DE157008C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

M 157008 KLASSE Md.

Die vorliegende Erfindung bezweckt eine Vervollkommnung der Vorrichtungen zum Wärmeaustausch zwischen flüssigen, dampf- oder gasförmigen Stoffen, welche durch Wandüngen voneinander getrennt sind und daher nicht in unmittelbare Berührung miteinander kommen.

Zur Aufnahme einer bestimmten Wärmemenge aus dem wärmeren Medium,- ebenso zur

ίο Abgabe derselben Wärmemenge an das kältere Medium ist je eine Oberfläche (Kühlfläche, Heizfläche) erforderlich, deren Größe sich richtet nach den bezüglichen Temperaturdifferenzen und Wärmeübertragungsfaktoren, wobei unter Wärmeübertragungsfaktor diejenige Wärmemenge verstanden wird, welche pro ι ° Temperaturdifferenz und 1 qm Oberfläche in der Zeiteinheit übertragen wird. Dieser Übertragungsfaktor hängt u. a. ab von der Geschwindigkeit, mit welcher die Gase oder Flüssigkeitsteilchen ' an den Wandungen vorbeistreichen und, wie eingehende Versuche ergeben haben, auch vom Abstand der Wandungen, und zwar derart, daß die Wärmeüberträgung mit zunehmender Geschwindigkeit und abnehmendem Abstand erheblich wächst.

Gemäß vorliegender Erfindung ist nun die erreichbar höchste Geschwindigkeit und der zulässig geringste Abstand an allen Stellen der wärmeübertragenden Oberfläche planmäßig zur Anwendung gebracht und auf engem Raum eine wirksame, dauerhafte und wirtschaftlich arbeitende Heizfläche (Kühlfläche) mit möglichst geringem Material- und Arbeitsaufwand, daher billig, geschaffen.

Erreicht wird dies durch die Anwendung dünner, ebener oder beliebig gebogener Metallblätter (Lamellen) von annähernd gleicher Form und Länge, welche in den Kanälen des einen oder der beiden die Wärme austauschenden Stoffe parallel zur Strömutigsrichtung stehen, so daß viele enge (dünnschichtige) Kanäle von annähernd gleichem Querschnitt und annähernd gleicher Länge gebildet werden. Die Lamellen stehen parallel zur Strömungsrichtung des Stoffes, in dem sie sich befinden, mit der beide Stoffe voneinander trennenden Wandung (Trennwand) in Verbindung, oder sie erstrecken sich durch die Trennwand hindurch in den Strom des anderen Stoffes.

Die Länge der Lamellen, d. h. der senkrechte Abstand des von der Trennwand entferntesten Punktes der Lamellen bis zur Trennwand, wird bei gegebener Dicke um so kürzer, je größer der Wärmeübertragungsfaktor zwischen dem betreffenden Stoff und den Lamellen im Verhältnis zum Wärmeleitungsfaktor der Lamellen ist. Bei sehr hohem Wärmeübertragungsfaktor, wie er beispielsweise beim Verdampfungsvorgang vorliegt, kann der Fall eintreten, daß die Oberfläche der Trennwand an sich schon genügt, um die Übertragung der Wärme bei einer mäßigen Temperaturdifferenz zu bewirken. In diesem Falle ordnet man Lamellen nur auf der Seite an, auf welcher der

/2. Auflage, ausgegeben am ig. September 1908.)

kleinere Wärmeübertragungsfaktor vorliegt. So werden bei der Übertragung der Wärme heißer Verbrennungsgase auf eine verdampfende Flüssigkeit Lamellen nur im Gasräume angeordnet.

Was den geforderten möglichst geringen Abstand der Lamellen voneinander anbetrifft, so ist seine Mindestgröße durch praktische Rücksichten, insbesondere die Möglichkeit der

ίο Verstopfung, und durch den bei übermäßiger Verringerung auftretenden zu großen Reibungswiderstand bedingt.

Die Geschwindigkeit, mit der die Stoffe sich an den Lamellen vorbeibewegen, soll an allen Stellen derselben die erreichbar höchste sein; sie wird begrenzt durch die Kosten der zur Bewegung erforderlichen, durch Maschine, Schornstein oder sonstwie erzeugten Druckdifferenz und durch besondere Umstände, beispielsweise das Mitreißen von abgeschiedenen Kondensaten bei Kühlungsvorgängen. Daß die Geschwindigkeit annähernd die gleiche bleibt, wird durch gleichbleibenden Querschnitt der Kanäle erreicht; nur insoweit tritt eine Änderung der Geschwindigkeit ein, als die Volumenänderung des allmählich kühler (heißer) werdenden Stoffes oder Konstruktionsrücksichten, beispielsweise bei radialer Anordnung der Lamellen nicht genau parallele Stellung derselben, dies bedingen.

