DE10000288C1 - Spiralwärmeaustauscher - Google Patents

Abstract

Der Spiralwärmeaustauscher (1) besteht aus mehreren medienführenden Spiralelementen (3). Jedes Spiralelement (3) ist durch ein teilweise längsgeschlitztes Zentralrohr (4) mit einer stirnseitig beaufschlagbaren Eintrittskammer und einer Austrittskammer mit stirnseitigem Austritt sowie durch ein im Bereich des Längsschlitzes quer an das Zentralrohr (4) dicht angesetztes, an seinem dem Zentralrohr (4) abgewandten, einen Umlenkbereich umschließenden Endabschnitt (9) keilförmig gestaltetes und hier dicht verschlossenes, spiralförmig um das Zentralrohr (4) gekrümmtes Mehrkanalprofil (5) gebildet. Das Mehrkanalprofil (5) kann aus einem extrudierten und auf Länge abgeteilten Aluminiumprofil gebildet sein. Denkbar ist aber auch eine hochtemperaturbeständige Stahlblech-Schweißkonstruktion.

Description

Spiralwärmeaustauscher sind technische Einrichtungen, die bei relativ klei­ nem Bauvolumen einen hohen effektiven Wärmeaustausch zwischen gleichen oder unterschiedlichen Medien gestatten.

Der überwiegenden Mehrzahl der bekannten Spiralwärmeaustauscher haftet der Nachteil an (z. B. dem Spiralwärmeaustauscher der EP 0 380 419 B1), dass sie mit verhältnismäßig aufwendigen Verfahren bei komplizierten Ar­ beitsabläufen hergestellt und mehrdimensional geschweißt bzw. gelötet werden müssen.

Im Umfang der EP 0 529 819 B1 ist es aber auch schon bekannt, extrudierte Mehrkanalprofile durch spiralförmiges Wickeln zu einem Spiralwärmeaus­ tauscher auszubilden. Bei diesem Vorschlag liegen die Anschlüsse zu den gekrümmten Mehrkanalprofilen einmal im Innern und einmal am Außenum­ fang der Spiralwärmeaustauscher. Diese Bauart erlaubt keine kompakte Gestaltung eines Spiralwärmeaustauschers und ist somit in der Anwen­ dungsbreite beschränkt. Außerdem wird durch die außen liegenden Anschlüsse die Rotationssymmetrie und somit die Druckstabilität beeinträchtigt.

Eine weitere Eigenart der bekannten Spiralwärmeaustauscher sind ihre relativ hohen Druckabfälle. Sollen diese verringert werden, wird jedoch die Kompaktheit eingeschränkt. Auch ist eine Ausbildung dieser Spiralwärme­ austauscher als sogenannte Sicherheits-Spiralwärmeaustauscher nur mit einem außergewöhnlich hohen Aufwand möglich.

Darüberhinaus ist es in den bekannten Fällen schwierig, mehrere unter­ schiedliche Stoffströme in einen wärmetauschenden Kontakt bringen zu können.

Die DE 199 13 459 C1 befasst sich mit einem Spiralwärmeaustauscher, der in einem zylindrischen Gehäuse einen Spiralkörper enthält. Dieser umfasst zwei im Zentralbereich vorgesehene halbzylindrische Hohlkörper sowie von den Hohlkörpern ausgehende spiralförmige Leitstäbe und ein den Spiralkörper in zwei Windungen spiralförmig durchziehendes einteiliges Trennblech. Auf diese Weise werden Spiralkanäle gebildet. Die Enden der Spiralkanäle sind durch in Längsrichtung des Gehäuses verlaufende Anschlussstäbe verschlossen. Zwischen den radial äußeren Windungsabschnitten des Trennblechs den Abschlussstäben und der Innenfläche des Gehäuse sind mondsichelförmige Einbauten vorgesehen. An die Stirnwände der Hohlkörper sind Anschlüsse zur Zu- und Abführung der dem Wärmeaustausch dienenden Fluide geschweißt. Die stirnseitigen Leitstäbe sind mit den Rändern des Trennblechs verschweißt.

Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, einen Spiralwärmeaustauscher zu schaffen, der unter Vermeidung der vorstehend erwähnten Nachteile einfach aufgebaut ist und, insbesondere in der Großserienfertigung zwecks Integration in Automobile mit Brennstoffzellen, rationell und kostengünstig gefertigt werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in den Merkmalen des Anspruchs 1.

Danach umfasst der Spiralwärmeaustauscher mindestens zwei unterschiedliche Medien führende Spiralelemente. Jedes Spiralelement setzt sich aus einem teilweise längsgeschlitzten Zentralrohr und einem spiralförmig um das Zentralrohr gekrümmten Mehrkanalprofil zusammen, dessen Breite einem Mehrfachen der Höhe entspricht. In dem Zentralrohr ist eine Eintrittskammer für ein Medium und eine davon getrennte Austrittskammer für das Medium ausgebildet. Das Mehrkanalprofil ist derart quer an das Zentralrohr angesetzt, dass ein Kanalstrang mit Einzelkanälen mediumleitend mit der Eintrittskammer und der andere Kanalstrang mit Einzelkanälen mit der Austrittskammer verbunden sind. An dem dem Zentralrohr abgewandten Ende des Mehrkanalprofils ist ein keilförmiger Endabschnitt vorgesehen, der einen inneren Umlenkbereich für das Medium zwischen den beiden Kanalsträngen umschließt. Ein solcher keilförmiger Endabschnitt sichert eine quasi zylindri­ sche Außenkontur des Spiralwärmeaustauschers.

