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ZylindermanteIfÏrmiger Wärmeaustauscher
Die Erfindung bezieht sich auf einen zylindermantelförmigen Wärmeaustauscher mit sich über seine ganze Länge erstreckenden Räumen für die beiden miteinander in wärmeaustauschender Berührung ste- henden Medien, insbesondere für Heissgaskolbenmaschinen.
Bekannte Wärmeaustauscher dieser Art haben den Nachteil, dass sie an der Aussenseite mit einem verhältnismässig viel Raum beanspruchenden Isoler- mantel versehen werden müssen, wodurch der Wärmeaustauscher verhältnismässig umfangreich wird.
Ausserdem erfordert die Herstellung eines bekannten, aus Rohren aufgebauten Wärmeaustauschers viel
Zeit, weil das Herstellen der Verbindungen der Rohre mit den Zu- und Ableitungen der Medien mit gro- sser Genauigkeit erfolgen muss und insbesondere dann zeitraubend ist, wenn man wegen des angestrebten
Wärmeaustausches zu einer Bauart kommt, bei der die Medien in hohem Masse unterteilt und somit viele Rohre vorhanden sind.
Die Erfindung bezweckt, diese Nachteile zu beheben. Zu diesem Zweck ist der Wärmeaustauscher nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass er aus untereinander gleichen, in geringem Abstand voneinander liegenden Metallplatten aufgebaut ist, wobei in einem Querschnitt durch den Wärmeaustauscher jede Platte aus einem mittleren Teil besteht, der an seinem dem Innen- bzw. Aussenumfang des Wärmeaustauschers zugewendeten Ende in mindestens einen abgebogenen Teil übergeht, an den ein gemäss dem Innen- bzw. Aussenumfang des Wärmeaustauschers verlaufender Rand anschliesst, wobei an der Innen- und Aussenseite des Wärmeaustauschers an der Stelle des Innen- und Aussenumfanges abgeschlossene Zu- bzw.
Ableitungen für die Medien von den abgebogenen Teilen und Rändern benachbarter Platten gebildet werden und die Medien in den Räumen zwischen den mittleren Teilen der Platten durch diese Platten hindurch in wärmeaustauschender Berührung miteinander stehen, wobei die Platten an oder bei den Stirnflächen des Wärmeaustauschers miteinander verbunden sind. Die Medien können Flüssigkeiten und/oder Gase sein.
Diese Bauweise ergibt verschiedene Vorteile. Zunächst wird erreicht, dass der Wärmeaustauscher auf der Aussenseite praktisch keinen Isoliermantel braucht. Weiters sind der Bau und die Herstellung des Wärmeaustauschers viel einfacher als beim bekannten Wärmeaustauscher dieser Art, denn für den eigentlichen wärmeaustauschenden Teil und für die Zu- und Ableitungen für die Medien finden eine Anzahl untereinander gleicher Platten Verwendung, die infolge ihrer Ausgestaltung und ihrer Gruppierung nicht nur die wärmeaustauschenden Kanäle, sondern auch die Zu- und Ableitungen für die Medien bilden.
Bei der Herstellung einer Reihe untereinander gleicher Wärmeaustauscher kann vorteilhaft Plattenmaterial zur Anwendung kommen, das auf die gleichen Abmessungen zugeschnitten und einem solchen Biegeverfahren unterworfen wird, dass diese Platten in die erforderliche Form gebracht werden. Dann werden die so gebogenen Platten in einer Montagelehre an den vorgeschriebenen Stellen beispielsweise durch Punktschweissen oder Löten miteinander verbunden.
Obgleich die vorstehenden Teile, mit denen die Platten bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Wärmeaustauschers nach der Erfindung versehen sind und die als Distanzmittel dienen, durch Löten oder Schweissen angebracht werden können, empfiehlt es sich gemäss einer weiteren AusfUhrungsform der Erfindung, diese vorstehenden Teile in Form von Rippen zu gestalten, die wenigstens im wesentlichen quer zur Längsrichtung der Zu- und Ableitungen für die Mittel verlaufen und beim vorstehend erwähnten Biegeverfahren durch Walzen vorgesehen werden können.
