DE2327714C3 - Wärmetauscher zum Wärmetausch zwischen zwei Strömungsmitteln, der beiderseits einer Scheidewand je einen von zwei gleichen Wärmetauschkörpern aufweist - Google Patents

Description

Wärmetauscher zum Wärmetausch zwischen zwei Strömungsmitteln, der beiderseits einer Scheidewand je einen von zwei gleichen Wärmetauschkörpern aufweist.

Der Gattung des Patentanspruchs 1 entsprechende, beispielsweise in der FR-OS 20 80 563 offenbarte Wärmetauscher weisen gegenüber üblichen anderen Wärmetauscherkonstruktionen den Vorteil auf, daß die im gegenseitigen Wärmeaustausch stehenden Strömungsmittel durch die zwischen den beiden Wärmetauschkörpern angeordnete Scheidewand zuverlässig voneinander getrennt bleiben. Bei dem in der FR-OS 20 80 563 beschriebenen Wärmetauscher besteht jeder Wärmetauschkörper aus einer quadratischen Platte, auf deren der Scheidewand zugekehrten Seite im wesentlichen parallel verlaufende Strömungskanäle mit einem etwa halbkreisförmigen Rinnenquerschnitt eingearbeitet sind. Die an der Platte gegenüberliegenden Enden der Strömungskanäle stehen über je eine Zu- und Abführöffnung mit entsprechenden äußeren Anschlußöffnungen in Verbindung. Wenn sich mit solchen Strömungskanälen über den vorgenannten Vorteil einer zuverlässigen Trennung der im Wärmeaustausch stehenden Strömungsmittel hinaus auch relativ geringe Druckverlust ergeben, so lassen doch die in bezug auf den Strcmufigsquerschnitt nahezu minims! großen Wandflächen doch nur eine verhältnismäßig träge Wärmeübertragung zu.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten bekannten Wärmetauscher so zu vervollkommnen, daß trotz Einhaltung eines ebenfalls nur verhältnismäßig geringen Druckverlustes und einer konstruktiv verhältnismäßig einfachen Konstruktion wesentlich bessere Wärmeübertragungsverhältnisse erzielt werden.

Die gestellte Aufgabe ist durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 wiedergegebene Maßnahme gelöst.

Durch die vorgeschlagene Bildung der Stömungskanäle zwischen den Windungen je einer Spirale aus

einem Bandmaterial lassen sich sehr enge, im Querschnitt rechteckige Strömungskanäle erzielen, die damit im Verhältnis zum Querschnitt große Wandflächen aufweisen und einen entsprechend guten Wärmeübergang in das Bandmaterial der Spirale 'Ttiöglichen. Die Wärmeübertragung durch die Scheidewand erfolgt damit nicht nur entlang den der Scheidewand zugekehrten Schmalseiten der Strömungskanäle, si ndern maßgeb'ich durch das Bandmaterial der Spiralen und die Scheidewand, wobei die gegenüber der Breite der Strömungskanäle größere Wandstärke der Spiralwindungen einen weiteren wesentlichen Beitrag zu einer optimalen Wärmeübertragung leistet Trotzdem kann der Wärmetauscher mit einem verhältnismäßig kleinen Druckabfall in seinen beiden Wärmetauscher- is pern betrieben werden, weil durch die vielfachen Vet^weigungen des Strömungsmittels in jedem Wärmetauschkörper insgesamt doch ein verhältnismäßig großer Durchströmungsquerschni« geschaffen ist.

Durch die DE-AS 1152715 ist zwar bereits ein Wärmetauscher offenbart, bei dem die im Wärmetausch stehenden beiden Strömungsmittel in Strömungskanälen geführt werden, die in spiralförmigen Windungen eines Bandmaterials gebildet sind. Wenn zwar auch dort trotz enger Strömungskanäle durch eine vielfache Verzweigung der beiden im Wärmeaustausch stehenden Strömungsmittel ein verhältnismäßig geringer Druckabfall erzielt wird, so arbeitet dieser Wärmetauscher doch nach einem gegenüber der nunmehrigen Erfindung ganz anderen Prinzip, indem die beiden im Wärmeaustausch stehenden Strömungsmittel dort in je einer Spiralwindung von zwei ineinandergewickelten Spiralen so strömen, daß in radialer Richtung des Gesamtkörpers die Strömungskanäle für die beiden Strömungsmittel jeweils abwechseln und die Wärmeübertragung somit lediglich in radialer Richtung durch das Bandmaterial der Spiralen erfolgt. Abgesehen davon, daß das bekannte Verzweigungssystem für die beiden Strömungsmittel nicht ohne weiteres auf die nunmehr vorgeschlagenen Wärmetauschkörper übertragbar ist, konnte der bekannte Wärmetauscher auch keine Anregung zur Lösung des der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden ganz anderen Problems einer optimalen Wärmeübertragung zwischen zwei durch eine Schneidewand voneinander getrennten Wärmetauschkörpern geben.

