-
Einrichtung zum Erwärmen oder Kühlen von flüssigen oder gasförmigen
Medien Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Erwärmen oder Kühlen
von flüssigen oder gasförmigen Medien, bei der das Medium mittels einer Pumpe bzw.
eines Gebläses durch einen von Heiz-bzw. Kühlgas durchströmten Wärmeaustauscher
geschickt wird. Dieser besteht aus koaxialen Zylindern, wobei die zwischen den Zylindern
befindlichen Rin,-, räume an ihren Enden paarweise derart miteinander verbunden
sind, daß ein außen an die Pumpe bzw. das Gebläse und innen an einen Mediumauslaß
angeschlossener durchgehender Mediumkanal und ein innen mit dem Heiz- bzw. Kühlgas
belieferter und außen an einen Gasabzug angeschlossener durchgehender Gaskanal gebildet
werden. Der Mediumkanal und der Gaskanal grenzen in den Ringräumen jeweils mindestens
entlang einer Zylinderwand aneinander an.
-
Zu dem einen durchgehenden Kanal gehörende Ringräume, zwischen denen
sich ein zu dem anderen durchgehenden Kanal gehörender Ringraum befindet, sind über
Verbindungskanäle miteinander verbunden, die den dazwischenliegenden Ringraum entweder
stirnseitig umgehen oder radial durchqueren. Die Umgehungskanäle sind durch eine
den dazwischen befindlichen Ringraum stirnseitig abschließende Wand und eine stirnaußenseitig
im Abstand vor dieser angeordnete Abschlußwand zwischen dem äußersten und dem innersten
Zylinder der zu verbindenden Ringräume begrenzt.
-
Bei den bekannten Einrichtungen der vorstehend beschriebenen Bauart
sind in den Ringräumen zwischen den Zylindern keinerlei Leit- und Heizwände vorgesehen.
Das zu behandelnde Medium, das dort Luft ist, und das Heizgas durchströmen die Ringräume
parallel zur Längsachse der Zylinder. Dadurch kommt es an den Verbindungen von einem
Ringraum zum anderen zu einer scharfen Umlenkung der Strömung, die zwangläufig eine
Stauung herbeiführt. Die Stauungen an den Umlenkstellen in dem Luftkanal bedingen
ein Gebläse großer Leistung und damit einen hohen Energieverbrauch, während die
Stauungen an den Umlenkungen im Gaskanal einen Kamin mit sehr starkem Zug erfordern,
der in der Praxis selten zur Verfügung steht. Mit einem Kamin, dessen Zug in normalen
Grenzen liegt, sind die bekannten Einrichtungen entweder nur mit einem weiteren
Gebläse am Ausgang des Gaskanals verwendbar, oder es muß dem letzteren ein sehr
großer Querschnitt gegeben werden, der sehr große Gesamtabmessungen der betreffenden
Einrichtung bedingt und zwangläufig auch zu einer schlechten Ausnutzung der in den
Gasen vorhandenen Wärmeenergie führt, weil das Verhältnis von Querschnitt zu Umfang
des Gaskanals in diesem Fall groß, d. h. ungünstig ist.
-
Es ist auch bereits für sich bekannt, in die Ringräume von Heiz- bzw.
Kühleinrichtungen mit aus koaxialen Zylindern bestehenden Wärmeaustauschern radial
sowie bezüglich der Zylinderlängsachse schraubenlinienförmig verlaufende Leit- und
Heizwände einzubauen. Diese schraubenlinienförmigen Leit- und Heizwände vergrößern
die Länge des von dem Gas bzw. Medium durchströmten Kanals bei gleichbleibender
Länge der Einrichtung. Allerdings haben solche schraubenlinienförmigen Heiz- und
Leitwände bisher nur in Ringräumen Verwendung gefunden, die nicht von einem Kanal
durchquert sind, der zwei beiderseits des betreffenden Ringraumes angeordnete weitere
Ringräume, die zu einem anderen durchgehenden Kanal gehören, miteinander verbindet.
