DE2153719A1

DE2153719A1 - Verfahren zur Verbesserung der Wärmeübertragung und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2153719A1
Application number: DE19712153719
Authority: DE
Inventors: Der Anmelder Ist
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1970-11-10
Filing date: 1971-10-28
Publication date: 1972-05-18
Also published as: GB1352204A; AT316606B; US3771589A; NL7114429A; AU3557571A; CH533289A; DE2153719B2; BE775087A; FR2113897A1

Description

Patentanwalt ₂?. Oktober 1971

DipUng. Werner Gramm 9150710

33 Braunschweig 4 I OJ/ I V Theodor-Heuss-Straße 1

Anwaltsakte; 5266 Pt.

Dr. James R. Lage
CH-5222 Umiken/Schweiz. Kirchhalde 186

Verfahren zur Verbesserung der Wärmeübertragung und Einrichtung

zur Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Wärme- " Übertragung an einer Wärmetauschfläche, über die ein wärmeaufnehmendes oder wärmeabgebendes Medium strömt, sowie eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bei der Wärmeübertragung an einer Wärmetauschfläche, worunter sowohl eine Wärmeabgabe als auch eine Wärmeaufnahme zu verstehen ist, wird heutzutage das daran beteiligte Medium in einer mehr oder weniger zwanglosen Form über diese Fläche geleitet, wobei das Medium entlang der zu überstreichenden Fläche einem nahezu willkürlichen, unkontrollierten Strömungsweg folgt. Im Effekt wird dabei der Weg des geringsten V/iderstandes genommen, der meistens auch der kürzeste ist, und daher überstreichen alle Einzelteilchen des Mediums ein berührtes Flächenelement nur einmal und I keinesfalls alle Elemente einer Wärmetauschfläche, wodurch eine Begrenzung der Wärmeübertragung auf eine verhältnismässig niedrige Wärmeübergangszahl ihre Begründung findet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch eine ausgerichtete, erzwungene Strömungsbahn der Mediumsteilchen einen möglichst langen Berührungsweg über die der Wärmeübertragung dienende Fläche und damit eine hohe Wärmeübergangszahl zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Strömung als Wechselströmung ausgebildet ist, indem sie in einer ersten Zone im wesentlichen translatorisch und in einer zweiten Zone rotierend geführt wird, wobei sie in der zweiten Zone wenigstens teilweise entlang der Wärmetauschfläche geleitet wird.

209821/0588

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung dieses Verfahrens durchläuft das Medium in der zweiten Zone eine schraubenähnliche Bahn. Eine vorteilhafte Weiterbildung der vorstehenden Ausgestaltung besteht darin, dass in der zweiten Zone nur ein Teil des Mediums die ganze schraubenähnliche Bahn durchläuft, während der übrige Teil des' Mediums erst später zugeführt wird und so nur ein Reststück der Bahn durchläuft.

Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist eine Kammer auf, die in einen ersten und einen zweiten, mindestens teilweise von der Wärmetauschfläche begrenzten Strömungsraum unterteilt ist, mit Zufluss des Mediums unter] zum ersten Strömungsraum, von 'wo es durch eine Leitvorrichtung in mindestens einem im wesentlichen translatorischen Strahl in den zweiten Strömungsraum eintritt, den das Medium rotierend durchströmt und hierauf verlässt.

Unter translatorisch ist eine Strömung zu verstehen» "bei der das Medium unter einer Druckdifferenz den mehr oder weniger kürzesten Weg geführt wird, also praktisch in direkter Richtung z.B. durch einen Raum, eine Leitung oder eine Düse hindurch.

In der zweiten Zone strömt das Medium nicht den direkten und damit kürzesten Weg, sondern es wird einer rotierenden Strömung unterworfen. Unter rotierend ist hier jede um eine Achse zirkulierende Strömung zu verstehen, wie beispielsweise eine Impuls-, eine Dreh- oder eine Drallströmung, ebenso eine rollende Bewegung des Mediums, sowie Kombinationen daraus. Wird ihm dabei noch eine sekundäre Fortbewegung vorzugsweise in der Achsrichtung erteilt, so beschreibt jedes Mediumsteilchen eine schraubenähnliche Bahn. Auf diese Weise bildet das Medium eine in Achsrichtung durch den Strömungsraum fortschreitende Walze, deren Querschnitt - beispielsweise bei viereckiger Form des Strömungsraumes -» jedoch nicht kreisrund sein muss und die auch entlang der Achse ihren Durchmesser ändern kann.

