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Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für die Dünnschicht-Wärmeübertragung zwischen einem Fluid, das in einem langgestreckten rohrförmigen Gehäuse strömt, und einem zweiten Fluid, das durch eine Leitung strömt, welche das Gehäuse in wärmeübertragender eng anliegender Weise außen umgibt.
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Bekannte Wärmetauscher basieren im wesentlichen auf dem Bauprinzip, daß ein Rohr in einem Mantelgehäuse vorgesehen ist, was eine komplizierte und teuere Anordnung ergibt, die sich nur schwer abdichten läßt. Ein Beispiel für eine derartige Anordnung ist in der US-PS 16 94 370 zu finden, bei der eine Reihe von vertikalen Rohren ein längs deren Innenwänden fließendes Fluid enthält, um in Wärmeaustausch mit einem längs der Rohraußenwand vertikal nach unten strömenden Fluid zu treten. Die Anordnung erfordert eine Hauptumhüllung und eine Vielzahl von Abdichtungsflächen, die die Fluiddurchflußpassage getrennt voneinander halten. Infolge der aufwendigen Konstruktion ist die bekannte Anordnung in der Herstellung teuer. Des weiteren ergibt eine parallele Strömung von Fluiden keinen so hohen Wirkungsgrad, wie der Wärmeaustausch zwischen Fluiden, die in Quer- oder Gegenströmung sich bewegen. Außerden ist bei dem bekannten Wärmetauscher darauf zu achten, daß die Flüssigkeit in die Rohrleitung hineingelangt, und daß sie einen Film längs der Rohrwand bildet und nicht in unerwünschter Weise nach unten tropft, ohne in wärmeaustauschender Beziehung zur Rohrwand zu treten.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei dem trotz herstellungstechnisch vereinfachter Ausbildung Fluide unterschiedlicher Art mit hohem Wirkungsgrad in wärmeaustauschender Beziehung zueinander gebracht werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Vorsehen eines langgestreckten Trennwandelementes, das im Gehäuse eingesetzt ist und das Gehäuse in ein oberes und ein unteres Abteil aufteilt, wobei sich die Abteile in Längsrichtung des Gehäuses erstrecken und wobei im Trennwandelement zwei Reihen von Durchgangspassagen ausgebildet sind, die sich jeweils sehr nahe bei der betreffenden Verbindungsstelle zwischen dem Trennwandelement und dem Gehäuse befinden, eines endseitigen Abschlußdeckels für das Gehäuse, wobei das Fluid im unteren Abteil des Gehäuses zwischen Abschlußdeckel und rohrförmigen Element frei austreten kann, und eines Fluideintritts im oberen Abteil des Gehäuses.
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Der Wärmetauscher nach der Erfindung hat als Grundelement ein einfaches rohrförmiges Gehäuse, das durch leicht abzudichtende Abschlußdeckel verschlossen werden kann. Diese Deckel lassen sich für Wartungszwecke ebenso einfach abnehmen. In dem Gehäuse ist ein einfaches Trennwandelement angeordnet, das ein oberes und unteres Abteil bildet, wobei in das obere Abteil ein Fluid eingeleitet wird. Längs der Kanten des Trennwandelementes sind Durchgangspassagen vorgesehen, die eine Fluidströmung vom oberen Abteil in das untere Abteil ermöglichen. Die an der Außenseite des Gehäuses vorzugsweise spiralförmig verlaufende Rohrleitung ermöglicht einen Wärmeaustausch im Gegenstromprinzip und schafft damit optimale Wärmeübergangsverhältnisse. Außerdem ergibt diese Rohrleitung eine Doppelwandkonstruktion zwischen den in Wärmeaustausch tretenden Fluiden, so daß ein Leck in einer Wand nicht sofort zu einer Verunreinigung des anderen Fluides führt. Der Wärmetauscher läßt sich in einfacher Weise dadurch isolieren, daß man das isolierende Material auf die Außenseite der umgebenden Fluidleitung anordnet, wodurch Wärmeverluste im wesentlichen vermieden werden. Die Kosten für die Anbringung der Isolierung sind wegen der einfachen und regelmäßig zu isolierenden kleinen Oberfläche gering.
