DE2748183A1

DE2748183A1 - Waermeaustauscher

Info

Publication number: DE2748183A1
Application number: DE19772748183
Authority: DE
Inventors: Ronald Albert Pain
Original assignee: Individual
Current assignee: Heat Transfer Pty Ltd
Priority date: 1976-04-08
Filing date: 1977-10-27
Publication date: 1979-05-03
Also published as: AU2400877A; AU510518B2; US4146088A; GB1590196A; GB1590197A

Description

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Ronald Albert Pain

Susan Street, Eltham (Victoria, Australien)

Wärmeaustauscher

Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher für Flüssigkeiten und insbesondere einen solchen gemäß dem australischen Patent 402 788. Der Wärmeaustauscher gemäß diesem Patent weist eine Mehrzahl konzentrischer, in radialer Richtung in Abstand voneinander angeordneter Rohre auf,

die zwischeneinander Strömungskanäle bilden und eine korrugierte Oberfläche haben, so daß der Wärmeaustausch über die von den Flüssigkeiten berührten korrugierten Oberflächen erfolgt. Die Korrugierungen können aus einzelnen auf dem Umfang angeordneten, in axialer Richtung einen Abstand voneinander aufweisenden Nuten bestehen, zwischen denen somit Rippen liegen. Vorzugsweise bestehen die Korrugierungen jedes Rohres aus einer einzigen durchlaufenden schraubenförmigen Nut. Die schraubenförmigen Nuten aller Rohre haben gleiche Steigung und die Anordnung der Rohre im Wärmeaustauscher ist durch Einschrauben eines Rohres in das nächst größere Rohr oder über das nächst kleinere Rohr bewirkt. Die Rohre werden in ihren korrekten radialen Abständen durch Endstücke gehalten, die auch als Ein- und Auslaßstücke für die Flüssigkeiten dienen. Jedes Endstück hat eine im wesentlichen konische Öffnung, in die die Enden der Rohre

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eingesetzt werden. Stufenförmige Ausnehmungen als Dichtungsstellen für die Enden der verschiedenen Rohre sind an Stellen der Oberfläche dieses Teils des Endstückes in Abständen voneinander angeordnet, wobei an gewissen Stellen öffnungen vorgesehen sind für Einlaß- und Auslaßleitungen zu den zwischen den Rohren liegenden ringförmigen Kanälen. Diese Anordnung hat sich grundsätzlich bewährt; jedoch sind die Herstellungskosten sehr hoch, weil die Endstücke aus Bronze oder rostfreiem Stahl gegossen werden. Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wärmeaustauscher zu schaffen, bei dem wenigstens das eine Endstück, vorzugsweise beiden Endstücke eine solche Form haben, daß sie wesentlich leichter und billiger hergestellt werden können.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einem Wärmeaustauscher mit einer Anzahl koaxial angeordneter Rohre aus wärmeleitendem Material, die in radialer Richtung Abstände voneinander haben und zwischen Endstücken eingeklemmt sind, so daß sie ringförmige Strömungskanäle bilden, wenigstens eines der Endstücke nachgiebige Dichtungselemente aufweist, die an den Innenwänden der Rohrenden dicht anliegen und Anschlagschultern aufweisen, gegen die die Enden der Rohre anliegen. Vorzugsweise haben die beiden Endstücke gleiche Form. Vorzugsweise haben die Endstücke eine im wesentlichen konische Form mit Dichtungsflächen, die entsprechend den verschieden großen Rohren verschieden großen Durchmesser haben und in axialer Richtung entsprechend versetzt sind.

Die Zeichnung zeigt Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Fig. 1 ist ein diagonaler Längsschnitt durch ein Ende eines Wärmeaustauschers gemäß der Erfindung,

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Fig. 2 ist ein Schnitt nach Linie 2-2 der Fig. 1,

Fig. 3 ist ein Querschnitt nach Linie 3-3 der Fig. 2,

Fig. 4 ist ein Querschnitt nach Linie 4-4 der Fig. 2,

Fig. 5 ist ein Querschnitt nach Linie 5-5 der Fig. 1,

Fig. 6 ist eine Endansicht des Wärmeaustauschers,

Fig. 7 zeigt einen Teil der Dichtflächen des Endstückes des Wärmeaustauschers,

Fig. 8 ist ein Querschnitt durch eine andere Ausführungsart des Wärmeaustauschers.

