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Wärmeaustauscher,mit einer Anzahl *von in Spiralform gewickelter Bleche
Bei den bekannten Wärmeaustauschern mit in Spiralform gewundenen Blechen fließen
die zu kühlenden oder zu erwärmenden Austauschmittel meistens im Gegenstrom, und
die Durchflußräume des einen Austauschmittels sind innen und außen von DuTchflußräumen
des anderen Austauschmittels umgeben, so daß also alle Wandungen an der Wärmeübertragung
beteiligt sind. Da sich hierbei die verschiedenen Temperaturen durch die Wände hindurch
ausgleichen, ist es unmöglich, ein zu kühlendes oder zu erwärmendes Mittel in stetiger
Wärmeab- oder -zunahme über einen größeren Temperaturbereich zu führen. Derartige
Wärmeaustauscher haben deshalb einen schlechten Wirkungsgrad.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Wärmeaustauscher von an sich gleicher
Bauart, bei dem zwischen benachbarten Sdhichtengruppen eine Schicht geringer Wärmeübertragungsfähigkeit
vorgesehen ist. Unter dem Ausdruck Schichtengruppe sind zwei benachbarte Durchflußräume
zu verstehen, die ein abzukühlendes bzw. ein zu erwärmendes Wärmeaustguschmittel
enthalten und zwischen denen der Wärmeaustausch nach und nach erfolgen soll.
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In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes
schematisch dargestellt.
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Fig. r und 2 stellenWärmeaustauscher dar, deren oberer Verschlußteil
zur Veranschaulichung des inneren Aufbaues weggenommen wurde.
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Fig. 3 und q. zeigen andere Ausführungsformen mit unterteilten Durchflußräumen.
Fig.5 ist ein Längsschnitt durch einen Wärmeaustauscher nach Fig. z.
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Fig.6 ist ein Längsschnitt durch einen Wärmeaustauscher nach Fig.
3.
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Fig. 7 zeigt im Schnitt eine besondere Abdichtungsart für die Durchflußräume.
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Fig. $ zeigt in größerem Maßstab eine Ansicht der Erhöhungen 2 nach
Fig. 5 und 7. Fig.9 zeigt Abzugskanäle für Niederschlagflüssigkeit.
Fig.
io zeigt ein Beispiel für einen umlaufenden Wärmeaustauscher.
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Die in Fig. i bis 5 dargestellte Form des Wärmeaustauschers dient
dazu, ein Gas oder eine Flüssigkeit vorübergehend stark zu er-' hitzen oder abzukühlen.
Die Bleche i und .3 sind unter Einschaltung einer Isolierschicht 4. um einen stabförmigen
Heizkörper 5 zur Bildung einer Anzahl spiralförmig verlaufender Durchflußräume gewickelt.
Blech 3 ist stellenweise mit Erhöhungen :2 versehen, welche die Höhe der Durchlauffläche
bestimmen und die Bleche in richtigem Abstand voneinander halten. Die spiralförmigen
Durchflußräume sind im Innern des Austauschers miteinander verbunden, um auf diese
Weise einen durch den Austauscher durchgehenden Raum zu erhalten. Dieser zweimal
spiralig gewundene Raum ist an seinen Enden an ein Zuflußrohr 6 bzw. Abflußrohr
7 angeschlossen. Wie Fig. 5 zeigt, sind die verschiedenen Hohlräume des Austauschers
oben und unten durch einen Deckel 8 geschlossen, in den die Spiralwände und Isolierschichten
in entsprechende Rillen eingreifen, in denen Packungen liegen, oder dieDeckel können
auch, wie Fig. 6 zeigt, aus einer plastischen Masse angefertigt werden, die mit
der Zeit fest wird. Nach der Erhärtung sind die Durchflußräume dann an der Stirnseite
abgeschlossen. Als plastische Masse eignen sich besonderes Gips, Zement, schmelzbare
Stoffe, Gummiarten, durch Kondensation erhärtende Stoffe, wie Kunstharz, Kitte mit
Cellulose derivaten oder erhärtenden Ölen, und ähnliche Stoffe.
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Die zur Trennung der verschiedenen Bleche und zur Bestimmung der Schichtenbreite
verwendeten Erhöhungen 2 können verschiedenartig sein. In Fig. 8 ist in größerem
Maßstab die Ansicht einer vorteilhaften Ausführung als tropfenförmiges Profil, das
dem Durchfluß des Austauschmittels möglichst wenig Widerstand entgegenstellt, innerhalb
der laufenden Schichten keine Wirbel entstehen läßt, die eine örtliche Wärmemischung
verursachen und so den Wirkungsgrad des Austauschers herunterdrücken könnten.
