Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere für nach einem regenerativen Gaskreisprozeß arbeitende Wärme- und Kältemaschinen, mit Trennung der an der Wärmeübertragung teilnehmenden Medien, wobei ein mit die Wärmeübertragungsfläche vergrößernden Rippen versehenes Rohr als Strömungskanal für ein wärmeaufnehmendes bzw. wärmeabgebendes, vorzugsweise flüssiges Medium dient. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Wärmeübertragers.

Nach dem Stirling- oder Vuilleumier-Kreisprozeß arbeitende Wärme- und Kältemaschinen sind seit langer Zeit bekannt, beispielsweise aus der GB-PS 1 36 1 95. Sie haben jedoch trotz der unbestreitbaren Vorteile der regenerativen Gaskreisprozesse keinen Eingang in die Praxis gefunden, hauptsächlich wegen konstruktiver Schwierigkeiten, die die Realisation der theoretischen Vorteile derartiger Maschinen in der Praxis bisher verhinderten. Bei der Auslegung der Wärmeübertrager für nach diesen Gaskreisprozessen arbeitenden Maschinen ist zu berücksichtigen, daß sie den hohen Druckdifferenzen von beispielsweise 1 20 bar auf Seiten des wärmeabgebenden Arbeitsmediums und etwa 2, 5 bar auf Seiten des wärmeaufnehmenden Mediums standhalten müssen. Bei den bisher bekannten nach dem Vuilleumier-Kreisprozeß arbeitenden Maschinen kommen hauptsächlich Rohrbündelwärmeübertrager zum Einsatz, die aus einer großen Anzahl von längs angeordneten feinen Rohren bestehen, durch die das Arbeitsmedium strömt. Diese bekannten Wärmeübertrager haben den Nachteil, daß sie einerseits ein großes Bauvolumen einnehmen und andererseits das arbeitsmediumseitige Totvolumen sehr groß ist, was der Steigerung des

Wirkungsgrades einer nach dem Vuilleumier-Kreisprozeß arbeitenden Maschine entgegenwirkt.

Der Erfindung liegt die A u f g a b e zugrunde, einen insbesondere für nach einem regenerativen Gaskreisprozeß arbeitende Wärme- und Kältemaschinen geeigneten Wärmeübertrager mit einem geringen Bauvolumen sowie einem sehr kleinen hydraulischen Durchmesser für das wärmeabgebende bzw. wärmeaufnehmende Arbeitsmedium zu schaffen, der darüber hinaus den hohen Druckdifferenzen zwischen dem Hochdruck- und dem Normaldruck- Medium standhält und auch für andere Einsatzzwecke geeignet sein soll.

Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager ist dadurch gekennzeichnet, daß die auf der äußeren Mantelfläche angeordneten Rippen auf ihren Rippenköpfen mit einer undurchlässigen und thermisch isolierenden Umhüllung versehen sind und daß zwischen der Umhüllung und der Mantelfläche des Rohres mindestens ein Strömungskanal für das am Wärmeaustausch beteiligte, vorzugsweise durch ein Prozeßgas gebildete zweite Medium ausgebildet ist.

Diese erfindungsgemäße Ausbildung ergibt einen Wärmeübertrager, der einerseits mit einem geringen Bauvolumen hergestellt werden kann und andererseits ein sehr geringes arbeitsmediumseitiges Totvolumen aufweist, da die Rippenkanäle mit einer minimalen Breite von etwa 0,35 mm und einer minimalen Höhe von etwa 0,9 mm ausgebildet sein können. Solche geringen hydraulischen Durchmesser können insbesondere verwendet werden, wenn es sich bei dem Arbeitsmedium um ein Prozeßgas handelt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das berippte Rohr wendeiförmig ein- oder mehrgängig aufgewickelt. Die den Strömungskanal für das Arbeitsmedium bildende Umhüllung umgibt bei dieser Ausführungsform die gesamte ein- oder mehrgängige Wendel. Durch die wendeiförmige Aufwicklung des Rohres wird eine besonders kompakte Bauform mit einem hohen Wirkungsgrad erzielt.

