EP0571656B1

EP0571656B1 - Wärmetauscher mit zwangsgeführter Strömung

Info

Publication number: EP0571656B1
Application number: EP92116596A
Authority: EP
Inventors: Peter Neurauter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-05-23
Filing date: 1992-09-29
Publication date: 1995-08-02
Anticipated expiration: 2012-09-29
Also published as: EP0571656A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher, bei dem zwei Medien mit unterschiedlicher Temperatur in getrennten Kreisläufen geführt werden. Der Kreislauf, in dem das wärmere Medium geführt wird, wird dabei in der Regel als Primärkreislauf, und der Kreislauf, in dem das kältere Medium geführt wird, als Sekundärkreislauf bezeichnet.
Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades eines Wärmetauschers soll die Grenzfläche, die die beiden Medien trennt, möglichst dünn sein, eine möglichst große Oberfläche und eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Außerdem läßt sich der Wirkungsgrad noch dadurch verbessern, daß die Medien gegensinnig zueinander strömen.
Es wurde bereits ein Wärmetauscher mit einer Rohranordnung für das wärmeaufnehmende Medium und mit einem Außenmantel für das wärmeabgebende Medium vorgeschlagen, wobei die Rohranordnung sehr dünne und verschlungen angelegte Rohre umfaßt und somit eine sehr große Oberfläche aufweist. Solche Vorrichtungen sind jedoch dann relativ ungeeignet, wenn das durch die Rohranordnung strömende Medium Teilchen, wie zum Beispiel Kalk, mit sich führt, die sich an den Rohrwänden ablagern können. Dies führt nach und nach zu einer Verstopfung der Rohranordnung, die sich mechanisch kaum beheben läßt. Außerdem ist der konstruktive Aufwand für die verschlungenen Rohre erheblich.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Wirkungsgrad eines Wärmetauschers zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch einen Wärmetauscher mit zwangsgeführter Strömung gelöst mit einem Gehäuse mit rohrförmigem, lichtem Querschnitt als Teil eines ersten Wärmekreislaufs, mindestens einem, parallel zur Gehäuselängsachse angebrachten Rohr, als Teil eines zweiten Wärmekreislaufs, wobei das (die) Roh(e) und das Gehäuse getrennte Zu- und Abläufe aufweisen, wie bereits im Dokument US-A-4993 485 beschrieben wird und wobei erfindungsgemäß jedes Rohr einen lose eingelegten flexiblen Stab aufweist, dessen Durchmesser einen Teil des lichten Rohrquerschnitts einnimmt und der in axialer und radialer Rohrrichtung frei beweglich und drehbar ist.
Zur Erhöhung des Wirkungsgrades werden solche Wärmetauscher in der Regel mit mehreren parallel zueinander liegenden Rohren versehen. Mit einer solchen Rohranordnung läßt sich der Wärmetauscher nicht nur sehr einfach aufbauen sondern auch leicht warten, da die Rohre keine Krümmung aufweisen. Die lose eingelegten flexiblen Stäbe lassen sich einfach aus den Rohren herausziehen, so daß das Rohrinnere für eine Reinigung zugänglich ist.
Durch die Auslegung der flexiblen Stäbe läßt sich die Strömung in den Rohren weitgehend beeinflussen, so daß durch die zwangsgeführte Strömung die Wärmeübertragung im inneren Wärmekreislauf optimiert wird.
Die Aufgabe der Erfindung, den Wirkungsgrad eines Wärmetauschers zu verbessern, läßt sich auch durch eine zwangsgeführte Strömung im äußeren Wärmekreislauf erreichen. Ein solcher Wärmetauscher weist ein Gehäuse mit rohrförmigen, lichtem Querschnitt als Teil eines äußeren Wärmekreislaufs auf und mindestens ein im Gehäuse angebrachtes Rohr, als Teil eines inneren Wärmekreislaufs, wobei das (die] Rohr(e) und das Gehäuse getrennte Zu- und Abläufe aufweisen, wie im Dokument JP-A-61-59 198 beschrieben wird und wobei erfindungsgemäß mindestens ein quer zur Gehäuselängsachse eingebrachtes Element vorgesehen ist, das mit dem lichten Gehäusequerschnitt dicht abschließt, Durchführungen für das (die) Rohr(e) aufweist und wendelförmig ausgebildet ist, so daß das (die) Rohr(e) vom im ersten Wärmekreislauf befindlichen Medium wendelförmig umströmt wird (werden). Durch das zylinderförmige Element mit wendelförmigem Durchlaß wird eine Strömung erzwungen, die tangential schräg die Rohre an und umströmt und gegenüber einer laminaren Strömung wesentlich wirkungsvoller ist.
