DE1551460A1 - Waermetauscher - Google Patents

Description

Patentanwälte
Dipl.-Ing. R. Bsstz u.
Dipl.-Ing. Lamprecht 155 1AGO

München 22, Steinsdorfstr. 10

81-12.063P(1'2.064H) 25.1.1967

H I T A C H I, ITD., Tokyo (Japan)

Wärmetauscher

Die Erfindung betrifft einen. Wärmetauscher mit einem Ventilator, der einem von zwei in gegenseitigem Wärmeaustausch stehenden Medien eine Strömungsbewegung aufzwingt.

Wärmetauscher sind bereits in verschiedenen Formen und für verschiedene Anwendungszwecke bekannt geworden. Eine wegen des hohen. Wirkungsgrades beim Wärmeübergang bevorzugte Stellung nehmen Wärmeaustauscher ein, bei denen, flüssigkeiten durch Luftströmungen, gekühlt werden. Ein typisches Ausführungsbeispiel für einen solchen. Wärmetauscher ist in den !ig. 1 und 2 schematisch veranschaulicht. Wie man aus diesen Figuren ersieht, besitzt dieser Wärmetauscher einen mit Rippen versehenen Abschnitt 4 als eigentlichen Wärmeaustauscher, der aus einer Hehrzahl von wärmeabstrahlenden Rippen 3 besteht, die auf einer leitung 2 befestigt sind, die als Führung für

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eine Flüssigkeit 1 dient und einen Ventilatorabschnitt mit einem Antriebsmotor 5. Bei diesem Typ eines Wärmetauschers wird der Wärmeaustauscherabschnitt 4 durch den Ventilatorabschnitt 6 mit Druckluft gespeist, um den Wärmeübergang von den Rippen 5 der leitung 2 zu vergrößern und damit den Wirkungsgrad der Wärmeübertragung zu verbessern·

Ein derartiger Wärmetauscher ist jedoch nicht nur kostspielig in der Herstellung, da die beiden Abschnitte, der Wärmeaustauscherabschnitt und der Ventilatorabschnitt, getrennt hergestellt werden müssen, sondern nimmt durch die Trennung in die beiden Abschnitte auch einen großen Raum ein. Wärmetauscher dieser Art sind also beispielsweise für Haushaltsklimaanlagen oder für Kraftfahrzeugheizungen, wo die Forderung nach kleiner Größe wesentlich ist, unbrauchbar. Außerdem ist bei einem solchen Aufbau eines Wärmetauschers jeder Versuch, die Strömungsgeschwindigkeit der luft zu erhöhen, um auf diese Weise die Wärmeabgabe durch die Rippen zu verbessern, mit einem erheblichen Anstieg im Strömungswiderstand für die Luft verbunden, so daß ein größerer und stärkerer Ventilator erforderlich wird und das Ventilatorgeräusch die zulässige Grenze übersteigt. Außerdem handelt es sich bei den in Zusammenhang mit Wärmetauschern dieser Art verwendeten Ventilatoren entweder um

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Propellerventilatoren oder um ZentrifugalventHatoren, denen von Hause aus ein hoher Geräuschpegel anhaftet und die einer Geräuschminderung erhebliche technische Schwierigkeiten entgegensetzen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher anzugeben, der mit einer erzwungenen Strömung eines der in Wärmeaustausch miteinanderstehenden Medien arbeitet, dabei jedoch die oben erwähnten Nachteile der bekannten Wärmetauscher vermeidet und insbesondere einen Wärmetauscher und einen Ventilator so miteinander kombiniert, daß die Forderungen nach geringer Größe, hohem Wirkungsgrad des Wärmeüberganges, geringen Herstellungs- und Betriebskosten und llrferung eines streifenförmigen Luftstroms gleichzeitig erfüllt sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Ventilator aus einer drehbar gelagerten hohlen Walze besteht, deren mit dem einen Medium in Berührung kommender Außenmantel mit senkrecht zur Drehachse stehenden Reibscheiben versehen ist, und deren Hohlraum eine als Führung für das zweite Medium dienende Leitung umschließt und teilweise mit einer Flüssigkeit hoher Wärmeleitfähigkeit gefüllt ist, in die die leitung bei der Rotation der Walze in für den Wärmeübergang hinreichendem Maße eintaucht.