Der Wärmeaustauscher gemäß der Erfindung umfaßt ein Paar Endstücke 2, zwischen denen konzentrische wärmeleitende Rohre 4a bis 4e angeordnet sind, wobei jedes Endstück eine zentrale Bohrung 6 und einen (nicht dargestellten) Zugbolzen aufweist, der durch die Bohrungen 6 und das innerste Rohr 4a hindurchgeht und dazu dient, die Endstücke und die Rohre in ihrer korrekten Lage zu halten.

Die im Ausführungsbeispiel dargestellten fünf Rohre 4a, 4b, 4c, 4d und 4e bestehen vorzugsweise aus nichtrostendem Stahl und jedes Rohr ist auf seiner Außenseite mit einer schraubenförmigen Nut versehen, um die Temperaturübertragung zu verbessern. Die Rohre begrenzen zwischeneinander Strömungswege von ringförmigem Querschnitt. Die beiden Endstücke 2 haben gleiche Form. Jedes besteht aus einem im wesentlichen konischen Teil 8, der mit den Einlaß- und Auslaßmuffen 10 und 12 aus einem Stück besteht. An die Muffen 10 und 12 können in üblicher Form Leitungen angeschlossen werden. In der nachfolgenden Beschreibung wird die Muffe 10 als Einlaß für ein erstes Wärmeübertragungsmedium und die Muffe 12 als Auslaß für das zweite Wärmeübertragungsmedium angenommen; es ist aber selbstverständlich, daß die Muffen auch

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umgekehrt benutzt werden können.

Im konischen Teil 8 des Endstückes befindet sich im Anschluß an die Muffen 10 und 12 eine Einlaßkammer 14 bzw. eine Auslaßkammer 16. Der konische Teil 8 enthält ferner eine zentrale Kammer 18, die einen im wesentlichen ovalen Querschnitt hat und sich in der gleichen Richtung verjüngt wie der konische Teil 8. Die die zentrale Kammer 18 begrenzenden Wände sind soweit notwendig durch Bearbeiten hergestellt, um eine zylindrische Bohrung 6 zu erzeugen, die sich durch das Endstück erstreckt.

Die Außenfläche des konischen Teils 8 des Endstücks besitzt eine Anzahl von im wesentlichen zylindrischen Stellen 20, die in axialen Abständen voneinander angeordnet sind und auf die die Enden der Rohre 4a bis 4e aufgesetzt werden können. Die zylindrischen Stellen 20 sind miteinander über konische Übergangsstellen 22 verbunden (Fig. 7). Jede zylindrische Stelle besitzt zwei im Abstand voneinander angeordnete Nuten 24 zur Aufnahme von (nicht dargestellten) O-Ringen, die mit der Innenfläche des betreffenden Rohres eine positive Dichtung bilden. Am vorderen Ende jeder Übergangsstelle 22 befindet sich eine Anschlagschulter 26 für die Enden der Rohre. Der Zugang zu den ringförmigen Strömungskanälen zwischen jeweils zwei Rohren erfolgt durch Ausnehmungen 28 in den Übergangsstellen 22 (Fig. 1 und 4). Es ist in der Regel erwünscht, daß das erste und das zweite wärmeübertragende Strömungsmedium in einander abwechselnde ringförmige Kanäle des Austauschers strömt und daher ist es zweckmäßig, daß die Ausnehmung 28 alternierend zur Einlaßkammer 14 und zur Auslaßkammer 16 führt. Ein solches gegossenes Endstück 2 der vorgenannten Form hat etwa ein Drittel des Gewichts eines vergleichbaren Endstücks gemäß dem britischen Patent 402 788; die Kosten solcher Endstücke werden also gemäß der Erfindung wesentlich verringert.

