DE2633466A1 - Waermeaustauscher in netzbauart - Google Patents

Description

WÄRMEAUSTAUSCHER IN NETZBAUART '

Die vorliegende Erfindung betrifft Wärmeaustauscher und genauer Wärmeaustauscher in Netzbauart.

Der erfindungsgemäße netzförmige Wärmeaustauscher kann in der Kryotechnik und insbesondere in Luftzerlegungsanlagen eingesetzt werden.

Die vorliegende Erfindung kann auf einem beliebigen Gebiet der Technik verwendet werden, wo effektive und hochkompakte Wärmeaustauscher notwendig sind.

Am zweckmässigsten ist die vorliegende Erfindung in Tiefkühlsystemen und insbesondere in Heliumverflüssigem und Refrigeratoren als Rekuperativwärmeaustauscher sowie in Kaltgasmaschinen als Regeneratoren und Regenerator-Rekuperatoren anzuwenden.

Tiefkühlsysteme erfordern . Wärmeaustauscher mit hohen technisch -ökonomischen Kennwerten, die durch

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hochkompakte Wärmeaustauschflächen mit günstigen Wärme- und hydrodynamischen Werten und !minimalen Werten der Sekundäreffeis te (Wärmeleitfähigkeit der Konstruktion in Längsrichtung, Ungleichmässigkeit der Strömungsverteilung über dem Querschnitt des Wärmeaustauschers) zu erreichen sind. Durch die Konstruktion der Wärmeaustauscher und deren Fertigungsverfahren soll eine weitgehende Verwendung von Einheitsbauteilen und Baugruppen sowie eine weitgehende Mechanisierung und Automatisierung deren Herstellungsvorganges gewährleistet werden.

Diese Forderungen werden am besten durch die Wärmeaustauscher in Netzbauart mit Wärmeaustauschflächen befriedigt, ein

die durch^vPaket aus geschichteten Netzen

gebildet werden. Diese von allen bisher bekannten Wärmeaustauschflächen am meisten kompakten Flächen können mittels eines genügend fertigungsgerechten Verfahrens sowie einfacher und nicht kostspieliger Einrichtungen hergestellt werden. Die Benutzung hochkompakter Wärmeaustauschflächen in Wärmeaustauschern, die wesentliche Verkleinerung der Abmessungen des Wärmeaustauschers (und insbesondere seiner Länge) verursacht, kann zur Verschlechterung der Wirksamkeit seines Betriebes infolge beträchtlicher Wärmeüberstömung an den Wänden des Wärmeaustauschers von dessen Warmende zum Kaltende führen.

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Die Abnahme der Wärmeleitfähigkeit in Längsrichtung und Realisierungder Konzeption von Wärmeaustauschern mit anisotroper Wärmeleitfähigkeit, d.h. mit der höchsten Wärmeleitfähigkeit in Richtung."der Wärmeübertragung zwischen den ~_ Strömen flüssiger Medien und geringer Wärme leitfähigkeit längs des Stroms eines flüssigen Mediums, wird durch zwischen den NetzenMm/Paket eingebrachte Einsätze geringer Wärmeleitfähigkeit erreicht. ■_ -""-"■;. ;".

Es ist ein Wärmeaustauscher in Netzbauart von der Firma "Phillips" bekannt, der als Rekuperativwärmeaustauscher für Heliumyerflüssiger und Refrigeratoren eingesetzt wird. Dieser Wärmeaustauscher besitzt in Wechselfolge gelagerte und im Paket starr untereinander verbundene gelochte Einsätze und Netze. \

Die Einsätze dieses Wärmeaustauschers sind aus mit Leim imprägniertem Papier ausgeführt und weisen Quadrat öffnungen auf. Die Netze stellen ein Drahtgeflechtgewebe mit Quadratmaschen dar* Die Netze und Papiereinsätze werden zu einem Paket derart zusammengebaut, daß sie in Aufeinanderfolge, liegen und die jeweiligen Löcher aller Einsätze zusammenfallen, wodurch Durchflusskanäle für Helium gebildet werden.

