DE3135332A1 - PIPE HEAT EXCHANGER - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Wärmeaustauscher und richtet sich insbesondere auf Koaxialrohrwärmeaustauscher, wie sie allgemein in Wärmepumpen, Kühlaggregatkreisen, Klimaanlagen u. dergl.· Verwendung finden. The invention relates and is particularly directed to heat exchangers on coaxial tube heat exchangers, as they are generally used in heat pumps, cooling unit circuits, air conditioning systems and the like.

Die US-PS 31 99 583 beschreibt einen Rohrwärmeaustauscher für Tieftemperaturanlagen. Bei- Anstrengungen zur Verbesserung solcher Wärmeaustauscher hat man bereits Änderungen der äußeren Gestalt zur Maximierung der Wärmeaustauschleistung durch Steigerung der Leitfähigkeit an den Austauschflächen, dem thermischen Gradienten und der Wärmedämmung, an geeigneten Oberflächen vorgenommen. Eine Optimierung des Aufbaus in dieser Weise benötigt zu große, unnötige Mengen an teuren Metallen, wobei .· die Konstruktion komplexer Mehrfachleitungen und Verteilerleitungen und die Verwendung von Einsätzen erforderlich ist, die das Risiko der Korrosion und Blockade vergrößern.The US-PS 31 99 583 describes a tubular heat exchanger for cryogenic systems. Efforts to improve such heat exchangers have been made to maximize shape changes the heat exchange performance by increasing the conductivity of the Exchange surfaces, the thermal gradient and the thermal insulation suitable surfaces. An optimization of the structure in this way requires too large, unnecessary amounts of expensive metals, whereby. the construction of complex multiple lines and distribution lines and the use of inserts is required that increase the risk of corrosion and blockage.

Die Erfindung richtet sich auf die Schaffung eines kompakten Austausehers unter Verwendung geringster Mengen an Metall im .Rücklauf für Verbesserungen im Wärnieaustauschverhältnis.The invention is directed to providing a compact exchanger using the smallest amounts of metal in the return line for improvements in the heat exchange ratio.

Die Erfindung schafft einen Wärmeaustauscher für zwei strömende Medien' mit drei thermisch leitenden Rohren unterschiedlicher Querschnittsflachen, die ineinander verschachtelt im Wärmeaustausch miteinander angeordnet sind, so daß ein innerer Kanal und ein äußerer Kanal entstehen, die zusammen das erste Medium führen und einen mittleren Kanal für das zweite Medium begrenzen. Dabei sind Ein- und Auslaßeinrichtungen -in Strömungsverbindung mit dem inneren und äußeren Kanal und ein Ein- und Auslaß in Strömungs-Verbindung mit dem mittleren Kanal vorgesehen. Der mittlere Kanal kann von einem Rohr umgeben sein, das den äußeren Kanal begrenzt. Der Wärmeaustauscher kann langgestreckt mit zwei Enden sein, wobei die entsprechenden Ein- und Auslässe für die beiden Medien in der Nähe der Enden angeordnet sind und der Wärmeaustausch in einem einzigen Durchgang er- · folgt. Die Querschnittsflächen des inneren Kanals und des äußeren Kanals und die Orte der Ein- und Auslässe können so gewählt sein, daß annähernd gleiche Durchsätze irv den beiden Kanälen vorhanden sind. Die Rohre -können kreisförmigen Querschnitt aufweisen und das Verhältnis der DurchmesserThe invention creates a heat exchanger for two flowing media ' with three thermally conductive tubes of different cross-sectional areas, which are nested in one another in heat exchange, so that an inner channel and an outer channel arise which together guide the first medium and delimit a central channel for the second medium. Inlet and outlet devices are in flow connection with the inner and outer channel and an inlet and outlet in flow communication provided with the middle channel. The middle channel can be surrounded by a tube that delimits the outer channel. The heat exchanger can be elongated with two ends, with the corresponding inlets and outlets for the two media near the ends are arranged and the heat exchange takes place in a single pass. follows. The cross-sectional areas of the inner channel and the outer channel and the locations of the inlets and outlets can be chosen so that approximately there are equal throughputs irv the two channels. The pipes - can have circular cross-section and the ratio of the diameter