Eine solche Verwendung verbot sich bisher deswegen, weil für die bekannten Durchquerungskanäle
bisher ausschließlich Rohre von rundem oder viereckigem Querschnitt zur Anwendung
gelangten. Solche Rohre stören in einem axial durchströmten Ringraum ohne die besagten
schraubenlinienförmig verlaufenden Leit- und Heizwände wenig. In einem aber durch
solche Wände gebildeten schraubenlinienförmigen. Kanal, der im Vergleich zum axial
durchströmten Ringraum zwangläufig eine erheblich kleinere Breite senkrecht zur
Strömungsrichtung aufweist, würden sie zu ganz erheblichen Stauungen führen, weil
sie selbst einen verhältnismäßig großen Querschnitt haben müssen, um ihre eigene
Funktion, den Transport des Gases oder Mediums von einem Ringraum in den in radialer
Richtung übernächsten, richtig durchführen zu können. Aus diesem Grund hat man es
bisher unterlassen, die an sich vorteilhaften schraubenlinienförmigen Heiz- und
Leitwände auch in Ringräumen zu verwenden, durch die ein die beiden
benachbarten
Ringräume verbindender Verbindungskanal hindurchgeht, wie dies bei den Einrichtungen
von der der Erfindung zugrunde liegenden Gattung der Fall ist. Die Maßnahme, das
zu behandelnde Medium und das Heiz- bzw. Kühlmittel schraubenlinienförmig in koaxialen
Zylindern zu führen, ist für sich bisher nur bei parallel durchströmten Ringräumen
angewendet worden.
-
Es wurde nun gefunden, daß sich eine einschneidende weitere Verbesserung
des Gesamtwirkungsgrades von Einrichtungen dieser Gattung dann erreichen läßt, wenn
der Strömungsweg durch schraubenlinienförmige Leitwände in den Ringräumen beider
durchgehenden Kanäle verlängert und zusätzlich dazu auch noch der durch den längeren
Weg bedingte erhöhte Strömungswiderstand durch weitgehende Vermeidung von Stauungen
an den Verbindungen der Ringräume untereinander ausgeglichen, ja möglichst sogar
mehr als ausgeglichen wird. Nur wenn beide Kanäle lang sind, der Strömungswiderstand
in beiden Kanälen jedoch gering ist und in beiden Kanälen die einzelnen Ringräume
der Reihe nach, d. h. also nach dem Prinzip der reinen Serienströmung, durchflossen
werden, ergibt sich ein optimaler Wirkungsgrad und zusätzlich dazu auch noch der
erwünschte, raumsparende Aufbau.
-
Das vorstehende Optimum ist noch bei keiner der bekannten Einrichtungen
realisiert. Es wird erstmalig mit der Erfindung erzielt, und zwar durch die erfindungsgemäße
Kombination folgender Merkmale, für die ausschließlich Schutz begehrt wird: a) daß
in an sich bekannter Weise sowohl in den Ringräumen des Gaskanals als auch in den
Ringräumen des Mediumkanals sich zwischen den Zylindern erstreckende radial sowie
bezüglich der Zylinderlängsachse schraubenlinienförmig verlaufende Leit- und Heizwände
derart angeordnet sind, daß sie mit den an sie angrenzenden Zylinderwänden sich
von einer Stirnseite des Ringraumes zur anderen erstreckende schraubenlinienförmige
Kanäle schaffen, und b) die Durchquerungskanäle die Form von schraubenlinienförmig
verlaufenden Schlitzen haben, deren Seitenwände aus der einen bzw. anderen Wand
eines doppelwandig ausgebildeten Abschnittes der Leit- und Heizwand in dem dazwischen
befindlichen Ringraum bestehen.
-
Die erfindungsgemäße Ausbildung der Durchquerungskanäle schafft die
Voraussetzung zur erstmaligen Verwendung von schraubenlinienförmig verlaufenden
Heiz- und Leitwänden in den Ringräumen beider im Wärmeaustausch stehenden Kanäle.
Es erhalten so beide Kanäle bei klein bleibender Gesamtlänge der Einrichtung eine
große Länge mit dem geforderten geringen Strömungswiderstand. Dies ist die Ursache
für das überraschend gute Leistungsvermögen und den erstaunlich niedrigen Gesamtenergieverbrauch,
die bei den erfindungsgemäßen Einrichtungen mit Kaminen, deren Zug sich in den normalen
Grenzen hält, erzielbar sind.
-
Vorzugsweise wird die erfindungsgemäße Einrichtung so ausgebildet,
daß in an sich bekannter Weise der von dem innersten Zylinder umschlossene Raum
des Wärmeaustauschers als Feuer- oder Kühlraum zur Erzeugung des Heiz- bzw. Kühlgases
dient. Die vorstehende Maßnahme ist insofern günstig, als der kälteste bzw. heißeste
Raum der erfindungsgemäßen Einrichtung sich weitgehend Geschützt im Inneren befindet,
während außen die Temperatur wesentlich näher bei der Umgebungstemperatur liegt,
wie dies erwünscht ist.
