DE2143155A1

DE2143155A1 - Verfahren zur Verbesserung der Wärmeübertragung und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2143155A1
Application number: DE19712143155
Authority: DE
Inventors: Der Anmelder Ist
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1970-09-23
Filing date: 1971-08-28
Publication date: 1972-03-30
Also published as: FR2107897A1

Description

Patentanwalt

Dipl.-Ing. Werner Grsrr.m 24.8.1971

Braunschweig

Th*odor-Heus«-Streße 1 2 1 A 3 1 5 5

' Dr. James E. Lage, 5222 Umiken, Schweiz, Kirchhalde 186

Verfahren zur Verbesserung der Wärmeübertragung und Einrichtung

zur Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Wärmeübertragung mittels mindestens eines eine wärmeleitende Trennfläche überstreichenden Mediums durch Verkleinerung der Grenzschichtdicke und Vergrösserung der wärmeleitenden Oberfläche auf i mindestens einer Seite der Trennfläche; ferner betrifft sie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bei der indirekten Wärmeübertragung, d.h. durch eine die wärmetauschenden Medien separierende Trennfläche hindurch, lässt man meistens die Medien zwanglos an den Flächen vorbeifliessen. Verbessernd wirken wirbelerzeugende Einbauten und Störkörper. Des weiteren wird die Wärmeübertragung erhöht, wenn man senkrecht auf die Trennfläche gesetzte Zusatzflächen in Strömungsrichtung umfHessen lässt. Nach einem neuen Vorschlag lässt sich eine " weitere Steigerung erreichen durch eine besondere Strömungsführung des Mediums, das senkrecht in einem freien Strahl in einen mit dem Medium gefüllten Raum eingebracht wird und unter Erzeugung einer besonderen, homogenen Turbulenzform eine zwangsmässig mehrfache Überstreichung der Trennfläche ermöglicht. Bei grösseren Turbulejickammern mit Anwendung einer Vielzahl von Strahlen kann jedoch die den gesamten Raum erfüllende Turbulenz nicht voll ausgenützt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auch in grossen Tur-

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bulenzkammern eine äusserst feine, homogene, grenzschichtabbauende und damit die Wärmeübertragung steigernde Turbulenz im Medi um bei gleichzeitig starker Vergrösserung der effektiven wärmeleitenden Gesamtoberflache * zu erreichen.

Diese Aufgabe wird nach dem erfindungsgemässen Verfahren dadurch gelöst, dass auf der vom Medium überstrichenen Seite der Trennfläche eine Anzahl offener Zellen vorgesehen ist, in welche je ein freier Strahl des Mediums unter Druck mit einer zur Trennfläche senkrechten Geschwindigkeitskomponente eingeleitet wird.

Eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist gekennzeichnet durch eine mit Medium gefüllte Turbulenzkammer, deren eine Wand die Trennfläche bildet, die mit Zellen besetzt ist, deren Wände wärmeleitend auf der Trennfläche befestigt sind, und die der Trennfläche gegenüberliegende Äbschliesswand mit einer Anzahl von Zulauf leitungen verbunden ist, aus denen das zuzuführende Medium jeweils in einem freien Strahl in die einzelnen Zellen strömt.

Die dadurch hervorgerufene gleichmässige, örtlich wiederholte hydraulische Beaufschlagung der Trennfläche und der Zellenwände unter Erzeugung einer Feinturbulenz erzielt eine Reduktion der Grenzschichtdicke und damit eine ausserordentllche, bisher unbekannte Wärmeleitungskapazität.

In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung flohem&tieoh dargestellt. Ee geigenι

Fig· 1 eine Einrichtung mit der Trennfläche und den Zellen im

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Querschnitt j in der oberen Hälfte mit einer ringförmigen» in der unteren Hälfte mit einer seitlichen Auslassöffnung;

Fig. 2, 3 und 4 die Trennfläche mit unterschiedlichen Zellenformen in Draufsicht.

M&eh Fig. 1 besteht die Hinrichtung bus» Verbesserung der Wärmeübertragung im wesentlichen aus den beiden Turbulenzkammern 3 und 9, deren gemeinsame Wand von der Trennfläche 1 gebildet wird. Auf ihr sind die Zellenwände 17 wärmeleitend befestigt, welche

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die Zellen 2 umschlieesen. An derYTrennflache 1 gegenüberliegenden Abschliesswand 13 der Turbulenzkammer 3 sind die Zulaufleitungen 5 angebracht, denen das eine wärmetauschende, kältere Medium 4 unter Überdruck zuströmt und aus deren Mündungsöffnungen es in freien Strahlen 16 in die Zellen 2 eintritt. Der Ringspalt 10 dient als Auslassöffnung, aus der das Medium 4 in Richtung 11 austritt.

