DE2916104C2

DE2916104C2 - Heat exchanger

Info

Publication number: DE2916104C2
Application number: DE19792916104
Authority: DE
Inventors: Yngve Ragnar Akarp Kihlberg; Johan Erik Patrik Bjärred Sjöholm
Original assignee: United Stirling AB, Malmö
Current assignee: United Stirling AB and Co
Priority date: 1979-04-20
Filing date: 1979-04-20
Publication date: 1987-04-09
Also published as: DE2916104A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a heat exchanger according to the preamble of claim 1.

Aus R. Gregorig "Wärmeaustausch und Wärmeaustauscher", Verlag Sauerländer, Aarau und Frankfurt/Main, 1973, Seiten 658, 755 und 768 ist ein Wärmeaustauscher mit derartigen Merkmalen bekannt, wobei im Innern der ringförmigen Zone eine weitere ringförmige Zone mit parallel laufenden Röhren vorgesehen ist. De Zuströmung des die Röhren umspülenden Fluids erfolgt zwar radial, jedoch werden bei diesem bekannten Wärmeaustauscher die Röhren im wesentlichen in Achsrichtung umströmt. Dabei ist es auch bekannt, in Abständen ebene Scheiben vorzusehen, die sich senkrecht zu den Röhren m Mantelraum erstrecken. Diese Scheiben sind mit Durchbrechungen versehen, so daß sich eine Parallelwirkung für das längs der Röhren strömende Fluid ergibt.A heat exchanger with such features is known from R. Gregorig "Wärmeaustausch und Wärmeaustauscher", Verlag Sauerländer, Aarau und Frankfurt/Main, 1973, pages 658, 755 and 768, whereby a further ring-shaped zone with parallel tubes is provided inside the ring-shaped zone. The inflow of the fluid flowing around the tubes is radial, but in this known heat exchanger the tubes are essentially flowed around in the axial direction. It is also known to provide flat disks at intervals that extend perpendicular to the tubes in the jacket space. These disks are provided with openings so that a parallel effect is achieved for the fluid flowing along the tubes.

Ferner ist es aus der DE-AS 25 36 657 bei einem Wärmeaustauscher mit über den Querschnitt der Wärmeaustauschkammer gleichmäßig verteilten Röhren bekannt, innerhalb des äußeren Mantels ein Rohrbündel umgebendes rohrförmiges Leitblech anzuordnen, von dessen Außenumfang aus sich sternförmig mehrere radial verlaufende Leitbleche bis zum Innenumfang des Außenmantels erstrecken. Auch bei diesem Wärmeaustauscher findet zwar in einem geringen Umfang eine radiale Durchströmung statt, hauptsächlich werden die Röhren aber in Längsrichtung umströmt.Furthermore, it is known from DE-AS 25 36 657 for a heat exchanger with tubes evenly distributed over the cross-section of the heat exchange chamber to arrange a tubular baffle surrounding a tube bundle within the outer shell, from the outer circumference of which several radial baffles extend in a star shape to the inner circumference of the outer shell. In this heat exchanger too, there is a small amount of radial flow, but the flow around the tubes is mainly in the longitudinal direction.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeaustauscher der eingangs angegebenen Art so auszubilden, daß bei ausschließlich radialer Strömungsrichtung durch das Röhrenbündel ein guter Kontakt mit sämtlichen Röhren bei ausreichender Fließgeschwindigkeit erzielt wird, so daß der Wärmeaustauscher auch als Kühler in einem Heißgasmotor verwendet werden kann.The invention is based on the object of designing a heat exchanger of the type specified at the outset in such a way that, with exclusively radial flow through the tube bundle, good contact with all tubes is achieved at a sufficient flow velocity, so that the heat exchanger can also be used as a cooler in a hot gas engine.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst. Durch die diametral gegenüberliegenden Leitbleche wird das radial zuströmende Fluid in den von der ringförmgen Zone umschlossenen röhrenfreien Raum gelenkt, der als Druckausgleichszone im Strömungsweg des quer zu den Röhren strömenden Fluids dient, worauf nach Durchströmen dieser Druckausgleichszone das Fluid wiederum radial nach außen durch die andere Hälfte der ringförmigen Zone strömt. Hierdurch ergibt sich eine gleichmäßige Verteilung des quer zu den Röhren strömenden Fluids bei gutem Wärmeaustauschkontakt, so daß bei kompakter Bauweise des Wärmeaustauschers sämtliche Röhren im wesentlichen der gleichen Wärmeaustauschwirkung ausgesetzt sind. Hierdurch eignet sich der Wärmeaustauscher insbesondere als Kühler für einen Heißgasmotor, bei dem alle Volumina, die das Gas ausfüllt, abgesehen von der Kammer mit variablem Volumen, so klein wie möglich sein sollen.This object is achieved according to the invention by the features in the characterizing part of claim 1. The diametrically opposed guide plates direct the radially inflowing fluid into the tube-free space enclosed by the annular zone, which serves as a pressure equalization zone in the flow path of the fluid flowing transversely to the tubes, whereupon, after flowing through this pressure equalization zone, the fluid again flows radially outward through the other half of the annular zone. This results in an even distribution of the fluid flowing transversely to the tubes with good heat exchange contact, so that with a compact design of the heat exchanger, all tubes are exposed to essentially the same heat exchange effect. This makes the heat exchanger particularly suitable as a cooler for a hot gas engine, in which all volumes filled by the gas, apart from the chamber with variable volume, should be as small as possible.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist im Anspruch 2 angegeben.An advantageous embodiment is specified in claim 2.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigtAn exemplary embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the drawing. It shows

