DE4423090A1

DE4423090A1 - Anisotropic thermal fluid mixing device for heat transfer equipment

Info

Publication number: DE4423090A1
Application number: DE19944423090
Authority: DE
Inventors: Christian Von Dr Geiso
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-07-01
Filing date: 1994-07-01
Publication date: 1996-01-04

Abstract

The fluid mixing device comprises a heat-exchanging channel with internal current-carrying elements (SL) to increase non-axial heat transfer. The flow components diverted by these elements run parallel to the required direction of heat flow, and generate a further velocity component at right angles to the required flow direction, which adds to the total transfer of heat. Laminar and steady flow is used to increase sideways heat transfer, while only molecular transfer of heat applies in the axial direction. The internal current-carrying elements can have additional or integral compensation elements to reduce diversion of the flow from the area influenced by the current-carrying elements. Device spacing and phase length are modified to suit differing applications.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur anisotropen thermischen Durchmischung welche eigenständig oder als Teil eines Wärmetauschers dem optimierten Wärmeübergang zwischen (mindestens) zwei stofflichen Medien dient.The invention relates to a device for anisotropic thermal Mixing which independently or as part of a heat exchanger optimized heat transfer between (at least) two material media serves.

Turbulator in Wärmetauscherleitung (nach Patentschrift DE 27 05 027 C3) und der allg. bekannte Plattenwärmetauscher sind je ein Beispiel für solche Vorrichtungen als Einzel- oder zusammengefaßte Teilelemente. Bei den bekannten Wärmetauschern und Regeneratoren, welche dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder 2 entsprechen, wird die Wärmeübergangszahl gegenüber solchen mit unbeeinflußter Hauptströmung erheblich vergrößert.Turbulator in heat exchanger line (according to patent specification DE 27 05 027 C3) and the well-known plate heat exchanger is an example of each Devices as individual or combined sub-elements. With the known Heat exchangers and regenerators, which is the preamble of the claim 1 or 2, the heat transfer coefficient is compared to such significantly enlarged with unaffected main flow.

Da deren Strömungsformen aber üblicherweise erhebliche turbulente Anteile aufweisen, ergeben sich zusätzliche nachteilige Druckwiderstände. Ferner erzeugt die Turbulenz auch einen forcierten Wärmeaustausch in axialer Richtung, was z. B. den thermischen Wirkungsgrad von Gegenstromwärmetauschern verringert. Nicht zu vernachlässigen ist auch der zusätzliche Materialaufwand für die Realisierung der internen Strömungsumlenkung.However, since their flow forms usually have considerable turbulent proportions have, there are additional disadvantageous pressure resistances. Further the turbulence also creates a forced heat exchange in the axial direction, what z. B. the thermal efficiency of counterflow heat exchangers decreased. The additional cost of materials should also not be neglected for the realization of the internal flow diversion.

Hier soll die Erfindung Abhilfe schaffen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die für den Wärmeübergang entscheidende Barriere der Grenzschicht des an den Kanalwandungen haftenden Mediums durch den erhöhten Betrag der Fluidgeschwindigkeit verringert wird ebenso wie durch den Einfluß der wandgerichteten Strömungskomponente. Ferner deformiert die überlagerte Sekundärgeschwindigkeit den sich bei ungestörter Strömung sonst einstellenden Isothermenverlauf des Querschnittes, welcher für den thermischen Wirkungsgrad nachteilig wäre, so daß die zugeordneten Temperaturprofile in Form von Versetzung Spiegelung, Gradientenvergrößerung oder sonstigen Transformationen in vorteilhafter Weise verändert werden. Die weitgehend laminaren und stationären Strömungsformen, welche (unter Berücksichtigung der jeweiligen Geometrie der SL einschließlich der Kompensationselemente) bei Einhaltung gewisser Bereiche hydraulischer Kennzahlen gewährleistet sind, vermeiden die oben erwähnten nachteiligen Effekte einer überlagerten Turbulenz. Die SL können natürlich nur dann wirksam werden, wenn diesen das strömende Medium nicht mehr oder weniger ausweicht, wie es ohne zusätzliche Maßnahmen in Form der Kompensationselemente zu erwarten wäre. Die SL folgen nicht lückenlos aufeinander sondern in Abstand, Größe, Form und Versetzung so positioniert, daß die durch das jeweils vorausgehende SL angefachte Sekundärströmung den erwünschten Prozeß noch unterstützt z. B. durch Wirbelschließung oder Rückbildungseffekte. Auf diese Weise ergibt sich auch eine gewisse Materialersparnis.The invention is intended to remedy this. According to the task solved by the fact that the barrier to heat transfer, the Boundary layer of the medium adhering to the channel walls due to the increased The amount of fluid velocity is reduced as well as by the influence the wall-directed flow component. Furthermore, the superimposed one deforms Secondary speed which is otherwise with undisturbed flow setting isothermal profile of the cross section, which for the thermal Efficiency would be disadvantageous, so that the associated temperature profiles in the form of dislocation mirroring, gradient enlargement or other Transformations can be changed in an advantageous manner. The largely laminar and stationary flow forms, which (considering the respective geometry of the SL including the compensation elements) guaranteed in certain areas of hydraulic key figures avoid the above-mentioned adverse effects of a superimposed Turbulence. The SL can of course only take effect if the flowing medium no longer evades them, as it does without additional measures in the form of the compensation elements would be expected. The SLs do not follow each other without gaps but in spacing, size, Form and offset positioned so that the one preceded by the SL fanned secondary flow still supports the desired process e.g. B. by vortex closure or regression effects. This way some material savings.