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Mit den Endstücken gemäß der Erfindung kann ein weiterer Vorteil erreicht werden, nämlich die Möglichkeit, eine Leckstelle an den genannten O-Ringen festzustellen. Zu diesem Zweck ist in den zwischen den Nuten 2M liegenden Teil der Stelle 20 eine V-Nut 30 eingearbeitet. An den O-Ringen austretende Flüssigkeit gelangt in die Nut 30, die durch radiale Kanäle 42 mit der zentralen Kammer in Verbindung stehen, so daß jede Leckflüssigkeit, die an einem O-Ring auftritt, in die zentrale Kammer gelangt und dort zu einem starken Druckanstieg in dieser Kammer führt. Die Enden der zentralen Kammer 18 sind gegenüber dem (nicht dargestellten) zentralen Bolzen abgedichtet durch O-Ringe in Nuten 3M. Durch eine in die zentrale Kammer reichendes Loch 36 kann man feststellen, ob sich in der zentralen Kammer ein Druck aufgebaut hat oder einfach beobachten, ob sich dort Leckflüssigkeit befindet. Eine Abwandlung betrifft eine Anordnung gemäß der am IM. November 197M eingereichten australischen Patentanmeldung Nr. 86563/75, bei der die Rohre Ma bis Mc relativ zueinander drehbar sind. Durch Drehung der Rohre relativ zueinander ändert sich die gegenseitige Lage der in den Rohroberflächen vorgesehenen schraubenförmigen Nuten, und dadurch ändert sich die tatsächliche Strömung zwischen den Rohren. Das ermöglicht den Bau eines Wärmeaustauschers mit einem variablen NTU- oder Θ-Ventil.

Fig. 8 zeigt eine besonders einfache Art, die Rohre in Umfangsrichtung zu justieren. Danach sind auf dem Umfang der Rohre Vertiefungen 50 und entsprechende Vorsprünge 52 angeordnet. Im dargestellten Beispiel haben die Rohre Mb, Mc, Md und Me Vertiefungen 50b bzw. 50c, 5Od, 5Oe und die Rohre Ma bis Md entsprechende Vorsprünge 52a bzw. 52b 52c, 52d, deren Form den genannten Vertiefungen entspricht. Alle Vertiefungen 50 und Vorsprünge 52 der Rohre können in der gleichen Diagonalebene liegen oder sie können auch um die Achse verteilt sein. Das innerste Rohr Ma hat keine Vertiefungen, aber einen Vorsprung 52a; das nächst größere Rohr Mb hat einen Ring von Vertiefungen 50b in der gleichen Querebene wie der Vorsprung 52a. Der Vorsprung 52a kann derart sein, daß er in jede der

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Vertieftingen 50b eingreifen kann, so daß er die Rohre 4a und 4b miteinander verriegelt und die Phasenlage ihrer schraubenförmigen Nuten hängt davon ab, in welche der Vertiefungen 50b der Vorsprung 52a eingreift.

Das Rohr 4b hat einen Vorsprung 52b, der gegenüber der Vertiefung 50b verschoben sein kann und in der gleichen Querebene liegt wie eine Vertiefung 50c des nächst größeren Rohres 4c, so daß dadurch die Lage des Rohres 4c gegenüber der Lage des Rohres 4b festgelegt werden kann. Ebenso haben die Rohre 4c und 4d Vorsprünge 52c und 52d, die in den gleichen Querebenen liegen wie die Vertiefungen 5Od und 5Oe der Rohre 4d und 4e, so daß die Lage der Rohre 4d und 4e gegenüber der Lage der Rohre 4c und 4d festgelegt werden kann. Das äußerste Rohr 4e besitzt natürlich keinen Vorsprung.

Fig. 8 zeigt eine bevorzugte Verteilung der Vertiefungen 50 über den Umfang der Rohre 4; die Vertiefungen 50 liegen in Winkeln von 0°, 90°, l80° und 225°, so daß eine Phasenverschiebung von 45°, 90° und 180° zwischen den schraubenförmigen Nuten zweier benachbarter Rohre möglich ist.

Bei einer anderen Ausführungsform kann eine Phasenverschiebung zwischen den schraubenförmigen Nuten durch axiales Verschieben der Rohre 4 bewirkt werden. Dies kann erreicht werden durch Einsetzen von Abstandsscheiben zwischen den Enden der Rohre und den Anschlagschultern 26. Diese Anordnung ist natürlich ebenso wirksam, wenn die Nuten nicht schraubenförmig sind, sondern z.B. voneinander getrennte Umfangsnuten sind.

