DE1501500B2 - Waermeaustauscher mit gruppenweise abnehmendem waermeleitvermoegen von waermetauschrippen - Google Patents

Description

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lastungen auf der gesamten Wärmeaustauschfläche elementen der Gruppe I beträgt das Verhältnis von verwirklicht, ohne daß auf der gesamten Fläche das gut wärmeleitendem Metall zu geringer wärmeleitendazu notwendige teure, gut wärmeleitende Metall dem Metall 85 : 15. Hierdurch erhalten die Elemente

verwendet werden muß. Die vorbekannte Verteilung eine ausreichende thermische Leitfähigkeit für die von Metallen mit unterschiedlicher Wärmeleitfähig- 5 höchsten Temperaturen der an den Oberflächenele-

keit über den Rohrumfang hat demgegenüber ledig- menten vorbeistreichenden Verbrennungsgase.

Hch den Sinn, eine möglichst stetige Verdampfung zu Bei den nachfolgenden Gruppen wird das Verhälterzielen. Auch hier liegt eine in Strömungsrichtung nis von gut wärmeleitendem Metall zu geringer wär-

des Fluids bzw. über die Rohrlänge gleichbleibende meleitendem Metall stufenweise vermindert, so daß

Verteilung von wärmeleitfähigem Material vor. io die thermische Leitfähigkeit der Elemente sich in

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind etwa deckt mit der durch die Wärmeabgabe fallenden

in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht und Temperatur der Verbrennungsgase. Solange das ther-

werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt mische Leitvermögen, d. h. ein entsprechend den

F i g. 1 eine geschnittene Teilansicht eines Wärme- Wärmeleitquerschnitten der beiden Metalle gewoge-

austauschers mit erfindungsgemäß ausgebildeten 15 ner mittlerer Lambda-Wert der Elemente, noch aus-

Oberflächenelementen, : reichend groß ist, um die gesamte abgenommene

F i g. 2 einen Schnitt gemäß der Schnittlinie 9-9 Wärme zur Wandung der Wassertrommel zu über-

derFig. 1, tragen, sind die Betriebsbedingungen erfüllt. Um die

F i g. 3 der F i g. 1 ähnliche Darstellung anderer Vorteile der vorliegenden Erfindung bestmöglich zu

Formen von erfindungsgemäßen Oberflächenelemen- 20 nutzen, sollte das Wärmeleitvermögen der Elemente

ten, die Betriebserfordernisse nicht wesentlich übersteigen.

F i g. 4 eine weitere Ausführungsform von erfin- Das Diagramm der F i g. 6 zeigt, wie bei zusam-

dungsgemäßen Oberflächenelementen, mengesetzten Elementen, beispielsweise deren der

Fig. 5 einen Schnitt gemäß der Schnittlinie 14-14 Fig. 1, das Verhältnis von Kupfer zu Eisen gewählt

der F i g. 4 und 25 werden muß, um die auftretenden Temperaturen zu

F i g. 6 ein Diagramm über die gemittelte ther- berücksichtigen und noch einen wirtschaftlichen

mische Leitfähigkeit von Bimetall-Oberflächenele- Nutzen aus der Erfindung zu ziehen. Das Beispiel I

menten mit unterschiedlichen Anteilen von gut und des Diagramms bezieht sich auf Oberflächenelemente

geringer wärmeleitendem Metall. mit 5 mm Außendurchmesser, einem Kupferkern

Bei allen bisher verwendeten vergrößerten Ober- 3° von 4,5 mm Durchmesser und einem 0,25 mm flächen machte man die einzelnen Elemente, ent- dicken Eisenmantel. In diesem Falle beträgt der weder ausschließlich aus hochgradig wärmeleitfähi- Kupfergehalt 82°/o und der Eisengehalt 18%. Nach gem Metall, oder es war bei einer lamellierten Aus- dem Diagramm beträgt der gemittelte Lambda-Wert bildung die Menge des hochgradig wärmeleitenden des Elementes 283 Kcal/m ■ h · ⁰C.
Metalls in allen Elementen gleich groß. 35 Im Beispiel II ist das Verhältnis von Kupfer zu _ Da nur relativ wenig Oberflächenelemente eines Eisen gegenüber dem Beispiel I umgekehrt. In diesem Wärmeaustauschers mit vergrößerter Oberfläche den Falle beträgt der gemittelte Lambda-Wert 94.
höchsten Temperaturen ausgesetzt sind, führt offen- Für andere Verhältnisse von Kupfer zu Eisen läßt sichtlich die Ausbildung sämtlicher Elemente mit sich der gemittelte Lambda-Wert leicht aus dem Diamaximaler Leitfähigkeit zu einem nutzlosen Ver- 4° gramm ablesen.