Ein im Wärmeaustausch befindliches Medium tritt an einer Stirnseite des Zentralrohrs in die Eintrittskammer ein und gelangt aus der Eintrittskammer in den mit dieser verbundenen Kanalstrang. Im Endabschnitt tritt das Me­ dium in den mit der Austrittskammer verbundenen Kanalstrang über, gelangt von hier in die Austrittskammer und verlässt die Austrittskammer an der an­ deren Stirnseite des Zentralrohrs.

Auf diese Weise ist bei mindestens zwei Medien führenden Spiralelementen, die sich innig umschließen, ein einwandfreier Wärmeaustausch gewähr­ leistet, wobei die Zu- und Abführung der Medien nur über die im Kernbereich des Spiralwärmeaustauschers liegenden Zentralrohre erfolgt. Aufgrund der speziellen Gestaltung jedes Spiralelements können mehrere Spiralelemente eng ineinander geschachtelt und je nach Einsatzfall auch mehr als zwei Me­ dien führen. Der Spiralwärmeaustauscher ist also äußerst kompakt gestaltet und kann bei hoher Austauschleistung vergleichsweise kleinvolumig gehal­ ten werden. Dies macht den Einsatz in Automobilen mit Brennstoffzellen besonders vorteilhaft.

Die Erfindung lässt es zu, dass nur die Spiralelemente medienführend oder auch die Bereiche zwischen zwei Spiralelementen mit mindestens einem Medium beaufschlagt werden. Die Bereiche zwischen den Spiralelementen sind dann über einen gegebenenfalls mehrkanaligen zentralen Zuführungsstutzen und einen ebenfalls unter Umständen mehrkanaligen zentralen Abführungsstutzen mit Zu- und Ableitungen verbunden.

Desweiteren gestattet es die Erfindung, dass die radiale Breite der Spiral­ elemente unterschiedlich ausgelegt wird, so dass auch die Durchsatzmen­ gen variieren können.

Durch die Aufteilung eines einzelnen Medienstroms auf eine größere Anzahl von Spiralelementen mit dann allerdings verringerter radialer Breite pro Medienstrom kann ferner eine Reduzierung des Druckabfalls bei gleichzeitiger thermodynamischer Effizienzverbesserung bewirkt werden.

Da die Mehrkanalprofile seitlich geschlossen sind, brauchen stirnseitig des Spiralwärmeaustauschers keine komplizierten, insbesondere spiralförmigen, Schweißnähte gelegt zu werden. Die Anbindungen der Mehrkanalprofile an die Zentralrohre sind lediglich über Längsnähte, insbesondere durch Schweißen, sichergestellt. Aufgrund Mehrkanaligkeit sind die Strömungs­ wege kurz. Hieraus resultieren geringere Temperaturspannungen.

Die Erfindung erlaubt es darüber hinaus, zwei oder mehrere Spiralwärme­ austauscher hintereinander zu schalten. Auf diese Weise kann eine Lei­ stungsanpassung während des Betriebs vorgenommen werden. So kann die Gesamteinrichtung z. B. beim Anfahren mit einer geringeren Leistung und kleineren Austauscherflächen betrieben werden. Erst nach Erreichen der Volllastsituation werden alle Austauscherflächen zugeschaltet. Je nach der momentanen Betriebssituation kann die Gesamteinrichtung dann mit dem jeweils optimalen Wirkungsgrad betrieben werden.

Falls erforderlich, können die Spiralelemente gemäß Anspruch 2 in ein zy­ linderförmiges Gehäuse eingebettet sein. Der Spalt zwischen den radial äußeren Flachseiten der Spiralelemente und der Innenwand des Gehäuses wird dann zweckmäßig mit einem Dichtungsmaterial verfüllt. Je nach Einsatzfall des Spiralwärmeaustauschers kann es sich hierbei um ein hoch­ temperaturbeständiges Dichtungsmaterial handeln.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Merkmale des Anspruchs 3 zur An­ wendung gelangen. Hierbei sind die Spiralelemente axial ineinander ge­ schoben. Die Zentralrohre liegen dann auf einem gemeinsamen Teilkreis. Eine derartige Bauart erlaubt es, die Spiralelemente gegenseitig axial zu verschieben, so dass es möglich ist, einen dynamischen Spiralwärmeaus­ tauscher zu betreiben. Je nach der Relativverlagerung der Spiralelemente wird dann der Wärmeübergang verschlechtert oder verbessert.

Entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 4 ist die Stirnkante des keil­ förmigen Endabschnitts jedes Spiralelements auf der radial außen liegenden Flachseite des hinsichtlich des Zentralrohrs in Krümmungsrichtung benach­ barten Spiralelements festgelegt, insbesondere angeschweißt. Diese Bauart kann unabhängig davon eingesetzt werden, ob der Spiralwärmeaustauscher in ein Gehäuse integriert ist oder nicht.

Eine einfache Ausbildung der Eintrittskammer und der Austrittskammer in jedem Zentralrohr wird mit den Merkmalen des Anspruchs 5 erreicht. Dazu wird eine Querwand in jedem Zentralrohr befestigt. Die Querwand trennt dann die Eintrittskammer von der Austrittskammer.

