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Wärmeaustauscher
Es sind bereits Wärmeaustauscher mit unterbrochenen Rippen bekannt, die auf der Seite des Wärmeträgers mit geringerer Wärmeübergangszahl mit Rippen versehen sind, wobei diese Rippen quer zur Strö- mungsrichtung in schmale Streifen gespaltet sind, die allfällig in voneinander verschiedene Rippen aus der Ebene der Rippenplatte herausragen. Durch diese wiederholte Unterbrechung der Rippenfläche wird die Ausbildung einer dickeren Grenzschicht verhindert, wodurch die Wärmeübergangszahl wesentlich höher ist als bei glatten Flächen.
Wärmeaustauscher dieser Art arbeiten bekanntlich selbst bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten des äusseren Strömungsmittels mit hoher Wärmeübergangszahl, so dass dieselben zwecks Verminderung des Kraftbedarfes für die Ventilation in der Regel bei verhältnismässig geringer Strömungsgeschwindigkeit betrieben werden.
Bei den bekannten Wärmeaustauschern mit unterbrochenen Rippen ist aus den Rippen, die in der Strömungsrichtung eine Länge von lediglich einigen Millimetern, also sehr geringe Abmessungen aufweisen, durch besondere Herstellungsverfahren ein bestimmtes geometrisches Elementengebilde hergestellt, wobei die gesamte Rippenoberfläche aus einer vielfachen Wiederholung dieses Elementengebildes besteht. Neben den bereits erwähnten vorteilhaften technischen Eigenschaften weisen aber die derart aufgebauten Wärmeaustauscher mit unterbrochenen Rippen auch Nachteile auf.
In gewissen Fällen, z. B. bei Stromerzeugern (Generatoren) mit Wasserstoffkühlung oder bei Gastur- binen ist es erforderlich, Wärmeaustauscher mit unterbrochenen Rippen bei hoher Strömungsgeschwindig- keit zu betreiben. In diesem Falle treten jedoch gewisse unangenehme Eigenschaften zum Vorschein, durch welche das Verwendungsgebiet dieser Wärmeaustauscher eingeschränkt wird.
Die Erfahrung zeigt nämlich, dass über einer gewissen Strömungsgeschwindigkeit die Rippen dieser Art in Schwingung gelangen und einen hohen Pfeifton erzeugen. Dabei erhöht sich auch der Strömungswiderstand der Wärmeaustauscher. Die erwähnten Schallerscheinungen können eine Stärke erreichen, bei welcher die Anwendung von Wärmeaustauschern bei hoher Strömungsgeschwindigkeit in gewissen Fällen stark eingeschränkt oder unmöglich gemacht werden kann. Versuche haben gezeigt, dass der bei Wärmeaustauschern mit unterbrochenen Rippen entstehende Pfeifton durch Wirbel verursacht wird, die sich bei der Strömung mit hoher Geschwindigkeit nach den einzelnen Rippenstreifen periodisch ablösen und den Metallkörper des ganzen Wärmeaustauschers in Schwingung versetzen.
Die Intensität des Schalles ändert sich mit den Abmessungen des Wärmeaustauschers, wobei seine Höhe mit der Strömungsgeschwindigkeit zunimmt. Da bei den bekannten Wärmeaustauschern die Verrippung derselben aus einer vielfachen Wiederholung eines gewissen geometrischen Grundgebildes besteht, kann bei Neigung dieses Gebildes zur Schwingung durch die vielfache Wiederholung die Erregung derart ansteigen, dass schliesslich das gesamte System in Schwingung geraten kann.
Die Erfindung bezweckt die restlose Ausnützung der bekannten vorteilhaften Eigenschaften der Wärmeaustauscher mit unterbrochenen Rippen durch Ausmerzung des obenerwähnten Nachteiles, d. h. durch Beseitigung der störenden Schallerscheinungen bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten.
