DE2009035A1 - Verfahren zur Verbesserung der Warmeuber tragung zwischen zwei Medien und Einnch tung zur Durchfuhrung dieses Verfahrens - Google Patents

Description

Verfahren zur Verbesserung der Wärmeübertragung zwischen zwei Medien und Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der .Värmeübertragung zwischen zwei durch eine Trennfläche getrennte Medien durch Verkleinerung der Grenzschichtdicke auf mindestens eiiier Seite der Trennfläche, die auf dieser Seite eine innenwand eines | mit dem einen Medium gefüllten,geschlossenen Raumes bildet, ferner betrifft sie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens,

Bei der indirekten Wärmeübertragung, d.h, durch eine die wärmetauschenden Medien separierende Trennfläche hindurch, wird vielfach der V/eg beschritten, die Medien zwanglos an der Trennfläche vorbeifliessen zu lassen. Pauschale Berechnungsformeln für diese Vorgänge sind allgemein bekannt. Nicht erfassbar ist dabei die Art der unkontrollierten Grobturbulenz in der Strömung und deren Einfluss auf den Wärmeübergang zur bzw. von der Trennfläche, obschon man empirisch die Erkenntnis gewonnen hat, dass die sogenannte Grenzschicht, besonders bei grösserer Dicke, wie sie sich beispielsweise bei höherer Viskosität einstellt, den Wärmeübergang verschlechtert.

Zur Auflösung oder mindestens Verkleinerung der Grenzschichten hat sich die Erzeugung einer zusätzlichen- Turbulenz in den strömenden Medien als vorteilhaft erwiesen«, Zu diesem Zweck© werden in den Strömungsweg der Medien Leit-, Wirbel«_f Verdrängungs- oder sogar StÖrkÖrper eingebaut, welche zwas> dea Strömungswiderstand vergrös- eera, aber durch Reduzierung des? (ärens@ehioktezi._;ä.en Wärmeübergang

verbessern.

Die Grenze für die Wirksamkeit dieses Verfahrens liegt darin, dass die so erhaltenen Turbulenzen nicht sehr stark und dazu noch inhomögen sind. Die durch derartige Einbauten mechanisch hervorfierufenen Wirbel entsprechen ungefähr den Karman'sehen Wirbelformen, d.h. ihre Abmessungen liegen in der Grössenordnung der sie erzeugenden Einbauelemente. Ferner ist die Ausbreitung dieser, eher Turbulenzballen zu nennenden Wirbel nur eine örtliche, also auf die Nähe der Einbauten beschränkt, aber nicht über einen grösseren Raum verteilt,

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ohne Einbauten, allein durch hydraulische Impuls- und Massenkräfte, eine möglichst über die ganze Trennfläche, durcxi ;. ν, ■/-^übertragung erfolgt, reichende und möglichst; feine, gleicbmässige Turbulenz zu erzeugen.

Diese Aufgabe wird erfindungs,gemäss dadurch gelöst, dass mindestens ein gegen die brennfläche gerichteter freier Strahl des einen Mediums unter Überdruck in den geschlossenen Raum eingeleitet, an der Trennfläche umgelenkt und hierauf parallel zu ihr geführt wird, so dass er unter Energieabgabe das umgebende Medium mitreiset und in Zirkulation mit nahezu in sich geschlossenen Strömungsbahnen versetzt, 'wobei sich durch hydraulische Impulskräfte eine homogene, nicht-chaotische, stabile Feinwirbel-Turbulenz ausbildet, die die Einzelteilchen des Mediums in ständigen Positionswechsel senkrecht zu ihrer örtlichen Tranais⁴■'"r«richtung versetzt und die sich zu~ folge der "'■..·'■;u,Xat.v\i idiiiias dreidimensional über den geschlossene·;. ': · ,^. ; i.-jt'Tc it et und &;■ In diesem sine Vollturbulen» erzeugt,-