Fasst gemäß Anspruch 6 jede Querwand mit einem nasenartigen Vorsprung zwischen zwei die Flachseiten der Mehrkanalprofile der Spiralelemente auf Abstand haltende, Einzelkanäle bildende Distanzrippen, so bildet insbeson­ dere beim Festlegen, vorzugsweise Anschweißen, eines Mehrkanalprofils an ein Zentralrohr, der Vorsprung eine zentrierende Schweißlehre. Über die frei wählbare Höhe der Distanzrippen können auch Spiralelemente mit unter­ schiedlichem Volumendurchsatz bereit gestellt werden.

Die in den keilförmigen Endabschnitten der Mehrkanalprofile vorhandenen Umlenkbereiche für die Medien werden nach Anspruch 7 dadurch gebildet, dass sich die Distanzrippen von den Zentralrohren aus nur bis zu den End­ abschnitten erstrecken. In den keilförmigen Endabschnitten sind dann keine Distanzrippen mehr vorhanden.

Der Kontakt der Flachseiten zweier aneinander liegender Mehrkanalprofile wird mit Drahteinlagen entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 8 noch weiter verbessert. Diese Drahteinlagen werden bei der Krümmung der Mehr­ kanalprofile mit eingelegt. Sie liegen jeweils im Bereich zwischen zwei Distanzrippen, das heißt also im Kanalbereich, so dass dann aufgrund der federnden Vorspannung zwischen zwei Spiralelementen Zonen geschaffen werden, die insbesondere bei sogenannten Sicherheits-Spiralwärmeaustau­ schern ihre Sicherheitsfunktion ausüben.

Eine andere Möglichkeit, zwischen zwei einander umfangsseitig benach­ barten Spiralelementen Sicherheitszonen zu schaffen, die insbesondere bei Sicherheits-Spiralwärmeaustauschern vorteilhaft zur Wirkung gelangen, wird in den Merkmalen des Anspruchs 9 gesehen. Danach sind auf den radial außen liegenden Flachseiten der Mehrkanalprofile sich von den Zentralroh­ ren aus bis zu den keilförmigen Endabschnitten erstreckende, an beiden Enden sich zu den Flachseiten hin keilförmig verjüngende Umfangsrippen vorgesehen. Diese Umfangsrippen begrenzen folglich ebenfalls sich in Wickelrichtung erstreckende Kanäle und üben zugleich eine Distanzfunktion zum jeweils benachbarten Spiralelement aus. Gegebenenfalls können die Sicherheitszonen zwischen zwei Spiralelementen mit wenigstens einem neutralen Medium beaufschlagt sein. Die keilförmigen Endabschnitte erleichtern die Schaffung einer zylindrischen Außenkontur des Spiralwärmeaustauschers.

Die Sicherheitszonen zwischen zwei Spiralelementen können aber auch entsprechend Anspruch 10 ausgebildet sein. Danach sind randseitig der radial innen liegenden Flachseiten der Mehrkanalprofile sich von den Zentralrohren aus bis an die Stirnkanten der keilförmigen Endabschnitte erstreckende, im Bereich der Endabschnitte sich keilförmig verjüngende Ab­ schlussrippen vorgesehen und in der Mittellängsebene der Mehrkanalprofile verlaufen Mittelrippen von den Zentralrohren bis zu den Endabschnitten. Denkbar sind aber auch noch weitere Längsrippen zwischen den Abschluss­ rippen und den Mittelrippen. Alle Rippen wirken dann mit den Umfangsrip­ pen der jeweils benachbarten Spiralelemente zusammen. Außerdem ist es bei Anwendung dieser Ausführungsform denkbar, dass zwei einander be­ nachbarte Spiralelemente bezüglich der Längsachse des Spiralwärmeaus­ tauschers zueinander versetzt sind, so dass die Umfangsrippen, Abschluss­ rippen, Mittelrippen und ggf. die Längsrippen eines Spiralelements zwischen den Rippen der jeweils benachbarten Spiralelemente an deren Flachseiten zur Anlage gelangen und die Spiralelemente so zu einem Spiralwärmeaus­ tauscher miteinander verspannt werden.

Ein Einlageblech gemäß Anspruch 11 verhindert das Ineinanderschieben der diversen Rippen. Außerdem sollte bei dieser Ausführungsform noch eine Mittenschikane integriert werden. Aufgrund der Mittenschikane ist auch be­ züglich der Sicherheitszonen zwischen zwei Spiralelementen gewährleistet, dass ein hier eingebrachtes Medium zunächst von innen nach außen und dann wieder von außen nach innen strömt. Die Zu- und Abführung des Me­ diums erfolgt über stirnseitige Stutzen.

Nach Anspruch 12 können die Mehrkanalprofile aus auf Länge abgeteilten extrudierten Aluminiumprofilen gebildet sein. Im Bereich der späteren keil­ förmigen Endabschnitte werden die noch gestreckten Mehrkanalprofile dann beispielsweise mittels entsprechender Fräser von den Distanzrippen befreit. Anschließend werden die Flachseiten zusammengeführt, bis ihre Stirnkanten aneinander liegen. Diese Stirnkanten werden anschließend dicht verbunden, insbesondere verschweißt. Auch die Längskanten der Flachseiten werden in den Endabschnitten dicht verbunden, bevorzugt verschweißt.