Fig. 1 schematisch einen Querschnitt längs der Linie I-I in Fig. 2 und Fig. 1 schematically shows a cross section along the line II in Fig. 2 and

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1. Fig. 2 is a section along the line II-II in Fig. 1.

Der abgebildete Wärmeaustauscher ist so aufgebaut, daß er als Kühler in einem Heißgasmotor verwendet werden kann, von dem einige unvollständige Teile gezeigt sind. Bei einem solchen Kühler strömt durch die Röhren 7 Helium oder ein anderes Arbeitsgas, während quer zu den Röhren 7 Wasser oder eine andere Kühlflüssigkeit strömt.The heat exchanger shown is designed to be used as a cooler in a hot gas engine, some incomplete parts of which are shown. In such a cooler, helium or another working gas flows through the tubes 7 , while water or another cooling liquid flows across the tubes 7 .

Wenn ein Wärmeaustauscher dieser Art als Kühler in einem Heißgasmotor verwendet wird, verbinden gewöhnlich die Röhren 7 eine Regeneratoreinheit mit einer Kaltgasleitung, die zu einer Niedrigtemperaturkammer mit variablem Volumen führt, in der das Gas bei niedriger Temperatur komprimiert wird. Die Regeneratoreinheit ist zwischen dem Kühler und einem Heizkopf angeordnet, in dem das Gas erhitzt wird. Bei Betrieb des Heißgasmotors fließt das Gas durch den Kühler hin und her, um die Wärme abzuleiten, die sich während der Verdichtung in dem Gas in der Niedrigtemperaturkammer mit variablem Volumen gebildet hat.When a heat exchanger of this type is used as a cooler in a hot gas engine, the tubes 7 usually connect a regenerator unit to a cold gas line leading to a low temperature variable volume chamber in which the gas is compressed at a low temperature. The regenerator unit is arranged between the cooler and a heating head in which the gas is heated. When the hot gas engine is operating, the gas flows back and forth through the cooler to remove the heat which has built up during compression in the gas in the low temperature variable volume chamber.

In dem Motor befindet sich ein Regeneratorgehäuse 1 am Motorblock 2, das an einem weiteren Motorteil 10 montiert ist. Das Regeneratorgehäuse 1 enthält ein zylindrisch ausgebildetes Regeneratorelement 3, das aus einer porösen Masse eines wärmeabsorbierenden Materials besteht, üblicherweise aufgeschichtete Scheiben oder Lagen aus Metalldrahtgaze. Unter dem Regeneratorelement 3 ist der Kühler in einem Raum oder einer Kammer 4 im Metallblock 2 angebracht. Der Kühler umfaßt Metallscheiben, die als Endabdeckungen 5 und 6 dienen und durch mehrere (z. B. etwa 200) Röhren 7, die vorzugsweise aus Aluminium oder einer Leichtmetallegierung gefertigt sind, miteinander verbunden sind. Nur einige wenige dieser Röhren 7 sind in der Zeichnung abgebildet. Die Röhren 7 erstrecken sich durch die Endabdeckungen 5, 6, die durch Stangen oder Schrauben oder andere Verstrebungen 8 miteinander verbunden sind. Sie befinden sich in gleichem Abstand von einem Verstrebungselement, das als Mittelstrebe 9 gezeigt ist. Die Stangen und/oder die Verstrebungen 8 können auch entfallen, wenn die Röhren 7 über ausreichende mechanische Festigkeit verfügen.In the engine there is a regenerator housing 1 on the engine block 2 which is mounted to another engine part 10. The regenerator housing 1 contains a cylindrically shaped regenerator element 3 which consists of a porous mass of heat absorbing material, usually stacked discs or layers of metal wire mesh. Below the regenerator element 3 the cooler is mounted in a space or chamber 4 in the metal block 2. The cooler comprises metal discs which serve as end covers 5 and 6 and are connected to one another by a plurality (e.g. about 200) of tubes 7 which are preferably made of aluminum or a light metal alloy. Only a few of these tubes 7 are shown in the drawing. The tubes 7 extend through the end covers 5, 6 which are connected to one another by rods or bolts or other bracing 8. They are equidistant from a bracing element which is shown as a center brace 9 . The rods and/or the struts 8 can also be omitted if the tubes 7 have sufficient mechanical strength.