brauch von hochgradig wärmeleitendem Material. Wenn man die räumliche Anordnung von Kupfer

Hieraus resultiert eine gewaltige Verschwendung, da und Eisen umkehrt, d. h., wenn man Eisen als Kern

Kupfer — welches meistens als hochgradig wärme- und Kupfer als Mantel verwendet, ergibt sich für

leitendes Metall verwendet wird — ganz erheblich das Element keine Änderung des gemittelten

teurer ist als Metall mit geringerer Wärmeleitfähig- 45 Lambda-Wertes. Eine solche Umkehr der Anord-

keit, wie beispielsweise Eisen oder Stahl. nung zeigt die F i g. 3, bei der auch noch eine

Um dem Ziel der Erfindung entsprechend Wärme- Gruppe V vorgesehen ist. In diesem Falle haben die austauscher mit vergrößerter Oberfläche durch Fort- Elemente der Gruppe I die größte Wärmeleitfähigfall unnötiger Verwendung von teurem hochgradig keit; sie bestehen aus massivem Kupfer. Die EIewärmeleitendem Metall in den Oberflächenelementen 5° mente der Gruppe V bestehen aus massivem Eisen zu verbilligen, sind z. B. die der Oberflächenver- und haben dadurch die geringste thermische Leitgrößerung dienenden Elemente in einem Kessel in fähigkeit. Die Elemente der zwischenliegenden Grupvier Gruppen unterteilt. Der einzige Unterschied pen II, III und IV haben Eisenkerne mit stufenweise zwischen diesen verschiedenen Gruppen liegt in ihrer größer werdendem Durchmesser in entsprechend thermischen Leitfähigkeit. Wie diese geschehen kann, 55 dünnwandigeren Kupferumhüllungen,
zeigen beispielsweise die Fig. 1 bis 3. Die größte Die Darstellungen der Fig. 1 bis 3 sind nur als Menge an hochgradig wärmeleitendem Metall ist nur Erläuterungen zu werten; in der Praxis sind wesentin Gruppe I vorhanden; die nachfolgenden Gruppen Hch mehr Oberflächenelemente über den Strömungsenthalten stufenweise geringere Mengen des gut pfad des Fluids verteilt. In allen Fig. 1 bis 3 bewärmeleitenden Metalls. ⁶° zeichnet das Bezugszeichen 22 die die zwei Fluide

Für die gewünschte Abstufung der thermischen trennende Wand, über die der Wärmeaustausch erLeitfähigkeit in den aufeinanderfolgenden Gruppen folgt. Das Bezugszeichen 23 bezeichnet in den F i g. 1 sind gemäß F i g. 1 alle Oberflächenelemente aus Bi- bis 3 einen Wandungsteil, der das Wärmetauschfluid metall hergestellt und bestehen aus einem gut wärme- auf einem bestimmten Pfad über die vorragenden leitenden Kern 19 in einem Mantel 20 aus einem ge- 65 Oberflächenelemente leitet.

ringer wärmeleitenden Metall. Vorzugsweise besteht Wenn auch, wie zuvor erwähnt, bei den Bimetall-

der Kern aus Kupfer oder auch aus Aluminium, wäh- oberflächenclementen Aluminium als gut leitendes

rend der Mantel aus Stahl besteht. Bei den Bimetall- Metall verwendet werden kann, kann selbstverständ-

lieh auch die gewünschte Abstufung der Leitfähigkeit in einer Reihe von Elementen dadurch erhalten werden, daß man neben Kupferkernelementen auch Aluminiumkernelemente verwendet. Es können dann die Elemente mit dem höchsten Wärmeleitwert Kupferkerne aufweisen, während die Elemente mit einer geringeren Leitfähigkeit Aluminiumkerne haben. Da Aluminium wesentlich billiger als Kupfer ist, führt diese Kombination von Kupfer- und Aluminiumkernelementen zu einem erheblichen Kostenvorteil.

