Wärmeaustauschvorrichtung Die Erfindung betrifft eine Wärmeaustauschvorrich- tung, die gekennzeichnet ist durch einen aus einem porösen Körper und einem mit diesem über einen gro ssen Teil der Oberfläche des porösen Körpers verbunde nen undurchlässigen Metallkörper bestehenden Wärme- austauscher, durch erste Fluidumzirkulationsmittel, um ein erstes Fluidum durch den porösen Körper zirkulie ren zu lassen, durch Leitungsmittel, welche durch einen dem porösen Körper benachbarten Teil des Metall körpers gebildet werden,
und durch zweite Fluidumzir- kulationsmittel, um ein zweites Fluidum durch die Lei tungsmittel derart zirkulieren zu lassen, dass das erste und das zweite Fluidum über einen grossen Teil der Oberfläche des porösen Körpers miteinander in Wärme austauschbeziehung stehen, wobei der Metallkörper eine undurchlässige Trennung des ersten vom zweiten Flui dum bewirkt.
Die bekannten Wärmeaustauscher sind meistens mit Rippen, Wellungen und dergleichen versehen, um eine möglichst grosse Oberfläche für ein gegebenes Gewicht des Wärmeaustauschers zu erzielen. Die Wärmeüber- gangsflächen können jedoch erfindungsgemäss erheblich vergrössert werden.
Die Bindung zwischen dem porösen Körper und dem Metallkörper garantiert einen guten Wärmeübergang, während die Strömungskanäle, die teils vom Metallkörper und teils vom porösen Körper be grenzt sind, die Diffusion einer Flüssigkeit durch den porösen Körper hervorrufen, wodurch die grosse innere Oberfläche des porösen Körpers zum Wärmeaustausch herangezogen wird. Wird die Erfindung z.
B. auf ein Kühlsystem angewandt, bei dem der Metallkörper aus einer Platte mit inneren Leitungen besteht, so kann das Strömungsmittel innerhalb des Metallkörpers Wasser und das Strömungsmittel in den Kanälen ein flüssiges Kühlmittel oder ein Kühlmitteldampf sein, je nachdem, ob es sich um die Anwendung als Kondensator oder Verdampfer handelt.
An Hand der beiliegenden Zeichnung werden nach folgend Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise beschrieben. Fig. 1 zeigt eine Kältemaschine mit einer einen plat- tenförmigen Kondensator aufweisenden Wärmeaus tauschvorrichtung nach der Erfindung im Schnitt.
Fig. 2 zeigt eine Ansicht des Kondensators nach Fig. 1, teilweise aufgebrochen.
Fig. 3 zeigt in grösserem Massstab einen Teil einer Ausführungsform des Wärmeaustauschers der Wärme austauschvorrichtung nach Fig. 1.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform des Wärmeaustauschers für drei Fluiden im Schnitt.
Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform des Wärmeaus- tauschers für die chemische Reaktion zwischen zwei oder mehr flüssigen oder gasförmigen Medien mit gleich zeitigem Wärmeaustausch.
Fig. 6 zeigt eine gekühlte Kokille zum Stranggiessen von Metall.
Der in Fig. 1 und 2 dargestellte geschlossene Kom pressor 120 bekannter Bauart empfängt über eine Lei tung 121 den Kühlmitteldampf, der aus einem Ver dampfer 150 bekannter Art stammt. Der Kompressor drückt den verdichteten Kühlmitteldampf durch die Lei tung 122 in einen Kondensator 123. Der Kondensator enthält Gehäuseteile 124 und<B>125,</B> die beispielsweise durch Schrauben 129 zusammengehalten werden. Die Gehäuseteile 124 und 125 begrenzen Kondensatorkam- mern 126 und 127, zwischen denen sich ein Wärme tauscher 128 befindet. Dieser besitzt eine poröse Platte 130, deren beide Aussenflächen mit der ebenen Fläche je eines Blechteils verbunden sind.
Jeder Blechteil be steht aus einer Platte 131 mit inneren Leitungen, die sich nach aussen in Ausbuchtungen 132 bemerkbar ma chen, welche nur an der Aussenfläche der Platte 131 verlaufen. Über Ein- und Auslässe 133 und 134 wird Kühlwasser zu den Leitungen innerhalb der Ausbuch tungen 132 zugeführt und abgeführt. Eine Verbindung zwischen den Kammern 126 und 127 besteht mittels der Löcher 135 in den Platten 131. Beim Übergang von der Kammer 126 zur Kammer 127 kondensiert das komprimierte Kältemittel und gelangt über die Leitung 136 in den Verdampfer 150.