1- · U/135 S BAOOB.G.NAL

Vorteilhafte Ausgestaltungen, dieses Verfahrens bestehen u.a. darin, dass der freie Strahl zumindest annähernd senkrecht zur Trennfläche in den geschlossenen Raum eingeleitet wird, ferner darin, dass die Zirkulationsströmung mehrmals über die Trennfläche geführt wird.·

Eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist gekennzeichnet durch eine mit Medium gefüllte Turbulenzkammer, deren eine Wand die Trennfläche bildet und deren der Trennfläche gegenüberliegende Abschliesswand mit mindestens einer Zulaufleitung verbunden ist, aus der das zuzuführende Medium in einem freien Strahl in die Turbulenzkammer strömt. , '

Sine derart auf hydraulischem V/ege erzielte Turbulenz weist homogene und wesentlich feinere Wirbel auf, als-sie durch konventionelle, eingebaute Strömingswiderstände in Form Karman'scher Wirbel erzeugt werden können. Die entstehende Yollturbulenz breitet sich über die gesamte Trennfläche aus, wodurch die Grenzschicht mindestens teilweise abgebaut und der Wärmeübergang beträchtlich erhöht wird.·

In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiel® der Erfindung I schematisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Einrichtung im Axialschnitt j
Fig. 2 eine Variante dazu; ·

Fig. 3 und 4 je eine Ausgestaltung der Einrichtung nach Fig. 1; Fig. 5 öine Draufsicht der Einrichtung nach Fig. 4 bei abgehobener Abschliesswand.

Nach Fig. 1 besteht die Einrichtung zur Verbesserung der Wärmeübertragung aus der furbulenzkammer 3, deren eine Wand von der Trenn-'

&mw «.v?. 1-09814/1358

fläche 5 gebildet wird. In der ihr gegenüberliegenden Abschliess-. wand 14 ist die Zulaufleitung 1 angebracht, der das eine, kältere der beiden wärmetauschenden Medien bei 7 unter Überdruck zuströmt und aus deren Mündungsöffnung 9 es in einem freien Strahl 2 in die Turbulenzkammer 3 strömt. Die Ableitung des Mediums ist mit 10 bezeichnet. Ss ist vorteilhaft, wenn die Turbulenzkammer unter einem höheren als dem Umgebungsdruck steht, damit das Medium ohne Saugvorrichtung abströmen kann. Dies wird erreicht, wenn die Zuströmuhg zur Zulaufleitung 1 aus einem höher liegenden Behälter oder durch eine Pumpe unter Druck erfolgt.

Das andere, wärmere Medium befindet sich auf der anderen Seite der Trennfläche 51 durch die es eine Wärmemenge Q an das erstgenannte, • kältere Medium in der Turbulenzkammer abgibt.

Der Strahl 2 ist senkrecht auf die Trennfläche 5 gerichtet. Auf seinem Wege bis dorthin reisst er das umgebende, schon früher ein-» gebrachte Medium mit, ohne es bis zu seiner Geschwindigkeit beschleunigen zu können. Er gibt dabei einen Teil seiner Energie ab, doch muss noch genug vorhanden sein, damit er an der Trennfläche 5 umgelenkt und parallel zu ihr weitergeführt werden kann. Da der Strahl in der Mitte und senkrecht auf die Trennfläche auftrifft, breitet sich die Strömung radial nach allen Seiten aus, bestreicht die Seitenwände der Turbulenzkammer 3 und kehrt entlang der der Trennfläche gegenüberliegendenAbschliesswand 14 zum eintretenden Strahl 2 zurück, wie es durch die Bahnlinie 8 angezeigt ist.

Durch diese Strömung und das Mitreissen energieärmerer Teilchen des Mediums wird der gesamte Kammerinhalt in eine konstante, nicht-' > r 1098U/1358 _BAD ORlQJNAl.

