DE2534442A1 - Waermeaustauscher in spiralblechbauart - Google Patents

Waermeaustauscher in spiralblechbauart

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DE2534442A1 DE19752534442 DE2534442A DE2534442A1 DE 2534442 A1 DE2534442 A1 DE 2534442A1 DE 19752534442 DE19752534442 DE 19752534442 DE 2534442 A DE2534442 A DE 2534442A DE 2534442 A1 DE2534442 A1 DE 2534442A1
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Description

LiNDEAKTIENGESELLSCKAFT
1.8.1975
Wärmeaustauscher In Spiralblechbauart
Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustaueoher in Spiralbleohbauart mit einem Wickel aus im Abstand zueinander angeordneten Blechbändern, die zwischen sich jeweils Strömungatcanäle bilden.
Wärmeaustauscher in Spiralbleohbauart sind bekannt, haben aber erhebliche Nachteile. Zu ihrer Herstellung nüssen meist enge Fertigungstoleranzen eingehalten werden, weshalb ihre Herstellungskosten sehr hoch sind. Die engen Fertigungstoleranzen sind durch die bisher übliche Art der StröoungsfUhrung und damit der Abdichtung der Fluide gegeneinander
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ORIGINAL INSPECTED
■ ':;>«d.?\l; :-30H3H'-vrt blinde Aktiengesellschaft -1.W^: .*«--, 2534442 "^
bedingt. Die ebenen Flächen des Wickels müssen dabei häufig vollständig abgedichtet werden, weshalb sie besonders plan gefertigt werden müssen.
-V1 ,.!top, B?in^t&;^ der
beschriebenen Art. ist erheblich eingeschränkt. So ist diet , Durchflußrichtung, der wärme tauschenden Fluide nicht beliebig wählbar. Sie können nicht von allen wärmetauschenden Fluiden in Richtung der Achse des Wickels durchströmt werde^. Außerdem können sie in der Regel nur für jeweils zwei Fluide verwendet werden.
Der Querschnitt der Strömungskanäle hängt neben der Spaltbreite vor allem von den Abmessungen der lieferbaren Blechbänder ab. Da aber bei den bekannten Wärmeaustauschern neben der Spaltbreite die Breite der Blechbänder und.nicht die in wesentlich weiteren Grenzen herstellbare Länge der Bltohbänder auf den Querschnitt der StrÖmungskanäl«, Eii?f lu© nimmt, sind sie in ihrer Durchsatzkapazität wesentlich eingeengt . ^
Der. Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen besondere vielseitig verwendbaren Wärmeaustauscher in Spiralblechbauart zu entwickeln, der insbesondere eine Führung der Fluide parallel zur Achse des Wickels ermöglicht.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß jeder durch benachbarte Blechbänder gebildete Strömungskanal entlang der Stirnseiten der Blechbänder abgediohtet ist und entlang det? Längsseiten der Blechbänder jeweils mindestens einen offenen und einen abgedichteten Abschnitt aufweist.
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ORIGINAL INSPECTED LINDE AKTIENGESELLSCHAFT
Die erfindungsgemäße Gestaltung der Strömungekanäle ermöglicht eine vielseitige Anwendung des Wärmeaustauschers. Der Durchflußquerschnitt der Strömungskanäle kann durch Erhöhen der Anzahl der Wicklungen ohne gleichzeitige Verlängerung der. Strömungewege fast beliebig variiert werden. Je größer zudem die Anzahl der Bleohbänder gewählt wird, um so mehr Fluide können in gegenseitigen Wärmeaustausch treten. In ganz besonders einfacher Weise ist es nun aber auch möglich, zwei oder mehrere' Fluide in Gleich- oder Gegenstrom parallel zur Achse des Wickele durch den Wärmeaustauscher zu führen.
