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Membran-Wärmetauscher
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Membran-Wärmetauscher aus zahlreichen
übereinander angeordneten, gleichartigen Membranen, die paarweise miteinander verbunden
sind und geschlossene Strömungskanäle für das eine Medium bilden, während das andere,
insbesondere gasförmige, Medium durch zwischen den Membranpaaren durch lokale Ausbeulungen
der Membranen erzeugte Spalte strömt.
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Bei Wärmetauschern besteht grundsätzlich die Problematik darin, eine
große Austauschfleche zwischen den wärmeübertragenden Medien zur Verfügung zu stellen,
eine möglichst flache Spaltströmung zu erzeugen, damit der Wärmetransport vom Strömungskern
zur Grenzschicht keinen hohen Temperaturgradienten erfordert und schließlich darin,
durch eine möglichst turbulente Strömung hohe Wärmeübergangszahlen zu erreichen.
Diese Forderungen sollen durch Wärmetauscher mit möglichst niedrigen Herstellungsko
sten erfillt werden.
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Zu diesen vorwiegend thermodynamiscn bedingten Zielen kommt häufig
erschwerend hinzu, daß das eine der beiden wärmetauschenden Medien unter einem erheblich
höheren oder niedrigeren Druck als das andere Medium steht. Bei der Auslegung des
Wärmetauschers muß in diesem Fall auch für eine ausreichende Druckfestigkeit seiner
Bauteile gesorgt werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher
der eingangs beschriebenen Art dahingehend zu verbessern, daß er sich bei günstigen
Wärmeübertragungseigenschaften durch wirtschaftliche Herstellungsweise auszeichnet
und auch für Medien geeignet ist, die dem Wärmetauscher mit äark unterschiedlichem
Druckniveau zugeführt werden.
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Diese Aufgabe wird bei einem Wärmetauscher der eingangs beschriebenen
Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Membranen aus ringförmigen Scheiben
bestehen, die quer zu ihrer Umfangsrichtung ein wellenförmiges
Profil
aufweisen, <i?d die Membranen eines jeden Memlängs branpaares sich/ihrer in den
Strömungskanal ragenden und in Umfangsrichtung umlaufenden Wellenscheitel aneinander
abstützen und daß die Wellung benachbarter Membranpaare jeweils um die halbe Wellenlänge
versetzt ist.
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Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die
wellenförmig profilierten Membranen in Ringform ein preisgünstiger Baustein für
die tierstellung von Wärmetauschern sind. Zugleich erhält man für die iiblicherweise
radial erfolgende Spaltströmung durch das quer angeströmte Wellenprofil ständig
neue thermische Anlaufstrecken mit hoher Wärmeübergangszahl. Weiterhin bieten die
erfindungsgemäßen wellenförmig profilierten Membranscheiben den Vorteil, daß si;
aufgrund ihrer durch die Profilierung erhöhten Formstabilität relativ dünnwandig
ausgeführt werden können. Sie können daher durch Kaltverformung hergestellt werden
und bieten wegen i her geringen Wandstärke eine hohe Wärmeleitung zwischen den Wärme
austauschenden Medien. Schließlich ist der erfindungsgemäße Wärmetauscher auch außerordentlich
stabil gegenüber hohen Uberdrticken in der Spaltströmung, da sich die Membranen
längs ihrer Wellenscheitel, d.h. über zahlreiche, großflächige Berührungsflächen
aneinander stützen.
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Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsgedankens
besteht darin, daß die Zu- und die Ablaufleitung
für die ringförmigen
Strömungskanäle in den Membranpaaren durch dichtes Verbinden der den Spalt begrenzenden
Membranwände längs des gewünschten Leitungsumfanges gebildet sind. Man erhält dadurch
den gewünschten Zu- und Ablauf sowie die Verteilung des Strömungsmediums auf die
einzelnen übereinander liegenden ringförmigen Strömungskanäle ohne zusätzliche Bauteile
und vor allem führt dies Ausbildung der Zu-und Rücklaufleitung automatisch zu einem
Verbund der Membranpaare untereinender. Besondere Montageteile zum Zusammentialten
der iTembranpaare erübrigen sich somit.
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Die paarweise dichte Verbindung der Membranen an ihrem inneren und
äußeren Umfang erfolgt zweckmäßigeflreise längs der aneinander liegenden Wellenscheitel,
so daß man keine zusätzlichen Verformungen oder Verbindungsteile benötigt. Die Verbindung
kann durch Löten oder Schweißen erfolgen. Kommt es hingegen darauf an, daß alle
Membranpaare den gleichen Innen- oder Außendurchmesser aufweisen, so können gegebenenfalls
die Enden der Membranen abgewinkelt. werden, so daß sie sich gegenseitig überlappen
und eine zylindrische Ringfläche bilden, längs derer die Verschweißung stattfindet.