Konstruktive Ausgestaltungen der Erfindung, die vor allem Hinweise für eine einfach herstellbare konstruktive Gestaltung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers geben, sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. so

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht; es zeigt

F i g. 1 eine erste Ausführungsform des Wärmetauschers in einer perspektivischen Ansicht schräg von oben;

F i g. 2 den Wärmetauscher gemäß F i g. 1 in einem Querschnitt nach der Linie 2-2 der Fig. 1;

F i g. 3 denselben Wärmetauscher in einer Ansicht gemäß F i g. 2 von unten (Teile des Wärmetauschers sind zur besseren Sichtbarmachung von Einzelheiten geschnitten dargestellt);

Fig.4 eine Zu- und Abführöffnungen für das eine Strömungsmittel bildende Platte desselben Wärmetauschers in einer der F i g. I entsprechenden Ansicht;

F i g. 5 ein den Strömungsverlauf in einem Wärmetauschkörper desselben Wärmetauschers veranschaulichendes Schaubild;

Fig.6 eine die Strömungskanäle des Wärmetau

schers deutlicher veranschaulichende, vergrößert dargestellte Ausschnittdarstellung der Fig.!;

F i g. 7 eine zweite Ausführungsform des Wärmetauscher« in einer Seitenansicht (teilweise in einem der F i g. 2 entsprechenden Querschnitt);

Fig.8 den Wärmetauscher gemäß Fig.7 in einer Ansicht von unten (Teile der Sodenwand sind zur besseren Sichtbarmachung von Einzelheiten geschnitten dargestellt);

F i g. 9 ein Wärmetauschkörper einer dritten Ausführungsform des Wärmetauschers in einer der Fig. 1 entsprechenden perspektivischen Ansicht;

F i g. 10 ein einer weiteren Ausführungsform entsprechender Wärmetauscher in einer Ansicht von oben;

Fi g. 11 der Wärmetauscher gemäß Fi g. 10 in einem Teilquerschnitt nach der Linie 11-11 der F i g. 10;

Fig. 12 eine weitere Ausführungsform des Wärmetauschers in einer der F i g. 10 entsprechenden Ansicht;

Fig. 13 den Wärmetauscher gemäß Fig. 12 in einer der F i g. 11 entsprechenden Schnittdarstellung;

Fig. 14 eine der Fig. 13 entsprechende Schnittdarstellung einer wiederum anderen Ausführungsform des Wärmetauschers;

Fig. 15 den Wärmetauscher gemäß Fig. 14 in einem Teilschnitt nach der Linie 15-15 der F ig. 14;

Fig. 16 eine weitere, mehrere gestapelte Wärmetauschkörper aufweisende Ausführungsform des Wärmetauschers in einem axialen Teilschnitt;

Fig. 17 den Wärmetauscher gemäß Fig. 16 in einem Teilschnitt nach der Linie 17-17 der F i g. 16;

Fig. 18 eine der Fig.7 entsprechende Darstellung einer wiederum anderen Ausführungsform des Wärmetauschers;

Fig. 19 den Wärmetauscher gemäß Fig. 18 in einer Ansicht von unten (Teile der Bodenwand sind zur besseren Sichtbarmachung von Einzelheiten entfernt);

F i g. 20 eine weitere Ausführungsform des Wärmetauschers in einer der Fig.6 entsprechenden Ausschnittdarstellung (teilweise in shematisch gehaltener Ansicht).

Bei dem in den F i g. 1 bis 6 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel sind in einem zylindrischen Gehäuse 11 zwei etwa scheibenförmige Wärmetauschkörper 12 und 13, durch eine Scheidewand 15 aus einem vorzugsweise gut wärmeleitenden Material voneinander getrennt, axial nebeneinander angeordnet. Dabei werden die beiden Wärmetauschkörper 12 und 13 gegen die Scheidewand 15 fest und dicht über Schrauben 17 gespannt, die einen in eine untere Gewindeöffnung des Gehäuses 11 eingeschraubten Ring 19, in dessen Umfangsrichtung verteilt, durchsetzen. Dabei greifen die Schrauben 17 an einem den unteren Wärmetauschkörper 13 übergreifenden napfförmigen Deckelteil 22 des Gehäuses an.

Die beiden Wärmetauschkörper 12 und 13 sind im wesentlichen gleichartig ausgebildet und bilden jeweils eine Vielzahl um einen Kern 27a bzw. 27£> spiralförmig gewundener Strömungskanäle 23a und 23b, wobei die Spirale aus einem Band aus einem Metall hoher Wärmeleitfähigkeit, wie Kupfer, Aluminium oder Stahl bestehen kann. Die wirksame Länge jedes einzelnen Strömungskanals beträgt gemäß Fig.3 60°, kann aber auch bis zu 180° (F i g. 8) betragen, wobei aber stets die gesamte Länge eines Spiralkanals für den Wärmeaustausch ausgenutzt ist.