-; Dabei sind die beiden gegenüberliegenden Kanten je eines Loches parallel zu den die Netzkette bildenden Drähten, während die beiden anderen gegenüberliegenden Kanten zu den Drähten des NetZr-einschlages parallel sindi

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Das fertig zusammengebaute Paket wird eingespannt und erwärmt, wobei sich der Leim erweicht und in die Zellen zwischen den Netzdrähten eindringt, so dass sich die Papiereinsätze untereinander und mit den Netzdrähten verbinden, ^ach der Polymerisation lässt man sie erstarren. In so einem zusammengebackenen Paket werden durch die Löcher der Einsätze Kanäle guadratförmigen Querschnittes für den Durch— strom von Helium und durch die Stege zwischen den Löchern der Einsätze luftdichte Wände der Kanäle gebildet.

Die Helium -vor-jgtrom— und - rückstromkanäle sind im Querschnitt des Wärmeaustauschers schachbrettartig angeordnet, so dass Jeder Torstromkanal vierseitig von vier Rückstromkanälen und jjeder Rückstromkanal von vier Vorstromkanälen umgeben sind.

Der Wärmeaustauscher besitzt mindestens ein Paar Saume1— rohre, die mit den Kanälen des Paketes kommunizieren. Die Sammelrohre sind mit den gegenüberliegenden Paket seit en starr verbunden und verteilen Helium des Vor_ und Rückstromes unter den Kanälen des Pakets*

Derartiger Wärmeaustauscher zeichnet sich durch eine sghr wichtige Eigenschaft, u.z. die anisotrope Wärmeleitfähigkeit der Konstruktion aus. Die hohe für eine effektive Y/ärmeübertragung notwendige Wärmeleitfähigkeit in Querrichtung ist durch die Verwendung von Kupferdrahtnetzen bedingt und die geringe Wärmeleitfähigkeit in Längsrichtung, die die

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Warmeüberströmung an den Wänden des Wärmeaustauschers wesentlich vermindert, wird durch die zwischen den Netzen angebrachten Papiereinsätze gewährleistet.

Für die als Drahtgeflechtgewebe ausgebildeten Netze ist die Quadratform des Kanalquerschnittes am besten geeignet, wodurch die gleichmässige Wärmeübertragung; im Querschnitt eines solchen V/ärmeaustauschers gewährleistet wird, da alle Netzdrähte als Rippen der Wärmeaustauschfläche an der Wärmeübertragung gleichermassen beteiligt sind.

Die Netze aus Drahtgeflechtgewebe können im Paket in einem Abstand voneinander oder dicht aneinander liegen (siehe französische Patentschrift Nr. 1500641, K. 128d, 1967).

Der Nachteil dieses Wärmeaustauschers besteht in besonderen konstruktiven Eigenschaften, die durch die Anwendung von Netzen aus Drahtgeflechtgewebe bedingt sind.

Die Netze eines solchen Wärmeaustauschers weisen eine nicht ausreichend hohe Wärmeübertragungsintensität beim vergleichßweise grossed hydrodynamischem Widerstand auf. Das ist auf das strömungstechnisch ungünstige Profil zurückzuführen, das ein System aus gekrümmten, verflochtenen Zylindern darstellt, die von dem flüssigen Medium in Querrichtung umströmt werden.

Wenn es erforderlich wird, die Kompaktheit der Wärmeaustauschfläche in solchem Wärmeaustauscher zu erhöhen, können der Durchmesser der Drähte sowie deren Abstand voneinander

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im Netz vermindert werden. Mit der Durchmesserverminderung nimmt aber die Festigkeit der Drähte ab, wodurch die Fertigung solcher Netze aus Drahtgeflechtgewebe erschwert wird. Durch die Forderung einer bestimmten Festigkeit der Drähte für die Herstellung der Netze wird auch die Auswahl des Werkstoffes für die Netze beschränkt. So ist z.B. bei Rekuperativwärmeaustauschern in Netzbauart für Heliumverflüssiger u. Refrigeratoren die Verwendung von Elektrolyt kupfer für die Herstellung der Netze zweckmäßsig, da sich dessen Wärmeleitfähigkeit mit der Temperaturabnahme erheblich vergrössert. Jedoch sind die feinen Drähte aus so einem Kupfer nicht ausreichend fest, um sie für die Herstellung solcher Gewebenetze anzuwenden.

Ausserdem ist beim netzartigen Wärmeaustauscher mit quadratförmigem Querschnitt der Kanäle, verursacht durch die Notwendigkeit der Verwendung der Netze aus Drahtgeflechtgewebe, das Querschnittsverhältnis der Vor- und Rückströmegleich 1, was die Vergrösserung des Gewichtes und der Abmessungen des Wärmeaustauschers zur Folge hat, da der Heliumvorlaufdruck den Druck des Heliumrückstromes um einige Male übersteigt.