Bei Wärmeaustauschern mit unterbrochenen Rippen können die erwähnten nachteiligen Eigenschaften letzten Endes darauf zurückgeführt werden, dass die Rippenfläche aus einer vielfachen Wiederholung von geometrisch gleichen Elementengebilden besteht. Wenn jedoch die Rippen nicht durch die Vervielfachung
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eines einzigen Elementengebildes, sondern durch abwechselnde Wiederholung verschiedener Elementen- gebilde hergestellt werden, verschwinden diese störenden Schallerscheinungen.
Die aus verschiedenen Elementengebilden aufgebaute Rippenfläche kommt selbst bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten nicht in Schwingung. Sowohl die Erregerfrequenzen als auch die Eigenfrequenzen der geometrisch voneinander abweichenden Elemente sind nämlich verschieden. Das System neigt al- so nicht zur Schwingung, wodurch auch die erwähnten Schallerscheinungen unterbleiben.
An Hand der Zeichnung werden beispielsweise Ausführungsformen von Wärmeaustauscherflächen beschrieben, die aus geometrisch verschiedenen Elementengebilden bestehen.
Fig. 1 zeigt den Längsschnitt eines Teiles eines Wärmeaustauschers, der aus einer Anzahl von Rohren 1 und Rippen 2 besteht. Das Mittel mit höherer Wärmeübergangszahl strömt in den Rohren l, auf welchen die Rippen 2 durch eine Verbindung mit guter Wärmeleitung befestigt sind. Das Mittel mit geringerer Wärmeübergangszahl strömt quer zu der durch die Rohrachsen gelegten Ebene. Die die Rippen 2 bildenden Platten sind quer zur Strömungsrichtung des Mittels mit geringerer Wärmeübergangszahl durch Stanzen in schmale Streifen 3,4, 5 verschiedener Breite aufgespaltet, wobei die Streifen aus ihrer ursprünglichen Lage, d. h. aus der Ebene der Rippe 2, herausgepresst werden. Diese schmalen Streifen bleiben an ihren beiden Enden mit der Platte in Verbindung.
In Fig. 2 ist derselbe Wärmeaustauscher im Querschnitt dargestellt. Die Strömungsrichtung des äusseren Mittels ist durch Pfeile angedeutet. Die herausgepressten Plattenstreifen, d. h. die Rippen, liegen quer zu dieser Richtung. Fig. l und 2 stellen gemeinsam ein Ausführungsbeispiel dar, bei welchem die herausgepressten Rippen 3, 4 und 5 verschiedene Breiten aufweisen, wobei die zwischenliegenden Plattenstreifen ihre ursprüngliche Lage beibehalten.
Dasselbe Ausführungsbeispiel ist auch in Fig. 3 dargestellt. Die Pfeile deuten die Strömungsrichtung des äusseren Mittels an. Die Rohre sind mit 1 und die Rippenplatte mit 2 bezeichnet. Wie aus diesem Schnitt hervorgeht, sind die Breiten der Rippenstreifen 3,4 und 5 voneinander verschieden.
Das Wesen der Erfindung ist aus den Fig. 1, 2 und 3 gut ersichtlich. Die bereits erwähnten geometri- schen Gebilde werden in der durch die Pfeile angedeuteten Strömungsrichtung durch je zwei aufeinanderfolgende Rippen gebildet. Das erste Gebilde besteht demnach aus den Rippen 2 und 3, das zweite aus den Rippen 2 und 4 und das dritte aus den Rippen 2 und 5, die alle voneinander abweichen und durch deren Vervielfachung die gesamte Wärmeübergangsfläche hergestellt werden kann.
Die Fig. 1 - 3 zeigen lediglich. die Prinzipien, mittels welcher. die im vorigen gestellte Aufgabe gelöst werden kann. In der Regel ist es möglich, durch abwechselnde Wiederholung von bereits zwei voneinander abweichenden geometrischen Gebilden eine. Wärmeübertragungsfläche zu bilden.
