DE2417668A1

DE2417668A1 - Waermeaustauscher

Info

Publication number: DE2417668A1
Application number: DE2417668A
Authority: DE
Inventors: Jean Dr Phil Schrade
Original assignee: SCHRADE JEAN ZUERICH (SCHWEIZ)
Current assignee: SCHRADE JEAN ZUERICH (SCHWEIZ)
Priority date: 1973-04-13
Filing date: 1974-04-11
Publication date: 1974-10-24
Also published as: JPS5222703B2; FR2225712A1; CH561889A5; FR2225712B3; JPS5076639A; BE813655A; IT1004220B; US3912003A

Description

PATENTANWXLTE

DR. E. WIEGAND DlPL-ING. W. NIEMANN

DR. M. KÖHLER DIPL-ING. C. GERNHARDT 2 417

MÖNCHEN HAMBURG TELEFON: 381233 ₍ 200O H AMBU RG 50, TELEGRAMME=KARPATENt KDNIGSTRASSE28

W.26 269/74 12/Hh

Jean Schrade
Zürich (Schweiz)

Wärmeaustauscher.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmeaustauscher mit wenigstens einem Kanal für den Durchfluß eines ersten Wärmeaustauschmediums und einem zweiten Kanal für den Durchfluß eines zweiten Wärmeaustauschmediums .

Bekannte Wärmeaustauscher sind so gebaut, daß eine Wand aus Metall oder einem andern gut leitenden Werkstoff wie Graphit, die Trennung zwischen den beiden Medien zwischen denen der Wärmeaustausch zu erfolgen hat, bewirkt. Die Trennwand hat Wärme des wärmeren Mediums zum kälteren zu leiten. Wegen Gewicht und Preis werden die Trennwände möglichst dünn ausgeführt. Aus Gründen der einfachen Herstellung ist die Trennwand meistens eine Rohrwandung. Die Medien zwischen denen der Wärmeaustausch zu

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erfolgen hat, sind entweder wässerig oder organische Flüssigkeiten oder gasförmig. Deren Wärmeleitfähigkeit ist stets beträchtlich geringer als die der Metalle. Deshalb wurden viele Vorschläge gemacht, die teilweise auch ausgeführt wurden, um die Überfläche der metallischen Rohrwand zu vergrößern.

Wärmeaustauscher der beschriebenen Art sind oft schwer, umfangreich und ^orrosionsschäden unterworfen. Es ist sehr wünschenswert, Wärmeaustauscher ohne diese Kachteile zur Verfügung zu haben, die trotzdem einen guten Wärmeaustauscheffekt aufweisen.

Diesbezügliche technische Bemühungen sind z.B. in den US-PS 5 0^6 659 und 3 103 971 beschrieben. Diese Patente beschreiben ein verbundenes Gittersysteia aus Drähten, die sich über die Fliesskanäle und durch die Trennwände erstrecken. Um dem Unterschied der Warmeübergangseigenschaften von einem Fliesskanal zum andern Rechnung zu tragen, ist es nötig, die Zwischenräume zu variieren, was unpraktisch ist. Einheiten dieser Art haben den Nachteil für eine große Anzahl Anwendungen unter verschiedensten Bedingungen nicht anpassungsfähig genug zu sein.

Demzufolge besteht ein hauptsächlicher Zweck der vorliegenden Erfindung darin, einen einfachen und zweckmäßigen Wärmeaustauscher zu schaffen, für Anwendungen unter den verschiedensten Bedingungen.

Ein weiterer Zweck der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines leichten und in korrosiver Umgebung einsetzbaren Wärmeaustauschers.

Die vorliegende Erfindung besteht aus einem Wärmeaustauscher, gekennzeichnet dadurch, daß er aus verschiedenen Werkstoffen aufgebaut ist, von denen nur einer gut wärmeleitfähig sein muß, z.B. aus Metall und Kunststoff, in der Weise, daß die Trennwand zwischen dem Wärmeaustauschmedium das gekühlt werden soll und dem Kühlmedium, aus dem schlechten Wärmeleiter d.h. dem Kunststoff besteht, während der

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gute Wärmeleiter d.h. das Metall in Form von Lamellen, Bändern oder in ähnlicher Form sich durch die erwähnte Trennwand hindurcherstreckt. Ein Vorteil einer solchen Anordnung besteht in der korrosionsfesten Trennung der beiden im Wärmeaustauscher fließenden Medien, da die Trennwand insgesamt korrosionsbeständig ist und ihr Material entsprechend gewählt ist, wobei dieses Material jedoch keine gute Wärmeleitfähigkeit zu haben braucht. Unterliegen die wärmeleitenden Teile, d.h. die metallischen Anteile des Wärmeaustauschers einem korrosiven Angriff, erfolgt eine graduelle Abnahme der Wirksamkeit des Gerätes, die lange vor dem Auftreten ernster Schaden festgestellt werden kann, so daß gegen Leckungen, die zum Ausfall der Vorrichtung führen wurden, beizeiten vorgebeugt werden kann.

