DE2633466C2 - Wärmeaustauscher in Netzbauart - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher in Netzbauart mit aufeinanderliegenden und starr zu einem Paket verbundenen Einsätzen geringer Wärmeleitfähigkeit mit Durchbrüchen, die Kanäle für die am Wärmetausch beteiligten Medien bilden, und mit zwischen den Einsätzen gehaltenen Netzen aus gut wärmeleitendem Blechmaterial, deren Elemente Zellen bilden, sowie mit Sammelrohren, die starr an die Enden des Pakets angeschlossen sind und zur Einleitung in bzw. Ableitung der Medien aus den Kanälen dienen. Ein solcher Wärmetauscher ist aus der DE-OS 20 08 976 bekannt.

Wärmetauscher dieser Bauart sind vor allem geeignet für kryotechnische Anlagen und insbesondere in Heliumverflüssigern und Refrigeratoren als Rekuperativwärmetauscher sowie in Kaltgasmaschinen als Regeneratoren und Regenerator-Rekuperatoren.

Bei Wärmetauschern dieser Bauart sind die Netze mit ihrer Ebene quer zur Strömungsrichtung der beteiligten Medien angeordnet und werden von diesen unmittelbar umspült, wobei sie auch unmittelbar den Wärmeaustausch dadurch bewirken, daß sie die Wärme durch die Strömungskanalwandungen hindurch von einem Medium bzw. von einem Vorlaufstrom in das andere Medium bzw. in einen Rüeklaufstrom einleiten.

Abgesehen von günstigen Wärmeübergangswerten und niedrigen Strömungsverlusten kommt es bei den betrachteten Wärmetauschern vor allem auf eine kompakte Bauweise an und insbesondere auch auf eine minimale Wärmeleitfähigkeit der Konstruktion in der Strömungsrichtung der Medien und auf eine gute Gleichmäßigkeit der Strömungsverteilung über dem Querschnitt des Wärmetauschers, Schließlich soll eine weitgehende Verwendung von Einheitsbauteilen und Baugruppen sowie eine weitgehende Mechanisierung und Automatisierung des Herstellungsvorganges mög-Hch sein.

Bei der bekannten Ausbildung des Wärmetauschers bestehen die Netze aus gelochten Blechen mit hoher Wärmeleitfähigkeit, so daß die Zellen für den Durchtritt der Medien von den Lochungen gebildet sind und die sie wiederum bildenden Netzelemente in der Art von Stegen in der Ebene des Netzes liegen. Dadurch ergibt sich eine ausreichend gleichmäßige Wärmeübertragung im Querschnitt des Wärmetauschers und auch die Festigkeit der Netze ist so, daß sich der Druck und die Durchflußmenge der Medien in ziemlich weiten Bereichen ändern können.

Nicht befriedigend ist jedoch die Drahtgeflecht-Dichte der Wärmeaustauschfläche pro Volumen, denn die Netze liegen in einem bestimmten Mindestabstand voneinander, der durch die Dicke der Einsätze vorgegeben ist Hinzu kommt das strömungstechnisch ungünstige Profil der die Netzzellen bildenden Elemente, die ein System aus parallelliegenden Stegen darstellen, die in Querrichtung von den Medien umströmt werden. Dies hat einen erhöhten hydrodynamischen Widerstand bei nicht ausreichender Intensität der Wärmeübertragung zur Folge.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher in Netzbauart zu schaffen, bei dem unter Aufrechterhaltung einer hohen Wärmeübertragungsintensität ein verhältnismäßig geringer hydrodynamischer Widerstand sowie eine hohe Dichte der Wärmeaustauschflächen erzielt ist

Ausgehend von der eingangs genannten Ausbildung

wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die die Zellen bildenden Elemente unter einem Winkel zu der Ebene des Netzes geneigt sind und teilweise in die Zellen der benachbarten Netze ohne deren Berührung ragen.