-
Des weiteren empfiehlt es sich, als Pumpe bzw. Gebläse, wie für sich
bekannt, eine Zentrifugalpumpe bzw. ein Zentrifugalgebläse zu verwenden, die Drehachse
des Pumpen- bzw. Gebläselaufrades mit der Zylinderlängsachse im wesentlichen fluchten
zu lassen und das Laufrad in einem außen an die stirnseitige Abschlußwand des Feuer-
bzw. Kühlraumes angrenzenden Raum unterzubringen, von dem der äußerste Ringraum
des Mediumkanals radial außerhalb des Laufrades abgeht. Diese Ausbildung führt einerseits
zu einer ausgezeichneten Beströmung der wärmemäßig am meisten beanspruchten stirnseitigen
Abschlußwand des Feuer- bzw. Kühlraumes, andererseits aber auch zu einer strömungstechnisch
sehr günstigen Einleitung des von der Pumpe bzw. dem Zentrifugalgebläse geförderten
Mediums in den äußersten Ringraum.
-
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung wird
das Laufrad der Pumpe bzw. des Gebläses direkt vor der stirnseitigen Abschlußwand
des Feuer- bzw. Kühlraumes angeordnet und so ausgebildet, daß das Medium durch den
Nabenteil hindurch angesaugt wird. Dies fördert die gewünschte gleichmäßige Beströmung
der stirnseitigen Abschlußwand des Feuer- bzw. Kühlraumes noch weiter und ergibt
eine Verminderung der wärmebedingten Materialausdehnung.
-
Um zu gewährleisten, daß der Luftspalt zwischen dem Laufrad und der
stirnseitigen Abschlußwand möglichst gering eingestellt werden kann, ohne daß die
Gefahr besteht, daß das Laufrad unter ungünstigen Bedingungen anfängt, an dieser
Wand zu streifen, ist es zweckmäßig, gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung
die Lagerung des Laufrades mit der stirnseitigen Abschlußwand des Feuer- bzw. Kühlraumes
zu verbinden und die Nabe im Rahmen des Dehnungsschubes der Wand axial beweglich
auf der Drehachse zu befestigen.
-
Die Erfindung wird nachstehend an Hand des in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt durch
eine erfindungsgemäße Einrichtung in perspektivischer schematischer Darstellung,
F i g. 2 den unteren Teil der Einrichtung gemäß F i g. 1 im Längsschnitt und F i
g. 3 die Ansicht der Einrichtung gemäß F i g.1 und 2 bei geschnittenem Außenmantel.
-
Die in der Zeichnung dargestellte erfindungsgemäße Einrichtung weist
einen Wärmeaustauscher 1 aus koaxialen Zylindern auf, die zwischen sich Ringkanäle
bilden. Alle Zylinder und Ringkanäle sind um einen Feuer- bzw. Kühlraum 2 angeordnet.
An der einen Stirnseite 3 des Feuer- bzw. Kühlraumes 2 befindet sich
die nicht dargestellte Heizquelle (z. B. ein Ölbrenner) bzw. wird auf dieser Seite
ein Kühlaggregat angeschlossen oder in den Raum 2 eingeschoben.
-
Das in dem Raum 2 erzeugte Heiz- bzw. Kühlgas strömt gegen
die stirnseitige Abschlußwand 4 und wird von dieser senkrecht zur auftreffenden
Strömung über einen Streuwinkel von 360° nach außen umgelenkt, so daß es in den
schmalen Ringraum 5 eintreten
kann. Von hier aus wird es durch
schraubenlinienförmig angeordnete Leit- und Heizwände 6 in dem Ringraum 5 schraubenlinienförmig
weitergeleitet, und es gelangt dann in den Abschnitt 7 des äußersten Ringkanals
und über einen einen schraubenlinienförmig verlaufenden Durchquerungskanal bildenden
Schlitz 8 in eine Ringkammer 9 und von dort in den Ausgangsstutzen 10.
-
Der Schlitz 8 bildet in dem Ringraum 15 bis 19, den er durchquert,
einen Teil der darin befindlichen Leit- und Heizwand 6, der aus zwei im Abstand
befindlichen Wandteilen 20 und 21 besteht.
-
Auf seinem Weg vom Feuer- bzw. Kühlraum 2 zu dem Ausgangsstutzen 10
steht das Heiz- bzw. Kühlgas im Ringraum 7 mit dem die benachbarten Ringräume durchströmenden
zu behandelnden Medium über die Zylindermäntel 11 bzw. 12 im Wärmeaustausch und
gibt seine Wärme über diese Mäntel an das Medium ab bzw. entzieht dem Medium Wärme.
