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Wärmeaustauscher
Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher zur Herbeiführung eines Wärmeaustausches zwischen zwei Stoffen, wie z. B. zwischen Flüssigkeiten, Dämpfen oder Gasen.
Der erfindungsgemässe Wärmeaustauscher setzt sich aus einer Mehrzahl von Elementen zusammen, deren Wände begrenzte Durchgänge für die beiden wämeaustauschenden Stoffe bilden, wobei alle Wände unmittelbar an dem Wärmeaustausch beteiligt sind, indem bei jedem Durchgang jeweils die eine Seite der Wand von einem der Stoffe, die andere Seite der Wand von dem zweiten Stoff beaufschlagt ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen derartigen Wärmeaustauscher so auszubilden, dass er geeignet ist, auch mit unter höheren Drücken stehenden Stoffen, insbesondere mit Stoffen, die einen beträchtlichen Druckunterschied aufweisen, betrieben zu werden und in beliebigen Grössen der Austauschflächen hergestellt zu werden, wie dies bei industriellen Anwendungen oft gefordert wird.
Bei der Herstellung von Wärmeaustauschern für derartige Anwendungszwecke sind ausser allgemeinen Gesichtspunkten der Wirtschaftlichkeit, des einfachen Aufbaues, der leichten Reinigungsmöglichkeit, des geringen Druckverlustes im Betrieb und des möglichst intensiven Wärmeaustausches besonders auch festigkeitstechnische Probleme zu berücksichtigen. Insbesondere muss darauf geachtet werden, die Gefahr eines Durchbiegens der die Durchgangskanäle für die wärmeaustauschenden Stoffe begrenzenden Wände, die naturgemäss zwecks Erzielung einer guten Wärmeaustauschwirkung eine möglichst geringe Wandstärke haben sollen, zu beseitigen.
Die Lösung der gestellten Aufgabe wird gemäss der Erfindung dadurch erreicht, dass die einzelnen Elemente, aus welchen der Wärmeaustauscher aufgebaut ist, über ihre ganze Länge und Breite mit den jeweiligen Nachbarelementen unmittelbar in Berührung stehen, d. h. ohne Abstand direkt an die Nach- barelemente anliegen.
Bei einer bekannten Ausführung eines Wärmeaustauschers dieser Art, der ebenfalls für grosse Austauschflächen bestimmt und aus mehreren Elementen zusammengesetzt ist, die je aus zwei, durch Nahtschweissungen miteinander verbundenen Platten mit langgestreckten Vertiefungen bestehen, müssen diese Elemente in gegenseitigem Abstand angeordnet sein, um die Zu- und Abfuhr des zweiten wärmeaustauschenden Stoffes, der ausserhalb der Elemente, d. h. in den Zwischenräumen zwischen den Elementen, strömt, zu gestatten. Diesem bekannten Wärmeaustauscher gegenüber wird durch die Erfindung dank der unmittelbaren Berührung der Elemente über deren ganze Länge und Breite eine weitaus grössere Steifheit des Gesamtaufbaues erreicht, so dass der Wärmeaustauscher auch erheblichen Druckunterschieden zwischen den beiden Stoffen standhält.
Bei einem andern bekannten Wärmeaustauscher, der zum Vorwärmen der Verbrennungsluft und zum Abkühlen der Verbrennungsgase in Brennkraftmaschinen entwickelt wurde, sind eine Mehrzahl von versetzt übereinandergestülpten Pressstücken vorhanden, die nur an den Randzonen unmittelbar aufeinander aufliegen. Derartige durch Pressen hergestellte Presslinge können nur in bescheidenen Abmessungen hergestellt werden und eignen sich daher nicht für grosse Austauschflächen und ausserdem würden sie sich in Betrieb im Fall grösserer absoluter Drücke bzw. Druckunterschiede zwischen den Stoffen durchbiegen.