Das andere, wärmere Medium 7 befindet sich auf der anderen Seite der Trennfläche 1 in der Turbulenzkammer 9 t durch die es Wärme | an das kältere Medium 4 in der Turbulenzkammer 3 bzw. in den Zellen 2 abgibt. Auch auf der wärmeren Seite der Trennfläche 1 sind Zellen 2 angeordnet, in die das Medium 7 durch die Zulaufleitungen 5 in einem freien Strahl einströmt. Die seitliche Auslassleitung ist mit 14 und die Strömungerichtung darin mit 12 bezeichnet·

Die freien Strahlen 16 werden mit einer zur Trennfläche 1 senkrechten Geschwindigkeitskomponente in die Zellen 2 eingeleitet

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und sind vorteilhafterweise senkrecht auf die Trennfläche und möglichst zentral in die Zellen gerichtet. Auf ihrem Wege bis zur Trennfläche reissen sie jeweils das umgebende, schon früher eingebrachte Medium mit, ohne es bis zu ihrer Geschwindigkeit beschleunigen zu können. Durch die senkrechte Geschwindigkeitskomponente breiten sich die Strömungen innerhalb der Zellen radiaJJnach allen Seiten aus, bestreichen die Seitenwände 17 der Zellen 2 und kehren am äusseren Teil der Zellen teilweise zu den eintretenden Strahlen zurück, wie es durch die Bahnlinien 15 gezeigt ist. Durch diese Strömungen und durch das Mitreissen energieärmerer Teilchen des Mediums wird der gesamte Inhalt jeder Zelle in eine konstante, nicht-chaotische Zirkulation versetzt, die, teils wiederholt, über die Trennfläche 1 und die Wände 17 der Zellen 2 streicht.

Um die dem Medium vor dem Eintreten in die Turbulenzkammer als Druckhöhe innewohnende Energie in die notwendige Strömungsgeschwindigkeit umzusetzen, ist es zweckmässig, das Medium durch Düsen 6 an den Mündungen der Zulaufleitungen 5 in die Zellen 2 einzubringen. Dabei können die Düsenöffnungen z.B. rund, quadratisch oder als Schlitze ausgebildet sein.

Um eine noch grössere thermische Leitungsfläche zu erhalten oder auch um höheren Systemdrücken standhalten zu können, kann die Trennfläche gwölbt oder gekrümmt ausgeführt sein, beispielsweise als Teil einer Hohlkugel, eines Eies, eines Zylinders oder eines Kegels. Auch kann die Trennfläche 1 Teil eines festen Körpers sein, dessen stationärer oder auch steigender Wärmeinhalt

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- 5 auf diese Weise reduziert wird.

Die einzelnen Zellen können in Draufsicht zweckmässigerweise geometrische Figuren bilden, z.B. Quadrate, Kreise oder Dreiecke, wie es aus den Fig. 2 bis 4 ersichtlich ist, ferner Sechs ecke, Vielecke oder auch langgestreckt sein.

Der Wärmeübergang an der Trennfläche kann bei den beschriebenen Einrichtungen durch konventionelle Mittel verbessert werden. So ist es beispielsweise vorteilhaft, innerhalb der Zellen mehrere Wärmeleitflächen 18 vorzusehen, die mit der Trennfläche thermisch leitend verbunden yund in Strömungsrichtung angeordnet sind.

Es braucht wohl nicht besonders erwähnt zu werden, dass auf beiden Seiten der Trennfläche gleiche oder auch verschiedene Turbulenzkammern oder Zellenformen angeordnet sein können, um so einen intensiven Wärmeübergang auf beiden Seiten der Trennfläche zu erzielen. Die Zellen können aber auch nur auf einer Seite der Trennfläche vorgesehen sein, wenn dies für eine aus-

. Ul/ reichende Wärmeübertragung genügt. ^

Es können auch mehrere erfindungsgemasse Einrichtungen in Parallel- oder Serienschaltung angeordnet sein. Bei Serienschaltung kann das Medium unter entsprechend hohem Überdruck der ersten Turbulenzkammer zugeführt werden, welcher dann für die Durchströmung aller Einrichtungen ausreicht, oder es können, $e nach Bedarf, zwischen den einzelnen Einrichtungen noch druck-