·; chaotische Zirkulation rait nahezu in sich geschlossenen Strömungsbahnen versetzt, die mit 4 bezeichnet sind. Es ist jedoch nicht eine am Ort bleibende Zirkulation, sondern sie bewegt sich gegen die Ableitung 10 hin^ auf diese- Weise eine Art Flüssigkeitsspirale bildend.

Durch das stetige Zuführen von Medium unter höherer Geschwindigkeit in das zuerst ruhende und auch bei vollem Betrieb mit kleinerer Geschwindigkeit zirkulierende Medium, gibt der freie Strahl, wie bereits erwähnt, einen Teil seiner Energie ab, die durch hydraulische Impuls- und Massenkräfte in eine homogene Turbulenz mit Wirbeln umgesetzt wird, welche örtlich konstant und viel feiner sind, als sie durch Einbauten erzeugt werden könnten. Diese Peinwirbel-Turbulenz breitet sich durch die Zirkulation des Mediums dreidimensional über die ganze Turbulenzkammer gleichmässig aus_s so dass sie eine Vollturbulenz erzeugt und die Einzelteilchen des Mediums in ständigen gegenseitigen Positionswechsel senkrecht gu ihrer örtlichen Translationsrichtung versetzt..

Diese Austauschbewegung wirkt in der der Trennflache 5 nächsten Turbulenzschicht 6, neben der mechanischen Wirkung des auf treffenden Strahls, im besonderen abbauend auf die Grenzschicht 13 durch Akti-. vierung ihrer Massenteilchen, was gleichbedeutend ist mit einer, gesteigerten spezifischen Wärmeaustauschleistung. Dieser Vorgang wird durch die ständige, zwangsläufige Zirkulation des Mediums noch unterstützt, durch die es mehrfach über die Tragfläche geführt wfedg •was eine Erhöhung der Wärmeaufnahme bzw. -abgab® dra?ch bessere Aus« ■nutzung der vorhandenen Möglichkeiten g@wätel©ist®-fe und .so su-'e Steig«nu>£' der. Wirtachaftlichkeit führt ♦

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Die Zulaufleitung 1 kann als Rohr bis in die Turbulendkammer 3 hineinreichen, sie kann aber auch gegen die Mündung in eine Düse übergehen, was verschiedene hydraulische Vorteile bringt. Ferner kann sie auch nur bis zur Turbulenzkamraer führen und das Medium wird durch runde oder schlitzartige Öffnungen in der Abschliesswand 14 eingeleitet. Es können ,jeweils mehrere Strahlen in die Turbulenzkanimer eingeleitet werden, auch kann jeder Strahl schräg oder seitlich auf die Trennfläche auftreffen. Der Auslass für das Medium aus ™ der Turbulenzkammer muss nicht als Rohr wie in Pig. 1, sondern kann auch gemäss Fig. 2 als Ringspalt 11 ausgebildet sein.

Ist die Turbulenzkammer im Verhältnis zu ihrem Durchmesser bzw. zu ihrer Breite zu hoch, ao ka.^ · ^ sich in den von der Trennfläche abgelegenen Bereichen zrcu? Zirkulationsströmung gegenrotierende Turbulenzballen ausbilden. Diese tragen zum Wärmeübergang nichts bei, verzehren nutzlos. Energie und die Turbulenzkammer ist schlecht ausgenützt. Es ist daher vorteilhaft, die Grössenverhält- ^ nisse der Turbulenzkammer derart zu wählen, dass die Zirkulationsströmung die der Trennflächs gegenüberliegende Abschliesswand bestreicht, was sich durch Berechnung oder Versuche ermitteln lässt.