Dadurch, dass gemäss einer weiteren Ausführungsform des Wärmeaustauschers nach der Erfindung der
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mittlere Teil jeder Platte im Querschnitt durch den Wärmeaustauscher im wesentlichen tangential verläuft, ergibt sich der Vorteil, dass die Kanäle, in denen die Medien miteinander in wärmeaustauschender Berührung stehen, viel länger sein können, als wenn die erwähnten mittleren Teile der Platten mehr oder weniger radial verlaufen.
Platten mit einem mehr oder weniger tangential verlaufenden Teil haben weiter den wichtigen Vorteil, dass, ohne dass die Platten zu diesem Zweck mit einem verhältnismässig kom- plazierten Längsprofil versehen werden müssen, ein aus solchen Platten aufgebauter Wärmeaustauscher die Eigenschaft aufweist, dass der Innenumfang. gegenüber dem Aussenumfang verhältnismässig biegsam ist, so dass auf einem verhältnismässig geringen Abstand in radialer Richtung Temperaturunterschiede von einigen hundert Grad Celsius auftreten können, ohne dass dabei für den Betrieb des Wärmeaustauschers unzulässige Temperaturspannungen im Material auftreten.
Wenn gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der die mittleren Teile sämtlicher Platten auch im wesentlichen tangential verlaufen, diese letzteren Teile gemäss einer Archimedischen Spirale gestaltet werden, ergibt sich der Vorteil, dass die Querabmessung sämtlicher zwischen den Platten vorhandener Kanäle über deren ganze Länge praktisch konstant ist.
Aus Vorstehendem geht hervor, dass an der Stelle des Innen- und Aussenumfangs des Wärmeaustauschers infolge des Vorhandenseins der Teile und. Ränder der Platten Kanäle gebildet werden, die als Zuund Ableitungen für die Medien dienen. In der Regel wird der Wärmeaustauscher so betrieben, dass die Zu- und Abfuhr jedes Mediums zu bzw. aus jedem dieser Kanäle an verschiedenen Stirnflächen des Wärmeaustauschers erfolgt. Dies kann mit sich bringen, dass sowohl am Innenumfang als auch am Aussenumfang des Wärmeaustauschers an beiden Stirnflächen die dort mündenden Kanäle in zyklischer Folge ge- öffnet und geschlossen sein müssen.
Dies wird gemäss einer Ausführungsform der Erfindung dadurch erzielt, dass jede Stirnfläche des Wärmeaustauschers mit mindestens einem im wesentlichen flachen Ring versehen wird, der an der Stelle der dort vorhandenen geöffnet bzw. geschlossen zu haltenden Mündungen der Kanäle mit Aussparungen bzw. Trennwänden versehen ist. Solche Ringe können auf einfache Weise durch Stanzen aus Metallplatten hergestellt werden.
Bei einer andern Ausführungsform des Austauschers gemäss der Erfindung wird der beabsichtigte Zweck dadurch erreicht, dass eine derartige Divergenz bzw. Konvergenz der im Plattenmaterial vorhan-
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-linienbefindlichen Kanäle abwechselnd an der einen und an der andern Stirnfläche des Wärmeaustauschers abgeschlossen sind.
Der Wärmeaustauscher gemäss der Erfindung eignet sich insbesondere zur Anwendung zusammen mit einer Heissgaskolbenmaschine. Unter einer Heissgaskolbenmaschine ist eine Maschine zu verstehen, bei der in einem verschlossenen Raum ein stets in der gleichen Phase befindliches Medium durch die Bewegung der Kolben abwechselnd komprimiert wird und Gelegenheit hat, sich zu entspannen. Die Kompression und Expansion erfolgt bei verschiedenen Temperaturen. Wenn die Heissgaskolbenmaschine als Heissgaskolbenmotor ausgebildet ist, erfolgt die Kompression bei der niedrigsten und die Expansion bei der höchsten Temperatur. Die Maschine ist mit einer Wärmequelle versehen, um den Medien bei verhältnismässig hoher Temperatur Wärme zuzuführen.