Die Konstruktion des Sammelrohres für die schachbrettartig angeordneten Quadratkanäle der Vor- und Rückströme ist ziemlich kompliziert und deren Herstellung ist aufwendig.

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Es ist auch ein netzartiger Wärmeaustauscher der Firma "General BIectrie Company¹¹ "bekannt, der aufetnäader- -

. liegende und-starr imPaket verbundenen Einsätze und Hetze hat.Die Einsätze sind gelocht und aus einem Werkstoff mit geringer Wärmeleitfähigkeit gefertigt» ;Die Netze sind aus Blech mithöher Wärmeleitfähigkeit hergestellt.

^Fedes Netz hat Zellen^ die durch; Netzelemente gebildet sind, die in der Netz ebene (als^ gelochte Platte) liegende Stege darstellen. Die Netze und Einsätze werden zum Paket _; derart zusammengebaut, daß sie sich miteinander abwechseln und die entsprechenden Löchar in allen Einsätzen zusammenfallen, indem sie Durchflusskanäle für flüssige Medien bilden» Der Wärmeaustauscher besitzt Sammelrohre, die ans Paket starr

angeschlossen sind und flüssigeuMedien unter den Kanälen des Wärmeaustauschers verteilen (siehe fiRD-Pätentschrift Nr. 20Q8976, £l.E28d, 9/OÖi 1970).. ·

Mit diesem Wärmeaustauscher werden einige dem Wärmeaustauscher der Firma "Phillips¹¹ anhaftende Nachteile dadurch beseitigt, dass anstatt Drahtgeflechtgewebes Netze aus Blech zur Anwendung kommen.

In diesem Fall wird die Auswahl des Netzwerkstoffes und der Masse der die Netzzellen bildenden Elemente nicht durch die erförderliche Werkstoffestigkeit eingeschränkt.

Äusserdem ermöglicht das aus Blech gefertige Netz die gleichmäßige Wärmeübertragung im Querschnitt des Wärmeaustaü-

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/icr

schers mit schlitzförmigen Kanälen, deren Querschnittsverhältnis im Vor- und Rückstrom des flüssigen Mediums in Abhängigkeit von dessen Druck und Durchflussmenge in ziemlich
weitem Grenzbereich sich ändern kann.

Die Sammelrohre dieses Wärmeaustauschers mit den schlitzförmigen Kanälen sind konstruktionsmässig vergleichbar einfach und von der Herstellungsseite verhältnismässig billig.

Jedoch begrenzt der Ersatz der Netze aus Drahtgeflechtgewebe durch Net^ze^afl.s^lech die .Erhöhung der Dichte der
Wärmeaustauschtläche^ denn im betreffenden Wärmeaustauscher dürfen die Netze nur in einem bestimmten Abstand voneinander liegen, der der Einsatzstärke gleich sein muss.

Überdies entsteht bei solchem Wärmeaustauscher das strömungstechnisch ungünstige Profil der die Netzzellen bildenden Elemente, das ein System aus parallel liegenden Platten darstellt, die in Querrichtung vom einem flüssigen Medium
umströmt werden. Dadurch wird erhöhter hydrodynamischer Widerstand bei nicht ausreichend hoher Intensität der Wärmeübertragung im betrachteten Apparat hervorgerufen.

Die vorliegende Erfindung bezweckt die Beseitigung der

genannten Nachteile.

.en

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein¹ Wärmeaustauscher in Netzbauart mit solchen Netzen zu entwickeln, eine hohe Wärmeübertragungsintensität beim verhältnismässig geringem hydrodynamischem Widerstand des Apparates sowie bei

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hoher Dichte der Wärmeaustauschfläche zu erreichen ermöglichen.

Die Aufgabe wird dadurch gelost, daß in einem netzförmigen Wärmeaustauscher, der aufeinanderliegend e. und starr zu einem Paket verbundene Einsätze mit Löchern, die Durchflusskanäle für das flüssige Medium bilden, und aus einem Blechmaterialfdessen wärmeleitfähigkeit die des Werkstoffes für die Einsätze erheblich übersteigt ausgeführte Netze, durch deren Elemente Zellen gebildet werden, sowie mindestens ein Paar Sammelrohre enthält, die mit den Kanälen des Pakets kommunizieren und mit dessen gegenüberliegenden Seiten zur Verteilung des flüssigen Mediums unter den Kanälen des Pakets starr verbunden sind, erfindungsgemäß die erwähnten Elemente, die die Zellen bilden, unter einem Winkel zur Netzebene geneigt sind.