Die Herstellung des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers wird dadurch vereinfacht, daß die abgedichteten Stellen durch Verschweißen, Verkleben oder in anderer einfacher Weise hergestellt werden können. Bei einem erfindungsgemäß geschweißten Wärmetauscher ist es weiterhin nicht notwendig, die ebenen Flächen des Wickels besonders plan zu fertigen oder diese im Nachhinein eigens plan zu bearbeiten, wie dies bei Wärmetauschern mit aufgeschraubten Abdichtplatten oder VerteilstUoken unerläßlich ist. Dadurch, daß die ebenen Flächen des Wickels ηloht eigens plan bearbeitet werden müssen, brauchen die Bleohbänder keine Mindestwandstärken zu besitzen, die ein unnötiges Ansteigen des Gewloht· und der Außenabmessungen sowie ein nachteiliges Absinken der wlrmetausohenden Eigenschaften verursachen. Bein erfindungsgemllen geschweißten Wärmetauscher können Wandstärken
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ab etwa 0,3 mm zur Anwendung gelangen, wobei die Wandstärken nur nach Festigkeitsbedingungen dimensioniert werden müssen ohne dabei auf fertigungstechnische Bedingungen Rücksicht zu nehmen. Dadurch sind kleine hydraulische Durchmesser mit optimalen Wärmetauscheigenschaften und kleinsten Abmessungen möglich.
Die Zuführung und Ableitung der wärmetauschenden Fluide ist in besonders einfacher Weise dadurch möglich, daß die ebenen Begrenzungsflächen des Wickels jeweils mindestens zwei Sektoren aufweisen, wobei in jedem Sektor offene Abschnitte ausschließlich eines Strömungskanals angeordnet sind und benachbarte Sektoren offene Abschnitte verschiedener Strömungskanäle aufweisen.
Vorteilhafterweise sind die offenen und die geschlossenen Abschnitte jeweils symetrisch zu einer die Achse des Wickels senkrecht schneidenden Ebene angeordnet. Einer Zuführung an der oberen ebenen Begrenzungsfläche des Wickels kann an der unteren ebenen Begrenzungsfläche des Wickels direkt gegenüberliegend eine Ableitung zugeordnet werden und umgekehrt. Die Zuführungen und Ableitungen können auch beliebig versetzt am Umfang liegen.
Die Zuführung oder Ableitung der Fluide kann außerdem dadurch erleichtert werden, daß über mindestens einem Sektor ein A lesen überdeckender Vorkopf angeordnet ist. Der Vorkopf kann mit dem Wickel fest und abdichtend verschweißt sein. Die Sektoren können beliebig groß gewählt werden.
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UNDE AKTIENC ESELLSCKAFT
Die Strömungsverteilung der Fluide ist dann besonders gleichmäßig und günstig, wenn die Sektoren gleich groß sind und die Anzahl der Sektoren ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl der wärmeaustauschenden Fluide ist. Für den Wärmeaustauscher für zwei Fluide bedeutet dies, daß auf jeder der ebenen Begrenzungsflächen des Wickels entweder zwei oder vier oder sechs usw. gleich große Sektoren angeordnet sind.
Um die Herstellung des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers zu vereinfachen, erweist es sich als vorteilhaft, den Wickel um ein Kernrohr anzuordnen.
Wird der beschriebene Wärmeaustauscher für Fluide hohen Drucks oder vor allem für Fluide mit großer Druckdifferenz verwendet, ist es günstig, den Wickel an seiner äußeren Zylindermantelfläche mit einem Druckmantel zu umgeben.
Zur Erhöhung der Druckbeständigkeit bei Fluiden mit erheblich unterschiedlichen Drücken und zur Vermeidung von Ausbeulen der letzten Lagen des Wickels kann der Wickel an seiner äußeren Zylindermantelfläche von einer enganliegenden, dünnen Manschette umgeben sein und einen in Abstand angeordneten Druckmgjitel aufweisen. Die so zwischen Druckmantel und Manschette gebildete Druckkammer kann mit dem Strömungskanal für das unter dem höchsten Druck stehende Fluid in Verbindung stehen.
Insbesondere bei der Verwendung des erfindungsgeraäßen Wärmeaustauschers als Kondensator können die Strömungs-
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kanäle in radialer Richtung unterschiedliche Breiten aufweisen. Durch geeignete Formgebung kann vermieden werden, daß hochströmende Dämpfe das Zurückfließen des Kondensats behindern. Außerdem kann die Breite der Strömungskanäle für aufsteigende Dämpfe im Verhältnis zur Breite der Strömungskanäle, in denen die Kondensate zurückfließen günstig aufeinander abgestimmt werden.