-
Das zu erwärmende bzw. zu kühlende Medium, z. B. eine Flüssigkeit
oder ein Gas, wie Luft, wird von einer Pumpe bzw. einem Gebläse (F i g. 3) angesaugt
und gegen die stirnseitige Abschlußwand 4 des Feuer- bzw. Kühlraumes geleitet, an
der es in der Richtung des Pfeiles 14 umgelenkt wird. Die Umlenkung erfolgt hier
ebenfalls senkrecht zur auftreffenden Strömung über einen Streuwinkel von 360° nach
außen, wobei das Medium dann ebenfalls wieder in einen Ringraum, nämlich den Ringraum
15, einströmt. Das Gebläse ist ein Zentrifugalgebläse, das dem Medium einen Drall
von solcher Richtung verleiht, daß es bereits in der Richtung, in der es der Ringkanal
15 zu leiten vermag, in den letzteren eintritt. Es strömt dann von dort aus schraubenlinienförmig
zunächst um den Zylindermantel 12 herum, wobei es nacheinander die Kanalabschnitte
16,17,18 und 19 durchströmt. Die schraubenlinienförmige Führung des Mediums besorgen
auch in diesem Fall wieder schraubenlinienförmig angeordnete Leit- und Heizwände
6.
-
Durch die Verwendung des einen schraubenlinienförmigen Durchquerungskanals
bildenden Schlitzes 8, der in dem Mediumkanal lediglich als schraubenlinienförmige
Leit- und Heizwand in Erscheinung tritt, wird eine nahezu widerstandslose Kreuzung
der im Wärmeaustausch befindlichen Medien erreicht.
-
Das zu behandelnde Medium gelangt unter Beibehaltung seines bisherigen
Dralles um die Längsachse der Einrichtung aus dem Kanalabschnitt 19 in den weiter
innen liegenden Ringraum 23, wie dies der Pfeil 22 in F i g. 1 und 2 andeutet. Bei
dieser Umlenkung wird die Luftströmung nicht etwa scharf umgelenkt, sondern sie
geht praktisch in der gleichen Strömungshauptrichtung, die ihr der Drall verleiht,
weiter. Von dem Ringkanal 23 aus werden die schraubenlinienförmig verlaufenden Kanalabschnitte
24, 25 und 26 nacheinander durchströmt. Dann erfolgt gemäß dem Pfeil 27 in F i g.
1 und 2 der übergang in den Zylinderraum 28, aus dem das Medium in den Kanalabschnitt
29 und von dort aus gemäß dem Pfeil 30 in den Sammelkanal 31 gelangt, den es in
Richtung des Pfeiles 32 tangential verläßt, um der Verbrauchsstelle zugeführt zu
werden. Das zu behandelnde Medium nimmt somit über die Zylindermäntel 11 und 12
sowie den den Feuer- bzw. Kühlraum umgebenden Zylindermantel aus dem Heiz-bzw. Kühlgas
Wärme auf bzw. gibt Wärme an dieses ab. Die Strömungen in den einzelnen durchgehenden
Kanälen kreuzen einander größtenteils, wobei noch ein Gegenstromeffekt hinzukommt.
-
Natürlich kann die Zahl der Zylindermäntel und damit die Anzahl ringförmiger
mit schraubenlinienförmig verlaufenden Leit- und Heizwänden versehener Ringräume
im Bedarfsfall vermehrt werden.
-
Besonders vorteilhaft ist bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel
der Erfindung die zustande kommende Verwirbelung des zu erwärmenden bzw. zu kühlenden
Mediums an der stirnseitigen Abschlußwand 4, an der die größte Temperaturdifferenz
auftritt. Bei einer Verwendung des Raumes 2 als Feuerraum ist die dann erzielte
Kühlung der Stirnwand 4 von besonderer Bedeutung.
-
Damit es möglich ist, den Spalt 34 zwischen der Stirnwand 4 und dem
Gebläselaufrad 33 willkürlich nach Bedarf einstellen zu können, ist das Gebläselaufrad
33 in axialer Richtung verschiebbar. Auch kann die Nabe 35 des Laufrades 33 derart
mit der Wand 4 verbunden sein, daß die Nabe 35 im Rahmen des Dehnungsschubes der
Wand 4 axial beweglich ist.
-
Das zu behandelnde Medium wird bei dem Gebläse durch den Nabenteil
des Laufrades, das durch die Stege 13 mit der Nabe 35 verbunden ist, hindurch angesaugt
und dann von dem Gebläselaufrad 33 in radialer Richtung nach außen zu weitergefördert.