Wie in Fig. 1 zu sehen ist, sind zwei Leitbleche 11 in radial angeordneten Ebenen angebracht und sie erstrecken sich axial zwischen den Endabdeckungen 5, 6 und trennen damit den Einlaß der Kühlflüssigkeit von dem Auslaß ab und leiten das Fluid durch eine zentrale Zone mit dem Innendurchmesser d.As can be seen in Fig. 1, two baffles 11 are mounted in radially arranged planes and they extend axially between the end covers 5, 6 , thus separating the inlet of the cooling liquid from the outlet and directing the fluid through a central zone with the inner diameter d .

Die Röhren 7 sind symmetrisch und gleichmäßig in der ringförmigen Zone mit einem gedachten zylindrischen Umfang P angeordnet und nehmen einen Querschnittsbereich mit dem Innendurchmesser d und dem Außendurchmesser D ein. Der Innendurchmesser d beträgt wenigstens 25% des Außendurchmessers D. In der abgebildeten Ausführung beträgt der Innendurchmesser d 50% des Durchmessers D. Jedes der Leitbleche 11 erstreckt sich durch die ringförmige Zone, die die Röhren 7 enthält, und endet am Innendurchmesser d. Nach der Abbildung erstrecken sich die Leitbleche 11 radial von den Wänden nach innen, die durch den Motorblock 2 gebildet sind und den Raum oder die Kammer 4 begrenzen. Die Leitbleche 11 sind planar und koplanar und diametral einander gegenüberliegend angeordnet.The tubes 7 are symmetrically and evenly arranged in the annular zone with an imaginary cylindrical circumference P and occupy a cross-sectional area with the inner diameter d and the outer diameter D. The inner diameter d is at least 25% of the outer diameter D . In the embodiment shown, the inner diameter d is 50% of the diameter D . Each of the baffles 11 extends through the annular zone containing the tubes 7 and ends at the inner diameter d . According to the figure, the baffles 11 extend radially inward from the walls formed by the engine block 2 and delimiting the space or chamber 4. The baffles 11 are planar and coplanar and arranged diametrically opposite each other.

Die Fig. 2 zeigt zwei ebene Scheiben 12, die als Verstrebung oder Abstützung der Röhren 7 dienen. Die Scheiben 12 sind senkrecht zu den Röhren 7 angebracht und befinden sich im Abstand voneinander und von den Enden der Röhren 7. Fig. 2 shows two flat disks 12 which serve as bracing or support for the tubes 7. The disks 12 are mounted perpendicular to the tubes 7 and are spaced apart from each other and from the ends of the tubes 7 .

Dichtungen 13 aus Gummi oder Kunststoff sollen das Entweichen von Gas und der Kühlflüssigkeit verhindern.Seals 13 made of rubber or plastic are intended to prevent the escape of gas and coolant.

Der beschriebene Kühler arbeitet wie folgt:
Die Röhren 7 enthalten Arbeitsgas, das zu kühlen ist, und sie sind von einem Strom Kühlfluid umgeben, der in Richtung der Pfeile in der Fig. 1 fließt. Der Raum oder die Kammer 4 enthält Kühlflüssigkeit verschiedener Drücke in verschiedenen Zonen. So ist der Druck in der Zone 4 a im oberen Teil der Fig. 1 höher. Mittlerer Druck herrscht in der mittleren Zone 4 b in der Mitte des Kühlers, während ein niedrigerer Druck in der Zone 4 c im unteren Teil der Fig. 1 vorherrscht.The described cooler works as follows:
The tubes 7 contain working gas to be cooled and are surrounded by a flow of cooling fluid flowing in the direction of the arrows in Fig. 1. The space or chamber 4 contains cooling fluid of different pressures in different zones. Thus, the pressure is higher in zone 4 a in the upper part of Fig. 1. Medium pressure prevails in the middle zone 4 b in the middle of the cooler, while a lower pressure prevails in zone 4 c in the lower part of Fig. 1.

