CH460829A - Turbulenzstrom-Wärmeaustauscher - Google Patents

Description

      Turbulenzstrom-Wärmeaustauscher       Auf zahlreichen Gebieten der Industrie zeigt sich  die Notwendigkeit der Kühlung     und    Heizung verschie  denster Stoffe, was häufig äusserst problematisch ist,  da Medien von niedriger     Wärmeübergangszahl    (a) nur  mit sehr geringem Wirkungsgraderwärmt bzw. gekühlt  werden können.

   Es wurde versucht, dieses Problem  mittels     Wärmeaustauscher    verschiedener Konstruktion  zu lösen und die     Wärmeaustauscher    mit Turbulenz  strömung     auszuführen.    In den meisten Fällen werden       Wärmetauschflächen    in Form von Rohrbündeln an  gewandt, wobei es oft versucht wird, die Rohre für  Gegenstromführung der Kühl- oder     Heizmittel    anzu  ordnen.  



  Bei der Bemessung bzw. Fertigung der     Wärmeaus-          tauscher    sieht man im allgemeinen die Möglichkeit zur  Erreichung der nötigen Leistung in der Wahl der       Wärmetauschfläche    entsprechender Grösse; infolgedessen  werden überdimensionierte     Wärmeaustauscher    ver  wendet. In vielen Fällen     führt    jedoch auch dies nicht  zum     erwünschten    Erfolg, besonders wenn z. B. das eine  Mittel Öl ist, bei dessen Kühlung das kältere Öl an  den Kühlflächen anhaftet und sich dort wie ein Isolier  material verhält.

   Dieses Problem taucht vor     allem    auf  denjenigen Gebieten auf, wo das Öl der Wärmeenergie  träger     ist    und wo man, nebst     einer    hohen Inanspruch  nahme, einen konstanten Schmierwert     (Viskosität)    er  zielen will. Ein Beispiel dafür sind die mit Öl betätig  ten hydraulischen Maschinen, bei denen die durch die  Temperatur verursachte     Viskositätsänderung    des     Öls     eine Änderung des Druckwertes mit sich bringt, was       hinsichtlich    der tadellosen Arbeit sehr unerwünscht ist.

    Ähnlich ist der Fall bei der     Schmierung    von Dampf  turbinen und grossen     Dieselmotoren,    bei denen sich zu  folge der Erwärmung des Ölstromes die Viskosität und  in gleichem Verhältnis auch der Schmierwert des Öls       verringert.     



  Sämtliche Stoffe hoher Viskosität verhalten sich,  im Falle von Wärmeaustausch, dem Öl ähnlich.  



  Gewisse Flüssigkeiten und Gase verfügen, unab  hängig von ihrer Viskosität, über eine ebenfalls sehr    niedrige     Wärmeübergangszahl,    was sich vor allem bei  der Kühlung in einer schädlichen Wirkung bemerkbar  macht.  



  Die Erfindung bezweckt die Beseitigung der oben  umschriebenen Nachteile. Der vorgeschlagene     Turbu-          lenzstrom-Wärmeaustauscher,    bei welchem zwei Wärme  austauschmittel voneinander getrennt im Inneren eines  Gehäuses strömen,     ist    dadurch gekennzeichnet, dass in  diesem Gehäuse wenigstens zwei     schraubenlinienförmige     Führungsorgane so dicht     ineinander    angeordnet sind,  dass das eine um diese Organe strömende Mittel mehr  mals     umgelenkt    wird.  



  Vorzugsweise     können    die Führungsorgane hohl     sein     und eines der Mittel leiten.  



  Ferner kann mit Vorteil im     zylindrischen    Gehäuse  ein ebenfalls zylindrischer Kern angeordnet sein, und  die     schraubenlinienförmigen    Führungsorgane können. im  Ringraum zwischen dem Gehäuse und dem Kern an  geordnet sein.  



  Endlich können die Führungsorgane vorzugsweise  sich einander kreuzend ausgeführt sein.  



