DE2629285B2 - Wärmetauscher mit einem ein viskoses Medium führenden, axial durch je eine Stirnwand begrenzten Ringraum - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für den Wärmetausch zwischen einem z. B. viskosen und einem nicht viskosen Medium gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. «>

Bei einem bekannten Wärmetauscher dieser Gattung (DE-OS 15 51 527) wird das viskose Medium, in diesem Fall zu kühlendes öl, an einem Ende in den aus einem Rohr gebildeten Innenzylinder eingeleitet, in Längsrichtung durch den Innenzylinder hindurchgeführt und am anderen Ende des Innenzylinders durch radiale öffnungen in der Zylinderwand in den Ringraum hineingeleitet. Das öl durchströmt dann entgegen die Strömungsrichtung im Innenzylinder die Ringspalte, die im wesentlichen von der Innenwand des Außenzylinders und den benachbarten Rippenspitzen der äußeren Rohrwendel, von den einander benachbarten Rippenspitzen der äußeren und der inneren Rohrwendel und von der Außenwand des Innenzylinders und den benachbarten Rippenspitzen der inneren Rohrwendel gebildet werden, sowie femer die Räume zwischen den Rippenrohren. Durch eine seitliche öffnung in dem Außenzylinder in der Nähe der Einfüllöffnung tritt das gekühlte öl wieder aus dem Wärmetauscher aus.

Das nicht viskose Medium, in diesen Fall Wasser, wird über den entsprechenden Einfüllstutzen in die inneren, paarweise angeordneten Rohrwendel hineingepumpt, durchströmt anschließend die inneren Rohrwendel bis zum entgegengesetzten Ende des Wärmetauschers und fließt dann durch die äußeren, ebenfalls paarweise angeordneten Rohrwendel und den Auslaßstutzen wieder aus.

Bei diesem Wärmetauscher ist die Fachwelt bislang der Ansicht, daß zwischen der Innenwand des Außenzylinders und den benachbarten Rippenspitzen der äußeren Rohrwendel, zwischen den einander benacnbarten Rippenspitzen der äußeren und der inneren Rohrwendel und zwischen der Außenwand des Innenzylinders und den benachbarten Rippenspitzen der inneren Rohrwendel große Abstände, d. h. Ringspalte mit größeren Querschnitten, vorhanden sein müssen. In konkreten Zahlen ausgedrückt sollen diese Ringspalte eine Breite von je mindestens 2,0 mm haben. Bei einer Standardrippenhöhe von etwa 3,5 mm und einer Rippenteilung von elf bis zwölf Rippen auf 25,0 mm Rohrlänge beträgt dabei das Verhältnis zwischen der Rippenhöhe und der Breite der Ringspalte 1,75. Dieses Verhältnis wird von der Fachwelt als bislang optimal erreichbar angeschen, da man der Auffassung ist, daß Ringspalte kleinerer Breite zu solchen Druckverlusten führen, welche die Bereitstellung von mehr Energie und folglich von entsprechend großen Maschinen erforderlich machen.

Nachteilig an dem Wärmetauscher ist jedoch, daß aufgrund der relativ großen Breite der Ringspalte der in den Ringspalten strömende Anteil des viskosen Mediums eine wesentlich größere Geschwindigkeit aufweist als der zwischen den Rippen, insbesondere im Inneren der Rippentäler strömende Anteil. Die hier langsamere Strömung hat eine intensivere Kühlung des entsprechenden Anteils des viskosen Mediums zur Folge, was mithin zu einer Erhöhung seiner Zähigkeit führt. Die Höhe der Zähigkeit verringert aber die Strömungsgeschwindigkeit des Anteils in den Rippentälern noch mehr und führt hier zur Bildung einer zusammenhängenden Grenzschicht, die eine intensive Isolierwirkung zwischen dem in den Ringspalten fließenden und kaum einem Wärmeaustausch unterworfenen Teil des viskosen Mediums und dem in den Rippenrohren fließenden nicht viskosen Medium (Kühlmedium) hervorruft Das Ergebnis ist, daß von dem durch den Wärmetauscher geschickten viskosen Medium nur ein relativ geringer Anteil in einem wirklich befriedigenden Umfang am Wärmeaustausch teilnimmt.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, den Wärmetauscher gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs I so zu verbessern, daß unter Einhaltung der bisherigen Baugröße und ohne ein wesentliches Mehr an Material und Fertigungsaufwand eine im Vergleich wesentlich höhere Leistung erzielbar ist.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht in den kennzeich-

nenden Merkmalen des Anspruchs 1.

Ein wesentliches Kriterium ist hierbei die erhebliche Reduzierung der Breite der Ringspalte sowie die Vergrößerung der Rippenhöhe bei ansonsien gleichbleibenden inneren und äußeren Abmessungen des s Wärmetauschers. Dadurch, daß das viskose Medium nunmehr nahezu vollständig ausschließlich durch geschlossene kanalartige Bereiche zwischen den Rippen der Rohre hindurchgeführt wird, gelangt fast die gesamte Menge des viskosen Mediums in Kontakt mit den Rippen und unterliegt damit einem intensiven Wärmeaustausch. Es können sich in den Rippentälern keine zusammenhängenden Grenzschichten mehr aufbauen, so daß eine isolierende Wirkung zwischen dem viskosen und dem nicht viskosen Medium unterbunden wird Dadurch, daß in allen Querschnittsbereichen gleichmäßige Wärmeaustauschbedingungen herrschen, werden auch kurzfristig sich aufbauende Grenzschichten wieder sofort eingerissen und dem allgemeinen Strömungsverhalten unterworfen. Als weiterer VorteiJ tritt hinzu, daß durch die engen Ringspalte zwischen der Innenwand des Außenzylinders und den benachbarten Rippenspitzen der äußeren Rohrwendel, zwischen den einander benachbarten Rippenspitzen der äußeren und der inneren Rohrwendel sowie zwischen der Außen- 2s wand des Innenzylinders und den benachbarten Rippenspitzen der inneren Rohrwendel in diesen Bereichen Düseneffekte erzielt werden, die dazu führen, daß das viskose Medium nach dem Durchströmen der jeweils engsten Stellen seitlich abgelenkt wird und dann auf die in Strömungsrichtung nächstfolgenden Rippen aufprallt, von dort zurückgeworfen und dadurch intensiv verwirbelt wird. Interne Versuche haben gezeigt, daß im Rahmen der erfindungsgemäßen Merkmale die Kühlleistung eines ölkühlers um ca. 50% gegenüber bekannten Bauarten heraufgesetzt wird. Das bedeutet beispielsweise für einen solchen Ölkühler, daß bei gleicher Baugröße und nahezu gleichem Materialeinsatz sowie gleichem Fertigungsaufwand wie bei der bekannten Bauart Öl innerhalb einer kürzeren Zeit wesentlich intensiver gekühlt wird.

Obwohl bereits im Rahmen der grundlegenden Merkmale der Erfindung eine Erhöhung der Leistung um nahezu das Doppelte gegenüber der bislang bekannten Bauart erreichbar ist, besteht eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darin, daß bei einer Rippenhöhe von etwa 4,0 mm und einer mittleren Rippendicke von etwa 0,25 bis 0,6 mm für die Rohrwendel auf 25,0 mm Rohrlänge zwischen elf und zwölf Rippen vorgesehen sind, wobei die Summe der so Abstände zwischen der Innenwand des Außenzylinders und den benachbarten Rippenspitzen der äußeren Rohrwendel, zwischen den einander benpchbarten Rippenspitzen der äußeren und der inneren Rohrwendel sowie zwischen den Rippenspitzen der inneren Rohrwendel und der benachbarten Außenwand des Innenzylinders den Wert von 2,0 mm nicht überschreitet. Hiermit ist es möglich, das mittlere Verhältnis zwischen der Rippenhöhe und den Ringspalten im Vergleich zu der bekannten Bauart von 1,75 auf 5,0 bis 6,0 zu erhöhen.

Um eine Oberflächenvergrößerung auf der Innenseite der Rippenrohrwendel zu erzielen und damit in dem in den Rippenrohrwendeln fließenden nicht viskosen Medium die Turbulenz zu erhöhen und gleichzeitig das Aufreißen sich eventuell bildender Grenzschichten intensiv zu unterstützen, sieht die Erfindung ferner vor, daß die Rippenrohrwendel auf der Innenseite gewellt sind. Eine solche Wellung führt dann zu einer um 60% höheren Wärmeübergangszahl für das nicht viskose Medium als bei der bekannten Bauart und damit nochmals zu einer Leistungssteigerung. Die Wellung der Innenseite der RippenrohrwendeJ hat darüber hinaus den Vorteil, daß beim Wendeln der zunächst geradlinigen Rippenrohre der Verförmungsvorgang sowohl auf der Druck- als auch auf der Zugseite im Sinne eines Zieharmonikaeffekts bedeutend begünstigt wird. In diesem Zusammenhang ist es gemäß der Erfindung darüber hinaus von Vorteil daß die Wellung im mittleren Schnitt etwa 0,4 nun bemessen ist und die Wellentäler etwa im Bereich der Rippenfüße angeordnet sind.

Die Erfindung ist nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausfuhrungsbeispiels näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 einen Wärmetauscher in vertikalem Längsschnitt im Schema:

F i g. 2 in vergrößerter Darstellung einen Längsschnitt durch einen Längenabschnitt des Ringraums des Wärmetauschers gemäß F i g. 1 und

Fig.3 in nochmaliger Vergrößerung einen Längsschnitt durch die Rohrwandungeines in dem Wärmetauscher gemäß F i g. 1 und 2 verwendeten Rippenrohrs.

In der F i g. 1 ist mit 1 ein behälterartiger Außenzylinder bezeichnet, der an einem Ende durch einen Deckel 2 fest verschlossen ist Der Deckel 2 ist mit der Wandung 3 des Außenzylinders 1 verschweißt.

Koaxial zu einer in der Mitte des Deckels 2 eingearbeiteten Bohrung 4 ist außenseitig ein Anschlußstutzen 5 mit einem Innengewinde 6 aufgeschweißt. Auf der Innenseite des Deckels 2 ist in ebenfalls koaxialer Verlängerung zu der Durchtrittsbohrung 4 ein rohrförmiger Innenzylinder 7 an den Deckel 2 angeschweißt, der den Außenzylinder 1 nahezu auf seiner gesamten Länge koaxial durchsetzt.

In das Innere des Endabschnitts 8 des Innenzylinders 7 ist eine zylindrische Schraiibniuffe 9 eingesetzt und mit dem Innenzylinder 7 verschweißt- Die Schraubmuffe 9 ist mit ihrem anderen Endabschnitt in eine zentrale Ausnehmung 10 eines weiteren Deckels 11 dichtend eingesetzt. Die Abdichtung wird über eine radial wirksame Ringdichtung 12 bewirkt.

Der Deckel 11 greift seinerseits in den Außenzylinder 1 hinein und ist gegenüber der Innenwand 13 des Außenzylinders 1 durch eine radial wirkende Ringdichtung 14 abgedichtet Mit einem Radialflansch 15 liegt der Deckel 11 auf der Stirnfläche 16 des Außenzylinders 1 auf. Die Festlegung des Deckels 11 am Außenzylinder 1 und die Befestigung der Schraubmuffe 9 mit dem Deckel 11 erfolgt durch eine Zylinderkopfschraube 17 mit Innensechskant

Aus der F i g. 1 ist ferner zu erkennen, daß der Innenzylinder 7 im Bereich deir Schraubmuffe 9 radiale öffnungen 18 besitzt. Ferner ist in einer Ausnehmung der Wandung 3 des Außenzylinders 1 in der Nähe des Deckels 2 ein sich mit seiner Längsachse radial zur Längsachse des Außenzylinders 1 erstreckender Anschlußstutzen 19 eingesetzt und verschweißt. Der Anschlußstutzen 19 weist ein Innengewinde 20 auf.

In dem durch die Außenoberfläche 21 des Innenzylinders 7 und die Innenwand 13 des Außenzylinders 1 gebildeten Ringraum 22 sind schraubenlinienförmig gewendelte Rippenrohre 23, 24 eingesetzt. Wie die F i g. 1 und 2 erkennen lassen, laufen dabei zwei hintereinander angeordnete Rohrwendel 23 unmittelbar um den Innenzylinder 7 herum, etwa von den radialen

Austrittsöffnungen 18 ausgehend bis zum Deckel 2, und zwei weitere Rohrwendel 24 von dort zurück, dabei die inneren Rohrwendel 23 koaxial umgebend, bis zu den radialen Austrittsöffnungen 18 des Innenzylinders 7. Alle Rohrwendel 23, 24 sind im Bereich der Schraubmuffe 9 an Anschlußstutzen 25,26 befestigt, die in dem Deckel 11 lösbar festgelegt sind.

Wie die F i g. I bis 3 bei gemeinsamer Betrachtung zeigen, ist der Ringraum 22 von den Rohrwendeln 23,24 vollständig besetzt Dsbei ist der Ringspalt A zwischen der Innenwand 13 des Außenzylinders 1 und den benachbarten Rippenspitzen 27 der äußeren Rohrwendel 24 < als 1,0 mm bemessen. Der Ringspalt B zwischen den einander benachbarten Rippenspitzen 27, 28 der äußeren und der inneren Rohrwendel 24 und 23 ist < als 1,5 mm bemessen und der Ringspalt C zwischen der Außenwand 21 des Innenzylinders 7 und den benachbarten Rippenspitzen 28 der inneren Rohrwendel 23 ist < 0,2 mm bemessen. Bei einer bevorzugten Ausführungsiorm der uargesieiiien Vorrichtung mit einer Rippenhöhe Ader Rohrwendel 23,24 von etwa 4,0mm (s. Fig.3) und einer mittleren Rippendicke von etwa 0,25 bis 0,60 mm sind auf 25,0 mm Rohrlänge zwischen elf und zwölf Rippen 29 angeordnet. In diesem Zusammenhang beträgt die Summe der Breite sämtlicher drei Ringspalte A, B, C nicht mehr als 2,0 mm.

Aus der vergrößerten Darstellung der Fig.3 ist erkennbar, daß die Innenflächen 30 der Rippenrohrwendel 23,24 gewellt sind. Es ist zu sehen, daß sich dabei die Wellentäler 31 im Bereich der Rippenfüße 32 befinden. Die Wellung w ist im mittleren Schnitt etwa 0,4 mm bemessen. Die zeichnerischen Möglichkeiten erlauben es selbstverständlich nicht, ohne übertreibende Hervorhebung die Ringspalte A, B, C zwischen den Rippenrohrwendeln 23,24 sowie zwischen den Rippenrohrwendeln 23, 24 und dem Innenzylinder 7 bzw. dem Außenzylinder 1 zu veranschaulichen. Die insofern bestehende zeichnerische Unzulänglichkeit muß jedoch aufgrund der technisch möglichen Strichstärken in Kauf genommen werden, um die unter fertigungstechnischen sowie montagetechnischen Gesichtspunkten geringsten Ringspalte mit der notwendigen Deutlichkeit hervortreten zu lassen.

Für den Betrieb des Wärmetauschers sei noch erwähnt, daß dieser beispielsweise in der Verwendung als ölkühler über den Anschlußstutzen 5 mit Öl versorgt wird. Das öl durchströmt dann den Innenzylinder 7 und tritt über die radialen öffnungen 18 in den Ringraum 22

aus. Im Ringraum 22 durchströmt das öl die Ringspaite A, B, C zwischen den Rippenrohrwendeln 23, 24 bzw. zwischen den Wandungen 21, 13 des Innenzylinders 7 und des Außenzylinders 1 sowie die Räume ζ zwischen den Rippen 29 und fließt dann über den radialen Stutzen 19 wieder gekühlt ab. Das Kühlmedium Wasser wird über den Anschlußstutzen 25 in die inneren Rohrwendel 23 eingeführt und tritt nach dem Durchströmen der inneren und der äußeren Rohrwendel 23, 24 über den Anschlußstutzen 26 wieder aus.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Wärmetauscher für den Wärmetausch zwischen einem z. B. viskosen und einem nicht viskosen Medium, der innerhalb eines das viskose Medium s führenden, in seiner axialen Länge durch je eine Stirnwand und radial außen und innen durch je einen Zylindermantel begrenzten Ringraum zwei aneinander angeschlossene, schraubenlinienförmig gewendelt e, das nicht viskose Medium führende Rippenrohre gleicher Innen- und Außenkontur aufweist, von denen ein Rippenrohr koaxial in das andere Rippenrohr eingebettet ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Rippenhöhen (h) von etwa 3,7 bis 4,5 mm und einer mittleren Rippendicke zwischen etwa 0,25 und 0,60 mm und von 9 bis 14 Rippen (29) auf 2o,0 mm Rohrl&nge für db Rippenrohre der Abstand zwischen der Innenwand (13) des Außenzylinders (1) und den benachbarten Rippenspitzen (27) der äußeren Rohrwendel x (24) < 1,0 mm, der Abstand zwischen den einander benachbarten Rippenspitzen (27 bzw. 28) der äußeren und der inneren Rohrwendel (24 bzw. 23) < 1,5 mm und der Abstand zwischen den Rippenspitzen (28) der inneren Rohrwendel (23) und der diesen benachbarten Außenwand (21) des Innenzylinders (7) < 2,0 mm bemessen sind.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Rippenhöhe (h) von etwa 4,0 mm und einer mittleren Rippendicke von etwa 0,25 bis 0,6 mm für die Rohrwendel (23,24) auf 25,0 mm Rohrlänge zwischen elf und zwölf Rippen (29) vorgesehen sind, wobei die Summe der Abstände zwischen der Innenwand (13) des Außenzylinders (1) und den benachbarten Rippenspitzen (27) der äußeren Rohrwendel (24), zwischen den einander benachbarten Rippenspitzen (27 bzw. 28) der äußeren und der inneren Rohrwendel (24 bzw. 23) sowie zwischen den Rippenspitzen (28) der inneren Rohrwendel (23) und der benachbarten Außenwand (21) des Innenzylinders (7) den Wert von 2,0 mm nicht überschreitet.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippenrohrwendel (23,24) auf der Innenseite (30) gewellt sind.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellung (w) im mittleren Schnitt etwa 0,4 mm bemessen ist.

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5. Wärmetauscher nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellentäler (31) so etwa im Bereich der Rippenfüße (32) angeordnet sind.