DE1902229A1

DE1902229A1 - Waermeaustauscher

Info

Publication number: DE1902229A1
Application number: DE19691902229
Authority: DE
Inventors: Hapgood William Hutchins
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1968-01-24
Filing date: 1969-01-17
Publication date: 1969-10-16
Also published as: BE734306A; GB1246581A; JPS5113909B1; FR2000669A1; ATA566069A; FR2000669B1; NL6901052A; DE6901693U; AT327244B; DE1966650A1; ES376609A1; CH514114A; CA1040025A; DE1902229B2; LU58874A1; ES362674A1; NO125510B

Description

1902223

Anmelderin; Stuttgart, den 7 ο Januar 1969

Raytheon Company P 1909 S/kg Lexington» Mass„, V.St.A₀

Wärmeaustauseher

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmeaustauscher für zv/ei strömende Medien mit einer zwischen den beiden Lledien angeordneten wärmeleitenden Trennschicht und einem auf einer Seite der Trennschicht vorgesehenen Durchlaß für das eine Medium„

Die wirksame Übertragung von Wärme sowie der wirksame und wirtschaftliche Austausch von Wärmeenergie zwischen fließenden Medien, von denen das eine zu erwärmen oder abzukühlen ist, ist für die heutige Technik sehr wichtig.

909842/1115

Die Interessengebiete liegen beispielsweise im Haushalt beim Kochen und Heizen und in der Industrie bei zahlreichen industriellen Vorgängen wie Kondensation, Destillation und Erwärmung. Bei der Technik des Wärmeaustausches ist der vollständige Übergang der Wärmeenergie von einem erwärmten strömenden Mediun zu einen anderen Medium der wichtigste Parameter«) Beispielsweise zeigt bei normalen Brennern, die eine beschränkte Uärmeübergangsflache haben, die Abgastemperatur, die einige hundert Grad betragen mag, an, daß eine beträchtliche Menge der in dem Brennstoff enthaltenen Wärmeenergie nicht benützt und mit den Rauchgasen abgeführt wird. Daher sind bei heutigen Vorrichtungen zum Wärmeaustausch Wirkungsgrade zwischen 50 und 60% allgemein übliche

Eine Vergrößerung der Übertragungsfläche zwischen dem heißen und dem zu erwärmenden Medium mit Hilfe von Leitwänden, Platten und anderen Hindernissen, die eine optisch dichte Struktur ergeben, war bei den bekannten Anordnungen bezüglich einer Verbesserung des Wirkungsgrades beim Wärmeübergang nicht von Erfolg begleitet» Ein Ausdruck, der in der Technik häufig benützt wird, um die Wärmeübertragungseigenschaften zu beschreiben, ist die .. . "Leistungsdichte", die die Wärmeenergie angibt, die pro. Zeiteinheit durch eine Flächeneinheit eines₄zu erwärmenden Körpers fließt. Bei bekannten Vorrichtungen .wird ■..-.-■; normalerweise eine Leistungsdichte in der Größenordnung

ρ
von etwa 15 W/cm der Übertragungsfläche beobachtet· Dieser Wert zeigt, daß mit Hilfe der zahlreichen, zur Verfügung stehenden Quellen hoher Wärmeenergie, wie beispielsweise einer direkten Flamme, die die Fähigkeit

90 9 8 42/1115 BAD OBiGiNAL

hat, eine Wärmeleistung von 7 kW abzugeben, höhere Wirkungsgrade verwirklicht werden können, wenn die Leistungsdichte der Übertragungsstruktur in geeigneter Weise verbessert werden kann»

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeaustauscher zu schaffen, bei dem wesentlich höhere Leistungsdichten möglich sind,und der sich daher durch einen wesentlich besseren Wirkungsgrad auszeichnet» Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß in dem Durchlaß für das eine Medium eine Vielzahl wärmeleitender Körper angeordnet ist, die in dem Durchlaß eine optisch dichte Gittermatrix bilden und deren durchschnittliche Größe im wesentlichen gleich dem Maximum ist, das die optische Dichte in der im wesentlichen kürzesten Dimension längs des Durchganges bewirkt und einen oder mehrere Wege für den Fluß des entsprechenden Mediums durch die Gittermatrix bildet.

Der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher v/eist also eine kompakte Struktur für eine schnelle Übertragung der Wärmeenergie auf und es wird durch die Anordnung einer Vielzahl von thermisch leitenden Körpern in einer verbundenen, porösen Gittermatrix eine bedeutende Erhöhung der Leistungsdichte erzielte In der Tat können durch die erfindungsgemäße Anordnung Leistungsdichten erzielt * werden, die das 10- bis 100-fache der Leistungsdichte betragen, die in den bisher bekannten Wärmeaustauschern erreicht wird.