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Die Zu- und Ablaufleitungen können die koaxial über einander liegenden
Strömungskanäle in den Mebranpaaren durchgehend im rechten Winkel durchqueren. Es
besteht aber auch die Möglichkeit, die Öffnungen in den einzelnen
Membranpaaren
in Umfangsrichtung jeweils ein Stück zu versetzen. Durch einen solchen Versatz kann
die Aufteilung der des in Querrichtung zugeführten Strömungsmediums auf die einzelnen
Strömungskanäle vergleichmäßigt werden, d.h., daß die der Zulauföffnung benachbarten
Membranpaare etwa von derselben Menge durchströmt werden, wie die Membranpaare am
anderen Ende des Wärmetauschers, Um daß Verlöten oder Verschweißen der den Spalt
begrenzenden Membranwände längs des gewünschten Leitungsumfanges der Zu- bzw. Ablaufleitung
zu erleichtern, empfiehlt es sich, die Membranen in diesem Bereich flach zu drücken,
so daß man eine ebene Verbindungsstelle erhält.
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Die lokalen Ausbeulungen, die die benachbarten Membranpaare auf einer
für die Spaltströmung ausreichenden Distanz halten, sind zweckmäßigerweise auf den
Wellenbergen der Membranen angeordnet. Dadurch können alle Membranen in gleicher
Form ausgebildet sein, denn durch den Versatz benachbarter Lamellenpaare um eine
halbe Wellenlänge ist sichergestellt, daß die Ausbeulungen immer an der richtigen
Stelle liegen. Werden die Membranen nicht in gleicher Form hergestellt, ist es gleichwohl
zweckm:,ßig, daß jede Membran etwa gleichviel Ausbeulungen aufweist, d.h., daß jede
Membran etwa 50% der Stützstellen zwischen benachbarten Membranpaaren zur Verfügung
stellt.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender
Beschreibung von Ausfüt-1rungsb0ipielen; Dabei zeigt: Fig. 1 einen erfindungsgemäßen
Wärmetauscher, teilweise geschnitten; Fig. 2 einen vergrößerten Querschnitt durch
einige übereinander angeordnete Membranpaare; Fig. 3 einen entsprechenden Querschnitt
wie Fig. 2, Jedoch .mit anderer Endverbindung der Membranen; Fig. 4 eine vergrößerte
Schnittdarstellung einiger Membranpaare im Durchquerungsbereich einer Zulaufleitung.
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Wie Fig. 1 zeigt, besteht der erfindungsgemäße Wärmetauscher aus einer
Vielzahl übereinander angeordneter, ringförmiger Membranen. Die Membranen haben
im Prinzip allesamt denselben Aufbau, d.h., sie sind quer zur Umfangsrichtung mit
einer wellenförmigen Profilierung versehen. Diese Profilierung entspricht etwa einer
Sinullinie.
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Zur Verdeutlichung der Membranenanordnung sei auf Fig.
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2 verwiesen. Dort sind einige gleichartige Membranen mit den Bezugszeichen
1 bis 8 versehen. Zu ihrer paarweisen
Verbindung sind sie jeweils
spiegelbildich aufeinander gelegt und an ihrem inneren und äußeren Umfang dicht
miteinander verbunden, vorzugsweise durch Schweißen. Dadurch entstehen in jedem
Membranpaar (beispielsweise gebildet durch die Membranen 1 und 2) zahlreiche konzentrische,
in Umfangsrichtung umlaufende Strömungskanäle (beispielsweise 12a, 12b und 12c).
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Das derunter befindliche Membranpaar, bestehend aus den Membranen
3 und 4, ist gleichermaßen aus spiegelbildlichen Membranen zusammengesetzt und längs
des äußeren und inneren Umfanges durch Verschweißen abgedichtet. Dieses Nembranpaar
ist jedoch gegenüber dem Membranpaar 1, 2 um eine halbe Wellenlänge versetzt, so
daß die Wellen der benachbarten Membranen 2 und 3 ineinander zu liegen kommen. Dabei
ist aber durch lokale Ausbeulungen 9 und 10 auf den Wellenbergen dieser benachbarten
Membranen 2 und 3 dafiir gesorgt, daß zwischen diesen membranen ein Spalt frei bleibt.
Dieser Spalt 11 bildet den Strömungsweg für das andere Wärmetauschermedium. Während
also in den konzentrischen Strömungskanälen 1 2a, 12b, 12c und in den versetzten
Strömungskanälen 13a, 13b usw. vorzugsweise Flüssigkeit jeweils in Umfangsrichtung
den Wärmetauscher durchströmt, strömt in den dazwischen liegenden Spalten 11 bzw.
14 vorzugsweise ein gasförmiges Medium, und zwar quer zur Flüssigkeit, also radial
durch den Wärmetauscher hindurch.
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Die darunter befindlichen Membranpaare sind in entsprechender Weise
aufgebaut bzw. angeordnet, so daß eine Vielzahl übereinander befindlicher Strömungswege
für tlie @ Flüssigkeit bzw. für das Gas entstehen.