Besonders einfach kann der für die Strömungskanäle erforderliche Spalt dadurch erzeugt werden, daß die Blechbänder geeignete Prägungen aufweisen.
Die notwendige Spaltbreite zwischen benachbarten Blechbändern kann weiterhin in einfacher Weise dadurch eingehalten werden, daß zwischen den Blechbändern streifenförmige und gewellte oder gekanntete Einlagen mit gegenseitigem Abstand angeordnet sind. Die Einlagen müssen lediglich lose eingelegt sein. Die durch den Wickelvorgang erzeugte Verspannung durch die Blechbänder und/oder durch die eigene Verformung reicht aus, um die Einlagen in Position zu halten. Die Einlagen sind günstigerweise parallel zueinander in auf der Wickelachse senkrecht stehenden Ebenen mit Abstand so angeordnet, daß jederzeit eine quer zu einer, beispielsweise in Richtung der Wickelachse liegenden Hauptströmung verlaufende Strömung der wärmetauschenden Fluide ermöglicht ist. Die Einlagen reichen in der Regel nicht ganz bis zu den Kanten der Blechbänder.
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Bei einem bevorzugten Wärmeaustauscher sind zwischen den Blechbändern Wellbleche, Drahtgitter oder aus Blech geformte Fins angeordnet, die gegebenenfalls zur besseren Wärmeleitung mit den Blechbändern durch Verschweißen oder Verlöten verbunden sind.
An den in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbe!spielen wird im folgenden die Erfindung näher erläutert.
Es zeigt Figur 1: Eine perspektivische Darstellung der aufgebogenen innersten Lagen des Wickels,
Figur 2: Eine Draufsicht einer ebenen Begrenzungsfläche des Wickels, vor der Anordnung von Vorköpfen ,
Figur 2: Einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen W arme aus t aus c he r,
Figur 4: Eine perspektivische Darstellung einer ebenen Begrenzungsfläche des Wickels mit Vorköpfen»
In Figur 1 ist ein erster Herstellungsschritt zur Fertigung des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers dargestellt. Um das Kernrohr 1 sind die an ihren Stirnseiten 4 dicht miteinander verbundenen Blechbänder 2 und j5 gelegt, die die Strömungskanäle 6, 7 erzeugen. Zwischen den Blechbändern 2, 5 und bei der innersten Wicklung auch zwischen Blechband 2 und dem Kernrohr 1 sind die Einlagen 5 angeordnet. Die Abstände zwischen den Einlagen werden vorzugsweise sehr schmal und gleichmäßig
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gewählt. Die mit Abstand und parallel zueinander in auf der Wickelachse senkrecht stehenden Ebenen angeordneten Einlagen ermöglichen eine von der Hauptströmung abweichende Strömung der wärmetauschenden Fluide. Ein Verlöten oder sonstiges Verbinden der Einlagen 5 mit den Blechbändern 2, 3 ist nicht notwendig, da die Einlagen 5 bei einem eng aufgespulten VJ;ekel ohnehin in Position verbleiben. Die Wellenberge der Einlagen können in Richtung der Achse des Wickels verlaufen. Die Wellenberge können aber auch die Achse des Wickels unter einem bestimmten Winkel schneiden und so angeordnet sein, daß sich die Wellenberge der Einlagen benachbarter Strömungskanäle oder gleicher Strömungskanäle unter einem bestimmten Winkel, beispielsweise 90°> schneiden. Statt der Einlage 5 können aber auch ein oder mehrteilige Distanzbleche verwendet werden. Die Distanzbleche können auch zu mehreren aufeinander liegen. Die Distanzbleche können gelocht oder geschlitzt sein. Die Erhöhungen oder Vertiefungen auf den Distanzblechen können in beliebiger, auch unregelmäßiger Art aufgebracht sein und bei wellenförmigen Distanzblechen können die Wellenberge in gleicher Weise wie die der Einlagen angeordnet sein. Die Einlagen oder Distanzbleche können entfallen, wenn die Blechbänder für sich schon in geeigneter Weise Vertiefungen und/oder Erhöhungen aufweisen.
