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Rekuperator Für Flüssigkeitserhitzer, in denen im Kreuzstromprinzip
beispielsweise Wasser erwärmt werden soll, hat man bereits vorgeschlagen, im Wege
des Heizgasstromes die Größe der Rippenheizfläche von seiner Eintrittsseite zu seiner-
Austrittsseite hin von Gruppe zu Gruppe absatzweise wachsen zu lassen, um die Wärmeübergangszahl
des Heizgases nach Maßgabe der Wärmebelastung derart dem Temperaturunterschied zwischen
den wärmeaustauschenden Mitteln anzupassen, daß sie mit sinkendem Temperaturunterschied
steigt.
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Weiterhin ist es bereits bekannt, bei Rekuperatoren für den Wärmeaustausch
zwischen zwei Gasen den Querschnitt der Kanäle für die Gase derart zu verändern,
daß der heißen Heizgasseite große Kanalquerschnitte des wärmeaufnehmenden Mittels
und der kälteren Heizgasseite kleinere Kanalquerschnitte des wärmeaufnehmenden Mittels
zugeordnet sind, um dadurch vorzugsweise der durch die Erwärmung erfolgenden Volumenzunahme
des wärmeaufnehmenden Mittels, wie beispielsweise vorzuwärmender Luft, Rechnung
zu tragen. Dabei nimmt die wärmeaustauschende Fläche bei dem wärmeabgebenden Gas
in der Strömungsrichtung des Gases zu. Gemäß der Erfindung sollen nun bei Rekuperatoren
für den Wärmeaustausch zwischen zwei Gasen, im folgenden beispielsweise Luft und
Heizgas genannt, mit aus einem gut wärmeleitenden Baustoff, insbesondere Metall,
bestehenden Wärmeübergangsflächen, die sich in der Strömungsrichtung des Heizgases
laufend ändern, große von der Luft bestrichene Wärmeübergangsflächen, die aus der
Kanaltrennwand mit beiderseits an derselben sitzenden Ansätzen, wie Rippen, Nocken,
Zapfen o. dgl. bestehen, kleinen vom Heizgas bestrichenen Wärmeübergangsflächen
gegenüberliegen und umgekehrt, wobei an der Eintrittsseite des Heizgases diesem
kleine Wärmeübergangsflächen und der Luft große Wärmeübergangsflächen, an der Austrittsseite
des Heizgases diesem jedoch große Wärmeübergangsflächen und der Luft kleine Wärmeübergangsflächen
zugeordnet sind. Dieses 'soll in der Weise geschehen, daß bei einer Vergleichmäßigung
der Trennwandtemperatur der Wärmeübergang je Kanallängeneinheit und Grad Celsius
der Trennwandtemperatur im wesentlichen gleichbleibt. Durch diese gegenseitige Abstimmung
der Luft- und heizgasseitigen Wärmeübergangsflächen soll eine Vergrößerung der Wärmeübertragung
und
eine Verbesserung der Wärmeausnutzung erzielt werden, da die Temperaturen der Trennwände
von der Eintritts- zur Austrittsseite des Heizgases, also über ihre ganze Länge,
vergleichmäßigt- , werden, indem an der Eintrittsseite des Heiz-' gases große Wärmeübergangsflächen
auf der Seite der Luft zur Verfügung stehen, die hier große Wärmemengen unter Kühlung
der Trennwände abführen können und mit dem Fallen der Heizgastemperatur bzw. dem
dadurch fallenden Wärmeangebot immer kleiner werden, während im Strom des Heizgases
an seiner Eintrittsstelle geringe und auf seiner Austrittsseite große Wärmeübergangs-Rächen
zum möglichst restlosen Entnehmen der hier noch vorhandenen Wärme angeordnet sind.