Zweckmäßigerweise betrag; der Neigungswinkel der die Zellen bildenden Elemente zu der Ebene des Netzes 45° bis 90°.

Bei einer solchen konstruktiven Ausbildung des Wärmetauschers in Netzbauart wird ein strömungstechnisch günstigeres Profil der Elemente des Netzes erhalten, nämlich in Form von kurzen, parallelliegenden Stegen, 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. Außerdem kann die Packungsdichte der wärmeübertragenden Flächen, also deren Größe pro Volumen des Wärmetauschers, wesentlich gesteigert werden.

Die Netze beim erfindungsgemäßen Wärmetauscher können in einfacher Weise von einem Streckmetall gebildet sein. Die Verwendung von Streckmetall in Wärmetauschern ist an sich bekannt, z. B. aus der DD-PS 49 633. Hier handelt es sich allerdings um einen Röhrenwärmetauscher, bei dem die Netze (das Streckmetall) nur zur Oberflächenvergrößerung dienen, um den Wärmetaiisch eines in den Rohren strömenden Mediums — vorzugsweise ist dies ein Kältemittel — mit der Umgebungsluft zu verbessern.

Außerdem ist eine streckmetallartige Netzwerkstruktur nicht ohne weiteres geeignet dichtend mit den Einsätzen zum Wärmetauscherpaket zusammengefügt zu werden. Beim Erfindungsgegenstand gelingt dies

dadurch, daß das Material der Einsätze in die Netze ausfüllend eindringt, wie es der Fall ist, wenn es z. B, aus Epoxydnovolak oder aus Lot besteht.

Es kann aber auch zweckmäßig sein, wenn in den Bereichen jedes Netzes, die sich zwischen den Kanälen und an dessen Umfang befinden, das Blechmaterial glatt durchgehend belassen ist Dann ist eine dichtende Zusammenfügung wegen des glatten, durchgehenden Rades der Netze ohne weiteres möglich. Andererseits können dann c':e Netze nicht mehr in der Art von Streckmetall, nämlich durch Strecken von geschlitzten Blechen hergestellt werden, sondern müssen auf eine andere Art verformt werden.

Es ist schließlich zweckmäßig, wenn die Umfangsbereiche jedes Netzes mit einer längs der Ränder verlaufenden Sicke zur Fixierung des Netzes im Paket ausgeführt sind. Dadurch wird eine einfache und sichere Fixierung der Netze im Paket erreicht, was dazu beiträgt, eine eventuell mögliche ungleichmäßige Verteilung der flüssigen Medien unter den Kanälen des Wärmeaustauschers zu verhindern.

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher in Netzbauart weist somit eine hohe Wärmeübertragungsintensität bei vergleichsweise geringem hydrodynamischem Widerstand und eine hohe Dichte der Wärmeaustauschfläche pro Volumeneinheit auf. Außerdem können zur Herstellung hochleistungsfähige automatische Einrichtungen Verwendung finden, so daß der Arbeitsaufwand für die Herstellung erheblich herabgesetzt wird. Die Netze des Wärmetauschers können aus verschiedenen Werkstoffen, z.B. aus Elektrolytkupferblech oder Aluminium gefertigt werden, deren Wärmeleitfähigkeit mit der Abnahme der Temperatur steigt Für Regeneratoren von Kaltgasmaschinen können die Netze aus Bleiblech hergestellt werden, das eine verhältnismäßig hohe Wärmekapazität bei Tiefsttemperaturen aufrechterhält

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen und von Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung des Längsschnitt eines Wärmetauschers in Netzbauart mit schlitzförmigen Kanälen, wobei Sammelrohre nicht gezeigt sind,

F i g. 2 den Wärmetauscher gemäß F i g. 1 im Grundriß,

F i g. 3 in schematischer Darstellung den Längsschnitt eines Wärmetauschers in Netzbauart mit Quadratkanälen, wobei Sammelrohre nicht gezeigt sind,

