DE2233047A1

DE2233047A1 - Waermetauscher

Info

Publication number: DE2233047A1
Application number: DE2233047A
Authority: DE
Inventors: Paul Flanagan; Edward F Searight
Original assignee: Thermo Electron Corp
Current assignee: Thermo Fisher Scientific Inc
Priority date: 1971-07-23
Filing date: 1972-07-05
Publication date: 1973-02-08
Also published as: US4108242A; JPS5310298B1; DE2233047B2; NL7210007A; GB1380003A

Description

Patentanwälte DIpl.-Inrj. Π. «SETZ sen. D!pJ-!n ·. l*. LAfJlPftS^HT

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65-18.991P(18.992H) 5- 7. 1972

Thermo Electron Corporation, Waltham (Mass.)

V. St. A.

Wärmetauscher

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher zur wirksamen Wärmeübertragung zwischen einer heißen Wand und einem Fluid. Das Fluid strömt unter Druck durch Öffnungen in Form von Düsenstrahlen, die den Aufprall auf die heiße Wärmetauscherwand verstärken. Der Aufprall des Fluidstrahles auf die heiße Wand erzeugt eine wirksame Wärmeübertragung. Vorteilhafteste Bedingungen liegen vor, wenn eine relativ große Anzahl von vergleichsweise kleinen Düsen verwendet wird und wenn diese Düsen möglichst nahe an der Wärmetauscherwand liegen. Zur Erhöhung des Wärmetauscherwirkungsgrades muß jede¹ Düse weitgehend unabhängig von den anderen Düsen arbeiten. Dieser unabhängige Betrieb wird jedoch durch die Ansammlung von Fluid in der Nähe der heißen

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Wärmetauscherwand und durch den Fluidstrom längs dieser Wand vermindert. Die Richtung dieser Strömung ist nicht parallel zu der der Düsen und behindert oder unterbricht die Düsenstrahlen.

Gemäß der Erfindung sind die die Öffnungen für die Düsenstrahlen enthaltenden Einrichtungen ebenso wie die heiße Wärmetauscherwand selbst so ausgebildet, daß Einschnürungen bzw. Verengungen mit nur einem geringen Abstand zwischen den Düsenstrahlöffnungen und einem entsprechenden Teil der heißen Wärmetauscherwand und daneben großvolumige Zwischenräume entstehen. Der geringe Abstand der Öffnungen zur Wärmetauscherwand erlaubt die Ausbildung von relativ hohen Düsenstrahlgeschwindigkeiten. Die größeren Volumina der Zwischenräume führen zu einer Fluidströmung aus den verengten Bereichen und von der Wärmetauscherplatte mit einer relativ geringen Geschwindigkeit, so daß keine Verringerung oder unerwünschte Vermischung mit der Strömung der einzelnen Düsen erfolgt.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung genauer erläutert * Es zeigen;

Fig. 1 eine erste erfindungsgemäße Ausführung in schematischer Darstellung;

Fig. 2 eine weitere Ausführung gemäß der Erfindung;

Fig. ;} die Wärmetauschereinrichtung nach Fig, Ί in perspektivischer Darstellung;

Fig. h eine vergrößerte Ansicht einer einzelnen Düi;tj;

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Fig. 5 eine weitere Ausführung gemäß der Erfindung;

Fig. 6 eine vierte Ausführung gemäß der Erfindung; und

Fig. 7 eine fünfte erfindungsgemäße Ausführung.

Der in Fig. 1 dargestellte Wärmetauscher 10 enthält eine heiße Wärmetauscherplatte 12 und eine zweite Platte 1^, in welcher eine Anzahl von Düsen 15 mit Öffnungen 16 angeordnet sind. Die Öffnungen 16 können kreisförmig, längsgeschlitzt oder von anderer Gestalt sein. In den meisten Ausführungen werden Kreisöffnungen bevorzugt. Die Platte 1't ist durch Teile 22 zwischen den Öffnungen 16 gekennzeichnet, die von der Platte 12 wegdivergieren und großvolumige Zwischenräume 2k zwischen den Platten'12 und 1^ bilden. Die Platte lh begrenzt eine Luftkammer 18, in welcher das Fluid unter einem höheren Druck als dem im Raum 20 zwischen den Platten 12 und Ik steht. Das Fluid strömt aus der Druckkammer 18 durch die Öffnungen 16 gegen die heiße Wärmetauscherplatte 12 in Form von vielen einzelnen Düsenstrahlen, wobei jeder einzelne Düsenstrahl von je einer Öffnung 16 gebildet wird. Wenn das Fluid auf die heiße Wärmetauscherplatte 12 auftrifft und an ihr entlangströmt, erfolgt der angestrebte Wärmeaustausch. Nach dem Auftreffen des Fluidstrahles auf der heißen Wärmetauscherplatte strömt das Fluid im Raum zwischen den Platten 12 und "\k zu einer möglichen weiteren Verwendung.