Durch die Vergleichmäßigung der Trennwandtemperaturen ergibt sich noch der Vorteil,
daß- als Werkstoff für derartige Rekuperatoren bei großem Wärmeübergang und bei
hohen Temperaturen gegebenenfalls billiges Gußeisen Verwendung finden kann, da durch
die Angleichung der Trennwandtemperaturen keine unzulässigen Wärmespannungen in
den Trennwänden entstehen können, durch deren Auftreten die Lebensdauer und Haltbarkeit
dieser Wände gefährdet wird. Dabei müssen die einander zugeordneten Wärmeübergangsflächen
der Luft und des Heizgases sich laufend gegeneinander derart verändern, daß von
der Eintrittsseite des Heizgases nach seiner Austrittsseite hin das Verhältnis des
Produktes Wärmeübergangszahl mal Wärmeübergangsfläche der Luft zu dem Produkt Wärmeübergangszahl
mal Wärmeübergangsfläche des Heizgases fällt. Es sollen die Wärmeübergangsflächen
auf der Seite der Luft bzw. auf der Seite des Heizgases nach der Eintrittsseite
des Heizgases zu derart stark, wachsen bzw. derart viel kleiner werden, daß durch
die Veränderung ihrer Größe auch der Einwirkung der sich in entgegengesetztem Sinne
auswirkenden Änderung der Größe der Wärmeübergangszahlen Rechnung getragen wird.
Die Wärmeübergangszahl ändert sich nicht nur mit der Geschwindigkeit des strömenden
Mittels, sondern ist auch abhängig von der Höhe der jeweiligen Temperatur, so daß
die Luft an ihrer Eintrittsseite eine kleinere Wärmeübergangszahl besitzen wird
als an ihrer Austrittsseite, während umgekehrt das Heizgas an seiner Eintrittsseite
eine größere Wärmeübergangszahl besitzen wird als an seiner Austrittsseite. Infolgedessen
sollen die heizgasseitigen Wärmeübergangs-Rächen von der Eintrittsseite des Heizgases
zu seiner Austrittsseite verhältnismäßig noch stärker wachsen, als es bei gleichbleibender
Wärmeübergangszahl des Heizgases ohnehin erforderlich wäre, während die laufende
Veränderung der luftseitigen über das an sich erforderliche Maß hinaus davon abhängt,
ob die Luft zum Heizgasstrom im Gleich- oder Gegenstrom geführt 'Je. Bei Gleichstromrekuperatoren
müssen, wenn die Wärmeübergangszahl der Luft mit steigender Lufttemperatur steigt,
die luftseitigen Wärmeübergangsflächen von der Eintrittsseite des Heizgases zu dessen
Austrittsseite verhältnismäßig stärker abnehmen, als es bei gleichbleibender Wärmeübergangszahl
der Luft ohnehin erforderlich wäre, während bei Gegenstromrekuperatoren die von
der Eintrittsseite des Heizgases zu dessen Austrittsseite erfolgende Verringerung
der luftseitigen Wärmeübergangsflächen nicht so stark sein braucht, wie es bei gleichbleibender
Wärmeübergangszahl der Luft erforderlich wäre; für Kreuzstromrekuperatoren gilt
für die Heizgasseite das gleiche wie vorstehend angegeben, während auf der Luftseite
über die Länge des einzelnen Elementes kaum eine Änderung der Wärmeübergangszahl
der Luft eintritt, so daß diese hier bei der Bemessung der luftseitigen Wärmeübergangsflächen
praktisch außer Betracht bleiben kann.
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Die laufende Änderung der Wärmeübergangsflächen der Kanäle für beide
Gase erfolgt bei gleichbleibenden Kanalquerschnitten durch laufende Änderung der
Größe der mit der Kanaltrennwand verbundenen Zusatzflächen und bei Rekuperatoren
mit sich stetig ändernden Kanalquerschnitten durch laufende Änderung der Größe der
Zusatzflächen und der Begrenzungsflächen (Trennwandfläche) der Kanäle. Bei Gleichstrom-
und Gegenstromrekuperatoren erfolgt die laufende Änderung der Wärmeübergangsflächen
der Kanäle beider wärmeaustauschenden Gase durch in Richtung der Kanäle größer bzw.
kleiner werdende Rippen o. dgl. bzw. durch in Richtung der Kanälegrößerbzw. kleiner
werdendeTr ennwandflächen und größer bzw. kleiner werdende Rippen, während bei Kreuzstromrekuperatoren
mit im Innern der Rohre strömendem Heizgas die laufende Änderung der Wärmeübergangsflächen
für das die Kanäle durchströmende Heizgas in gleicher Weise wie bei Gleich- bzw.
Gegenstromrekuperatoren in der Strömungsrichtung des Heizgases erfolgt, jedoch die
laufende Änderung der Wärmeübergangsflächen für die die Rohre quer beaufschlagende
Luft quer zur Strömungsrichtung der Luft, d. h. quer zur Richtung der Luftkanäle,
also in Richtung der vom Heizgas durchtsrömten Rohre erfolgt.