Es ist daher verständlich, daß die Hauptfließrichtung der Kühlflüssigkeit zwischen den Röhren 7 in Richtung von der Zone 4 a zur Zone 4 b in der Hauptsache radial in alle Teile des Querschnitts verläuft, da dieser radiale Verlauf einen gleichmäßigen und geringsten Widerstand für eine solche Strömung ermöglicht.It is therefore understandable that the main flow direction of the cooling liquid between the tubes 7 in the direction from zone 4 a to zone 4 b runs mainly radially in all parts of the cross-section, since this radial course enables a uniform and lowest resistance for such a flow.

Auch die allgemeine Fließrichtung der Kühlflüssigkeit erfolgt hauptsächlich radial von der Zone 4 b zur Zone 4 c aus dem gleichen Grund.Also, the general flow direction of the coolant is mainly radial from zone 4 b to zone 4 c for the same reason.

Daher ist es verständlich, daß die Kühlwirkung, die mit einem allgemeinen zylindrischen Röhrenkühler ermöglicht wird, auch bei einer Querströmung des Kühlfluids im wesentlichen gleichmäßig transversal zu den Röhren sein kann.Therefore, it is understandable that the cooling effect provided by a general cylindrical tube cooler can be substantially uniform transverse to the tubes even with a cross flow of the cooling fluid.

In der Praxis kann die Temperatur des Kühlwassers in einem typischen Heißmotor etwa 50°C betragen, bevor das Wasser in den Wärmeaustauscher gelangt, während das Wasser 55°C betragen kann, wenn es den Wärmeaustauscher wieder verläßt. Die Temperatur des Gases kann etwa 70°C nach der Kühlung betragen. Der Druckabfall im Kühlwasser kann etwa 200 mm Wassersäule über den Wärmeaustauscher betragen.In practice, the temperature of the cooling water in a typical hot engine may be about 50°C before the water enters the heat exchanger, while the water may be 55°C when it leaves the heat exchanger. The temperature of the gas may be about 70°C after cooling. The pressure drop in the cooling water may be about 200 mm water column across the heat exchanger.

Die Röhren 7 sind vorzugsweise von gleicher Größe und weisen einen gleichmäßigen Zwischenraum zwischen den Röhren 7 auf, wie dies abgebildet ist. Es sind jedoch auch andere Ausführungen möglich, vorausgesetzt daß die Röhren 7 gleichmäßig in der ringförmigen Zone verteilt sind, so daß im wesentlichen ein gleichmäßiger Widerstand gegen den Radialfluß der Flüssigkeit zwischen den Röhren 7 rundherum in der ringförmigen Zone vorherrscht.The tubes 7 are preferably of equal size and have a uniform spacing between the tubes 7 as shown. However, other embodiments are also possible provided that the tubes 7 are evenly distributed in the annular zone so that there is substantially uniform resistance to the radial flow of the liquid between the tubes 7 all the way around the annular zone.

Claims

1. Heat exchanger, in particular cooler for a hot gas engine, with a number of parallel tubes through which a first fluid flows and which are arranged in a cylindrical chamber through which a second fluid flows essentially perpendicular to the tubes, the tubes being arranged around a central axis which runs parallel to the direction of the tubes in the chamber delimited by end covers, the tubes being arranged evenly distributed in an annular zone whose inner diameter is at least 25% of the outer diameter, characterized in that the space of the chamber ( 4 ) enclosed by the annular zone is free of tubes ( 7 ), that two diametrically opposed guide plates ( 11 ) are provided which extend radially inwards from the boundary wall of the chamber ( 4 ) and end at the inner diameter (d) of the annular zone, and that each guide plate ( 11 ) extends from one end cover ( 5 ) to the other end cover ( 6 ). extends.

2. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the tubes ( 7 ) extend through flat discs ( 12 ) which are arranged perpendicular to the tubes ( 7 ) at a distance from one another and from the ends of the tubes ( 7 ) and serve as bracing for the tubes ( 7 ).