Ein Beispiel für eine Turbulenzkammer mit einer Vielzahl von Zu- ( laufleitungen 1 und dementsprechend vielen, auf die Trennfläche 5 gerichteten Strahlen 2 zeigt die Fig. 3. Die Zulaufleitungen werfen. aus dem durch die Isolierung 16 gegen Wärmeverluste geschützten Zulauf raum 15 gespeist, dem das g©saiat;a zuzuführende Medium, mit £? ; bezeichnet, durch dia Leitung "·? ivae^röat· Es ist nicht notwendig,

die TurbulenzkÄmms:? In myhrs^t, Sli2.a':.-;.'ä ims zu unterteilen, da bei

zweckentsprechender hydraulischer Abstimmung die turbulenten Strömungsbahnen 4 der Zirkulation sich automatisch nach ihrer jeweiligen Zulaufleitung 1 bzw. nach deren Strahlen 2 einstellen. - Der Zulaufraum 15 kann sich auch über mehrere Turbuienzkammern erstrekken.

Um eine grössere thermische Leitungsfläche zu erhalten oder auch um höheren Systemdrücken standhalten zu können, kann die Trennfläche gewölbt oder gekrümmt ausgeführt werden, beispielsweise als Teil einer Hohlkugel,einer Eischale, eines Zylinders oder eines * Kegels, was auch die Ausbildung der Zirkulation erleichtern kann.

Es braucht wohl nicht besonders erwähnt zu werden, dass ebenso das wär-mere Medium in der Turbulenzkammer vorhanden sein kann und seine Wärme durch die Trennfläche nach aussen an das kältere Medium abgibt. Ferner können auf beiden Seiten der Trennfläche gleiche oder ähnliche Turbulenzkammera angeordnet sein, um so einen intensiven Wärmeübergang auf beiden Seiten der Trennfläche zu erzielen.»

Ein weiterer Vorteil ergibt sich hierbei, wenn die Turbulenzkammer

bzw. deren Ableitungen derart angeordnet sind, dass die Ströraungs- ^ richtungen in den beiden Ableitungen einander entgegengesetzt sind. Da sich in beiden Turbulenzkammern die spiralenartige Zirkulationsströmung gegen die Ableitung hin bewegt, lässt sich mit der beschriebenen gegenseitigen Anordnung das Gegenstroisprinzip der Warmeübertragung durch die Trennfläche bis zu einem gewissen Grade _t verwirklichen. .

Es können auch mehrere Turbulenzkaramern in Parallel- oder Serienschaltung auf einer gemeinsamen Trennfläche angeordnet sein, Bei

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Parallelschaltung ergibt eich eine Ausbildung ähnlich Jener nach * Fig. 3» doch ist dann die Turbulenzkammer in mehrere Einzelkammern unterteilt und für jede muss eine Ableitung vorgesehen werden. Bei Serienschaltung sind gleichfalls eine Anzahl Turbulenzkammern auf der selben Trennfläche angeordnet, wobei die einzelnen Kammern von dem einen Medium hintereinander durchströmt werden. *Zu diesem Zweck kann das Medium unter entsprechend hohem überdruck der ersten Kammer zugeführt werden, der dann für die Durchströmung aller Kammern ausreicht, oder es können je nach Bedarf zwischen den Kammern noch druckerzeugende Vorrichtungen eingeschaltet werden.

Der Wärmeübergang an der Trennfläche kann bei den beschriebenen Einrichtungen durch konventionelle Mittel verbessert werden. So ist "es z.B. vorteilhaft, gemäss den Pig. 4 und 5 mehrere Wärmeleitflächen 12 vorzusehen, die mit der Trennfläche thermisch leitend verbunden und in Strömungsrichtung angeordnet sind. - Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Trennfläche mit einer Prägung zu versehen, wodurch die wärmeübertragende Fläche vergrössert wird.

Das beschriebene Verfahren kann grundsätzlich mit Vorteil bei allen Einrichtungen angewendet werden, bei welchen ein Wärmeaustausch zwischen zwei Medien stattfindet, von denen wenigstens eines in Bewegung ist. Als Beispiele seien Kühler, Erhitzer, Dampferzeuger,

Kondensatoren und Wärmetauscher aller Art genannt, wobei die Medien flüssig, gas- oder pastenförmig sein können und praktisch unter jedem beliebigen Druck oder unter Vakuum stehen können.

