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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
UND STAND DER TECHNIK
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Spiralwärmetauscher,
umfassend mindestens zwei Spiralplatten, die sich jeweils entlang
eines spiralförmigen
Weges um eine gemeinsame Mittelachse erstrecken und mindestens zwei
spiralförmige
Strömungskanäle bilden,
die im wesentlichen parallel zueinander verlaufen, wobei jeder Strömungskanal eine
radial äußere Öffnung umfasst,
die eine Verbindung zwischen dem jeweiligen Strömungskanal und einer jeweiligen
Auslass-/Einlassleitung ermöglicht und
die an einem radial äußeren Teil
des jeweiligen Strömungskanals
in Bezug auf die Mittelachse angeordnet ist, sowie eine radial innere Öffnung,
die eine Verbindung zwischen dem jeweiligen Strömungskanal und einer jeweiligen
Einlass-/Auslasskammer ermöglicht,
so daß jeder
Strömungskanal
das Strömen eines
Wärmetauschfluidums
in einer im wesentlichen tangentialen Richtung in Bezug auf die
Mittelachse erlaubt, wobei die Mittelachse sich durch die Einlass-/Auslasskammern
an den radial inneren Öffnungen
erstreckt.
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Ein
solcher Spiralwärmetauscher
ist in der SE 151 318 offenbart. Dieser bekannte Wärmetauscher
ist herkömmlich
ausgeführt
mit einem gewundenen Mittelabschnitt. Der Wärmetauscher wird auf die Weise
hergestellt, daß zwei
Me tallplatten miteinander verbunden werden, die Metallplatten in
eine Drehbank eingeführt
werden und dann die Platten ausgerollt werden, so daß zwei konzentrische
Spiralkanäle
gebildet werden. Danach wird die Drehbank zurückgezogen, wobei in der Mitte
des Spiralwärmetauschers
zwei halbkreisförmige
zylindrische Räume gebildet
werden, einer für
jeden Kanal. Um eine hinreichende Steifigkeit zu erreichen, werden
oft Versteifungselemente in der Form von Stangen in den halbkreisförmigen Räumen so
angeordnet, daß sie sich
in einer im wesentlichen radialen Richtung erstrecken.
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Ein
anderer bekannter Spiralwärmetauscher ist
mit einem mittleren Rohr versehen, das mit zwei Spiralplatten verbunden
ist. Das mittlere Rohr ist mit Öffnungen
versehen, die einen Zugang zu den beiden Strömungskanälen zwischen den Spiralplatten ermöglichen.
Eine mittlere Platte wird in das Rohr eingesetzt, um zwei halbkreisförmige Kanäle vorzusehen,
die Einlass-/Auslasskammern
für die
Wärmetauschfluide
in Bezug auf die beiden Strömungskanäle bilden.
Bei dieser bekannten Ausgestaltung ist es schwierig, eine angemessene
Schweißverbindung
zwischen der mittleren Platte und der inneren Oberfläche des
mittleren Rohres zu erreichen.
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Die
SE 80 107 offenbart einen ähnlichen
Spiralwärmetauscher
mit einem mittleren Rohr, das die Auslasskammer für einen
der Spiralströmungskanäle bildet,
wobei eine ringförmige
Kammer, die das mittlere Rohr umgibt, die Einlasskammer für den anderen Strömungskanal
bildet.
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Spiralwärmetauscher
werden oft in Anwendungen verwendet, wo die Wärmetauschfluide Fasern oder
andere Partikel enthalten. Bei Wärmetauschern
nach dem Stand der Technik verursachen die Versteiftngselemente
und die Löcher
im mittleren Rohr eine Verstopfung der Fasern oder Teilchen, was ein
häufiges Auseinandernehmen
und Reinigen des Wärmetauschers
erforderlich macht. Weiterhin ist ein mittleres Rohr, das mit Öffnungen
versehen ist, sehr anfällig
für einen
Verschleiß um
die Löcher
herum, insbesondere wenn die Wärmetauschfluide
Fasern oder Teilchen enthalten.
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Die
GB 24 404 offenbart einen anderen Typ eines Spiralwärmetauschers
mit einem mittleren hohlen Körper.
Es sind jedoch keine inneren Auslass- und Einlasskammern in der
Mitte des Wärmetauschers
vorgesehen. Weiterhin erstrecken sich die inneren Auslass- und Einlassleitungen
in der selben Richtung durch eine der Endplatten. Aufgrund der exzentrischen
Position der radial inneren Auslass- und Einlassleitungen wird die
in Frage stehende Endplatte hohen Spannungen ausgesetzt. Weiterhin
erlaubt die Ausgestaltung der Einlass- und Auslassabschnitte des
Wärmetauschers
in diesem Dokument keine ruhige Strömung der Wärmetauschfluide.