  Die Erfindung wird nachstehend mit Hilfe von auf       beiliegenden    Zeichnungen dargestellten Ausführungs  beispielen näher erläutert, und zwar zeigen:       Fig.    1 einen     Wärmeaustauscher,    der in     eine    Rohr  leitung     eingefügt    werden kann und mit fortlaufend an  geordneten schraubenlinienförmigen Führungsorganen  versehen ist,       Fig.    2 eine Variante von     Fig.    1, wobei das     eine     Medium in der Querrichtung angeschlossen ist, und       Fig.    3 eine weitere Ausführungsform.  



  Die aus sehr wenigen Bestandteilen zusammen  gesetzte Ausführungsform nach     Fig.    1 ermöglicht einen  einfachen Einbau in jede gerade Rohrleitung. Der An  schluss kann mittels eines Flansches, einer Muffe oder  durch     Schweissung    erfolgen. Das Gehäuse 1 von zylin  drischer Form ist an beiden Enden kegelförmig; die  Kegel setzen sich in einen     Anschlussstutzen    1 a fort,  welcher mit dem     zylindrischen    Körper koaxial ist.

   In  der Mitte des Gehäuses ist ein zylindrischer Kern 2      mit     kegeligen    oder     runden    Enden     angeordnet    und hat  die Bestimmung, das     in        Pfeilrichtung    strömende Me  dium A, welches häufig von niedrigem     a-Wert    ist, zwi  schen die     schraubenlinienförmigen        Führungsorgane    3,  4 zu     drängen.        Zwischen    dem Kern und dem Gehäuse  sind die     schraubenlinienförmigen        Führungsorgane    3 und  4 angeordnet,

   welche die eigentliche     Wärmeüber-          tragungsfläche    bilden und aus     geeignetem    Werkstoff,  z. B. aus     Kupfer    oder     womöglich    aus einem korrosions  festen Material, gefertigt werden. Im allgemeinen  strömt in diese     ein        Kühlmittel    von hohem     a-Wert.    Die  inneren     Führungsorgane    3 sind als Rohr ausgebildet  und mit mehreren engen     Windungen    auf dien Kern 2  gewickelt.

   Die äusseren     Führungsorgane    4 bestehen  ebenfalls aus     einem    Rohr, welches mit mehreren engen       Windungen    auf das     innere    Rohr 3     in    entgegengesetzter  Richtung aufgewickelt ist. Die beiden Rohre 3 und 4  können     hintereinander    oder parallel geschaltet werden.  Das äussere Rohr 4     ist    derart gestaltet und     angeordnet,     dass dessen     einzelne        Windungen    die     darunter    befind  lichen Windungen des Rohres 3 kreuzen.

   Durch diese  Anordnung wird gesichert, dass das in den     Wärme-          austauscher    eintretende     Medium.    A von     niedrigem        a-Wert          gezwungen        wird,    zwischen den Windungen des Rohres  3 durchzuströmen, und zwar zwischen den     inneren     Rohrwindungen, welche das Medium in     beinahe    senk  rechter Richtung ablenkt und in     Querrichtung    auf die  äusseren Windungen 4 leitet.  



  Da die zwischen den Windungen sich bewegenden  Strömungen     miteinander        frei    in Berührung     kommen,     ist es zufolge dieses Umstandes und der     Anordnung     der Rohre gesichert, dass die einander kreuzenden     Flüs-          sigkeits-    oder Gasströme selbst bei     einer    geringen Strö  mung eine Turbulenz verursachen, die während der  ganzen     Durchströmung    des     Wärmeaustauschers    bei  behalten bleibt.

   Die Steigungen und     Abstände    der Win  dungen voneinander bei dem     inneren    bzw. dem äusseren  Rohr erfordern keine     Regelmässigkeit    bzw. Gleichheit;  das     Wesen        ist    die Sicherung der     Durchmisehung    und  Turbulenz bei jedem der beiden     Mitteln,        also    sowohl  innerhalb wie auch ausserhalb der Rohre. Der Kern 2  selber kann auch aus     Rohrwindungen    bestehen, in wel  chem Falle die     Durchströmung    jedes der Mittel in drei  Schichten stattfindet.