Figur 2 zeigt eine Draufsicht einer ebenen Begrenzungsfläche des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers vor der
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Anordnung von Vorköpfen. Um das Kernrohr 1 sind die Blechbänder 2, 3 mit dazwischen eingefügten Distanzblechen 5 eng anliegend angeordnet. Deutlich sind dabei die offenen Abschnitte 8 und die wechselweise, schachbrettartig dazwischen angeordneten abgedichteten Abschnitte 9 zu erkennen. Durch die erfindungsgemäße Verteilung von offenen und abgedichteten Abschnitten entstehen Sektoren 10- Die abgedichteten Abschnitte überlappen sieh dabei zur leichteren Abdichtungen gegenüber den einzelnen F1Iu iden an den angrenzenden Stellen 11 ein wenig.
Figur 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher im Schnitt, der in einer Rektifikationssäule als Kondensator eingebaut ist. Zur besseren Druckbeständigkeit sind die um das Kernrohr 1 unter Freilassung der Strömungsquerschnitte 6, 7 angeordneten Blechbänder 2, ~j> von einem Druckmantel 12 umgeben. Nur ein Teil der Sektoren ist von Vorköpfen 15 überdeckt. Die Strömungskanäle können in radialer Richtung in einem mittleren Bereich zwischen Kernrohr und Druckmantel eine größere Spaltbreite aufweisen. Die Pfeile geben die Strömungsrichtungen der wärmeaustauschenden Fluide an.
Bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers als Kondensator in LuftZerlegeranlagen können die Blechbänder glatt sein und aus legiertem Stahl, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bestehen. Die den Wickel bildenden Blechbänder besitzen vorzugsweise eine Wandstärke von 0,3 bis 0,5 nun
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bei einer Ausführung in legiertem Stahl und 0,5 bis 1 mm be' Aluminium oder e'ner Aluminiumlegierung- Die zw'sehen den Blechbändern lose eingelegten Einlagen sind 5 bis 20 mm brei t. sinusförmig gewellt und ihre Wandstärke beträgt je nach Material 0,2 bis 0,5 mm bei legiertem Stahl und 0,2 bis 1,0 mm bei Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. D'e Abstände zwischen den stre'fenförmigen Einlagen lTegen im Strömungskanal für den Stickstoff zwischen 20 und 200 mm und im Strömlings kanal für den Sauerstoff zwischen 1 und 30 mm. Der hydraulische Durchmesser der Strömungskanäle bewegt sich zwischen 0,5 und 5 mm.
Figur 4 zeigt eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers, bei dem jeder zweite Sektor von einem Vorkopf 13 überdeckt wird. In dem an einer Stelle aufgebrochenen Vorkopf sind die Stellen 11 zu sehen, an denen sich die abgedichteten Abschnitte der Strömungskanäle überlappen. Außerdem ist zu erkennen, daß der Vorkopf über diesem Sektor genau die offenen Abschnitte nur eines Strömungskanals überdeckt. Die abgedichteten Stellen 9 sind dabei durch Verschweißen hergestellt, ebenso wie die Befestigung der Vorköpfe 13 BXi der ebenen Begrenzungsfläche des Wickels. Der Wickel ist an seiner äußeren Zylindermantelfläche von einer
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Manschette 1Λ, beispielsweise einem enganliegenden, dünnen Band aus Aluminium oder Stahl, "umgeben. E'n Druckmantel 15 umgibt in Abstand die Manschette 1Λ. Der dadurch entstehende Ringraum . dient als Druckraum. Der Ringraum kann an seinen ebenen Stirnflächen dicht, beispielsweise durch Einschweißen einer ringförmigen Platte, abgeschlossen sein. Über öffnung 16 kann ein Druckmedium in den Druckraum eingebracht werden. Das Druckmedium erzeugt im Druckraum einen Druck, der mindestens so hoch ist wie der größte vorkommende Druck, der am Wärmetausch beteiligten Fluide, Dadurch kann ein nachteiliges Aufbeulen der äußersten Lagen des Wickels vermieden werden. Mit Vorteil steht die Druckkammer mit dem wärmetauschenden Fluid mit dem höchsten Druck direkt in Verbindung.