liegt im allgemeinen bei ca. 1.25 : 1.5 : 2. Vorzugsweise sind die Rohre koaxial angeordnet. Wenn die Rohre einen gekrümmten Teil auf ihrer Länge aufweisen, dann können der mittlere und der äußere-. Kanal jeweils spiralförmige Abstandshalter aufweisen, obwohl eine gute Ausfluchtung selbst über 90 ° Biegungen durch eine Sandfüllung vor dem Biegen erreicht werden kann, so lange die gegenseitigen Lagen durch Fixierung von Gaseinlaß- und -auslaßrohren zur äußeren Rohrwandung genau gehalten werden. Kupfer, Kupfer-Nickel und rostfreier Stahl sind die Metalle der Wahl. Das Verhältnis der Durch^ messer ist nicht immer ein Optimum für Wärmeaustauscher bei einer gegebenen Strömungsgeschwindigkeit und in einem gegebenen Bereich und kann deshalb in einigen Bereichen hoher oder niedriger liegen, wobei dann diese Verhältnisse ebenfalls gute Resultate ergeben.is generally about 1.25: 1.5: 2. Preferably they are Tubes arranged coaxially. If the tubes have a curved part along their length, then the middle and outer. Channel each have spiral spacers, although good alignment even over 90 ° bends through a sand fill can be achieved before bending, as long as the mutual layers by fixing gas inlet and outlet pipes to the outer Pipe wall are kept exactly. Copper, copper-nickel and stainless steel are the metals of choice. The ratio of the through ^ meter is not always an optimum for heat exchangers at a given flow rate and in a given area and can therefore be higher or lower in some areas, where then these ratios also give good results.

Es hat sich herausgestellt, daß bei Haushalts- und Gewerbeanlagen die Wärmeaustauscher gemäß der Erfindung eine Verbesserung bei Koaxialrohrwärmeaustauscher darstellen und es kann erwartet werden, daß sich bei Vergrößerung der Wärmeaustauscher die gleiche Verbesserung einstellt. Beispielsweise für stättische oder Gemeindeanlägen müssen gegebenenfalls die Verhältnisse der Rohre eine entsprechende Abänderung erfahren, um die Strömungsverhältnisse der Medien zu ändern; jedoch ist die Verbesserung hauptsächlich auf die Wärmeaustauschleistunq zurückzuführen, die darauf beruht, daß Flüssigkeit und Gas zwei gekrümmte zylindrische Oberflächen statt nur einer einzigen berühren. Es ist zu erwarten, daß Strömungsgeschwindigkeiten von. 1,2 bis 2,4 m/sec. bei Wärmeaustauschern dieser Art für Flüssigkeiten mit einer spezifischen Wärme in der Größenordnung derjenigen von Wasser brauchbar sind.It has been found that in household and commercial systems the Heat exchanger according to the invention an improvement in coaxial tube heat exchangers and it can be expected that the same improvement will be obtained as the size of the heat exchangers increases. For example, for municipal or municipal facilities may need the ratios of the pipes undergo a corresponding change in order to change the flow conditions of the media; however, the improvement is mainly due to the heat exchange performance, which relies on the liquid and gas contacting two curved cylindrical surfaces instead of just one. It is to be expected that Flow velocities of. 1.2 to 2.4 m / sec. with heat exchangers of this type for liquids with a specific heat of the order of magnitude those of water are useful.

Eine Ausführungsform eines Wärmeaustauschers gemäß der Erfindung soll . anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Diese zeigt inAn embodiment of a heat exchanger according to the invention is intended to. are explained in more detail with reference to the drawing. This shows in

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch einen Wärmeaustauscher; Fig. 2 einen Schnitt durch ein Ende des Wärmeaustauschers;1 shows a schematic section through a heat exchanger; Figure 2 is a section through one end of the heat exchanger;

Fig. 3 eine Außenansicht des gleichen Endes zur WiedergabeFigure 3 is an external view of the same end for reproduction

der Ankopplung von Schlauchverbindungen; und inthe coupling of hose connections; and in

Fig. 4 ' eine schematische Ansicht des Einsatzes in einerFig. 4 'is a schematic view of the insert in a

für ein Hausschwimmbecken als Wärmequelle oder -senke verwendete Wärmepumpenanlage.Heat pump system used as a heat source or sink for a domestic swimming pool.