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Die mit annähernd gleichem gegenseitigen Abstand über den Außenmantel der Walze verteilt angeordneten Reibscheiben laufen mit dieser um und nehmen dabei durch Reibung das sie umgebende gasförmige oder flüssige Medium mit, so daß diesem die erforderliche Strömungsbewegung aufgeprägt wird. Das zweite der im Wärmeaustausch stehenden Medien durchströmt die im Innern des Walzenhohlraumes liegende Leitung, die außen von der Flüssigkeit hoher Wärmeleitfähigkeit, für die sich beispielsweise Turbinenöl eignet, umspült wird, so daß ein guter Wärmeübergang zwischen dem Medium im Innern der Leitung über die Flüssigkeit zu dem den Außenmantel der Walze bestreichenden Medium gewährleistet ist, wobei die Reibscheiben gleichzeitig als den Wärmeübergang erleichternde und verstärkende Kühlrippen wirken.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung werden im folgenden einige Ausführungsbeispiele für erfindungsgemäße Wärmetauscher näher beschrieben, die in den Fig. 3 bis 7 veranschaulicht sind. Dabei zeigt die Fig.3 einen Schnitt durch einen Wärmetauscher gemäß der Erfindung, wobei die Schnittführung der Linie III-III in Fig. 4 folgt; Fig.4 ihrerseits ist ein Schnitt entlang der Linie IT-IV in Fig. 3; Fig.5 zeigt in vergrößertem Maßstab einen Schnitt durch ein Lager, und die Fig.6 und

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zeigen perspektivisch zwei Abwandlungen für die leitung, "in der das zweite in Wänaeaustausch stehende Medium strömt.

Wie man aus den Pig. 3 und 4 ersieht, besitzt der erfindungsgemäße Wärmetauscher eine drehbar? gelagerte Walze 9_t die über eine Antriebswelle 8 durch einen Motor, beispielsweise einen Elektromotor, der in der Zeichnung nicht dargestellt ist, in Drehung versetzt werden kann. Auf der Walze 9 sind in etwa gleichen Abständen voneinander und senkrecht zu der Drehachse der Walze eine Mehrzahl von Reibscheiben 10 befestigt, so daß ein Scheibenrad 7 entsteht, das beidseitig in lagern 18 gelagert ist und an einem seiner Enden eine axiale öffnung aufweist. Das Scheibenrad 7 ist teilweise von einem Gehäuse 11 umgeben, so daß die bei einer Drehung der Walze 9 zwischen den Scheiben 10 und dem diese umgebenden Medium, beispielsweise Luft, auftretenden Reibungskräfte einen Luftstrom erzeugen können, der in der in Fig„4 durch die Pfeile 12 angedeuteten Richtung in das Gehäuse 11 eintritt und in der durch die Pfeile 13 in der gleichen Figur angedeuteten Pfeile aus dem Gehäuse wieder austritt.

Erfindungsgemäß ist die drehbare Walze 9 hohl und umschließt einen Hohlraum 14, in den durch die axiale

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Öffnung des Scheibenrades 7 eine leitung 16 geführt ist, in der eine am Wärmeaustausch beteiligte Flüssigkeit strömt. Die Eintrittsöffnung für die leitung 16 ist durch Dichtungsringe 17 abgedichtet. Die leitung 16 besitzt innerhalb des Hohlraumes 14 die Form einer endlosen Spirale und verläßt den Hohlraum 14 durch die gleiche axiale öffnung, durch die sie auch eingetreten ist. Die spiralförmige Leitung 16 ist an mehreren Stellen in dem Hohlraum 14 durch Stützringe 21 aus Teflon oder einem ähnlichen Material gehaltert. Der Hohlraum 14 ist im stationären Zustand der Walze 9 bis zu einem Niveau mit einer Flüssigkeit 20 hoher Wärmeleitfähigkeit gefüllt, das so gewählt ist, daß dann, wenn die Flüssigkeit 20 durch die Rotation der Walze 9 infolge der dabei auftretenden Zentrifugalkräfte an den Innenmantel der Walze angedrückt wird, die spiralförmige leitung 16 noch hinreichend in die Flüssigkeitsschicht 20 eintaucht, wie dies in Fig. 3 angedeutet ist. Von der Flüssigkeit in dem Hohlraum 14 wird außer einer hohen Wärmeleitfähigkeit eine niedrige Viskosität verlangt, und außerdem soll sie chemisch inaktiv sein, so daß sie nicht an irgendwelchen chemischen Reaktionen mit den Leitungsmaterialien teilnimmt und deren Metallteile korrodiert. Ein geeignetes Material ist Turbinenöl.

