DE627518C - Waermeaustauschvorrichtung fuer Fluessigkeiten, bei der eine Reihe von gewellten Waermeaustauschelementen nebeneinander angeordnet sind - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

i w ii« Ali, IbOU '

AUSGEGEBEN AM 17. MÄRZ 1936

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

M627518 KLASSE 17f GRUPPE δ so

Dr. Richard Seligman in London

Die Erfindung betrifft eine Wärmeaustauschvorrichtung " für Flüssigkeiten, bei der eine Reihe von gewellten Wärmeaustauschelementen nebeneinander durch Rahmenstücke in solcher Entfernung voneinander angeordnet sind, daß eine Anzahl von Flüssigkeitskanälen ausgebildet werden, durch die die Flüssigkeiten quer zu den Wellungen fließen und von denen jeder eine Anzahl von Wärme-

to austauschkammern aufweist, die durch verengte Durchlässe verbunden sind. Die Erfindung besteht darin, daß. die von den Wellungen gebildeten Kammern die Form von ¹In der Fließrichtung breiten und quer zur Fließrichtung flachen Rinnen mit geneigten Seitenwandungen haben und die die Kammern verbindenden verengten Durchlässe von düsenartiger Form sind und mit ihren Achsen zu der Längsrichtung der Wärmeaustauschkammern einen stampfen Winkel bilden.

Bei den bekannten Wärmeaustauschvorrichtungen mit Wärmeaustauschkammern, die durch verengte Durchlässe miteinander verbunden sind, ist ein erheblicher Kraftaufwand für den Durchfluß, der Wärmeaustauschmittel aufzuwenden. Die aus den engen Durchlässen in die Kammer übertretende Flüssigkeit stößt sich an den Wänden der Kammer und bildet Wirbel, die den Kraftbedarf erhöhen. Wenn es auch weiterhin bekannt ist, den Durchlässen düsenartige Form zu geben, durch welche die Strömungsverluste vermindert werden, so sind doch durch plötzliche Änderungen der Fließrichtung und -geschwindigkeit zwischen den Durchlässen Strömungsverluste entstanden.

Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, daß die Flüssigkeiten mit einem sehr kleinen Druckgefälle und dadurch bedingten " geringen Kraftbedarf bei hohem Wirkungsgrad des Wärmeaustausches die Vorrichtung durchfließen können, wenn den Kammern eine besondere, langgestreckte Form gegeben und den. verengten Durchlässen eine yenturidüsenähnliche Ausbildung erteilt wird, die dem Flüssigkeitsstrom eine vorbestimmte Fließrichtung in die Kammer erteilen. Durch , die erfindungsgemäße Ausbildung der Fließwege der "Flüssigkeiten wird eine Wirbelbildung größtenteils verhindert, und die Flüssigkeiten werden in einer solchen Richtung gegen die Wärmeaustauschfläche 'einer jeden Kammer geleitet, daß ohne wesentliche Wirbelbildung ein hoher Wärmeaustauschwert erzielt wird.

Weiterhin ist die Formgebung der die Wärmeaustauschvorrichtung bildenden Einzelelemente einfach und ihre Herstellung billig; die Vorrichtung ist außerdem leicht zu reinigen, da keinerlei scharfe Winkel und tiefe Wellungen in den Wärmeaustauschelementen vorhanden sind.

Weitere wichtige Einzelheiten der Erfindung sind in der Beschreibung erwähnt.

In den Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise erklärt.

Fig ι zeigt ein Rahmenstück für eine Wärmeaustauschvorrichtung gemäß der Erfindung.

Fig. 2 ist ein Querschnitt nach der Linie A-A der Fig. i.

Fig. 3 zeigt eine gewellte Austauschplatbe, die auf das Rahmenstück der Fig. ι aufgesetzt ίο wird.

Fig. 4 ist eine Seitenansicht., zu Fig. 3. . Fig 5 a und 5 b zeigen die zusammengebauten Platten und Rahmenstücke.

Fig. 6 zeigt eine Kammer in vergrößertem Schnitt und die dazugehörigen Ein- und Auslaßquerschnitte.

Fig. 7 ist ein Querschnitt durch die in Fig. 3 dargestellten Platten in der Linie B-B und den des Rahmens in Fig. 1. Fig. 8 und 9 zeigen in mehrere Abteilungen unterteilte Ausführungsformen.