Diese Wärmequelle kann in einem Verbrennungsraum angeordnet sein. und der Wärmeaustauscher gemäss der Erfindung kann dabei zweckmässig als Verbren- nungsluft-Vorwärmer Anwendung finden, wobei die Abgase die der Brennvorrichtung zugeführte Verbrennungsluft erhitzen. Bei dieser Anwendung ist der Wärmeaustauscher gemäss der Erfindung besonders vorteilhaft, weil er eine Expansionsmöglichkeit am Innenumfang aufweist, wobei der Aussenumfang trotz der auftretenden grossen Temperaturunterschiede zwischen dem Innen- und dem Aussenumfang des Austauschers nahezu seinen anfänglichen Durchmesser behält. Weiters ist am Aussenumfang des Wärmeaustauschers kein Isoliermantel erforderlich.
Dieser Mantel hat bei den bereits bekannten Bauarten häufig einen so grossen Aussendurchmesser, dass dieser und nicht die grösste Querabmessung der zugeordneten Maschine den Abstand bestimmt, in dem in bezug auf diese Maschine weitere Maschinen angeordnet werden können. Dieser Umstand fällt bei der Heissgaskolbenmaschine, die mit einem Wärmeaustauscher nach der Erfindung versehen ist, völlig weg.
An Hand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
In Fig. 1 ist schematisch ein vom Wärmeaustauscher gemäss der Erfindung umgebener Verbrennungsraum zum Erhitzen des Kopfes eines Heissgasmotors im Querschnitt dargestellt. Dabei sind der Einfachheit halber die Schnitte durch die einzelnen Platten fortgelassen. Fig. 2 stellt eine Draufsicht auf diesen Wärmeaustauscher dar, wobei nur drei Platten des Wärmeaustauschers eingezeichnet sind. Fig. 3 zeigt schaubildlich und in vergrössertem Massstab die Weise, in der die Enden der mittleren Teile dreier be-
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nachbarter Platten, wie sie im Wärmeaustauscher nach der Erfindung vorkommen, in die zugehörigen Teile und Randteile tibergehen, und wie die Platten mit Rücksicht aufeinander liegen. Fig. 4 zeigt schaubildlich ein etwas abgeändertes Profil für die Platten zur Verwendung im Wärmeaustauscher gemäss der Erfindung.
Fig. 5 ist ein Schnitt der Umfangsrichtung durch die gefalteten Randteile einiger nebeneinander liegender Metallplatten einer abgeänderten Ausführungsform der Erfindung.
In Fig. 1 bezeichnet 1 den Kopf eines Heissgaskolbenmotors, in dem sich der sogenannte heisse Raum la befindet. Der Rauminhalt dieses Raumes wird periodisch geändert infolge der Bewegung des kolbenförmigel1 Körpers 2, der als Verdränger arbeitet. Die Oberwand dieses Kopfes 1 weist eine Anzahl in mindestens einem Kranze angeordneter Öffnungen 3 auf, an die sich ein Schenkel eines im wesentlichen haarnadelförmig abgebogenen Heizrohres 4 anschliesst. Das andere Ende dieses Heizrohres verläuft längs der Seitenfläche des Kopfes 1'und ist an einen ringförmigen, den Heisskopf 1 umgebenden Regenerator 5 angeschlossen. Zur Verdeutlichung der Zeichnung sind nur zwei Heizrohre 4 mit zugehörigen Öffnungen im Kopf angegeben.
Durch die Heizrohre 4 strömt das zu erwärmende Medium des Heissgaskolbenmotors. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, umgeben die Heizrohre 4 einen mehr oder weniger zylindrischen Raum 6, den Verbrennungsraum des Motors. An der Oberseite 7 dieses Raumes sind eine Anzahl Wirbelkammerbrenner 8 angeordnet, die ihre Flammen 9 nach der Mitte des Verbrennungsraumes richten. Durch die Leitung 10 wird der Vorrichtung flüssiger Brennstoff zugeführt, der im Zerstäuber 11 mit Hilfe eines unter Überdruck durch die Leitung 12 zugeführten Mediums zerstäubt wird. Der zerstäubte Brennstoff wird in den Raum 13, der an der Oberseite durch einen kuppelförmigen Körper 14 abgeschlossen ist und an der Unterseite durch die obere Fläche 7 des Verbrennungsraumes begrenzt wird, eingelassen und dort mit der durch die Pfeile I angegebenen Primärverbrennungsluft gemischt.