Die Mehrkanalprofile mit Umfangsrippen, Abschlussrippen, Mittelrippen und gegebenenfalls Längsrippen können entsprechend den Merkmalen des An­ spruchs 13 ebenfalls aus auf Länge abgeteilten extrudierten Aluminiumpro­ filen gebildet sein. In diesem Fall werden zunächst die Umfangsrippen sowie die Mittelrippen im Bereich der keilförmigen Endabschnitte entfernt. Außer­ dem werden die Umfangsrippen benachbart der Endabschnitte keilförmig abgeschrägt. Die Länge dieser Bereiche entspricht etwa der Länge der End­ abschnitte. Die seitlichen Abschlussrippen werden bis zu den Stirnkanten geführt, jedoch im Bereich der Endabschnitte keilförmig verjüngt. Die Kür­ zungen und Abschrägungen können durch Fräsen erzeugt werden.

Im Rahmen des Anspruchs 14 wird eine hochtemperaturbeständige Stahl­ blech-Schweißkonstruktion beansprucht. Hierbei werden die Distanzrippen in Längsrichtung hochkant auf einen Stahlblechstreifen geschweißt. Dieser wird dann in Querrichtung zu einem Mehrkanalprofil gebogen und seine Längskanten werden anschließend miteinander verschweißt.

Die Distanzrippen haben hierbei schon vor dem Anschweißen auf den Stahlblechstreifen eine Länge, die um die Länge des keilförmigen Endab­ schnitts kürzer ist. Derselbe Sachverhalt trifft auch für die Ausführungsform mit Umfangsrippen, Abschlussrippen, Mittelrippen und gegebenenfalls Längsrippen zu, die vor dem Anschweißen entsprechend konfiguriert werden können. Als Schweißmethode kann bevorzugt das Laserschweißen einge­ setzt werden.

Um bei der Stahlblech-Schweißkonstruktion gemäß Anspruch 14 das Biegen der Distanzrippen über die Hochachse zu gewährleisten, ist es nach An­ spruch 15 zweckmäßig, die Distanzrippen, insbesondere an den radial innen liegenden Längskanten, mit vorzugsweise keilförmigen Einschnitten zu versehen. Diese schließen sich dann beim Wickeln. Auf diese Weise werden die Distanzrippen bei der spiralförmigen Krümmung keinen Zwängungen unterworfen. Die radial außen liegenden Längskanten brauchen lediglich geschlitzt zu werden.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 im Schema im vertikalen Querschnitt einen Spiralwärmeaustau­ scher;

Fig. 2 im Schema in der Stirnansicht ein einzelnes Spiralelement des Spiralwärmeaustauschers der Fig. 1;

Fig. 3 in schematischer perspektivischer Darstellung, teilweise im Schnitt, das Spiralelement der Fig. 2 in gestreckter Lage;

Fig. 4 in schematischer perspektivischer Darstellung, teilweise im Schnitt, ein Zentralrohr des Spiralelements der Fig. 2 und 3;

Fig. 5 in schematischer perspektivischer Darstellung, teilweise im Schnitt, eine weitere Ausführungsform eines Spiralelements in gestreckter Lage;

Fig. 6 einen vertikalen Querschnitt durch die Darstellung der Fig. 3 entlang der Linie VI-VI in Richtung der Pfeile VIa gesehen;

Fig. 7 einen vertikalen Querschnitt durch die Darstellung der Fig. 5 entlang der Linie VII-VII in Richtung der Pfeile VIIa gesehen;

Fig. 8 einen Teilquerschnitt durch zwei einander benachbarte Spiral­ elemente entsprechend der Ausführungsform der Fig. 5 und 7;

Fig. 9 einen Teilquerschnitt durch zwei einander benachbarte Spiral­ elemente gemäß der Ausführungsform der Fig. 3 mit zusätzli­ chen Drahteinlagen;

Fig. 10 in schematischer perspektivischer Ansicht, teilweise im Schnitt, einen in gestreckter Lage dargestellten Längenabschnitt eines Spiralelements gemäß einer weiteren Ausführungsform und

Fig. 11 einen schematischen vertikalen Teil-Querschnitt durch einen Spiralwärmeaustauscher entsprechend einer weiteren Ausführungsform.

In der Fig. 1 ist mit 1 ein Spiralwärmeaustauscher bezeichnet, wie er z. B. im Automobilbau im Zusammenhang mit Brennstoffzellen zum Einsatz ge­ langt.

Der Spiralwärmeaustauscher 1 umfasst in einem zylinderartigen Gehäuse 2 acht aus der Fig. 2 näher erkennbare Spiralelemente 3. Die Spiralelemente 3 sind in Umfangsrichtung zueinander versetzt angeordnet und axial inein­ ander geschoben.

Jedes Spiralelement 3 besteht aus einem anhand der Fig. 3 und 4 näher erläuterten Zentralrohr 4 sowie einem spiralförmig um das Zentralrohr 4 ge­ krümmten Mehrkanalprofil 5, das ebenfalls anhand der Fig. 3 nachstehend noch näher erläutert wird (Fig. 2). Die Zentralrohre 4 der Spiralelemente 3 liegen alle auf demselben Teilkreis 6 (Fig. 1).

Die den Zentralrohren 4 abgewandten Querkanten 7 der Spiralelemente 3 sind jeweils auf der Oberfläche 8 der radial außen liegenden Flachseite 21 des hinsichtlich des Zentralrohrs 4 in Krümmungsrichtung benachbarten Spiralelements 3 durch Schweißung festgelegt.

Dadurch, dass die Endabschnitte 9 der Spiralelemente 3 keilförmig gestaltet sind, weist der Spiralwärmeaustauscher 1 in der Stirnansicht gemäß Fig. 1 eine im wesentlichen zylindrische Kontur auf. Der Spalt 10 zwischen den radial äußeren Oberflächen 8 der Spiralelemente 3 und der Innenwand 11 des Gehäuses 2 ist mit einem Dichtungsmaterial 12 verfüllt.