Die Fluidströmung zwischen den Platten erfolgt in einer weitgehend zur heißen Wärmetauscherplatte 12 paiallelen Richtung und somit bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.

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im wesentlichen senkrecht zur Bahn der Düsenstrahlen. Diese Strömung ist durch die Pfeile 28 gekennzeichnet. Die durch die Pfeile 28 markierte Fluidströmung ist bestrebt, die mit den Pfeilen 26 gekennzeichneten Düsenstrahlen zu unterbrechen. Diese Tendenz wird jedoch durch die vergrößerten Volumen 2k zwischen den Platten 12 und 14 verringert oder eliminiert. Die vergrößerten Volumen erlauben eine geringe Strömungsgeschwindigkeit des Fluides an der heißen Wärmetauscherplatte 12 in Richtung der Pfeile 28, die die mit hoher Geschwindigkeit austretenden Düsenstrahlen nicht stören kann.

Die an der Fläche der Platte 12 herrschenden Bedingungen werden nun im Zusammenhang mit Fig« k erläutert. Wenn ein Fluid an einer Platte entlangströmt, entwickelt sich eine Grenzschicht an der Plattenoberfläche, die als ein thermischer Isolator wirkt und einen Wärmeaustausch quer zur Platte unterbindet. Ein effektiver und wirksamer Wärmeaustausch wird bei Bedingungen erreicht, welche diese Grenzschicht unterbrechen. Wenn Fluid aus einer Düse auf die Platte auftrifft, wird die Grenzschicht zerstört und es entsteht eine Zone von hochwirksamem Wärmeaustausch. Zum Beispiel enthält eine Platte 30 eine Öffnung 32, durch welche Fluid unter Druck zu einem Düsenstrahl Jk gebildet wird, welcher auf einer heißen Wärmetauscherplatte 36 auftrifft. Das Fluid aus der Düse strömt dann wie bei 38 gezeigt an der Platte entlang, und es entwickelt sich auf der Platte 36 eine Grenzschicht kO der oben beschriebenen Art. Im Aufschlagsbereich des Düsenstrahls 2>k auf die Platte 36 ist die Grenzschicht jedoch in der generell durch das Bezugszeichen 42 gekennzeichneten Weise gestört. Es entsteht eine Zentralzone A, in welcher die Grenzschicht effek-

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tiv unterbrochen ist. In einem kleineren Bereich B innerhalb der Zone A ist die Grenzschicht vollständig zerstört, wodurch die Wärmeübertragung an der heißen Austauschplatte 36 maximal ist. Diese Bereiche sind nicht genau definiert und begrenzt, sie sind jedoch gekennzeichnet durch einen relativ geringen Bereich von maximaler Unterbrechung der Grenzschicht, die von einer Übergangszone umgeben werden, in der ein Übergang von der vollständigen Unterbrechung der Grenzlage zur voll ausgebildeten Grenzschicht stattfindet.

Es ist vorteilhaft, so viele Düsenstrahlen wie möglich zu erzeugen, um so viel wie mögliche Unterbrechungen der Grenzschicht herbeizuführen. Größen und Dimensionen scheinen für eine wirksame Verbesserung des Wärmeaustausches nicht kritisch zu sein. Unter verschiedenen Bedingungen und Umständen kann die Ausbildung individuell geändert und angepaßt werden. Unter den meisten Bedingungen entsteht jedoch eine vorteilhafte Situation, wenn die die Düsenstrahlen formenden Öffnungen von der heißen Wärmetauscherplatte um einen Betrag entfernt angeordnet sind, der gleich ihrer Weite ist.