Es sind ferner Kreuzstrom-Wärmeaustauscher bekannt, die aus parallel angeordneten, ebenen Blechplatten mit dazwischenliegenden Distanzleisten aufgebaut sind. Auch diese Wärmeaustauscher sind nur für äusserst geringe Druckunterschiede zwischen den beiden wärmeaustauschenden Stoffen geeignet und
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ferner ist bekanntlich der erreichbare Wärmeaustausch im Kreuzstrombetrieb an sich bereits weitaus geringer als derjenige im Gegenstrombetrieb.
Solche Kreuzstrom-Wärmeaustauscher wurden auch bereits aus durch Wellplatten voneinander entfernt gehaltenen, ebenen Platten aufgebaut, wobei jedoch die Wellplatten lediglich als Abstandhalter zwischen den ebenen Platten dienen bzw. als Rippen auf den ebenen Platten und zu beiden Seiten vom gleichen Stoff beaufschlagt sind. Bekanntlich beträgt jedoch die Wärmeübertragung, bezogen auf die Oberflächeneinheit der Rippen, nur einen Bruchteil derjenigen, welche unter den gleichen Bedingungen mit einer Wand bei direkter Übertragung erreichbar ist, wie dies für die Wände zutrifft, welche die beiden wärmeaustauschenden Stoffe direkt voneinander trennen. Obwohl solche Wärmeaustauscher auch für grosse Fördermengen ausgeführt werden können, besitzen sie somit eine grössere Oberfläche als Wärmeaustauscher mit direktem Wärmeaustausch.
Gemäss andern bekannten Ausführungen von Wärmeaustauschern werden zickzackförmig gebogene, mit Abstandhaltervorsprüngen versehene Blechstreifen verwendet. Hiebei ist jedoch nicht nur eine Begrenzung der Abmessungen durch die grösstmöglichen Abmessungen des Bleches gegeben, sondern auch die Abdichtung zwischen den Durchgängen für die verschiedenen Stoffe äusserst problematisch und jedenfalls können auch bei einem so aufgebauten Wärmeaustauscher keine grossen Druckunterschiede zwischen den Stoffen vorhanden sein.
Bei der Ausbildung der Elemente, aus denen der erfindungsgemässe Wärmeaustauscher aufgebaut ist, wurde-wie erwähnt-nicht nur auf eine grosse Steifheit, sondern auch auf einen geringen Druckabfall im Betrieb und auf eine leichte Reinigungsmöglichkeit der Reihen paralleler Durchgänge für die wärmeaustauschenden Stoffe geachtet. Aus diesem Grund wurde eine offene Querschnittsform für die Durchgänge gewählt, die jener von Rohren ähnlich ist.
Jedes Element setzt sich dabei vorzugsweise aus zwei Metallblechen zusammen, von denen eines gewellt bzw. zickzackförmig gebogen ist und das andere entweder eben oder ebenfalls gewellt oder zickzackförmig gebogen oder mit Reihen von Erhöhungen versehen sein kann, wobei diese beiden Bleche längs der Wellenberge bzw. der Scheitellinien der Biegungen fest miteinander verlötet bzw. verschweisst sind und eine starre Einheit bilden, in der die genannten Wellenberge bzw. Scheitellinien in Längsrichtung des Elementes verlaufen.
Die Durchgänge für die beiden Stoffe in jedem Element können einen gleichen oder aber auch ungleichen Querschnitt aufweisen und folgen abwechselnd aufeinander. Diese Elemente, welche beliebig lang sein können und von denen beliebig viele neben-und/oder übereinanderliegend in einem Aussengehäuse beliebiger Form, beispielsweise auch in zylindrische Gehäuse, eingebaut werden können, sind zufolge ihrer Robustheit in der Lage, auch grossen gesamtdruckes sowie grossen Druckunterschieden zwischen den beiden in Wärmeaustausch zu bringenden Stoffen standzuhalten und einen sehr kompakt aufgebauten Wärmeaustauscher zu bilden.
