DE3634871A1

DE3634871A1 - Doppelspiralwaermeaustauscher

Info

Publication number: DE3634871A1
Application number: DE19863634871
Authority: DE
Inventors: Markku Vilhelm Honkajaervi; Tero Tapio Tiitola
Original assignee: Outokumpu Oyj
Current assignee: Outokumpu Oyj
Priority date: 1985-10-14
Filing date: 1986-10-13
Publication date: 1987-05-21
Also published as: FI853990A0; FI75664C; FI75664B; US4785878A; SE8604256D0; DK471986D0; SE463636B; SE8604256L; DK471986A; FI853990L

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Doppelspiralwärme austauscher aus zwei getrennten Rohrschlangen, wobei je des Wärmeaustauschmedium in seinem eigenen Rohrsystem umläuft. Die Spiralen der beiden Rohrleitungssysteme sind eng miteinander verzahnt, und zwischen den Spiralen ist eine metallische Berührung durch ein Vermittlungsmetall hergestellt.

Bei einem bekannten Spiralwärmeaustauscher gemäß der fin nischen Patentanmeldung 8 22 007 sind z. B. die zu getrenn ten Wärmenetzen gehörenden Rohrleitungen innerhalb eines Zyklus in der Querschnittsebene der Spiralachse ausge tauscht. Die Kreise der Spiralen sind gegeneinander ge preßt, so daß die Berührungsfläche zwischen den Kreisen vergrößert und damit der Wärmeaustausch verbessert ist. Zweck dieser Anordnung ist es, die Rohre immer exakt pas send aufeinanderliegend zu haben. Dabei werden während des Windens die Rohre so gepreßt, daß sie im Querschnitt elliptisch werden. Dieser Wärmeaustauscher wird haupt sächlich als tertiärer Wärmeaustauscher benutzt, wobei das gesamte Rohrleitungsnetz innerhalb eines Behälters eingeschlossen ist, in welchem eine dritte Flüssigkeit das Rohrleitungssystem umströmt. In der Anmeldung heißt es zwar, daß zwischen den Rohren metallischer Kontakt be steht. Hier handelt es sich tatsächlich aber nur um eine mechanische Berührung zwischen zwei Metallrohren, denn im Text ist keinerlei Wärmebehandlung erwähnt, und eine metallische Berührung zwischen zwei Rohren kann nicht allein durch Pressen hergestellt werden. Bei diesem Wär meaustauscher nimmt der leere Raum zwischen den Rohren einen großen Anteil ein; aber wenn die Vorrichtung als tertiärer Wärmeaustauscher benutzt wird, wird dieser leere Raum von der die Rohre umgebenden dritten Flüssig keit ausgefüllt.

Das verzahnte Zusammenpassen abgeflachter Rohre in einem Wärmeaustauscher ist aus der finnischen Patentanmeldung 8 30 419 bekannt. Die Rohre sind im Querschnitt unrund, so daß ihre Flanken mindestens teilweise eben sind und dar überhinaus möglicherweise mit zusätzlichen Rippen oder dgl. versehen sein können. Die von den Rohren gebildeten Spiralen sind nicht selbsttragend sondern zwischen zwei Platten angeordnet.

In US-PS 43 06 618 wird ein Spiralrohrbündel eines Wärme austauschers beschrieben, welches von einem äußeren Man tel (Druckgefäß) umgeben ist. Dabei fließt eine Flüssig keit in den Rohren des Spiralrohrbündels und eine weitere Flüssigkeit außerhalb des Spiralrohrbündels innerhalb des Mantels. Für den Wärmeaustausch ist daher eine gute Be rührung zwischen den Rohren nicht wesentlich. Da die von den Rohren gebildete Wand aber die Zirkulation des Was sers innerhalb des Mantels leitet, muß Kontakt zwischen den Rohren bestehen. Folglich ist versucht worden, diese Berührung so gering wie möglich, z. B. etwa linear zu ma chen, damit soviel wie möglich der für den Wärmeaustausch wirksamen, wertvollen Oberfläche nach außen gerichtet bleibt. Aus diesem Grund sind die Rohre unter hoher Tem peratur miteinander verschweißt. Die Stärke der aus den Rohren gebildeten Wand ist ferner durch Aufbringen von Lot zwischen den Rohren verbessert.

Aus der internationalen Anmeldung W 081/03300 geht ein Verfahren zum Herstellen eines Doppelwärmeaustauschers hervor, bei dem eine transversale Rohrwand aus zwei ge trennten Rohren gebildet wird und jedes zweite Rohr in dieser Wand zu einem System und die jeweils anderen Rohre zu einem anderen System gehören. Auf die Außenfläche die ser Rohrwand ist eine Wärme leitende Masse gequetscht, und danach ist in ähnlicher Weise um die Rohrspiralen eine weitere Rohrspiralschicht gewickelt, die aber mit der vorhergehenden Schicht verzahnt ist. In horizontaler Ebene gesehen, können so mehrere Schichten übereinander gelegt werden, und jede Schicht wird mit einer Wärmeleit masse bedeckt, die zwischen die Rohre gepreßt wird, wäh rend die nächste Schicht aus Spiralrohren um die vorher gehende gewickelt wird. Der Durchmesser der Rohre in einer Querebene ist immer gleich, wobei aber in den äus seren Spiralreihen der Rohrdurchmesser zunehmen kann.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Doppelspiralwärme austauscher, der aus verzahnten Rohrspiralen zweier ge trennter Rohrschlangen aufgebaut ist. Zwischen diesen Spiralen soll durch Metallvermittlung eine metallische Berührung hergestellt werden.