Wie aus F i g. 6 hervorgeht, weisen die Strömungskanäle 23a und 23b im Verhältnis zu ihrer Höhe Λ nur eine sehr kleine Breite wauf, wodurch ein guter Wärmeüber-

gang zwischen den Wänden und dem Strömungsmittel gewährleistet wird. Infolge der zur Breite verhältnismäßig großen Höhe ergeben sich zugleich große von dem Strömungsmittel benetzte Wandflächen und eine Herabsetzung des Druckabfalles. Zu beachten ist weiterhin, daß die Wandstärke t der Spiralwindungen größer als die Breite wder Strömungskanäle ist, woraus sich zwischen diesen Wänden und der Scheidewand 15 bei der Wärmeübertragung nur verhältnismäßig kleine Temperaturdifferenzen ergeben. Gemäß einem typischen Ausführungsbeispiel ist eine Spirale eines Durchmessers von 100 mm im übrigen wie folgt aufgebaut:

Breite »w«des Strömungskanals 0,2 mm

Höhe »h« des Strömungskanals 10 mm
Wandstärke »/«der

Spiralwindungen 0,5 bis 3,0 mm

Die Strömungskanäle 23a und 23b sind zur Gewährleistung eines wirksamen Wärmeüberganges von dem in ihnen strömenden Strömungsmittel auf die bandförmigen Wände nur verhältnismäßig schmal. Die Bildung derart schmaler Kanäle kann dadurch erleichtert werden, daß entlang dem einen Rand des spiralförmig gewundenen Bandes ein die Breite der Strömungskanäle bestimmender Draht 30a bzw. 30Z> in die Spirale miteingewunden wird. Stattdessen können die Windungen an verschiedenen Stellen in der aus F i g. 3 ersichtlichen Weise durch die Strömungskanäle in einer Radialrichtung durchsetzende Stifte 32 fixiert werden, die von einem ortsfesten Gehäuseteil ausgehen, etwa entsprechend der Offenbarung der DE-OS 22 20 012.

Jeder der beiden Wärmetauschkörper 12 und 13 steht mit einem das Gehäuse 11 bzw. den Deckelteil 22 axial nach außen durchsetzenden Einlaßkanal 28a bzw. 286 in Verbindung. Der Auslaß der beiden Strömungsmittel erfolgt über das Gehäuse 11 bzw. dessen Deckelteil 22 exzentrisch nach außen durchsetzende Auslaßkanäle 33a und 33b. Das Strömungsmittel gelangt vom oberen Einlaßkanal 28a aus in drei radial in einem Winkelabstand von 120° voneinander nach außen führende Zuführöffnung41 a,42a und43a(Fig.4),die in einer die oberen Spiralwindungen 25a überdeckenden Platte 45a angeordnet sind. Zwischen den Zuführöffnungen 41a, 42a und 43a werden somit jeweils Strömungskanäle 23a einer Bogenlänge von 120° gebildet.

Außerdem sind in der Platte 45a in einem ebenfalls 120° betragenden gegenseitigen Winkelabstand jeweils radial verlaufende Abführöffnungen 48a, 49a und 50a angeordnet, die außerdem jeweils den Winkelabstand zwischen zwei Zuführöffnungen halbieren. Die Abführöffnungen 48a. 49a und 50a bilden ebenfalls Verbindungen zu den Strömungskanälen 23a, die sich jeweils in der Mitte zwischen zwei in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Zuführöffnungen befinden. Die Abführöffnungen 48a, 49a und 50a stehen mit einem konzentrischen Ringkanal 52a der Platte 45a in Verbindung, mit dem weiterhin der Auslaßkanal 33a verbunden ist. Daraus ergibt sich, daß das zugeführte Strömungsmittel über die Zuführöffnungen 41a, 4Za und 43a in Umfangsrichtung der Spirale jeweils nach beiden Richtungen in die parallel zueinander verlaufenden Strömungskanäle 23a und von diesen aus nach einem Winkelweg von lediglich 60° in die Abführöffnungen 48a. 49a und 50a gelangt, aas denen es über den Ringkanal 526 in den Auslaßkanal 33a weiterströmt Es liegt auf der Hand, daß sich damit trotz der schmalen einzelnen Strömungskanäle 23a ein nur sehr kleiner Druckabfall erreichen läßt.

Der in F i g. 5 schematisch dargestellte Strömungsverlauf in einem Wärmetauschkörper führt vom Einlaßkanal 28a über die Zuführöffnung 43a zu den schmalen, dem Wärmeaustausch dienenden Strömungskanälen 23a, aus denen das Strömungsmittel nach einem Winkelweg von jeweils nur etwa 60° in die Abführöffnungen 48a und 50a gelangt, aus denen es schließlich über den Ringkanal 52a zum Auslaßkanal 33a gelangt.