Ein weiteres wichtiges Merkmal des Wärmeaustauschers gemäss der Erfindung besteht in der Ausbildung besonderer Kopfstücke (Sammelköpfe) für die einzelnen Elemente. Diese Kopfstücke besitzen einen flachen viereckigen Gesamtquerschnitt, der im wesentlichen der Summe der Teilquerschnitte der Reihe der durch die Verbindung zweier Bleche gebildeten Durchgänge für den einen Stoff entspricht und eine geringere Höhe besitzt, als diejenige der Wellungen der Bleche. Vorzugsweise werden die Kopfstücke aus einer Reihe von nebeneinanderliegenden Rechteckkanälen mit Zwischenwänden, welche durch geeignete Verformung der gewellten Platte des entsprechenden Elementes erzeugt werden können, gebildet.
Auf diese Weise stellen auch diese Kopfstücke starre widerstandsfähige Bauteile dar, die hohen Druckunterschieden standzuhalten in der Lage sind. Beim Zusammenbau mehrererübereinanderliegender Elemente mit zugehörigen Kopfstücken lassen diese zufolge ihrer geringen Höhe zwischen sich Räume frei, in die die Reihen von Durchgängen für den zweiten Stoff einmünden.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnungen mit Hilfe einiger beispielsweise dargestellter Ausführungsformen näher erläutert.
Fig. 1 - 6 stellen stirnseitige Ansichten einiger Ausführungsbeispiele von einzelnen Elementen des Wärmeaustauschers, jeweils bestehend aus zwei miteinander verbundenen Blechen verschiedener Form, dar, Fig. 7 ist eine Ansicht von unten des Elementes nach Fig. 6, Fig. 8 - 10 zeigen schematisch in Ansicht von oben, in Seiten-bzw. Längsansicht und in stirnseitiger Ansicht ein Ausführungsbeispiel eines mit Kopfstücken ausgestatteten Elementes, bei dem die Zu- und Abführung des durch die seitens des Elementes gebildeten Durchgänge geleiteten Stoffes in Achsenrichtung des Elementes erfolgt, Fig. 11-13 sind analoge schematische Ansichten wie jene der Fig. 8 - 10 eines Elementes mit Kopfstücken, die eine zur Achsenrichtung des Elementes im rechten Winkel abgelenkte Zu- bzw.
Abführung des Stoffes ermöglichen, Fig. 14 zeigt in perspektivischer Ansicht ein Aggregat von drei Elementen bei der Montage, Fig. 15 veranschaulicht schematisch in perspektivischer Ansicht das Aggregat nach Fig. 14, eingebaut in einem
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Gehäuse mit Zu- bzw. Ableitungen für die wärmeaustauschenden Stoffe, Fig. 14a veranschaulicht ebenfalls in perspektivischer Ansicht ein Element ähnlich jenem nach Fig. 14, bei dem jedoch das Kopfstück anders ausgebildet ist, Fig. 16 und 17 zeigen im Querschnitt Teile von in einem Gehäuse eingebauten Aggregaten, die aus Elementen gemäss den Fig. 4 bzw. 6 und 7 aufgebaut sind und Fig. 18, 19 und 20 stellen schematisch im Grundriss drei Beispiele von Gehäusen dar, in welche die Aggregate von Elementen eingebaut werden können.
Jedes Element des Wärmeaustauschers, deren eine Mehrzahl in einem Gehäuse zusammengebaut werden, besteht aus zwei Blechen, die in den Zeichnungen unabhängig von ihrer Form durchwegs mit den Bezugszeichen 1 und 2 bezeichnet sind. Eines dieser Bleche, gemäss den Zeichnungen das Blech 2, ist jedenfalls gewellt oder zickzackförmig gebogen, während das zweite Blech 1 eben oder ebenfalls ge- wellt oder zickzackförmig gebogen oder mit Reihen von Erhöhungen versehen sein kann.
Beim Element nach Fig. l ist das untere Blech 1 eben und das obere Blech 2 eine Wellplatte.