In der vorgeschlagenen Bauweise ist die mit dem Medium in Wechselwirkung stehende Wärmeübertragende Metalloberfläche wesentlich größer, verglichen mit einem Rohr.

Zugleich wird die Strecke, über welche die Wärme geleitet wird, die der "metallischen Wand" entspricht und durch die Lamellen gegeben ist, etwa um das iOfache vergrößert. Aus den für die Berechnung von Wärmeaustauschern bekannten Formeln ist bekannt, daß ein Vergrößern der Berührungsoberfläche wesentliche Vorteile hat, während das Vergrößern der "Wanddicke" nur unwesentlichen Einfluß auf den Wirkungsgrad einer solchen Vorrichtung hat.

Bei einem Versuch mit einem Wärmeaustauscher nach Fig. 2 ließ sich ein Wärmeaustauschwert von 1800 kcal/hm ⁰C, zwischen Aethylenglycol von 60 ⁰C und Kühlwasser von 10 ⁰C, bestimmen. In diesem Versuch waren die beiden Teile der Lamellen auf der Warm- und der Heisseite nicht optimal ausgelegt, d»h. sie waren gleich groß und nicht den Wärmeaustauschkoeffizienten entsprechend dimensioniert.

Der Wärmeaustauscher gemäß der Erfindung umfaßt einen ersten Kanal, in dem das erste wärmeaustauschende Medium

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geführt wird, einen zweiten Kanal, durch den das zweite wärmeaustauschende Medium geleitet wird, ein festes, undurchlässiges Element, das den ersten Kanal mit dem darin strömenden Medium vom zweiten Kanal mit dem darin strömenden Medium trennt, eine Mehrzahl von wärmeleitenden metallischen Lamellen oder lamellenähnlichen Teilen, die sich durch das erwähnte Element erstrecken, wobei ein erster Teil der erwähnten Lamellen in einen Teil des erwähnten ersten Kanals hineinragt und ein zweiter Teil der erwähnten Lamellen in einen Teil des erwähnten zweiten Kanals hineinragt, so daß das zweite Medium, das im zweiten Kanal fließt, in wänueaustauschender Verbindung mit dem ersten Medium, das im ersten Kanal fließt, steht, da die Warme durch die Lamellen geleitet wird, und diese Lamellen leckfrei im erwähnten Element abgedichtet sind, wobei der in den ersten Kanal ragende erste Teil der erwähnten Lamellen in der Lage sein kann, wesentlich mehr Wärme zu übertragen als der in den zweiten Kanal ragende zweite Teil der erwähnten Lamellen,, wenn es erwünscht ist₉ ungleiche Wärmeübertragungseigenschaften der erwähnten Medien auszugleichen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung !beispielsweise erläutert.

Fig. 1 stellt einen Schnitt durch einen typischen Wärmeaustauscher gemäß der Erfindung dar. "Fig. 2 stellt ein Trennelement von Fig. i mit einer Mehrzahl von durchgehenden Lamellen, in größerem Maßstab, dar.

Fig. 3 stellt einen Teil eines Trennelementes mit durchgehenden Lamellen in vergrößertem Maßstab dar, aus dem ein Trennelement nach Fig. aufgebaut werden kann. Die Fig. 4-6 stellen Variationen der Trennelemente

und der Lamellenarten dar. Letailliertc Beschreibung.
In Fig. 1 begrenzen Deckplatten 5 und 6 den Wärmeaus-

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tauscher gemäß der Erfindung. Zwischen diesen Deckplatten 5, 6 befinden sich Elementsätze 7, 8, 9, iO die den Raum in die Kanäle 11, 12, 13, 14 und 15 unterteilen. Die Elemente 7» 8, 9, IO verkörpern feste undurchlässige Trennwände, die die Kanäle abgrenzen, und sie bestehen vorzugsweise aus Kunststoff. Die Kanäle 11, 12, 13, I^ und 15, die auf diese Weise entstehen, sind Durchflußkanäle durch die die Medien zwecks Wärmeaustausch geleitet werden. So kann ein erstes Medium durch Kanal 11, ein zweites Medium durch Kanal 12, ein erstes Medium durch Kanal 13, ein zweites Medium durch Kanal I^ und ein erstes Medium durch Kanal 15 gefördert werden, wobei die Flüssigkeitsströme vorzugsweise wie durch Pfeile angedeutet im Gegenstrom fließen. Die Kanäle 11 bis 15 müssen selbstverständlxch wie an sich bekannt, mit Kopfstücken und Mitteln, z.B. einer Pumpe, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind, in üblicher Weise untereinander verbunden werden, um die Medien in die richtigen Kanäle zu leiten. Einer der Elementsätze 7, S, 9, 10 ist in Fig. 2 in größerem Maßstab dargestellt. Die Trennwand 16 besteht aus einem Material, welches nicht nötigerweise gut wärmeleitend ist, jedoch korrosionsbeständig sein kann, vorzugsweise aus Kunststoff, und es sind Lamellen 17 vorgesehen aus gut wärmeleitendem Werkstoff, vorzugsweise Metall. Die Lamellen 17 können aus einem einzigen Metall oder aus einer Metallegierung bestehen und können an der Oberfläche vergütet, lackiert oder beschichtet sein. Gemäß Fig. 2 sind die beidseitig aus der Trennwand 16 heraustretenden Lamellenteile gleich groß. Dies ist nicht zwingend. Strömt z.B. auf einer Seite ein Gas auf der andern Seite eine Flüssigkeit, so können die herausstehenden Lamellenteile auf der Gasseite wesentlich größer aber auch dünner sein als die auf der Flüssigkeitsseite. Anstelle der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Form, d.h. flach und mit rechteckigem Querschnitt, können die Lamellen eine von einer geometrischen Ebene abweichende Form haben und der Querschnitt kann quadratisch, rund, gewellt usw. sein. Die Lamellen 17 und

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und die Trennwand l6 sind mit bekannten Verfahren fest und flüssigkeitsdicht miteinander' verbunden„

Fig„ 3 zeigt ein Ausfühnmgsbeispiel der Ausführung der einzelnen Teile_β Die Teile 18 und. 19 der Trennwand sind identisch. In der dargestellten Ausführung enthalten sie Aussparungen entsprechend der halben Dicke der entsprechenden Lamellenteile 20, 21 usw. Die Trennwandteile 18, 19 und die Lamellen können z.B. durch Formpressen beziehungsweise durch Stanzen vorgefertigt und vorzugsweise möglichst maschinell zu Elementen der gewünschten Höhe zusammengesetzt werden. Andere geeignete Ausführunssbeispiele dieses Wärmeaustauschers beruhen darauf, daß die beiden aus der Trennwand 16 herausragenden LaisiBienteile nicht die gleiche Oberfläche auf beiden Seiten aufweisen. Strömen z.B. zwei Flüssigkeiten in den Kanälen 12 und 13, die unterschiedliche Wärmeübergangszahlen

besitzen, etwa 2000 für die Flüssigkeit um Kanal 12 und 8000 für die in Kanal 13, dann werden die Lamellenteile die aus den Trennwänden 8 und 9 in den Kanal 13 ragen, vorzugsweise eine 4mal kleinere Oberfläche haben als die Laniellenteile im Kanal 12, weil pro Oberflächeneinheit im Kanal 13 viermal mehr Wärme in das Lamellenmetall übertragen wird als im Kanal 12. Dadurch wird das Gesamtvolumen des Wärmeaustauschers vermindert, d.h. die Vorrichtung ist kleiner^ ohne Verlust an Wärmeübertragung. Da die Lamellen üblicherweise durch Pressen oder Stanzen od. dgl. hergestellt werden, können sie im gleichen Arbeitsgang auch in eine Form gebracht werden, die von der planen oder ebenen Fläche abweicht, z.ß_e in gewellte, verdrehte, geprägte, profilierte₉ gelochte Form od. dgl.

Für gewisse Zwecke können Lamellenformen eingesetzt werden, die sich nicht von der planen Fläche ableiten lassen, z.B. Stäbchen, Draht- oder Rohrform, die im Bereich der Verankerung in der Trennwand flachgedrückt sein kann.

Weiter kann die Formgebung der Lamellen 17 so gewählt sein, daß der Einbau in die Trennwand 16 erleichtert ist. Auch können dadurch die Dichtigkeit, der Zusammenhalt oder

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die Verankerung in der Trennwand 16 beeinflußt werden.

Die Form der Lamellen 17 kann auch dazu verwendet werden, die Fließbedingungen im Wärmeaustauscher zu beeinflußen. Das kann z.B. durch unterschiedliche Formgebung in Abhängigkeit der Fließrichtung erfolgen. In Fig. k z.B. sind Lamellen dargestellt, die zur Vergrößerung der Wärmeübergangsfläche in ihrem aus der Trennwand l6a in den Kanal 30 bzw. 31 ragenden Teil 17a bzw. 17b gewellt sind. Dazu können sie, sofern erwünscht, zur weiteren Vergrößerung der Oberfläche mit Löchern 32 versehen sein.