Fig. ι ο zeigt eine abgeänderte ■ Ausbildung des Rahmenstückes zwischen, den Platten.

Fig. 11 zeigt die Verwendung von gewellten Gußplatten.

Fig. 12 zeigt einen Querschnitt einer abgeänderten Form der Wärmeaustauschplatten.

Gleiche Teile sind in den verschiedenen Figuren mit demselben Bezugszeichen bezeichnet.

Das Rahmenstück (Fig. 1 iind 2) besteht aus einem starren Rahmenelement 1, das auf beiden Seiten eine durchlaufende Nut aufweist, in die zusammenpreßbares Packmaterial, z. B. Gummiringe 2, eingelegt sind. Besondere Ein- und Auslaßöffnungen 3 und 4 sind in jedem Rahmenstück für die 'eine Flüssigkeit vorgesehen, während für die zweite· Flüssigkeit besondere- Überbrückungsdürchlässe 5 und 6 angebracht sind. Quer durch die Ein- und Auslaßöffnungen sind Stützgitter 7 vorgesehen, um ,zu verhindern, daß der Flüssig-■ fceitsdruck die dünnen Platten 8 (Fig. 3 und 4) verbiegt und ein Auslaufen der Flüssigkeit verursacht. Mittels der Ansätze'9 können eine Anzahl von Rahmenstüeken und Platten, z\ B. mit Bolzen, zu einer Einheit" zusammengeschraubt werden. ■■: ·

Die Platte 8 in Fig. 3 besteht aus dünnem Metall, z. B. aus Kupfer, verzinntem Kupfer, rostfreiem Stahl, je nach der Natur und den Eigenschaften der durchlaufenden Flüssigkeiten. Sie hat denselben Umriß wie das Rahmenstück 1 und enthält vier Öffnungen 1 o, 11, 12, 13. Die Öffnungen 10 und 11 liegen auf den Ein- und Auslassen 3 und 4 des Rahmenstückes 1 und die Öffnungen 12 und 13 auf den Überbriickungsdurchlässen S und 6. Die Platten sind mit rinnenförmlgen Ausprägungen 14 oder Wellen, wie sie weiterhin bezeichnet werden sollen, ausgebildet, die bei^j spielsweise durch Pressen, Guß oder Bearbeitung hergestellt werden können, so daß die Platten einen Querschnitt haben, wie in Fig. 4 angegeben. Die Form einer Rippe ist vergrößert in Fig. 6 gezeigt.

Die Rahmenstücke und Platten sind abwechselnd aneinandergesetzt und ergeben im Schnitt ein Bild wie Fig. 5a, 5b. Ihre Anzahl richtet sich nach, der Menge der durchströmenden Flüssigkeiten. Wie die Abbildungen zeigen, wird durch das Aneinanderreihen eine Anzahl von Kammern 1S gebildet, die durch verengte Durchlässe iß, welche eine Art Düse bilden, verbunden sind. Die eine . Flüssigkeit, beispielsweise heißes Wasser, geht durch die Durchlässe des einen Kammernsatzes, wie es in Fig. 5 a,. 5 b durch Pfeile //, W angedeutet ist, während die andere Flüssigkeit, beispielsweise Milch (durch Pfeile M bezeichnet), in entgegengesetzter Richtung die Durchlässe des benachbarten Kammersatzes durchfließt. Es findet ein Wärmeaustausch durch die Platten 8 zwischen den beiden Flüssigkeiten statt, die durch die Gummidichtungen 2 vollkommen voneinander abgeschlossen sind. Sollte doch an den Öffnungen ein wenig Flüssigkeit austreten, so kann diese .durch den kleinen Kanal 2" abfließen, der sich zwischen den Überbrückungsdurchlässen und den Dichtungsmitteln des Rahmenstückes befindet.

Um auch die den Außenwänden der Vorrichtung benachbarten Platten' so ausbilden zu können, wie es die Erfindung vorschreibt, müssen diese Außenwände, zwischen denen die Platten und Rahmenstücke normal angeordnet sind, besondere Form haben. Die eine Außenwand wird mit den gleichen Rinnen versehen, wie sie die Platten aufweisen, und die andere mit Erhöhungen, die den konvexen· Teilen der Rinnen entsprechen, so daß zwischen den äußersten Platten und den Außenwänden ebenfalls die oben beschriebenen Kammern mit den sie verbindenden verengten Durchlässen entstehen. Es ist möglich, daß unter gewissen B edingungen nur eine einzige Platte 8 gebraucht wird. In diesem Fall arbeiten die Außenwände mit der Platte zusammen und sind an den erforderlichen Stellen mit Rinnen und Erhöhungen an ihren der Platte 8 zugewendeten Oberflächen versehen, wie es oben beschrieben ist. Wenn man indessen nur eine der Flüssigkeiten durch den Kammernsatz und die verengten Durchlässe schikken will, kann die Außenwand oder Platte auf der gegenüberliegenden Seite der Wärmeaustauschplatte flach sein.

