DE585668C - Waermeaustauscher, dessen den einzelnen Waermetraegern zugeordneten Oberflaechen annaehernd umgekehrt voneinander verschieden sind wie die Waermeuebergangszahlen - Google Patents

Waermeaustauscher, dessen den einzelnen Waermetraegern zugeordneten Oberflaechen annaehernd umgekehrt voneinander verschieden sind wie die Waermeuebergangszahlen

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DE585668C DES88909D DES0088909D DE585668C DE 585668 C DE585668 C DE 585668C DE S88909 D DES88909 D DE S88909D DE S0088909 D DES0088909 D DE S0088909D DE 585668 C DE585668 C DE 585668C
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DES88909D
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Dipl-Ing Karl Maertens
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Siemens Schuckertwerke AG
Siemens AG
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Siemens Schuckertwerke AG
Siemens AG
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D1/00Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators
    • F28D1/02Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid

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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (2)

  1. PATENTANSPRÜCHE: r. Wärmeaustauscher zur Übertragung von Wärme zwischen Wärmeträgern mit verschiedenen Wärmeübergangszahlen, dessen den einzelnen Wärmeträgern zugeordneten Oberflächen in der Größenordnung annähernd umgekehrt voneinander verschieden sind wie die Übergangszahlen, gekennzeichnet durch die Ausbildung als Tauchkörper, der in einem Wärmeträger größerer Übergangszahl eingetaucht, und von diesem umströmt wird und von in Richtung ihrer Achse von dem Wärmeträger kleinerer übergangszahl durchflossenen Ausnehmungen durchsetzt ist, die ihrerseits derart ineinandergeschachtelt sind, daß das, zwischen zwei benachbarten-Ausnehmungen liegende Material Rippen zur Leitung des Wärmestromes bildet.
  2. 2. Wärmeaustauscher nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (3) parallelögrammförmig ausgebildet und derart schräg gegeneinander-*gestellt sind, däß sie ineinandergreifende dreieckförmige Rippen begrenzen. 3.. Wärmeaustauscher nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Tauchkörper aus einzelnen Teilen zusammengesetzt ist, wobei die Trennungsfugen in der Richtung des Wärmestromlaufesliegen. 4. Wärmeaustauscher mit mehreren Eleinenten nach Anspruch3, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammengesetzten Elemente von kammerartigen Deckeln getragen werden, in denen die Zu- und Abführungen zu den Ausnehmungen angeordnet sind. 5. Wärmeaustauscher nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammengesetzten Elemente von einem Mantel (5) umgeben sind, der mit der Außenfläche der Elemente einen Hohlraum bildet. 6. Wärmeaustauscher nach Anspruch 4 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufluß- und Abflußöffnungen zu dem gemeinsamen Hohlraum sich diagonal gegenüberstehen. 7. Wärmeaustauscher nach Anspruch i bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur möglichst strömungswiderstandsfreien Zuführung zu den Aussparungen die Rippen durch etwa nach Stromlinienform verjüngte Ansätze verlängert sind. B. Wärmeaustauscher nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch die Ausbildung aus in der Richtung der Ausnehmungen aneinandergereihten Platten, insbesondere gestanzten Blechen. g. Wärmeaustauscher nach Anspruch 3 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine sichere Abdichtung zwischen den einzelnen Teilen und Blechen dadurch erreicht ist, daß die einzelnen Teile bzw. Bleche mit einem Metall mit einem niedrigen Schmelzpunkt überzogen werden und nach Verspannung vorübergehend bis auf die Schmelztemperatur dieses Metalls erhitzt werden. io. Wärmeaustauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente aus einzelnen zweckmäßig gewalzten Rippen gebildet werden. i i. Wärmeaustauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente aus einzelnen rohrartigen Körpern gebildet werden. 12. Wärmeaustauscher nach den Ansprüchen 1, 2 und 7, gekennzeichnet durch die Ausbildung als einheitlicher Gußkörper. 13. Wärmeaustauscher nach Anspruch 3 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Hohlkörper aus Teilen verschieden guter Wärmeleitfähigkeit bestehen, wobei in der Stromrichtung des wärmeabgebenden, durchstreichenden Körpers Teile geringerer Leitfähigkeit auf Teile größerer Leitfähigkeit folgen.
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