ίο Während die Darstellung den Strömungsverlauf lediglich von der Zuführöffnung 43a aus veranschaulicht, ergeben sich ganz analoge Strömungsverläufe auch bei den beiden weiteren Zuführöffnungen 41 a und 42a.
Der Aufbau und die Wirkungsweise des unleren Wärmetauschkörpers 13 entspricht genau dem vorstehend beschriebenen Aufbau und der vorstehend beschriebenen Wirkungsweise des oberen Wärmetauschkörpers 12. Auch die Bezeichnungen in der Darstellung sind grundsätzlich die gleichen, wobei die Einzelteile des oberen Wärmetauschkörpers 12 lediglich durch den Index »a« von den entsprechenden, mit dem Index »b« bezeichneten Einzelheiten des unteren, insbesondere auch in F i g. 3 veranschaulichten Wärmetauschkörpers 13 unterschieden sind.

Der praktischen Bemessung der Wärmetauschkörper liegen folgende Gesichtspunkte zugrunde:

Bei einem mit zwei Strömungsmitteln arbeitenden Wärmetauscher müssen für eine bestimmte Gesamtwärmeübertragung drei Temperaturdifferenzen berück sichtigt werden, und zwar:

1) Die Temperaturdifferenz zwischen dem einen Strömungsmittel und der es begrenzenden Wand des Strömungskanals;

2) die Temperaturdifferenz zwischen dem anderen Strömungsmittel und der diese begrenzenden Wand des zugeordneten Strömungskanals und

3) die bei der Wärmeleitung in dem festen Wandmaterial des Wärmetauschers auftretende Temperaturdifferenz.

Die zwischen den beiden Strömungsmitteln auftretende Gesamt-Temperaturdifferenz entspricht damit der Summe der drei vorgenannten Temperaturdifferenzen und man strebt selbstverständlich bei den meisten auch heute schon bekannten Wärmetauschern an, diese Gesamt-Temperaturdifferenz so klein wie möglich zu halten. Im Hinblick auf die Tatsache, daß bei einer laminaren Strömung der Wärmefluß umgekehrt proportional zur Breite eines Strömungskanals ist. sind die Strömungskanäle gemäß der vorliegenden Erfindung sehr schmal ausgebildet womit zwischen dem Strömungsmittel und der Wandung des Strömungskanals ein sehr guter Wärmeübergang erreicht ist Im gleichen Sinne wirken sich große vom Strömungsmittel benetzte Flächen aus, was durch eine große Zahl gleichsinnig verlaufender Strömungskanäle und durch die verhältnismäßig große Höhe derselben erreicht ist Für einen optimalen Wärmeübergang von den Spiralwindungen auf die Scheidewand ist weiterhin wesentlich, daß diese Teile m einem guten wärmeleitenden Kontakt miteinander stehen. Dies kann dadurch gewährleistet werden, daß die Auflageränder der Spiralwindungen genau eben geschliffen werden, so daß beim Zusammenspannen der Wärmetauschkörper unter Zwischenlage der Scheidewand eine satte und vollkommene Anlage der Randflächen der Spiralwindungen an der Scheidewand gewährleistet wird. Diese satte Anlage kann noch dadurch vergrößert werden, daß für die Scheidewand

ein verhältnismäßig weiches Material verwendet wird und/oder daß der der Scheidewand zugewandte Rand des die Wände der Strömungskanäle bildenden Bandes scharfkantig ausgebildet wird und sich dementsprechend etwas in das Material der Scheidewand eingräbt. In manchen Anwendungsfällen kann es auch zweckmäßig sein, die Windungen des genannten Bandes zur weiteren Verbesserung des Wärmekontaktes an der Scheidewand anzukleben.

In manchen Fällen können dicke und breite Bänder entlang dem Spiralband Wärmeverluste zur Folge haben. Man kann solche Verluste dadurch herabmindern, daß man das Spiralband in verhältnismäßig kurze aufeinanderfolgende Abschnitte aufteilt, die jeweils über ein wärmeisolierendes Material miteinander verbunden sind.

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher kann sowohl für zwei Gase oder gashaltige Strömungsmittel wie auch für zwei Flüssigkeiten oder zwei Flüssigkeit enthaltende Strömungsmittel und ebenso auch für zwei unterschiedliche Strömungsmittel der vorgenannten Art verwendet werden.