Es ist zweckmässig, dass der Neigungswinkel der die Zellen bildenden Elemente zur Netzebene 45° bis 90° beträgt. jii ne derartige konstruktive Lösung des Wärmeaustauschers in Netzbauart ermöglicht es, ein strömungstechnisch günstigeres Profil der Elemente des Netzes zu erhalten, nämlich in Form von kurzen, parallel liegenden Platten, die in Längsrichtung oder unter einem kleinen Winkel vom flüssigen Medium umströmt werden. Das führt zu einem günstigeren Verhältnis zwischen der Wärmeübertragungsintensität und dem hydrodynamischen Widerstand.

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Durch solche aus Blechmaterial gefertigte Netze wird

ein ^ huhu vclameri-

bezogene Dichte der Wärmeaustauschfläche erreicht, weil die Erhöhung der Dichte : in diesem Fall nicht durch die erforderliche Festigkeit des Ausgangsmaterials eingeschränkt wird. Außerdem können die Netze im Paket infolge der geneigter Stellung der die Zellen bildenden Elemente dicht aneinander liegen oder sogar teilweise in einander hineingehen, was auch zur Erhöhung der Dichte der Wärmeaustauschfläche beiträgt.

Es ist zweckmässig, die Abschnitte ge eines Netzes, die sich zwischen den Kanälen und an dessen Peripherie befinden, ungeteilt aus Blechmaterial auszuführen.

Durch solche Netzabschnitte kann die Wärmeübertragungsintensität infolge der Abnahme des Wärmewiderstandes der Wärmeaustauscherwände gesteigert werden.

Es ist empfehlenswert, dass die erwähnten Abschnitte jedes Netzes, die sich zwischen den Kanälen und an dessen Peripherie befinden, Ansätze zur Fixierung des Netzes im Paket haben.

Dadurch wird einfache und sichere Fixierung der Netze im Paket erreicht, was dazu beiträgt, daß das eventuell mögliche Auftreten eines solchen Sekundäreffektes, wie ungleichmäßige Verteilung der flüssigen Medien unter den Kanälen des Wärmeaustauschers, verhindert wird.

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Der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher in Netzbauart weist somit hohe Wärmeübertragungsintensität bei vergleichbar geringem hydrodynamischem Widerstand und hohe Dichte der Wärmeaustauschfläche pro Volunoneinhoit auf*

Die vorgeschlagene konstruktive Lösung des Wärmeaustauschers ermöglicht es für dessen Herstellung hochleistungsfähige automatische Einrichtungen anzuwenden, wobei der Arbeitsaufwand für die Herstellung erheblich herabgesetzt wird.

Die Netze solch eines Wärmeaustauschers, der als Rekuperativwärmeaustauscher eingesetzt wird, können aus verschiedenen Werkstoffen, z.B. aus Elektrolytkupferblech oder purem Aluminium gefertigt werden, deren Wärmeleitfähigkeit mit der Temperaturabnahme steigt.

Bei den Regeneratoren der Kaltgasmaschinen können die Netze aus Bleiblech hergestellt werden, das eine verhältnismässig hohe Wärmekapazität bei Tiefsttemperaturen aufrechterhält.

Die genannten Besonderheiten und andere Vorteile der Erfindung werden an Hand von der nachfolgenden Beschreibung

(•en

von konkreten Ausführungsbeispiel-¹ und beigelegten Zeichnungen erläutert. Es zeigt;

Fig. 1 in schematiseher Darstellung den erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher in Netzbauart mit schlitzförmigen Kanälen, im Längsschnitt, wobei Sammelrohre nicht gezeigt sind;

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ORIGINAL INSPECTED

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Fig. 2 dito, im Grundriss;

Pig. 3 is. schema tischer Darstellung den erfindungsgemäßer Wärmeaustauscher in Netzbauart mit Quadratkanälen, im Längsschnitt, wobei Sammelrohre nicht gezeigt sind; Fig. 4 dito im Grundriss;

Fig. 5 in schematischer Darstellung den erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher mit Ring- und Rundkanälen, im Längsschnitt;