Der entscheidende Faktor, von welchem die Effektivität des Systems bestimmt wird, ist im Hinblick auf den Vorzug einer großen Anzahl von relativ kleinen Düsenstrahlöffnungen in bezug auf die relative Nähe zur heißen Wärmetauscherplatte der einer weitestgehenden Unabhängigkeit voneinander und einer wirksamen und schnellen Abführung des Fluides aus der Nähe der heißen Wärmetauscherplatte . Daher ist der unter Fig. 1 beschriebene Wärmetauscher ebenso wie die anderen im folgenden erläuterten Ausführungen

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gemäß der Erfindung so ausgebildet, daß eine große Anzahl relativ kleiner Düsenstrahlen sehr nahe an der heißen Wärmetauscherplatte angeordnet sind und daß großvolumige Räume unmittelbar neben den Düsenstrahlenbereichen vorhanden sind. Diese großvolumigen Räume erlauben eine Fluidströmung aus den Zonen der heißen Wärmetauscherplatte, in denen die Düsenstrahlen auftreffen und von der Wärmetauscherplatte ohne Störung der Düsenstrahlen.

Die Fig. 2 und 3 zeigen entsprechende Querschnitte und perspektivische Darstellungen eines anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels. Zwei Platten von gerillter Ausbildung sind so gegeneinander angeordnet, daß alternierende Rillen eine Serie von relativ nahen Verengungen bilden, die durch relativ großvolumige Räume voneinander getrennt sind. Eine heiße Wärmetauscherplatte 42 steht einer Platte 44 gegenüber. Die Platte 44 enthält Öffnungen 46 in den sich gegen die heiße Wärmetauscherplatte 42 erstreckenden Rillen. Die heiße Wärmetauscherplatte 42 enthält ebenfalls Rillen 50, die sich gegen die Öffnungen 46 erstrecken. Dadurch werden langgestreckte Verengungen gebildet, längs derer sich die Öffnungen befinden und die durch vergrößerte Strömungskanäle 52 gegeneinander getrennt sind. Eine Luftdruckkammer 48 befindet sich an einer Seite der Platte 44 und enthält ein Druckfluid, welches in Form von Düsenstrahlen durch die Öffnung 46 strömt und auf die Rillen 50 auftrifft. Das Fluid strömt dann in die vergrößerten Öffnungen 52 in Form einer Zirkulationsbewegung, die als Drallströmung bezeichnet werden kann, wie sie in Fig, 2 durch die Pfeile dargestellt ist. Diese Drallbewegung des Fluides steigert weiter den Wärmeaustausch zwischen dem Fluid und der heißen Wärmetauscherplatte 42. Der ver-

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größerte Strömungskanal 52 stellt weiterhin eine bevorzugte Strömungsbahn dar, in welcher das' Fluid zwischen den Platten 42 und 44 mit relativ geringfügiger Beeinflussung der einzelnen Düsenstrahlen strömen kann.

Verformungen der heißen Wärmetauscherplatte, wie beispielsweise derartige Rillen, vergrößern weiterhin die wirksame Plattenfläche und führen daher zu einer weiteren Steigerung des Wärmeaustausches gegenüber ebenen Platten. Demgemäß ergibt die in den Fig. 2 und 3 gezeigte Ausführung einen außerordentlich intensiven Wärmeaustausch, da bei ihr eine Düsenstrahl-Wärmeübertragung mit einem vergrößerten Bereich kombiniert ist, an welchem die Wärmeübertragung stattfindet.

Die gezeigten Rillen sind wellenförmig; es können jedoch auch punkt- oder leistenförmige Ausbildungen verwendet werden. Beispielsweise können die Rillen scharfkantig und in einer einzigen Platte von verschiedener Gestalt und Größe sein. Es ist selbstverständlich, daß die einen umfangreichen Bereich bedeckenden heißen Wärmetauscherplatten entsprechend ausgebildete Teile des Wärmetauschers erfordern, um relativ große Strömungskanäle 52 zu bilden, verglichen mit der Größe der Strömungskanäle 52, die für eine Wärmetauscherplatte 42 von relativ geringen Abmessungen notwendig wären.

Rillen verschiedenster Gestalt haben den Vorteil einer Versteifung der Platten 42 und 44, so daß die Platten Formänderungen widerstehen und den notwendigen Abstand zwischen den Öffnungen 46 und der Auftreffzone entlang der Rillen 50 beibehalten. Fig. 5 zeigt eine weitere Ausfüh-