Die wesentlichen neuen Merkmale der Erfindung gehen aus Anspruch 1 hervor.

Die Erfindung zielt darauf ab, einen druckbeständigen Doppelspiralwärmeaustauscher zu schaffen, der nur aus Rohren aufgebaut ist und kein gesondertes, äußeres Druck gefäß braucht. Ein weiteres wesentliches Merkmal des Wär meaustauschers gemäß der Erfindung besteht darin, daß die zu unterschiedlichen Rohrsystemen gehörenden Rohrspiralen so nahe wie möglich aneinander angeordnet sind. Eine gute Wärmeübertragung ist durch Metallvermittlung gewährlei stet, wobei zwischen den Rohren metallische Berührung hergestellt ist.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand eines schematisch dargestellten Aus führungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung ist eine schematische Darstellung eines Wärmeaus tauschers im Querschnitt.

In der Zeichnung sind die zu zwei getrennten Systemen gehörenden Rohrschlangen mit den Symbolen "+" und "-" bezeichnet. In die Rohrschlange "+" tritt Flüssigkeit durch einen Ein gangsanschluß 1 ein, und ein Ausgangsanschluß 3 dieser Rohrschlange ist, wie aus der Zeichnung hervorgeht, im mittleren Teil des Wärmeaustauschers angeordnet. Inner halb der zweiten Rohrschlange "-" fließt die Flüssigkeit im Gegensinn, so daß ein Ausgangsanschluß 2 der Rohr schlange "-" am Außenumfang des Wärmeaustauschers liegt, während der zugehörige Eingangsanschluß 4 im mittleren Teil des Wärmeaustauschers angeordnet ist. Metallische Berührung zwischen den Rohren ist mit Hilfe eines Vermitt lungsmetalls 5 hergestellt.

Bei der Herstellung des Doppelspiralwärmeaustauschers wird von im wesentlichen runden Rohren aus Kupfer oder einer Kupferlegierung ausgegangen, die so gebogen werden, daß sie regelmäßige Spiralen in der horizontalen Ebene bilden. Die Steigung pro Gang ist konstant und hängt vom Rohrdurchmesser ab. Bei dem vorteilhaftesten Herstel lungsverfahren dieser Doppelspiralwärmeaustauscher werden die Rohrspiralen kompakt aufeinander angeordnet, so daß die Rohre getrennter Rohrschlangen eng miteinander ver zahnt werden, d. h. daß die Spiralen der getrennten Sy steme der Reihe nach aufeinander zu liegen kommen, wie die Zeichng. zeigt. Die Enden der zum gleichen System gehören den Rohre werden mittels entsprechender Einrichtungen so verbunden, daß sie mit den zugehörigen Eingangs- und Aus gangsanschlüssen gekoppelt werden können. Der Durchmes ser der Rohre getrennter Rohrschlangen kann entweder gleich oder unterschiedlich sein, wie im Fall der Zeichnung.

Der Doppelspiralwärmeaustauscher kann auch so hergestellt werden, daß die Spiralen der beiden Rohrschlangen zunächst so kombiniert werden, daß sie eine ganze Wand aus einem Rohrbündel bilden. Anschließend werden dann die getrenn ten Rohrbündelwände so gegeneinander gepreßt, daß sie mit einander verzahnt werden.

Bei dem in der vorstehend beschriebenen Weise hergestell ten Doppelspiralwärmeaustauscher ist der Kontakt zwischen den Rohren etwa linear. Dieser Kontakt soll nun durch Vermittlung eines Metalls verbessert werden, indem die Berührungsfläche zwischen den Rohren vergrößert wird. Vermittlungsmetall ist, wie schon gesagt, in gewissem Ausmaß bereits zur Schaffung einer gleichförmigen Wand aus Rohren benutzt worden. Zweck war es hierbei jedoch nicht, den Wärmeaustausch zu verbessern, da in allen Rohren ein und dieselbe Flüssigkeit fließt. Es war le diglich beabsichtigt, eine gleichmäßige Wand zu erzielen. Nunmehr hat sich in Versuchen erwiesen, daß die Wärme austauschkapazität zwischen den Rohren auf ein Vielfa ches im Vergleich zum mechanischen Kontakt erhöht werden kann, wenn zwischen den Rohren mit Hilfe eines Metalls eine metallische Berührung hergestellt wird. Die auf grund des Vermittlungsmetalls erzielte Erhöhung der Wär meaustauschkapazität ist auch deutlich größer als die durch Wärmeleitmassen erzielte Zunahme.