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Der erfindungsgemäße Wärmetauscher kann sowohl zum Erwärmen als auch Kühlen eines Fluides, welches sich entweder in dem rohrförmigen Gehäuse oder in der an dessen Außenseite angeordneten Fluidleitung strömt, verwendet werden. Der Wärmetauscher hat dabei eine hohe Wirksamkeit infolge der Möglichkeit, eine kombinierte Gegen- und Querströmung der betreffenden Fluide vorzusehen. Da das Fluid längs der gesamten Länge des Gehäuses nach unten fließt, läßt sich die Temperatur des Gehäuses auf einem gleichfömigen Wert halten, was die für das Abkühlen des in der äußeren Leitung strömenden Fluides benötigte Zeit im Vergleich zu anderen Wärmetauschern mit ähnlichen Wärmetauschflächen und anderen Parametern verkürzt. Hauptanwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Wärmetauschers ist jedoch bei Kühl- oder Klimaanlagen gemäß der US-PS 36 61 200. Bei dem darin beschriebenen Wasserkühler dienen flüssiges Ammoniak und Heliumgas zur Abkühlung einer typischen Gefrierschutzlösung, wie Äthylenglykol und Wasser. Die Verwendung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers für eine derartige Kühleinrichtung führt zu einer Anlage mit hohem Energieeinsparungsgrad infolge geringer Druckverluste längs des Wärmetauschers.
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Der Wärmetauscher nach der Erfindung eignet sich jedoch auch für zahlreiche andere Anlagen. Zum Beispiel können mehrere Wärmetauscher in Gestalt von ein oder mehreren horizontal beabstandeten Reihen vorgesehen werden, wobei in jeder Reihe ein Wärmetauscher direkt über dem anderen liegt. Die vertikalen Räume zwischen den Wärmetauschern in einer Reihe sollten etwa gleich dem halben Durchmesser des rohrförmigen Gehäuses sein. Das flüssige Kühlmittel wird in das obere Abteil jedes Wärmetauschers eingegeben und fließt horizontal in Längsrichtung des oberen Gehäuseabteiles und längs der Innenseite der Gehäusewand nach unten in das untere Abteil. Das Kühlmittel verdampft längs der gesamten Länge des unteren Abteils infolge Wärmeaustausch durch die Gehäusewand mit dem zweiten Fluid, das senkrecht zu den Längsachsen der horizontal angeordneten Wärmetauscher strömt. Diese Strömung erfolgt durch einen vorgegebenen Fluidweg, z. B. einen Schacht, dessen seitliche Begrenzung den Enden der horizontalen Wärmetauscher entsprechen und dessen vertikaler Abstand von der Unterseite des zuunterst liegenden Wärmetauschers bis zur Oberseite des zuoberst liegenden Wärmetauschers reicht. Wegen der verbesserten Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Wärmetauscher reicht für eine Klimaanlage eine minimale Anzahl aus.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
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Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäß aufgebauten Wärmetauschers,
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Fig. 2 eine vertikal geschnittene teilweise weggebrochene vergrößerte Ansicht längs der Linie 2-2 in Fig. 1,
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Fig. 3 eine vertikal geschnittene vergrößerte Ansicht längs der Linie 3-3 in Fig. 2,
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Fig. 4 eine fragmentarische Draufsicht auf eine geformte Platte zur Bildung der Fluidleitung, und
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Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines Teils von einer Klimaanlage mit einem Wärmetauscher nach der Erfindung.
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Der in Fig. 1 in Gesamtansicht gezeigte Wärmetauscher H mit einem Mantelgehäuse 10, das zweckmäßigerweise aus einem Längsabschnitt eines Normrohres oder dgl. gebildet ist, weist ein Paar endseitige Abschlußdeckel 11 und 12 auf, die endseitig in das Gehäuse eingesetzt und darin befestigt sind und jeweils eine zentrale Öffnung haben, von der sich ein rohrförmiges Element 14 bzw. 15 erstreckt. Die rohrförmigen Elemente 14 und 15 ergeben Strömungspassagen, die mit einem unteren Abteil im Mantelgehäuse 10 in Verbindung stehen. Ein Trennwandelement 20 erstreckt sich in Längsrichtung des Mantelgehäuses und bildet darin ein unteres Abteil 21 und ein oberes Abteil 26, wobei das untere Abteil den überwiegenden Teil des Volumens einnimmt. Die Abmessung des Mantelgehäuses ist so gewählt, daß ein Volumen vorliegt, welches eine gewünschte Strömung eines flüssigen oder gasförmigen Medium aufnehmen kann und eine Zustandsänderung des Mediums zuläßt. Zum Beispiel könnte das das Mantelgehäuse 10 bildende Rohr einen Durchmesser von 102 mm haben. In diesem Fall kann das Trennwandelement 20 aus einem longitudinalen Abschnitt eines Rohres mit einem größeren Durchmesser von z. B. 152 mm gebildet sein. Das Trennwandelement wird dann in das Mantelgehäuse in Längsrichtung eingesetzt und an der Innenseite der Gehäusewand vor Anbringung der endseitigen Abschlußdeckel 11 und 12 befestigt.