In den Fig. 5 a, 5 b und 6 sieht man, daß der Längsschnitt oder das Profil der Durchlässe 16 'dem einer Venturidüse gleicht, indem der Durchlaß sich allmählich bis auf eine engste Stelle verengt und dann wieder

erweitert. Die Beziehung zwischen den verschiedenen Abmessungen einer Venturiröhre, d. h. das Verhältnis von Verengung und Erweiterung zur Größe des geringsten Durchmessers, ist bekannt. Es ist eine besondere Eigentümlichkeit der Venturidüse, daß der Druckverlust einer sie durchfließenden Flüssigkeit ein Minimum beträgt, und das ist eine wichtige Tatsache, die außerordentlich viel

ίο dazu beiträgt, den Druckverlust der Flüssigkeiten in der Vorrichtung klein halten zu können.

Es ist nicht notwendig, die Profile der Durchlässe 16 genau so wie die einer Venturidüse auszubilden. Es genügt vollkommen, daß die Formen der Durchlässe den Formen der Venturidüse angenähert werden, wie Ergebnisse von Versuchen zeigen, bei denen solche ähnliche Formen der Durchlässe angewandt wurden, d. li. solche mit allmählicher Verengung, einem Teil mit geringster Weite und mit darauffolgender Erweiterung.

Es ist eine weitere Eigentümlichkeit von solchen sich verengenden und dann wieder erweiternden öffnungen, daß sie der sie durchfließenden Flüssigkeit eine bestimmte Fließrichtung erteilen.

Der Dampf oder der Flüssigkeitsstrahl, der aus dem Durchlaß 16 (Fig. 6) kommt, ist in einem stumpfen Winkel gegen die Wand 14^s der Kammer gerichtet. Die Wand 14° steht in Berührung mit der zweiten Flüssigkeit von der benachbarten Kammer. Das Ergebnis ist ein hoher" Grad von Wärmeaustausch durch die Kammerwand 14^s mit der zweiten Flüssigkeit an deren anderen Seite, ' hervorgerufen durch den Flüssigkeitsstrahl, der mit beträchtlicher Geschwindigkeit aus dem Durchlaß 16 herauskommt und auf die Wand 14« auftrifft. Versuche, die die Strömungslinien der Flüssigkeit in den Durchlässen 16 und in den Kammern 15 veranschaulichen, zeigen, daß mit einer Vorrichtung nach der Erfindung ein hoher Grad von Wärmeaustausch erzielt wird, wenn der Flüssigkeitsstrahl in stumpfem Winkel gegen die Wand 14° gerichtet wird, von wo aus dann der Hauptteil der Flüssigkeit zur Wand 17 geführt, während ein Teil auf die Wand 14 umgelenkt wird. Dadurch wird erreicht, daß in jeder Kammer für jede Flüssigkeit zum mindesten an einem Punkt ein Flüssigkeitsstrahl auf eine Wärmeai'stauschwand auftrifft, daß aber diese Berührung meistens an zwei oder mehr Punkten eintritt, während tote Punkte nur in ganz geringem Maße auftreten, wodurch in Verbindung mit einem sehr kleinen Druckabfall der Flüssigkeiten ein hoher Wirkungsgrad im Wärmeaustausch erreicht wird. Die Abmessungen und die Gestalt der Durchlässe 16 sind bedingt durch die Ausbildung· der Wände 17, der Kammer 15 und die Bestimmung des Winkels, unter dem der Flüssigkeitsstrahl die Wand der Kammer 15 trifft. Damit die Vorrichtung wirksam arbeitet, einfach in der Herstellung und leicht zu reinigen ist, soll der Winkel zwischen der Wand 17 des Durchlasses und der Plattenebene nicht größer als 8o° und nicht kleiner als 6o° sein. Die Seitenwände sind vorzugshalber in ihrem weitaus größten Teil flach gehalten, so wie es in Fig. 6 gezeigt ist, und gehen in die Bodenwand der Rinne und in die Platte selbst in sanften Kurven über, welche die venturiartigen Durchlasse bilden. Die Form der Kammer 15 und der Durchlässe 16 sind ferner bestimmt durch das Verhältnis der Größen bla und c;a (Fig. 6). Günstige Größen für das Verhältnis b/a liegen für Flüssigkeiten, deren Zähigkeit ähnlich der des Wassers ist, zwischen 4 und 5,5, bei denen neben leichten Reinigungs- und Herstellungsmöglichkeiten ein hoher Wärmeaustauscheffekt und ein kleines Druckgefälle erreicht wird. Günstige Resultate werden erzielt, wenn das Verhältnis cja. zwischen ¹J₁ und V₂ gewählt wird. Die Formgebung der Durchlässe 16 hängt natürlich von den Eigenschaften der durchlaufenden Flüssigkeiten ab, z. B. bei Hopfen enthaltender Bierwürze oder bei Milch, die durch die Hitze Gasein absetzt, müssen die Durchlässe zur Vermeidung von Verstopfungen weiter sein als bei Wasser, während bei sehr zähen Flüssigkeiten, Cremen o. dgl., die Durchlässe verhältnismäßig weit sein müssen.