Nach den Fig. 1 und 2 besteht der Wärmeaustauscher aus einem inneren runden Rohr 2 mit einem Außendurchmesser von ca. 25 mm, einem äußeren · runden Rohr 4 mit einem Außendurchmesser von ca. 50 mm und einem mittleren ' runden Rohr 6 mit einem Außendurchmesser von ca. 38 mm. Alle drei Rohre bestehen aus rostfreiem Stahl (18 swg). Für ein Gerät mit 1,65 kW . (2,25 PS) ist der Wärmetauscher 270 cm (9ft) lang. Eine Gaseinlaßleitung und eine Gasauslaßleitung 10 ragen durch das äußere Rohr.4 hindurch. Das mittlere Rohr 2 weist an jedem Ende einen aufgeweiteten Teil 12 auf, der mit Schiebesitz im mittleren Rohr 6 sitzt, so daß . mittels einer Ringschweißnaht 14 die beiden Rohre 2 und 6 unter Bildung eines gasdichten Durchgangskanals 16 miteinander vereinigt werden können. Der innere Kanal 18 und der äußere Kanal 20 führen Wasser durch den Wärmeaustauscher yom Wassereinlaß 21 zum Wasserauslaß 22. Der mittlere Durch- ■ gangskanal 16 ist der Kondensator des Kühlmittelkreises der Wärmepumpe (vgl. Fig. 4). Das Wasser strömt durch die äußeren und inneren Kanäle 18, 20. Um den Wärmeaustausch im inneren· Kanal 18 zu verbessern, ist eine aus rostfreiem Stahl bestehende Spirale 26 am Einlaß zum inneren Kanal eingesetzt, die eine Anfangsverwirbelung erzeugt, die aufrechterhalten bleibt. Diese Spirale braucht sich nur ein kurzes Stück in den Kanal zu erstrecken. Die Wasserströme teilen sich somit am Wassereinlaß 21 und vereinigen sich wieder am Wasserauslaß 22.According to FIGS. 1 and 2, the heat exchanger consists of an inner one round tube 2 with an outside diameter of approx. 25 mm, an outer round tube 4 with an outside diameter of approx. 50 mm and a central one 'Round tube 6 with an outside diameter of about 38 mm. All three pipes are made of stainless steel (18 swg). For a device with 1.65 kW. (2.25 hp) the heat exchanger is 270 cm (9ft) long. A gas inlet conduit and a gas outlet conduit 10 extend through the outer tube. 4 through. The middle tube 2 has at each end a widened part 12 which is seated with a sliding fit in the middle tube 6, so that . by means of an annular weld seam 14, the two tubes 2 and 6 are formed a gas-tight passage channel 16 can be combined with one another. The inner channel 18 and the outer channel 20 carry water through the heat exchanger from water inlet 21 to water outlet 22. The middle passage ■ channel 16 is the condenser of the coolant circuit of the heat pump (see. Fig. 4). The water flows through the outer and inner channels 18, 20. In order to improve the heat exchange in the inner channel 18, a stainless steel coil 26 at the inlet to the inner channel used that creates an initial vortex that sustains remain. This spiral need only extend a short distance into the canal. The water flows thus divide at the water inlet 21 and reunite at water outlet 22.

Die Gasein- und -auslaßanschlüsse sind in den Fig. 2 und 3 näher dargestellt. Das äußere Rohr 4 weist einen Schlitz 28 mit halbkreisförmigem blinden Ende auf. Die Gaseinlaßleitung 10 trifft auf das blinde Ende· des Schlitzes und ist durch das Ende 30 einer Gewindehülse 32 festgehalten, die an dem äußeren Rohr 4 durch eine Schweißnaht 34 fixiert ist. Die Verbindung der Gaseinlaßleitung 10 mit dem äußeren Rohr 4 ist .durch eine Kehl schweißung 36 abgedichtet. Die Hülse"32 nimmt eine SchTauch-The gas inlet and outlet connections are shown in more detail in FIGS. The outer tube 4 has a slot 28 with a semicircular blind end. The gas inlet line 10 meets the blind end of the slot and is held in place by the end 30 of a threaded sleeve 32 which is fixed to the outer tube 4 by a weld seam 34. The connection of the gas inlet line 10 to the outer tube 4 is .durch a fillet weld 36 sealed. The sleeve "32 takes a tube

kupplung 38 auf.coupling 38 on.