Wie in Fig. 1 durch Punkte bzw. Kreuze dargestellt, sind jeweils vier Zentralrohre 4 mit dem Medium A und die anderen vier Zentralrohre 4 mit dem Medium B beaufschlagt. Die Medien A und B liegen auf unterschied­ lichen Temperaturniveaus. Außerdem soll durch die Punkte und Kreuze das Gegenstromprinzip veranschaulicht werden.

Ausweislich der Fig. 3 und 4 ist in jedem Zentralrohr 4 in koaxialer Zu­ ordnung eine Eintrittskammer 13 für ein Medium A oder B und eine Austritts­ kammer 14 ausgebildet. Die Eintrittskammer 13 und die Austrittskammer 14 sind durch eine Querwand 15 mit einem nasenartigen Vorsprung 16 vonein­ ander getrennt. Die Eintrittskammer 13 wird über die Stirnseite 17 mit z. B. dem Medium A beaufschlagt. Über die gegenüberliegende Stirnseite 18 verlässt das Medium A die Austrittskammer 14.

Des Weiteren ist aus den Fig. 3 und 4 ersichtlich, dass das Zentralrohr 4 im Bereich der Eintrittskammer 13 und der Austrittskammer 14 mit einem Längsschlitz 19 versehen ist, der sich nicht über die gesamte Länge des Zentralrohrs 4 erstreckt.

An den mit dem Längsschlitz 19 versehenen Umfangsbereich 20 des Zentralrohrs 4 wird ein Mehrkanalprofil 5 quer angeschweißt. Ein solches Mehrkanalprofil 5 kann gemäß der Ausführungsform der Fig. 6 aus einem auf Länge abgeteilten extrudierten Aluminiumprofil gebildet sein. Seine Breite B1 entspricht einem Mehrfachen der Höhe H. Die beiden Flachseiten 21, 22 des Mehrkanalprofils 5 sind seitlich durch Längswände 23 und zwi­ schen den Längswänden 23 durch Distanzrippen 24 miteinander verbunden. Auf diese Weise werden im Mehrkanalprofil 5 Einzelkanäle 25 gebildet.

Die Einzelkanäle 25 im Kanalstrang 45 stehen über den Längsschlitz 19 im Zentralrohr 4 mit der Eintrittskammer 13 und im Kanalstrang 46 mit der Aus­ trittskammer 14 in mediumleitender Verbindung (Fig. 3).

Der an der Querwand 15 ausgebildete nasenartige Vorsprung 16 dient beim Anschweißen des Mehrkanalprofils 5 an das Zentralrohr 4 als Zentrierung (Schweißlehre), indem er in einen Einzelkanal 25 fasst.

Der dem Zentralrohr 4 abgewandte Endabschnitt 9 des Mehrkanalprofils 5 ist keilförmig gestaltet. Zu diesem Zweck werden die Längenabschnitte der Distanzrippen 24 in diesem Endabschnitt 9 weggefräst. Es verbleiben die Enden der Flachseiten 21, 22 und keilförmige Seitenwandbereiche 26. Dann wird das Ende der Flachseite 21 gemäß dem Pfeil PF in Fig. 3 in Richtung auf das Ende der anderen Flachseite 22 abgebogen. Anschließend werden die Stirnkanten 27 der Flachseiten 21, 22 zur Querkante 7 und die Seitenkanten 28 mit den Seitenwandbereichen 26 verschweißt.

Danach wird das Mehrkanalprofil 5 gemäß den Fig. 1 und 2 spiralförmig gekrümmt.

Anhand der Fig. 3 und eines Stromfadens STF des Mediums A ist die Durchströmung eines Spiralelements 3 beispielhaft verdeutlicht. Hierbei wird unterstellt, dass das gestreckt veranschaulichte Spiralelement 3 der Fig. 3 entsprechend Fig. 2 spiralförmig gekrümmt ist. Das Medium A tritt über die Stirnseite 17 in die Eintrittskammer 13 ein und gelangt von hier aus über den Längsschlitz 19 in den Kanalstrang 45 im Mehrkanalprofil 5, welcher mit der Eintrittskammer 13 verbunden ist. Das Medium A durchströmt den Kanal­ strang 45 und tritt über den im Endabschnitt 9 ausgebildeten Umlenkbereich UB in den Kanalstrang 46 über, der mit der Austrittskammer 14 verbunden ist. Das Medium A verlässt das Spiralelement 3 dann über die Stirnseite 18 der Austrittskammer 14.

Die Fig. 5 zeigt ein Spiralelement 3a in wiederum gestreckter Lage, bei welchem das Mehrkanalprofil 5a einen Querschnitt aufweist, wie er in Fig. 7 dargestellt ist. Das heißt, es handelt sich ebenfalls um ein zunächst extru­ diertes und dann auf Länge abgeteiltes Aluminiumprofil, das sowohl auf den im Einbauzustand radial außen liegenden Flachseiten 21 Umfangsrippen 29 als auch auf den radial innen liegenden Flachseiten 22 seitliche Abschluss­ rippen 30, eine Mittelrippe 31 in der Mittellängsebene und ggf. zwischen den Abschlussrippen 30 und der Mittelrippe 31 weitere Längsrippen 32 aufweist.