Die Unteransprüche 3-6 beziehen sich auf weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.The subclaims 3-6 relate to further advantageous refinements the invention.

Die schmale Form des Kanalquerschnittes erfordert besondere Maßnahmen, um für Zu- und Abfluß die sehr wichtige Gleichverteilung in Längsrichtung des Querschnittes zu gewährleisten. Die Verwendung von sog. Verteilungsblenden in Unteranspruch 3 ist dafür eine sehr vorteilhafte Möglichkeit der Realisation. Eine weitere besteht nach Unteranspruch 4 darin, die Druckdifferenz in Längsrichtung des WK-Querschnittes zwischen Verteiler- und Sammlerrohr durch eine entspr. Geometrie dieser Rohre auf den gewünschten Funktionsverlauf einzustellen. The narrow shape of the channel cross section requires special measures to for inflow and outflow the very important uniform distribution in the longitudinal direction of the To ensure cross-section. The use of so-called distribution panels in sub-claim 3 is a very advantageous way of realization. According to subclaim 4, another is the pressure difference in the longitudinal direction of the WK cross section between the distributor and collector pipes due to the corresponding geometry of these pipes to the desired function adjust.

Die Erfindung nach Anspruch 1 und 2 ist nicht nur für sich allein verwendbar z. B. als flacher Heizkörper, thermischer Kollektor für Wärmepumpen, als Kühlung und/oder Heizung von STIRLING-Motoren, sondern nach Unteranspruch 5 auch als ein- oder mehrfach enthaltenes Bauteil in Regeneratoren und Rekuperatoren.The invention according to claims 1 and 2 cannot only be used on its own e.g. B. as a flat radiator, thermal collector for heat pumps, as Cooling and / or heating of STIRLING motors, but according to subclaim 5 also as a single or multiple component in regenerators and recuperators.

Entsprechend Unteranspruch 6 kann unter gewissen Voraussetzungen mit Trennstegen die Sekundärgeschwindigkeit (ohne wesentliche Zunahme des dissipativen Druckverlustes) deutlich erhöht bzw. die Wirkung derselben auf das sich ausbildende interne Temperaturprofil des WK noch mehr funktionsgerecht eingestellt werden.According to subclaim 6 can under certain conditions with dividers the secondary speed (without a significant increase in the dissipative Pressure loss) significantly increased or the effect of the same on the developing internal temperature profile of the WK even more functional can be set.

Embodiments

Die Erfindung sei an Hand von sehr vereinfachten Funktionsskizzen nachfolgend näher erläutert, welche aus Gründen der Anschauung nicht maßstabgerecht sind. Gewisse geometrische Feinheiten der SL, welche zwar die Wirksamkeit der Erfindung erheblich beeinflussen (exakte Werte von Winkeln, Längenverhältnissen usw.), aber den optischen Gesamteindruck wenig verändern, werden nicht extra herausgestellt.The invention is based on very simplified functional sketches below explained in more detail which, for reasons of illustration, is not to scale are. Certain geometrical subtleties of the SL, which indeed the effectiveness significantly influence the invention (exact values of angles, Aspect ratios, etc.), but change the overall visual impression little, are not specially emphasized.