Fig. 6 dito, im Querschnitt gemäß VI-VI der Fig. 5;

Fig. 7 eine Sechskantenzelle des Netzes im Grundriss, im vergrössertem Masstab;

Fig. 8 Ansicht nach dem Pfeil A der Fig. 7i Fig. 9 Schnitt gemäß IX-IX der Fig. 8;

Fig. 10 eine Achtkantenzelle des Netzes im Grundriss, im vergrösserten Massstab;

Fig. 11 Ansicht nach dem Pfeil B der Fig. 10; Fig. 12 Schnitt gemäß XII-XII der Fig. 11;

Fig. 13 Stelle I der Fig. 2 im vergrösserten Masstab, dabei sind die Einsätze nicht ein-gezeichnet;

Fig. 14 Stelle II der Fig. 4 im vergrösserten Massstab, die Einsätze sind nicht gezeigt;

Fig. 15 in schematischer Darstellung das Wetz, im Grundriss;

Fig. 16 in schematischer Darstellung das Netz mit Abschnitten aus geschlossenem Blechmaterial zwischen den Kanälen und an der Peripherie des Netzes, im Grundriss;

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Fig. 17 in schematiseher Barstellung das Netz mit Fixieransätzen, angebracht in Abschnitten aus geschlossenem.

Blechmaterial zwischen den Kanälen und an der Peripherie des

■■/■- im ". ■'"■■,■- V .". ■ i ■.-. - ^{: :} ".. -■■■■.-Netzes, Grundriss 1 im vergrösserten Masstab;

Fig. 18 Schnitt gemäß XVIII-XVHI der Fig. 17, im vergrossertem Massstab (die Neigung der Elemente ist nicht dargestellt)}

Fig. 19 in schematischer Darstellung die zu einem Paket miteinander verbundenen Netze mit Fixieransätzen und Einsätze im Wärmeaustauscher in Netzbauart, im vergrösserten Mässstab (die Neigung der Elemente ist nicht gezeigt).

Der vorgeschlagene Wärmeaustauscher in Netzbauart enthält in Aufeinanderfolge liegende und starr zu dem Paket 1 (Fig* 1) verbunden Einsätze 2 und Netze 3· Die Einsätze 2 sind mit Löchern versehen, die im Paket 1 Kanäle 4 für den Durchfluss eines flüssigen Mediums bilden. Die Kanäle 4 können von verschiedener Querschnittsform, z.B. schlitzförmig sein (Fig. 1 u. 2). Derartige Kanäle können mit verschiedener Schlitzbreite für den Yoriauf .

eines flüssigen Mediums (z.B. Helium) ausgeführt "werden.,-, der sich in Richtung des Pfeils C bewegt, und des Rückstromes, der in Richtung des Pfeiles D fließt. Durch die Schlitzform wird ermöglicht, das Querschnittsverhältnis der Kanäle 4 der

Vor- und Rückströme in Abhängigkeit von deren Druck und Durchfiüssmenge in einem weiten Bereich von 1 bis 5 und mehr

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zu ändern. Das ermöglicht andererseits, einen den vorgegebenen Betriebsverhältnissen entsprechenden Wärmeaustauscher in Netzbauart mit einem optimalen Gewicht und hydrodynamischen Widerstand sowie günstigen Abmessungen zu realisieren.

Die Kanäle 4 können von Quadrat form, sein, so wie die Fig. 3 u. 4 es veranschaulichen. Dabei ist das Querschnitts— verhältnis der Kanäle des in Richtung des Pfeiles C fliessenden Voistromes und des in Richtung des Pfeiles D fliessenden Rückstromes gleich 1. Derartige Kanäle sind bei etwa gleicher Durchflussmenge des Vor- und Rückstromes zweckmässig.

In einigen Fällen können die Kanäle mit Ring- bzw. Rundquerschnitt (Fig. 5 u.,6) zur Anwendung kommen.

Die Einsätze 2 für Wärmeaustauscher in Netzbauart,

,„,,., , . , bestehen , so wie sie in der Kryotechnik verwendet werden, ν m der vorliegenden Ausführungsvariante der Erfindung aus Folie einer wärmehärtbaren Epoxydnovolackzusammensetzung, die eine gute Haftung mit den meisten Metallen aufweist. Die Folie wird im Extrusionsverfahren bei einer sehr hohen Geschwindigkeit (etwa 60 m/h) hergestellt. Der Werkstoff für die Einsätze ist billig und zeichnet sich durch eine hohe Festigkeit bei Kryogentemperatüren aus.

In anderen Anwendungsfällen der vorgeschlagenen Wärmeaustauscher wird der Werkstoff für die Einsätze 2, ebenso wie der für die Netze 3 in Abhängigkeit von den Betriebsverhält-

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nissen des Apparates ausgewählt. Insbesondere können die Einsätze beim Betrieb des Wärmeaustauschers unter Verhältnissen, νιο die Einwirkung der Wärmeleitfähigkeit der Konstruktion des Apparates in Längsrichtung vernachläsßigbar ist, aus Blechlot oder aus einem mit Lot beschichteten Werkstoff gefertigt werden.

Die Netze 3 sind aus einem Bleehmaterial hergestellt, dessen Wärmeleitfähigkeit die des Werkstoffes für die Einsätze 2 erheblich übersteigt, wodurch anisotrope Wärmeleitfähigkeit des netzartigen Wärmeaustauschers gewährleistet wird, d.h. eine grö'sstmögliche, die Wärmeübertragung bewirkende Wärmeleitfähigkeit in Querrichtung und geringe Wärmeleitfähigkeit in Längsrichtung, die die Wärmeüberströmung an den Wänden des Wärmeaustauschers von dessen warmen zum kalten Ende vermindert.

Jedes Netz 3 ist so ausgeführt, dass seine Elemente 5 (Fig. 7,8,10,11), die die Zellen 6 bilden, unter dem Winkel ^MJL? CFig. 9 u»12) zu der Netzebene geneigt sind, Es ist zweckmässig, dass der Winkel ⁿot" 45° bis 90° beträgt. Die geneigte Stellung der die Zellen 6 bildenden Elemente 5 wird bei der Herstellung des Netzes aus Bleehmaterial mit einer automatischen Einrichtung zustande gebracht und hangt von der Plastizität des Materials, einerseits, und dem für einen konkreten Anwendungsfall des Apparats optimalen Verhältnis zwischen dessen thermischen und hydrodynamischen Eigenschaffen, andererseits, ab.

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Die Zellen 6 können verschiedene, im wesentlichen in einer Richtung gestreckte Polyederform aufweisen, die von der Form des Schneidwerkzeuges der automatischen Einrichtung abhängig ist.

In der vorlegenden Ausführungsvariante der Erfindung dient als Ausgangswerkstoff für die Herstellung der Netze

ein auf einer Rolle aufgewickeltes, 0,05 bis 0,5 am dickes Blech

aus einem beliebigen Metall, das in einer automatischen Einrichtung aufgestellt wird. Dieses ITetz mit einer Oberfläche von 2000 bis 20000 m pro 1 m^ beanspruchten Raumes ist durch eine ziemlich hohe Konstanz der Hauptparameter von 3 bis 5% gekennzeichnet.

Das Netz kann aus einem beliebigen Blechmaterial das eine Bruchdehnung von mindestens Λ3% aufweist, hergestellt werden.

In der Kryotechnik ist die Verwendung von Elektrolytkupferblech für Rekuperativwärmeaustauscher der Heliumverflüssiger und Refrigeratoren und von Bleiblech, für Regeneratoren der Kaltgasmaschienen sehr aussichtsreich.

Die gegenseitige Lage der Netze im Paket 1 (Fig. 13 u.14) kann unterschiedlich sein und wird durch die Form der Kanäle 4 bestimmt. So ist für die schlitzförmigen Kanäle 4 (Fig. 12) die in Fig. 13 dargestellte gegenseitige Anordnung der Netze am zweckmässigsten, weil dadurch minimale summarische Länge der Netzelemente im Kanalquerschnitt und folglich

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-": "■"■■- ."■"■■■■. -■■-"'-:■- β -V- ■"--■■-"- ."-■■ -.: "^: -. . V ■■-,_-.■ die grösste WärraeLitfäliigkeit sowie die grösste Festigkeit

der Seitrenwände der Kanäle gegeben sind. ;

Für diexjQuadratkanäle 4 (Fig. 3 α. 4) ist die in l?ig. 14 ; dargestellte gegenseitige Anordnung der Netze 3 a™:"zweck-■ mäßigsten. , Durcli diese : Xage der Netze 3 wird die gleicite VWärmeübertragu.ng und Festigkeit aller vier Wände des Quadratkanals 4 gewährleistet.

; Für die Kanäle 4 mit dem Ring - und ßundqüersclanitt (Fig. 6) ist belietiige gegenseitige Anordnung der Netze 3 möglich.

Nach der Höhe des Pakets kann diegegenseitige Lage de£ Netze 3 aucii unterschiedlich sein, und zwar können die Netze 3 in einem Abstand voneinander, dicht aneinander liegen oder teilweise, /ineinandergreifen.V.-"'- .. - ""--"V- : . V- - ■'""'-,- -VV

Die Netze können von verschiedener konstruktiver Gestaltung seinyV V : -.- ,-.' / / ^{V

DasISanznetz 3 (Fig. 15) ist am einfachsten herstellbar. Die Kanäle 4 im Wärmeaustauscher mit derartigen Wetzen 3 können sichVjedoch im Querschnitt voneinander ein wenig unterscheiden, wodurch die ungleichmäßige Verteilung des Stromes des flüssigen Mediums unter den Kanälen 4 und in einigen Fällen die Verschlechterung der thermischen Kennwerte des Wärmeaustauschers verursacht weiden. Das ist darauf züzückzuführen, dass die Einsätze 2 eine gewisse Stärkentoleranz haben und der Werkstoffüberschuss der Einsätze 2 beim Sintern des Wärmeaustauschers in die Kanäle 4 hineingepresst wird. Das

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Netz 3j das Abschnitte 7 (Fig· 16) aus geschlossenem Blechmaterial zwischen den Kanälen und an dessen Peripherie aufweist, gewährleistet die gleichen Querschnitte der Kanäle 4· Die Stege 8 (Fig. 2) des Einsatzes 2 weisen in diesem Fall

die
eine soviel kleinere Breite als^N geschlossene Abschnitte 7

des Netzes 3 auf, wie die Stärkentoleranz der Einsätze 2 ausmacht. Dabei bleibt der beim Sintern herausgepresste Überschusswerkstoff der Einsätze 2 immer zwischen den geschlossenen Abschnitten 7 nebeneinander liegender Netze 3 und verzerrt nicht den Querschnitt der Kanäle 4.

Die Fixierung der in Fig. 15 u.16 dargestellten Netze 3 im Paket erfolgt bei der Herstellung des Wärmeaustauschers durch A&ssenbegrenzer (nicht dargestellt).

Das Netz 3 kann mit Fixieransätzen 9 (Fig. 17) in geschlossenen Abschnitten 7 zwischen Kanälen 4 und an dessen Peripherie ausgeführt werden, wodurch bei der Herstellung des Wärmeaustauschers die genaue Fixierung des einen Netzes 3

,-richtung gegenüber dem anderen sowohl im Quer·* als auch nach der Höhe des Pakets 1, so wie es in Fig. 19 gezeigt ist, ermöglicht wird.

Ausserdem wird durch die Verwendung der in Fig. 16 u.17 gezeigten Netze im vorgeschlagenen Wärmeaustauscher in Netzbauweise ermöglicht, den Wärmewiderstand seiner Wände herabzusetzen und die Wärmeübertragungsintensität im Apparat zu erhöhen.

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Die Sammelrohre 10 u.11 (Fig. 5) ί <lie für die Verteilung des Helium vor- und - rüekstromes unter den Kanälen 4 des netzartigen Wärmeaustauschers vorgesehen sind, werden mit dem Paket 1 starr verbunden.

Die Bauteile und Baugruppen des netzartigen Wärmeaustauschers, d.h. die Einsätze 2, die Hetze 3» die als flache Elemente ausgebildet sind, sowie die Sammelrohre 10 und 11 können leicht vereinheitlicht werden.

Die vorgeschlagenen konstruktiven Lösungen haben also einen effektiven und hochkompakten netzartigen Wärmeaustauscher mit anisotroper Wärmeleitfähigzeit der Konstruktion ergeben, der aus Einheitsbauteilen und- baugruppen besteht, deren Fertigung leicht mechanisiert und automatisiert werden kann.

Der gemäß der Erfindung ausgeführte Wärmeaustauscher in Netzbauart, wenn er als Eekuperativwarmeaustauscher für Heliumkälteanlagen eingesetzt wird, wird auf folgende Weise betrieben.