Unter gewissen Bedingungen kann es wünschenswert erscheinen, die Hauptachsen der Öffnungen 3 und 4 zur Richtung der Rippen geneigt anzuordnen, anstatt parallel ., dazu, wie in Fig. 1 dargestellt. Dies bewirkt eine gleichförmigere Verteilung der Flüssigkeiten über die Platten, da die Weite der Öffnung nur halb so groß ist wie die Länge der Rippen (Fig. 1 und 8). Die Öffnungen 5 und 6 des Rahmenstückes und 10, 11, 12 und 13 der Platte (Fig. 2) werden dann ebenfalls entsprechend geneigt angeordnet. Es kann auch ein keilförmiger Sperrkörper zwischen die Öffnungen und den ersten Rippen eingesetzt werden. Dieser kann die Form einer Einprägung in der Platte haben oder die einer Stange, die entweder auf der PJatte oder am Rahmenstück aufsitzt.

Fig. 7-zeigt einen Schnitt quer zur Fließrichtung von zwei Platten, die mit einem Rahmenstück vereinigt sind, und verdeutlicht die Form der Wellen 14. Es ist wünschenswert, daß die Enden 1S der Wellen, die der Fließrichtung parallel laufen, im wesentlichen im gleichen Winkel zur Plattenebene stehen win die Rippenseitenflächen 17, die cjiier 2ur

Fließrichtung stehen, damit das Durchtreten der Flüssigkeit hinter den Rippen und durch den Zwischenraum 19 zwischen dem Rippenende und dem Rahmenstück möglichst verringert und das Reinigen der Rippen nicht unnötig erschwert wird. Die innere Kante des Rahmenstückes kann auch abgeschrägt sein, um dann eine Form wie der Teil ro der Fig. 7 anzunehmen und dadurch ein Durchtreten der Flüssigkeit zu verhindern, da ja der sonst offene Raum nun ausgefüllt wird. Fig. 8 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform von Rahmenstück und Platte, bei der die Flüssigkeit einen U-förmigen Weg über die Platten nimmt. Die Rippen sind in zwei Abteilungen nebeneinander angeordnet, und die Flüssigkeit durchfließt die beiden Abteilungen nacheinander, welche durch einen Arm 20 des Rahmenstückes getrennt sind, der nur einen Spalt 21 frei läßt, damit die Flüssigkeit von einer Abteilung in die andere übertreten kann. Der Arm 20 ist, wie das Rahmenstück selbst, mit einer Gummipackung versehen. Er kann auch durch eine Ausprägung oder eine erhabene rinnenförmige Nut in der Platte ersetzt werden. Die Oberseite dieser Nut kann dann wiederum eine Vertiefung aufweisen, in die eine Packung eingelegt wird. Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform von Rabmenstück und Platte. In diesem Fall sind die Rippen in drei Abteilungen angeordnet, und zwei vom Rahmenstück ausgehende Arme zwingen die Flüssigkeit, diese drei Abteilungen zwischen dem Ein- und Auslaß zu durchfließen. Auch hier können die Arme ersetzt werden durch Nuten in den Platten, wie in bezug auf Fig. 8 beschrieben wurde. Die Öffnungen 3°, 4^fl, s^a und 6^a sind vorzugsweise ebenso lang wie die Rippen selbst, um eine gleichförmige Verteilung der Flüssigkeit über die Platten sicherzustellen und um den Druckverlust so weit als möglich beim Ein- und Austritt in die Platte zu verringern. Es ist klar, daß jede beliebige Anzahl solcher Abteilungen vorgesehen sein kann.