Bei einer weiteren Ausgestaltung nach der Erfindung ist die aus dem aufgewickelten Rohr bestehende Wendel mehrreihig ausgebildet. Durch diese in radialer Richtung gesehene Parallelschaltung mehrerer Wärmeübertrager

kann bei kompakter Bauweise die Leistung des Wärmeübertragers gesteigert werden. Eine weitere Möglichkeit zur Steigerung des Wirkungsgrades eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers besteht darin, daß bei einem mehrgängig gewendelten Wärmeübertrager der von dem Rohr gebildete Strömungskanal für das wärmeaufnehmende bzw. wärmeabgebende Medium in mehrere einzelne Kanäle mit separatem Zu- und Ablauf unterteilt ist. Beim Einsatz eines Wärmeaufnahmenden Mediums wird durch dieses Einleiten eines neuen wärmeaufnehmenden Mediums und Ableiten des bereits erwärmten Mediums eine erhebliche Verbesserung der Wärmeübertragung ohne Erhöhung des arbeitsmediumseitigen Totvolumens und ohne wesentliche Veränderung des Bauvolumens des gesamten Wärmeübertragers erreicht.

Um zu vermeiden, daß die Rippen an den Kontaktstellen zweier auf- und/oder aneinanderliegender Wendelgänge ineinandergreifen, sind gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Rippen zumindest eines Wendelganges an diesen Kontaktstellen etwa in Höhe ihrer halben radialen Erstreckung rechtwinklig umgebogen.

Eine kompakte Bauform mit geringen Wandstärken, die der hohen Druckdifferenz zwischen wärmeabgebendem und wärmeaufnehmendem Medium standhält, kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung dadurch erreicht werden, daß das Rohr zylindrisch ausgebildet ist.

Die Umhüllung zur Abdichtung des Rippenkanals und zur Ausbildung des arbeitsmediumseitigen Strömungskanals besteht bei einer Ausführungsform der Erfindung aus einer Folie, vorzugsweise einer Aufblas- oder Schrumpffolie. Gemäß einer alternativen Ausführungsform besteht die Umhüllung aus einem aushärtenden, gießfähigen Material, wie beispielsweise Kunststoff oder Harz. Die Viskosität der zu vergießenden Materialien ist dabei so zu wählen, daß sie einerseits niedrig genug ist, um vor dem Erstarren den gesamten Wärmeübertrager gründlich zu umschließen, und andererseits hoch genug ist, damit dieses Material nicht in den Rippenkanal eindringt und somit den Strömungskanal für das Arbeitsmedium verschließt.

Weiterhin kann die Umhüllung dadurch hergestellt werden, daß die Zwischenräume zwischen den Rippen des Rippenrohres vor dem Umgießen mit

dem aushärtenden Material mit Wachs gefüllt werden, um ein Eindringen des Gußmaterials in die Zwischenräume zu verhindern. Im Anschluß an den Gußvorgang wird das Wachs in einem Ausschmelzverfahren aus den Strömungskanälen ausgetrieben.

Um einen möglichst geringen Wärmeübergangswiderstand zwischen den beiden Medien zu erhalten, bestehen das Rohr und die Rippen aus einem Material mit einem hohen Wärmeleitungskoeffizienten.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers ist dadurch gekennzeichnet, daß die auf der äußeren Mantelfläche des Rohres angeordneten Rippen auf ihren Rippenköpfen so mit einer undurchlässigen und thermisch isolierenden Umhüllung versehen werden, daß zwischen der Umhüllung und der Mantelfläche des Rohres mindestens ein Strömungskanal für das am Wärmeaustausch beteiligte, vorzugsweise durch ein Prozeßgas gebildete Medium gebildet wird.

Durch dieses erfindungsgemäße Hersteilungsverfahren wird ein besonders kompakter Wärmeübertrager mit einem sehr geringen arbeitsmediumseitigen Totvolumen erhalten, was deutlich zur Erhöhung des Wirkungsgrades des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers beiträgt.

Weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers schematisch dargestellt ist. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen zu einer eingängigen Wendel aufgewickelten Wärmeübertrager ohne Umhüllung;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Wärmeübertrager gemäß Fig. 1 , jedoch mit Umhüllung und

Fig. 3 eine vergrößerte Detailansicht gemäß III. in Fig. 1 .

Der in der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispiels dargestellte Wärmeübertrager ist zum Einsatz in einer nach einem regenerativen Gaskreisprozeß arbeitenden Wärme- und Kältemaschine bestimmt, bei der die an der Wärmeübertragung teilnehmenden Medien voneinander getrennt sind. Der Wärmeübertrager umfaßt ein Rohr 1 , das auf seiner äußeren Mantelfläche 1 a mit Rippen 2 zum Vergrößern der Wärmeübertragungsfläche versehen ist.

Bei dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Rohr 1 zur Bildung des Wärmeübertragers eingängig zu einer Wendel 3 aufgewickelt. Das zylindrisch ausgebildete Rohr 1 des Wärmeübertragers dient als Strömungskanal für das wärmeaufnehmende bzw. wärmeabgebende, vorzugsweise flüssige Medium, welches über Zu- und Ablaufstutzen 4 in das Rohr 1 eingeleitet bzw. aus diesem herausgeleitet wird.