Auch können, wie in Fig. 5, die Lamellen zum Erzeugen von turbulenter Strömung angeordnet sein, indem die Lamellen 17c und 17d in einem Winkel zur Strömungsrichtung des Mediums stehen, so daß dieses auf die Fläche der Lamelle auftrifft. Eine weitere Variante, Fig. 6, besteht aus sehr langen Lamellen 17e und 17f» die laminare Strömung bewirken. Selbstverständlich kann die Anordnung so getroffen werden, daß auf einer Seite laminare Strömung, auf der andern turbulente auftritt, oder daß die Lamellenteile auf der einen Seite gewellt, auf der andern tiefgezogen sind, wodurch die Vielseitigkeit der vorliegenden Erfindung dargestellt wird.

Die Trennwand 16 wird üblicherweise aus Kunststoff gebildet. Die hoehpolymeren Werkstoffe zeichnen sich durch ihre geringe Dichte (geringes Gewicht) der Möglichkeit, sie in ihrer Widerstandsfähigkeit gegen die im Wärmeaustauscher einzusetzenden Medien anzupassen, und auch durch ihre gute Bearbeitbarkeit aus.

Elemente oder Blöcke nach Fig. 2 können z.B. durch Gießen oder Spritzgießen in einem Arbeitsgang erzeugt werden. In andern Ausführungen wie z.B. gemäß Fig. 3, sind die Teile 18 und 19 durch Formgießen oder Spritzgießen, für den anschließenden Zusammenbau mit den Lamellen, herstellbar. Typische Kunststoffe umfassen z.B. Polyolefine, Polyvinylchloride, Polycarbonate, und Phenoplaste. Bevorzugte Lamellenwerkstoffe umfassen Kupfer, Aluminium und deren Legierungen. Die Lamellen können

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lackiert, mit Kunststoffen oder andern schlecht wärmeleitenden aber gut korrosionsfesten Überzügen, die die wärmeübergangseigenschaften nur unwesentlich beeinflußen, also dünn belegt sein.

Die großen Vorteile dieses l/ärmeaustauschers sind klar ersichtlich. Hartlöten und umständliche Formgebungen sind nicht erforderlich, wie dies der Stand der Technik für Wärmeaustauscher zum Anbringen von Lamellen an Wände oder um sie aus Wänden herauszuarbeiten, erfordert. Der vorliegende Wärmeaustauscher ist vielseitig, besitzt gute Wärmeübertragungsleistung und ist in korrosiver Umgebung einsetzbar, all dies bei verhältnismäßig bescheidenem Kostenaufwand .

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Claims

Patentansprüche

1. Wärmeaustauscher mit wenigstens einem ersten Kanal für den Durchfluß eines ersten Wämieaustauschniediums und einem zweiten Kanal für den Durchfluß eines zweiten Vänaeaustauschmediums, gekennzeichnet durch ein festes undurchlässiges Element (z.B. 8), das den erwähnten ersten Kanal (l2) mit dem ersten darin fließenden Medium vom erwähnten zweiten Kanal (13) Hit dem darin fließenden zweiten Medium trennt, eine Mehrzahl von wärmeleitenden Metall-lamellen (17), die sich durch das erwähnte Element (8)derart erstrecken, daß ein erster Teil dieser Lamellen teilweise in den erwähnten ersten Kanal, und ein zweiter Teil dieser Lamellen teilweise in den erwähnten zweiten Kanal hineinreicht, so daß das zweite Medium, das durch den zweiten Kanal (13), fließt in wärmeaustauschender Verbindung mit dem ersten Medium, das im ersten Kanal (12) fließt, steht, weil die Wärme fast ausschließlich durch die erwähnten Lamellen, die in dem erwähnten Element leckfrei befestigt sind, geleitet wird.

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der erste in den ersten Kanal hineinreichende Teil der erwähnten Lamellen wesentlich mehr Wärme überträgt als der zweite in den zweiten Kanal hineinreichende Teil der erwähnten Lamellen, um unterschiedliche k'ärmeübergaiigswerte der erwähnten Medien auszugleichen.

3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erwähnte Element (16) aus korrosionsfestem Kunststoff besteht.

k. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teil der erwähnten Lamellen ax i einem andern Metall besteht als der zweite Teil der erwähnten Lamellen.

5. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche i bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teil der ermähnten Lamellen in den erwähnten ersten Kanal weiter hineinreicht als

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der zweite Teil der erwähnten, Laiae 11 en in den zweiten Kanal.

ö. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche i bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der erwähnten Lamellen so geformt ist, daß die wärmeübertragende Oberfläche vergrößert ist.

7."Wärmeaustauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß diese geformten Lamellen gewellt sind.

8. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche i bis 7,-dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der erwähnten Lamellen so angeordnet ist, daß er in umgebenden Medium eine laminare Strömung bewirkt.

9. Wärmeaustauscher nach einen der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der erwähnten Lamellen so angeordnet ist, daß er im umgebenden Mediuni eine turbulente Strömung bewirkt.

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