Beim Element nach Fig. 2 besteht das obere Blech 2 aus zentralen Segmenten 5 mit gebogenem Profil, deren Konkavität gegen das untere, ebene Blech 1 gerichtet ist und die durch V-förmige Segmente 6 verbunden sind, deren Spitze 7 das Blech 1 berührt.
Beim Element nach Fig. 3 ist das obere Blech 2 von zentralen, im wesentlichen kreisbogenförmig gebogenen, mit der Konkavität gegen das untere, ebene Blech 1 gerichteten Segmenten 8 gebildet, die durch keilförmige, das Blech 1 beruhende Segmente 9 verbunden sind.
Beim Element nach Fig. 4 besteht das obere Blech 2 aus stark gebogenen Segmenten 10, welche durch V-förmige Teile, deren Spitze 11 das untere, ebene Blech 1 berührt, verbunden sind.
Beim Element nach Fig. 5 ist sowohl das obere Blech 2 als auch das untere Blech 1 ein Wellblech, wobei die Wellen beider Bleche gleiche Teilung, aber verschiedene Höhe aufweisen und das obere Blech 2 mit seinen Wellentälern 12 in die Wellentäler 13 des unteren Bleches 1 gelegt ist.
Es könnten jedoch auch zwei Wellenbleche, deren Wellen gleiche Teilung und gleiche oder verschiedene Höhe besitzen, derart zu einem Element verbunden werden, dass die Wellentäler des oberen Bleches die Wellenberge des unteren Bleches berühren.
Das Element gemäss den Fig. 6 und 7 enthält ein oberes Blech 2 von der Art des Bleches 2 des Elementes nach den Fig. 1 oder 5, während das untere Blech 1 mit Reihen von pyramidenförmigen Erhöhungen mit rechteckiger Basis, kurzen Seiten 15-15 und langen Seiten 16-16, schrägen trapezförmigen Seitenflächen 17-17, welche die Kante 18 parallel zu den Seiten 16 der Basis bilden, und mit dreieckigen Flächen 19-19 versehen ist. Diese Reihen von Erhöhungen grenzen parallel aneinander und die Erhöhungen sind in aneinandergrenzenden Reihen gegenseitig versetzt. Die Erhöhungen des Bleches 1 besitzen, wie Fig. 6 zeigt, eine geringere Höhe als die Wellen des Wellbleches 2.
Bei sämtlichen Ausführungsformen der Elemente sind die beiden Bleche 1 und 2 längs der Berührungslinien beispielsweise durch Punkt-oder Nahtschweissung fest miteinander verbunden und bilden daher eine starre, widerstandsfähige Baueinheit, von denen mehrere zur Bildung des Wärmeaustauschers derart zusammengesetzt werden, dass jedes Element über seine ganze Länge und Breite mit den jeweiligen Nachbarelementen in unmittelbarer Berührung steht, d. h. abstandslos an die Nachbarelemente direkt anliegt.
Einer der miteinander in Wärmeaustausch zu bringenden Stoffe strömt in den kanalförmigen Durchgängen, die zwischen den Blechen 1 und 2 eines jeden Elementes gebildet werden und der zweite Stoff strömt in den ebenfalls kanalförmigen Durchgängen, die bei der Zusammensetzung mehrerer Elemente zwischen derAussenfläche 3 des oberen Bleches 2 eines Elementes und der Aussenfläche 4 des unteren Bleches 1 des diesem Element benachbarten Elementes gebildet werden, wie dies in den Fig. 16 und 17 veranschaulicht ist.
Diese Figuren stellen Beispiele für Aggregate dar, die mit den beschriebenen Elementen zusammengesetzt werden können. In Fig. 16 sind zwei übereinandergelegte Elemente gemäss Fig. 4 ersichtlich, wobei die innerhalb der Elemente gebildeten, für den einen der wärmeaustauschenden Stoffe bestimmten Durchgänge mit einem Kreuz (+) bezeichnet sind, wogegen der andere Stoff die, zwischen benachbarten Elementen gebildeten, mit einem Punkt (. ) bezeichneten Durchgänge durchströmt.
