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Wärmeaustauscher, dessen den einzelnen Wärmeträgern zugeordneten Oberflächen
annähernd umgekehrt voneinander verschieden sind wie die Wärmeübergangszahlen In
der Technik ist in sehr vielen Fällen die Aufgabe gestellt,- einen Wärmeübergang
von einem flüssigen oder gasförmigen Körper auf einen anderen unter möglichst günstigen
Bedingungen zu erreichen. Zur Trennung der beiden Körper ist hierbei gewöhnlich
ein dritter, fester Körper, ein sog. Wärmeaustäuscher, verwendet, der also die Wärme
von dem einen Körper aufzunehmen und an den anderen. Körper abzugeben hat. Es ist
nun bekannt, daß für einen möglichst günstigen 'Wärmeübergang die Oberflächen, an
denen der feste Körper die angrenzenden Körper berührt; in einem Verhältnis zu dem
spezifischen Wärmeübergangsvermögen zwischen den sich berührenden Körpern stehen
soll, - für das die sog. Wärmeübergangszähl ein Maß gibt. Um also die günstigen
Verhältnisse zu geben, muß der dazwischengeschaltete feste Körper den beiden berührenden
'Körpern verschieden große Oberflächen zukehren, und die Größen dieser Oberflächen
sollen sich umgekehrt wie die Übergangszahlen der berührenden Körper verhalten.
Bis zu einem gewissen Grade genügt dieser Bedingung beispielsweise auch schon die
bekannte Ausbildung als Rohr, an dem nach außen in radialer Richtung Kühlrippen
angesetzt sind.
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Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher zur Übertragung von
Wärme zwischen Wärmeträgern mit verschiedenen Wärmeübergangszaflen, bei dem die
den einzelnen Wärmeträgern zugeordneten Oberflächen größenordnungsmäßig annähernd
umgekehrt voneinander verschieden sind wie die Wärmeübertragungszahlen und der nach
der Erfindung als Tauchkörper ausgebildet ist, der in dem einen Wärmeträger größerer
Übergangszahl eingetaucht und von diesem umströmt wird und der weiter von Ausnehmungen
-durchsetzt ist; die in. Richtung ihrer Achse von dem Wärmeträger kleinerer Übergangszahl
durchflossen werden, wobei die Ausnehmungen derart ineinandergeschachtelt- sind,
daß das zwischen je zwei benachbarten Ausnehmungen liegende Material Rippen für
die Leitung des Wärmestromes bildet. Die Ausnehmungen können hierbei parallelogrammförmig
ausgebildet und einander derart schräg gegenübergestellt werden, daß sie ineinandergreifende
Dreiecksrippen begrenzen. Die Bewegung der Wärmeträger kann hierbei derart aufgedrückt
werden, daß ein Gegenstrom vorliegt, der eine besonders günstige Wärmeübertragung
sichert. Die Hohlräume des Tauchkörpers müssen hierbei abgedichtet sein. Die Dreiecksrippen
werden mit Vorteil - nach den bekannten Bedingungen bemessen, die in großer Annäherung
dem besten Wert in bezug auf Wärmeübergangszahl und Wärmeleitvermögen
des
Körpers entsprechen, wie sie von K. S c h m i d t in der Zeitschrift des Vereins
Deutscher Ingenieure, 1926, S. 885 und S. 947 entwickelt sind. Der günstigste Wärmeaustausch
ist aber auch durch die ideale (parabolische) Rippenform allein noch nicht gegeben,
sondern kann nach der weiteren Erfindung noch erheblich verbessert werden, wenn
die Höhe der Rippen (die Höhe der von den Rippen gebildeten Dreiecke) möglichst
klein gewählt wird. Auf diese Weise ist nämlich die Länge des in den Wärmeaustausch
eingeschalteten Leitungswiderstandes und damit der Leitungswiderstand selbst erheblich
verringert.
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Ein derartiger Hohlkörper, der etwa als Gußstück ausgebildet -ist,
ist in Abb. i der Zeichnung dargestellt. Mit i ist die Wandung des Körpers, mit
2 sind die Rippen, mit 3 die zwischen den Rippen gebildeten Aussparungen bezeichnet.
Es ist hierbei leicht zu ersehen, daß die Innenoberfläche, die also von den Dreiecksrippen
gebildet ist, erheblich größer ist als die ebene Außenoberfläche der Wand i. Außerdem
sind durch die in ihrer Richtung untereinander abwechselnden Rippen annähernd rechteckförmige
Aussparungen gebildet, die also längs ihrer gesamten Breite gleiche Strömungswiderstände
aufweisen und dadurch einen gleichmäßig verteilten Wärmeübergang auf der ganzen
Oberfläche ermöglichen. Die Dreiecksrippen entsprechen beispielsweise unter Annahme
bestimmter Dimensionen und Strömungsgeschwindigkeiten in der dargestellten Form
den Bedingungen für günstigsten Wärmeübergang, wenn als Hohlkörpermaterial Kupfer
angewendet ist und die Wärme von Wasser, das an der kleineren Außenoberfläche anliegt,
auf Luft übertragen wird, die die größere Innenoberfläche der Rippen bestreicht.