Als Vermittlungsmetall kann z. B. Zinn, Zink, Blei, Alu minium oder eine Legierung dieser Metalle benutzt werden. Die metallische Berührung wird beispielsweise durch Lö ten, Eintauchen oder Gießen erzielt. Hierbei werden auch die kleinen, linienförmigen Nuten aufgrund von Kapillar kräften ausgefüllt. So kann z. B. zwischen den Spiralen des Doppelspiralwärmeaustauschers Lot eingesetzt werden, welches beim Glühen des Wärmeaustauschers schmilzt und damit zwischen den Rohren eine gleichförmige Oberfläche bildet, die beträchtlich größer ist als die lineare Be rührung. Der Wärmeaustauscher kann aber auch in ge schmolzenes Metall, z. B. Zink eingetaucht werden. Beim Eintauchen werden die Rohre auch einem Weichglühen un terzogen, so daß die Spannungen in der Struktur während der Rekristallisierung derselben aufgehoben werden. Statt des Eintauchens kann auch ein geeignetes Metall auf den Wärmeaustauscher gegossen werden. Das auf die Rohre gegossene Metall verbessert den mechanischen Schutz ganz beträchtlich, so daß die Rohrwand in diesem Fall dünner sein kann.

Wie schon erwähnt, besteht der Wärmeaustauscher aus runden Rohren, die im Vergleich zu geformten, beispiels weise abgeflachten Rohren den zehnfachen Druck aushalten. So können runde Rohre zur Herstellung eines Doppelspi ralwärmeaustauschers benutzt werden, für den kein äuße res Druckgefäß benötigt wird, aber jedes Wärmeaustausch medium in seiner eigenen Rohrschlange umläuft. Bei Vor richtungen, die mit Freon oder Frigen arbeiten, ist es beispielsweise absolut nötig, daß dies Kältemittel, selbst wenn es zu einem Rohrbruch kommt, nicht in das Wasser abgegeben wird. Dies läßt sich bei dem Doppelspi ralwärmeaustauscher vermeiden, da im Fall eines Bruchs die Flüssigkeit in den Raum zwischen den Rohren abgege ben wird, wo sie auf verschiedene Weise beobachtet wer den kann.

Beispiel

Die Zunahme der Wärmeaustauschkapazität, die mit Hilfe des Vermittlungsmetalls erzielt werden kann, geht aus den unten aufgeführten Versuchsergebnissen hervor.

Der Koeffizient des Wärmedurchgangs einer Wärme leiten den Masse ist in der Tabelle nicht aufgeführt, liegt aber zwischen dem mechanischen Kontakt und dem Zinnlöten.

Claims

1. Druckbeständiger Doppelspiralwärmeaustauscher aus zwei getrennten Rohrschlangen, dadurch gekennzeichnet, daß die zu den beiden getrennten Rohrschlangen (+, -) gehörenden Rohre verzahnt eng ineinander passen, und daß ein guter Wärme austausch zwischen den Rohren durch metallische Berüh rung erzielbar ist, die ein Vermittlungsmetall herstellt.

2. Doppelspiralwärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiralen der beiden getrennten Rohrschlangen (+, -) zum Aufbau des Wärmeaustauschers abwechselnd aufeinander so angeordnet sind, daß die Rohre miteinander verzahnt sind, wobei die Spiralen durch Biegen des Rohres in der horizontalen Ebene gebildet sind, daß das Eingangs- und Ausgangsende jeder Rohrschlange verbunden und mit dem entsprechenden Eingangs- (1, 4) und Ausgangsanschluß (3, 2) gekoppelt ist, und daß eine metallische Berührung zwischen den bei den Rohrschlangen hergestellt ist.

3. Doppelspiralwärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst die Spiralen jeder Rohrschlange in einer Rohrwand angeordnet sind, daß dann die Wände verzahnt zusammengepreßt sind, wobei die Eingangs- und Ausgangsenden mit den entspre chenden Anschlüssen gekoppelt sind, und daß metallische Berührung zwischen den beiden Rohrschlangen hergestellt ist.

4. Doppelspiralwärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metalli sche Berührung durch Löten hergestellt ist.

5. Doppelspiralwärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metalli sche Berührung durch Eintauchen des Wärmeaustauschers in geschmolzenes Metall hergestellt ist.

6. Doppelspiralwärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metalli sche Berührung durch Gießen geschmolzenen Metalls über den Wärmeaustauscher hergestellt ist.

7. Doppelspiralwärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metalli sche Berührung durch Verwendung von Zinn oder einer Zinn legierung als Vermittlungsmetall hergestellt ist.

8. Doppelspiralwärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metalli sche Berührung durch Verwendung von Zink oder einer Zink legierung als Vermittlungsmetall hergestellt ist.

9. Doppelspiralwärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metalli sche Berührung durch Verwendung von Blei oder einer Blei legierung als Vermittlungsmetall hergestellt ist.

10. Doppelspiralwärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metalli sche Berührung durch Verwendung von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung als Vermittlungsmetall hergestellt ist.