Der Wärmeübergang einer solchen Anordnung kann durch Anwendung einer Anordnung nach Fig. 3 ver bessert werden. Sie besteht aus einer porösen Sinter platte 137, die mit einem Blechteil 138 verbunden ist, welcher mit Ausbuchtungen versehen ist, so dass sich Strömungskanäle 139 ergeben. Die Strömungskanäle ha ben näherungsweise eine Breite A und sind getrennt durch Stege 147 von der Breite B, während die poröse Platte 137 die Dicke C hat.
Das eine Strömungsmittel soll beispielsweise in Berührung mit dem ganzen Blech teil auf seiner dem porösen Körper abgewandten Seite sein, und das andere Strömungsmittel soll Berührung mit der Sinterplatte auf ihrer Aussenfläche und auf ihrer durch die Poren definierten inneren Oberfläche haben und sich ferner innerhalb der Strömungskanäle 139 zwi schen dem Metallteil 138 und der porösen Platte 137 befinden. Es tritt also ein Wärmeaustausch auf, weil das erste Strömungsmittel den Blechteil 138 erwärmt bzw. kühlt, der seinerseits Wärme auf die Sinterplatte <B>137</B> überträgt.
Dieser Sinterkörper hat seinerseits eine für poröse Körper charakteristische grosse spezifische Oberfläche, mit der das zweite Strömungsmittel in Be rührung steht. Wenn es also aus den Strömungskanälen <B>139</B> nach aussen oder von der Aussenfläche des porösen Körpers nach innen in die Kanäle 139 strömt, nimmt es rasch die von dem ersten Strömungsmittel übertragene Wärme an. Bekanntlich nimmt die Wärmeleitfähigkeit eines porösen Körpers ab, wenn die Porenfläche und damit die aktive Wärmeübergangsfläche zunimmt.
Je grösser also bei dieser Anordnung der Gewinn aufgrund der vergrösserten Oberfläche ist, desto grösser ist auch die Verringerung der Wärmeleitung. Ferner wird der Wärmeübergang in das durch die poröse Schicht strömende Mittel auch durch die Strömungsgeschwindig keit beeinflusst, die ihrerseits vom Druckabfall quer zu dem porösen Körper abhängt. Es wurde gefunden, dass die Anordnung nach Fig. 3 den besten Wärmeaustausch ergibt, wenn die Dicke C der porösen Platte etwa die Hälfte der Breite B zwischen den Strömungskanälen 139 beträgt und wenn die Breite A der Kanäle 139 etwa ebenso gross ist wie die Breite der Abstände B zwischen den Kanälen.
Diese Beziehung gilt nicht nur für die gezeigte einfache Ausführungsform, sondern auch für komplizierte Leitungsnetze für jeden einzelnen Teil der selben.
Eine Anwendung der Erfindung auf den Wärme übergang zwischen drei Strömungsmitteln ist in Fig. 4 gezeigt. Ein Blechteil 140 ist wieder mit einem System innerer Leitungen 141 versehen und wärmeleitend mit einer Sinterplatte 142 verbunden, die auf den Scheiteln der betreffenden Ausbuchtungen aufliegt. An den Rän dern des Blechteils 140 sind Schienen 143 mit U-förmi- gem Querschnitt angebracht. So ergeben sich Strö mungskanäle 144 zwischen den einander zugekehrten Flächen des porösen Körpers 142 und des Blechteils 140 für ein zweites Strömungsmittel.
Auf der anderen Seite des Blechteils 140 ist ein Trog 145 mit nach innen weisenden Flanschen 146 befestigt und dient zum Durchleiten eines dritten Strömungsmittels.
Eine Anwendung der Erfindung auf die chemische Reaktion zweier oder mehrerer flüssiger oder gasför miger Substanzen ist in Fig. 5 dargestellt. Ein Blechteil 250, der Leitungen 251 enthält, ist in der oben beschrie benen Weise derart metallisch mit einer porösen Platte 252 verbunden, dass nur die Scheitel 253 der Leitungen 251 die poröse Platte 252 berühren und mit ihr ver bunden sind, so dass an den nicht verbundenen Stellen ein Netz von Kanälen 254 gebildet wird, die zwischen dem Blechteil und der porösen Platte verlaufen. Statt eines Blechteils mit inneren Leitungen 251 könnte na türlich auch wieder eine der früher beschriebenen Kon struktionen gewählt werden.