Ein derart extrudiertes und auf Länge abgeteiltes Mehrkanalprofil 5a wird hinsichtlich der inneren Distanzrippen 24 genauso bearbeitet wie anhand der Fig. 3 erläutert. Ferner werden die Umfangsrippen 29 im Bereich des Endabschnitts 9 komplett entfernt und in einem daneben liegenden Bereich 33, dessen Länge etwa der Länge des Endabschnitts 9 entspricht, bei 34 keilförmig ausgebildet. Die im Bereich des Endabschnitts 9 liegenden Län­ genabschnitte 35 der seitlichen Abschlussrippen 30 werden hier keilförmig gestaltet. Die Mittelrippe 31 wird ebenfalls im Bereich des Endabschnitts 9 entfernt. Auch die an das Zentralrohr 4 grenzenden Enden 47 der Umfangs­ rippen 29 werden abgeschrägt.

Nachdem die Flachseiten 21, 22 mit ihren Stirnkanten 27 aneinander geführt sind, werden die Stirnkanten 27 zu den Querkanten 7 und die Seitenkanten 28 mit den Seitenwandbereichen 26 verschweißt. Im Anschluss daran wird das Mehrkanalprofil 5a mit dem Zentralrohr 4 zum Spiralelement 3a ver­ schweißt und dann spiralförmig gekrümmt.

Liegen z. B. gemäß Fig. 11 zwei Spiralelemente 3a radial nebeneinander, so werden nicht nur in den Endabschnitten 9 der Mehrkanalprofile 5a Um­ lenkbereiche UB für die jeweiligen Medien gebildet, sondern durch die Rip­ pen 29, 30, 31 und gegebenenfalls 32 auch spiralförmige Kanäle im Bereich 36 zwischen zwei Mehrkanalprofilen 5a. Diese Bereiche 36 wirken dann als Sicherheitszonen, beispielsweise bei einem Sicherheits-Spiralwärmeaustau­ scher. Die Bereiche 36 können gegebenenfalls mit einem, insbesondere neutralen, Medium beaufschlagt werden.

Ansonsten entspricht die Ausführungsform der Fig. 5 derjenigen der Fig. 3, so dass von einer nochmaligen Erläuterung Abstand genommen wird.

Die Spiralelemente 3a gemäß den Fig. 5 und 7 können so einander zu­ geordnet werden, dass die Umfangsrippen 29 eines Spiralelements 3a mit den Abschlussrippen 30, der Mittelrippe 31 und gegebenenfalls den Längs­ rippen 32 eines radial benachbarten Spiralelements 3a jeweils in denselben Querebenen verlaufen. Vorstellbar ist aber auch gemäß Fig. 8, dass die Mehrkanalprofile 5a von zwei benachbarten Spiralelementen 3a in Achs­ richtung des Spiralwärmeaustauschers 1 so zueinander versetzt sind, dass die Umfangsrippen 29 an dem einen Mehrkanalprofil 5a die radial innen lie­ gende Flachseite 22 des benachbarten Mehrkanalprofils 5a kontaktieren, während die Abschlussrippen 30, die Mittelrippe 31 und gegebenenfalls die Längsrippen 32 des radial äußeren Mehrkanalprofils 5a die radial außen liegende Flachseite 21 des inneren Mehrkanalprofils 5a kontaktieren.

Statt der Rippenkonstruktion gemäß den Fig. 5 und 7 kann aber auch eine Bauart zur Anwendung gelangen, die aus einer Kombination der Gestaltung gemäß den Fig. 3 und 9 besteht. Hierbei ist anhand der Fig. 9 zu erkennen, dass zwischen zwei radial einander benachbarten Spiralelementen 3 in den Bereichen der Einzelkanäle 25 der Mehrkanalprofile 5 sich von den Zentralrohren 4 aus bis zu den Endabschnitten 9 erstreckende Drahteinlagen 37 vorgesehen sind. Bei der Montage der Spiralelemente 3 werden folglich die Drahteinlagen 37 so gespannt, dass die radial innen und radial außen liegenden Flachseiten 22, 21 wellenförmig verformt werden, um so eine innige metallische Berührung (Wärmeleitung) unter Vorspannung zu bewirken.

Die in der Fig. 3 in gestreckter Lage schematisch veranschaulichte Ausführungsform eines Spiralelements 3 kann aber auch gemäß der Ausführungsform der Fig. 10 hergestellt sein.

Das Zentralrohr 4 bleibt hierbei unverändert. Das an das Zentralrohr 4 geschweißte Mehrkanalprofil 5b des Spiralelements 3b besteht aus einer hochtemperaturbeständigen Stahlblech-Schweißkonstruktion.

Zunächst werden Distanzrippen 24a in Längsrichtung hochkant auf einen Stahlblechstreifen 38 geschweißt. Danach wird dieser mit den Distanzrippen 24a versehene Stahlblechstreifen 38 quer zu dem Mehrkanalprofil 5b gebogen und seine Längskanten 39 dann miteinander verschweißt.

Damit dieses Mehrkanalprofil 5b problemlos spiralförmig um ein Zentralrohr 4 gekrümmt werden kann, sind bevorzugt die radial innen liegenden Längs­ kanten 40 der Distanzrippen 24a mit keilförmigen Einschnitten 41 versehen. Die außen liegenden Längskanten 40 können ebenfalls mit solchen Einschnitten 41 versehen sein.

Bei der Ausführungsform der Fig. 10 bleiben an dem dem nicht dargestell­ ten Zentralrohr 4 abgewandten Ende des Mehrkanalprofils 5b die im Bereich des hier nicht näher dargestellten keilförmigen Endabschnitts 9 liegenden inneren Oberflächen frei von Distanzrippen 24a. Das heißt, die Distanzrippen 24a können vor dem Anschweißen genau auf Länge fixiert werden.