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher kann aus jedem beliebigen, vorzugsweise schweißbaren Material bestehen. Als vorteilhafte Materialien können legierter Stahl, Aluminium und eine Aluminiumlegierung gelten. Die Wandstärken der Blechbänder des Wickels differieren von 0,3 his 5 mm, Die Blechbänder können glatt ausgebildet oder mit Erhebungen versehen sein. Die bevorzugt verwendeten Einlagen sind zwischen 5 und 20 mm breit und zwischen 0,2 bis 5 nun dick« Die Abstände zwischen den Einlagen können sich in einem Bereich von 1 bis 200 mm bewegen. Die Abstände müssen weder innerhalb eines Strömungskanals noch bei benachbarten Strömungskanälen konstant sein. Bevorzugte hydraulische Durchmesser der Strömungskanäle betragen 0,5 bis 10
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in Ausnahmefällen bis 20 mm. Der erfindungsgemäße Wärmetauscher kann mit Vorteil als Gas-Gas-Wärmetauscher, Kondensator. Regenerator, Wasserdampfkondensator in Kraftwerken. Kompressorkühler oder Verdampfer eingesetzt werden. Muß er mechanisch oder chemisch reinigbar sein, so sLnd vorzugsweise die höheren der angegebenen Zahlenwerte für die Dimensionierung ausziawählen.
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Claims (12)

linde aktiengesellschaft 2 5 j 4 4 41 (H 805) -13- H 75/49
1.8.1975 Patentans prüohe
1. Wärmeaustauscher in Spiralbleohbauart mit einem Wickel aus im Abstand zueinander angeordneten Blechbändern, die zwischen sich jeweils Strömungskanäle bilden, dadurch gekennzeichnet, daß jeder durch benachbarte Blechbänder (2, 3) gebildete Strömungskanal (6, 7) entlang der Stirnseiten (4) der Blechbänder abgedichtet ist und entlang der Längsseiten der Blechbänder jeweils mindestens einen offenen (8) und einen abgedichteten (9) Abschnitt aufweist.
2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die abgedichteten Abschnitte (9) durch unmittelbares Verschweißen benachbarter Blechbänder hergestellt sind.
3· Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ebenen Begrenzungsflächen des Wickels jeweils mindestens zwei Sektoren (10) aufweisen, wobei in jedem Sektor offene Abschnitte (8) ausschließlich eines Strömungskanals (6, 7) angeordnet sind und benachbarte Sektoren (10) offene Abschnitte (8) verschiedener Strömungskanäle (6, 7) aufweisen.
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LINDE AKTIENGESELLSCHAFT
4. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die offenen (8) und die geschlossenen (9) Abschnitte jeweils symetrisch zu einer die Achse des
Wickels senkrecht schneidenden Ebene angeordnet sind.
5· Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß über mindestens einem Sektor (10) ein
diesen überdeckender Vorkopf (13) angeordnet ist.
6. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sektoren (10) gleich groß sind und daß die Anzahl der Sektoren (10) ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl der wärmeaustauschenden Fluide ist.
7. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wickel um ein Kernrohr (1) angeordnet ist.
8. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wickel an seiner äußeren Zylindermantelflache von einem Druckmantel (12) umgeben ist.
9· Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wickel an seiner äußeren Zylindermantelflache von einer enganliegenden dünnen Manschette (14) umgeben ist und einen in Abstand angeordneten Druckmantel (15) aufweist.
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2 5 3 A A 4 2 "3^ -Ab '
10. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle (6, 7) in radialer Richtung unterschiedliche Breiten aufweisen.
11. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechbänder (2, 3) geeignete Prägungen aufweiten.
12. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Blechbändern (2, 3) streifenförmige, gewellte oder gekanntete Einlagen 5 mit gegenseitigem Abstand angeordnet sind.
13· Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Blechbändern (2, 3) Distanzbleche, Wellbleche, Drahtgitter oder aus Blech geformte Fins an angeordnet sind, die gegebenenfalls wärmeleitend mit den Blechbändern verbunden sind.
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DE19752534442 1975-08-01 1975-08-01 Waermeaustauscher in spiralblechbauart Withdrawn DE2534442A1 (de)

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