DE4327857C2 - Wärmetauscher - Google Patents
WärmetauscherInfo
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
- F28F9/02—Header boxes; End plates
- F28F9/026—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits
- F28F9/0265—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits by using guiding means or impingement means inside the header box
- F28F9/0268—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits by using guiding means or impingement means inside the header box in the form of multiple deflectors for channeling the heat exchange medium
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
- F28D9/0062—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by spaced plates with inserted elements
-
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- F28F2250/00—Arrangements for modifying the flow of the heat exchange media, e.g. flow guiding means; Particular flow patterns
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Description
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, bestehend aus
einer Vielzahl mit Abstand übereinander angeordneter,
gleicher Trennwände, die jeweils aufrechtstehende Leitwände
zur Bildung von gegenläufigen Strömungskanälen für gasförmi
ge Medien und mit diesen zu temperierenden gasförmigen
Medien sowie zur Abstandhaltung gegenüber benachbarten,
hiermit verbundenen Trennwänden haben.
Bei zunehmenden Energiekosten und steigender Beachtung des
Umweltschutzes gewinnt die Rückgewinnung von Abwärme zuneh
mende Bedeutung.
Es gibt verschiedene Systeme von Wärmetauschern (Rekuperato
ren), z. B. ein System gemäß der CS 219 973/B1 (Urheber
schein). Es handelt sich dabei um einen Gegenstromwärme
tauscher, der allerdings für die Belüftungstechnik wegen der
sehr großen Druckunterschiede nicht verwendbar ist. Sein
Wirkungsgrad von 55-65% entspricht demjenigen von Kreuz
stromwärmetauschern.
Die Anordnung der Gegenstromkanäle bei dem bekannten System
verhindern eine Turbulenzbildung, die eine wirksame Wärme
rückgewinnung möglich machen könnte. Um Turbulenzen zu
erzeugen, weisen die Strömungskanäle Querrippen auf, die
zwar eine gewisse Turbulenz erzeugen, aber einen bedeutenden
Druckverlust bewirken.
Damit wird der Wirkungsgrad des Wärmetauschers erheblich
herabgesetzt. Die Strömungskanäle sind in weiten Bogen über
die Trennwände verteilt, was zu einer laminaren Strömung,
aber nicht zur für die Wärmerückgewinnung notwendigen
Turbulenz führt. Die Herstellung der gebogenen Leitwände ist
sehr aufwendig und teuer.
Im übrigen ist eine Abdichtung der jeweiligen Druckräume
kaum wirksam herstellbar. Der bekannte Wärmetauscher kann
daher nur begrenzt eingesetzt werden.
Bei der bekannten Ausführung ist nicht berücksichtigt, daß
die gegenläufigen Strömungskanäle bei steigender Temperatur
im Wärmetauscher ein zunehmendes Volumen des Strömungsme
diums aufzunehmen haben. Vielmehr bewirken die Strömungska
näle, daß die Strömungsquerschnitte am Ein- und Auslaß stets
gleich groß sind. Das Gleiche gilt für die nächstfolgende
Lage der Trennwände. Dadurch kommt es zu vermeidbaren
Verlusten an Wärmeenergie.
Ähnliche Verhältnisse liegen auch bei Wärmetauschern vor,
die aus der EP 0 292 245 A1 und der GB 2 158 569 A bekannt
geworden sind. Beide Druckschriften offenbaren Wärmetauscher
mit zumindest teilweise gegenläufigen Kanälen in benachbar
ten Trennwänden. Es sind auch Kanäle mit Umkehrungen
vorgesehen, jedoch haben diese stets gleiche Querschnitte.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen
Wärmetauscher der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß
er eine höhere Leistung erzielt, indem die Strömungsbedin
gungen auf die Erwärmung des Gases abgestimmt werden.
Die Lösung der gestellten Aufgabe besteht erfindungsgemäß in
den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1. Durch die
besondere Art der Strömungsführung, insbesondere die scharf
kantigen Umlenkungen um 90°, wird ein mit nur geringen Verlusten
behafteter Wärmeaustausch erzielt, der einer gemischten
Gegenstrom/Kreuzstrom-Übertragung entspricht. Es ergibt sich
dabei ein asymmetrischer Wärmetauscher.
Mittels der Längsrippen erfolgt eine von deren
Querschnitt abhängige Querschnittsveränderung der Strömungs
kanäle und der Strömungsgeschwindigkeiten, die der Volumen
änderung infolge Erwärmung des durchgesetzten Gases ent
spricht.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den
Unteransprüchen. Nachstehend ist die Erfindung
anhand von in der Zeichnung abgebildeten Ausführungsbeispie
len näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Wärmetauscher mit abgenomme
ner Deckplatte.
Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II in Fig. 1,
Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III in Fig. 2,
Fig. 4 eine Trennwand mit durchgehenden Längsrippen in der
ersten Hälfte der Strömungskanäle,
Fig. 5 eine Trennwand mit sich verjüngenden Längsrippen
Fig. 6 zwei nebeneinander, um 180° gedrehte Trennwände und
Fig. 7 die Trennwände der Fig. 6 übereinander gesetzt.
Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf einen asymmetrischen
Wärmetauscher mit abgehobener Deckplatte. Man erkennt eine
quadratische Trennwand 1, die durch aufrechtstehende Leit
wände 2 in eine Anzahl, hier vier Strömungskanäle 3, 4, 5 und
6 aufgeteilt ist. Die Leitwände 2 können spanlos herausge
formt sein. Diese Strömungskanäle 3-6 sind parallel mehrfach
rechtwinklig so umgelenkt, daß ihre Ein- und Ausströmseiten
7 bzw. 8 in der einen Hälfte der Trennwand 1, etwa fluchtend
zueinander liegen.
Dabei sind die Strömungskanäle im übrigen über die andere
Hälfte der Trennwand 1 verteilt und so ausgebildet, daß sie
jeweils die gleiche Grundrißfläche haben. Parallel zu den
Leitwänden 2 sind von der Einlaßseite 7 her Längsrippen 9
vorgesehen, die, wie Fig. 1 zeigt, beispielsweise nach der
halben Kanallänge aufhören. Hierdurch wird der wirksame
Querschnitt der Strömungskanäle 3-6 gemindert, wodurch sich
bei gleichem Gasvolumen eine höhere Einlaßgeschwindigkeit C₁
als die Auslaßgeschwindigkeit C₂ ergibt. Umgekehrt ist der
Strömungskanalquerschnitt F₁ an der Einlaßseite 7 kleiner
als der Querschnitt F₂ an der Auslaßseite 8. Die Längsrippen
9 können auch Durchbrechungen 10 aufweisen (Fig. 1). Damit
wird die Ausbildung einer Turbulenz unterstützt.
Schließlich können, wie Fig. 4 zeigt, die Längsrippen 9 z. B.
bis zur halben Länge der Strömungskanäle 3-6 durchgehend
ausgebildet sein oder, wie Fig. 5 zeigt, über die ganze oder
einen Teil der Länge der Strömungskanäle 3-6 im Querschnitt
abnehmen, so daß sich eine kontinuierliche Vergrößerung des
Querschnittes der Strömungskanäle 3-6 ergibt.
Fig. 6 zeigt zwei quadratische Trennwände 1, 1′ nebeneinander,
jeweils zueinander in der Ebene um 180° gedreht angeordnet.
Bei der linken Trennwand 1 befinden sich die Einlaßseiten 7
und die Auslaßseiten 8 in der unteren Hälfte. Bei der
rechten Trennwand 1′ befinden sich die Ein- und Auslaßseiten
7′ bzw. 8′ jeweils in der oberen Hälfte der Trennwand 1′.
Setzt man die Trennwände 1 und 1′ in dieser Stellung
aufeinander, so erhält man ein zweilagiges Paket, wie es
Fig. 7 zeigt. Man kann erkennen, daß alle Strömungskanäle 3-6
und 3′-6′ übereinander gut verteilt zueinander angeordnet
sind, so daß sich ein maximaler Wärmeaustausch ergibt.
Der so gebildete asymmetrische Wärmetauscher weist in jeder
Lage einen Teil mit hoher Durchflußgeschwindigkeit C₁ am
Einlaß 7 bzw. 7′ und einen Teil mit geringerer Durchflußge
schwindigkeit C₂ an der Auslaßseite 8 bzw. 8′ auf. Dabei ist
jeweils dem Einlaßteil 7 bzw. 7′ ein Auslaßteil 8′, 8 der
nächsten Lage benachbart.
Der Mangel an Turbulenz in den bekannten Strömungskanälen
wird hier durch die mehrfache scharfe rechtwinklige Umlen
kung behoben. Durch diese Maßnahmen wird ein größerer
Druckverlust vermieden. Weiterhin wird die Turbulenzbildung
durch unterbrochene Längsrippen unterstützt.