Wie ersichtlich, ist jeder Abschnitt eines jeden der beiden ein Element bildenden Bleche 1 und 2 sowie auch jedes der aneinandergrenzenden Elemente stets auf einer Seite von dem einen und auf der andern Seite von dem zweiten der beiden wärmeaustauschenden Stoffe beaufschlagt, so dass in bezug auf die verwendete Materialmenge der grösste Wärmeaustausch erreicht wird. Ausserdem ist bei der unmittelbaren gegenseitigen Auflage der ein Wärmeaustauschaggregat bildenden Elemente, die sich jeweils über ihre gesamte Länge und Breite gegenseitig berühren und selbst starre Baueinheiten darstellen, die Gewähr für eine äusserst
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robuste und auch hohen Drücken sowie Druckunterschieden zwischen den beiden wärmeaustauschenden Stoffen standhaltende Konstruktion gegeben.
Es ist ferner zu beachten, dass die Querschnitte der mit (+) und (.) bezeichneten Durchgangsreihen verschieden gross sein können, wie dies bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 16 der Fall ist, wobei das Querschnittsverhältnis in Abhängigkeit von den physikalischen Eigenschaften und den Strömungsverhältnissen der beiden Stoffe (Flüssigkeiten, Gase oder Dämpfe) wählbar ist.
Analoges gilt für das Aggregat nach Fig. 17, in welchem Elemente gemäss den Fig. 6 und 7 vorliegen.
Auch in diesem Fall hat man, neben den Krümmungen der Wege bzw. Durchgänge infolge der Erhöhungen in unterem Blech 1, die Wirbelungen hervorrufen und dadurch den Wärmeaustausch begünstigen, ungleiche Durchgangsquerschnitte für die beiden Stoffe in den mit (+) und (.) bezeichneten Durchgangsreihen und jeder Abschnitt eines jeden Bleches ist zu beiden Seiten stets mit den beiden Stoffen beaufschlagt, zwischen denen der Wärmeaustausch stattfinden soll.
Es ist selbstverständlich und aus den Fig. 16 und 17 auch ersichtlich, dass die Aggregate in Gehäusen untergebracht sind, deren Wände mit. 20 bezeichnet sind.
Ein weiteres besonderes Merkmal der Erfindung besteht in den an den Enden eines jeden, aus zwei Blechen 1 und 2 zusammengesetzten Elementes vorgesehenen Kopfstücken oder Sammelköpfen 21.
Diese Sammelköpfe besitzen einen Gesamtquerschnitt, der die Form eines flachen Rechteckes aufweist. Sie können getrennt von den zugehörigen Elementen hergestellt und mit diesen sodann durch Schweissen od. dgl. fest verbunden werden (s. Fig. 14), oder aber auch durch entsprechende Verformung bzw. Formgebung der Enden des Elementes selbst erzeugt werden, indem die Durchgangskanäle des Elementes an den Enden zu flachen Rechtecken zusammengedrückt werden (s. Fig. 14a). In diesem Fall werden die Kopfteile von mehreren angrenzenden, im Querschnitt rechteckigen Teilen gebildet, welche zufolge der zwischen den einzelnen Durchgangskanälen vorhandenen Trennwänden mit doppelter Wandstärke besonders versteift und robust sind.
Der Gesamtquerschnitt der Kopfstücke entspricht im wesentlichen der Summe der Teilquerschnitte der Serie von Durchgängen (+) des Elementes für den einen Stoff, die zwischen den zwei Blechen 1 und 2 des Elementes vorliegen, und hat eine Höhe, die kleiner ist als diejenige der Wellungen des Bleches 2 bzw. als die Summe der Höhen der Wellungen der Bleche 1 und 2, wenn beide Bleche gewellt sind und sich längs der Scheitellinien der Wellen berühren.
Solche Kopfstücke können an den Elementen in der Längsrichtung derselben (Fig. 8 - 10) oder mit seitlichem Austritt (Fig. 11-13) vorgesehen sein.