9 0 9 8 L ? 11 1 1 5

Bei dem erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher bilden die Zwischenräume zwischen den aneinander-grenzenden Oberflächen der Körper der Matrix "einen gewundenen Pfad für ein strömendes Heiz- oder Kühlmedium«, Die an die Gittermatrix angrenzende wärmeleitende Trennschicht ermöglicht den Durchfluß eines zweiten Mediums, das eine höhere oder tiefere Temperatur aufweist als das die Gittermatrix durchfließende Medium. Die Porosität und Dichte der Gittermatrix, die aus einzelnen wärmeleitenden Körpern zusammengesetzt ist, ist ein wichtiger Konstruktionsparameter, der zu dem wirksamen Wärmeaustausch zwischen den Medien führte Gemäß der Erfindung ist eine optimale Forderung für die Tiefe und die Porosität der Gittermatrix diejenige, daß die durchschnittliche Größe der thermisch leitenden Körper im wesentlichen gleich derjenigen Größe ist, die einen optisch dichten Pfad im v/es ent liehen in der kürzesten Distanz längs eines Durchlasses für ein strömendes Medium ergibt« Zum Zwecke der Beschreibung der Erfindung wird der Ausdruck "optisch dicht" in bezug auf die Packung der einzelnen wärmeleitenden Körper in solcher Y/eise definiert, daß ein Lichtstrahl, der auf die resultierende Struktur gerichtet wird, nicht direkt sichtbar ist, daß jedoch in den Zwischenräumen zwischen den einzelnen Körpern Lichtspuren bemerkt werden können, die auf innere Reflexionen und Lichtstreuung zurückzuführen sind,, Die Wärmeübertragungsnatrix kann hergestellt werden, indem die wärmeleitenden Körper durch übliches Hart- oder V/eichlöten, Sintern oder Beschichten der einzelnen Körper mit Stoffen, die für solche metallogischen Verfahren geeignet sind, zusammengefügt werden«,

o/.

909842/1115

E±n anderer Ausdruck, der für das Verständnis der Erfindung und die Beschreibung der Parameter der einzelnen wärmeleitenden Körper und des Weges des maximalen Wärme fluss es nützlich ist, ist. die "charakteristische Dimension"₀ Dieser Ausdruck soll den Abstand zwischen benachbarten wärmeleitenden Trennschichten eines Durchlasses bezeichnen, der von der optisch dichten Gittermatrix ausgefüllt wird und durch den eines der Kedien fließt_o Bei einer kreisförmigen Anordnung, bei der sich die Matrix im Inneren befindet, ist die charakteristische Dimension der Durchmesser des Kanales, der das strömende Medium enthalte Bei flachen oder ebenen Anordnungen, die im Abstand voneinander parallele, wärmeleitende I'rennschichten aufweisen, zwischen denen sich die Gittermatrix befindet, bezeichnet der Ausdruck den Abstand zwischen den parallelen Trennschichten_o Bei Anordnungen, die in eine, äußere Gittermatrix eingebettete Leitungen -Tüi" ein üedium aufweisen, soll dieser Ausdruck den Abstand zwischen benachbarten Trennschichten der Leitungen bezeichnen., Wenn kreisförmige Leitungen benutzt werden, dann, kann die charakteristische Dimension durch Mitteilung der Abstände an bestimmten Punkten bestimmt werden_o

Im folgenden werden anhand der Zeichnung mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben, einschließlieh einer in eine optisch dichte Gittermatrix eingebettete, schraubenförmige Schlange. Solch eine Anordnung ergibt eine wirksame Heißwasserquelle für den Haushalt

9 0 98 4 2/1115 sad üniGiNAL

und kann vorteilhaft an jeder gewünschten Verbrauchss belle angebracht werden«, Eine andere Ausführungsform dar Erfindung raacht von der Anordnung wärmeleitender Körper sowohl innerhalb einer L'Iediumleitung als auch außerhalb dieser Leitung Gebrauch, um Leistungsdichten

bis zu 15OO W/cm zu ermöglichen, wie es beispielsweise für die Kessel von feuerungsanlagen von Interesse ist_P Der mit der Erfindung erzieibare Wirkungsgrad hat eine bedeutende Reduktion im Platzbedarf und in den Kosten für die Wärmeaustauscher zur Folge <>

V/eitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten. Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert wird* Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden. Es zeigen:

Figo 1 einen vertikalen Querschnitt durch eine Ausführungsform der Erfindung zum Erwärmen einer durchlaufenden Flüssigkeit mit Hilfe einer äußeren Matrixanordnung, -

Fig. 2 das Detail 2-2 der Anordnung nach Fig, 1 in vergrößertem Maßstab,

Fig« 5 einen Schnitt längs der Linie 3-5 durch die Anordnung nach Fig_# 1,

90984 2/1 ilS bad owginal

Figo 4 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung der Hauptparameter der erfindungsgemäßen Matrix,

Figo 5 eine schematische Darstellung eines Wärmeübertragers mit ebenen Flächen,

Figo 6 eine schematisehe Darstellung der Einbettung von Liediumleitungen in eine äußere Matrix,

Figo 7 eine schematische Darstellung eines vollständigen Systems, das die Anordnung nach den
Figo 1 bis 3 enthält,

Fig» 8 einen Vertiicalschnitt durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 9 einen Horizontalschnitt durch die Ausführungsform nach Fig. 8 längs der Linie 9-9ι

Fig. 10 einen Vertikalschnitt durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die für eine sehr hohe Leistungsdichte eingerichtet ist,

Figo 11 einen Vertil.- .schnitt längs der Linie 11-11
durch die Anordnung nach Figo 10 und