Fig. 1A zeigt perspektivisch die Grundanordnung der Erfindung 1. Es ist der Bereich des SL innerhalb des WK mit dessen Querschnittslänge L und -breite d. Die Koordinatenrichtungen x z y sind parallel der Hauptströmung (Betrag u), der unerwünschten Wärmestromrichtung und der dritten in Anspruchs 1a) erwähnten Geschwindigkeitskomponente (Betrag v). Durch das SL werden zwei getrennte Teilvolumina A und B im SL-Bereich des WK erzeugt. Fig. 1B stellt je einen Schnitt der y-z-Ebene von Fig. 1A bei x = 0 und bei x = h dar. Durch die Schwerpunktsverlagerung dieser Volumenschnittflächen in y-Richtung während des Fluidweges h ergeben sich nach Fig. 1B mit dem Winkel α aus Fig. 1A ein Mindestbetrag der gemittelten v-Geschwindigkeit von: Fig. 1A shows in perspective the basic arrangement of the invention 1. It is the area of the SL within the WK with its cross-sectional length L and width d. The coordinate directions xzy are parallel to the main flow (amount u), the undesired heat flow direction and the third speed component (amount v) mentioned in claim 1a). The SL creates two separate sub-volumes A and B in the SL area of the WK. FIG. 1B each shows a section of the yz plane of FIG. 1A at x = 0 and at x = h. By shifting the center of gravity of these volume intersections in the y direction during the fluid path h, the angle α results from FIG Figure 1A is a minimum amount of the average speed of V.:

v = ± 0.5 · u · tan (α) · L/dv = ± 0.5 · u · tan (α) · L / d

Es wird deutlich, daß auch mit kleinen Winkeln α bei entspr. Betrag von L/d die Geschwindigkeit v die Größenordnung von u oder mehr erreichen kann.It is clear that even with small angles α with the corresponding amount of L / d the velocity v can reach the order of u or more.

Beim Trennelement 1 handelt es sich um ein geschlossenes Spezialrohr, gefüllt mit thermisch isolierendem Material. Die Öffnungsbreite m und die Bögen bei 2 und 3 (in der Zeichnung geometrisch nicht unterschieden) sind entspr. ihrer Funktion als Düse und Diffusor für eine turbulenzfreie Strömung optimiert. Durch die erzeugte und genau festgelegte Querbewegung in der y-z-Ebene ergibt sich die angestrebte Verschiebung und Deformation der Temperaturisolinien zur Erzeugung der anisotropen thermischen Durchmischung.The separating element 1 is a closed special tube filled with thermally insulating material. The opening width m and the bends at 2 and 3 (geometrically not differentiated in the drawing) are optimized for a turbulence-free flow in accordance with their function as a nozzle and diffuser. The generated and precisely defined transverse movement in the yz plane results in the desired displacement and deformation of the temperature isolines to produce the anisotropic thermal mixing.

Für die Funktion des WK in der beschriebenen Weise ist Voraussetzung, daß die Hauptströmung die y-z-Schnitte von A und B möglichst gleichmäßig durchsetzt. Um dieses zu gewährleisten, dienen die in Anspruch 1d) erwähnten Kompensationselemente 4 wie sie z. B. in Fig. 2A dargestellte sind. Es handelt sich dabei um Bleche, die durch ihren Strömungswiderstand (welcher durch die y-abhängigen Beträge von Anstellwinkel β (y) und Breite b (y) austariert wird) den erwünschten Effekt verursachen, indem sie dem SL an entsprechender Stelle angefügt sind, hier der Übersichtlichkeit halber nur an der Oberseite des SL. Die Grundidee integrierter Kompensationselemente verdeutlicht Fig. 2B. Der vereinfachten Darstellung wegen ist hier nur die Kompensationsmöglichkeit mittels y-variabler Seitenlänge b (y) und nur für den oberen Teil des SL dargestellt. Die gestrichelten Linien oben stellen den ursprünglichen Verlauf des einfachen SL ohne integriertes Kompensationselement dar. Ein variabler Anstellwinkel α (y), welcher auch die Wirkung des Winkels β (y) aus Fig. 2A in sich vereinigt, ist durch entspr. Verdrillung des SL um die y-Achse zusätzlich möglich.A prerequisite for the function of the WK in the manner described is that the main flow passes through the yz sections of A and B as evenly as possible. In order to ensure this, the compensation elements 4 mentioned in claim 1d) serve as they are used, for. B. are shown in Fig. 2A. These are sheets which, due to their flow resistance (which is balanced by the y-dependent amounts of angle of attack β (y) and width b (y)), cause the desired effect by being attached to the SL at the appropriate point, here For the sake of clarity, only on the top of the SL. The basic idea of integrated compensation elements is illustrated in FIG. 2B. For the sake of simplicity, only the possibility of compensation by means of the y-variable side length b (y) and only for the upper part of the SL is shown. The dashed lines above represent the original course of the simple SL without an integrated compensation element. A variable angle of attack α (y), which also combines the effect of the angle β (y) from FIG. 2A, is by twisting the SL accordingly the y-axis is also possible.