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Das beispielsweise zu erhitzende Mittel tritt bei 6 ein, durchströmt
einen der durch die Bleche i und 3 gebildeten Kanäle bis zur Wärmequelle 5, wird
dann erhitzt, tritt in deren Nähe in den anderen Kanal über und strömt durch Rohr
7 ab. Auf dem Wege von der Wärmequelle bis zum Abflußrohr gibt die Flüssigkeit die
bei der Wärmequelle aufgenommene Wärmemenge an die eintretende Flüssigkeit ab und
erhitzt diese allmählich. Dabei kühlt sie sich selbst ab und tritt beim Abflußrohr
mit ungefähr der gleichen Temperatur aus, mit der sie in den Austauscher eingetreten
ist. Auf diese Weise ist die aufgewendete Wärme nur so groß, als sie beispielsweise
für eine Pasteurisation oder zum Ausfällen bestimmter, in demAustauschmittel enthaltenen
Stoffe notwendig ist. Die zwei ,- iralförmigen Kanäle bilden 'hierbei eine lWärme
austauschende Schichtengruppe.
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@-'bie zwischen den zwei einander gegenüberstehenden Schichtengruppen
gemäß der Erfindung eingeschaltete Isolationsschicht hat die Wirkung, daß keinerlei
Temperaturübertragung von einer Schichtengruppe zur anderen stattfinden kann. Dadurch
ist jeglicherTemperatursprung, der Energieverlust zur Folge hat, vermieden. In dem
beschriebenen Beispiel dagegen entspricht die durch dieWärmequelle zuzuführende
Wärmeenergie (in anderen Fällen Kälteenergie) fast vollständig nur den bleibenden
chemisch-physikalisehen Veränderungen des Stoffes, z. B. der Verdämpfungswärme bei
kondensierten Dämpfen. Derartige Wärmeaustauscher eignen sich daher beispielsweise
für die Sterilisation und Pasteurisation von Milch, Most und Fruchtsäften, indem
diese Stoffe kurzen, aber verhältnismäßig hohen und wiederholten Hitzen ausgesetzt
werden, was bekanntlich die Sterilisationswirkung erhöht, ohne den Geschmack zu
beeinträchtigen. Auch eignet sich ein solcher Austauscher zur Trinkwassersterilisation,
wenn das zu behandelnde Wasser nicht allzu kalkhaltig ist, ferner für die Rückgewinnung
von Lösungsmitteln in der Kunstseide-, Gummi-, Extraktions-, Lackierungs-, Celluloi.d-
und Filmindustrie u. a. und zur Lufttrocknung durch vorübergehende Kühlung oder
zur Wassergewinnung aus Luft.
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Der Austauscher läßt sich einfach auseinandernehmen und reinigen.
Nach Wegnahme der beiden Deckel können die Bleche wieder aufgerollt und von etwaigen
Niederschlägen, die sich beispielsweise durch Umkehrung der Flußrichtung oder durch
physikalisch-chemische Beeinflussung nicht lösen lassen, mechanisch leicht gereinigt
werden.
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Bei der Ausführung nach Fig.2 sind die Durchflußräume im Gegensatz
zu Fig. i im Innern des Austauschers nicht miteinander verbunden. Der mit dem 'Einlaufstutzen
6 verbundene Durchflußraum hat seinen Auslaufstutzen bei 9, und der andere ist mit
einem Einlaufstutzen io und Auslaufstutzen ii verbunden. Infolgedessen ist auch
die Arbeitsweise eine andere. Es findet nicht eine vorübergehende Erhitzung bzw.
Abkühlung eines einzigen Stoffes statt, sondern der eine Stoff wird zur Änderung
der Temperatur eines zweiten verwendet. Als Beispiel wird der Fall angenommen, in
dem heiße Abwässer zur Erhitzung einer Flüssigkeit dienen sollen. Die heißen Abwässer
treten bei io in den Austauscher ein und verlassen ihn bei i i nach
dem
Durchfließen der zwischen den Blechen 3 bis i gebildeten Räume. Die Blechwand 3
ist, wie in allen diesen Austauschern, sehr dünn und wärmeleitend gehalten und überträgt
die aufgenommene Wärme auf die in den nebenstehenden Räumen fließende Flüssigkeit.
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Auch hier verhindern die zwischen den einzelnen Sch:ichtengruppen
des Austauschers eingeschalteten Isolationsschichten Temperatursprünge. Die Temperatur
der heißen Abwässer nimmt durch fortwährenden Wärmeübergang langsam ab, während
die Temperatur der zu erwärmenden Flüssigkeit in demselben Maße zunimmt. Sind beispielsweise
die Mengen der beiden Flüssigkeiten gleich groß und ist der ganze Austauscher in
zehn Schichtengruppen gewickelt, so. hat die Isolierschicht überall gegen eine Temperaturdifferenz
von nur %o der gesamten Temperaturdifferenz zu isolieren. Bei einer Isolierschicht
von i cm Filz und bei einer der Übertragung dienenden Temperaturdifferenz von i
° sowie bei einer Kanalbreite von 3 mm und bei 0,5 mm dicker Übertragungswand
berechnet sich der Verlust durch die Isolierschicht auf 7,3 % der nutzbar
übertragenen Wärmeenergie.