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Die
SE 112 656 offenbart eine Anzahl von verschiedenen Ausführungsformen
von Spiralwärmetauschern,
die teilweise für
eine axiale Strömung eines
der Wärmetauschmedien
ausgestaltet sind. Eine relativ komplizierte Konstruktion für eine Tangentialströmungsanwendung
weist einen Mittelkörper
mit innerhalb des Körpers
vorgesehenen Einlass- und Auslasskanälen auf, der durch Längsöffnungen in
der Wand des Mittelkörpers
erreichbar ist.
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Die
EP 214 589 offenbart einen
Spiralwärmetauscher,
der in einem Querschnitt eine längliche Form
hat. Der Wärmetauscher
umfasst einen Mittelkörper,
der für
die Wärmetauschfluide
nicht zugänglich
ist. Diesem Dokument ist jedoch zu entnehmen, daß die Einlass- und Auslasskanäle in Bezug
auf die Mittelachse des Wärmetauschers
verschoben sind. Weiterhin eignet sich die in der
EP 214 589 offenbarte Ausführung nicht
für hohe
Drücke.
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Die
US 4 089 370 ,
US 5 505 255 und die
US 2 081 678 offenbaren Spiralwärmetauscher
eines anderen Typs, die für
axiale Strömung
durch mindestens einen der Strömungskanäle vorgesehen
sind.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es
ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Spiralwärmetauscher
vorzusehen, der für
tangentiale Strömungen
ausgestaltet ist und die oben genannten Nachteile von Wärmetauschern
nach dem Stand der Technik vermeidet. Insbesondere wird auf einen
Spiralwärmetauscher
abgezielt, der eine im wesentlichen ungehinderte Strömung eines
Wärmetauschfluidums
erlaubt, das Fasern oder andere Teilchen enthält.
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Dieses
Ziel wird durch den eingangs definierten Wärmetauscher erreicht, der dadurch
gekennzeichnet ist, daß er
einen Mittelkörper
umfasst, der sich um die Mittelachse herum erstreckt und in Bezug auf
die Strömungskanäle und die
Einlass-/Auslasskammern geschlossen ist.
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Indem
ein geschlossener Mittelkörper
vorgesehen ist, können
die Wärmetauschfluide
das Innere des Mittelkörpers
nicht erreichen, aber die Fluide können direkt in die Strömungskanäle eingeführt werden.
Dementsprechend können
die Probleme der bisherigen Spiralwärmetauscher, was das Verstopfen mit
Teilchen oder Fasern und die Abnutzung der mittleren Struktur anbelangt, überwunden
werden. Weiterhin ist durch eine solche Ausgestaltung der Strömungsbereich
des Strömungskanals
in den Einlass- und Auslassabschnitten konstant und im wesentlichen
gleich dem Strömungsbereich
im Hauptteil der Strömungskanäle. Dadurch
ist es möglich,
direkt nach dem Einlass eines Wärmetauschfluidums
in den Spiralwärmetauscher
eine angemessene Strömungs geschwindigkeit
zu definieren. Die Strömungsgeschwindigkeit
in den inneren Einlass- und Auslassabschnitten im Spiralwärmetauscher
nach dem Stand der Technik ist oft zu gering, was die oben erwähnten Verstopfungsprobleme
noch vergrößert. Es
ist wesentlich, daß die
Bedeutung des geschlossenen Mittelkörpers darin besteht, daß keine
Strömung
der Wärmetauschfluide
durch den Mittelkörper erlaubt
ist.
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Nach
einer Ausführungsform
der Erfindung erstreckt sich die Einlass-/Auslasskammer an der radial inneren Öffnung eines
der Strömungskanäle vom Mittelkörper in
einer Axialrichtung und die Einlass-/Auslasskammer an der radial
inneren Öffnung des
anderen Strömungskanals
vom Mittelkörper
in der entgegengesetzten radialen Richtung. Dementsprechend ist
es möglich,
zwei konzentrische Einlass- und/oder Auslassleitungen zu erhalten,
was im Hinblick auf die Ausgestaltung der Endstücke des Spiralwärmetauschers
von Vorteil ist.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung hat der Mittelkörper
eine hauptsächlich
zylindrische Form. Insbesondere kann der Mittelkörper eine hauptsächlich kreisförmige zylindrische
Form haben. Ein solcher kreisförmiger
Querschnitt führt
zu einer hohen Beständigkeit
und Steifigkeit des Mittelkörpers
und des Spiralwärmetauschers.