Die rechtwinklige Umlenkung der Strömungskanäle 3-6, 3′-6′
ermöglicht eine preiswerte Fertigung der Werkzeuge für die
Leitwände 2, 2′ und die Längsrippen 9, 9′ sowie eine sehr gute
Ausnutzung der Fläche der Trennwände 1, 1′ für den Wärmeaus
tausch. Dadurch, daß die Strömungskanäle 3-6, 3′-6′ die
gleiche Grundfläche einnehmen, wird gleichzeitig ein gleich
mäßig verteilter Wärmeaustausch erreicht.
Die asymmetrische Anordnung der Strömungskanäle 3-6, 3′-6
führt dazu, daß beim Zusammenbau des Wärmetauschers die
Oberkanten der Leitwände 2, 2′ und der Längsrippen 9, 9′ nicht
in etwaige Rillen einer darüberliegenden Trennwand passen
müssen und sich somit nur bei 90°-Kreuzungen treffen.
Hierdurch werden die mechanische Festigkeit des Wärmetau
schers und seine Dichtung verbessert. Man kann daher auch
relativ dünnes Material z. B. Blech mit einer Wandstärke von
0, 1-0, 3 mm verwenden. Verwendet man stärkere Werkstoffe, z. B.
Metall oder Keramik, so kann der Wärmetauscher ggf. ohne
Klebung zusammengesetzt werden und ist auch für gegenüber
einem Wärmetauscher aus Kunststoff erheblich höhere oder
niedrigere Temperaturen geeignet. (Dies gilt auch für
Kühlungsaufgaben).
Ein Wärmetauscher nach der Erfindung kann leicht in
bestehende Anlagen eingebaut werden. Der Preis solcher
Wärmetauscher ist nicht größer, eher geringer als bei
Wärmetauschern nach dem Stand der Technik.
Claims (5)
1. Wärmetauscher, bestehend aus einer Vielzahl mit Abstand
übereinander angeordneter, gleicher Trennwände, die
jeweils aufrechtstehende Leitwände zur Bildung von
gegenläufigen Strömungskanälen für gasförmige Medien und
mit diesen zu temperierenden gasförmigen Medien sowie zur
Abstandhaltung gegenüber benachbarten, hiermit verbunde
nen Trennwänden haben,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Trennwände (1, 1′) abwechselnd in ihrer Ebene um jeweils 180° zueinander gedreht angeordnet sind,
daß jede Trennwand (1, 1′) in ihrer einen Hälfte Einlaß- und Auslaßseiten (7, 8; 7′, 8′) für die Strömungskanäle (3-6, 3′-6′) aufweist, wobei diese mehrfach um 90° umgelenkt sind, derart daß sie durch die andere Hälfte der Trennwand (1, 1′) geführt sind,
daß die Strömungskanäle (3-6, 3′-6′) so angeordnet sind,
daß jeder Strömungskanal zwischen seinen Leitwänden (2, 2′) die gleiche Bodenfläche aufweist und
daß der Querschnitt (F₂, F₁) jedes Strömungskanals (3-6, 3′-6′ ) von der Einlaßseite zur Auslaßseite hin durch Einbau von Längsrippen (9) zunimmt.
daß die Trennwände (1, 1′) abwechselnd in ihrer Ebene um jeweils 180° zueinander gedreht angeordnet sind,
daß jede Trennwand (1, 1′) in ihrer einen Hälfte Einlaß- und Auslaßseiten (7, 8; 7′, 8′) für die Strömungskanäle (3-6, 3′-6′) aufweist, wobei diese mehrfach um 90° umgelenkt sind, derart daß sie durch die andere Hälfte der Trennwand (1, 1′) geführt sind,
daß die Strömungskanäle (3-6, 3′-6′) so angeordnet sind,
daß jeder Strömungskanal zwischen seinen Leitwänden (2, 2′) die gleiche Bodenfläche aufweist und
daß der Querschnitt (F₂, F₁) jedes Strömungskanals (3-6, 3′-6′ ) von der Einlaßseite zur Auslaßseite hin durch Einbau von Längsrippen (9) zunimmt.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Längsrippen (9) nur über einen Teil der Länge
jedes Strömungskanals (3-6, 3′-6) reichen.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Längsrippen (9) in Strömungsrichtung
einen abnehmenden Querschnitt (F) haben.
4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Längsrippen (9) kurze Unterbre
chungen (10) aufweisen.
5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Leitwand (2) des äußersten
Strömungskanals (3, 3′) am Rande der Trennwand (1, 1′)
neben der jeweiligen Ein- und Auslaßseiten (7, 8, 7′, 8′)
schräg gestellt ist, derart, daß sie mit der entsprechen
den Ein- und Auslaßseiten (7, 8, 7′, 8′) der darüber
befindlichen Trennwand (1, 1′) einen keilförmigen Einlauf
bildet.
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Legal Events
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