Eine optimale Steigerung des Wirkungsgrads von Wärmetauschern ergibt sich aus der Kombination der beschriebenen zwangsgeführten Strömung im inneren und im äußeren Wärmekreislauf.
Im folgenden werden Vorteile und vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung beschrieben die sich teils auf den erfindungsgemäßen Wärmetauscher mit zwangsgeführter Strömung im inneren Warmekreislauf, den erfindungsgemäßen Wärmetauscher mit zwangsgeführter Strömung im äußeren Wärmekreislauf und auf einen Wärmetauscher mit zwangsgeführter Strömung in beiden Kreisläufen beziehen.
Die Rohre bzw. die Rohranordnung mit den lose eingelegten Stäben, die in allen Richtungen frei beweglich sind und deren Bewegungsspielraum·mechanisch lediglich durch die Rohrinnenwände und die Stirnseiten zu denen sie sich in einem konstruktiv vorgegebenen Abstand befinden, begrenzt sind, bringt noch einen weiteren entscheidenden Vorteil mit sich.
Durch die flexiblen Stäbe, die vorzugsweise aber nicht zylindrisch oder konisch sind, wird ein gegenüber starren Stäben, wie zum Beispiel Metallstäben bzw. -nadeln, stark unterschiedliches Strömungsverhalten erreicht. Die lose eingelegten flexiblen Stäbe "schwimmen" bzw. "schweben" nämlich frei im strömenden Medium und zwar unabhängig von der Lage des Wärmetauschers, so daß sich zwischen der inneren Rohrwand und dem Stab eine ringspaltenförmige Strömung ausbildet. Damit wird zum einen erreicht, daß der durch Wärmeleitung zu überbrückende Weg, im Gegensatz zu einem Rohr ohne Stab, nicht mehr gleich dem Rohrinnenradius ist, sondern lediglich der Ringspaltbreite entspricht, so daß sich im Vergleich zu einem einfachen Rohrwärmetauscher ein wesentlich optimierter Wirkungsgrad ergibt.
Der Wirkungsgrad des Wärmetauschers läßt sich nach einer besonders vorteilhaften Ausbildung der Erfindung noch erheblich verbessern, wenn die verwendeten Stäbe eine Biegefestigkeit aufweisen, die größer ist als die Biegefestigkeit von PTFEKunststoff und die etwas größer sein kann als die Biegefestigkeit von glasverstärktem Kunststoff. Als "Stäbe" können aber auch dünnwandige Rohre aus Edelstahl mit beispielsweise 0,5 mm Wandstärke verwendet werden, die an beiden Enden verschlossen bzw. verkoppelt sind.
In diesem Biegefestigkeitsbereich tritt die durch die Anordnung der losen Stäbe erzielte Wirkung besonders deutlich hervor. Die in der Strömung schwimmenden Stäbe nehmen nämlich keinen, statischen Zustand ein, sondern werden vielmehr zu Zwangsschwingungen angefacht, die dadurch entstehen, daß sich in einem sich verengenden Spalt die Strömung beschleunigt und dadurch der Strömungsdruck in diesem Spalt absinkt. Bedingt durch die Elastizität der Stäbe kann sich dieser Spalt noch weiter verengen, bis die Viskositätskräfte die Strömung im Spalt bremsen und sich dann der Spalt durch die Rückstellkraft des elastischen Stabs wieder erweitert. Hiernach beginnt der beschriebene Verengungseffekt wieder von vorne, Da die Strömung im Ringspalt rotationssymetrisch ist und der Stab als zusätzlichen Freiheitsgrad auch rotieren kann, wird der Stab sich helixförmig deformieren und in einen Rotationszustand versetzt werden. Dies hat zum einen zur Folge. daß die ringspaltenförmige Strömung stark turbulent ist und dadurch der Wärmetransport vom Medium zur Grenzoberfläche optimiert wird. Zum anderen ergibt sich durch die Zwangsschwingungen ein hoher Selbstreinigungseffekt, da sich am Stab oder an der Rohrinnenwand festsetzende Partikel durch die mechanische Bewegung des Stabes gelöst werden.
Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung von glasfaserverstärktem Kunststoff (GfK) als Stabmaterial gezeigt; bei Errosionsgefahr können auch Edelstahl Rohre mit dem Selben E-Modul wie GfK verwendet werden.
Eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von lichtem Rohrdurchmesser zu Stabdurchmesser im Bereich von 1,4 bis 2,5 liegt. In diesem Bereich lassen sich optimale Wärmeübertragungswerte erzielen. Vorteilhaft werden bei einem lichten Rohrdurchmesser von 5 mm, Stabdurchmesser im Bereich von 2 bis 3 mm und bei einem lichten Rohrdurchmesser von 7 mm Stabdurchmesser von 3 bis 5 mm verwendet. Die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums zwischen Rohr und Stab sollte größer als ein Meter pro Sekunde sein.