Der aus dem Blechteil 250 und der porösen Platte 252 gebildete Bauteil 255 ist bei dieser Anwendung gegenüber einem zweiten gleichartigen Bauteil 256 an geordnet, der beispielsweise aus einer gewellten Blech tafel 257 mit Vertiefungen 258 und Erhebungen 259 besteht, deren Erhebungen 259 metallisch mit einer porösen Platte 260 verbunden sind.
Im Betrieb wird ein Strömungsmittel durch die Lei tungen 251 geführt. Dieses Strömungsmittel hat eine genau festgelegte Temperatur, die dem Bauteil 255 und damit einem zweiten Strömungsmittel mitgeteilt werden soll, das seinerseits durch die Kanäle 254 in die poröse Schicht 252 und durch die letztere in den Raum zwi schen den beiden Bauteilen 255 und 256 strömt. Ein drittes Strömungsmittel fliesst durch die Kanäle 258 im Bauteil 256 und durchdringt die poröse Platte 260, so dass es in den gleichen Raum zwischen den beiden Bauteilen 255 und 256 gelangt. Das zweite und das dritte Strömungsmittel vermischen sich also innig und gleichmässig im ganzen Bereich zwischen den Bauteilen 255 und 256.
Die Strömungsgeschwindigkeit durch die porösen Platten lässt sich nicht nur in der bekannten Weise durch Drosseln, sondern auch durch die Wahl der Porosität der beiden Platten sowie durch den Ge gendruck regeln, der sich in den Kanälen 251 und 258 infolge des Strömungswiderstandes im Zwischenraum der beiden Bauteile 255 und 256 aufbaut. Dieser Gegen druck hängt unter anderem vom Abstand zwischen den beiden Bauteilen ab. Dieser Abstand kann bei einem ausgeführten Gerät konstant sein oder auf mechani schem oder hydraulischem Wege veränderbar gemacht werden.
Die beiden Strömungsmittel, die aus den Bauteilen 255 und 256 austreten, mischen sich innig und werden im gleichen Umfang abgeführt, wie frische Mengen der betreffenden Strömungsmittel in die Zuführungskanäle 251 und 258 einfliessen. Es ergibt sich also ein ständiger Transport eines Gemischs. Das erste Strömungsmittel, das in den Leitungen 251 umläuft, dient zur Regelung der Temperatur des zweiten Strömungsmittels und da durch auch der Temperatur der erzeugten Mischung.
Wenn diese Temperaturregelung ungenügend ist oder wenn aus Gründen einer sicheren und wirksamen Ver mischung der beiden Strömungsmittel eine zusätzliche Temperaturregelung erforderlich erscheint, so kann auch der Bauteil 256 in gleicher Weise wie der Bauteil 255 derart ausgebildet werden, dass er innere Leitungen in dem Blechteil 257 erhält, worin ein viertes Strömungs mittel umlaufen kann.
Das soeben beschriebene Gerät ist besonders vorteil haft zur stetigen Vermischung von Strömungsmitteln, die eine exotherme Reaktion miteinander eingehen, da in diesem Falle die von der Reaktion erzeugte Wärme von einem in den Leitungen umlaufenden Kühlmittel abgeführt werden kann.
Eine weitere Anwendungsmöglichkeit der Erfindung wird anhand der Fig. 6 beschrieben. Es handelt sich um eine gekühlte Kokille zum Stranggiessen von Metall. Es ist bekannt, dass beim Stranggiessen von Metallen wie Kupfer und insbesondere Stahl die gekühlte Kokille, durch welche das Metall gegossen wird, im allgemeinen geschmiert werden muss, um ein Anhaften der frisch gekühlten Gusshaut zu verhindern. Ausser durch die Schmierung wird das Anhaften auch auf mechanischem Wege, z.
B. durch Schwingbewegungen und Rüttelung der Kokille, verhindert. Trotzdem ist es sehr schwierig, das Schmiermittel stetig und störungsfrei zuzuführen, insbesondere beim Stranggiessen von Stahl. Hier kann die Erfindung eine erhebliche Verbesserung bringen. Das Schmiermittel wird durch einen porösen Körper gepresst und gleichzeitig ein Kühlmittel durch die in dem Blech teil befindlichen Leitungen geführt. Der Schmiermittel druck wird vorzugsweise so geregelt, dass sich ein Gleich gewicht mit dem statischen Giessdruck des Metalls er gibt, so dass ein stabiler Trennfilm aufrechterhalten wird.