Fig. 12 einen Seilschnitt durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung«

_β/ο

9 0 9 8 4 2/1115 _Bau

Bevor das bevorzugte Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 bis 3 im einzelnen beschrieben wird, ist es zweckmäßig, anhand der Figo 4 bis 6 das Prinzip der Erfindung zu erläutern. Fig. 4- veranschaulicht eine Anordnung zur Wärmeübertragung, die eine hohe Wärmeübergangsrate aufweist und von einer Struktur Gebrauch macht, die längs des Weges des Wärmeflusses eine optimale Leistungsdichte ermöglichte Willkürlich, orientierte, thermisch leitende Körper sind an aneinandergrenzenden Oberflächen metallogisch miteinander verbunden und bilden längs des Weges des Mediumflusses eine optisch dichte Gittermatrix- 11 (barrier matrix). Die Zwischen-' räume zwischen den Körpern definieren einen gewundenen Wärmeübertragungsgrad. In der Zeichnung sind sphärische Körper wie Schrot oder Lagerkugeln dargestellt, obwohl gleichartige Resultate auch mit anderen, ähnlich angeordneten Körpern erzielbar sind, deren Gestalt und Dimensionen die von der Erfindung gestellten Forderungen erfüllen,. Geeignete thermisch leitende Stoffe sind beispielsweise Kupfer, Llessing, rostfreier Stahl, Kohlenstoffstahl und Aluminium sowie Kunststoffe, in die LIetallteilchen eingebettet sind. Eisen oder kupferhaltige Teilchen können mit einem eutektischen Kupfer-Silber-Lot überzogen und es kann die gesamte Matrixanordnung nach einem bekannten Verfahren zu einem Konglomerat verbunden sein, beispielsweise durch Löten, Sintern oder Schweißen« Für aus Aluminium bestehende leitende Körper mit eine Tauchlöttechnik angewendet werden_o

909842/11 15

, -i ■> BAD

Eines der Kons t rulct i onsne rlanal e, das bei der Anwendung der Erfindung beachtet werden muß,ist das Einhalten der' mittleren Maximalgröße für die Körperteilchen, damit ein optisch, dichter Wärmeübertragungspfad nit möglichst geringer Länge erzielt wird«, Ein längs des durch den Pfeil 13 angedeuteten Weges strömendes Medium trifft auf die optisch dichte Struktur, die mit einer Fläche einer leitenden Trennschicht 12 verbunden ist« Durch die Anbringung einer Anzahl von Körperteilchen 10, die so angeordnet sind, daß sie in der optisch dichten Gittermatrix einen gewundenen Wärmeübertragungspfad bilden, wird der Gesamtwirkungsgrad des Wärmeaustauschers verbesserte Der Weg des Flusses der Wärmeenergie von dem die Matrix 11 durchfließenden Medium und der Oberfläche der !Trennschicht 12 ist durch einen Pfeil 14 angedeutet und hat einen Wärmeübergang zu dem Medium zur Folge, das die entgegengesetzte Oberfläche 15 der Trennschicht 12 berührte

Eine andere Forderung für eine v/irksame Anordnung zur V/ärneübertragung auf der kürzest möglichen Strecke längs des T/eges des Wärmeflusses betrifft die Anzahl der Verbindungsstellen in jeder Richtung von der Stelle des Y/ärnekontaktes längs des Wärmeweges zu der nächstliegendeii leitenden Trennschicht_o In Fig. 5 ist eine LIatri: anordnung 16 zwischen den Oberflächen von im Abstand voneinander angeordneten Trennschichten 17 und Ί8 vorgesehen« Solche Flächen können sich beispielsweise zwischen den Wandungen innerhalb einer Leitung oder zwischen den äußeren Wandungen im Abstand voneinander angeordneter Leitungen ergebene Der Weg des Mediumflusses ist durch

909842 / 111 S _BAD ORIGINAL

1S02229

einen Pfeil 19 angedeutet_o Es wurde festgestellt, daß mit optisch dichten Ar.crdnungen optimale Ergebnisse erzielt v/erden, wann die Verbindungen anoinandergrenzender Flächen in einer gewünschten Richtung des Y/äriaeweges in der Größenordnung von zwei solcher Verbindungen liegtο Die in Fig_o 5 dargestellte Matrix— struktur ist eine innere Anordnung und kann in kreisförmigen oder rechteckigen Leitungen sowie zwischen flachen, ebenen Platten verwendet werden,,

Die oben definierte, verbleibende Forderung ist die charakteristische Dimension, die in Figo 5 durch den Pfeil CD als der Abstand zwischen den parallelen Grenzflächen 17 und .18 angegeben isto Für die höchste Y.'ärmeübergangsrate bei einer optisch dichten Gitternatri:·: kann der Ylärneweg zu den nächsten kühleren Grenzflächen für ein längs des Y/eges 19 gerichtetes fließendes LIedium durch die senkrecht gerichteten Pfeile 20 und 21 veranschaulicht werden* Der Y/armeweg beträgt dann die Hälfte der charakteristischen Dimension der Anordnung* Für Gitter anordnungen₃ die von diskreten Körpern Gebrauch machen, soll die mittlere Größe «jedes der Körper vorzugsv/eise. etwa ein Drittel der charakteristischen Dimension der. Anordnung betragene Körper mit größeren Abmessungen, beispielsweise mit mehr als der Hälfte der charakteristischen Dimension, würden zusammen nicht eine genügend ■ optisch dichte Anordnung bilden* tatsächlich wäre eine .... solche Anordnung für die Übertragung zusätzlicher Mengen von Wärmeenergie unwirksam* Am anderen Ende des .Bereiches . verletzen thermisch leitende Körper, deren Durchmesser