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Die Fig. 9. und 3 zeigen verschiedene Möglichkeiten für die endständige
dichte Verbindung zusammengehö ri -ger Membranen. Tn Fig. 2 sind dabei die Enden
jedes zweiten Membranpaares (1, 2; 5, 6) abgewinkelt, so daß sie sich gegenseiti.g
überlappen und eine zylindrische Ringfläche bilden, längs derer die Verschweißung
stattfindet.
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Kann das radiale Vorstehen jedes zweiten Membranpaares in Kauf genommen
werden, so empfiehlt sich die Verbindung der Membranpaare gemäß Fig. 3, wo sämtliche
Membranpaare an ihren aneinanderliegenden wellenscheiteln verschweißt sind. Zusätzliche
Verformungen der Membrannen entfallen hier. Selbstverständlich besteht aber auch
bei entsprechenden Bedarfs fällen die Möglichkeit, Membranpaare am äußeren oder
inneren Umfang des Wärmetauschers durch eingeschweißte, zylindrische Abschlußringe
zu veschließen.
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In Fig. 4 ist die Ausbildung einer Zulaufleitung 15 zu d.en ringförmigen
Strömungskanälen 12a, 1 2b, 1 2c und 13a, 13b, 13c dargestellt. Man erkennt, daß
die Membranen im Bereich der Zulaufleitung, also praktisch über ihre gesamte Breite
flachgedrückt sind; lm Gegensatz zu dem strichpunktiert eingezeichneten wellenförmigen
Verlauf außerhalb der Zulaufleitung. Dieses Flachdrücken erfolgt etwa auf einem
Niveau zwischen
Wellental und Wellenberg. Dadurch wird für die
Strömungskanäle in übereinanderliegenden Membranpaaren stets etwa der gleiche Verbindungsquerschnitt
zwischen den einzelnen Strömungskanälen und der Zulaufleitung erzeugt.
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Aus Fig. 4 wird ferner deutlich, daß in dem flachgedrückten Bereich
der Membranen der zwischen benachbarten Nembranpaaren befindliche Spalt 11, 14 lokal
verschwindet, da die benachbarten Membranen, beispielsweise 2 und 3, in dem flachgedrückten
Bereich dicht aneinander liegen.
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Daher geniigt es zur Bildung der Zulaufleitung 15 die Membranen im
Bereich der gewünschten Zulaufleitung in der beschriebenen Weise flach zu drücken,
sie sodann mit einem etwas geringeren Durchmesser als es dem flachgedrückten Bereich
entspricht, durchzubohren und schließlich die aneinander liegenden Membrarn längs
des Bohrungsumfanges zu verschweißen. Die ringförmigen Schweißnähte sind mit den
Bezugszeichen 17, 18 und 19 bezeichnet.
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Die Ablaufleitung 16 wird in gleicher Weise gebildet.
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Sie ist zweckmäßig an der gegenüberliegenden Seite des Wäremtauschers
angeordnet, wie in Fig. 1 dargestellt, sofern man aus baulichen Gründen nicht gezwungen
ist, die Anschlußleitungen nebeneinander zu legen, mit dem Erforderniss einer vertikalen
Trennwand in den Strömungskanälen.
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Der Aufbau des l-LcmlDranwirl!etauscllers gemäß den Fig. 1 bis 3 is-t
speziell für solche Verhältnisse geeignet, bei denen die Spaltströmung einen Überdruck
aufweist.
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Ist hingegen mit t:'berdruc} in den ringförmigen Strömungskanälen
zu rechnen, so empfiehlt sich eine äußere Abstützung der übereinander angeordneten
Membranpaare.
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Eine solche äußere Abstützung Yann beispielsweise mit Hilfe von ringförmigen
Flanschen erfolgen, die au der Öber- und an der Unterseite der aufeinandergestapelten
Membranpaare al geordnet und durch Verbindungsschrauben mehr oder weniger stark
gegeneinander verspannt werden. Dadurch wird der in den ringförmigen Strömurgskanälen
auftretende Druck von den Flanschen und den Verbindungsschrauben aufgenommen. In
Fig. 4 ist beispielhaft ein solcher Flansch 20 dargestellt, der am oberen Ende der
Membranpaare angeordnet und mittels mehrerer, aber den Umfang verteilter Verbindungsschrauben
21 mit einen' entsprechenden, an der Unterseite des Wärmetauschers angeordneten,
nicht näher dargestellten Flansch verbunden ist. Man erkennt dabei in Fig. 4, daß
der Flansch 20 auch die anschlußbohrungen für die Zulauf- und Ablaufleitungen des
Wärmetauschers enthält.
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Der Hauptvorteil des beschriebenen Wärmetauschers besteht zusammenfassend
darin, daß er aus einfach herzustellenden, gleichartigen Membranen besteht, daß
diese Membranen dünnwandig und trotzdem formstabil sowie fügegerecht ausführbar
sind, daß man durch die Spaltströmung in Verbindung mit den ständigen Umlenkungen
hohe Wärmeübergangszahlen erzielt und daß der Wärmetauscher schließlich auch für
hohe Drücke der wärmetauschenden Medien geeignet ist.