Bei den nachstehend beschriebenen weiteren Ausführungsbeispielen sind gleiche Teile im allgemeinen durch gleichbleibende Bezugszeichen gekennzeichnet 2s

Bei dem in den F i g. 7 und 8 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel sind die Windungen der spiralförmigen Wärmetauschkörper 12 und 13 um jeweils einen zentralen Kern 27a bzw. 276 gewunden und die Wärmetauschkörper unterscheiden sich von den Warmetauschkörpern des ersten Ausführungsbeispiels vor allem durch eine andere Anordnung und Ausbildung der Zu- und Abführöffnungen sowie eine andere Ausbildung des Gehäuses.

Die Zuführung des Strömungsmittels erfolgt durch im äußeren Umfangsbereich der Wärmetauschkörper 12 ' und 13 achsparallel angeordnete Einlaßkanäle 28a und 286, die über jeweils eine aus dem Material der Spiralwindungen ausgefrästen und nach dem Kern 27a bzw. 276 hin konisch verjüngte Zuführöffnung 60 unmittelbar mit den Strömungskanälen 23a bzw. 236 in Verbindung stehen. Die Abführöffnungen 62 bestehen in gleicher Weise aus aus dem Material der Spiralwindungen ausgefrästen Kanälen, die im äußeren Umfangsbereich der Spirale in jeweils einen Auslaßkanal 33a bzw. 33b übergehen. Wie insbesondere aus Fig.8 hervorgeht, befinden sich die Ein- und Auslaßkanäle 28a und 33a sowie 28b und 33b an der Spirale jeweils diametral gegenüberliegend, so daß das Strömungsmittel zwischen den Zu- und Abführöffnungen jeweils einen Winkelweg von 180°, d h. etwa eine halbe Spiral windung, durchströmen muß. Die konische Verjüngung der Zu- und Abführöffnungen hat den Zweck, in den verschiedenen durchströmten Teilen der Strömungskanäle eine möglichst gleichmäßige Strömungsgeschwin- digkeit zu erreichen. Im übrigen geht aus F i g. 8 hervor, daß das Strömungsmittel aus jeder Zuführöffnung 60 nach beiden Seiten, d. h. nach beiden entgegengesetzten Richtungen in die Strömungskanäle 23a verzweigt wird, wie durch Pfeile 65 angedeutet ist eo

Die beiden Wärmetauschkörper 12 und 13 werden durch zwei Deckplatten 66 und 67 gegen die zwischen ihnen angeordnete Scheidewand 15 gepreßt, wobei ein die beiden Wärmetauschkörper 12 and 13 aufnehmendes Rohrstück 71 nach den Deckplatten 66 und 67 hin jeweils durch einen Dichtring 68 bzw. 69 abgedichtet ist Die beiden Deckplatten 66 und 67 sind entlang ihrem Außenumfang durch Spannschrauben 78 nebst Muttern 79 derart zusammengespannt daß dadurch zugleich die gewünschte Abdichtung der Deckplatten 66 und 67 gegenüber den Spiralwindungen der beiden Wärmetauschkörper 12 und 13 und auch die gewünschte Abdichtung zwischen den letzteren und der mittleren Scheidewand 15 gewährleistet wird.

Bei dem in Fig.9 dargestellten weiteren Ausführungsbeispiel gelangt das durch einen axialen Einlaßkanal 28 zugeführte Strömungsmittel in vier in einem Winkelabstand von 90° voneinander radial durch die Spiralwindungen 25a hindurch nach außen führende Zuführöffnungen 75. Außerdem sind die Spiralwindungen noch von vier ebenfalls jeweils um 90° zueinander versetzten Abführöffnungen 77 radial durchsetzt, die an der Außenwandung des Einlaßkanals 28 enden. Das Strömungsmittel hat im Wärmetauschkörper somit lediglich Winkelwege von jeweils 45° zu durchströmen, bis es in eine Abführöffnung 77 gelangt Die vier Abführöffnungen 77 münden in nicht besonders dargestellter Weise über einen Ringkanal oder auf andere Weise in einen Auslaßkanai aus.

Bei dem in den F i g. 10 und 11 dargestellten weiteren Ausführungsbeispiel sind die Zuführöffnungen 79 durch in der Deckplatte 80 ausgefräste radiale Nuten gebildet während die Abführöffnungen 83 die Spiralwindungen in Form von Bohrungen von außen her bis nahe zum Kern hin durchsetzen, Die Spiralwindungen 25a und 256 und die Scheidewand 15 entsprechen den bereits im Zusammenhang mit den vorhergehenden Ausführungsbeispielen beschriebenen Ausführungen.