Wird schon bei einer reinen Rotationsströmung durch die bessere Durchmischung des Mediums eine wesentliche Erhöhung der Wärmeübertragung gegenüber der Translationsströmung erreicht, so lässt sich durch eine Strömung mit schraubenähnlicher Bahn noch eine

209821/0588

weitere Steigerung der Wärmeübergangszahl erzielen. Durch eine derartige Strömung wird der "bei den bisher üblichen Verfahren die Wärmetauschfläphe überstreichende Weg des Mediums auf ein Mehrfaches erhöht und so eine bessere Ausnützung der vorhandenen Fläche oder bei kleinerer Fläche die gleiche Leistung erreicht· Das am Wärmeaustausch beteiligte Medium kann dabei flüssig, gasförmig oder von sonstiger fliessbarer Art sein.

Anhand der Zeichnung werden das erfindungsgemässe Verfahren und Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig.1 die Grundidee des Verfahrens, schematisch dargestellt; Fig.2 einen Längsschnitt durch eine Einrichtung mit mehreren hin-

tereinandergereihten Kammern;
Fig.3 eine Draufsicht auf eine Kammer bei abgehobener Deckplatte, in grösserem Massstab;

Fig.4 einen Schnitt nach der Linie IV - IV in Fig.3; Fig.5 eine Variante zu Fig.3;
Fig.6 einen Schnitt nach der Linie VI - VI in Fig.5-

Aus Fig.1 sind die einzelnen Verfahrensschritte zu ersehen. Das strömende Medium wird zuerst in einer ersten Zone gemäss 1 translatorisch geführt, wodurch seine Strömungsbahnen ausgerichtet und vergleichmässigt werden. Hierauf wird e s auf möglichst kurzem Wege, vorteilhafterweise unter Geschwindigkeitszunahme und gegebenenfalls nach den notwendigen Umlenkungen, in einer zweiten Zone unter einem beliebigen Winkel oder parallel zur Wärmetauschfläche 4 an diese herangeführt und in Rotation versetzt. Es ist von Vorteil, der RotationsStrömung auch noch eine Axialkomponente zu erteilen, wodurch die Bahn 2 schraubenähnlich wird. Dabei wird das Medium, je nach Konstruktion der Einrichtung, dauernd oder mit Unterbrechungen entlang der Wärmetauschfläche geleitet. Je grosser die Umfangskomponente gegenüber der Axialkomponente der Strömung ist, desto mehr Flächenelemente der Wärmetauschfläche werden von jedem einzelnen Teilchen des Mediums berührt, dementsprechend ist die Wärmeübertragung wirksamer und die Ausnützung der Wärmetauschfläche besser. Es hat sich erwiesen, dass es vorteilhaft ist, die grösste Strömungsgeschwindigkeit auf der schraubenähnlichen Bahn, also am äusseren Umfang der sich fortbewegenden Mediumswalze, mindestens 7Ϊ mal so gross wie ihre Axialkomponente zu

209821/0588

wählen. - Selbstverständlich kann auch schon in der ersten Zone die translatorische Strömung über die Wärmetauschfläche geführt werden.

Es hat sich ergeben, dass eine bessere Ausnützung der Wärmetauschfläche und damit ein höherer Effekt erzielbar sind, wenn die Wärmetauschfläche nicht bloss von einer einzigen schraubenähnlichen Bahn berührt wird, welche das gesamte Medium in Bewegung setzt, sondern von einer Vielzahl kleinerer Bahnen, von denen jede nur einen Teil des Mediums erfasst.

TJm eine dauernde Durchmischung des Mediums und somit eine die Wärmeübertragung begünstigende Vergleichmässigung der Temperatur im Medium zu erzielen, kann entlang der schraubenähnlichen Bahn weiteres Medium zugeführt werden, wodurch gleichzeitig die durch die Reibung entstehende Energieabnahme und die dadurch verursachte Geschwindigkeitsabsenkung verhindert werden kann. Sollte die Temperaturänderung des Mediums nach der zweiten Zone noch nicht ausreichend sein und der Berührungsweg mit der Wärmetauschfläche verlängert werden müssen, so kann das Durchlaufen der Zonen wiederholt werden. Dabei wird die Strömung in einer ersten Zone wieder beruhigt und ausgerichtet und hierauf neuerlich rotierend geführt. In allen Zonen ist die Strömung, konstante Zuführung des Mediums vorausgesetzt, stabil, d.h., die Art und Form der Strömungswege bleibt konstant.