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rung gemäß der Erfindung, bei welcher der Wärmeaustausch an beiden Seiten der heißen Wärmetauscherplatte 6o stattfindet. Ein Paar von Platten 62 und 6k sind an den entgegengesetzten Seiten der heißen Wärmetauscherplatte 60 angeordnet und bilden Rillen, die alternierend in geringerem und größerem Abstand zur heißen Wärmetauscherplatte 6o verlaufen, öffnungen 66 sind in den nahe der heißen Wärmetauscherplatte verlaufenden Rillen angeordnet. Die Platten 62 und 6k bilden entsprechende Druckkammern 70 und 72. Druckmittel strömt aus den Druckkammern durch die Öffnungen und trifft auf die heiße Wärmetauscherplatte 16 auf« Vergrößerte Strömungskanäle 7k und 76 werden durch die entfernteren Rillen in den Platten 62 und 6k gebildet und ergeben einen Raum, in welchem das Fluid nach dem Auftreffen auf die Platte 6o strömen und den Raum zwischen der Platte 6o und den Platten 62 und 6k verlasseen kann. Diese Ausführung ist besonders effektiv zum Wärmeaustausch zwischen zwei Fluiden. Befindet sich beispielsweise ein relativ heißes Fluid in der Druckkammer 70 und ein relativ kaltes Fluid in der Druckkammer 72, dann erfolgt ein Wärmeaustausch zwischen beiden Fluiden quer zur heißen Wärmeaustauscherplatte 60. Das Fluid aus der Druckkammer 70 strömt durch die Öffnung 66 auf die Platte 60. Das Fluid aus der Druckkammer 72 strömt durch die Öffnungen 68 auf den Teil der Wärmetauscherplatte 60, der dem Plattenteil gegenüberliegt, auf welchem die Düsenstrahlen der Öffnungen 66 auftreffen. Diese Gestaltung hat den Vorteil einer Anordnung der Zonen von höchst effektivem Wärmeaustausch unmittelbar gegenüber.

Die in Fig. 6 gezeigte Ausführung ist ähnlich wie die Ausführung nach Fig. 5 ausgebildet, wobei hier jedoch die

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Wärmetauscherplatte 80 ebenfalls zur Formung von großen Fluidabführkanälen 82 gerillt ist. Die Platten 84 und 86 und die entsprechenden Öffnungen 88 und 89 lassen Fluid-Düsenstrahlen aus ihren entsprechenden Druckkammern 92 und 94 auf die alternierenden Falten 96 der heißen Wärmetauscherplatte 80 entstehen. Wenn die Platten 84 und 86 eher eben als gerillt ausgebildet sind, dann würde die Ausführung nach Fig. 6 im wesentlichen der Ausführung nach Fig. 5 äquivalent sein, ausgenommen, daß die gewählte Platte ei- ' nen relativ großen, für den Wärmeaustausch aktiven Flächenbereich einnähme, wobei jedoch die Zonen der wirksamsten Wärmeübertragung nicht unmittelbar gegenüberliegen würden.

Eine weitere Ausführung der Erfindung ist in Fig. 7 gezeigt. Platten 100 und 102 enthalten Reihen von Löchern 104 und 106 und begrenzen das in entsprechenden Druckkammern 108 und 110 eingeschlossene Fluid. Zwischen den Platten 100 und 102 befindet sich eine dritte Platte 112 mit in Reihen angeordneten Öffnungen 114. Zwischen den Platten 100 und 112 sind eine Serie von Kanälen 115 vorgesehen, die ein Fluid enthalten. Eine weitere Serie von Kanälen 116 befindet sich zwischen den Platten 102 und 112. Die Kanäle 115 und 116 sind gegeneinander versetzt und durch Zwischenräume 122 voneinander getrennt, wobei ihre Außenflächen als Wärmetauscherflächen 118 und 120 wirken. Die Ausbildung nach Fig. 7 kann mit nicht weniger als vier verschiedenen Fluiden beaufschlagt werden mit einem Wärmeübergang an der Fläche 118 und der Fläche 120. Zum Beispiel kann ein erstes Fluid in der Druckkammer 108 durch die Öffnungen 114 auf die heiße Wärmetauscherfläche 118 strömen, die durch die ein weiteres Fluid enthaltenden Kanäle 115 gebildet wird. Die Kanäle 115 sind so gestaltet, daß sie von der Platte

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divergieren, damit das Fluid schnell von der Wärmetauscherfläche 118 abströmen kann. Der Abstand 112 zwischen den Kanälen 115 bildet auch die Strömungskanäle für das Fluid zu den Öffnungen 114 in der Platte 112. Das Fluid strömt danach durch die Öffnungen 114 auf die heiße Wärmetauscherfläche 120, die durch den ein drittes Fluid enthaltenden Kanal 116 gebildet wird. Ein viertes Fluid in der Druckkammer 110 strömt gleichzeitig durch die Öffnungen 1O6 in der Platte 102 und trifft auf die heiße Wärmetauscherfläche 120. Die Kanäle 116 sind so gestaltet, daß die heißen Wärmetauscherflächen 120 von den beiden Platten 102 und 112 divergieren und eine offene Zone zwischen den Kanälen für einen Durchstrom zwischen den Platten 102 und 112 des nunmehr gemischten ersten und vierten Fluids zulassen.