Bei der in den Fig. 12 und 13 dargestellten Ausführungsform des Wärmetauschers wird das zugeführte Strömungsmittel über Siebe 87 verteilt die an der einen Stirnseite jedes Wärmetauschkörpers auf den Spiralwindungen 25a bzw. 256 aufliegen. Die Abführöffnungen 90 bestehen aus dem Material der Spiralwindungen ausgefrästen Nuten, die jeweils durch eine Platte 91 abgedeckt sind. Auf diese Weise werden Kurzschlußströmungen vom Bereich der Siebe 87 unmittelbar in die Abführöffnungen 90 verhindert Der Strömungswiderstand der Siebe 87 ist so bemessen, daß bei einer gleichmäßigen Beaufschlagung aller vier Siebe eine gleichmäßige Verteilung des Strömungsmittels auf die verschiedenen zugeordneten Strömungskanäle 23a bzw. 236 bewirkt wird. Eine ähnlich gleichmäßige Verteilung des Strömungsmittels kann auch erreicht werden, wenn statt Sieben poröse Platten verwendet werden.

Bei dem in den Fig. 14 und 15 dargestellten Ausführungsbeispiel mündet der axiale Einlaßkanal 28a in einen im Durchmesser größeren Kern 27a ein, der in einem gegenseitigen Winkelabstand von 90° vier weitere, radial nach außen führende Einiaßkanäie 95 bildet die außen jeweils in eine aus einer radialen Durchbohrung der Spiralwindungen 25a gebildeten Zuführöffnung 101 weiterführen. Jeweils zwischen den Einlaßkanälen 95 führt in den Kern 27a ein Auslaßkanal 97, der über einen im Kern befindlichen Ringkanal 99 mit einem weiteren gemeinsamen, exzentrisch achsparallel angeordneten Auslaßkanal 33a in Verbindung steht Im übrigen stehen auch die Auslaßkanäle 97 mit radial nach außen anschließenden, jedoch nicht dargestellten Abführöffnungen in Verbindung, die aus dem Material der Spiralwindungen 25a ausgefräst sind.

Das in den Fig. 16 und 17 dargestellte weitere Ausführungsbeispiel weist ein längeres zylindrisches Gehäuse 11 auf, in dem mehrere, jeweils durch eine Scheidewand 15 voneinander getrennte Wärmetauschkörper axial gestapelt sind. Dabei ist jeder Wärme-

tauschkörper von einem zylindrischen Rohrstück Ii 10 umgeben und die einzelnen Wärmetauschkörper sind jeweils radial von dem Kern 27 in unterschiedlichen Richtungen ausgehenden Zu- und Abführöffnungen 1116 bzw. 117 durchsetzt. Außen führen diese Öffnungen durch je eine Anschlußbohrung des zugeordneten Rohrstückes 110 und durch damit fluchtende Bohrungen 114 des Gehäuses 11 in dortige, achsparallel verlaufende Einlaß- bzw. Auslaßkanäle 28 und 33. Wie ersichtlich, hat jedes Wärmetauschersystem seine eigenen Ein- und Auslaßkanäle 28 bzw. 33, so daß die Strömungswege der einzelnen Wärmetauschersysteme voneinander getrennt sind.

Die Rohrstücke UO dienen dazu, die einzelnen Wärmetauschkörper außen gegenüber dem Gehäuse 11 zuverlässig abzudichten. Sie können zu diesem Zweck noch in äußeren Ringnuten geeignete Dichtringe 1120 aufnehmen, die andererseits gegenüber der Innen wandung des Gehäuses 11 abdichten.

Aus Fig. 16 ist weiterhin ersichtlich, daß diese Ausführungsform die Unterbringung sehr leistungsfähiger Wärmetauscher auf einem überraschend kleinen Raum zuläßt Trotzdem kann ein solcher Wärmetauscher zu Reparatur- oder Reinigungszwecken leicht in seine Einzelteile zerlegt werden, weil die einzelnen Wärmetauschkörper und Scheidewände im Gehäuse 11 lediglich durch eine der bereits beschriebenen Spannvorrichtungen axial zusammengespannt sein können.

Die F i g. 18 und 19 zeigen eine weitere Ausführungsform des Wärmetauschers, bei der einzene Strömungskanäle jedes Wärmetauschkörpers in gegensätzlicher Richtung durchströmt werden können. Ähnlich dem in den F i g. 7 und 8 dargestellten Ausführungsbeispiel sind untere und obere Deckplatten 66 und 67 vorgesehen, die durch Spannschrauben 78 nebst Muttern gegen die zwischen ihnen eingeschlossenen Wärmetauschkörper 12 und 13 nebst Scheidewand 15 gespannt werden. Auch hier weisen die Wärmetauschkörper ähnlich früheren Ausführungsbeispielen aus dem Material der Spiralwindungen 25a und 25b ausgefräste radiale Zu- und Abführöffnungen 121 und 124 auf.