Bei der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform wird eine vertikale, beiderseits offene Kokille 270 aus einem porösen Körper 271 gebildet, der mit den Schei teln 272 der Leitungen 273 verbunden ist, welche sich in einem festen Blechteil 274 befinden. Die Leitungen 273 sind durch eine Querleitung 275 verbunden und werden von einem Kühlmittel durchströmt, das mittels eines Einlassrohres 276 der Querleitung 275 zugeführt wird und über ein Auslassrohr 277 abströmen kann. Das Schmiermittel wird der Kokille über ein Einlass- rohr 278 zugeführt, das zu einem Verteilerrohr 279 führt.
Von dort gelangt es in die Kanäle 280 durch Zu führstutzen 281, die an geeigneten Stellen des Blech teils 274 angebracht sind. Das unter Druck stehende Schmiermittel wird dann aus den Kanälen 280 durch den. porösen, Körper 271 auf die Arbeitsfläche 282 ge drückt, um dort den gewünschten Trenneffekt beim Stranggiessen auszuüben.
Der erfindungsgemässe Wärmeaustauscher findet fer ner besondere Anwendungen für chemische Reaktionen durch Ausbildung des porösen Körpers derart, dass er einen Katalysator für die betreffende Reaktion enthält oder aus einem solchen besteht. Bekanntlich wirken viele Metalle, z. B. Kupfer, Nickel oder Eisen, sowie nicht metallische Stoffe, wie Aluminiumoxyd, in zahlreichen Reaktionen als Katalysatoren. Bei den meisten dieser Reaktionen ist es wesentlich, dass die Substanzen, welche die Reaktion eingehen sollen, in gleichmässigem Strom und mit gleichmässiger Verteilung in Berührung mit dem Katalysator kommen.
Bei vielen dieser Reaktionen ist es auch erforderlich, eine oder mehrere der zur Reak tion kommenden Substanzen vorzuwärmen, und häufig ist es notwendig, bestimmte Drücke während bestimm ter Abschnitte der Reaktion aufrechtzuerhalten. Diese Aufgaben lassen sich mit dem erfindungsgemässen Wärmeaustauscher in einfacher Weise lösen. Mittels der Strömungskanäle lassen sich die Verteilung von Strö mungsmitteln und die Strömungsgeschwindigkeiten über grosse Flächen genau regeln. Diese Anwendungsmöglich keit des erfindungsgemässen Wärmeaustauschers lässt sich noch besser für katalytische Reaktionen verwenden, wenn der poröse Körper noch einen entsprechenden Katalysator enthält. Die Reaktionstemperatur kann durch Kühlung bzw.
Erwärmung mittels eines Strö mungsmittels, das in den geschlossenen Leitungen um Iäuft, geregelt werden.
Eine besonders wirksame Reaktionsvorrichtung kann gebaut werden, wenn ähnlich wie in Fig. 5 zwei Bauteile parallel zueinander gegenüberstehend angeord- net werden. Soll z. B. eine Reaktion zwischen zwei Flüssigkeiten stattfinden, so lässt man eine von diesen durch die Kanäle des einen Bauteils und die andere durch die Kanäle des zweiten Bauteils fliessen, woraus sie mit gleichmässiger Geschwindigkeit und gleichmässig verteilt an den Oberflächen der porösen Platten aus treten. Im Raum zwischen den beiden Teilen ergibt sich eine innige Mischung der beiden Flüssigkeiten, wobei eine oder beide poröse Platten einen Katalysator enthal ten können. Die Reaktionsprodukte können beispiels weise abgepumpt werden.
So kann die Reaktion konti nuierlich vor sich gehen und gegebenenfalls durch ent sprechende Temperaturregelung in der oben erwähnten Weise unterstützt werden. Bei entsprechender Einstel lung der Strömungsgeschwindigkeit und Ausnutzung der rauhen Oberfläche der Sintermetalle lässt sich eine tur bulente Strömung der reagierenden Flüssigkeiten errei chen, wodurch die Vermischung und der Wärmeüber gang verbessert werden.
Auch zur Destillation lässt sich der erfindungsge mässe Wärmeaustauscher vorteilhaft anwenden. Das gilt insbesondere für die Konstruktion von Fraktioniertür- men, die bekanntlich eine Reihe von Böden enthalten, welche manchmal als sogenannte Glockenböden ausge bildet sind, und in anderen Fällen eine Packung aus vielschichtigem gewelltem Maschendraht enthalten.