Infolge der annähernd gleichen Form und Länge der Kanäle ist die Reibung der Wärmeträger in allen Kanälen gleich und die Verteilung über die Kanäle gleichmäßig. Jede Lamelle nimmt daher auch gleichmäßig, und zwar mit beiden Oberflächen an der Vermittlung des Wärmeaustausches teil.

Die einfache, wenig Widerstand bietende Form der Kanäle bewirkt, daß sich mit der zur Bewegung des Stoffes verfügbaren Druckdifferenz eine möglichst hohe Geschwindigkeit desselben erreichen läßt oder daß zur Erreichung der zulässig höchsten Geschwindigkeit ein geringer Arbeitsaufwand erforderlich ist.

Für die erzielbare Geschwindigkeit ist es überdies noch sehr günstig, daß dem Strome der Wärmeträger nur die scharfen Kanten der Lamellen entgegengestellt sind, daß somit die Querschnittsänderungen und die dadurch bedingten Kontraktionsverluste sehr gering sind.

Die Richtung, in der die Wärmeträger sich in der neuen Vorrichtung bewegen, kann im Gleichstrom oder im Gegenstrom oder quer zueinander gewählt werden. Dementsprechend stehen die Lamellen in dem Strome des einen Stoffes entweder parallel oder quer zu denen

im anderen Stoffe. . ;■■;

Die durch Lamellen gebildete Heizfläche ist billig, denn die Plattenform der Lamellen ist die billigste Form des Materials und kann ohne wesentliche Abfälle und mit geringen Arbeitskosten aus Blech oder^durch Guß hergestellt werden. Sie ist sehr wirksam, denn jede Stelle jeder Lamelle nimmt am Wärmeaustausch gleichmäßig teil, und infolge der zwangläufigen Schichtenleitung und der durch die wenig Widerstand bietende einfache Form der Kanäle ermöglichten hohen Geschwindigkeit der Wärmeträger ist die spezifische Leistung der Oberflächeneinheit sehr hoch. Dementsprechend braucht der Wärmeträger nur auf einem kurzen Wege und kurze Zeit mit der Heizfläche in Berührung zu treten. Im Gegensatz zu der herrschenden Bestrebung, zur Erzielung einer guten Wirkung eine möglichst lange Berührungsdauer herbeizuführen, ist vielmehr eine kurze Berührungsdauer als die vollkommenste Art der Wärmeübertragung anzustreben. Die Heizfläche bildet nicht gleichzeitig die trennende Wand zwischen den beiden Medien, sie braucht also auch nicht wegen einer etwa vorhandenen großen Druckdifferenz zwischen denselben starkwandiger zu sein, als die Wärmeübertragung dies erfordert und trägt sogar noch wesentlich zur Verstärkung und dadurch zur Verminderung der Dicke der Trennwand bei. Die Trennung von Heizfläche und Scheidewand gestattet, beide ihrer besonderen Aufgabe entsprechend aus geeignetstem Material herzustellen. Für eine überall möglichst hohe Geschwindigkeit der Wärmeträger ist ein verhältnismäßig geringer Arbeitsaufwand nötig, und es läßt sich ein hoher Nutzeffekt mit geringem Materialaufwand erzielen. Die Betriebskosten sowohl wie die Anlagekosten sind möglichst gering, und die Vorrichtung arbeitet sehr wirtschaftlich.

Anwendbar ist die Vorrichtung für alle Fälle des Wärmeaustausches zwischen flüssigen, dampf- oder gasförmigen Stoffen, zur Kühlung ebensowohl wie zur Erwärmung.