Das beispielsweise aus einer Flüssigkeit bestehende Strömungsmittel wird dem unteren Wärmetauschkörper 13 durch vier entlang dessen Umfangsbereich verteilt angeordnete Einlaßkanäle 130 achsparallel in je eine aus dem Material der Deckplatte 66 ausgefräste kurze Zuführöffnung 120 zugeführt, die sich in radialer Richtung nur über einen Teil der Spiralwindungen 256 erstreckt Infolgedessen kann das Strömungsmittel aus den Zuführöffnungen 120 nur in beiden Umfangsrichtungen in die äußeren Strömungskanäle 23b weiterströmen, aus denen ss nach einem Winkelweg von 45' in je eine weitere Zuführöffnung 121 gelangt die sich in radialer Richtung vom äußeren Umfang bis zum Kern 276 erstreckt wo sie endet Aus den Zuführöffnungen 121 kann d-s Strömungsmittel dann lediglich wieder in seiden Umfangsrichtungen entlang dortigen inneren Strömungskanälen 236 jeweils entlang einem Winkelweg von 45° in die Abführöffnungen 124 gelangen, von wo aus sie durch entsprechende Bohrungen des Kerns 276 in einen axialen Auslaßkanal 135 weiterströmen kann.

Vorausgesetzt daß das den unteren Wärmetauschkörper 13 durchsrömende Strömungsmittel zur Beheizung des den oberen Wärmetauschkörper 12 durchströmenden Strömungsmittels dienen soll, kann davon ausgegangen werden, daß es vorteilhaft sein kann, das untere, zunächst als Flüssigkeit zugeführte Strömungsmittel in den Strömungskanälen 23b zu verdampfen, womit die Dichte des Strömungsmittels unter dessen gleichzeitiger erheblicher Geschwindigkeitssteigerung entsprechend stark abnimmt. Der Dampf weist dann eine gegenüber der Flüssigkeit aufsteigende Tendenz auf und sammelt sich in den oberen, entsprechend heißeren Bereichen der Strömungskanäle 23b. Es ist deshalb zweckmäßig, den Wärmetauscher mit der über dem unteren Wärmetauschkörper 13 befindlichen Scheidewand 15 horizontal anzuordnen.

Zur Inbetriebnahme des Wärmetauschers werden zunächst die unteren Teile der äußeren Zuführöffnungen 120 des Wärmetauschkörpers 13 mit Flüssigkeit gefüllt Nachdem diese durch zugeordnete Strömungskanäle 236 über die Zuführöffnung 121 in die Abführöffnungen 124 gelangt ist ist in den Kanälen nur noch entsprechend weniger Flüssigkeit Außerdem befindet sich im oberen Bereich der Abführöffnungen 124 lediglich reiner Dampf, der sich bei entsprechenden Temperaturverhältnissen in überhitztem Zustand befindet. Infolgedessen wird aus dem Auslaßkanal 135 lediglich reiner Dampf abgezogen. Der obere Wärmetauschkörper 12 kann beispielsweise der in F i g. 6 dar- gestellten Ausführung entsprechen.

In Fig. 20 ist für eine der Spiral windungen die Verwendung einer die Wärmeleitung in den Spiralwindungen zusätzlich fördernden Flüssigkeit dargestellt Zu diesem Zweck ist die dargestellte obere Spiralwindung statt aus einem einzigen Band aus zwei Bändern 140 und 140a gebildet die über Abstandskörper 142 in gegenseitigem Abstand gehalten werden und zwischen sich und der unter ihnen verlaufenden Scheidewand 15 einen eine gut wärmeleitende Flüssigkeit enthaltenden Raum 146 bilden. Das die Innenwand des Raumes 146 bildende Band 140a ist in der bei solchen Räumen üblichen Weise an seiner diesem Raum zugekehrten Seite mit einem Docht aus Sintermetall versehen, welcher durch seine Kaprillarkräfte die Flüssigkeit besonders intensiv über die Innenwand verteih. Die Strömungskanäle 148 sind demgegenüber jeweils zwischen den Wänden der benachbarten Windungen des Raumes 146 gebildet wobei die gleichbleibende Breite dieser Strömungskanäle durch einen an deren der Scheidewand 15 zugekehrten Grund verlaufenden Draht 150 sichergestellt ist Der Vorteil der Verwendung der zusätzlichen Flüssigkeit liegt in einer besseren Wärmeleitung im Spiralsystem in einer quer zur Scheidewand 15 verlaufenden Richtung. Außerdem