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Aus dem bisher beschriebenen Aufbau wird ersichtlich, daß bei Rotation des Scheibenrades 7 der Wärmeübergang zwischen der Flüssigkeit 15, die in der leitung 16 strömt und der luft, die durch das Scheibenrad 7 in Strömungsbewegung versetzt wird, unter Zwischenschaltung der Flüssigkeit 20 erfolgt und daß die Scheiben 10 gleichzeitig als wärmeabgebende Kühlrippen dienen und so den Wirkungsgrad des Wärmeüberganges weiter verstärken.

Wie man aus Fig. 3 ersieht, reicht die Flüssigkeit 20, beispielsweise Turbinenöl, bis zu einem Niveau 19, wenn das Scheibenrad 7 stillsteht, und wird durch die bei der Rotation der Walze 9 auftretenden. Zentrifugalkräfte als dünne Schicht an d$n Innenmantel der Walze 9 angedrückt, es besteht also keinerlei Gefahr, daß diese Flüssigkeit, sei es im Ruhezustand, sei es bei der Rotation, an den Dichtungsringen 17 vorbei, durch die die Leitung 16 bei ihrem Ein- und Austritt in den und aus dem Hohlraum 14 der Walze 9 geführt ist, heraustritt. Selbst wenn jedoch eine Tendenz zu einen solchen Leckverlust bestehen könnte, kann er mit aller Sicherheit durch die in der vergrößerten Ansicht der Fig. 5 dargestellten Mittel verhindert werden. Gemäß Fig. 5 ist der Lagerabschnitt 22

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der Walze 9 bis zu einer gewissen Tiefe an seiner Innenfläche mit einer umlaufenden Nut 23 versehen, die durch einen Kanal 24 mit dem inneren Hohlraum 14 in Verbindung steht. Daher fließt Flüssigkeit, die etwa aus dem Hohlraum 14 durch den inneren Dichtungsring 17 hindurch austritt, in die Nut 23 und schmiert dabei die Dichtungsflächen zwischen der äußeren Oberfläche des Dichtungsringes 17 und der inneren Oberfläche des Lagerabschnitts der Walze 9 und fließt dann durch den Kanal 24 infolge der Zentrifugalkraft wieder in den Hohlraum 14 zurück. Auf diese Weise kann es niemals zu einem Flüssigkeitsaustritt kommen.

Am Boden des Gehäuses 11 sind mehrere Beschläge 25 vorgesehen, über die sich der erfindungsgemäße Wärme- , tauscher auf einer geeigneten Unterlage beispielsweise mittels Bolzen 26 befestigen läßt.

Bei dem erfindungßgemäßen Wärmetauscher liegt die leitung 16, die als Führung für die Flüssigkeit 15, die am Wärmeaustausch teilnimmt, dient, im Inneren der drehbaren Walze 9 des Reibscheibenventilators, so daß dessen Außendurchmesser relativ groß wird. Derartige große Durchmesser der Walze 9 wirken sich jedoch in keiner Weise beeinträchtigend auf die Menge des von dem Ventilator

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erzeugten Luft- oder Gasstromes aus, da es gerade ein Charakteristikum für einen Reibsjcheibenventilator ist, daß die Scheibe in ihrem der Drehachse benachbarten Abschnitt eine geringe Umfangsgeschwindigkeit hat, so daß dort ihre Fähigkeit Luft oder Gas durch Reibungskräfte mitzuführen., gering ist.

Selbstverständlich kann die Leitung 16, die als Führung für die Flüssigkeit 15 dient, statt der in Fig. 3 gezeigten Spiralform auch eine Zick-Zackform oder sonst eine komplexe Form besitzen, wie sie in den Fig. 6 und 7 gezeigt ist. Darüber hinaus ist jegliche Form der Leitung zulässig, solange sie nur entlang dem Innenmantel der rotierenden hohlen Walze 9 in hinreichendem Wärmeaustauschkontakt mit der in dem Hohlraum 14 der Walze 9 befindlichen Flüssigkeit 20 verläuft. Bei einer solchen Anordnung kann die Menge der am Wärmeaustausch teilnehmenden Flüssigkeit vermindert werden, was den Vorteil einer Verminderung der Wärmekapazität der Wärmeaustauschermedien mit sich bringt. Außerdem ist es selbstverständlich, daß durch Weglassung des Gehäuses 11 ein Wärmetauscher entsteht, der gleichzeitig mit dem Wärmeaustausch eine Rührwirkung entfalten kann.