F i g. 4 den Wärmetauscher gemäß F i g. 3 im Grundriß,

F i g. 5 in schematischer Darstellung den Längsschnitt eines Wärmetauschers mit Ring- und Rundkanälen,

Fig.6 den Wärmetauscher im Querschnitt gemäß Linie Vl-Vl der F ig. 5,

F i g. 7 eine Sechskantenzelle des Netzes im Grundriß, im vergrößertem Maßstab,

F i g. 8 die Ansicht nach dem Pfeil A der F i g. 7, F i g. 9 den Schnitt gemäß Linie IX-IX der F i g. 8,

Fig. 10 eine Achtkantenzelle des Netzes im Grundriß, im vergrößerten Maßstab, Fig, 11 die Ansicht nach dem Pfeil öder F ig, 10,

F i g. 12 den Schnitt gemäß Linie XII-XII der F i g. 11,

Fig. 13 die Einzelheit /von Fig. 2 in vergrößertem Maßstab,; die Einsätze sind nicht eingezeichnet,

F i g. 14 die Einzelheit // von F i g. 4 in vergrößertem Maßstab; die Einsätze sind nicht gezeigt,

Fig. 15 in schematischer Darstellung ein Netz im Grundriß.

Fig. 16 in schematischer Darstellung ein Netz mit. Abschnitten aus glatt durchgehendem Blechmaterial zwischen den Kanälen und an der Peripherie des Netzes im Grundriß,

Fig. 17 in schematischer Darstellung ein Netz mit Fixieransätzen im Bereich der Abschnitte aus durchgehendem Blechmaterial zwischen den Kanälen und an der Peripherie des Netzes im Grundriß,

Fig. 18 den Schnitt gemäß Linie XVHI-XVIII der F i g. 17 (die Neigung der Elemente ist nicht dargestellt),

Fig. 19 in schematischer Darstellung die zu einem Paket miteinander verbundenen Netze mit Fixieransätzen und Einsätzen (die Neigung der Elemente ist nicht gezeigt),

F i g. 20 das Ineinanderragen der Netzelemente.

Der vorgeschlagene Wärmetauscher in Netzbauart enthält aufeinanderfolgend geschichtete und starr zu einem Paket 1 verbundene Einsätze 2 und Netze 3. Die Einsätze 2 haben Durchbrüche, die im Paket 1 Kanäle 4 für den Durchfluß eines flüssigen Mediums bilden. Die Kanäle 4 können z. B. die aus Γ Ig. 2 ersichtliche Querschnittsform eines langgestreckten Rechtecks haben.

Derartige Kanäle können mit verschiedener Breite für den Vorlauf 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 Die jeweiligen Querschnittsabmessungen der Kanäle 4 der Vor- und Rückströme werden in Abhängigkeit von deren Druck und Durchflußmenge gewählt und können sich in einem weiten Bereich ändern.

Die Kanäle 4 können auch, wie in F i g. 4 ersichtlich, einen quadratischen Querschnitt haben. Dabei ist das Querschnittsverhälinis der Kanäle des in Richtung des Pfeils C fließenden Vorstromes 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 Kanäle mit Ring- bzw. Rundquerschnitt gemäß F i g. 5 und 6 zweckmäßig sein.

Die Einsätze 2 bestehen in den betrachteten Ausführungsvarianten aus einer 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 Kryogentemperaturen aus. Wenn eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit des Wärmetauscherpakets in Strömungsrichtung der Medien nicht schädlich ist können die Einsätze auch aus Blechlot oder aus einem mit Lot beschichteten Werkstoff gefertigt werden.

Die Netze 3 sind aus einem Blechmaterial hergestellt dessen Wärmeleitfähigkeit die des Werkstoffes für die Einsätze 2 erheblich übersteigt Dies führt zu einer größtmöglichen die Wärmeübertragung bewirkenden Wärmeleitfähigkeit in Querrichtung und geringen Wärmeleitfähigkeit in Längsrichtung, die die meist unerwünschte Wärmeüberströmung längs der Wände des Wärmetauschers von dessen warmen zurr kalten Ende vermindert.

Jedes Netz 3 ist so ausgeführt, daß seine Elemente 5, die die Zeilen 6 bilden, unter einem Winkel α zu der Netzebene geneigt sind. Der Winkel α beträgt zweckmäßigerweise 45° bis 90°.

Die Zellen 6 können verschiedene, im wesentlichen in

einer Richtung gestreckte Polyederformen aufweisen, die bei der Herstellung in der Art von Streckmetall von der Form des Stanzwerkzeugs abhängig sind. Beim vorligenden Beispiel dient als Ausgangswerkstoff ein auf einer Rolle aufgewickeltes 0,05 bis 0,5 mm dickes Blech. Hieraus hergestellte Netze haben eine Oberfläche von 2000 bis 20 000 m² pro 1 m³ beanspruchten Raumes. Das Blechmaterial soll eine Bruchdehnung von mindestens 15% aufweisen.

In der Kryotechnik ist die Verwendung von Elektrolytkupferblech für Rekuperativwärmetauscher der Heliumverflüssiger und Refrigeratoren und von Bleiblech für Regeneratoren von Kaltgasmaschinen am zweckmäßigsten.

Die gegenseitige Lage der Netze im Paket 1 kann unterschiedlich sein und wird durch die Form der Kanäle 4 bestimmt. So ist für schlitzförmige Kanäle die in Fig. 13 dargestellte gegenseitige Anordnung der Netze am zweckmäßig?·.?", w?i! dadurch minimal? summarische Längen der Netzelemente im Kanalquerschnitt und folglich die größte Wärmeleitfähigkeit sowie die größte Festigkeit der Seitenwände der Kanäle gegeben sind. Für im Querschnitt quadratische Kanäle ist die in Fig. 14 dargestellte gegenseitige Anordnung der Netze 3 am zweckmäßigsten. Durch diese Lage der Netze 3 wird die gleiche Wärmeübertragung und Festigkeit aller vier Wände des Quadratkanals gewärleistet. Für Kanäle mit Ring- und Rundquerschnitt ist eine beliebige gegenseitige Anordnung der Netze möglich.

In Richtung der Höhe: des Pakets soll der Abstand der Netze 3 so sein, daß die Elemente 5 der Zellen 6 benachbarter Netze ohne gegenseitige Berührung ineinander ragen, wie dies aus Fig. 20 ersichtlich ist. Hier ist die Höhe eines Netzes mit A/bezeichnet und die gegenseitige Überlappung in Höhenrichtung mit J.

Die Netze können von verschiedener konstruktiver Gestaltung sein.

Ein Ganznetz 3 gemäß Fig. 15 ist aus Streckmetall und somit einfach herstellbar. Die Kanäle 4 im Wärmetauscher mit derartigen Netzen 3 können sich jedoch im Querschnitt voneinander ein wenig unterscheiden, was eine ungleichmäßige Verteilung des Stromes des flüssigen Mediums unter den Kanälen 4 und in einigen Fällen eine Verschlechterung der thermischen Kennwerte des Wärmetauschers zur Folge haben könnte. Das ist darauf zurückzuführen, daß die Einsätze 2 eine gewisse Stärkentoleranz haben und der Werkstoffüberschuß der Einsätze 2 beim Sintern des Wärmetauschers in die Kanäle 4 hineingepreßt wird.

Das in Fig. 16 gezeigte Netz 3 hat glatt durchgehen

de Blechabschnitte 7 zwischen den Kanälen und an seiner Peripherie. Dies gewährleistet gleiche Querschnitte der Kanäle 4, weil hier die Stege 7 des Einsatzes 2 eine um soviel kleinere Breite als die durchgehenden Abschnitte 7 des Netzes 3 aufweisen dürfen, entsprechend der Stärkentoleranz der Einsätze 2. Dabei bleibt der beim Sintern herausgepreßte Überschußwerkstoff der Einsätze 2 immer zwischen den durchgehenden Abschnitten 7 benachbarter Netze 3 und dringt nicht in

ίο den Querschnitt der Kanäle 4 ein.

Die Fixierung der in Fig. 15 und 16 dargestellten Netze 3 im Paket erfolgt bei der Herstellung des Wärmetauschers durch nicht gezeigte Außenbegrenzer. Um solche Montagehilfsmittel entbehrlich zu machen.

kann Netz 3 gemäß Fig. 17, 18 im Bereich der durchgehenden Abschnitte 7 zwischen den Kanälen 4 und an seiner Peripherie fixierende Sicken 9 aufweisen, wodurch bei der Herstellung des Wärmetauschers die genaue Fixierung des einen Netzes 3 gegenüber dem anderen sowohl in Querrichtung als auch nach der Höhe des Pakets 1, so wie es in F i g. 19 gezeigt ist, ermöglicht wird.

Die in Fig. 16 und 17 gezeigten Netze haben auch einen geringeren Wärmewiderstand von Kanal zu Kanal, so daß die Wärmeübertragungsintensität des Apparats erhöht ist. Die Sammelrohre 10 und 11 (Fig.S), die zur Verteilung des Heliumvor- und -rückst¹-:>mes auf die Kanäle 4 des Wärmetauschers dienen, werden mit dem Paket I starr verbunden.

Beim Betrieb in einer Heliumverflüssigungsanlage wird von einem Kompressor kommendes warmes gasförmiges Helium als Vorstroc. in Richtung der Pfeile C in das Sammelrohr 10 eingeleitet, wo es auf die bezeichneten Kanäle 4 des Pakets 1 gleichmäßig verteilt wird. Auf seinem Weg durch diese Kanäle umströmt das Helium die Netze 3 und gibt an sie Wärme ab. Die von den Netzen 3 aufgenommene Wärme wird dank deren Wärmeleitfähigkeit in die mit d bezeichneten Kanäle geleiteL Das in den Kanälen 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 abkühlt Der andere Heliumteil des Vorstromes wird in Ventilen (nicht dargestellt) gedrosselt und kehrt als kalter Rückstrom D zusammen

■»5 mit dem Heliumstrom von der Expansionsmaschine in das Sammelrohr 11 zurück, wo es auf die mit d bezeichneten Kanäle 4 verteilt wird. Das Helium des Rückstromes erwärmt sich, indem es diese Kanäle in der Richtung des Pfeiles D durchfließt und die Netze 3 umströmt.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Wärmetauscher in Netzbauart mit aufeinanderliegenden und starr zu einem Paket verbundenen Einsätzen geringer Wärmeleitfähigkeit mit Durchbrüchen, die Kanäle für die am Wärmetausch beteiligten Medien bilden, und mit zwischen den Einsätzen gehaltenen Netzen aus gut wärmeleitendem Blechmaterial, deren Elemente Zellen bilden, sowie mit Sammelrohren, die starr an die Enden des Pakets angeschlossen sind und zur Einleitung in bzw. Ableitung der Medien aus den Kanälen dienen, dadurch gekennzeichnet, daß die die Zellen (6) bildenden Elemente (5) unter einem Winkel (et) zu der Ebene des Netzes (3) geneigt sind und teilweise in die Zellen (6) der benachbarten Netze (3) ohne deren Berührung ragen.

2. Wärmetauscher in Netzbauart nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel (α) der die Zellen (6) bildenden Elemente (5) zu der Ebene des Netzes (3) 45° bis 90° beträgt.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Bereichen (7) jedes Netzes (3), die sich zwischen den Kanälen (4) und an dessen Umfang befinden, das Blechmaterial glatt durchgehend belassen ist

4. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangsbereiche (7) jedes Netzes (3) mit einer längs der Ränder verlaufenden Sicke (9) zur Fixierung des Netzes (3) im i'aket ausgeführt sind.