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Ein Fluideintritt 25 steht in Verbindung mit dem oberen Abteil 26, das oberhalb des Trennwandelementes 20 liegt, um ein Fluid in das obere Abteil einzugeben. Dieses Fluid wird dann zu einer abwärts gerichteten Strömung längs der gesamten Innenseite der Gehäusewand und über die gesamte Länge des Gehäuses durch eine Einrichtung in Gestalt von Schlitzen oder Durchgangspassagen 27längs jeder Kante des Trennwandelementes veranlaßt. Diese Passagen 27 bilden Strömungswege, die eine schwerkraftbedingte Fluidströmung nach unten in das untere Abteil ermöglichen.
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Das Fluid in dem unteren Abteil 21 des Mantelgehäuses kann durch die beiden Abschlußdeckel 11 und 12 austreten.
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Eine Fluidleitung 30 steht in wärmeübertragender Beziehung zum Mantelgehäuse. Eine Ausführung einer solchen Fluidleitung ist in den Fig. 1 bis 3 in Gestalt eines handelsüblichen Rohres 30 mit im wesentlichen quadratförmigem Querschnitt gezeigt. Das Rohr ist spiralförmig eng gewunden. Eine geeignete Länge einer solchen Rohrleitung wird auf die Außenseite des Mantelgehäuses 10 geschoben und wenn erwünscht, kann ein die Wärmeübertragung förderndes Medium zwischen der Rohrleitung und dem Gehäuse angeordnet sein. Bei dem die Wärmeübertragung fördernden Medium kann es sich z. B. um ein Fett mit Aluminiumoxiden oder um herkömmliche Silikone handeln. Die gegenüberliegenden Enden der spiralförmig gewundenen Rohrleitung tragen jeweils ein Anschlußstück 31 bzw. 32 zur Verbindung mit einer weiteren Fluidleitung.
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Obgleich nicht dargestellt, läßt sich die Wirksamkeit des Wärmetauschers weiter dadurch verbessern, daß man auf die Außenseite der Fluidleitung 30 und des Mantelhäuses ein isolierendes Material aufgibt, was infolge der im wesentlichen zylindrischen Gestalt des Wärmetauschers sehr einfach erfolgen kann.
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Durch den beschriebenen Aufbau wird ein Wärmetauscher geschaffen, der aus einfachen Bauteilen, z. B. einem handelsüblichen Rohr, und einer ebenfalls handelsüblichen vorgewickelten Rohrleitung gebildet sein kann. Wegen des einfachen Grundaufbaues kann mit weniger Einergie für die Fertigung ausgekommen werden. Sowohl die Materialkosten als auch die Betriebskosten sind gering, da längs des Wärmetauschers nur geringe Druckverluste enstehen. Gleichzeitig besitzt er eine hohe Wirksamkeit, da grundsätzlich eine Gegenströmung mit konstanter Temperatur im Mantelgehäuse herrscht.
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Bei Verwendung des Wärmetauschers als Kühleinrichtung handelt es sich bei dem durch den Fluideintritt 25 in das obere Abteil 26 eingegebene Fluid um flüssiges Ammoniak und Helium. Dieses Fluid strömt dann längs der gesamten Länge des Mantelgehäuses und längs der Innenseite der Gehäusewand nach unten in das untere Abteil durch die Passagen 27 an den gegenüberliegenden Kanten des Trennwandelementes 20. Das flüssige Amoniak erfährt im unteren Abteil 21 eine Zustandsänderung in Ammoniakdampf. Dieser Dampf und das Heliumgas können durch den Abschlußdeckel 12 und das rohrförmige Element 15 frei austreten. Gleichzeitig gelangt wärmendes Heliumgas in das untere Abteil durch den endseitigen Abschlußdeckel 11. Dieser Prozeß führt zu einer im wesentlichen konstanten Temperatur im Mantelgehäuse infolge der gleichförmigen Fluidströmung längs der gesamten Gehäuselänge aus dem oberen in das untere Abteil. Die Wärmeübertragung durch das Mantelgehäuse bewirkt eine Temperaturverringerung eines in der Fluidleitung 30 befindlichen Fluids, z. B. einer Lösung aus Äthylenglykol und Wasser. Dabei kann die Fluidleitung 30 Teil einer Klimaanlage sein, wie dies in der US- Patentschrift 36 61 200 beschrieben ist. Um eine vollständige Verdampfung des flüssigen Ammoniaks im Mantelgehäuse zu erzielen, weisen dessen gegenüberliegende Enden Flüssigkeitsdämme auf, die durch den ringförmigen Abschnitt der Abschlußdeckel 11 und 12 geschaffen sind. Diese Flüssigkeitsdämme halten das Ammoniak im flüssigen Zustand, bis die Verdampfung eintritt. Bei Verwendung als Kühleinrichtung können zwei Fluide in dem Mantelgehäuse in entgegengesetzten Richtungen strömen, während ein drittes Fluid durch die Rohrleitung 30, die das Mantelgehäuse umgibt, strömt.