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Gegenüber den bisher bekannten Wärmetauschern sind dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher insbesondere die folgenden Vorteile eigen:

1. Der Wärmetauscher läßt sich in Form einer bemerkenswert kleinen und leichten Baueinheit herstellen; im Vergleich mit Wärmetauschern der bisher üblichen Art nimmt ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher bei gleichem Wärme- und Luftdurchsatz nur ein Drittel des bisher üblichen Volumens ein, er hat eine einfachere Bauweise und ist weniger kostspielig»

2. Wie festgestellt wurde, läßt sich bei einem erfindungsgemäßen Wärmetauscher bei gleicher Blasleistung eine Relativgeschwindigkeit der zwischen den Rippen des Wärmetauschers entlangstreichenden luft erzielen, die mehr als viermal so groß ist wie bei einem Wärmetauscher der bisher bekannten Bauart. Dies führt dazu, daß die Geschwindigkeit des Wärmeaustauschs zwischen den Rippen und der Luft bei dem erfindungagemäßen Wärmetauscher mehr als zweimal so groß wird wie bei einem Wärmetauscher der bisherigen Art.

3. Durch die Verwendung eines Reibscheibenventilators wird der Geräuschpegel des erfindungsgemäßen Wärmetauschers wesentlich gesenkt.

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4. Die mit dem durch den Reibscheibenventilator erzeugten kontinuierlichen Luftstrom im Wärmeaustausch gebrachte Flüssigkeit wird durch eine spiralförmige Leitung in das Innere der rotierenden Walze geführt. Es besteht daher unabhängig von der Art der Flüssigkeit bzw. des Gases und von dessen Druck keinerlei Gefahr eines Flüssigkeitsaustritts. Der erfindungsgemäße Wärmetauscher läßt sich daher beispielsweise mit der erforderlichen Sicherheit zur Kühlung des Hochdruckkühlmittels von Kondensatoren und Verdampfern in Klimaanlagen verwenden.

5. Da der Ventilator des erfindungsgemäßen Wärmetauschers durch Befestigung einer Mehrzahl von Scheiben auf einer rotierenden Walze entsteht und daher in axialer Richtung unbegrenzt ausdehnungsfähig ist, läßt sich eine schlitzartige Luftaustrittsöffnung erzielen, die den Luftaustrittsöffnungen von Klimaanlagen oder Heizern entspricht. Daher läßt sich der erfindungsgemäße Wärmetauscher in seiner Konstruktion der Gestalt üblicher Klimaanlagen oder Heizer anpassen und gestattet seinen Einbau in kompakte und kleine Geräte dieser Art.

6. Die in der rotierenden Walze eingeschlossene Flüssigkeit, die z.B. Wasser, öl oder Frostschutzmittel sein

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kann, kann nicht nach außen durchsickern, da sie daran durch die oben erwähnten Abdichtungsmittel gehindert wird; und, soweit ein Flüssigkeitsdurchsickern an dem Dichtungsring vorbei auftritt, so dient es zur wirksamen Schmierung der miteinander in Berührung stehenden Oberflächen des Dichtungsringes und des Lagerabschnittes der rotierenden Walze.

7. Mit Hilfe des Reibscheibenventilators lassen sich auch andere Gase als Luft und, falls erforderlich, sogar Flüssigkeiten in Strömungsbewegung versetzen, indem man gegebenenfalls den Reibscheibenventilator als Pumpe einsetzt. Daher läßt sich der erfindungsgemäße Wärmetauscher nicht nur in Klimaanlagen oder Kraftfahrzeugheizungen verwenden, sondern ebenso als Wärmetauscher in der chemischen Industrie, Gesundheitsindustrie und in zahlreichen anderen Industriezweigen.

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Claims (1)

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   Patentanspruch

   Wärmetauscher mit einem Ventilator, der einem von zwei in gegenseitigem Wärmeaustausch stehenden Medien eine Strömungsbewegung aufzwingt, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilator aus einer drehbar gelagerten hohlen Walze (9) besteht, deren mit dem einen Medium in Berührung kommende Außenmantel mit senkrecht zur Drehachse stehenden Reibscheiben (10) versehen ist und deren Hohlraum (14) eine als Führung für das zweite Medium (15) dienende !Leitung (16) umschließt und teilweise mit einer Flüssigkeit (20) hoher Wärmeleitfähigkeit gefüllt ist, in die die leitung (16) bei der Rotation der Walze (9) in für den Wärmeübergang hinreichendem Maße eintaucht.

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