Nach Fig. 4 wälzt eine Pumpe 40 Wasser von einem Schwimmbecken¹42 durch ein Filter 44 und den Austauscher, der einen Teil einer Hauswärmepumpe 24 bildet. Die Wärmepumpe 24 hall, einen Durchstrom von ca. 2,1 m/sec durch den Austauscher aufrecht, der in einer Rohrschlagenspiraie im Wärmepumpengehäuse untergebracht ist. Der Wärmeaustauscher sammelt nur fühlbare Wärme vom Beckenwasser und im Dauerbetrieb ist ein Eingang-/Ausgangs-Verhältnis von. 1:5 erzielbar im Gegensatz zu den besten Ausführungsformen bekannter Wärmeaustauscher vergleichbarer Größe, die nur 1:3 erreichen.According to FIG. 4, a pump 40 circulates water from a swimming pool ¹ 42 through a filter 44 and the exchanger which forms part of a domestic heat pump 24. The heat pump 24 hall, a flow rate of approx. 2.1 m / sec through the exchanger upright, which is housed in a pipe loop in the heat pump housing. The heat exchanger only collects sensible heat from the pool water and in continuous operation there is an input / output ratio of. 1: 5 achievable in contrast to the best embodiments of known heat exchangers of comparable size, which only achieve 1: 3.

Die relevanten Temperaturen sind wie folgt:The relevant temperatures are as follows:

GaseinlaßGas inlet 8282 "C"C GasauslaßGas outlet 6161 ¹¹C ¹¹ C WassereinlaßWater inlet 1010 ⁰C ⁰ C WasserauslaßWater outlet 6060 "C"C

Der Wärmeaustauscher nach der Erfindung weist folgende Vorteile auf:The heat exchanger according to the invention has the following advantages:

Der Wärmeaustauscher braucht nur mit minimaler Wärmedämmung versehen zu werden, da das heiße Gas von einem vergleichsweise großem Volumen strömender Flüssigkeit umgeben ist. Der Wärmeaustauscher ist billig ■ in der Herstellung und läßt sich kompakt in die bestehende Anlage einbauen, wobei die beiden Enden der Rohrschlange durch ein Rohr verbunden sind, das einen Auslauf aufweist, so daß die Flüssigkeit des Wärmeaustauschers entleert werden kann.The heat exchanger only needs to be provided with minimal thermal insulation to become because the hot gas of a comparatively large volume flowing liquid is surrounded. The heat exchanger is cheap ■ in production and can be installed compactly in the existing system, with the two ends of the pipe coil connected by a pipe are, which has an outlet, so that the liquid of the heat exchanger can be emptied.

Es sind hohe Strömungsgeschwindigkeiten der Flüssigkeit erreichbar entweder durch Einbau von Wärmetauschern in paralleler Anordnung, so daß weitere Wärmepumpenkreise in das System einbezogen werden können, oder durch Vergrößerung der Rohrweiten unter entsprechender Leistungssteigerung der Anlage.High flow velocities of the liquid can be achieved either by installing heat exchangers in parallel so that additional heat pump circuits can be included in the system, or by enlarging the pipe widths with a corresponding increase in the performance of the system.

LeerseiteBlank page

Claims (9)

PatentansprücheClaims {]] Rohrwärmeaustauscher für den Wärmeaustausch zweier strömender Medien, g e kennzei chnet durch drei aus thermisch leitendem Material bestehende Rohre unterschiedlicher Querschnitte, die in Wärmeaustauschbeziehung ineinander verschachtelt sind zur Bildung {]] Tube heat exchanger for the heat exchange between two flowing media, characterized by three tubes of thermally conductive material of different cross-sections, which are nested in one another in a heat exchange relationship to form a) eines inneren Kanals (1B)₃ a) an inner channel (1B) ₃ b) eines äußeren Kanals (20),b) an outer channel (20), beide jeweils für das erste strömende Mediumboth for the first flowing medium c) eines mittleren Kanals (16) für das zweite Medium sowie ferner gekennzeichnet durchc) a central channel (16) for the second medium and further characterized by d) einen Einlaß (21) und einen Auslaß (22) in Ströniungsverbindung mit dem inneren (18) und dem äußeren Kanal (20) undd) an inlet (21) and an outlet (22) in flow communication with the inner (18) and the outer channel (20) and e) einen Einlaß (8) und einen Auslaß (10) in Strömungsverbindung mit dem mittleren Kanal (16).e) an inlet (8) and an outlet (10) in flow communication with the middle channel (16). 2. Rohrwärmeaustauscher nach Anspruch .1,. dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Kanal (16) von dem Rohr (6) umgeben- ist, das den äußeren Kanal (20) begrenzt. 2. tubular heat exchanger according to claim .1 ,. characterized in that the central channel (16) is surrounded by the tube (6) which delimits the outer channel (20). 3. Rohrwärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η • ζ β; i. c h η e t , daß der Wärmeaustauscher als langgestreckter Körper mit zwei Enden ausgebildet ist und die Ein- und Auslässe für die beiden Medien in der Nähe der Enden angeordnet sind und der Wärmeaustausch in einem einzigen Durchgang erfolgt.3. tubular heat exchanger according to claim 1, characterized g e k e η η • ζ β; i. c h η e t that the heat exchanger as elongated Body is designed with two ends and the inlets and outlets for the two media are arranged in the vicinity of the ends and the heat exchange done in a single pass. 4. Rohrwärmeaustauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsflächen des inneren Kanals (18) und des äußeren Kanals (20) und die Orte des Ein- (21) bzw. Auslasses (22) derart gewählt sind, daß annähernd gleiche Strömungen in beiden Kanälen (18,20) vorhanden sind.4. tubular heat exchanger according to claim 3, characterized in that the cross-sectional areas of the inner channel (18) and the outer channel (20) and the locations of the inlet (21) and outlet, respectively (22) are chosen such that approximately the same flows are present in both channels (18, 20). 5. Rohrwärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (2, 4, 6) kreisförmigen Querschnitt aufweisen und das Verhältnis der Durchmesser in der Größenordnung von ca. 1.25 : Ί.5 : 2 liegt.5. tubular heat exchanger according to claim 1, characterized in that the tubes (2, 4, 6) have a circular cross-section have and the ratio of the diameters of the order of 1.25: Ί.5: 2 lies. 6. Rohrwärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (2, 4, 6) koaxial angeordnet sind.6. Tube heat exchanger according to claim 1, characterized in that that the tubes (2, 4, 6) are arranged coaxially. 7. Rohrwärmeaustauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Kanal (18) eine Wirbelung des durch den Kanal strömenden Mediums verursacht.7. tubular heat exchanger according to claim 6, characterized in that the inner channel (18) a swirl of the through caused the channel flowing medium. 8. Rohrwärmeaustauscher nach Anspruch 7, dadurch g e k e η η -8. tubular heat exchanger according to claim 7, characterized in that g e k e η η - zeichnet, daß der innere Kanal (18) einen Spiraleinsatz (26) aufweist, der den durch den inneren Kanal (18) strömenden Medium e-ine wendeiförmige Bewegungsrichtung erteilt.shows that the inner channel (18) has a spiral insert (26) has, which e-ine the medium flowing through the inner channel (18) helical direction of movement granted. 9. Rohrwärmeaustauscher nach Anspruch 6, dadurch g e k e η η - *. zei chnet, daß die Rohre (2, 4, 6) miteinander eine Spirale ■mit einer vollständige'ff Windung bilden.9. tubular heat exchanger according to claim 6, characterized geke η η - *. shows that the tubes (2, 4, 6) form a spiral with one another with a complete turn.