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- 17)(.) für den zweiten Stoff durch die freien Räume zwischen den Kopfstücken 21 der aneinanderstossenden Elemente verbunden. Die Kopfstücke 21 einerseits und die erwähnten freien Räume anderseits werden dann ausserhalb des Gehäuses mit den zwei getrennten Quellen der beiden wärmeaustauschenden Stoffe verbunden. Eine solche Montage ist in den Fig. 14 und 15 dargestellt. Aus diesen Darstellungen, gemäss denen z.
B. drei Elemente zu einem Aggregat vereint vorgesehen sind, ergibt sich, dass die Kopfstücke 21, welche die Durchgänge (+) des einen Stoffes vereinigen, dicht an eine Abschlussplatte 22 anschlie- ssen, welche die zwischen den Kopfstücken verbleibenden Zwischenräume 24 abschliesst und mit rechteckigen Durchbrüchen versehen ist, welche den freien Durchgangsquerschnitten der übereinanderliegenden Kopfstücke entsprechen. An die Platte 22 schliesst ausserhalb des Gehäuses 20 ein Anschlussteil für eine Leitung 23 an, welche zu der (nicht dargestellten) Quelle eines der beiden wärmeaustauschenden Stoffe führt.
Seitlich am Gehäuse 20 ist ein weiterer Anschlussteil vorgesehen, der mit den Zwischenräumen 24 zwischen den Kopfstücken 21 und über diese mit sämtlichen Durchgängen (.) für den zweiten Stoff innerhalb des Gehäuses 20 in Verbindung steht und an den eine Leitung 25 angeschlossen ist, welche zu der (ebenfalls nicht dargestellten) Quelle für diesen zweiten Stoff führt.
Die Fig. 18 - 20 veranschaulichen mehrere beispielsweise Einbaumöglichkeiten von Aggregaten in entsprechende Gehäuse 20. Fig. 18 zeigt ein Gehäuse, bei dem der Ein- und Austritt 23 bzw. 23a für den einen Stoff an den beiden Gehäuseenden in Längsrichtung und der Ein- und Austritt 25 bzw. 25a für den zweiten Stoff ebenfalls an den beiden Gehäuseenden an entgegengesetzten Seiten vorgesehen ist.
Gemäss Fig. 19 sind die Ein- und Austritte für beide Stoffe ah entgegengesetzten Seiten der beiden Gehäuseenden angeordnet und bei der Ausführungsform gemäss Fig. 20 sind die Ein- und Austritte für beide Stoffe an einem Ende des Gehäuses 20 in Längsrichtung und seitlich vorgesehen.
Zum Ausgleichvon Ausdehnungsunterschieden zwischen den Gehäusewänden und den Elementen können Ausgleichskupplungen 26 vorgesehen sein.
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dem die Länge des Wärmeaustauschers.
Schliesslich können die Elemente des Wärmeaustauschers innerhalb einer zylindrischen Kesseltrommel geeigneter Wandstärke montiert werden, die grösseren Drücken der wärmeaustauschenden Stoffe am besten standhält.
Es wurden nur einige Ausführungsformen von Wärmeaustauschern und der sie bildenden Elemente beschrieben und dargestellt, doch ist festzuhalten, dass im Rahmen der Erfindung auch noch andere Aufbaumöglichkeiten vorhanden sind.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Wärmeaustauscher mit einer Mehrzahl von Elementen, deren Wände begrenzte Durchgänge für die beiden wärmeaustauschenden Stoffe bilden, wobei alle Wände an dem Wärmeaustausch zwischen den zwei Stoffen (Flüssigkeiten, Dämpfe oder Gase) direkt beteiligt sind, indem bei jedem Durchgang jeweils die eine Seite der Wand von einem der Stoffe, die andere Seite der Wand von dem zweiten Stoff beaufschlagt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Elemente über ihre ganze Länge und Breite mit den Nachbarelementen unmittelbar in Berührung stehen.