Die in Fig.2 dargestellte Einrichtung besteht aus vier einzelnen, zu einer Einheit zusammengefassten Kammern 3f von denen jede für sich voll betriebsfähig ist. Das Medium tritt unter Druck in die Einrichtung ein, die es in Pfeilrichtung durchströmt. Jede Kammer ist durch die Scheidewand 51 die mit dem Teil 12 an die Wärmetauschfläche 4 anschliesst und zur allgemeinen Strömungsrichtung schräg nach oben verläuft, in den ersten Strömungsraum 9 und den zweiten Strömungsraum 10 unterteilt. Das in den ersten Strömungsraum 9 eintretende Medium wird entlang der Scheidewand 5 zum Spalt 7 (Fig.3 und 4) geführt, der von der Seitenwand 8 der Kammer 3 und der Wand 6 begrenzt wird, in die die Scheidewand 5 übergeht. Die Begrenzungswand 6 reicht nicht bis zur Wärmetauschfläche 4, sondern endet schon vorher und lässt so eine Austrittsöffnung 11 frei, durch die das Medium in einem Strahl in den zweiten Strömungsroum eintritt.

209821/0588

Durch die Einführung des Mediums in den zweiten Strömungsraum in Richtung auf die Wärmetauschfläche 4- wird es von dieser Fläche umgelenkt und in Rotation versetzt, die durch das ständige Nachströmen von Medium in eine schraubenähnliche Bahn 2 übergeht (Fig.4), die sich gemäss Fig.2 von rechts nach links fortbewegt. Es ergibt sich aus der Konstruktion, dass durch die Schräge der Scheidewand j? die Rotationsbahnen 2 mit dem Fortschreiten in Achsrichtung im Durchmesser ständig zunehmen. Da sich der Spalt 7 über die ganze Länge der Kammer 3 erstreckt, wird entlang der schraubenähnlichen Bahn kontinuierlich frisches Medium und damit neue Energie in den zweiten Strömungsraum eingeführt.

Die Scheidewand 5 kann auch parallel zur Wärmetauschfläche 4· an- g geordnet sein, was baulich einfacher seiin mag, aber strömungsmässig und hinsichtlich rationeller Ausnutzung der Wärmetauschfläche etwas ungünstiger ist.

Durch die unmittelbare Hintereinanderschaltung von mehreren Kammern mit direkter Einströmung des aus der einen Kammer austretenden Mediums in die nachfolgende Kammer lassen sich strömungsmässig die niedrigsten Reibungsverluste und baulich die kleinsten Einheiten erzielen. Bas Medium kann auch mehrmals die selbe Kammer durchströmen, wobei in die Rückführleitung eine Fördereinrichtung zur Deckung der Strömungsverluste eingeschaltet sein kann.

Die Fig.5 und 6 zeigen eine Variante zu der beschriebenen Ausfüh- g rung. Der Spalt 7, von den Wänden 6 begrenzt, ist in der Mitte der Kammer 3 angeordnet und das Medium strömt ihm auf den Bahnen 1 von beiden Seiten zu. Entsprechend dieser Anordnung bilden sich im so geteilten zweiten Strömungsraum 10 zwei Rotationsbahnen 2 zu beiden Seiten des Spaltes 7 aus. Der Vorteil dieser Ausführung ist baulicher Art und besteht vor allem darin, dass eine kompaktere, symmetrische Bauart möglich ist.

Es sei hier erwähnt, dass selbstverständlich auch an beiden Seiten der Kammer ein Einlaufspalt vorgesehen sein kann, oder auch deren mehrere, über die Breite der Kammer verteilt. In diesen Fällen berühren sich die Rotationsstromungen, können sich aber trotzdem ausbilden. Ferner können die Spalte gegen den Austritt

209821/0588

des Mediums hin enger werden, z.B. durch ein Zusammenlaufen der Begrenzungsflächen oder eine düsenartige Gestaltung, wodurch das Medium gegen den Austritt hin eine Beschleunigung erfährt. Auf jeden Fall soll die grösste Geschwindigkeit im Spalt erst beim Austritt des Mediums in den zweiten Strömungsraum auftreten. Zur Unterstützung der Ausbildung der Rotationsströmung können die Begrenzungswände 6 verlängert und umgebördelt werden (in den Fig.4 und 6 gestrichelt angedeutet und mit 13 bezeichnet), wodurch das Medium in den zweiten Strömungsraum 10 parallel zur Wärmetausch— fläche eintritt.

Die Ausbildung der Rotationsströmung kann auch durch eine Wölbung der Wärmetauschfläche unterstützt werden, wobei sie sich durch eine konvexe Krümmung besser den Strömungsbahnen anpasst. Dies kann so weit gehen, dass die Kammer die Form eines Rohres annimmt. Das heisst aber nicht, dass die Wärmetauschfläche nicht auch konkav gekrümmt sein kann, wenn sich dies als vorteilhaft erweist oder die Gestalt der Wärmet aus chf lache vorgegeben ist. Ferner kann die Achse 'der schraubenähnlichen Bahn gekrümmt sein, wenn z.B. die langgestreckte Form der hintereinandergereihten Kammern vermieden werden soll. - Es braucht wohl nicht extra betont zu werden, dass die Kammern auch auf beiden Seiten dar Wärmetauschfläche angeordnet sein können.

Statt die Scheidewand 5 zur Spaltbildung in Begrenzungswände 6 übergehen zu lassen, kann es auch genügen, besonders wenn die Kammer 3 nicht sehr hoch ist, nur eine oder auch mehrere Durchtritts Öffnungen in der Scheidewand vorzusehen, die rund, oval oder von sonstiger Form sein können, auch in einer fortlaufenden Reihe angeordnet oder durch einen Langschlitz ersetzt werden können. Auch kann an jede Durchtrittsöffnung ein Rohr gleicher Form anschliessen, das gegen die Wärmetauschfläche gerichtet ist und an seinem freien Ende umgebördelt sein kann, um eine ähnliche Wirkung wie mit der Umbördelung 13 der Begrenzungswände 6 zu erzielen. Hierbei kann die Scheidewand 5 auch parallel zur V/ärmetauschfläche M- verlaufen oder in Strömungsrichtung sich ihr nähern, wodurch zwangsweise die Durchmesser der Rotationsbahnen entlang der Achse kleiner werden.

2098? 1 /0588

2153713

_#Um vom Medium bespülte, g'edoch nicht zur V/ärmetauschflache gehörende Wände - beispielsweise die Seitenwände 8 der Kammer 3 zur Wärmeübertragung auszunützen, ist es vorteilhaft, sie mit der V/ärmetauschf lache wärmeleitend zu verbinden. Dem gleichen Zwecke können Rippen dienen, die in den zweiten Strömungsraum eingebaut sind, in Richtung der schraubenähnlichen Bahn des Mediums an der betreffenden Stelle liegen und mit der Wärmetauschfläche oder den Seitenwänden der Kammer - oder mit beiden - wärmeleitend verbunden sind.

. 0 9 S 7 1 / η R 8 fi

Claims

- 8 Patentansprüche:

(1.yVerfahren zur Verbesserung der Wärmeübertragung an einer Wär-Tfietauschf lache, über die ein wärme aufnehmendes oder wärmeabgebendes Medium strömt, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömung als Wechselströmung ausgebildet ist, indem sie in einer ersten Zone im wesentlichen translatorisch (1) und in einer zweiten Zone rotierend geführt wird, wobei sie in der zweiten Zone wenigstens teilweise entlang der Wärmetauschfläche (4) geleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium in der zweiten Zone eine schraubenähnliche Bahn (2) durchläuft.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass entlang der Achse der schraubenähnlichen Bahn (2) sich der Bahndurchmesser ändert.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse der schraubenähnlichen Bahn (2) gekrümmt ist.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Zone nur ein Teil des Mediums die ganze schraubenähnliche Bahn (2) durchläuft, während der übrige Teil des Mediums erst später zugeführt wird und so nur ein Reststück der Bahn (2) durchläuft .