   Diese Bauart     kann    mit sehr gutem       Ergebnis    bei ölbetätigten, hydraulischen     Maschüven    ver  wendet und     in    den     Ölkreislauf        eingefügt    werden.

   Das  selbe gilt für Dampfturbinen und grosse     Dieselmotoren.     Die erfolgreiche     Anwendung    ist nicht nur demjenigen       Umstand    zu verdanken, dass die     Kühlung    sehr     intensiv     ist, sondern auch demjenigen, dass die     Verbindung    mit  der Leitung einfach und der     Rauminhalt    äusserst ge  ring     ist.    Bei diesem     Wärmeaustauscher    beträgt das auf  eine Einheit der     Wärmeübertragungsfläche    entfallende  Volumen etwa 1/3     bis        1/.1    desjenigen der bisher bekann  ten,

       klassischen        Wärmeaustauscher.    Zufolge     seines    ge  ringen Umfanges kann die Vorrichtung in einem kleinen  Raum     innerhalb    von     Maschinen    und Fahrzeugen  untergebracht werden. Sein guter Wirkungsgrad ermög  licht ferner     eine    äusserst     vorteilhafte    Anwendung in  wasserarmen Gebieten.  



  Bei der     Alternative    nach     Fig.    2 kann der Kern  fortfallen und durch ein gerades Rohr 5 ersetzt werden,  welches ebenfalls einen Teil der     Wärmeübertragungs-          fläche        bildet.    Bei dieser Ausführungsform wird die       Wärmeübertrabwngsfläche    nicht durch zwei,

   sondern  durch mehrere     Rohrwindungen        gebildet.    Selbstverständ  lich bilden die Rohrreihen auch hier enge Windungen    mit     einander    entgegengesetztem Wicklungssinn und sind       einzeln    an der     kegeligen    Rohrwand 6     hinausgeführt.          Fig.    2 stellt die     eine        Hälfte    des     symmetrischen    Appa  rates dar.

   Beiderseitige     Rohrenden    der Rohre 3 sind  an der     kegeligen        Rohrwand    6 befestigt und umschlie  ssen - zusammen mit den das Ende des Gehäuses 1       abschliessenden    Endwänden -     j,e        einen        Verteilerraum     an den Enden des     Wärmeaustauschers.    Das Medium B,  das durch das in die     Endwand    7 mündende Rohr 7a  fliesst, verteilt sich in     diesem    Raum und passiert die       Windungen    des Rohres 3,

       in    welchen es selber auch  zur     Turbulenzströmung    gezwungen wird. Das Medium  A, welches gleichzeitig durch die an den Mantel des  Gehäuses 1 anliegende Windung des Rohres. 3     hin-          einfliesst,    verteilt sich     zwischen    den Windungen des  Rohrsystems 3, passiert dasselbe, indem es ebenfalls  zu     Turbulenzströmung    gezwungen wird, und tritt über  den Stutzen 1b aus, während das Medium A von nied  rigem     a-Wert    an den Enden des     Wärmeaustauschers          in    der beschriebenen     Weise    hinaus- bzw.

       hineingeführt     wird. Durch     diese    Alternative wird der Aufbau von       Wärmeaustauschern    praktisch unbegrenzter Grösse er  möglicht, da die     Vergrösserung    des     Duchmessers    und  der Länge auf     keinerlei    Schwierigkeiten stösst.  



  Diese     Alternative    eignet sich     vorzüglich    zur An  wendung als Kondensator, zur     kontinuierlichen    Erzeu  gung von Warm- und     Heisswasser,    besonders wo der       Warmwasserverbrauch    hoch     ist    und     kein    geeigneter  Platz zum Einbau von umfangreichen Boilern zur Ver  fügung steht.  



  Die in     Fig.    3 dargestellte     beispielsweise    Ausfüh  rungsalternative ist derart gestaltet, dass     anstatt    der  Rohrwindungen     ein    Band, eventuell     ein    geripptes Band,       eingebaut    ist und das eine     Wärmeübertragungsmittel    im  Kern     und    um den Mantel herum. strömt.

   Diese Kon  struktion erlaubt eine Kühlung oder     Heizung    von Me  dien, die über     einen    äusserst     niedrigen        a-Wert    und  Wärmekapazität verfügen,     mit    sehr hoher     Intensität     durchzuführen.  



  Während bei den früheren     Ausführungsformen    das       Innere    der Rohrsysteme und die ausserhalb des Rohrs  liegenden Räume die Aufnahmeräume der Mittel A  und B bilden, ist bei der Ausführung nach     Fig.    3 das  Innere des Gehäuses 1     in    einer     anderen    Weise     in    die  die beiden Mittel aufnehmenden Räume getrennt.  



  Das das Medium A     einführende    Rohr 8 erweitert  sich zu     einem    Rohr 9 von grösserem Durchmesser und  trommelartiger Form, welches - unter Freilassen eines       kreisringförmigen    Raumes - vom Gehäuse 1 umschlos  sen wird. Seitlich findet die     Einführung    des Mediums  B statt, welches     teilweise    durch das in die Trommel 9  schräg     einmündende    und     entlang    deren Längsachse ver  laufende Rohr 10 geführt wird und sodann am anderen  Ende des Gehäuses austreten kann.

   Um das Rohr 10  herum im     Trommelraum    9 sind     schraubenlinienförmige     Rippen 11     und    auf dem äusseren     Trommelmantel    9       schraubenlinienförmige    Rippen 12     angeordnet,    welche  - zufolge ihres entgegengesetzten     Windungssinnes    - das  die Trommel 9 passierende Mittel A zu Turbulenz  strömung zwingen und gleichzeitig eine     vergrösserte          Wärmeübertrabwngsfläche    für die beiden Mittel bilden.  



  Diese Alternative eignet sich vor allem zur Kühlung  und     Heizung    von Gasen dort, wo die     Abscheidung    der  Gase mittels der     Kondensations-    oder     Ausfrier-Methode          durchgeführt        wird.     



  Auch die Leistung der     Wärmeaustauscher    nach       Fig.    1 und 2 kann mittels der Kombinationsanwen-      Jung der in     Fig.    3 dargestellten     schraubenlinienför-          migen        Rippen    erhöht werden oder auch in der Weise,  dass die Rohre 3 bzw. 4 in gerippter Ausführung an  gewandt werden.  



  Im eben beschriebenen     Wärmeaustauscher    wird  durch die erzwungene     Turbulenzströmung    die Gefahr  des     Anhaftens    von     Flüssigkeitspartikeln    an den Wän  den ausgeschaltet, so dass keine unbeweglichen Schich  ten entlang den     Rohrwänden    entstehen können.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Turbulenzstrom-Wärmeaustauscher, bei welchem zwei Wärmeaustauschmittel voneinander getrennt im Inneren eines Gehäuses strömen, dadurch gekennzeich net, dass in diesem Gehäuse (1) wenigstens zwei schrau- benlinienförmige Führungsorgane (3, 4) so dicht inein- ander angeordnet sind, dass das eine um diese Organe strömende Mittel mehrmals umgelenkt wird. UNTERANSPRÜCHE 1. Turbulenzstrom-Wärmeaustauscher nach Patent anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungs organe (3, 4) hohl sind und eines der Mittel leiten.

   2. Turbulenzstrom-Wärmeaustauscher nach Patent anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass im zylindrischen Gehäuse (1) ein mittlerer, ebenfalls zylindrischer Kern (2) angeordnet ist und die schraubenlinienförmigen Führungsorgane (3, 4) im Ringraum zwischen dem Gehäuse und dem Kern angeordnet sind. 3. Turbulenzstrom-Wärmeaustauscher nach Patent anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungs organe sich einander kreuzend ausgeführt sind.