Die SL schließen längs der Kanalachse x nicht lückenlos aneinander an, sondern bilden geeignet gewählte Abstände, um den durch die SL eingeleiteten Bewegungsvorgang (Strömungsrotation) über den Flußquerschnitt auslaufen zu lassen. Die Gestaltung der SL, speziell die Wahl von Ausgangslage (Phase) und Verschiebebereich der periodischen Querbewegung der Teilvolumina beim Fluß längs der Kanalachse x, ergibt sich natürlich auch aus den Randbedingungen, nämlich ob z. B. der Wärmefluß über eine oder beide Längsseiten des WK erfolgen soll.The SLs do not adjoin each other along the channel axis x, but rather form suitably chosen distances around the one initiated by the SL Movement process (flow rotation) over the river cross-section run out to let. The design of the SL, especially the choice of starting position (phase) and displacement range of the periodic transverse movement of the partial volumes during Flow along the channel axis x, of course also results from the boundary conditions, namely whether z. B. the heat flow over one or both long sides of the WK.

Fig. 3A und 3B zeigen wie sich bei Erfindung 2 die Erhöhung des Wärmeaustausches dadurch ergibt, daß die Hauptströmung durch die Haftbedingung der zu ihr parallel verlaufenden SL-Flächen gestört wird. Die Symmetrien und Abfolgen der Anordnung sind so gewählt, daß die durch die Kontinuitätsbedingungen daraufhin einsetzende Sekundärströmung parallel zur vorgesehenen Wärmestromrichtung (z- oder r-Richtung) erfolgt. Die SL-freien x-Strecken dagegen sind in diesem Sinne wichtig für den Rückbildungsvorgang des sich wieder auf Normalverlauf einstellenden u-Profiles. Aufeinanderfolgende SL-Flächen, deren Halterungen hier nicht eingezeichnet sind, liegen in der Nähe des vorhergehenden Hauptgeschwindigkeitsmaximums aber nicht exakt darauf. Die thermisch nachteilige Wirkung der wandnahen Grenzschicht wird durch diese Vorgänge ebenfalls gemindert. Der Druckverlust ist bei Erfindung 2 kleiner als bei 1 unter Inkaufnahme etwas geringerer Wärmeübergangszahlen. Fig. 3A and 3B show how the increase of the heat exchange thereby resulting in Invention 2, that the main flow is disturbed by the adhesive condition of her SL parallel surfaces. The symmetries and sequences of the arrangement are selected so that the secondary flow which then begins due to the continuity conditions takes place parallel to the intended heat flow direction (z or r direction). In contrast, the SL-free x-sections are important for the regression process of the u-profile, which returns to normal. Successive SL surfaces, the brackets of which are not shown here, are not exactly close to the previous main maximum speed. The thermal disadvantageous effect of the boundary layer close to the wall is also reduced by these processes. The pressure loss in invention 2 is less than in 1, while accepting somewhat lower heat transfer coefficients.