Fig. 10 zeigt noch eine andere Ausführungsform, bei der die Rahmenteile 23 mit den Platten 8 zusammengeschweißt sind. Dadurch kann die Zahl der Gummipackungen auf die Hälfte verringert werden, was.unter gewissen Umständen von Vorteil sein kann. Auch kann das obere Rahmenstück 23 der Fig. 10 umgedreht werden und an der unteren Platte befestigt werden, so daß die Rahmenstücke 23 auf beiden Seiten einer Platte angesetzt sind. Ebenso kann das rinnenförmige Rahmenstück 23 durch zwei parallele Flansche, die auf der Platte befestigt sind, ersetzt werden, welche eine Rinne zur Aufnahme des Packmaterials bilden, oder das Packmaterial kann auf den Kanten der Platten fest angebracht oder angeklebt werden, wobei ein oder beide Flansche fortgelassen werden können. Diese Bauart ermöglicht, daß der Abstand der Platte weiterhin verkleinert wird. Fig. 11 zeigt die Anwendung von Gußplatten auf die vorliegende Erfindung, bei der sich die Anwendung von Rahmenstücken erübrigt. Die Platten 24 sind gegossen und 7· haben vorspringende Rippen 25 quer zur Fließrichtung der Flüssigkeit, so daß, wenn die Platten aneinandergelegt werden. Kammern 18 entstehen, die durch annähernd venturiförmige Durchlässe 16 verbunden sind. 7! Die Anordnung dieser Rippen kann auf beiden Seiten der Platte eine verschiedene sein; z. B. können zusammenwirkende Rippen zweier benachbarter Platten so angebracht sein, daß die Kammern auf der einen Seite 8c der Platte andere Abmessungen haben als die, auf der anderen Seite, oder die Fließrichtungen auf beiden Seiten einer Platte brauchen nicht parallel zu verlaufen, z. B. können die Flüssigkeiten in einem rechten Winkel zueinander die Vorrichtung durchströmen, was durch sinngemäße Anordnung der Rippen lerzielt wird. Die Platten haben Einlaß-, Auslaß- und Überbrückungsöfftiungen, wie die oben beschriebenen Vorrichtungen.

Claims (5)

1. Patentan-speüche :

   . i. Wärmeaustauschvorrichtung für Flüssigkeiten, bei der eine Reihe von gewellten Wärmeaustauschelementen nebeneinander durch Rahmenstücke in solcher Entfernung voneinander angeordnet sind, daß eine Anzahl von Flüssigkeitskanälen ausgebildet werden, durch die die Flüssigkeiten quer zu den Wellungen fließen und von denen jeder eine Anzahl von Wärmeaustauschkammern aufweist, die durch verengte Durchlässe verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Wellungen gebildeten Kammern die Form von längs der Fließrichtung breiten und quer zur Fließrichtung flachen Rinnen mit geneigten Seitenwandungen haben, und die die Kammern verbindenden verengten Durchlässe von düsenartiger Form sind und mit ihren Achsen zu der Längsrichtung der Wärmeaustauschkammern einen stumpfen Winkel bilden.
2. 2. Wärmeaustauschvorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Länge (£») der Wärmeaustauschkammern zu ihrer Höhe (a) zwischen 4 und 5,5 liegt.
3. 3. Wärmeaustauschvorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die quer zur Fließrichtung liegenden Seiten der Rinnen nicht mehr als 8.0⁰

   und nicht weniger als 6o° zur Ebene des Elementes geneigt sind.
4. 4. Wärmeaustauschvorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Düsenweite (c) zur Kammerhöhe (a) zwischen ¹Z₄ und ¹Z₂ liegt.
5. 5. Wärmeaustauschvorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Kante (19) des Rahmenstückes entsprechend den geneigten Seiten der Rinnen abgeschrägt ist, damit die Lücke an den Enden der Rinnen ausgefüllt wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen