DE2009035B2 - Trennwand-waermetauscher - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen Trennwand-Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einem aus der GB-PS 7 83 177 bekannten Wärmetauscher dieser Gattung, bei dem die Zirkulationskammer relativ schmal im Verhältnis zu ihrer parallel zum Fluidstrahl gemessenen Länge ist und sich nur ein lochartiger Auslaß in einer ihrer Wände befindet, ist nicht gewährleistet, daß sich in der Kammer nur eine einzige Zirkulationsströmung mit homogener, nichtchaotischer, stabiler Feinwirbel-Turbulenz ausbildet. Eine derartige Zirkulationsströmung hat sich zum weitgehenden Abbau der den Wärmeübergang verschlechternden Grenzschicht an der Trennwand als zweckmäßig erwiesen.

In der FR-PS 12 32 350 (Fig. 12) ist zwar schon eine Wärmetauscheinrichtung mit einer geschlossenen Zirkulationsströmung dargestellt, die einerseits eine Trennwand und andererseits eine dieser gegenüberliegende Abschließwand einer Kammer bestreichen soll. Da hier aber keine Düse vorgesehen ist, entsteht am Fluideinlaß kein freier Strahl, sondern eine Abrißströmung oder allenfalls ein flatternder Strahl, so daß keine in der erforderlichen Weise geordnete Zirkulationsströmung entstehen kann und zu bezweifeln ist, daß die Strömung wirklich den dargestellten Stromlinien folgt.

Ferner ist aus der OE-PS 1 84 276 ein Wärmetauscher bekannt, bei dem als Fluidauslaß einer Kammer ein Ringspalt im weiteren Sinne vorhanden ist. Diese Kammer hat aber keine Abschließwand, so daß sich ^ keine Zirkulation des Fluids einstellen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von einem Wärmetauscher der eingangs bezeichneten bekannten Gattung eine für den Wärmetausch besonders wirtschaftliche Strömungsform in der Kammer zu erzwingen. Dies heißt, daß Wirbelströmungen abseits der wärmetauschenden Trennwand, die nur Pumpleistung verbrauchen, aber nichts zum Wärmetausch

beitragen, möglichst vermieden werden.

Diese Aufgabe wird bei einem Wärmetauscher der eingangs genannten Gattung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Ein Wärmetauscher gemäß der Erfindung ermöglicht durch Verkleinerung oder Beseitigung der Grenzschicht einen außerordentlich guten Wärmeübergang an der Trennwand. Dabei ist von zusätziichem Vorteil, daß der ringförmige, in der Regel symmetrische Abfiuß die Strömung besonders übersichtlich und stationär macht und eine chaotische Strömung praktisch vollkommen vermeidet.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

Fig. 1 einen Wärmetauscher in vereinfachter Darstellung, die zur Erläuterung der Strömungsverhältnisse dient, und

F i g. 2 eine Ausführungsform gemäß der Erfindung.

Nach F i g. 1 besteht der Wärmetauscher aus der Turbulenzkammer 3, deren eine Wand von der Trennwand 5 gebildet wird. In der ihr gegenüberliegenden Abschließwand 14 ist die Zulaufleitung 1 angebracht, der das eine, kältere der beiden wärmetauschenden Fluide bei dem Pfeil 7 unter Überdruck zuströmt, und aus deren Mündungsöffnung 9 es in einem freien Strahl 2 in die Turbulenzkammer 3 strömt. D,e Ablesung des Fluids erfolgt bei 10 (Pfeil T). Es ist vorteilhaft, wenn die Turbulenzkammer unter einem höheren als dem Umgebungsdruck steht, damit das Medium ohne Saugvorrichtung abströmen kann. Dies wird erreicht, wenn die Zuströmung zur Zulaufleitung J aus einem höher liegenden Behälter oder durch eine Pumpe unter Druck erfolgt.

Das andere, wärmere Fluid befindet sich auf der anderen Seite der Trennwand 5, durch die es eine Wärmemenge Q an das erstgenannte, kältere Fluid in der Turbulenzkammer abgibt.

Der Strahl 2 ist senkrecht auf die Trennwand 5 gerichtet. Auf seinem Wege bis dorthin reißt er das umgebende, schon früher eingebrachte Fluid 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 Trennwand 5 umgelenkt und parallel zu ihr weitergeführt werden kann. Da der Strahl in der Mitte und senkrecht auf die Trennwand auftrifft, breitet sich die Strömung radial nach allen Seiten aus, bestreicht die Seitenwände der Turbulenzkammer 3 und kehrt entlang der der Trennwand gegenüberliegenden Abschließwand 14 zum eintretenden Strahl 2 zurück, wie durch die Bahnlinie 8 gezeigt ist. Durch diese Strömung und das Mitreißen energieärmerer Teilchen des Fluids wird der gesamte Kammerinhalt in eine konstante, nichtchaotische Zirkulation mit nahezu in sich geschlossenen Strömungsbahnen versetzt, die als Bahnlinien 4 dargestellt sind. Bei einem Auslaß, wie er in F i g. 1 dargestellt ist, würde die Zirkulation sich gegen die Ableitung 10 hin bewegen und eine Art Flüssigkeitsspirale bilden.