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium entlang der schraubenähnlichen Bahn (2) kontinuierlich zugeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die translatorische Strömung (1) unter einem beliebigen Winkel an die Wärmetauschfläche (4) herangeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die grösste Rotationsgeschwindigkeit des Mediums in der zweiten Zone mindestens gleich ist der grössten translatorischen Strömungsgeschwindigkeit in der ersten Zone.

9. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die grösste Strömungsgeschwindigkeit auf der schraubenähnlichen Bahn (2) in der zweiten Zone mindestens7Γ mal so gross ist wie ihre Axialkomponente.

*; C 9871/0588

— ΟΙΟ. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium die "beiden Zonen mehrmals durchläuft.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium mehrere erste und zweite Zonen abwechselnd durchläuft.

12. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine schraub" enähnliche Bahn (2) unter Berührung der Wärmetauschfläche (4) innerhalb des umgebenden Mediums verläuft, ohne dasselbe in seiner Gesamtheit in ihre Rotation einzubeziehen.

13. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Kammer (3), die in einen ersten (9) und einen zweiten (10), mindestens teilweise von der Wärmetauschfläche (4) begrenzten Strömungsraum unterteilt ist, mit Zufluss des Mediums unter Druck zum ersten Strömungsraum (9)ι von wo es durch eine Leitvorrichtung (5»6) in mindestens einem im wesentlichen translatorischen Strahl in den zweiten Strömungsraum (10) eintritt, den das Medium.rotierend durchströmt und hierauf verlässt.

14. Einrichtung nach Anspruch 13» gekennzeichnet durch eine die beiden Strömungsräume (9»10) voneinander trennende Scheidewand (5).

15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheidewand (5) schräg zur allgemeinen Durchströmrichtung der Kammer (3) angeordnet ist.

16. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheidewand (5) in mindestens eine Begrenzungswand (6) mindestens eines gegen den zweiten Strömungsraum (10) gerichteten düsenartigen Spaltes (7) übergeht.

17. Einrichtung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch mindestens eine Durchtrittsöffnung für das Medium in der Scheidewand (5).

18. Einrichtung nach Anspruch 17» gekennzeichnet durch eine schlitzartige Durchtrittsöffnung.

19. Einrichtung nach Anspruch 17 oder 18, gekennzeichnet durch ein an jede Durchtrittsöffnung anschliessendes, gegen die Wärmetauschfläche (4) gerichtetes Rohr.

209321/0588

20. Einrichtung nach Anspruch 19» dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr an seinem der Wärmetauschfläche (4) zugewandten Ende umgebördelt ist.

21. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungswand (6) des Spaltes (7) vordem Erreichen der Wärmetauschfläche (4) endet und auf diese Weise eine Austrittsöffnung (11) für das Ausströmen des Mediums in den zweiten Strömungsraum (10) freilässt.

22. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die vorzugsweise senkrecht auf die Wärmetauschfläche (4) gerichtete Begrenzungswand (6) des Spaltes (7) verlängert ist und nach einer Umbördelung parallel zur Wärmetauschfläche (4) verläuft.

23. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschfläche (4) gewölbt ist.

24. Einrichtung nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwände (8) der Kammer (3) mit der Wärmetauschfläche (4) wärmeleitend verbunden sind.

25. Einrichtung nach Anspruch 13 oder 24, mit einer schraubenähnlichen Bahn des Mediums im zweiten Strömungsraum, gekennzeichnet durch in Richtung der Strömungsbahn (2) liegende Rippen im zweiten Strömungsraum (10), die mit der Wärmetauschfläche (4) und/oder den Seitenwänden (8) der Kammer (3) wärmeleitend verbunden sind.

26. Einrichtung nach Anspruch 13» gekennzeichnet durch eine strömungsseitige Hintereinanderschaltung mehrerer Kammern (3)» so dass das aus der einen Kammer austretende Medium direkt in die nachfolgende Kammer einströmt.

27. Einrichtung nach Anspruch 13» gekennzeichnet durch eine Anordnung von Kammern (3) auf beiden/Seiten der Wärmetauschfläcche (4).

Ing- Werner Gramm Patent anwal t

209821/0588