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So können die Kanäle für eins oder für beide der wärmeaustauschenden
Gase in an sich bekannter Weise tubenförmige, paraboloidische, konische oder ähnliche
sich bezüglich ihres Umfanges über ihre Länge gleichmäßig
ändernde
Gestalt haben, wobei die Kanäle beiderseits mit organisch mit ihnen verbundenen
Rippen versehen sind, die mit zunehmender Innenerweiterung der Kanäle außen laufend
kleiner werden, während sie im Innern der Kanäle mit deren Erweiterung laufend größer
werden. Dabei ist es erfindungsgemäß vorteilhaft, daß in den Kanälen das Verhältnis
von Zusatzfläche zu Trennwandfläche mit wachsendem Kanalrauminhalt wächst und umgekehrt.
Dadurch, daß die Zusatzfläche verhältnismäßig stärker zunimmt wie die Trennwandfläche,
wird die Strörnungsgeschwindigkeit des durchströmenden Gases beeinflußt.
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Der Erfindungsgegenstand eignet sich vorzugsweise für Rekuperatoren,
die aus einer Mehrzahl einzelner metallener rohrförmiger Elemente, beispielsweise
gußeiserner oder schmiedeeiserner Rohre, zusammengesetzt sind, wobei es keine Rolle
spielt, ob diese Rekuperatoren im Gleich- bzw. Gegenstromprinzip oder im Kreuzstromprinzip
betrieben werden; er kann jedoch auch bei Rekuperatoren Verwendung finden, deren
Kanäle bzw. Durchgangszüge aus anderem Werkstoff, z. B. feuerfesten Steinen hoher
Wärmeleitfähigkeit, gebildet werden. Für den Erfindungsgegenstand ist es belanglos,
um welche gasförmigen wärmeaustauschenden Mittel es sich handelt; so kann beispielsweise
das wärmeabgebende Mittel Abgas, Heißwind o. dgl. sein, während es sich beim wärmeaufnehmenden
Mittel um vorzuwärmende oder zu trocknende Luft, vorzuwärmendes Gas handeln kann.
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In den Abbildungen sind verschiedene Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
dargestellt.
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Abb. i zeigt den Längsschnitt durch ein konisches Rohr.
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Abb. 2 ist ein Schnitt nach der Linie 1I-II der Abb. i, und Abb.3
ist ein Schnitt nach der Linie 111-III der Abb. i.
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Abb. 4. zeigt im Längsschnitt ein Rohr mit Rippen, deren Stärke sich
ständig ändert. Abb. 5 ist ein Schnitt nach der Linie V-V der Abb. 4. und Abb. 6
ein Schnitt nach der Linie VI-VI der Abb. d..
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Abb. 7 gibt eine weitere Ausführungsform wieder.
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Abb. 8 ist ein Längsschnitt durch zwei Rohre eines Kreuzstromrekuperators,
-und Abb. 9 zeigt im Längsschnitt ein konisches Rohr für Kreuzstromrekuperatoren.
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Bei den dargestellten Einrichtungen sei das wärmeabgebende Mittel
Abgas, das mit g bezeichnet ist, während das wärmeaufnehmende Mittel Luft sei, die
mit Z bezeichnet ist. Die Eintrittsseite des wärmeabgebenden Abgases ist mit a,
seine Austrittsseite mit b, die Eintrittsseite der wärmeaufnehmenden Luft mit c
und deren Austrittsseite mit d bezeichnet. Der Strömungsverlauf der wärmeaustauschenden
Gase ist durch Pfeile angedeutet.