BAD ORIGINAL

kleiner ist als ein Sechstel der charakteristischen Dimension, die Forderung "bezüglich der Anzahl der Verbindungsstellen und verhindert dadurch die 'Wirksamkeit der thermischen Leitfähigkeit der Vorrichtung zur üarmeubertragungo

Figo 6 veranschaulicht eine Ausführungsfora der Erfindung, bei der in Abstand voneinander angeordnete Leitungen für ein fließendes Llediun in eine G-itternatri:·: eingebettet sind und ein zweites fließendes Llediun auf den Bereich zwischen den Leitungen gerichtet ist, wie es durch den Pfeil 22 angedeutet isto Dieser Aufbau wird als externer Typ bezeichnet und es sind auch hier wieder die Konstruktionskriterien bezüglich der Anzahl der Verbindungsstellen und der optischen Dichte der Matrix anwendbare Eine Leitung 2$ mit kreisrundem Querschnitt, die aus einer Anzahl geradliniger paralleler Abschnitte oder einer spiralförmigen Schlange bestehen kann, ist in die Gittermatrix 24· aus thermisch leitenden Körpern eingebettet, die nach der Erfindung aufgebaut isto Die charakteristische Dimension dieses Aufbaues ist zwischen den V/andflächen der Leitung gerechnet und ist durch Bildung des Mittelwertes aus der Dimension A sowie der Dimension 3 abgeleitet, die den größten Abstand zwischen den Leitungen angibt« Längs des Weges 22 gerichtete Wärmeenergie durchläuft Wärmewege zu den benachbarten "Leitungswänden, die durch Pfeile 25 und 26 angedeutet sind« Vi'ie bei dem in Figo 5 dargestellten Beispiel ist wieder das llaximum des V/ärmepfades vorzugsweise gleich der halben charakteristischen Dimension

90984-2/1115 BADOR₅GINAL

oder den halben mittleren Abstand zwischen den im Abstand voneinander angeordneten Leitungswänden» Die Anzahl der gelöteten Verbindungsstellen, von der Auftreffstelle aus gezählt, liegt in der Größenordnung von Zwei, und es liegt die mittlere Größe der Körper zwischen der Hälfte und einem Sechstel der charakteristischen Dimension bei der geforderten Dichte»

Die hohe Y/ärmeübergangsrate oder die erhöhte Leistungsdichte, die durch die Erfindung erzielt wird, kann wohl der großen Anzahl von Oberflächen zugeschrieben werden, die von dem leitenden Bereich jedes der Körperteilchen der Uatrix gebildet wird. Das strömende luedium kommt daher mit einer größeren, Wärme aurnehmenden Oberfläche in Berührung, als es ohne den gewundenen TZärmeüberöragungspfad durch die erfindungsgemäße Gittermatrix-Anordnung möglich wäre» Bei Ausführungsformen der Erfindung, wie sie noch beschrieben werden, sind relativ hohe Leistungsdichten erzielbar, die bis zu 1500 Y/att pro Quadratzentimeter der Fläche des zu beheizenden Körpers und pro Zeiteinheit betragen können_o Beim Vergleich mit bekannten Anordnungen, bei denen nur Leistungsdichten von etwa 15 Watt pro Quadratzentimeter und pro Zeiteinheit erreichbar sind, wird deutlich, daß durch die Erfindung eine Verbesserung um mehrere Größenordnungen möglich ist. Sine zur Bestimmung der Konstruktionskriterien für eine Anordnung nach der Erfindung nützliche Gleichung ist die folgende:

( Temperaturabf all)( V/ärme leitfähigkeit (1) Wärmeweg L = des Haterialsj

; Wärmefluß

Der Ausdruck "YTäriaefluß" bezieht sich auf die zugeführte Wärme energie und kann in ililokalorien. pro Stunde und

909842/1115 ·/·

BAD ORtGINAL

1902228

Quadratzentimeter der ?l^:iohs der Trennschicht angegeben warden, durch die die ".'ame übertragen werden soll_o Die ?/ärmeleitfähigkeit des Materials ist eine Konstante $ die leicht entsprechenden Tabellen entnommen v/erden kann₀ Diese Größe gibt die Wärmemenge an, die durch eine Flächeneinheit des erwärmten Körpers fließt, wenn der Temperaturgradient einen Sinheitswert hat« V.^rie oben angegeben, gibt dann der v/ärmev/eg die Half be der charakteristischen Dimension der Anordnung an» Die Dimensionen der Korperteilchen der Llatrix können dann leicht nach diesem V/ert der charakteristischen Dimension berechnet werden« Die Anv/endung dieser Gleichung wird im folgenden in bezug auf eines der beschriebenen Ausführungsbeispiele demonstrierte