Die Erfindung wurde anhand verschiedener bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben. Es ist jedoch verständlich, daß Abänderungen vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

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Claims

Ansprüche

.'11 Vorrichtung zum Austausch von Wärmeenergie zwischen Fluiden und Wärmetaüscherwänden, dadurch gekennzeichnet , daß in einer eine Druckfluidkammer (18) begrenzenden Platte ("1*0 Düsenöffnungen (15) zur Ausbildung von auf eine Wärmeaustauschplatte (12) gerichteten Fluidstrahlen (i6) angeordnet sind und daß mindestens eine der Platten (12 bzw. 14) den Abstand der Platten im Bereich der Düsenöffnungen (15) verringernde Vorsprünge sowie Einziehungen (22) zur Bildung von großvolumigen Strömungskanälen (24) für das auf die Platte (12) aufgetroffene Fluid aufweisen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Öffnungen (15) enthaltende Platte (i4) aus sich der Wärmetauscherplatte (12) nähernden Teilen und von dieser Wärmetauscherplatte (12) entfernteren Teilen zusammengesetzt ist und daß die Öffnungen in den nahe an der Wärmetauscherplatte (12) liegenden Plattenteilen vorgesehen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Platte (i4) eine Vielzahl von Düsen vorgesehen sind, von denen jede einen relativ nahe an der Wärmetauscherplatte (12) liegenden Fluidstrahl bildet.

h. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Öffnungen versehene Wand rillenförmig ausgebildet ist und die Öffnungen in den Längsteilen der

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Rillen liegen, die der Wärmetauscherplatte am nächsten stehen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die die Öffnungen (15) enthaltende Platte (i4) eine wellenförmige Gestalt besitzt und die Öffnungen entlang der der Wärmetauscherplatte (12) am nächsten stehende Teile liegen.

6. Errichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherwand (12) aus sich nahe an die mit Öffnungen (46) versehene Wand (44) erstreckenden Teilen besteht, die den Öffnungen (46) unmittelbar gegenüberliegen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherplatte (42) gerillt ist und ihre vorspringenden Rillen (50) den Fluidstrahlöffnungen (46) mit nur geringem Abstand unmittelbar gegenüberliegen.

8. Vorrichtung nach Anspruch. 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherplatte (42) eine wellenförmige Gestalt besitzt und die wellenartig vorspringenden Teile den Düsenstrahlöffnungen (46) mit nur geringem Abstand unmittelbar gegenüberliegen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Platten (12 und 14) aus sich relativ nahe an die andere Platte erstreckenden Teilen und von der Gegenplatte entfernter liegenden Teilen zusammengesetzt sind

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und daß die Öffnungen (46) in der einen ¥and (44) in denen der anderen Wand angenäherten Teilen liegen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die heiße Wärmetauscherplatte (42) ebenso wie die gelochte Platte (44) wellenförmig ausgebildet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Platten in eine Vielzahl von Wandsegmenten (22) unterbrochen ist, die die Öffnungen (15) begrenzen und zwischen denen Fluid-Strömungskanäle gebildet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die heiße Wärmetauscherplatte die Unterbrechungen aufweist.

13· Wärmetauscher nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die heiße Wärmetauscherplatte einen Str.ömungskanal bildet.

14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Platte (62) unter Einhaltung eines gewissen Abstandes an der anderen Seite der heißen Wärmetauscherplatte (60) angeordnet ist, die eine zweite Druckkammer (70) abschließt und mit Lochreihen (66) in ihren zur heißen Wärmetauscherplatte (60) nächstliegenden Bereichen versehen ist, wobei ihre von der heißen Platte (60) entfernteren Bereiche Strömungskanäle für das "Fluid einschließen.

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15· Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die heiße Wärmetauscherplatte (6o) weitgehend eben und die beiden gelochten Platten (62, 64) wellenförmig ausgebildet sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die heiße Wärmetauscherplatte (6o) wellenförmig
ausgebildet ist.

17· Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die heiße Wärmetauscherplatte (6o) Unterbrechungen aufweist und eine Anzahl von Fluidkanälen bildet.

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