Die Fig. 8 zeigt auch den zentralen Längsbolzen 19 zwischen den Endstücken 2. Sie zeigt ferner eine äußere Schutzhülle 52, die eine Isolierschicht 53 umschließt, wie sie üblicherweise benutzt wird, um Wärmeverluste zu vermeiden.

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L e e r s e i t e

Claims

COHAUSZ & FLORACK

1'ATENTANWAI.TSBÜHO

SCHUMANNSTa HT . IJ-4(KKJ ÜÜ88BLDOHF Telefon: (02 U) 683346 Telex: 08586513 cop d

PATENTANWÄLTE : Dipl.-lng. W. COHAUSZ · Dipl.-lng. R. KNAUF Dr.-lng., Dipl.-Wirtsch.-lng. A. GERBER Dipl.-lng. H. B. COHAUSZ

26.10.1977

Patentansprüche:

1.' Wärmeaustauscher mit einer Anzahl koaxial angeordneter Rohre aus wärmeleitendem Material, die in radialer Richtung Abstände voneinander haben und zwischen Endstücken eingeklemmt sind, so daß sie ringförmige Strömungskanäle bilden, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Endstücke nachgiebige Dichtungselemente aufweist, die an den Innenwänden der Rohrenden dicht anliegen und Anschlagschultern aufweisen, gegen die die Enden der Rohre anliegen.

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Endstücke gleiche Form haben.

3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Endstück eine im wesentlichen konische Form hat und die Dichtungselemente O-Ringe von entsprechend verschieden großem Durchmesser aufweisen, die eingesetzt sind in Dichtungsflächen, die in axialer Richtung der Entstücke Abstände voneinander haben und den Innendurchmesser der verschieden großen Rohre entsprechen.

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4. Wärmeaustauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Endstück eine zentrale Wand aufweist, die sein Inneres in zwei Kanunern und zwei damit verbundene, im weiteren Ende des Endstücks liegende Kanäle aufteilt.

5. Wärmeaustauscher nach Anspruch 4,.dadurch gekennzeichnet, daß die eine Kammer des Endstücks mit alternierenden Strömungskanälen und das andere Endstück mit den zwischen diesen liegenden Strömungskanälen verbunden ist.

6. Wärmeaustauscher nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß das Endstück eine Anzahl der genannten Anschlagschultern und an jede Schulter anschließend ein Paar von Nuten zur Aufnahme von O-Ringen aufweist, die an den Innenflächen der Rohre anliegen.

7. Wärmeaustauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Trennwand eine dritte Kammer bildet und daß Verbindungskanäle bestehen zwischen dieser Kammer und dem Raum zwischen einem Paar von O-Ringen.

8. Wärmeaustauscher für Flüssigkeiten mit mehreren koaxialen, in radialer Richtung in Abstand voneinander angeordneten Rohren aus wärmeleitendem Material und mit korrugierten Oberflächen, die zwischeneinander Kanäle für die Flüssigkeiten bilden, wobei die Flüssigkeiten über die korrugierten Kontaktflächen der Rohre die Wärme austauschen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Justierung der gegenseitigen Lage der RohreMittel vorgesehen sind, die eine Änderung der Durchflußkanäle ermöglichen.

9t Wärmeaustauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrugierungen jedes Rohres aus einer einzigen, durchlaufenden, schraubenförmigen Nut besteht, dessen Schraubensteigung bei allen Rohren die- gleiche ist und daß die genannten Justiermittel geeignet sind, die Winkelstellung einer Nut des einen Rohres gegenüber der Nut des

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anderen Rohres zu ändern.

10. Wärmeaustauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrugierungen jedes Rohres aus einzelnen in Umfangsrichtung angeordneten Nuten bestehen und zur Justierung der Rohre Mittel vorgesehen sind zum Ändern der axialen Lage des einen Rohres gegenüber dem anderen Rohr.

11. Wärmeaustauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige der Rohre auf einer Ringfläche ihres Umfanges Ausformungen aufweisen, und die diesen Rohren benachbarten Rohre an mindestens einem der Rohre eine entsprechende komplementäre Ausformung aufweist, wobei diese mit einer der erstgenannten Ausformungen eines benachbarten Rohres in Eingriff gebracht werden kann, wodurch die gegenseitige Lage dieser Rohre bestimmt werden kann.

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