In Fig. 4 ist eine der in Unteranspruch 3 und in der Beschreibung erwähnten Verteilungsblenden 5 für das in den WK ein- und ausströmende Fluid mit den Ansatzstutzen 6 für den Zu- bzw. Abfluß dargestellt. Eine geeignete Spaltbreitenabhängigkeit s (y) längs der Koordinate y sichert hinter der Blende 5 eine weitgehende Konstanz von u (y). Bei anderen Kanalformen sind diese Blenden sowie die Anordnung der Ansatzstutzen 6 entsprechend abgewandelt.In FIG. 4 one of the parameters mentioned in claim 3 and in the description of the distribution aperture 5 is in the WK mono- and for the fluid flowing with the extension pipe 6 is shown for the inflow and outflow. A suitable gap width dependence s (y) along the coordinate y ensures a largely constant u (y) behind the aperture 5 . In the case of other channel shapes, these diaphragms and the arrangement of the connecting pieces 6 are modified accordingly.

Die Nutzung von Verteiler- 7 und Sammlerrohren 8 nach Unteranspruch 4, um einen gleichmäßigen Massendurchsatz im WK zu erreichen, verdeutlicht Fig. 5. Die funktionsgerechte geometrische Gestaltung der betr. Rohre ist hier durch die konischen Formen "symbolisch" angedeutet.The use of distributor pipes 7 and collector pipes 8 according to subclaim 4 to achieve a uniform mass throughput in the WK is illustrated in FIG. 5. The functional geometric design of the pipes in question is "symbolically" indicated here by the conical shapes.

Die Zusammenfügung zweier (oder mehrerer) WK zu vollständigen Wärmetauschern wie in Unteranspruch 5 festgelegt, ergibt sich durch eine Anordnung mehrerer WK mit gemeinsamen Wandungen in der x-y-Ebene.The combination of two (or more) WK to complete heat exchangers as defined in sub-claim 5, results from an arrangement several WK with common walls in the x-y plane.

Weitere Realisierungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich durch folgendes:
Will man Wärmetauscher aus konzentrischen Rohren gestalten, was unter gewissen Bedingungen sehr vorteilhaft ist, so hätte der WK die Form eines Zylinderspaltes 9 wie in Fig. 6A skizziert. Dabei wird das SL z. B. durch zwei umgekehrt gegeneinandergestellte halbierte Kegelmäntel 10 gebildet. Further possible implementations of the invention result from the following:
If you want to design heat exchangers from concentric tubes, which is very advantageous under certain conditions, the WK would have the shape of a cylinder gap 9 as outlined in FIG. 6A. The SL z. B. formed by two reversed conical halves 10 conical.

Als Schnittbilder des WK mit der y-z-Ebene (die hier durch die Zylinderkoordinaten r-ε beschrieben wird) ergeben sich fortschreitend in x-Richtung die Fig. 6B bis 6F. Darin ist die sich längs x verändernde Kontur der Schnittfläche eines der beiden durch das SL voneinander getrennten Volumina durch Schraffierung hervorgehoben. Ein nachfolgendes identisches SL bewirkt eine Volumenverschiebung entspr. Fig. 6F bis 6H usw. Von Fig. 6B nach 6F findet ein translatorischer und von Fig. 6D nach 6H ein radialer Volumenaustausch statt. Aus dem Innen- und Außenradius Ri und Ra des Zylinderspaltes und dem Kegelöffnungswinkel 2 · α errechnet sich von Fig. 6B zu 6F als untere Grenze der mittleren Azimutalgeschwindigkeit v ein Wert von:As sectional images of the WK with the yz-plane (which is described herein by the cylindrical coordinates r-ε) result progressively in the x-direction, the Fig. 6B to 6F. In it, the longitudinally changing contour of the cut surface of one of the two volumes separated by the SL is highlighted by hatching. A subsequent identical SL causes a volume shift in accordance with FIGS . 6F to 6H etc. From FIG. 6B to 6F a translational volume exchange takes place and from FIG. 6D to 6H a radial volume exchange takes place. From the inner and outer radius Ri and Ra of the cylinder gap and the cone opening angle 2 · α, the value of FIG. 6B is calculated as 6F as the lower limit of the mean azimuthal velocity v:

v = ±0.25 · π · u · (Ra+Ri) · tan (α)/(Ra-Ri)v = ± 0.25 · π · u · (Ra + Ri) · tan (α) / (Ra-Ri)