so erlaubt deren Verwendung eine wesentlich höhere Ausbildung (vgl. F i g. 20) der Strömungskanäle 148 als es bei Verwendung eines einzigen Bandes für die Spiral windungen möglich wäre. Andererseits stehen diesem Vorteil auch Nachteile gegenüber, so z. B. eine Vermehrung der unerwünschten Wärmeleitung entlang den Strömungskanälen, ein komplizierter Aufbau, Abdichtungsprobleme und eine geringere mechanische Festigkeit Wenn die die zusätzliche Wärmeleitungsflüssigkeit zwischen sich aufnehmenden Bänder 140 und 140a im übrigen an die Scheidewand 15 angelötet sind, wird auch die Reinigung und Reparatur des Wärmetauschkörpers erschwert Die Spiralwindungen 25 des unter der Scheidewand 15 befindlichen Wärmetauschkörpers können wie bei den früher beschriebenen Ausführungsbeispielen als einfache Bänder aus festem Material ausgebildet sein.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Wärmetauscher zum Wärmetausch zwischen zwei Strömungsmitteln, wie Flüssigkeiten oder Gasen, der beiderseits einer dünnen Scheidewand je einen von zwei gleichen Wärmetauschkörpern mit auf der Seite der Scheidewand durch diese abgeschlossenen Strömungskanälen für je Körper eines der beiden Strömungsmittel, eine an den der Scheidewand gegenüberliegenden Seiten der Wärmetauschkörper angreifende und diese gegen die Scheidewand pressende Anpreßvorrichtung und je Wärmetauschkörper mindestens eine Zu- und eine Abführöffnung für das zugeordnete Strömungsmittelaufweist, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wärmetauschkörper (z. B. 12 bzw. 13) aus einer bekannten, aus Bandmaterial hergestellten Spirale mit zwischen ihren Windungen (25a bzw. 256) gebildetem, im Querschnitt rechtecl-igem Strömungskanal (23a bzw. 236) mit radial liegenden Schmalseiten besteht, daß in Umfangsrichtung der von jedem Strömungskanal (23a bzw. 236) eingenommenen Kreisfläche verteilt radial zu dieser verlaufende Zuführöffnungen (z. B. 41 a, 42a, 43.r) und zwischen diesen ebenfalls radial zur Kreisfläche verlaufende Abführöffnungen (z. B. 48a, 49a, 50a) für das zugeordnete Strömungsmittel angeordnet sind, und daß die Wandstärke (t) der Spiralwindungen

(z. B. 25a, 256) größer ist als die Breite (w) der Strömungskanäle (23a, 23b).

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzweigungs- und Sammelelemente in einer an den der Scheidewand (15) gegenüberliegenden Seiten der Strömungskanäle (z. B. 23a) anliegenden Platte (45a) untergebracht sind und jeweils mit einem in einem den Wärmetauschkörper (z. B. 12) aufnehmenden Gehäuse (11) befindlichen Einlaß- bzw. Auslaßkanal (z. B. 28a und 33a) in Verbindung stehende Zu- bzw. Abströmöff- «o nungen sowie von diesen ausgehende Verteilerkanäle (41//, 416. 41c) bzw. Sammelkanäle (526,48fr, 496, 506) aufweisen, wobei die Verteilkanäle (41a, 416, 41c) mit den Strömungskanälen (23a) an anderen Stellen in Verbindung stehen, als die von diesen Kanälen ausgehenden Sammelkanäle (486,496.506); F i g. 2 und 3.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzweigungs- und Sammelelemente aus den Spiralwindungen (z. B. 25a) ausgefräste oder diese durchsetzende sowie über die Spirale verteilt angeordnete Kanäle (z. B. 60 und 62) aufweisen; F i g. 7 und 8.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 2. da-iurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (z. B. 60 und 62) der Verzweigungs- und Sammelelemente die Spirale in einem gegenseitigen Winkelabstand radial zwischen einem Kern (z. B. 21a) und dem Außenumfang ganz durchsetzen; F i g. 7 und 8.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verzweigungselement ein zwischen einem Einlaßkanal (z. B. 28a) des Wärmetauschkörpers und der einlaßseitigen Stelle eines Strömungskanals (23a) angeordnetes Sieb (87), eine poröse Platte od. dgl. ist; F i g. 12 und 13.

6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (11) die Form eines einseitig geschlossenen Zylinders aufweist, welcher die Wärmetauschkörper (12, 13) einschließlich der Verzweigungs- und Sauimelelemente und die Scheidewand (15) umfaßt, und daß die Einspannvorrichtung aus einem napfförmigen, in das Gehäuse (11) einschiebbaren und am Gehäuse (U) von außen verspannbaren Deckelteil (22) besteht

7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (11) aus zwei teleskopisch ineinanderschiebbaren Rohrstükken (71, 72) und die Einspannmittel aus zwei mit Spannschrauben (78, 79) versehenen kreisförmigen Deckplatten (66 und 67) bestehen, die an ihren den Wärmetauschkörpern (12, 13) zugekehrten Seiten Verzweigungs- und/oder Sammelkanäle (z. B. 120) der Verzweigungs- und Sammeleiemente aufweisen.

8. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei spiralförmig ineinander gewundene Bänder (140 und 140a) aufweist und einer (146) der dadurch gebildeten beiden Kanäle (146 und 148) eine stationäre Wärmeleitungsflüssigkeit aufnimmt

9. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß in die Spirale ein die radiale Breite des Strömungskanals (z. B. 23a) bestimmender Draht (z. B. 30a) mit eingewickelt ist