Dasselbe trifft zu, wenn die Ausführungsform gemäß Fig. 10 durch Umfangsrippen 29, Abschlussrippen 30, eine Mittelrippe 31 und gegebenenfalls Längsrippen 32 ergänzt wird, wie sie anhand der Fig. 5 und 7 geschildert worden ist. Diese Rippen 29-32 können dann direkt beim Schweißen der Ausführungsform der Fig. 10 mit festgelegt werden. Sie sind vorab längenmäßig konfiguriert. Das Schweißen erfolgt bevorzugt mittels Laserstrahlen.

Die Fig. 11 zeigt im vertikalen Teil-Querschnitt die Ausführungsform eines Spiralwärmeaustauschers 1a mit insgesamt vier Spiralelementen 3a gemäß der Ausführungsform der Fig. 5 und 7.

Zusätzlich ist zwischen die Umfangsrippen 29 eines Spiralelements 3a einerseits und die Abschlussrippen 30 sowie die Mittelrippe 31 und gegebe­ nenfalls auch der weiteren Längsrippen 32 des radial benachbarten Spiral­ elements 3a andererseits ein Einlageblech 42 integriert. Dieses Einlage­ blech 42 erstreckt sich von der gemeinsamen Längsachse 43 der Spiralele­ mente 3a bis etwa zu den sich keilförmig verjüngenden Längenabschnitten 34 der Umfangsrippen 29 (siehe auch Fig. 5).

Die Bereiche 44 zwischen zwei Einlageblechen 42 werden somit ebenfalls abgeschottet.

Auch kann, wie die Fig. 11 zeigt, der Spiralwärmeaustauscher 1a von mindesens einer Mittenschikane 48 in Form eines Blechs durchzogen sein, welche in jedem Bereich 44 einen spiralförmig auf- und abwärts strömenden Fluss eines Mediums gewährleistet. Die Bereiche 44 stehen dann über aus der Fig. 1 erkennbare stirnseitige Stutzen 49 mit Zu- und Ableitungen in Verbindung.

Bezugszeichenaufstellung

1

Spiralwärmeaustauscher

1

a Spiralwärmeaustauscher

2

Gehäuse f.

1

3

Spiralelement v.

1

3

a Spiralelement v.

1

a

3

b Spiralelement v.

1

,

1

a

4

Zentralrohre v.

3

,

3

a,

3

b

5

Mehrkanalprofile v.

3

5

a Mehrkanalprofil v.

3

a

5

b Mehrkanalprofil v.

3

b

6

Teilkreis v.

4

7

Querkanten v.

3

,

3

a,

3

b

8

Oberflächen v.

21

9

Endabschnitte v.

3

,

3

a,

3

b

10

Spalt zw.

8

u.

11

11

Innenwand v.

2

12

Dichtungsmaterial

13

Eintrittskammer v.

4

14

Austrittskammer v.

4

15

Querwand zw.

13

u.

14

16

Vorsprung an

15

17

Stirnseite v.

13

18

Stirnseite v.

14

19

Längsschlitz in

4

20

Umfangsbereich v.

4

21

Flachseite v.

5

,

5

a,

5

b

22

Flachseite v.

5

,

5

a,

5

b

23

Längswände v.

5

,

5

a,

5

b

24

Distanzrippen v.

5

24

a Distanzrippen v.

5

b

25

Einzelkanäle v.

45

u.

46

26

keilförmige Seitenwandbereiche v.

23

27

Stirnkanten v.

21

,

22

28

Seitenkanten v.

9

29

Umfangsrippen auf

21

30

Abschlussrippen an

22

31

Mittelrippe auf

22

32

Längsrippen auf

22

33

Bereich v.

5

a

34

keilförmige Abschnitte v.

29

35

Längenabschnitte .v

30

36

Bereiche zw.

5

a

37

Drahteinlagen

38

Stahlblechstreifen

39

Längskanten v.

38

40

Längskanten v.

24

a

41

Einschnitte in

40

42

Einlagebleche

43

gemeinsame Längsachse v.

3

,

3

a

44

Bereiche zw.

42

45

Kanalstrang

46

Kanalstrang

47

Enden v.

29

48

Mittenschikane

49

Stutzen
A Medium
B Medium
B1 Breite v.

5

H Höhe v.

5

PF Pfeil
STF Stromfaden
UB Umlenkbereich

Claims (15)

1. Spiralwärmeaustauscher mit mindestens zwei Medien führenden Spiralelementen (3, 3a, 3b), bei dem jedes Spiralelement (3, 3a, 3b) durch ein teilweise längsgeschlitztes Zentralrohr (4) mit einer stirnsei­ tig beaufschlagbaren Eintrittskammer (13) und einer Austrittskammer (14) mit stirnseitigem Austritt (18) sowie ein im Bereich des Längs­ schlitzes (19) quer an das Zentralrohr (4) dicht angesetztes, an sei­ nem dem Zentralrohr (4) abgewandten, einen Umlenkbereich (UB) umschließenden Endabschnitt (9) keilförmig gestaltetes und hier dicht verschlossenes, spiralförmig um das Zentralrohr (4) gekrümmtes Mehrkanalprofil (5, 5a, 5b) gebildet ist, dessen Breite (B1) einem Mehrfachen der Höhe (H) entspricht.