In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem die voneinander abweichenden Gebilde dadurch entstehen, dass das Stanzen der einzelnen Rippenstreifen 6,7, 8 entlang von Kanten erfolgt, die zueinander nicht parallel liegen und'deren Abstand voneinander nicht gleich ist.
In Fig. 5 ist ein Teil eines Wärmeaustauschers dargestellt, der aus mehreren Rohrreihen besteht, die gemäss einem der bisher beschriebenen Ausführungsbeispiele oder entsprechend den erwähnten Prinzipien anderswie hergestellt worden sind, wobei 1 die Rohre und 2 die Rippen bezeichnet. Die Rippenstreifen in Fig. 5 können den oben beschriebenen Gebilden oder deren Kombinationen entsprechen. Dieses Ausführungsbeispiel zeigt zugleich eine weitere Möglichkeit, wie die Verschiedenheit der Gebilde durch die Rippenausbildung gefördert werden kann. Durch die durch Stanzen entstandenen Rippenstreifen 9,10, 11 usw. wird demnach der Abstand zwischen den beiden Rohren 1 nicht vollkommen überbrückt, sondern es wird in der Mitte ein Rippenstreifen 12 an ihrer ursprünglichen Lage belassen.
Somit sind die Rippenstreifen 9,10, 11 usw. an ihrem einen Ende unmittelbar in der Nähe des Rohres 1 und an ihrem andern Ende im Rippenstreifen 12 eingespannt. Die Art der Einspannung ist somit an den beiden Enden verschieden.
Ausserdem kommen die Rippenstreifen 13, 14,15, die strömungstechnisch voneinander stark abweichen, im Teil zwischen den beiden Rohrreihen nebeneinander zu liegen, so dass die schwingungserregende Wirkung der Rippen aufhört. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass der Rippenstreifen 11 die Wärmeleitung von den Rohren zu den Enden der Rippenstreifen 9,10, 11 usw. ermöglicht, wodurch die Wärmeübertragung besser wird bzw. bei gleicher Wärmeübertragung der gegenseitige Abstand der Rohre erhöht werden kann. Dies ergibt niedrigere Herstellungskosten.
In Fig. 6 ist ein Wärmeaustauscher dargestellt, dessen Wärmeaustauschfläche aus dünnen Metallstäben 16,17, 18,19 besteht, die vom Wärmeträger quer angeströmt werden ; wie dies in Fig. 6 durch Pfeile angedeutet ist. Auch bei dieser Anordnung entsteht je ein Gebilde durch je zwei Reihen, die in der Strömungsrichtung aufeinander folgen. Die Gebilde können in der Weise voneinander abweichend gemacht werden, dass entweder die Teilung je Reihe oder der gegenseitige Abstand der einzelnen Reihen
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geändert werden, oder die Stangen verschiedene Durchmesser oder verschiedene (kreisförmige, ovale, tropfenförmige) Querschnitte aufweisen.
Wenn der Wärmeaustausch zwischen zwei Mitteln (z. B. zwischen zwei Gasen) herbeigeführt werden soll, deren Wärmeübergangszahlen annähernd gleich gross sind, kann es vorkommen, dass beide Seiten der Wärmeaustauschfläche mit Rippen ausgebildet werden müssen. In diesem Fall bezieht sich das vorher Gesagte naturgemäss auf beide Seiten des Wärmeaustauschers.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Wärmeaustauscher mit von einem Medium mit höherer Wärmeübergangszahl durchströmten parallelen Rohren, die durch senkrecht zu den Rohren angeordnete Rippen verbunden sind. aus welchen schmale Stege bildende Rippenstreifen herausgepresst sind, die quer zur Strömungsrichtung des aussen vor- beiströmenden Mediums niedrigerer Wärmeübergangszahl angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die in unmittelbar aufeinanderfolgenden Reihen angeordneten Rippenstreifen (3. 4,5) verschiedene Breiten bzw. Querschnitte aufweisen (Fig. 1 und 2).