Das flüssige Medium, im gegebenen Fall warmes gasförmiges Helium des Vorstromes, dessen Strömungsrichtung mit den Pfeilen "C¹¹ angedeutet ist, strömt aus einem Kompressor (nicht dargestellt) in das Sammelrohr 10, wo es unter den mit dem Zeichen ^Ho" bezeichneten Kanälen 4 des Pakets 1 gleichmäßig verteilt wird. Diese Kanäle durchfliegend, umströmt Helium die Netze 3 und gibt ihnen die Wärme ab. Die

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von den Netzen 3 aufgenommene Wärme wird dank deren Wärmeleitfähigkeit an die mit dem Zeichen "d" bezeichneten Kanäle übertragen.

Das in den Kanälen 4 "c" gekühlte Helium tritt in das Sammelrohr 11 ein. Ein Teil des Heliums strömt in eine Expansionsmaschine (nicht dargestellt), wo es sich ausdehnt und zusätzlich gekühlt wird. Der andere Heliumteil des

Vorstromes wird in Ventilen (nicht dargestellt) gedrosselt und kehrt als kalter Rückstrom zusammen mit dem Heliumstrom von der Expansionsmaschine in das Summe !rohr 11 zurück, wo es unter den mit dem Zeichen "d" bezeichneten Kanälen 4 ver-

teilt wird. Das Helim des Rückstromes erwärmt sich, indem es diese Kanäle in der Richtung des Pfeiles D durchfließt und die Fetze 3 umströmt, speichert sich im Sammelrohr 10 und tritt aus dem Wärmeaustauscher aus.

Das Versuchsmodell des vorgeschlagenen netzartigen Wärmeaustauschers wurde im Labor geprüft. Die Prüfungen haben ergeben, dass der netzartige Wärmeaustauscher vorgeschlagener Bauart durch ein günstiges Verhältnis zwischen Wärmeübertragung und hydrodynamischem Widerstand gekennzeichnet mst und vergleichsweise kleine Abmessungen und Gewicht aufweist.

Die Dichte der Wänueaustauschflache, gebildet durch

ρ Netze verschiedener Abmessungen, beträgt 2000*20000 m pro

1 mr des beanspruchten Raums.

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Der erfindungsgemäss ausgeführte WärmeaüstausGlier in Netzbaüärt; ist fertiguiigsgerecht, ermöglicht eins weitgehende Vereinheitlichung der Bauteile bei dessen Herstellung zu erreichen und die Hauptvorgänge bei seiner Herstellung können leicht mechanisiert und automatisiert werden.

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Claims (1)

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: _; ; _: ρ α τ ε ν τ aits p:Hir c η ε ;'-:..-/.\

(IV; Wärmeaustauscher in Netzbauart, der aufeinanderliegende undstarr zu einem Paket verbundene Einsätze' mit Lockern, die Kanäle für das flüssige Medium bilden, und aus einem Blechmaterial, dessen Wärmeleitfähigkeit die des Werkstoffes für die Einsätze erheblich übersteigt, ausgeführ te Hetze, deren Elemente Zellen bilden, sowie mindestens ein Paar Samme!rohre enthalt, die mit den Kanälen des Pakets kommunizieren und starr an dessen gegenüberliegende Seiten zur Verteilung des flüssigen Mediums unter den Kanälen des Pakets verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die

die Zellen (6) bildenden Elemente (5) unter ν Ifl/inkel (öC-) zu der Ebene des Hetzes (3) geneigt sind.

2· Wärmeaustauscher in Netzbauart nach Anspruch ϊ , dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel; Co^) &e^r Zellen (6) bildeaden Elemente (5) zu" der Ebene des Netzes C3) 45^a bis 90° beträgt* ^

3· Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, d a du r c h g e k e η n ζ e ic h η e t , dass die Abschnitte (7) jedes Netzes (3^i; die sich zwischen den Kanälen. (4) und an dessen Peripherie befinden, aus Blechmaterial ungeteilt ausgeführt

4-* Wärmeaustauscher nach Anspruch 3i dadurch gekennzeichnet, dass die erwähnten Abschnitte (7) jedes Netzes (3), die

ORlGINALINSPEGtED

sich, zwischen den. Kanälen (4) und an dessen Peripherie befinden, mit Ansätzen (9) zur ^Fixierung des Netzes (3) im Paket (1) versehen sind.

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