Auch hier kann v unter entspr. Bedingungen erhebliche Beträge erreichen. Die Übergangsstege 11, welche die Kegelhalbmäntel miteinander verbinden und die Teilvolumina A und B innerhalb des SL-Bereiches von einander trennen, sind hier vereinfachend in radialer Ausführung dargestellt. Für die Praxis jedoch sind sie aus technischen Gründen etwas abgewandelt. Die notwendige Kompensation der SL-Strömungswiderstandseffekte durch separate Kompensationselemente oder in integrierter Form ergibt sich hierbei analog wie die Fig. 2A und 2B erläutert.Here too, v can reach considerable amounts under appropriate conditions. The transition webs 11 , which connect the conical half-shells with one another and separate the sub-volumes A and B within the SL range, are shown here in a simplified manner in a radial design. In practice, however, they are somewhat modified for technical reasons. The necessary compensation of the SL flow resistance effects by separate compensation elements or in an integrated form results here in a manner analogous to that explained in FIGS. 2A and 2B.

In einem WK als Zylinderspalt läßt sich das SL fertigungstechnisch auch sehr einfach durch ein schräg angeschnittenes (nicht notwendigerweise kreisförmiges) Rohr bilden, wie Fig. 7A zeigt, wobei sich die r-ε-Schnitte nach Fig. 7B bis 7E analog zu Fig. 6B bis 6F ergeben.In a WK as a cylinder gap, the SL can also be produced very easily in terms of production technology by an obliquely cut (not necessarily circular) tube, as shown in FIG. 7A, the r-ε cuts according to FIGS. 7B to 7E being analogous to FIG. 6B to 6F.

An Hand von Fig. 7B läßt sich auch sehr gut zeigen, wie nach Unteranspruch 6 durch sog. Trennstege (12) bei sonst unveränderter Gestaltung des SL die Azimutalgeschwindigkeit erhöht werden kann. Denn das nicht schraffierte Außenvolumen in Fig. 7B kann nunmehr im Gegensatz zu Fig. 7C die azimutale Flächenschwerpunktverschiebung in Richtung Fig. 7E nur auf einem Umweg vollziehen wie die Strömungspfeile anzeigen. Richtung, Lage und Stärke der an die SL anschließenden vorteilhaften Strömungsrotation in der r-ε-Ebene ist davon abhängig, ob sich der Trennsteg im inneren oder äußeren Volumen befindet bzw., falls in beiden Volumina, ob die Trennstege in Bezug auf die Zylinderachse gegen- oder gleichseitig angebracht sind.With reference to FIG. 7B it can also be shown very well how, according to subclaim 6, so-called separating webs ( 12 ) can be used to increase the azimuthal speed with otherwise unchanged design of the SL. For, in contrast to FIG. 7C, the outer volume not hatched in FIG. 7B can now only carry out the azimuthal center of gravity in the direction of FIG. 7E in a detour, as the flow arrows indicate. The direction, position and strength of the advantageous flow rotation in the r-ε-plane adjoining the SL depends on whether the separator is in the inner or outer volume or, if in both volumes, whether the separator is in relation to the cylinder axis - or are attached on both sides.

Bedeutung der Abkürzungen, Bezugszahlen und BezeichnungenMeaning of the abbreviations, reference numbers and designations

