Fall ist diese Wahrscheinlichkeit wesentlich grösser als bei dem in Figur 1 gezeigten Beispiel, selbst wenn man Störungen der Strömung beim Sieden unterstellt. In Figur 4 ist ein Wärmeaustauscher gemäss der Erfindung in Funktion als Verdampfer dargestellt zur Verwendung bei einer Wasser/Wasser Wärmepumpenanlage. Der Wärmeaustauscher weist als Primärteil ein Mantelrohr 8 auf, welches in Figur 4 aus Gründen der Übersichtlichkeit geradlinig dargestellt ist, in Wirklichkeit aber schraubenlinienförmig verläuft, wie mit Bezug auf Figur 5 noch erläutert werden wird. An dem einen Ende des Mantelrohres 8 befindet sich ein Einlauf 9 für den Wärme träger, hier Wasser, und am anderen Ende ein Auslauf 10 für das Wasser. Das Mantelrohr 8 ist Teil eines an sich bekannten geschlossenen Wasser kreislaufs, zu welchem auch ein nicht dargestelltes Rohrsystem gehört, dass z. 8. in der Erde angeordnet ist um die Erdwärme aufzunehmen. Dem gemäss ist das durch den Einlauf 9 in das Mantelrohr 8 einströmende Wasser wärmer als das am Ablauf 10 abströmende Wasser. Im Mantelrohr 8 ist als Teil des Sekundärkrelslaufs ein zentral ver laufendes Kernrohr 11 angeordnet. Um dieses Kernrohr 11 sind in Schrauben linienform drei parallel zueinander verlauftsnde Kupferrohre 12, 13 und 14 angeordnet. Die Kupferrohre 12, 13 und 14 sind durch das M antelrohr 8 hindurchgeführt und mit einem Einlaufkasten 15 für das Kühimittel, z. 8'. Freon, verbunden, welches dem Einlaufkasten 15 durch eine Leitung 16 zuströmt, wobei die Zufuhr von einem Thermoventil 17 gesteuert wird. Dem Ende des Mantelrohres 8 benachbart, an welchem der Auslauf 10 angeordnet ist, ist das Kernrohr 11 durch eine Stimscheibe 18 gesichlossen, und die Enden der Kupferrohre 12, 13 und 14 sind über je einen Anschluss 19, 20 bzw. 21, die auf dem Umfang des Kemrohres 11 0 um 120 versetzt angeordnet sind, mit dem Kernrohr 11 nahe dessen ge- schlossenem Ende verbunden. An seinem gegenüberliegenden Ende ist das Kernrohr 11 an dem entsprechenden Ende des Mantelrohrs 8, d. h. nahe dem Einlauf 9, durch das Mantelrohr 8 hindurch nach aussen geführt, um einen Auslaufstutzen für das Kühlmittel zu bilden, wie dies aus Figur 4 ersichtlich ist. Die Darstellung der Figur 4 zeigt, dass die Rohre 12, 13 und 14 weder mit dem Kemrohr 11 noch mit dem Mantelrohr 8 in Berührung stehen. In der Praxis werden die Rohre 12, 13 und 14 jedoch an einigen Stellen am Kemrohr 11 abgestützt sein. Es könnten tiber auch Stutzteile, beispielsweise an der Innenwand des Mantelrohres 8 und/oder an der Aussenwand des Kemrohres 11 vorgesehen sein, welche die Rohre 12, 13 und 14 auf Abstand von dem Mantelrohr 8 und dem Kemrohj 11 halten. Das Mantelrohr 8 besteht aus einem isolierenden Material, beispielsweise aus Kunststoff oder Gummi. Auch die übrigen ausserhalb des Mantelrohres 8 befindlichen Bauteile des Rohrsystems können wärmeisoliert sein. Figur 5 zeigt eine in der Praxis angewandte Ausführungsform des Wärmeaustauschers (Verdampfer oder Kondensator) gemäss der Erfindung. Dem in Figur 4 geradlinig dargestellten Mantelrohr 8 entspricht in Figur 5 das Mantelrohr 22, während das schraubenförmig gewundene Rohr(e) 12, 13, 14 des Sekundärteils gemäss Figur 4 in der Figur 5 an der aufgebrochenen Stelle des Mantelrohrs 22 erkennbar und mit 25 bezeichnet ist. Der Wärmeaustauscher gemäss Figur 5 wird also aus dem linearen Gebilde gemäss Figur 4 dadurch erhalten, dass das Mantelrohr des Primärteils mit der eingebauten Rohrschlange des Sekundärteils um eine senkrechte Achse schraubenförmig verformt wird. Dabei bleibt die horizontale Schrauben achse der inneren Rohrschlange weitgehend erhalten. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel ist in der Schraubenachse des Mantelrohrs 22 der Kompressor 26 angeordnet, der also von dem Mantelrohr 22 umhüllt wird. Der Wärmeträger gelangt über den Zulauf 23 in das Mantelrohr und ver lässt dieses über den Ablauf 24 (entsprechend 9 und 10 in Figur 4). Der Einlaufkasten 15 und Thermoventil 17 sowie der Ablauf des Kernrohrs 11 des Sekundärteils (Figur 4) sind in Figur 5 nicht gezeigt. Sie befinden sich an der unteren Windung der Schraube des Mantelrohrs 22 nahe dem Ablauf 24 des Primärteils. Die Arbeitsweise des Wärmeaustauschers als Verdampfer ist wie folgt: Das Thermoventil 17 wird in an sich bekannter Weise von dem Druck vor einem ni cht dargestellten Kompressor in dem geschlossenen Sekun därkreislauf gesteuert. Das Thermoventll 17 lässt entsprechend Kühl mittel in den Verteilerkasten 15 einströmen, von welchem aus sich die flüssige Phase des Kühlmittels in den Rohren 12, 13 und 14 (25 in Figur5) verteilen wird. Es erfolgt dann zunächst eine Wärmeübertragung von dem durch den Einlauf 9 (23) einströmenden Wärmeträger, z. B. Wasser, auf das in den Rohren 12, 13 und 14 strömende Kühlmittel, und zwar im Gleich strom. Das Kühlmittel verdampft und strömt in Dampfform am anderen Ende des Mantelrohres 8 (22), d. h. nahe dem Auslauf 10 (24) in das Kemrohr 11, in welchem es im Gegenstrom zu dem Wasser strömt und dabei weiter erwärmt wird. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Abwandlungen möglich. Beispielsweise können die drei schraubenlinienförmig verlaufenden Rohre 12, 13 und 14 des Sekundärteils jeweils für sich zum Einlauf zurückgeführt werden, wobei dann das Kemrohr 11 durch drei Rücklauf rohre ersetzt wird. Statt einer steigenden Schraubenwendel, wie sie Figur 5 zeigt, kann das Mantelrohr 8 (22) auch in einer horizontalen Ebene nach Art einer Spirale gewendelt sein.

Claims: Patentansprüche 1. Wärmeaustauscher, insbesondere für Wärmepumpenanlagen. bestehend aus einem Sekundärteil mit wenigstens einem das Kühlmittel führenden, schraubenförmi g gewendel ten Rohr mit etwa horizontaler Schraubenachse und einem Primärteil mit einem den Wärmeträger führenden, das Rohr des Sekundärteils umgeben den Mantelrohr, dadurch gekennzeichnet, dass das Mantelrohr (8, 22) des Primär teils zusammen mit dem darin angeordneten schraubenförmig ge wendelten Rohr (12, 13, 14, 25) des Sekundärteils seinerseits schraubenförmig gewendelt ist derart, dass die Schraubenachse des Rohrs des Sekundärteils seine etwa horizontale Lage beibehält, und dass das Rohr (12, 13, 14, 25) des Sekundärteils nahe dem Wärmeträgerablauf (10, 24) des Primärteils in ein Kernrohr (11) einmündet, welches in der Schraubenachse des Rohrs des Sekun därteils angeordnet ist und dessen Ablauf sich nahe dem Zulauf (9, 23) des Primärteils befindet. 2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, insbesondere für Kühl mittel mit einer beim Wärmeaustausch erfolgenden Phasen änderung flüssig-dampfförmig, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernrohr (11) einen grösseren Querschnitt aufweist als die Summe der Querschnitte der schraubenförmig gewendelten Rohre (12, 13, 14) des Sekundärteils. 3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, mit einem irr. Sekundärtei I angeordneten Kompressor, dadu rch gekennzeichnet, dass der Kompressor (26) in der Schraubenachse des Mantelrohrs (22) des Sekundärteils angeordnet ist. 4. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Sekundärteil drei parallel schraubenförmig gewendelte Rohre (12, 13, 14, 25) für das Kühlmittel vorgesehen sind, die nahe dem Ablauf (10, 24) des Primärteils jeweils in das Kernrohr (71) einmünden.

Inventors: FORDSMAND, MARC
Applicants: JOHN & CO.
Application year: 1980
Main classification: F28D7
IPC codes: F28D7, F25B39