In den Figo 1 bis 3 ist eine hochwirksame und praktische Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht, die nun erläutert wird* Eine schraubenförmige Schlange 30 ist in eine extern angeordnete, gesinterte Gittermatrix 31 eingebettet, so daß die Llatrix die Schlange umgibtο Die I.Iatrix 31 besteht aus einzelnen, thermisch leitenden Körpern-, die gemäß den Lehren der Erfindung, wie sie oben erläutert worden sind, die gewünschte optische Dichte bewirken« Die thermische Leitfähigkeit, der zulässige Druckabfall und die Leistungsdichte bestimmen die Steigung, den Durchmesser und die Gesamtlänge aet Schlange«, woraus sich der maximal zulässige Wärmeweg ergibtο Hierdurch ist wiederum die charakteristische Dimension bestimmt» Die !Forderungen für die Äusbildüri* der Matrix werden dann .von dem Wert der i

80fiS42/111i BADORiGlNAL

1 til

I I III

I > t

1802.

Dimension, abgeleitet₀ Sin Einlaß 52 Md ein Mz:; I ä 3 55 doJ? Schlange 51 si> ά sir _CtO3? Yfcdüsr'qüelio on/Za 3 ir. ir Verrichtung zur Beirorsaung das flüssigen ^e&iuis verbunden« Das Einbetten der Schlange in die ö-itteimatriM kann erfolgen, indem die se'nr'äubenföriaiga Schlange 3Ö in siiian ■ zylindrischen Raum eingesetafe v/irdj der.von 3\73i kon^entfiseh angeordneten^ iohrformigGn Fornrbeila aus einem LIaterial begrenzt wirdj das sieh uicä.t mit dan Xör-perteilohen verbindet, deren Dimensionen Mti dem V/drt der chax^akteristisclien Dimension in Eeziehiing stehen_ö Diö SOrateile haben verscliiedenenDüfölimeäser "und es kann der rinsiörmige Bäuia izv;iseilen diesen Föratöilen miu den eiriaelneii KÖrpertöilökeiit auagefülltwerdeno Öürßli öeiiüttßln imd ¥ibriereii dör Gesaatanördntins läßt si.cn die gewünsoMe Terteilüh[i der K©rpor rund tiia- die Windungen der Söklänge ei anordnung v/ird dann· bei der i

scii Bekäiidelt und es" v/srdsri dann die- Foi'mteils

Die etiis der HülBs^eii öittgSMä-6^iSs- und der ScMänge besteiiände GeeasitstilkMr wifd- dann in der dargestelltöh Ausfükfungsform·- der Erfiiidlinj montiert" und es wird vqii der Wäimsiifesrt^ägimfsmätridi §in3 Verbrennungskanaer- JS ii "

In typischer V/eise kann, eiiie B3?eMii§ipiätte 5^ vo^geselisü v/erdenj die eine VielzaSi von MäBäien 55 Luit-öäs-öemisöiies unter SrücSl iö die g

38 aufweist 1 das von eiiier mit dei? leitung Ia ünä fitting |7 vörijündenen, "Qusii# geliefert wiM« !ϊϋ

# ist seitliei Ml ΪΜ Wiükel eijäi iünd-

bekannfef

§§§S4i/iii§ BAD

spielsweise eine Funkenstrecke_s die die erforderliche Entzündung der gasförmigen Brennstoffmischung bewirkt» Eine äußere Wandung 41 umgibt die der Wärmeübertragung dienende Anordnung und es führt ein Rauchrohr 42 für die Abgase zu einem nicht näher dargestellten, üblichen Schornstein_o Eine Deckplatte 43 ist mit der Anordnung zur Wärmeübertragung und der Leitung beispielsweise mit Hilfe von !«lüttem und Schraubbolzen befestigt, die teilweise in die Iiatrix eingebettet sind«,

Eine praktische Ausführur.gsform. einer Y'ärmeübertragungoeinheit, wie sie anhand der Figo 1 bis 3 beschrieben worden ist, hatte als Abmessungen etwa 12,5 cn im Durchmesser und etwa 12,5 cm Länge und wurde dazu benutzt, einen kontinuierlichen Heißv.-asserstrom von etwa 11 l/m zu erzeugen,, Der Brenner für die Y.'ärmeübertragungseinheit sowie alle elektrischen Steuereinrichtungen, einschließlich eines Thermostates, eines Luftfilters und Sicherheitsvorrichtungen waren zu einem Gerät zusammengefaßt, das eine Höhe von etwa 15 cm, eine Breite von etwa 27,5 cn und eine Gesamtlänge von etwa 45 cm aufwies« Solch ein Wärmeübertragungsmodul kann übliche Heißwasserbereiter vom Speichertyp ersetzen, wie sie heute üblich sind unä Durchmesser von etwa 60 cn und Höhen von etwa 180 cm aufweisen· Das neue verbesserte Gerät kann becuen nahe der Verbrauchsstelle montiert werden« Im Hinblick auf die extrem geringen Kosten können auch viele solcher Geräte eingebaut werden, wodurch erhebliche Kostenersparnisse hinsichtlich der Installationen möglich sind, wie sie bei heutigen zentralisierten Eaushalts-Heißwasserbereitungssystemen anfallen.