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Die Rohre, die mit t bezeichnet sind, bes:tzen organisch mit ihnen
verbundene Rippen r auf der Abgasseite und an der Luftseite gleichfalls organisch
mit ihnen verbundene Rippen s. Durch das in dem Abb. i bis 3 dargestellte konische
Rohr strömt das Abgas g. während die Luft L im Gegenstrom dazu am Rohräußeren vorbeigeführt
wird. Bei Anwendung des Gleichstromprinzips würde die Ausbildung des Rohres die
gleiche sein. Die Abbildungen lassen eindeutig erkennen, daß im Rohrinnern sowohl
die Trennwandfläche als auch die Rippenzusatzfläche von der Eintrittsseite a des
Abgases zu seiner Austrittsseite b laufend wächst, während die Rippen s auf der
Außenseite des Rohres t derart ausgebildet sind, daß auf der Luftseite der an sich
auf der Gaseintrittsseite kleineren Trennwandfläche, verglichen mit der Gasaustrittsseite,
doch insgesamt die größere Wärmeübergangsfläche zugeordnet ist. So können beispielsweise
die Rippen nicht nur in ihrer Höhe, sondern auch in ihrer Stärke oder Anzahl wachsen,
wodurch gegebenenfalls die an sich durch die konische Form der Kanäle bedingte Geschwindigkeitsänderung
im Strome der Gase im anderen Sinne beeinflußt werden kann.
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Ein Beispiel mit laufend verschieden starken Rippen zeigen die Abb.
q. bis 6. Bei diesem Rohr nimmt die Stärke der Rippen r und s in der Strömungsrichtung
der sie berührenden Gase zu.
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Die Abbildung 7 veranschaulicht ein Rohr, bei dem sich die Wärmeübertragungsflächen
lediglich durch laufende Änderung der Rippenflächengröße bei gleichbleibender Trennwandfläche
ändern. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist für die zu erwärmende Luft l der Strömungsweg
durch das Rohrinnere gewählt, während das Heizgas g an- den Außenflächen des Rohres
entlang geführt wird.
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In Abb. 8 ist ein Längsschnitt durch zwei Rohre eines nach dem Kreuzstromprinzip
arbeitenden Wärmeaustauschers gemäß der Erfindung dargestellt. Das Heizgas g strömt
durch die Rohre t, welche im Innern mit in der Strömungsrichtung des Gases größer
werdenden Rippen r versehen sind. Die von der zu erwärmenden Luft umspülten Rohre
sind außen auf der Eintrittsseite a des Heizgases mit großen Rippen s besetzt, die
hier in dichtem Abstand angeordnet sind, wobei die Größe der Rippen nach der Austrittsseite
b des Gases hin unter Vergrößerung des Rippenabstandes immer mehr abnimmt.
Bei
dem Ausführungsbeispiel gemäß Abb. 8 sind die Einzelrohre parallel zueinander angeordnet.
Man kann aber auch die beispielsweise rechteckigen Querschnitt besitzenden Kanäle
für das eine der wärmeaustauschenden Gase radial zueinander anordnen, wobei das
andere der wärmeaustauschenden Gase die zwischen den Kanälen für das erstere Gas
gebildeten Sektoren durchströmt.
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Abb.9 zeigt einen Längsschnitt durch ein dem Rohr nach Abb.8 ähnliches
Rohr für Kreuzstromrekuperatoren, das jedoch eine konische Form hat.
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Außer der durch die Rippen bzw. Rippen und Rohrgestaltung im Innern
der Kanäle sich über ihre Länge laufend ändernden Wärmeübergangsflächen ist bei
den beiden letzten Ausführungsbeispielen die Größe der Wärmeübergangsflächen der
durch die Außenflächen der Rohre gebildeten Kanäle über den Kanalquerschnitt ebenfalls
laufend geändert, und zwar derart, daß die Stellen eines Kanalquerschnitts, die
der Eintrittsseite des Heizgases benachbart sind, größere Wärmeübergangsflächen
besitzen als die Stellen dieses Querschnitts, die der Austrittsseite des Heizgases
benachbart sind.
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Auch sind Ausführungsformen der Erfindung möglich, bei denen die Gruppen
eines aus mehreren hintereinandergeschalteten Gruppen von Einzelelementen bestehenden
Rekuperators derart hintereinandergeschaltet sind, daß beispielsweise in der ersten
Gruppe das Heizgas die außen von der Luft umspülten Rohre durchströmt, während in
der folgenden Gruppe die Luft durch das Innere der Rohre und das Heizgas über das
Rohräußere geführt wird.
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Bei aus mehreren Gruppen bestehenden bzw. in der Stromlänge eines
oder beider Mittel unterteilten Rekuperatoren erstreckt sich die Erfindung ferner
darauf, in ähnlicher Weise wie beim Einzelelement die Größen der Wärmeübergangsflächen
im Zuge der aufeinanderfolgendenGruppen überdieganzeDurchströmlänge des Rekuperators
laufend zu ändern.