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Die Ausführungsform nach Fig. 1 bis 3 umfaßt ein spiralförmig gewundenes rechteckförmiges Rohr für die äußere Fluidleitung 30. Es kann jedoch auch ein spiralförmig eng gewundenes rundes Rohr verwendet werden. Fig. 4 zeigt eine handelsübliche geformte Platte 50 mit einer Fluidrohrschlange 51. Die Platte wird in flächiger Form angeliefert und kann um das Mantelgehäuse 10 gebogen werden. Auch andere Anordnungen sind erhältlich, z. B. in Form einer geformten Platte mit einer Fluidleitung, die einen sinusförmigen Fluidströmungsweg vorsieht, oder in Form von Paaren halbzylindrischer Längen eines spiralförmig gewundenen Rohres, das um das Mantelgehäuse gesetzt und angeschlossen werden kann, um längs des Mantelgehäuses ähnlich wie in Fig. 1 einen Fluidströmungsweg vorzusehen.
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Eine weitere Verwendung für den Wärmetauscher ist dessen Einsatz als Kondensor. Ein Kühlfluid fließt dann durch die Fluidleitung 30 und ein Fluid in Dampfform in das Mantelgehäuse von dessen einem Ende aus. Das Fluid verläßt das Mantelgehäuse in kondensierter Form über die Fluidöffnung 25.
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Der Einsatz des Wärmetauschers in einer typischen Klimaanlage ist in Fig. 5 gezeigt. Mehrere Wärmeaustauscher H sind in Form einer vertikalen Reihe horizontal liegend vorgesehen, wobei ein Wärmetauscher direkt über den anderen in der Reihe angeordnet ist. Der vertikale Abstand zwischen den Wärmetauschern einer Reihe ist etwa gleich dem halben Durchmesser des Mantelgehäuses 10. Das flüssige Kühlmittel wird in das obere Abteil jedes horizontalen Wärmetauschers durch ein mit den Öffnungen 25 verbundenes Rohr 60 eingegeben. Das Kühlmittel fließt horizontal längs der Länge der oberen Gehäuseteile und strömt dann längs der Innenseite der Gehäusewände nach unten in die unteren Abteile, wie dies zuvor in Verbindung mit der Kühleinrichtung beschrieben wurde. Das Kühlmittel verdampft über die gesamte Länge des unteren Abteils durch Wärmeaustausch durch die Gehäusewand mit einem wärmeren Fluid, z. B. der senkrecht zu den Längsachsen der horizontal angeordneten Wärmetauscher strömenden Luft, vgl. Pfeile A in Fig. 5. Diese Strömung erfolgt durch einen geformten Fluidleitweg, nämlich durch einen Schacht 61, dessen seitliche Begrenzungswände 62 und 63 nahe den Enden der horizontalen Längen der Wärmetauscher liegen, während die obere Wand 64 und die Bodenwand 65 des Schachtes den vertikalen Abstand von der Unterseite des zuunterst liegenden Wärmetauschers bis zur Oberseite der zuoberst liegenden Wärmetauscher überspannt. Das verdampfte Kühlmittel verläßt die Wärmetauscher durch die rohrförmigen Elemente 15; die rohrförmigen Elemente 14 sind verschlossen. Wegen der höheren Wirksamkeit der beschriebenen Wärmetauscher braucht nur eine minimale Anzahl an vertikalen Reihen für eine typische Klimaanlage vorgesehen zu werden. Das Kühlmittel verdampft in den unteren Abteilen der Mantelgehäuse durch Wärmeaustausch mit einem wärmeren Fluid (Luft), das senkrecht zu den Längsachsen der Wärmetauscher H strömt.