Diese Luft kann durch die in der Buchse 11 hergestellten Schlitz llb in den Raum 13 eintreten. Der Brennstoff wird dann in den Wirbelkammerbrennern 8 mit durch die Pfeile II angegebener Sekundärverbrennungsluft gemischt und liefert die zum Erhitzen des Mediums erforderlichen Flammen. Die Zündvorrichtung ist weggelassen.
Der Kranz der Heizrohre 4 wird an der Aussenseite vom Wärmeaustauscher 15 nach der Erfindung umgeben. Dieser Wärmeaustauscher wird hier von einem ringförmigen Körper 16 aus feuerfestem Material getragen und trägt seinerseits den kuppelförmigen Körper 14, der gleichfalls aus feuerfestem Material besteht.
An Hand der Fig. 2 und 3 wird eine erste Bauart dieses Wärmeaustauschers näher erläutert.
In Fig. 2 bezeichnet 17 den Raum innerhalb des Wärmeaustauschers, in dem sich somit bei der in Fig. 1 angegebenen Anwendung der Verbrennungsraum befindet. Der Innen-und Aussenumfang des Wärmeaustauschers sind mit 18 bzw. 19 bezeichnet. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, ist der zylindrische Teil dieses Wärmeaustauschers aus einer Anzahl Platten aufgebaut, von denen drei in Fig. 2 der ganzen Länge nach vom Innenumfang 18 bis zum Aussenumfang 19 dargestellt sind. In Fig. 3 sind die gleichen Platten 20,21 und 22, soweit es sich um die in der Nähe des Innenumfanges 18 des Wärmeaustauschers liegenden Teile handelt, in vergrössertem Massstab und schaubildlich dargestellt.
Die Platten weisen je einen
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parallel zueinander und auch zu den vorerwähnten Faltlinien 20b, 21b und 22b verlaufen, in die Randteile 20e, 21e bzw. 22e über, die gemäss dem Innenumfang 18 des Wärmeaustauschers verlaufen. Wie insbesondere aus Fig. 3 ersichtlich ist, sind die mittleren Teile der Platten mit eingewalzten Rippen 23 versehen, die bei der Ausführungsform nach Fig. 3 nach hinten ragen und so hoch sind, dass sie den Abstand a der Platten voneinander bestimmen.
Infolge des Vorhandenseins dieser Rippen ergeben sich zwischen je zwei Platten eine Vielzahl parallel geschalteter Kanäle, die eine Breite a und eine Höhe b aufweisen und für den Transport der beiden miteinander in wärmeaustauschender Berührung zu bringenden Medien bestimmt sind. Ähnlich wie am Innenumfang 18 des Wärmeaustauschers sind die Platten auch in der Nähe des Aussenumfanges 19 mit Teilen 20f, 21f und 22versehen, welche in die Randteile 20g, 2Ig und 22g übergehen, die mit dem Aussenumfang 19 des Wärmeaustauschers zusammenfallen.
Wenn diese Platten, die beispielsweise in einer Montagelehre in die richtige gegenseitige Lage gebracht sind, bei den Stirnflächen 24 und 25 des so erzeugten Körpers (s. Fig. 1) beispielsweise durch Löten oder Schweissen miteinander verbunden werden, ergibt sich ein Körper, der eine grosse Festigkeit aufweist und dennoch infolge der tangentialen Lage der mittleren Teile sämtlicher Platten an seiner Innenseite so biegsam ist, dass eine Expansionsmöglichkeit der Innenseite in bezug auf die Aussenseite besteht.
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Die Räume, die zwischen den mehr oder weniger quer verlaufenden Teilen, den Randteilen und den benachbarten mittleren Teilen der nächstliegenden Platten vorhanden sind und die in den Fig. 2 und 3 durch 26, 27,28 und 29 angegeben sind, können als Zu-und Ableitungen für die miteinander in wärme- austauschende Berührung zu bringenden Medien dienen. Um eine möglichst innige Berührung zwischen den in Gegenstrom den Wärmeaustauscher durchströmenden Medien zu erzielen, werden diese Kanäle abwechselnd vom einen und vom andern Medium durchströmt. Beispielsweise wird bei der Ausführung- form nach den Fig. 2 und 3 der Raum 26 an der Unterseite des Wärmeaustauschers mit heissen Verbren- nungsgasen gespeist.
Diese durchlaufen den Wärmeaustauscher vom Innenumfang 18 zum Aussenumfang 19.
Sie verlassen über Raum28 den Wärmeaustauscher an der Oberseite durch den Kanal 30a und werden dann durch den Schornstein 30 (Fig. 1) abgeführt. Hingegen wird die vorzuwärmende Verbrennungsluft an der Unterseite des Austauschers in den Raum 29 eingelassen, wonach sie den Wärmeaustauscher von aussen nach innen durchläuft und ihn durch den Raum 27 an seiner Oberseite verlässt. Hier wird diese vorgewärmte Verbrennungsluft in den bereits erwähnten Luftstrom I, der als Primärverbrennungsluft dient, und in den Strom 11 geteilt, der die Sekundärverbrennungsluft liefert.
Um zu erzielen, dass die Räume abwechselnd auf der Ober- und Unterseite geschlossen sind, finden flache Metallringe Anwendung, die in Fig. 1 mit 31 bezeichnet sind. Diese sind abwechselnd mit Trennwänden und Öffnungen versehen und können dadurch am Wärmeaustauscher befestigt werden, dass die Ringteile, die eine Öffnung bilden müssen, nicht entfernt, sondern um 900 aus der Ebene des Ringes gebogen und in die Ober- bzw. Unterseiten der Räume eingesteckt werden, wodurch sich eine solide Befe- stigung ergibt.
Selbstverständlich können die Platten auf andere Weise, als in den Fig. 2 und 3 angegeben ist, gestaltet werden. Beispielsweise können, wie in Fig. 4 dargestellt ist, die mittleren Teile 32a und 33a der Platten 32 und 33 etwa ähnlich wie die Fig. 2 und 3 verlaufen, wobei jedoch die Übergänge zu den Teilen 32b und 33b und den Randteilen 32c und 33c fliessender verlaufen. Auch können die mittleren Teile der Platten radialer verlaufen, was im allgemeinen eine Verkürzung der wärmeaustauschenden Kanäle mit sich bringt.
Fig. 5 stellt einen Schnitt in der Umfangsrichtung des Wärmeaustauschers dar in einer Ebene, welche zwischen dem Innen- und Aussenumfang des Wärmeaustauschers liegt. Die in dieser Figur angegebene Abmessung in vertikaler Richtung entspricht der Höhe des Wärmeaustauschers. Die plattenförmigen Elemente dieser Ausführungsform des Wärmeaustauschers sind, abgesehen von ihren Randteilen, inderselben Weise wie die plattenförmigen Elemente nach den Fig. 2 und 3 ausgebildet ; sie können, so erwünscht, mit den Abstandsrippen 23 aus Fig. 3 ausgeführt sein. Diese in Fig. 5 nicht angegebenen Rippen würden somit in horizontaler Richtung verlaufen.
Anstatt vertikaler Faltlinien wie die Fig. 2 und 3 zeigen die Randteile der plattenförmigen Elemente, die bei der Ausführung nach Fig. 5 Verwendung finden, Faltlinien 34,35, die über einen kleinen Winkel schräg verlaufen, wie dies deutlich der Fig. 5 zu entnehmen ist. Dies hat zur Folge, dass die Trennflächen zwischen den Medienströmen, welche wieder am Innen-und Aussenumfang des Wärmewechslers vorhanden sind, auch schräg verlaufen. Bei passender Schrägstellung dieser Trennflächen bekommt man den Vorteil, dass die Räume 36 und 37, die als Zuund Abfuhrkanäle für die miteinander in Wärmeauswechslung zu bringenden Medien dienen und denen die Räume 26 - 29 gemäss den Fig. 2 und 3 entsprechen, an ihrer Ober- bzw. Unterseite schon durch die Formgebung der Faltlinien bzw. Trennflächen geschlossen sind.
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