1 Trennelement (Rohr)
2 Düsenmündung
3 Diffusormündung
4 Kompensationselement
5 Verteilungsblende
6 Ansatzstutzen
7 Verteilerrohr
8 Sammlerrohr
9 WK als Zylinderspalt
10 SL durch umgekehrt gegeneinandergestellte Kegelhalbmäntel
11 Übergangsstege für 10
12 Trennsteg innerhalb eines Teilvolumens A oder B
A durch das SL im Bereich 0 < x < h abgetrenntes Teilvolumen des WK
B Komplementvolumen zu A
b y-abhängige Breite des Kompensationselementes
d Ausdehnung des WK in z-Richtung
h Ausdehnung des SL in x-Richtung
L Ausdehnung des WK in y-Richtung
m Diffusor-/Düsenöffnung (Mindestabstand des SL von der Längsseite des WK)
r Zylinderkoordinate der y-z-Ebene
Ra Außenradius des vom WK gebildeten Zylinderspaltes (9)
Ri Innenradius des vom WK gebildeten Zylinderspaltes (9)
s y-abhängige Spaltöffnungsbreite der Verteilungsblenden (5)
SL Strömungsleitelement
u Geschwindigkeitskomponente in Richtung der Hauptströmung
v Geschwindigkeitskomponente in y-Richtung oder azimutale Geschwindigkeitskomponente
WK Wärmeaustauschkanal
x Koordinate in Richtung der Hauptströmung u
y Koordinate in Richtung der Längsseite des WK-Querschnittes
z Koordinate in Richtung der Schmalseite des WK-Querschnittes
α Anstellwinkel des SL bzgl. Hauptstromrichtung
β Anstellwinkel der Kompensationselemente bzgl. Hauptstromrichtung
ε Azimutalwinkel, Zylinderkoordinate der y-z-Ebene 1 separating element (tube)
2 nozzle mouth
3 diffuser mouth
4 compensation element
5 distribution panel
6 connecting pieces
7 manifold
8 collector tube
9 WK as a cylinder gap
10 SL due to cone half-shells placed opposite to each other
11 bridges for 10
12 separator within a sub-volume A or B
A partial volume of the WK separated by the SL in the range 0 <x <h
B complement volume to A
b y-dependent width of the compensation element
d Extension of the WK in the z direction
h Extension of the SL in the x direction
L Extension of the WK in the y direction
m diffuser / nozzle opening (minimum distance of the SL from the long side of the WK)
r Cylinder coordinate of the yz plane
Ra outer radius of the cylinder gap formed by the WK ( 9 )
Ri inner radius of the cylinder gap formed by the WK ( 9 )
s y-dependent gap opening width of the distribution orifices ( 5 )
SL flow control element
u Velocity component in the direction of the main flow
v Speed component in the y direction or azimuthal speed component
WK heat exchange channel
x coordinate in the direction of the main flow u
y Coordinate in the direction of the long side of the WK cross section
z Coordinate in the direction of the narrow side of the WK cross section
α Angle of attack of the SL with respect to the main flow direction
β Angle of attack of the compensation elements with respect to the main flow direction
ε azimuthal angle, cylindrical coordinate of the yz plane

Claims

1. Device for anisotropic thermal mixing of a flowing medium, consisting of a heat exchange channel (WK) with internal flow guiding elements (SL) to increase the non-axial heat transfer coefficient, characterized in that

a) that the branched from the main flow through the SL flow component, which runs parallel to the direction of the desired heat flow, in turn and in cooperation with the narrow shape of the flow cross-section of the WK generates a further velocity component perpendicular to the two aforementioned, the amount of which, for. T. reached or exceeded the order of magnitude of the main flow.
b) that in the case of an uninfluenced main flow temperature isolines are shifted by the two secondary flow components in such a way that the desired heat exchange is maximized taking into account the boundary conditions while minimizing adverse dissipation effects
c) that the increased heat exchange in the wall direction is brought about by laminar and stationary flow, while in the axial direction only molecular heat conduction is relevant.
d) that the SL are provided with additional or integrated compensation elements which counteract an adverse escape of the flow from the area of influence of the SL.
e) that the distance and phase position of the axially successive SL are adapted to the operating conditions.

2. Device for anisotropic thermal mixing of a flowing medium, consisting of a heat exchange channel (WK) with internal flow guiding elements (SL) to increase the non-axial heat transfer coefficient, characterized in that

a) that the surface of the SL runs parallel to the channel axis and a laminar and stationary alternating flow perpendicular to it is generated by the conditions of detention.
b) that due to the symmetry of the arrangement, no flow rotation is formed in the plane of the channel cross section.
c) that the distance, shape and size of the axially successive SL optimize the quotient of the heat transfer coefficient and flow resistance.

3. Invention according to claim 1, characterized in that distribution panels A largely uniform distribution in the entry and exit area of the mass flow the main flow component over the longitudinal direction of the channel cross-section guarantee.

4. The invention according to claim 1, characterized in that the geometric Design and the selected flow direction of longitudinally cut Manifold or collector pipes at the entry or exit area of the mass flow a largely uniform distribution of the main current component ensure the longitudinal direction of the channel cross-section.

5. The invention according to claim 1 or 2, characterized in that they are in connection serves as a regenerator with a thermal storage medium or together forms a heat exchanger (recuperator) with another WK.

6. The invention according to claim 1, characterized in that by so-called. Separators within the river cross sections divided by the SL for certain conditions an even more advantageous flow guidance is achieved becomes.