2. Spiralwärmeaustauscher nach Anspruch 1, bei dem die Spiralele­ mente (3, 3a, 3b) von einem zylinderförmigen Gehäuse (2) ummantelt sind und der Spalt (10) zwischen den radial äußeren Flachseiten (21) der Spiralelemente (3, 3a, 3b) und der Innenwand (11) des Gehäuses (2) mit Dichtungsmaterial (12) verfüllt ist.

3. Spiralwärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Spi­ ralelemente (3, 3a, 3b) in Längsrichtung der Zentralrohre (4) axial ineinander geschoben sind und die Zentralrohre (4) auf einem Teilkreis (6) liegen.

4. Spiralwärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Querkante (7) des keilförmigen Endabschnitts (9) eines Spiral­ elements (3, 3a, 3b) auf der radial außen liegenden Flachseite (21) des hinsichtlich des Zentralrohrs (4) in Krümmungsrichtung benach­ barten Spiralelements (3, 3a, 3b) festgelegt ist.

5. Spiralwärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Eintrittskammern (13) und die Austrittskammern (14) der Zentral­ rohre (4) der Spiralelemente (3, 3a, 3b) durch in die Zentralrohre (4) dicht eingesetzte Querwände (15) voneinander getrennt sind.

6. Spiralwärmeaustauscher nach Anspruch 5, bei dem die Querwände (15) mit jeweils einem nasenartigen Vorsprung (16) zwischen zwei die Flachseiten (21, 22) der Mehrkanalprofile (5, 5a, 5b) der Spiralele­ mente (3, 3a, 3b) auf Abstand haltende, Einzelkanäle (25) bildende Distanzrippen (24, 24a) fassen.

7. Spiralwärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem sich die Distanzrippen (24, 24a) von den Zentralrohren (4) aus bis zu den keilförmigen Endabschnitten (9) erstrecken.

8. Spiralwärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem zwischen zwei radial einander benachbarten Spiralelementen (3) in den Bereichen der Einzelkanäle (25) sich von den Zentralrohren (4) aus bis zu den Endabschnitten (9) erstreckende Drahteinlagen (37) vorgesehen sind.

9. Spiralwärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem auf den radial außen liegenden Flachseiten (21) der Mehrkanalprofile (5a) sich von den Zentralrohren (4) aus bis zu den Endabschnitten (9) erstreckende, an beiden Enden sich zu den Flachseiten (21) hin keilförmig verjüngende Umfangsrippen (29) vorgesehen sind.

10. Spiralwärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder 9, bei dem randseitig der radial innen liegenden Flachseiten (22) der Mehrkanalprofile (5a) sich von den Zentralrohren (4) aus bis an die Querkanten (7) der Endabschnitte (9) erstreckende, im Bereich der Endabschnitte (9) sich keilförmig verjüngende Abschlussrippen (30) vorgesehen sind, und in der Mittellängsebene der Mehrkanalprofile (5a) Mittelrippen (31) von den Zentralrohren (4) bis zu den Endab­ schnitten (9) verlaufen.

11. Spiralwärmeaustauscher nach Anspruch 10, bei dem zwischen die Umfangsrippen (29) des Mehrkanalprofils (5a) eines Spiralelements (3a) einerseits und die Abschlussrippen (30) sowie die Mittelrippe (31) des Mehrkanalprofils (5a) des radial benachbarten Spiralele­ ments (3a) andererseits ein Einlageblech (42) integriert ist, das sich von der gemeinsamen Längsachse (43) der Spiralelemente (3a) bis etwa zu den sich keilförmig verjüngenden Längenabschnitten (34) der Umfangsrippen (29) erstreckt.

12. Spiralwärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Mehrkanalprofile (5) der Spiralelemente (3) aus auf Länge abge­ teilten extrudierten Aluminiumprofilen gebildet sind, die im Bereich der keilförmigen Endabschnitte (9) von den Distanzrippen (24) befreit sind, wobei die Flachseiten (21, 22) der Endabschnitte (9) über ihre Stirnkanten (27) miteinander verbunden sowie an den Seitenkanten (28) dicht verschlossen sind.

13. Spiralwärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die Mehrkanalprofile (5a) der Spiralelemente (3a), die Umfangsrippen (29), die Abschlussrippen (30) und die Mittelrippen (31) aus auf Länge abgeteilten extrudierten Aluminiumprofilen gebildet sind, wobei die Umfangsrippen (29) sowie die Mittelrippen (31) im Bereich der keilförmigen Endabschnitte (9) entfernt und die Umfangsrippen (29) benachbart dieser Endabschnitte (9) keilförmig verjüngt sind, während die seitlichen Abschlussrippen (30) im Bereich der Endabschnitte (9) keilförmig verjüngt sind.

14. Spiralwärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die Mehrkanalprofile (5b) der Spiralelemente (3b) sowie gegebenen­ falls die Umfangsrippen (29), die Abschlussrippen (30) und die Mittel­ rippen (31) aus hochtemperaturbeständigen Stahlblech-Schweißkon­ struktionen gebildet sind, wobei die Distanzrippen (24a) in Längs­ richtung hochkant auf einen Stahlblechstreifen (38) geschweißt, die­ ser dann quer zu einem Mehrkanalprofil (5b) gebogen ist und seine Längskanten (39) anschließend miteinander verschweißt sind.

15. Spiralwärmeaustauscher nach Anspruch 14, bei dem die Distanzrip­ pen (24a), insbesondere an den radial innen liegenden Längskanten (40), mit vorzugsweise keilförmigen Einschnitten (41) versehen sind.