Vorteilhafterweise hat der Mittelkörper eine im wesentlichen kontinuierliche
Außenfläche. Durch
eine solche kontinuierliche Außenfläche, die
gleichförmig
ist und keinerlei scharfe Vertiefungen, scharfe Erhebungen oder
irgendwelche anderen Kanten aufweist, werden eine ungehinderte Strömung und
eine hohe Beständigkeit
des Mittelkörpers
erreicht. Weiterhin kann der Mittelkörper im wesentlichen konzentrisch
in Bezug auf die x-Achse liegen.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist der Mittelkörper
hohl. Dadurch kann das Gewicht des Spiralwärmetausches niedrig gehalten werden,
obwohl die Beständigkeit
des Mittelkörpers aufrecht
erhalten wird.
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Nach
einer weiteren Ausführurgsform
der Erfindung erstreckt sich der Mittelkörper entlang der Mittelachse
in einem Abstand, der einem Hauptteil der Breite der Spiralplatten
in der Richtung der Mittelachse entspricht. Dadurch wird ein starrer
Hals für die
Spiralplatten in der Mitte des Spiralwärmetauschers erreicht sowie
eine vorteilhafte Ausgestaltung der Strömungskanäle im Mittelteil des Wärmetauschers.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung umfasst der Spiralwärmetauscher zwei Endstücke, wobei
die Spiralplatten und der Mittelkörper zwischen den Endstücken angeordnet
sind. Jedes Endstück
kann eine Mittelöffnung
aufweisen, durch die sich die Mittelachse erstreckt, wobei jede der Öffnungen
durch eine entsprechende Öffnung
erreichbar ist.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist jede der Metallplatten entlang einer Linie mit
dem Mittelkörper
verbunden. Diese Verbindungslinien können im wesentlichen parallel
zur Mittelachse verlaufen und liegen vorzugsweise in Bezug auf die
Mittelachse einander diagonal gegenüber.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung wird nunmehr anhand verschiedener Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben.
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1 ist ein axialer Querschnitt
eines Spiralwärmetauschers
nach einer ersten Ausführungsform der
Erfindung,
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2 ist ein radialer Querschnitt
des Spiralwärmetauschers
aus 1 und
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3 ist ein axialer Querschnitt
eines Spiralwärmetauschers
nach einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER UNTERSCHIEDLICHEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
DER ERFINDUNG
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1 und 2 offenbaren schematisch eine erste Ausführungsform
des Spiralwärmetauschers nach
der Erfindung. Der Spiralwärmetauscher
umfasst zwei Spiralmetallplatten 1, 2, die sich
entlang einer jeweiligen spiralförmigen
Kurve um eine gemeinsame Mittelachse x erstrecken. Die beiden Spiralmetallplatten 1, 2 sind
mit einem Mittelkörper 3 entlang
einer jeweiligen Linie 7 verbunden, die im wesentlichen
parallel zur Mittelachse x verläuft.
Die Linien 7 liegen einander in Bezug auf die Mittelachse
x diagonal gegenüber,
wie man 2 entnehmen kann.
Der Mittelkörper 3 hat
eine im wesentlichen kreisförmige
zylindrische Form mit einer im wesentlichen kontinuierlichen Außenfläche, an
der zwei Spiralplatten 1, 2 befestigt sind. Die
Spiralmetallplatten 1, 2 können am Mittelkörper 3 durch
Schweißen
entlang der jeweiligen Linie 7 befestigt werden, obwohl auch
andere Verbindungsverfahren verwendet werden können.
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Die
beiden Spiralmetallplatten 1, 2 bilden zwei spiralförmige Strömungskanäle 4, 5,
die im wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Jeder Strömungskanal
erlaubt die Strömung
eines Wärmetauschfluidums
in einer im wesentlichen tangentialen Richtung in Bezug auf die
Mittelachse x. Anders ausgedrückt,
ist die Hauptströmungsrichtung
des Wärmetauschfluidums
entlang des spiralförmigen
Weges gerichtet.
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Der
gezeigte Mittelkörper 3 ist
hohl, das heißt er
enthält
einen hohlen Innenraum 6. Weiterhin ist der Mittelkörper 3 geschlossen,
das heißt
der Innenraum 6 ist von keinem der beiden Strömungskanäle 4, 5 oder
von der Umgebung her erreichbar. Der Druck im hohlen Innenraum 6 kann
in Abhängigkeit bestimmter
Umstände
gewählt
werden, z.B. kann er niedriger sein als der Druck in den Strömungskanälen 4, 5,
insbesondere kann es ein Unterdruck sein. Der im hohlen Innenraum 6 des
Mittelkörpers 3 herrschende
Druck kann jedoch auch genauso der Umgebungsdruck oder höher als
der Umgebungsdruck sein.
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In
der in 1 offenbarten
Ausführungsform erstreckt
sich der Mittelkörper 3 entlang
der Mittelachse x in einem Abstand, der der Breite der Spiralplatten 1, 2 in
der Richtung der Mittelachse x entspricht. Der Spiralwärmetauscher
umfasst zwei Endstücke 8, 9,
die in den offenbarten Ausführungsformen
als Endplatten geformt sind. Jedes Endstück 8, 9 umfasst
eine mittlere Öffnung,
von der sich eine jeweilige Strömungsleitung 10 bzw. 11 erstreckt.