Mit besonderem Vorteil wird hierbei der Wasserlauf und der Luftlauf nach dem bekannten
Gegenstromprinzip angeordnet. Eine sehr einfache Ausführungsform ergibt sich hierbei,
wenn, wie in Abb. a und 3: dargestellt ist, mehrere aus diesen Platten gebildete
Hohlkörper abgedichtet in ein gemeinsames Gefäß 5 eingesetzt werden, so daß sich
zwischen den Seitenwänden i Räume 4 bilden, durch die der Körper größerer Wärmeübergangszahl
hindurchfließt. Hierbei sind an das Gefäß oben und unten Rohrflansche 6 und 7 angesetzt,
so daß der durchstreichende Körper in diagonaler Richtung die Außenflächen des Hohlkörpers
bestreicht. Wenn hier beispielsweise unter der Annahme der Kühlung von Wasser durch
Luft die Luft durch eine entsprechende Führung zu den von den Rippen gebildeten
Hohlräumen geführt wird, so daß sie diese von unten nach oben durchstreicht, so
wird sich infolge des Wärmeaustauschs von selbst ein dem Gegenstromprinzip entsprechender
Wasserumlauf entwickeln; das warme Wasser tritt oben ein, das gekühlte Wasser unten
aus. Zum Zwecke leichterer Herstellbarkeit kann der Wärmeaustauscher auch aus mehreren
Teilen gebildet werden, sofern nur die Unterteilungslinien parallel zu der Richtung
des Wärmestromes verlaufen, wie dies bei zusammengesetzten Wärmeaustauschern bekannt
ist und auch bei der Erfindung verwirklicht werden soll. Der Hohlkörper kann auch,
wie er in Abb. i dargestellt ist, aus zwei gegenüberliegenden Teilen bestehen, an
denen kammartig die einzelnen dreieckförmigen Kühlrippen um eine halbe Teilung gegeneinander
versetzt angeordnet sind, so daß sich bei der Zusammensetzung der beiden Teile die
dargestellte Form ergibt.
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Eine andere Ausführungsmöglichkeit ergibt sich, wenn der Austauschkörper
aus einzelnen Rippen, wie aus Abb. q. ersichtlich, zusammengesetzt ist, die beispielsweise
durch Walzen hergestellt sind. Eine einfache Form ergibt auch ein nach beiden Seiten
verjüngt'gewalzter Körper, der um seine Mittellinie (d. h. um die Stelle größter
Wandstärke) zusammengefaltet wird und so zwei parallele Dreiecksrippen ergibt. Eine
Ausführungsform hierfür ist in Abb. 6 dargestellt. Die dünnen Enden an den Spitzen
der Dreiecke werden in beliebiger Weise befestigt, so daß sich ein fester mechanischer
Aufbau und gleichzeitig der gewünschte Abstand zwischen den einzelnen Rippen ergibt.
Die Unterteilungslinien können unter der Voraussetzung, daß sie parallel zu der
Wärmestromrichtung verlaufen, auch durch die einzelnen Rippen geführt werden. Auf
diese Weise zerlegt sich der in Abb. i gezeichnete Körper in zueinander parallele
rohrartige Körper, die außen rechteckförmige Begrenzungslinien haben, deren Hohlraum
ein zu der Rechteckform geneigtes Parallelogramm beschreibt. Es kann hierbei auch
dem inneren Hohlraum eine Rechteckform gegeben werden, wobei dann der Außenquerschnitt
zu einem Parallelogramm wird. Auch kann die Form der Rippen nach einem recktwinkligen
Dreieck an Stelle der gezeichneten Form eines gleichschenkligen Dreiecks ausgebildet
werden, was in manchen Fällen eine Vereinfachung des Aufbaues gibt. Die zuletzt
genannte Ausführungsform, bei der der Wärmeaustauscher aus einzelnen rohrartigen
Körpern zusammengesetzt wird, hat den Vorteil, daß sich besondere Maßnahmen zur
Abdichtung erübrigen, da diese bereits durch die geschlossenen Rohrkörper gegeben
ist. Dadurch, daß hierbei die Fugen zwischen den einzelnen zusammenzusetzenden Teilen
in die Richtung des Wärmestromverlaufes fallen,
ist hierbei jede
Widerstandserhöhung, etwa durch dazwischengeschaltete isolierende Luftpolster bzw.
Oxydationsschichten, vermieden.
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Eine in der konstruktiven Herstellung besonders günstige Ausführungsform
ergibt sich, wenn gemäß der weiteren Erfindung die Hohlkörper aus einzelnen Blechen
aneinandergereihtwerden, in denen die Aussparungen, die längs der Kühlrippen verlaufen,
ausgestanzt sind. Ein derartiger Blechschnitt, der einer Anordnung nach Abb. r entspricht,
ist in Abb. 5 dargestellt. Hierbei sind zwischen einer gewissen Anzahl von Ausnehmungen
größere Abstände angeordnet, in denen Aussparungen für Spannbolzen ausgestanzt sind.
Längs dieser Spannbolzen werden die einzelnen Bleche aneinandergereiht und dann,
ähnlich wie es bei elektrischen Maschinen bekannt ist, zu einem festen Paket verspannt.
Die Abdichtung der durch die einzelnen Bleche gebildeten Körper kann, wenn eine
Abdichtung durch genügendes Zusammenpressen allein nicht ausreicht, bei Wärmeaustausch
in verhältnismäßig niederem Temperaturintervall dadurch erreicht werden, daß die
einzelnen Bleche mit einem Überzug aus einem Metall mit einem niederen Schmelzpunkt
versehen werden, 'der dann durch Erwärmung der verspannten Pakete auf die Schmelztemperatur
dieses Metalls zum Fluß gebracht wird und so eine vorzügliche Abdichtung gibt. Bei
Verwendung entsprechender Metalle kann hierdurch gleichzeitig ein Oxydationsschutz
erzielt werden. In vielen Fällen wird es aber auch genügen, wenn das fertig verspannte
Blechpaket erst nachträglich mit dem Oxydationsschutz, etwa Zinn oder Zink, versehen
wird. An die einzelnen Blechpakete werden deckelartige Leitkörper angesetzt, durch.
die einerseits der hermetische Abschluß der zwischen den geraden (äußeren) Oberflächen
gebildeten Hohlkörper erreicht wird,. anderseits eine möglichst widerstandslose
Luftzuführung zu den inneren Hohlkörpern (großer Oberfläche) erfolgt. Zu diesem
Zwecke werden die Rippenenden in diesen Teilen durch etwa nach Stromlinienform verr,
jungte Ansätze fortgesetzt, bis sich die Aussparungen in dem gemeinsamen Zu- oder
Abfuhrquerschnitt vereinigen. Mit besonderem Vorteil werden diese deckelartigen
Körper als Tragkörper ausgebildet, an denen die einzelnen Hohlkörper aufgehängt
oder abgestützt werden. Diese ragen derart in das durch den Deckel gleichzeitig
abgeschlossene Kühlgefäß hinein, was einen einfachen mechanischen Aufbau ergibt.
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Die einzelnen Austauschkörper können aus jedem beliebigen Material
bestehen, wobei in bekannter Weise mit Rücksicht auf beste Wärmeleitfähigkeit einerseits
und billigstem Materialpreis andererseits die Auswahl getroffen wird. Durch die
Wahl des Materials sowie auch der dem Wärmeaustausch unterliegenden Körper und deren
Strömungsgeschwindigkeit bestimmt sich das günstigste Verhältnis zwischen Höhe und
Grundlinie der Dreiecksform der Rippen. Als bestes technisch brauchbares Material
kommt für die Austauschkörper Kupfer in Betracht. Mit besonderem Vorteil kann jedoch
bei der Anwendung des Gegenstromprinzips der Teil des Austauschkörpers, an dessen
Oberfläche die größte Temperaturdifferenz besteht, aus Kupfer, der andere Teil,
an dein die Temperaturdifferenz bedeutend geringer ist, aus einem schlechter leitenden
billigeren Material, wie etwa Eisen, gebildet werden. Da nämlich der Wärmeaustausch
in exponentieller Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz steht, wird der weitaus
größte Teil des Wärmeaustauschers etwa in der ersten Hälfte der zu bestreichenden
Flächen stattfinden, während in der zweiten Hälfte nur ein wesentlich geringerer
Teil des Wärmeaustauschers eintritt. Aus diesem Grunde wird dadurch, daß man diesen
zweiten Teil aus dem schlechter leitenden Körper bildet, der Gesamtwirkungsgrad
des Austauschers nur unwesentlich beeinflußt, während andererseits eine wesentliche
Verbilligung erreicht werden kann. Die einzelnen Hohlräume können hierbei je nach
dem vorliegenden Bedarf zueinander parallel oder in Reihe geschaltet werden. Auch
können sie mit Schalt- bzw. Absperreinrichtungen versehen werden, durch die eine
Regelung ermöglicht wird.
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In der Anordnung, die der in Abb. z dargestellten entspricht,. sind
die Wärmeübertragungskörper für die Kühlung von Öl oder Wasser durch einen Luft-
oder Gasstrom, oder umgekehrt, wie dies in vielen Fällen bei der Kühlung elektrischer
Maschinen und Apparate notwendig ist, besonders- geeignet. Das Anwendungsgebiet
des Erfindungsgedankens erstreckt sich aber ganz allgemein auf Wärmeübertragungskörper
in jeder beliebigen Verwendung, wie beispielsweise bei Warmwasserkessel, Dampfkessel,
Kühlmaschinen u. dgl.