Von den bisher bekannten äußerlich ähnlichen Vorrichtungen unterscheidet sich die neue Vorrichtung dadurch, daß bei ersteren zwar Rippen zur Vergrößerung der Heizfläche angeordnet sind, daß diese entweder aber nicht in der Richtung des Stromes der Wärmeträger, sondern quer zu demselben stehen, oder daß dieselben nicht überall annähernd gleichmäßig bespült werden, wie beispielsweise bei den bekannten Rippenrohren der hinter dem inneren Rohr befindliche Teil der Rippen fast unbespült bleibt, oder daß die Trennwände, soweit sie mit den Rippen in Verbindung stehen, nicht in der Richtung des Stoff stromes liegen, so daß an ihnen — beispielsweise wiederum bei ' den Rippenrohren — eine Stauung des Stoffes eintreten muß, welche dadurch ungünstig auf die Wärmeübertragung wirkt, daß die erziel-

bare Höchstgeschwindigkeit nur an einem geringen Teil der Oberfläche zur Wirkung kommt. Ferner ist bei den älteren Vorrichtungen nicht der ganze Querschnitt der Kanäle in dünne Schichten geteilt, sondern es bleiben dem Wärmeträger noch Wege offen, auf denen er vorbeiströmen kann, ohne die Rippen zu berühren.

Die Figuren der beiliegenden Zeichnung

ίο stellen schematisch einige Fälle der Wärmeaustauschvorrichtung dar.

Fig. ι zeigt einen Apparat, welcher zur Kühlung eines heißen Gasstromes durch einen kalten Lüftstrom geeignet ist. α α sind die beiden Kaltluftkanäle, b der Heißgaskanal, c die Trennwände, d der äußere Mantel des Luftkanales. Der bei e eintretende Heißgasstrom gibt im Räume b seine Wärme an die Metallamellen ab. In diesen Lamellen wird die Wärme rechtwinklig zum Heißgasstrom nach beiden Seiten weitergeleitet und in den Räumen α α an die Luft abgegeben, welche ihrerseits rechtwinklig zum Wärmestrom fließt.

Fig. 2 zeigt einen beispielsweise zur Kühlung heißer Gase durch Wasser geeigneten Apparat, welcher nur im Gasraum b mit Lamellen f versehen ist. Letztere leiten die Wärme nach beiden Seiten zur Wand c, welche sie an das durch α fließende, bei h zu- und bei i abfließende Wasser abgibt.

Wird dieser Apparat zylindrisch ausgeführt, so bekommt er eine Form nach Fig. 3. Die Bedeutung der Buchstaben ist die der Fig. 2. g sind Verbindungskanäle für die beiden Wasserräume; die Lamellen f stehen radial.

Fig. 4 zeigt einen ähnlichen Apparat, bei

welchem der Heißgasstrom radial durchtritt, während sich das Kühlwasser im wesentlichen peripherisch bewegt.

Der Apparat nach Fig. 5 entsteht, wenn man den Lamellen f und den Verbindungskanälen g der Fig. 3 und 4 Evolventenform gibt.

Fig. 6 ist eine weitere zylindrische Ausführungsform, bei welcher der innere Wasserbehälter fortgefallen und statt dessen ein Führungsrohr d für den Heißgasstrom angeordnet ist. Die Lamellen können als einfache Blechplatten oder U-förmig gekrümmte oder schlangenförmig gebogene Streifen ausgeführt werden.

Fig. 7. Hier fließt der Wasserstrom rechtwinklig zum Luftstrom. Letzterer fließt zwangläufig durch die Räume b b an sämtlichen Lamellen ff vorbei, an welche er die Wärme abgibt und die sie rechtwinklig zum Luftstrom an die Rohre α α leiten. In diesen sind keine Lamellen vorgesehen.

In gleicher Weise wie zur Kühlung von Gasen können beispielsweise die in den Fig. 2, 3 und 4 dargestellten Apparate zur Kühlung von Wasser dienen. Statt des heißen Gases wird alsdann ein kalter Luftstrom und statt des kalten Wassers das zu kühlende heiße Gas eingeleitet. Der Wärmefluß in den Lamellen ist entsprechend umgekehrt.

Fernerhin können erforderlichenfalls in den Fällen Fig. 1, 2 und 3 die beiden Stoffe im Gegenstrom geleitet werden.

Claims (1)

1. Patent-An Spruch:

   Wärmeaustauschvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußkanäle des einen oder der beiden die Wärme austauschenden Stoffe in der Strömungsrichtung durch Metallamellen in sehr dünne Schichten von überall gleichbleibendem oder annähernd gleichbleibendem Querschnitt und überall gleichbleibender Länge geteilt sind, so daß die mit zulässig höchster Geschwindigkeit durchströmenden Stoffe an beide Oberflächen der Lamellen ihre Wärme gleichmäßig abgeben, während die Lamellen sie an die die Stoffe trennenden Wandungen ableiten.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.