Durch das stetige Zuführen von Fluid unter höherer Geschwindigkeit in das zuerst ruhende und auch bei vollem Betrieb mit kleinerer Geschwindigkeit zirkulierende Fluid 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 Feinwirbel-Turbulenz breitet

sich durch die ZJrkntation des Mediums dreidimensional über die ganze Torbufenzkammer gleichmäßig aus, so daß sie eine Votftorbelenz erzeugt und die Einzelteilchen senkrecht zu inrer Örtlichen Tn,nslationsrichtung versetzt Diese Austauschbewegung wirkt in der der Trennwand 5 nächsten Turbulenzschicht 6, neben der mechanische» Wirkung des auftreffenden Strahls, im besonderen' abbauend auf die Grenzschicht 13 durch Aktivierung inrer Massenteilchen, was gleichbedeutend isf mit eivter gesteigerten spezifischen Wärmeaustausch- _[O leistung. Dieser Vorgang wird durch die ständige, zwangsläufige Zirkulation des Mediums noch unter stützt, durch die es mehrfach über die Trennfläche geführt wird, was eine Erhöhung der Wärmeaufnahme bzw. -abgabe durch bessere Ausnützung der vorhande- _fr_ nen Möglichkeiten gewährleistet und so zu einer Steigerung der Wirtschaftlichkeit fuhrt

Die Zulaufleitung 1 kann als Rohr bis in die Turbuienzicammer 3 bmemreJchen oder auch nur bis zur Turbulenzkammer fuhren und geht an der Mündung in ^_n eine Düse über, was verschiedene hydraulische Vorteile bringt. Es können jeweils mehrere Strahlen in die Turbulenzkammer eingeleitet werden, auch kann jeder Strahl bis zu einem gewissen Grad schräg oder seitlich auf die Trennwand airftreffen.

Ist die Turbulenzkammer im Verhältnis zu ihrem Durchmesser bzw. zu ihrer Breite zu hoch, so kann es sein, daß sich in den von der Trennfläche abgelegenen Bereichen zur Zirkulationsströmung gegenrrtierende Turbulenzbalfcn ausbilden. Diese tragen zum Wärme- _3Ö übergang nichts bei, verzehren nutzlos Energie und die Turbulenzkammer ist schlecht ausgenutzt. Es ist daher vorteilhaft, die Größenverhältnisse der Turbulenzkammer derart zu wählen, daß die Zirkulationsströmung die der Trennfläche gegenüberliegende Abschließwand ^ bestreicht, »»as sich durch Berechnung oder Versuche ermitteln läßt.

Gemäß Fig. 2 ist der Auslaß 11 der Turbulenzkasnmer 3 nicht als Rohr, sondern als Ringspalt ausgebildet also als ringförmig um die fCaramerwandung führender Spalt.

Um eine größere thermische Leirungsfiäche zu erhalten, oder auch um höheren Systemdrücken standhalten zu können, kann man die Trennfläche gewölbt oder gekrümmt ausführen, beispielsweise als Teil einer Hohlkugel, einer tierschale, eines Zylinders oder eines Kegeis, was auch die Ausbildung der Zirkulation erleichtern kann.

Es können auch mehrere Turbuienzkammem in Parallel- oder Serienschaltung auf einer gemeinsamen Trennfläche angeordnet sein. Bei Parallelschaltung ist die Turbulenzkammer in mehrere Einzelkammem unterteilt, und für jede muß eine Ableitung vorgesehen werden. Bei Serienschahung sind gleichfalls eine Anzahl Turbuienzkammem auf derselben Trennfläche angeordnet wobei die einzelnen Kammern von dem einen Fluid hintereinander durchströmt werden. Zu diesem Zweck kann das Fluid 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 konventioneile Mittel, wie z. B. Wärmeleitflachen, verbessert werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Trennfläche mit einer Prägung zu versehen, wodurch die wärmeübertragende Fläche vergrößert wird

Der beschriebene Wärmetauscher kann grundsätzlich mit Vorteil bei aflen Einrichtungen angewendet werden. bei welchen ein Wärmeaustausch zwischen zwei Medien staufindet, von denen wenigstens eines in Bewegung ist Ab Beispiele seien Kühler, Erhitzer, Dampferzeuger und Kondensatoren genannt

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Trennwand-Wärmetauscher, bei dem auf mindestens einer Seite der Trennwand eine mit dem einen Fluid gefüllte Kammer vorgesehen ist, in deren der Trennwand gegenüberliegender Abschließwand eine Zulaufleitung für das Fluid angeordnet ist, die mittels einer düsenförmigen Mündung einen Freistrahl annähernd senkrecht gegen die Trennwand richtet, der das die Kammer füllende Fluid mitreißt und in Zirkulation versetzt, sowie mit einem Auslaß in der Kammerwandung für das Fluid, dadurch gekennzeichnet, daß die Größenverhältnisse der Kammer (3) so gewählt sind, daß eine einzige stationäre Zirkulationsströmung (Bahnlinien 4, 8) sich in der Kammer (3) einstellt, deren der Trennwand (5) abgewandtes Ende die Abschließwand (14) bestreicht, wobei der Auslaß (11; F i g. 2) in der Form eines Spalts ringförmig um die Kammerwandung führt, so daß über den ganzen Umfang der Kammer das Abströmen eines kleinen Teils des Fluids aus der Zirkulationsströmung ermöglicht wird.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß entlang der Trennwand (5) mindestens zwei Kammern (3) fluidseitig hintereinandergeschaltet sind.