Zur Ausbildung des Strömungskanals für das wärmeabgebende bzw. wärmeaufnehmende, vorzugsweise durch ein Prozeßgas gebildete Medium wird die Wendel 3, wie aus Fig. 2 ersichtlich, mit einer Umhüllung 5 umgeben, die einen Rippenkanal 6 so abdichtet, daß dieser entlang der äußeren Mantelfläche 1 a des Rohres 1 verlaufend einen Strömungskanal für das wärmeabgebende bzw. wärmeaufnehmende Medium bildet. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Umhüllung 5 aus einem aushärtenden Material, welches um die Wendel 3 gegossen wurde und an Rippenköpfen 2a anliegt. Die Viskosität dieses vorzugsweise aus Kunststoff oder Harz bestehenden, gießfähigen Materials muß dabei so gewählt werden, daß einerseits die gesamte Wendel 3 vor dem Aushärten des Materials gleichmäßig mit der Umhüllung 5 umgeben ist, andererseits aber die Viskosität hoch genug ist, damit die Umhüllung 5 nicht in den Rippenkanal 6 eindringt, was zu einem Verstopfen des Strömungskanals führen würde.

Insbesondere bei einem Hochdruck-Prozeßgas als wärmeabgebendes bzw. wärmeaufnehmendes Prozeßmedium erfolgt der Strömungsverlauf nicht entlang dem gesamten Rippenkanal 6 und somit entlang der gesamten Mantelfläche des wendeiförmig aufgwickelten Rohres 1 . Das über einen ringförmig ausgebildeten Zulauf 7a und Ablauf 7b zu- bzw. abströmende Medium strömt auf dem - aus Fig. 2 ersichtlichen - kürzesten Weg vom Zulauf 7a zum Ablauf 7b, nämlich in der dargestellten Zeichenebene senkrecht

entlang den aufeinanderliegenden Rohren 1 , wobei das Prozeßmedium einen jeden Rohrabschnitt etwa entlang seinem halben Umfang umströmt.

Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Detailansicht aus dem Bereich zweier aufeinander aufliegender Wendelgänge der Wendel 3. Um beim Aufwickeln des berippten Rohres 1 zur Bildung der Wendel 3 zu vermeiden, daß die Rippen 2 an Kontaktstellen 8 ineinander greifen, sind die Rippen 2 eines Wendelganges im Bereich der Kontaktstellen etwa in Höhe ihrer halben radialen Erstreckung rechtwinklig umgebogen, so daß die Rippen 2 des nächsten Wendelganges auf der Abwinklung der unteren Rippe 2 aufliegen. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, sind die Kontaktstellen 8 zwischen den aufeinander aufliegenden Rippen 2 noch durchlässig für das durch den Rippenkanal 6 strömende Medium.

Neben der dargestellten einreihigen Ausführungsform des als Wendel 3 ausgebildeten Wärmeübertragers kann der Wärmeübertrager auch mehrreihig, beispielsweise durch koaxiales Anordnen mehrerer Wendel 3 ausgebildet sein.

Ein wie voranstehend dargelegt ausgebildeter Wärmeübertrager zeichnet sich dadurch aus, daß er einerseits ein kompaktes Bauvolumen aufweist und andererseits das arbeitsmediumseitige Totvolumen sehr gering ist, da die Rippenkanäle 6 mit einer minimalen Breite von etwa 0,35 mm und einer minimalen Höhe von etwa 0,9 mm gefertigt werden können. Darüber hinaus ist der Kostenaufwand für die Herstellung eines solchen Wärmeübertragers gering, da der Hauptbestandteil des Wärmeübertragers, nämlich das mit einer Rippe 2 versehene Rohr 1 als Standardbestandteil vieler Wärmeübertrager kein Sonderbauteil darstellt. Auch das Umgeben der Wendel 3 mit der Umhüllung 5, beispielsweise durch Umgießen mit einem Kunststoff oder Harz ist kostengünstig zu bewerkstelligen, da als zusätzliche Bauteile nur eine innere und eine äußere Form (nicht dargestellt) notwendig sind, die das Material bis zu seiner Erstarrung fixieren. Die Herstellung eines solchen Wärmeübertragers ist somit technisch gut beherrschbar und bei einer Serienfertigung kostengünstig möglich.

B ez u αs z e i c h e n l is te

1 Rohr

1a äußere Mantelfläche

2 Rippe

2a Rippenkopf

3 Wendel

4 Zu-/Ablaufstutzen

5 Umhüllung

6 Rippenkanal

7a Zulauf

7b Zulauf

8 Kontaktstelle