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erzeugende Vorrichtungen eingeschaltet werden. Bei Anordnung von Turbulenzkammern auf beiden Seiten der Trennfläche kann es vorteilhaft sein, sie mit Auslassleitungen für das jeweilige Medium zu versehen und die "Auslassleitungen so anzuordnen, dass die Strömungsrichtungen in denselben einander entgegengesetzt sind. Auf diese Weise werden die beiden Medien in einer Art Gegenstrom zueinander über die Trennfläche geführt. Bei Anordnung von zwei oder mehreren Turbulenzkammern auf der selben Seite der Trennfläche ist es zweckmässig, deren Zulauf leitungen aus einem gemeinsamen Zulaufraum zu speisen.

Das beschriebene Verfahren kann grundsätzlich überall dort angewendet werden, wo 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

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Patentansprüche:

j_//Verfahren zur Verbesserung der Wärmeübertragung mittels mindestens eines eine wärmeleitende Trennfläche überstreichenden Mediums durch Verkleinerung der Grenzschichtdicke und Vergrösserung der wärmeleitenden Oberfläche auf mindestens einer Seite der Trennfläche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der vom Medium (4, 7) überstrichenen Seite der Trennfläche (1) eine Anzahl offener Zellen (2) vorgesehen ist, in welche je ein freier Strahl (16) des Mediums (4, 7) unter Druck mit einer zur Trenn- % fläche (1) senkrechten Geschwindigkeitskomponente eingeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die freien Strahlen (16) zumindest annähernd senkrecht zur Trennfläche (1) eingeleitet werden.
3* Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zirkulationsströmung des Mediums (4, 7) in den Zellen (2) erzeugt wird, derart, dass dieses mehrfach über die Trennfläche j (1) geführt wird.
4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine mit Medium (4, 7) gefüllte Turbulenzkammer (3, 9), deren eine Wand die Trennfläche (1) bildet, die mit Zellen (2) besetzt ist, deren Wände (17) wärmeleitend auf der Trennfläche (1) befestigt sind, und die der Trennfläche (i) gegenüberliegende Abschliesswand (13) mit einer Anzahl von Zulaufleitungen (5) verbunden ist, aus denen das zuzuführende Medium (4, 7) jeweils in einem freien Strahl (16) in die einzel-

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:
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nen Zellen (2) strömt.
5. Einrichtung nach Anspruch 4·, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellenwände (17)-zumindest annähernd senkrecht auf der Trennfläche (1) stehen.
6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zulauf leitungen (5) Ms in die Zellen (2) hineinführen.
7. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (2) in der Draufsicht geometrischen Figuren entsprechen, wie beispielsweise Quadraten, Kreisen, Dreiecken, Sechsecken
oder langgestreckt sind.
8. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zulauf leitungen (5) an ihren Mündungen mit Düsen (6) versehen
sind, die eine beliebige, beispielsweise runde oder schlitzartige Öffnung aufweisen.
9. Einrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen Ringfe spalt (10) als Auslass für das Medium (4-, 7) aus der Turbulenzkammer (3, 9).
10. Einrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine gewölbte oder gekrümmte Trennfläche (1).
11. Einrichtung nach Anspruch 4-, gekennzeichnet durch mindestens zwei auf der selben Seite an die Trennfläche (1) anschliessende
Turbulenzkammern (3, 9), die vom Medium (4·, 7) hintereinander
durchströmt werden.

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_ 9 —·
12. Einriclitung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch mindestens zwei auf der selben Seite an. die Trennfläche (1) anschliessende Turbulenzkammern (3, 9)» deren Zulaufleitungen (5) aus einem gemeinsamen Zulaufraum gespeist werden.
13. Einrichtung nach Anspruch 4 mit mindestens je einer, eine Auslassleitung für das jeweilige Medium aufweisenden Turbulenzkammer auf jeder Seite der Trennfläche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsrichtungen (12) in den beiden Auslassleitungen (14) einander entgegengesetzt sind. ■ (
14. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Zellen (2) mit der Trennfläche (1) thermisch leitend verbundene Wärmeleitflächen (18) in Strömungsrichtung angeordnet sind.
15. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbulenzkammer (31 9) unter einem Überdruck gegenüber den Auslassräumen hinter den Auslässen (10) und (14) steht.
16. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass * die nur auf einer Seite von einem Medium (4) überstrichene Trennfläche (1) Teil eines wärmehaltenden o/ler wärmeproduzierenden Körpers ist.

Ing. Werner Gramm Patentanwalt

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