Eine weitere, besonders vorteilhafte Ausführung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe über mindestens einen Teil ihrer Länge konisch ausgeführt sind. Da sich mit zunehmender Wegstrecke, die das Medium im Ringspalt zwischen einem Rohr und dem darin befindlichen Stab zurücklegt, die Temperatur des Mediums ändert, ändert sich auch dessen Dichte und Viskosität. Bei einem zylindrischen Stab würde sich mit abnehmender Viskosität eine Druckverluständerung einstellen, und damit würde sich der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung verschlechtern. Durch die konische Ausführung der Stäbe kann dieser Nachteil jedoch kompensiert werden, indem die Durchflußrichtung des Mediums bzw, die Lage dar Stäbe so gewählt wird, daß mit abnehmender Dichte des Mediums der Durchmesser der Stäbe zunimmt. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung sollte wegen der Wartungsfreundlichkeit des Wärmetauschers darauf geachtet werden, daß der Zugang zur inneren Rohranordnung von der dickeren Seite der Stäbe ermöglicht wird, um so sicherzustellen, daß sich die Stäbe einfach herausziehen lassen.
Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung, bei der mindestens eine Stirnwand des Gehäuses lösbar befestigt ist, läßt sich eine besonders einfache Wartung durchführen, da lediglich die Stirnwand abgenommen zu werden braucht, um die Stirnseite der Rohranordnung mit den darin befindlichen Stäben freizulegen.
Eine vorteilhafte Ausbildung des Wärmetauschers mit der zwangsgeführten Strömung im äußeren Wärmekreislauf besteht darin, daß in das Gehäuse mehrere zylinderförmige Elemente mit wendelförmigem Durchlaß im vorgegebenen Abstand eingebracht sind. Durch das jeweils in axialer Strömungsrichtung folgende nächste Element wird die wendelförmige Strömung während des Durchlaufs durch den äußeren Wärmekreislauf immer von neuem angeregt, so daß damit einer Dämpfung in axialer Strömungsrichtung entgegengewirkt werden kann. Zur Optimierung des wendelförmigen Strömungverlaufs kann der Abstand entsprechend variiert werden und die zylinderförmigem Elemente mit wendelförmigem Durchlaß können so gegeneinander verdreht werden, daß die abklingende Strömung optimal in das nachfolgende Element eintritt.
Durch eine variable Anzahl von zylinderförmigen Elementen mit wendelförmigem Durchlaß und durch eine Variation der Anströmwinkel, sowie durch gradweisen Versatz der Anströmöffnungen der Elemente, wird die Strömung nach den jeweiligen Anforderungen optimiert. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung weisen die zylinderförmigen Elemente mit wendelförmigem Durchlaß in ihrem Zentrum einen Stab oder eine stabförmige Ausbildung von vorgegebener Länge auf. Dadurch läßt sich der Abstand der Elemente voneinander festlegen, so daß die so ausgeführten Elemente lediglich in das Gehäuse des Wärmetauschers eingebracht werden müssen und automatisch den richtigen Abstand einnehmen. Zur Abdichtung gegenüber dem Gehäusemantel können die zylinderförmigen Elemente mit wendelförmigem Durchlaß jeweils mit einer oder mehreren Dichtlippen versehen sein.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, daß durch die paßgenauen zylinderförmigen Elemente mit wendleförmigem Durchlaß die Länge der Rohre und damit die Länge eines Wärmetauschers beliebig verlängert werden kann, da die Schwingungen, zu denen die Rohre sonst vom strömenden Medium angeregt werden, durch die beabstandet eingebrachten Elemente abgefangen werden und somit keine Abscherungen und Ermüdungserscheinungen auftreten können.
Durch die spiralförmige Strömung im äußeren Wärmekreislauf ergeben sich auch keine Todzonen und somit auch keine Ablagerungen in diesen und ebenso keine durch die Todzonen verursachten Schäden durch Korrosion bzw. Kavitation. Durch die Reduzierung der Korrosion können die Wärmetauscherrohre in der Wandstärke verringert werden. Insgesamt kann durch die Kombination von zylinderförmigen Elementen mit wendelförmigem Durchlaß und Stäben ist den Rohren die Gesamtlänge des Wärmetauschers auf 1/3 der Gesamtlänge von herkömmlichen Rohrbündelwärmetauschern reduziert werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist der Zulauf des äußeren Wärmekreislaufs so angeordnet und ausgebildet, daß das zufließende Medium tangential zum lichten Querschnitt einströmt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Dabei zeigen:

FIG 1:: Einen Wärmetauscher mit einer Anordnung von mehreren parallelen Rohren.
FIG 2:: Einen Ausschnitt aus der Rohranordnung,
FIG 3:: Ein Wärmetauscherrohr mit einem zylinderförmigen Element mit wendelförmigem Durchlaß.
FIG 4:: Ein Wärmetauscherrohr mit für eine Rohrbündelanordnung ausgebildeten zylinderförmigen Elementen mit wendelförmigem Durchlaß.
FIG 5:: Ein Wärmetauscherrohr mit gegeneinander verdrehten zylinderförmigen Elementen mit wendelförmigem Durchlaß.
FIG 6:: Eine weitere Ausführung eines Wärmetauscherrohres mit zylinderförmigen Elementen mit wendelförmigem Durchlaß.
FIG 7:: Einen Querschnitt durch ein Wärmetauscherrohr mit Zulauf.
FiG 8:: Einen Wärmetauscher mit zwangsgeführter Strömung im inneren und äußeren Kreislauf.

Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Wärmetauscher, der aus einem rohrförmigen Gehäuses (1) besteht, das an den Stirnseiten durch zwei kreisförmige Stirnwandplatten (2,11) absgeschlossen ist. Wie an der Stirnseite (2) zu erkennen ist, sind die Stirnwände (2,11) mittels Schrauben lösbar befestigt. Das Gehäuse (1) des Wärmetauschers weist einen Zufluß (4) und einen Abfluß (5) für den äußeren Wärmekreislauf, also den Kreislauf zwischen der Rohranordnung und dem Gehäusemantel auf. Außerdem ist es von einer Isolierschicht (3) umgeben.
Im inneren des rohrförmigen Gehäuses (1) befindet sich eine Rohranordnung, die aus mehreren parallel zueinander angeordneten Rohren (6) besteht. An der Ober- und Unterseite der Rohranordnung sind die Rohre (6) in Rohrböden (7) befestigt. Durch diese Rohrböden (7) wird der Primär- vom Sekundärkreislauf, bzw. der äußere vom inneren Wärmekreislauf des Wärmetauschers getrennt. Der verbleibende Raum zwischen den Rohrböden (7) und den Stirnwänden (2,11) des Gehäuses (1) dient als gemeinsamer Zu- bzw. Abfluß für das durch die einzelnen Rohre der Rohranordnung strömende Medium, das über den Zulauf (8) zugeführt wird und über den Ablauf (9) den inneren Kreislauf des Wärmetauschers wieder vorläßt.
In die Rohre (6) sind zylindrische Stäbe (10) eingelassen, deren Durchmesser kleiner ist als der lichte Durchmesser der Rohre (6). Die zylindrischen Stäbe (10) sind länger als die Rohre (6), aber kürzer als die lichte Länge des Gehäuses (1), so das die Stäbe (10), wenn sie in die Rohre (6) eingelegt sind, beabstandet zu den Stirnwänden (2,11) liegen und damit einen axialen Bewegungsspielraum besitzen. Da der Wärmetauscher im Ausführungsbeispiel stehend angeordnet ist, fallen die lose eingelegten zylindrischen Stäbe bis zur bodenseitigen Stirnwand (11) durch und stützen sich an dieser ab.,
Figur 2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Bereich der oberen Rohrenden. Dabei ist deutlich zu erkennen, daß die Rohre (6) durch Öffnungen des Rohrbodens (7) geführt sind. Da das Medium des äußeren Kreislaufes unterhalb des oberen Rohrbodens (7) strömt und das Medium des inneren Kreislaufes oberhalb des Rohrbodens (7) in die jeweiligen Ringspalte, die sich zwischen den Rohren (6) und den zylindrischen Stäben (10) ergeben, einströmt, müssen die Rohre (6) dicht mit dem Rohrboden (7) verbunden sein. Dies kann beispielsweise durch Presspassungen oder, je nach verwendetem Material, durch Schweiß- oder Lötverbindungen sichergestellt werden.
Wenn durch den Zulauf (8) ein Medium in Pfeilrichtung in den inneren Kreislauf des Wärmetauschers einströmt, werden die Stäbe (10), auch wenn der Wärmetauscher nicht wie gezeigt senkrecht steht, durch die Strömung in Richtung der Stirnwand (11) verschoben bis sie an dieser anstoßen und sich gegen sie abstützen. Wenn die Biegefestigkeit der Stäbe (10) im durch die Ansprüche definierten Bereich liegt, wird sich der eingangs näher beschriebene Effekt besonders vorteilhaft einstellen, so daß die Stäbe (10) zu Zwangsschwingungen angefacht werden. Da die zylindrischen Stäbe nur lose eingelegt sind, können sie sich sowohl axial als auch transversal zur Längsachse bewegen und zusätzlich Drehbewegungen ausführen. Es hat sich gezeigt, daß zur Anregung solcher Schwingungen eine Strömungsgeschwindigkeit des Mediums größer als 1 Meter pro Sekunde vorteilhaft ist. Als Stabmaterial mit ausreichender Biegefestigkeit ist glasfaserverstärkter Kunststoff (GfK) besonders geeignet. Alternativ dazu lassen sich auch beidseitig verschlossene Edelstahlrohre mit demselben oder einem annähernd gleichen Elastizitätsmodul wie GfK verwenden. Solche Edelstahlrohre erweisen sich als besonders günstig, wenn Errosionsgefahr besteht. Stabmaterial mit PTFE-Kunststoff oder mit Teflon ummanteltem PTFEKunststoff hat sich als weniger geeignet erwiesen.
Durch die Zwangsschwingungen, die die Stäbe (10) in den Rohren (6) ausführen, wird die Strömung in den ringspaltförmigen Kanälen zwischen den Stäben und den Rohrinnenwänden Stark turbulent. Damit wird die Wärmeleitung zur Rohrwand gegenüber einer laminaren Strömung erheblich verbessert. Gleichzeitig werden durch die Zwangsschwingungen der Stäbe (10) sich an diesen oder an der Rohrinnenwand ansetzende Schmutzteilchen gelöst und ausgespült, bzw. es kommt gar nicht erst dazu, daß sich Teilchen festsetzen können. Der damit erzielte hohe Selbstreinigungseffekt verlängert die wartungsfreien Zeiten des Wärmetauschers erheblich. Wenn jedoch eine Wartung notwendig sein sollte, ist dies besonders einfach möglich. Die Stirnwand (2) kann mittels der lösbaren Verbindungen einfach vom Gehäuse (1) entfernt werden, so daß der Zugang zur Rohranordnung und den Stäben freigelegt ist. Die Stäbe (10) können dann aus den Rohren (6) herausgezogen und gereinigt werden. Auch die Rohrinnenwände sind dann für eine Reinigung frei zugänglich.
Das Verhältnis des Durchmessers der Stäbe (10) zum lichten Durchmesser der Rohre (6) kann je nach Anwendungsfall variiert werden. Es hat sich herausgestellt, daß der Bereich von 1,4 bis 2,5 besonders geeignet ist. Durch die Variation des Stabdurchmessers läßt sich der Wärmetauscher hinsichtlich Strömungsgeschwindigkeit und Druckabfall optimal auf die geforderten Wärmeübertragungsleistungen anpassen, so daß sich für jedes Einsatzgebiet ein möglichst hoher Wirkungsgrad erzielen läßt.
Die bisher beschriebene Erhöhung des Wirkungsgrades eines Wärmetauschers bezog sich auf Maßnahmen im inneren Kreislauf, also die Rohranordnungen betreffend. Es ist jedoch auch möglich, wie im folgenden gezeigt wird, den Wirkungsgrad eines Wärmetauschers durch eine Zwangsführung des im äußeren Wärmekreislauf strömenden Mediums zu erhöhen.
An Hand der Figur 3 wird das Prinzip der Erhöhung des Wirkungsgrades im äußeren Kreislauf eines Wärmetauschers erläutert. Dargestellt ist ein Ausschnitt aus einem Wärmetauscher, der wie der aus Figur 1 bekannte Wärmetauscher aufgebaut sein kann. An Stelle der aus Figur 1 bekannten Rohranordnungen ist hier jedoch lediglich ein Rohr (6) vorgesehen, in dem sich ein Stab (10) befindet. Das Rohr (6) befindet sich innerhalb des bekannten Gehäuses (1) und ist durch das Zentrum eines zylinderförmigen Elementes mit wendelförmigem Durchlaß (12) geführt. Das zylinderförmige Element mit wendelförmigem Durchlaß (12) schließt mit der Mantelinnenfläche des Gehäuses (1) dicht ab.
Das zylinderförmige Element mit wendelförmigem Durchlaß (12) kann beispielsweise aus einen zylinderförmigen Material durch einfräsen eines Gewindeganges hergestellt werden. Es könnte aber auch in einer Form gegossen werden oder, wenn als Material beispielsweise Kunststoff verwendet wird, auch gespritzt werden.
Wenn das Medium im äußeren Kreislauf des Wärmetauschers strömt, wird sich durch das Element (12) eine wendel- bzw. spiralförmige Strömung einstellen. So daß das Rohr (6) vom äußeren Medium tangential schräg umströmt wird. Die Schrägheit der Strömung hängt dabei von der Steigung des Wendelganges oder anders ausgedrückt vom Anströmwinkel des zylinderförmigen Element mit wendelförmigem Durchlaß (12) ab. Das spiralförmig strömende Medium im äußeren Wärmekreislauf legt damit einen größeren Weg zurück als ein laminar, das heißt parallel zum Rohr (6) strömendes Medium zurücklegen würde. Damit kann im Vergleich zu Wärmetauschern mit laminarer Strömung die Länge des Wärmetauschers bei gleicher Wärmeübertragungsleistung wesentlich verkürzt werden.
Bei gleicher Länge des Wärmetauschers ergibt sich eine Steigerung des Wirkungsgrades die aber nicht nur durch die Verlängerung des effektiven Weges bezüglich des strömenden Mediums erzielt wird, sondern auch dadurch, daß das Rohr (6) tangential angeströmt wird und die Strömung insgesamt turbulenter verläuft, als bei einer laminaren Strömung, so daß die Wärmeaufnahme bezogen auf das Gesamtvolumen des strömenden Mediums optimiert wird.
Bei der Verwendung der zylinderförmigen Elemente mit wendelförmigem Durchlaß (12) im äußeren Wärmekreislauf braucht jedoch auf eine Rohrbündelanordnung für den inneren Wärmekreislauf nicht verzichtet zu werden. Die zylinderförmigen Elemente mit wendelförmigem Durchlaß können nämlich mit mehreren Bohrungen versehen werden, durch die dann die Rohre (6) einer Rohranordnung geführt werden können.
In Figur 4 ist ein Ausschnitt aus einem solchen Rohrbündel-Wärmetauscher gezeigt.
Im Gehäuse (1) des Rohrbündelwärmetauschers befinden sich im vorgebbaren Abstand zwei zylinderförmige Elemente mit wendleförmigem Durchlaß (12), durch die eine Anzahl von Rohren (6) geführt ist. Der sich einstellende Strömungsverlauf im äußeren Wärmekreislauf ist durch Strömungslinien schematisch dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, daß sich eine spriral- bzw. wendelförmige Strömung einstellt, die die Rohre (6) tangential schräg umfließt. Die durch das erste zylinderförmige Element (12) (von links nach rechts) erzeugte spiralförmige Strömung wird durch die eigene Viskosität und durch die Rohre bedämpft, so daß sie entlang des Weges durch das Gehäuse (1) mehr und mehr abklingt. Sie kann jedoch an jeder beliebigen Stelle durch ein weiteres zylinderförmiges Element mit wendelförmigem Durchlaß wieder aufgefangen und von neuem mit einer bestimmten Steigung "angefacht" werden. Durch die entsprechende Anordnung der zylinderförmigen Elemente mit wendleförmigem Durchlaß kann also der gesamte Strömungsverlauf im äußeren Wärmekreislauf beeinflußt werden. Wenn die Strömung an einer beliebigen Stelle im Gehäuse (1) durch ein zylinderförmiges Element mit wendelförmigem Durchlaß wieder angefacht werden soll, so kann das Element (12) durch Drehung um seine Längsachse so eingebracht werden, daß das strömende Medium optimal in die Wendelöffnung einströmt. In Figur (5) sind beispielsweise zwei Elemente (12) in einem Gehäuse (1) dargestellt, die um 180° gegeneinander verdreht sind.
Figur 6 zeigt einen Ausschnitt aus einem Wärmetauscher mit einem Gehäuse (1) und einem Zulauf (4) für den äußeren Wärmekreislauf, in den zylinderförmige Elemente mit wendleförmigem Durchlaß (12) eingebracht sind, deren Ausführungsform etwas verschieden von den bisher gezeigten ist. Wie bereits angedeutet, kann die Ausführungsform des Elementes (12) den jeweiligen Gegebenheiten in Bezug auf die Größe, den Anströmwinkel, das Material, etc. angepaßt werden. Das in Fig. 6 gezeigte zylinderförmige Element mit wendleförmigem Durchlaß (12) weist in seinem Zentrum eine stabförmige Ausbildung (13) von der Länge des Elements auf. Diese stabförmige Ausbildung dient der Stabilität des Elements. Die stabförmige Ausbildung (13) kann aber auch beiderseitig länger sein als das Element (12) selbst. Sie kann nach einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung beiderseitig soweit über das Element hinausragen, daß sich mit ihm automatisch der Abstand zum nächsten, ebenfalls eine stabförmige Ausbildung aufweisenden Element, einstellen läßt. Damit müssen die Elemente (12) im Gehäuse (1) nicht zusätzlich fixiert werden, sondern brauchen lediglich in das Gehäuse eingeschoben zu werden und sind dann durch die stabförmigen Ausbildungen (13) automatisch im richtigen Abstand zueinander angeordnet. Für die Dichtung zwischen dem Gehäusemantel und dem Element (12) können zusätzliche Dichtlippen am Element (12) vorgesehen sein.
Damit die wendel- bzw. spiralförmige Strömung im äußeren Kreislauf von Anfang an möglichst optimal angeregt wird, kann der Zulauf (4), wie in Fig. (7) gezeigt, seitlich am Gehäuse (1) angebracht sein, so daß sich bereits beim Einströmen des Mediums ein bezüglich des Gehäusequerschnitts tangentialer Strömungsverlauf ergibt.
In Fig. 8 ist der bereits aus Fig. 1 und Fig. 2 bekannte Rohrbündelwärmetauscher dargestellt. Zusätzlich ist schematisch in den äußeren Wärmekreislauf ein zylinderförmiges Element mit wendelförmigem Durchlaß (12) eingebracht, daß im Ausschnitt mit den Rohren vergrößert dargestellt ist. Durch das Zusammenspiel beider Maßnahmen, also der zylinderförmigen Elemente mit wendleförmigem Durchlaß im äußeren Wärmekreislauf und der Dorne bzw. Stäbe in den Rohren, lassen sich Wärmetauscher in kompaktester Bauform herstellen, die gezielt auf die Einsatzbedingungen, wie gewünschte Temperatur und Druckdifferenz und Strömungsgeschwindigkeiten auf das jeweilige Medium abstimmbar sind. Mit einem solchen Wärmetauscher ergeben sich viele variable Verwendungsmöglichkeiten. Sie verbinden alle Vorteile eines Plattenwärmetauschers, wie z.B. kleine Abmessungen, hohe Wärmeübertragungsleistung, breites Leistungsspektrum bei ein und derselben Baugröße, mit den Vorteilen eines Rohrbündeltauschers, wie leichte Reinigungsmöglichkeiten, geringe Druckverluste, hohe statische Drücke. Durch die Strömungsoptimierung in und um die Rohre lassen sich sehr hohe Standzeiten erzielen.