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Fig. 3 stellt einen Austauscher dar, welcher ähnlich dem der Fig.
i arbeitet. Der Unterschied besteht nur darin, daß die Räume, in welchen das Austauschmittel
fließt, unterteilt sind. Zu diesem Zweck sind, wie in Fig. 6 im Schnitt dargestellt,
zwischen zwei Isolationsschichten nicht eine Wand, sondern mehrere Wände vorgesehen,
die mit gegeneinander versetzten Erhöhungen zur Trennung einzelner Wege versehen
sind. Diese Wege sind so zusammengefaßt, daß, die äußeren ausgenommen, jede Teilschicht
zwischen zwei anderen eingeschlossen ist, die ein Austauschmittel anderer Strömungsrichtung
führt. Die Teilschichten 12 und 13 sind hierbei parallel geschaltet. Durch geeignete
Führung innerhalb des Austausc!hers münden sie beide in den Einführungsstutzen 6.
Die zwei anderen Schichten 14 bis 15 sind auf ähnliche Weise mit dem Stutzen 7 verbunden.
In unmittelbarer Nähe des Heiz- oder Kühlkörpers 5 sind gleich wie in Fig. i die
Schichten 12 und 15 bzw. 13 und 14 miteinander verbunden; hier erreicht das Wärmeaustauschmittel
die Temperatur des Körpers 5. Auch hier sorgt die die Teilschichten 12, 15, 13 und
14 umschließende Isolationsschicht 4 dafür, daß keine Temperatursprünge entstehen
können. Die Schichten 12, 13, 14 und 15 bilden zusammen eine Schichtengruppe, die
in sich nützlich Wärme überträgt. Hat man hier, zum Unterschied von Fig. 2, außer
den Schichtengruppen noch eine Aufteilung jeder Schicht in weitere Teilschichten,
so werden dadurch die Verluste durch die Isolationsschicht noch geringer.
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Der Austauscher nach Fig. ¢ arbeitet wie der nach Fig. 3.
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Fig. 7 zeigt eine besondere Abdichtung für die Durchflußräume gegen
die Deckel durch mit Druckluft gefüllte Schläuche 17. Die Deckel erhalten dann nur
eine Eindrehung B.
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In Fig. 9 sind in der Abwicklung der Bleche Austrittsöffnungen 16.
dargestellt, die zur AbführungniedergeschlagenerFlüssigkeit dienen. Die Strömungsrichtung
ist durch einen Pfeil angegeben. Durch zweckmäßige Abschlüsse dieser Öffnungen,
z. B. durch Vorkammer, Siphon, Hahn oder Pumpe, kann ein Verlust strömender Stoffe
durch diese Öffnungen vermieden werden.
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Solche stirnseitigen Öffnungen der Durchflußräume können auch zum
Querspülen des Austauschers dienen, z. B. zurErzielung einer bestimmten Reaktion
mit einem anderen durchströmenden Stoff oder zur Verhinderung des Festsetzens dichter
Ausscheidungen.
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In Fig. io ist schematisch ein umlaufender Wärmeaustauscher dargestellt.
In gewissen Fällen ist eine solche Anordnung zur Verhinderung oder Entfernung fester
Ausscheidungen gewisser Stoffe erwünscht. Die Aufwicklung der Bleche und die Verbindung
der Durchflußräum.e ist wie in Fig.4 also mit Einlauf 6, Auslauf 9 und einem zweiten
Einlauf io und zweiten Auslauf i i. Zu- und Abführleitungen werden in bekannter
Weise durch ortsfeste, reibende Packungen mit dem umlaufenden Austauscher verbunden,
so daß die Stoffe ungehindert trotz der Drehung durch den Austauscher strömen können.
Die Lager 2o tragen den Austauscher; sie enthalten die Durchführungen der Leitungen
6, 9, io und i i. Eine Riemenscheibe 22 treibt das Ganze an.
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Die zwischen den Schichtengruppen vorgesehene Isolation kann aus nicht
leitenden Massen, wie Filz, Watte, Kork, Glaswatte u. dgl., bestehen. Es ist aber
auch möglich, an Stelle einer solchen festen Isolation entweder Gase mit hohem Molekulargewicht,
die schlecht leiten, zu verwenden, oder diese Zwischenräume luftleer zu machen.
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Die in Fig.8 beispielsweise dargestellten Erhöhungen können in Vertiefungen
der Nebenwand i eingreifen, so daß ein gegenseitiges Verschieben der Bleche verhindert
wird.
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In der ganzen Beschreibung und auch in den folgenden Ansprüchen ist
überall von Blech die Rede. Es ist aber klar, daß darunter auch Folien aus nicht
metallischem Baustoff, welche gut wärmestrahlendurchlässig sind, als Blech im Sinne
derErfindung zu verstehen sind.