90 9 8 42/1115

BAD OHiGiNAL

Bei der Anordnung nach. Figo 7 ist die Ausführungsform der Erfindung nach den Fig« 1 "bis 3«, einschließlich der zugehörigen Bauteile ._t in ihrer Gesamtheit als Wärmeübertragungsmodul 50 bezeichnete Ein Gebläse 51 ist mit Hilfe des fittings 37 angeschlossen und fördert die Luft- und Gasnischung in die Brennkammer 38 _o Von einer Quelle 53 > cLie jedes handelsübliche Stadt-, Erdoder Flaschengas liefern kann,, wird das Gas über ein Lüagnetsteuerventil 54- unä einen Eegler 55 zum Zinlaß des Gebläses 51 geführte Für die meisten Zwecke genügt ein Gebläse kleiner Abmessungen und billiger Ausführung,» Der seitlich von dem Wärmeübertragungsmodul 50 abstehende

Abzug 4-2 ermöglicht den Austritt der Verbrennungsgase zu einem üblichen Auslaß« \7egen der Wirksamkeit der Wärmeübertragung und der Tatsache, daß die Abgastemperatur außerordentlich niedrig ist, genügt eine kleine Abzugsöffnung in einer Wand, wie sie beispielsweise für Haushaltswäschetrockner benützt wird. Es wird kein Schornstein mit natürlichem Zug benötigt, was ebenfalls eine Ersparnis von Baukosten zur Folge hat_o Die Wasserversorgung ist durch die Bezugszahl 56 angedeutet und es wird das erwärmte Wasser durch die Leitung.57 einem Zapfhahn 58 für den sofortigen. Gebrauch zugeführt» In der Leitung 57 kann ein auf Temperatur und Druck ansprechendes Sicherheitsventil 59 angeordnet sein«, Es ergibt sich demnach, daß große Speichertanks oder Boiler, wie sie heute als Warmwasserquellen benutzt werden,.vollständig vermieden werden können» Statt dessen wurde eine kompakte und einheitliche Quelle offenbart, die leicht unmittelbar aa der Stelle installiert werden kann, wo sie benötigt wird, beispielsweise im Badezimmer oder in der Küche₀

9098 4 2/1115

4ΐ ■ r -_) :-

BAD

7 —

Die -zugehörige Schaltung zur Steuerung das Gebläses sowie der Thermostat "ur.ä die Zimdübs-rv/achung zuaa::.r:3n nit dem Magnetventil für die Gasquelle wurden nicLj "besonders beschrieben, denn es handelt sich um handelsübliche Bauteile und es erfolgt der Einbau dieser Hittel nach der bekannten !Technik,

Bei der Aus führungshorn nach den i?igo 8 und 9 ist eine Gruppe geradliniger Rohre 61 in eine Gib oerma-crix 62 eingebettet, die aus thermisch leitenden Körpern besteht, wie e,3 oben beschrieben wurde. Sine obere Endplatte ist mit einem Lediumeinlaß 64 versehen und mittels L-LLttern 65 an Schrauben 66 befestigt, die in einen Sing 67 eingelassen sind. Die optisch dichte llauri:-: umgibt die geraden Rohre 61, dia darin eingebetteb sind» Die Enden dieser Hohre und des Einlasses 64 sjelien ni'j einem Kanal 63 auf der Innenseite des Ringes 67 in Verbindung. Eine gleichartige Anordnung ist am entgegen- ■ gesetzten Ende der Liatrix vorgesehen und umfaßt eine untere Endplatte 71 uml einen angrenzenden Ring 7O₅ der ni-t einem inneren Kanal 68a versehen ist, in den die Enden der Rohre 61 münden_o An den unteren Ring ist ein Llediumauslaß 72 angebracht. Die untere Endplatte 71 v/eist weiter eine Anzahl von Kanälen 73 für ein Gas-Luft-Gemisch auf, das in die Anordnung durch eine Leitung 74 eingeführt wird» Die Zündung des Brennstoffes innerhalb der Kaminer 75 v/ird durch eine Zündkerze 76 "bewirkt, die von der oberen Endplatte 63 getragen wird«,

Die Ausführungsform nach den Pig« iO und 11 ist für Anwendungen mit sehr hohen Leistungsdichten bestimmt«

•A

909842/1115 BAD ORIGINAL

1802229

Boi dieser Ausführung:form sind die Leitungen 77 und 73 konzentrisch zu einer gemeinsamen Achse angeordnet» Die äußere Leitung 77 ist an "beiden Enden durch leitende Platten 79 und 80 versehlos.sea» Ein Einlaß 81, ermöglicht den Zutritt eines flüssigen Mediums, wogegen ein Auslaß 82 den Austritt des i.Iediums in erwärmten oder dampfförmigem Zustand zuläßtο Die innere La LDung 78 ist an ihren Enden offen, so daß ein erwärmtes !.ledium, wie beispiels— v/eise die Gase einer direkten Sauer stoffgasf lamme, aurch das Innere 85 dieses Rohres strömen können. Die Strömungsriehtung ist durch den Pfeil 84 angedeutete Eine optisch dichte Matrixanordnung 85 "besteht aus einer Vielzahl thermisch leitender, sphärischer Körper, die miteinander verbunden sind, um gemäß den Lehren der Erfindung den V.'ärmeübertragungspfad zu bilden,. Die Ma"crixanordnung 85 nimmt den Hauptteil des Querschnittes der Leitung 78 an und es ist die charakteristische Dimension dieses Gliedes gleich dem inneren Durchmesser der kreisförmigen Leitung, wie es durch den Pfeil 86 und die Bezeichnung CD an- ' gedeutet ist©