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Claims (1)

1. Patentansprüche t

   ( 1,J Verfahren zur Verbesserung der Wärmeübertragung zwischen zwei durqh eine Trennfläche getrennte Medien durch Verkleinerung der Grenzschiehtdicke auf mindestens einer Seite der Trennfläche, die auf dieser Seite eine Innenwand eines mit) einen Medium gefüllten, geschlossenen Raumes bildet, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein gegen die Trennfläche (5) gerichteter freier Strahl (2) des einen Mediums unter Überdruck in den geschlossenen Raum einge- i leitet, an der Trennfläche umgelenkt und hierauf parallel zu ihr _:. geführt wird, so dass er unter Energieabgabe das umgebende Medium. mitreisst und in Zirkulation mit nahezu in sich, geschlossenen :. Strömungsbahnen (4-) versetzt, wobei sich durch hydraulische Im- '-'., pulskräfte eine homogene, nicht-chaotische, staoile Feinwirbel-Turbulenz ausbildet, die die Einzelteilchen des Mediums in stan-» digen Positionswechsel senkrecht zu ihrer örtlichen,Translations- .; richtung versetzt und die sich zufolge der Zirkulation des Mediums -,■·■ dreidimensional über den geschlossenen. Raum ausbreitet und so in '*.■■-■■■* eine Vollturbulenz erzeugt.

   2« Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ·. freie Strahl (2) zumindest annähernd senkrecht zur Trennflache (5) _; in den geschlossenen Baum eingeleitet Wird. ;

   3* Verfahren<nacri AnspruchΛ, dadurcli gekennzeichnet, dass die . ' ZlrkulationsiitrÖmung mehrmals über dfe Trennfläche (3) geführt

   4* Verfahren'nach Ansprucfi'1, dadurch gekennzeichnet, dass der geeshloaaene Baum unter einem höheren alscdem Umgebungsdruck steht*

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   5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine mit Medium gefüllte Turbulenzkammer (3), deren eine '//and die Trennfläche (5) bildet und deren der Trennfläche gegenüberliegende Abschliesswand (14) mit mindestens einer Zulaufleitung (1) verbunden ist, aus der das zuzuführende Medium in einem freien Strahl (2) in die Turbulendkammer (3) strömt.

   6. Einrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass die fc ZulaufIeitung (1) gegen die Mündung (9) in eine Düse übergeht.

   7. Einrichtung nach Anspruch 5» gekennzeichnet durch einen Ringspalt (11) als Auslass für das Medium aus der Turbulenzkammer (3).

   8. Einrichtung nach Anspruch "- '.'-^t.- ** -?hnet durch derart abgestimmte Grössenverhältnisse der Turbulenzkammer (3)ι dass die Zirköiationsströmung die der Trennfläche (5) gegenüberliegende Abschliesswand (14) bestreicht.

   9. Einrichtung nach Ansprach 5 t gekennzeichnet durch eine gewäIb-P te Trennfläche (5)«

   10. Einrichtung nach Anspruch 5» gekennzeichnet durch mindestens zwei an die Trennfläche (5) anschliessende Turbulenzkammern (3), die von mindestens einem Medium hintereinander durchströmt werdeh.

   11. Einrichtung nach Anspruch 5% gekennzeichnet durch mindestens zwei an die Trennfläche (5) anschliessende Turbulenzkammern (3)»'

   , die aus einem gemeinsamen Zulaufraum (15) gespeist werden.

   12. Einrichtung nach Anspruch 5 mit einer ^e eine Ableitung für das Medium aufweisenden Turbulenzkammer auf jeder Seite der Trenn-

   fläche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsrichtungen in den "beiden Ableitungen (10) einander entgegengesetzt sind.

   13. piprichtung nach Anspruch 5» gekennzeichnet durch mit der Treninflächej. (5) thermisch leitend verbundenen Wärme leitflächen

   (12).y die' in Strömungsrichtung angeordnet sind*

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