Die bisher beschriebenen Ausführungsformen verwendeten als Oberfiächenelemente Stäbe und Drähte. Die Erfindung ist aber nicht auf diese Form der Oberflächenelemente beschränkt. Beispielsweise können die Oberflächenelemente die Gestalt von flachen Fingern 45 haben, wie sie die F i g. 4 und 5 zeigen. Diese Finger lassen sich herstellen, indem man Bimetall-Bandmaterial in zwei kammartige Hälften zerteilt. Das Band kann ein abgeplattetes Röhrchen mit einem Kupferkern 47 und einem Weichstahlmantel 48 sein (F i g. 5). Solche Oberfiächenelemente sind besonders für Rohre geeignet, da die besonders wirkungsvolle fingerartige Kamm-Anordnung leicht wendelförmig um die Rohre gewickelt werden kann, indem man die durchgehenden Randstreifen mit den

ίο Rohren in Berührung bringt und sie dort gut wärmeleitend befestigt. ; .
. Durch die Erfindung können in einzelnen Fällen die Herstellungskosten für Wärmeaustauscher mit vergrößerter Oberfläche um mehr als 50% vermindert werden, ohne in irgendeiner Weise den Wirkungsgrad oder die Arbeitsweise zu beeinträchtigen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1 2 Oberflächenelemente aus demselben Material, unab- Patentansprüche: hängig davon, ob sie im heißesten Teil der Strömung des wärmeabgehenden Fluids liegen oder im kälteren

1. Wärmeaustauscher, bei dem die Trennwand Teil. Im allgemeinen werden die Oberflächenelemente zwischen den im Wärmeaustausch stehenden 5 aus einem Material hergestellt, dessen Wärmeleit-Fluiden mindestens an einer Seite zur Ober- fähigkeit ausreicht, um die im heißesten Teil der Ströflächenvergrößerung vorragende fest verbundene mung anfallende Wärme an das sekundärseitig Oberflächenelemente aufweist, die entlang der sie fließende, wärmeaufnehmende Fluid übertragen zu beaufschlagenden Strömung gruppenweise mit können. Insbesondere bei hochbelasteten Heizflächen entsprechend den sich verringernden War- ao sind zu diesem Zweck gut wärmeleitende Materiametausch-TemperaturdiSerenzen abnehmendem lien, wie beispielsweise Kupfer, notwendig. Aus die-Wärmeleitvermögen ausgestattet sind, dadurch sem Material werden alle Oberflächenelemente ganz gekennzeichnet, daß die Oberflächenele- oder zum Teil hergestellt, wobei je nach Einzelfall mente im wesentlichen mit gleichen Außenab- z. B. ein Kupferkern mit einem Stahlmantel oder ein messungen ausgebildet sind und nur eine Gruppe 15 Stahlkern mit einem Kupfermantel verwendet wird, im heißesten Teil des Strömungspfades aus- Wenn die ganze Heizfläche mit derartigen Oberschließlich aus hochgradig wärmeleitendem Me- flächenelementen bestückt wird, wird sie teuer und tall besteht, während in Strömungsrichtung nachr meistens auch sehr schwer.

folgende Gruppen aus verschiedenen Werkstof- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher,

fen zusammengesetzte Oberflächenelemente auf- 20 die den jeweiligen Wärmeübertragungsverhältnissen weisen, die den sich verringernden Wärmetausch- angepaßte Wärmeaustauschfläche nun bei gleichblei-Temperaturdifferenzen entsprechend eine stufen- benden Strömungsverhältnissen zu verwirklichen und weise abnehmende Menge hochgradig wärmelei- dabei den Verbrauch an teurem, gut wärmeleitfähitenden Metalls und eine zunehmende Menge an gem Metall so gering wie möglich zu halten, ohne den preisgünstigem Material geringerer thermischer 25 Wirkungsgrad der Wärmeaustauschfläche zu verLeitfähigkeit aufweisen. mindern.

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, da- ... Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gedurch gekennzeichnet, daß die mit vermindertem löst, daß bei einem Wärmeaustauscher der einleitend Gehalt an hochgradig wärmeleitendem Metall genannten Art die Oberflächenelemente im wesentausgebildeten Oberflächenelemente das Material 30 liehen mit gleichen Außenabmessungen ausgebildet geringerer thermischer Leitfähigkeit in an sich sind und nur eine Gruppe im heißesten Teil des Ströbekannter Weise als Kern oder Mantel enthalten. mungspfades ausschließlich aus hochgradig wärme-

3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 und 2, leitendem Metall besteht, während in Strömungsrichdadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter. . tung nachfolgende Gruppen aus verschiedenen Werk-Weise die Oberflächenelemente mit einem Man- 35 stoffen zusammengesetzte Oberflächenelemente auftel aus hochgradig wärmebeständigem Metall ver- weisen, die den sich verringernden Wärmetauschsehen sind. Temperaturdifferenzen entsprechend eine stufenweise

4. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 bis 3, abnehmende Menge hochgradig wärmeleitenden Medadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter tails und eine zunehmende Menge an preisgünstigem Weise die Oberflächenelemente als Stäbe oder 40 Material geringerer thermischer Leitfähigkeit aufDrähte ausgebildet sind. . ■, .weisen.

5. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 bis 3, Bekannt ist bei einem Wärmeaustauscher der eindadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter gangs angeführten Gattung (deutsche Patentschrift Weise die .Oberflächenelemente als flache Finger 395 685) die Bestückung von Heizflächen mit Obereines kammartigen Bandes ausgebildet sind, das' 45 flächenelementen unterschiedlicher Materialstärke mit seinem durchgehenden Kammrücken fest mit und Anordnungsdichte zur Anpassung an das jeweils der die Medien trennenden Wand verbunden ist zur Verfugung stehende Wärmeangebot. Die Wärme-(Fig. 12 bis 14). leitfähigkeit von Wärmeaustauschflächen wurde auch

6. Wärmeaustauscher nach Anspruch! bis 5,. :. mit Drahtwendeln unterschiedlicher Dichte dem in dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter 5° einem bestimmten Abschnitt der Wärmeaustausch-Weise als hochgradig wärmeleitendes Metall Kup- fläche zur Verfügung stehenden Wärmeangebot anfer und als Material geringer thermischer Leit- gepaßt (deutsche Patentschrift 1 066 213). Schließfähigkeit Eisen vorgesehen ist. lieh sind auf Wärmeaustauscherrohre auch schon

Rippen aufgebracht worden, die über den Rohrum-55 fang Rippenbereiche mit Werkstoffen unterschied-

licher Wärmeleitfähigkeit aufweisen (französische

^{: :} Patentschrift 1282 095).

■ ..■■■. : Demgegenüber haben die Oberflächenelemente er-

Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher, findungsgemäß eine solche Schichtzusammensetzung, bei dem die Trennwand zwischen den im Wärme- 60 daß bei gleichen Abmessungen der Oberflächeneleaustausch stehenden Fluiden mindestens an einer mente über die gesamte Heizflächenlänge genau die Seite zur Oberflächenvergrößerung vorragende fest am jeweiligen Heizflächenabschnitt im Fluid zur Ververbundene Oberflächenelemente aufweist, die ent- fügung stehende Wärme abgegeben werden kann, lang der sie beaufschlagenden Strömung gruppen- Diese Anpassung ist vorgesehen, ohne daß die Abweise mit entsprechend den sich verringernden 65 messungen der Oberfiächenelementc geändert wer-Wärmetausch-Temperaturdifferenzen abnehmendem den, so daß über die gesamte Heizfläche gleiche Strö-Wärmeleitvermögcn ausgestattet sind. mungsquerschnitte für das Fluid gegeben sind.

Bei derartigen Wärmeaustauschern bestehen alle Außerdem werden hohe spezifische Heizfiächenbe-