Eine gleichartige Gittermatrix 6?■füllt den Querschnitt der äußeren Leitung 77 aus«, Da die innere Gittermatrix 85 nur einen !Peil der Gesamtlänge des Innenraumes B3 zur Konzentration des heißen Mediums einnimmt_f" beiin» det sich der Wärmeübertragungsbereieh, zwisehes ten " Medien in dea entsprechenden lieitmngea. im wesentliQhen in dem dursh die Klammer 88 angegebenen EafflS· Dieser ermöglicht die Anwendung bei sehr sohea Leist\ing§

909 842/1111

Ein Beispiel für die.Anwendung der oben angegebenen Gleichung (1) bei der Übertragung von Wärme von einer intensiven Wärmequelle sei für die Ausführungsforn nach den Fig. 10 und 11 gegeben. Unter Verwendung einer direkten Flamme sei angenommen, daß an der Trennschicht eine Leistungsdichte von etwa I5OO W/cm erzielt wird und mit Silber hart gelötete Kupferteilchen verwendet werden. Die genannte hohe Wärmedichte wird gleichmäßig auf eine Fläche verteilt, die etwa das Zehnfache des Oberflächenbereiches beträgt, so daß sich in Sichtung des Wärmepfades senkrecht zur Achse der Leitung 78 und des Wärmeflusses eine Dichte von I50 W/cm ergibt. Weiterhin sei angenommen, daß der Temperaturabfall 55 0 betragen soll, Kupfer hat eine thermische Leitfähigkeit von etwa 3 kcal/h.cm.⁰C. In der endgültigen Struktur wird jedoch wegen der gelöteten Verbindungsstellen und der optischen Dichte der Wärmewege eine nur geringere Leitfähigkeit erreicht. Sin Leitfähigkeitsfaktor von 50 °j ergibt einen realisierbaren Konstruktionsfaktor. Unter Verwendung der anderen bekannten Werte wird die Länge des Wärmeweges L wie folgt berechnet:

L =

55° G χ 1,5 kcäl/h.cm.⁰ C 130 kcal/h.cm

= 0,635 cm

Die charakteristische Dimension ist gleich dem Zweifachen der Länge des Wärmepfades und beträgt demnach 1,27 cm. Ein thermisch leitender Körper mit einer mittleren Größe •von etwa 2 - 6 mm wird demnach benötigt, um die optimal optische Dichte zu erzielen.. Für die meisten Anwendungen wird für die Größe des thermisch leitenden Körpers 1/3 der charakteristischen Dimension, d.h. hier eine Größe von 4- am, bevorzugt.

0 9 8 4 2/1115

BAD ORIGINAL

11 «I

- 20 -

Bei der in Fig. 12 dargestellten weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine schraubenförmige Schlange mit einer Vielzahl von Windungen 90 in eine äußere Matrix 91 eingebettet. Wenn für die Matrixkörper, die die Schlange umgeben, die richtigen Konstruktionswerte gewählt worden sind, kann das Innere der Schlange mit anderen leitenden Teilchen gefüllt werden, die nicht die gleichen kritischen Forderungen zu erfüllen brauchen. Daher können bei Dampferzeugern oder in Kondensatoren Teilchen wie Geflechte, Drähte, Schnitzel, Späne und dergleichen verwendet werden, wie sie bei 92 angedeutet sind« Eine solche Struktur zum Ausfüllen der Leitung ist für die industrielle Anwendung der Erfindung von besonderer Bedeutung.

Die vorstehenden Ausführungen haben die Vorteile der Kompaktheit und Wirksamkeit der offenbarte Wärmeübertragungsanordnung gezeigt, die darin liegen, daß die optisch dichte Matrixstruktur bedeutend erhöhte Leistungsdichten ermöglichte Die Konstruktionskriterien bezüglich

der Anzahl der Verbindungsstellen längs des Wärmeweges und der durchschnittlichen Größe der thermisch leitenden Körper in bezug auf die charakteristische Dimension zum Erzielen der gewünschten optischen Dichte wurden im einzelnen behandelte Die obige Diskussion und beispielhafte Anwendung der Gleichung erleichtert die Anwendung der Erfindung in der Praxis„ Außer den Ausführungsbeispielen lassen sich für andere Anwendungszwecke zahlreiche andere Gestaltungen denken,, Beispielsweise können die thermisch leitenden Körper, die sich bei den