Claims

Wärmetauscher mit zwangsgeführter Strömung mit folgenden Merkmalen:
1.1. einem Gehäuse (1) mit rohrförmigem lichtem Querschnitt als Teil eines äußeren Wärmekreislaufs,

1.2. mindestens einem, parallel zur Gehäuselängsachse angebrachten Rohr (6), als Teil eines inneren Wärmekreislaufs, wobei das (die) Rohr(e) (6) und das Gehäuse (1) getrennte Zu- und Abläufe aufweist und wobei

1.3. jedes Rohr (6) einen lose eingelegten flexiblen Stab (10) aufweist, dessen Durchmesser kleiner als der lichte Durchmesser des Rohres ist, so daß ein Ringspalt für die Strömung des Mediums des inneren Wärmekreislaufes entsteht, und der in axialer und radialer Richtung frei beweglich und drehbar ist.
Wärmetauscher mit zwangsgeführter Strömung mit folgenden Merkmalen:
2.1. einem Gehäuse (1) mit rohrförmigem, lichtem Querschnitt als Teil eines äußeren Wärmekreislaufs,

2.2. mindestens einem, im Gehäuse angebrachten Rohr (6), als Teil eines inneren Wärmekreislaufs, wobei das (die) Rohr(e) (6) und das Gehäuse (1) getrennt Zu- und Abläufe (4,5; 8,9) aufweisen,

2.3. mindestens einem quer zur Gehäuselängsachse angeordneten Element (12), das mit dem lichten Gehäusequerschnitt dicht abschließt und
2.3.1. zylinderförmig mit einem wendelförmigen Durchlaß ausgebildet ist, so daß das (die) Rohr(e) vom im ersten Wärmekreislauf befindlichen Medium wendelförmig umströmt wird (werden), und

2.3.2. Durchführungen für das (die) Rohr(e) (6) aufweist.
Wärmetauscher mit zwangsgeführter Strömung mit folgenden Merkmalen:
3.1. einem Gehäuse (1) mit rohrförmigem, lichtem Querschnitt als Teil eines äußeren Wärmekreislaufs,

3.2. mindestens einem, parallel zur Gehäuselängsachse (1) angebrachten Rohr (6), als Teil eines inneren Wärmekreislaufs, wobei das (die) Rohr(e) (6) und das Gehäuse (1) getrennte Zu- und Abläufe (4,5; 8,9) aufweisen,

3.3 mindestens einem quer zur Gehäuselängsachse angeordneten Element (12), das mit dem lichten Gehäusequerschnitt dicht abschließt und
3.3.1. zylinderförmig mit einem wendelförmigen Durchlaß ausgebildet ist, so daß das (die) Rohr(e) vom im ersten Wärmekreislauf befindlichen Medium wendelförmig umströmt wird (werden), und

3.3.2. Durchführungen für das (die) Rohr(e) (6) aufweist, wobei

3.4. jedes Rohr (6) einen lose eingelegten flexiblen Stab (10) aufweist, dessen Durchmesser einen Teil des lichten Rohrquerschnitts einnimmt und der in axialer und radialer Rohrrichtung frei beweglich und drehbar ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 3, wobei die Biegefestigkeit der Stäbe (10) im Bereich ${2 S}_{Gfk} {- S}^{PTFE} {> S > S}_{PFTE}$
liegt, wenn "S_GfK" die Biegefestigkeit von glasverstärktem Kunststoff und "S_PTFE" die Biegefestigkeit von PTFE-Kunststoff ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 3, wobei die Stäbe (10) aus glasverstärktem Kunststoff sind, oder als Edelstahlrohre mit (annähernd gleichem Elastizitätsmodul wie glasfaserverstärkter Kunststoff ausgeführt sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1,3,4 oder 5, wobei das Verhältnis von lichtem Rohrdurchmesser zu Stabdurchmesser im Bereich von 1.4. bis 2.5. liegt.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1,3,4,5 oder 6, wobei das durch die Rohre (6) strömende Medium eine Strömungsgeschwindigkeit aufweist, die größer als ein Meter pro Sekunde ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1,3,4,5,6 oder 7, wobei die Stäbe (6) über mindestens einen Teil ihrer Länge konisch ausgeführt sind.
Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens eine Stirnwand (2,11) des Gehäuses lösbar ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei in das Gehäuse (1) mehrere zylinderförmige Elemente mit wendelförmigem Durchlaß (12) im vorgegebenen Abstand eingebracht sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 10, wobei die zylinderförmigen Elemente mit wendelförmigem Durchlaß (12) um einen vorgegebenen Winkel gegeneinander verdreht sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 2 bis 11, wobei die zylinderförmigen Elemente mit wendelförmigem Durchlaß (12) in ihrem Zentrum einen Stab (13) oder eine stabförmige Ausbildung (13) vorgegebener Länge aufweisen.
Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Zulauf (4) des äußeren Wärmekreislaufs so angeordnet und ausgebildet ist, daß das zufließende Medium tangential zum lichten Gehäusequerschnitt einströmt.