Die Strömungsleitungen 10, 11 verlaufen
im wesentlichen koaxial zur Mittelachse x und erstrecken sich in Bezug
aufeinander in entgegengesetzte Richtungen.
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Jeder
Strömungskanal 4, 5 weist
eine radial innere Öffnung
auf, die eine Verbindung zwischen dem jeweiligen Strömungskanal 4, 5 und
einer jeweiligen Einlass-/Auslasskammer 13 und 14 ermöglicht. Jede
Einlass-/Auslasskammer 13,14 ist in einer solchen
Weise angeordnet, daß sich
die Mittelachse x dort hindurch erstreckt, und wird durch die mittlere Öffnung und
die Strömungsleitung 10, 11 des
jeweiligen Endstücks 8, 9 in
der in 1 offenbarten
Ausführungsform
definiert. Weiterhin umfasst jeder Strömungskanal 4, 5 eine
radial äußere Öffnung,
die eine Verbindung zwischen dem jeweiligen Strömungskanal 4, 5 und
einer jeweiligen Auslass-/Einlassleitung 15 und 16 erlaubt.
Somit kann ein Medium von einer radial inneren Einlass-/Auslasskammer 13, 14 zur
radial äu ßeren Auslass-/Einlassleitung 15, 16 über den jeweiligen
Strömungskanal 4, 5 oder
in der entgegengesetzten Richtung von der radial äußeren Auslass-/Einlassleitung 15, 16 zur
radial inneren Einlass-/Auslasskammer 13, 14 strömen. Der
erste Strömungskanal 4 Strömungskanäle 4, 5 ist
durch einen Spiralmetallstreifen 17 an dem Ende geschlossen, daß einem
zweiten 9 der Endstücke 8, 9 zugewandt ist.
Die Metallstreifen 17, 18 können an die Spiralplatten 1, 2 in
einer bekannten Weise geschweißt
sein. Alternativ können
die Metallstreifen 17, 18 als integraler Teil
der Spiralplatten 1, 2 gebildet sein.
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Der
Spiralwärmetauscher
umfasst weiterhin ein äußeres zylindrisches
Gehäuse 20,
das im wesentlichen kreisförmig
sein kann und an das zwei Auslass-/Einlassleitungen 15, 16 angesetzt
sind. Wie den Fig. zu entnehmen, sind der Mittelkörper 3 und die
Spiralmetallplatten 1, 2 von einem Gehäuse umgeben,
das vom Gehäuse 20 und
den Endstücken 8, 9 gebildet
wird.
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Bei
der in 1 und 2 offenbarten Ausführungsform
werden die Einlass-/Auslasskammern 13, 14 von
den Strömungsleitungen 10, 11 und
der jeweiligen mittleren Öffnung
der Endstücke 8, 9 gebildet. Die
Einlass-/Auslasskammern 13, 14 sind in einem radialen
Querschnitt kreisförmig
und in Bezug auf die Mittelachse x im wesentlichen konzentrisch.
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3 offenbart eine zweite
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die sich von der ersten Ausführungsform
dahingehend unterscheidet, daß der
Mittelkörper 3 eine
Länge entlang
der Mittelachse x aufweist, die etwas kürzer ist als die Breite der
Spiralplatten 1, 2 in der Richtung der Mittelachse x.
In der zweiten Ausführungsform
sind die Einlass-/Auslasskammern 13, 14 zwischen
den Endstücken 8, 9 und
dem Mittelkörper 3 angeordnet.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen
begrenzt, sondern kann innerhalb des Rahmens der beigefügten Ansprüche variiert
und modifiziert werden.
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Es
ist anzumerken, daß die
Strömungskanäle 4, 5 im
Hinblick auf die beiden Endbereiche, die einem jeweiligen Endstück 8, 9 zugewandt
sind, eine andere Ausgestaltung haben können. Es können z.B. alle Strömungskanäle 4, 5 offen
sein, das heißt
es sind keine Metallstreifen 17, 18 vorgesehen,
wobei die Strömungskanäle 4, 5 nahe
beieinander und bei der Umgebung mittels der beiden Endstücke 8, 9 liegen.
Dabei ist es notwendig, eine Anordnung zum Begrenzen der Einlass-/Auslasskammer 13, 14 vorzusehen.
Weiterhin ist es möglich,
die Strömungskanäle 4, 5 durch
Metallstreifen 17, 18 zu verschließen.
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Die
Endflächen
des Mittelkörpers 3 können eine
andere Form als die in den Figuren offenbarte im wesentlichen ebene
Form haben. Z.B. können
die Endflächen
eine konvexe Form und insbesondere eine halbsphärische Form haben.