9 0 9 8 U 2 / 1 1 1 5

Ausführungsbeispielen nach den Pig· 1 und 8 mit den äußersten Wandungsflächen der Rohre in Berührung befinden, weggelassen werden, so daß dieser Abschnitt ■ der die Trennschicht bildenden Leitungswände freilegt. Der Wärmeübertragungsweg innerhalb der Matrix zwischen den im Abstand voneinander angeordneten Leitungsabschnitten würde trotzdem noch immer durch die thermisch leitenden Körper im Wege des Mediumstromes bestimmt sein«

Nach alle dem versteht es sich, daß die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele nur zur Erläuterung der Erfindung dienen, ohne die Erfindung in irgend einer Weise zu beschränken, und daß Abweichungen von diesen Ausführungsbeispielen möglich sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen·

909842/1115

ORIGINAL INSPECTED

Claims

- 22 -

Patentansprüehe

1, Wärmeaustauscher für zwei strömende Medien mit einer zwischen den beiden Medien angeordneten wärmeleitenden Trennschicht und einem auf einer Seite der Trennschicht vorgesehenen Durchlaß für · das eine Medium, dadurch gekennzeichnet, daß in diesem Durchlaß eine Vielzahl wärmeleitender Körper (10) angeordnet ist, die in dem Durchlaß eine optisch dichte Gittermatrix (11) bilden und deren durchschnittliche Größe im wesentlichen gleich dem Maximum ist, das die optische Dichte in der im wesentlichen kürzesten Dimension längs des Durchganges bewirkt und einen oder mehrere Wege für den Fluß des entsprechenden Mediums durch die Gittermatrix (11) bildet,

2« Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Körper (10) wärmeleitend miteinander und vorzugsweise auch mit der Trennschicht (12) verbunden sind»

3ο Wärmeaustauscher nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Körper (10) miteinander und gegebenenfalls mit der Trennschicht (12) metallogisch verbunden sind.

4-e Wärmeaustauscher nach einem der vorhergehenden An-. sprüche, dadurch gekennzeichnet,. daß die durchschnittliche Anzahl der Verbindungsstellen zwischen " aneinandergrenzenden Flächen längs des Ubergangspfades in der Richtung (14), in der die am nächsten

909842/1115

liegende Fläche der Trennschicht (12) erreicht wird, in der Größenordnung von Zwei liegt.

5· Wärmeaustauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennschicht eine den Durchlaß für das Medium "begrenzende Wandstruktur (17» 18) bildet und die durchschnittliche Größe der wärmeleitenden Körper (16) etwa die Hälfte bis ein Sechstel und vorzugsweise etwa ein Drittel der charakteristischen Dimension (CD) der Wandstruktur beträgt·

6· Wärmeaustauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand von der Wand einer Leitung (23) für eines der Medien gebildet wird und die wärmeleitenden Körper (24) an der Außenseite der Leitung (23) angeordnet sind und einen gewundenen Weg bilden, auf dem das zweite Medium die optisch dichte Gittermatrix (24) durchströmen kann·

7· Wärmeaustauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (30; 61) mehrere Windungen oder mehrere parallele Abschnitte aufweist und die mit der Außenseite der Leitung (30; 61) verbundene Gittermatrix (31 bzw, 62) einen oder mehrere Wege für den Fluß des zweiten Mediums zwischen den im Abstand angeordneten Windungen bzw· Leitungsab— schnitten hindurch bildet.

909842/1115

1802229

8. Wärmeaustauscher nach den Ansprüchen 6 und 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Gittermatrix (3*1; 62) einen zylindrischen Hohlkörper, mit einem zentralen Durchlaß (38 bzw, 75) bildet.

ο Wärmeaustauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand von der Wand einer Leitung (78) für eines der ^, Medien gebildet wird und die optisch dichte Matrix (85) den inneren Querschnitt der Leitung (78) im wesentlichen ausfüllt«

1Oe Wärmeaustauscher nach Anspruch 9» dadurch gekenn- * zeichnet, daß konzentrisch zur Leitung (78) eine zweite Leitung (77) angeordnet ist, mit der das andere Medium auf einem Weg in unmittelbarer Nähe der äußeren Wandfläche der ersten Leitung (78) geführt wirdο

11. Wärmeaustauscher nach den Ansprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Leitung" {77) eine Gittermatrix (87) angeordnet ist, die im wesentlichen den gleichen Aufbau aufweist wie die Matrix (85) in der ersten Leitung (78),

12« Durchlauferhitzer mit einem Wärmeaustauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Einrichtung zum Erwärmen des zweiten Mediums in dem Durchlaß (58) aufweist·

909842/1115

13· Durchlauferhitzer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erwärmen des zweiten Mediums einen Brenner (37_} 35) umfaßt, mit dem Brennstoff in den Durchlaß (38) injiziert wird«

14„ Durchlauferhitzer nach den Ansprüchen 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß-die Einrichtung zum Erwärmen des zweiten Mediums ein Gebläse (51) aufweist«

15β Durchlauferhitzer nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erwärmen des zweiten Mediums eine Zündeinrichtung (40) umfaßt«

16. Durchlauferhitzer nach einem der Ansprüche 12 bis 15» dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende des Durchlasses (38) verschlossen ist.

17« Durchlauferhitzer nach einem der Ansprüche 12 bis Ί6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Leitung (90) eine Vielzahl wärmeleitender Körper (92) enthalten ist.

909842/1115