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Umlaufender, von Gasen umspülter zylindrischer Wärmeaustauscher, insbesondere
für Speisewasser Die Erfindung bezieht sich auf einen umlaufenden, von Gasen umspülten
zylindrischen Wärmeaustauscher, zweckmäßig mit in Umfangsrichtung verlaufenden Rippen
auf der Außenseite des Zylinders für den Wärmeaustausch zwischen Gasen und Flüssigkeiten,
besonders für die Erwärmung des Speise-Wassers 'von Lokomotiven, mit einem von Flüssigkeit
vollkommen ausgefüllten, zweckmäßig durch radiale, parallel zur Achse oder schraubenförmig
verlaufende Rippen unterteilten Mantelraum von geringer radialer Breite. Umlaufende
Wärmeaustauscher, bei denen eine tropfbare Flüssigkeit eine andere tropfbare Flüssigkeit
kühlt, sind bekannt, im besonderen solche, bei denen die Kühlflüssigkeit durch schraubenförmige
Kanäle der zylindrischen Trommel geführt wird, die von außen ihren Antrieb erhält
und von der abzukühlenden Flüssigkeit umgeben wird. Auch ist es bekannt, in der
zu kühlenden Flüssigkeit Rohre kreisen zu lassen, weiche durch das sie durchströmende
Kühlwasser selbst bewegt werden, das hinterher frei abläuft. Diese bekannte Vorrichtung
ist aber nicht dafür benutzt und auch nicht dafür geeignet, um das Wasser hinterher,
ohne es noch einmal pumpen zu müssen, seinem Hauptverwendungszwecke unter Druck
zuzuführen.
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Demgegenüber besteht die Erfindung darin, daß die Speisepumpe einen
zusätzlichen Druck zu 'dem für die Behälterspeisung erforderlichen Druck erzeugt,
durch den eine den Vorwärmer in Umdrehung versetzende Wasserkraftmaschine angetrieben
wird. Es wird also durch die sowieso für die Speisung des Behälters erforderliche
Pumpe lediglich dadurch, daß diese das Speisewasser auf einen höheren Druck fördert,
der umlaufende Wärmeaustauscher mittels des Speisewassers auf seinem Wege zum Behälter
betrieben.
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Die Zeichnung stellt in den Abb. z bis 3 und q. bis 7 zwei Beispiele
von Speisewasservorwärmern nach der Erfindung dar, bei
denen die
Wasserkraftmaschine, welche den Wärmeaustauschzylinder antreibt, in raumsparender
Weise in seinem Innern untergebracht ist.
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Abb. i zeigt einen Schnitt C-C nach Abb. 2 durch den zylindrischen
Wärmeaustauscher rechtwinklig zu dessen Achse, während Abb. 2 einen senkrechten
Längsschnitt nach der Linie D-D der Abb. i darstellt. Die Abb. 3 ist ein Querschnitt
nach der Linie E-E der Abb. 2.
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Der Wärmeaustauscher besteht aus dem zylindrischen Körper 2, der außen
mit Rippen 3 versehen ist, die als schraubenförmiges Band den Zylinder 2 umgeben.
Die Rippen 3 können auch parallel zur Achse verlaufen. Über diesen mit Rippen 3
versehenen Zylinder 2 ist der Zylinder 4. geschoben, welcher außen mit Ringrippen
5 versehen ist, die zweckmäßig durch Einschnitte 15 unterbrochen sind, welche in
Meridianebenen verlaufen, um die Gase, an denen die Rippen entlang streichen, immer
wieder in wirbelnde Bewegung zu versetzen. Außen umschlossen wird der mit Ringrippen
5 versehene Zylinder 4. von dem Blechmantel 6, der einen ringförmigen Kanal ? zwischen'sich
und dem Zylinder 4. frei läßt.
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Die zu erwärmende Flüssigkeit wird durch das Rohr i o axial zugeführt
und ebenso axial auf der gegenüberliegenden Stirnseite des Wärmeaustauschzylinders
abgeführt. U m eine Drehung des Zylinders zu ermöglichen, ist in bekannter Weise
eine Stopfbüchse oder eine Labyrinthdichtung verwendet, wobei im letzten Falle die
von der Labyrinthdichtung durchgelassene Flüssigkeit, ohne daß sich dadurch Unzuträglichkeiten
ergeben, zurückgeführt werden muß.
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Besonders vorteilhaft ist auch die Anwendung von Stulpringen für die
Abdichtung, von denen je einer zu beiden Seiten einer mit Drucköl gefüllten Kammer
vorgesehen ist. Inder mit Drucköl gefüllten Kammer kann sich außerdem das Kugellager
befinden, welches den drehbaren Wärmeaustauschzylinder trägt. Damit dies Lager und
die abdichtenden Stulpringe im Durchmesser möglichst klein ausfallen, empfiehlt
es sich, die Zu-und Abführungsrohre an der Stelle, «#o sich Lager und Abdichtung
befinden, auf einen kleineren Durchmesser einzuziehen, also an diesen Stellen höhere
Strömungsgeschwindigkeit zuzulassen, wobei der hierfür geopferte Druckhöhenverlust
zum größten Teil durch eine diftusorartige Querschnittserweiterung hinter der engsten
Stelle zurückgewonnen «-erden kann. Die Abb.2 zeigt eine solche Ausführung, bei
der auf der Eintrittsseite der Flüssigkeit ein Scheibendiffusor 18 vorgesehen ist,
während sich auf der Austrittsseite der Flüssigkeit der Kegeldiffusor i9 befindet.
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Die von links durch Stutzen 8 in das Blechgehäuse einströmenden Verbrennungsgase
werden durch die Wand 2o, welche als umlegbare Klappe ausgeführt sein kann, nach
unten abgelenkt und umströmen den mit Ringrippen 5 versehenen Wärmeaustauschzylinder
,l durch den Kanal?, der zwischen den Wärmeaustauschzylinder q. und der Gehäusewand
6 frei bleibt, um dann nach rechts das Blechgehäuse 6 durch Stutzen 9 zu verlassen.
Durch die beiden Klappen 2o und 21 ist es möglich, wenn sie in die waagerechte Lage
gedreht werden, die Verbrennungsgase geradlinig nach rechts durchzuführen, so daß
der Wärmeaustauschzylinder von ihnen nicht umspült wird.
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Das Zuführungsrohr io für das zu erwärmende Wasser ist innerhalb des
Lagers und der Abdichtung in der oben beschriebenen Weise auf einen kleineren Durchmesser
eingezogen. Wo das Wasser an der Stirnseite der sich drehenden Trommel in diese
eintritt, ist der bereits obenerwähnte Scheibendiffusor 18 vorgesehen. Zwischen
dessen Wänden, die zweckmäßig zur .Erzielung einer stoßfreien Beschleunigung des
Wassers durch Führungsstege miteinander verbunden sind, wird das Wasser dem zwischen
den Zylindern 2 und q. liegenden Wassermantel zugeführt, der einen schraubenförmigen
Kanal bilden kann, der durch die schraubenförmig verlaufende Rippe 3, welche die
Zylinder 2 und 4 verbindet, gebildet wird.
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Ist das Wasser auf diesem schraubenförmigem Wege erwärmt am rechts
liegenden Ende des Wärmeaustauschzylinders angelangt, so tritt es durch beispielsweise
zwei diametral gegenüberliegende etwa tangential gerichtete öffnungen 25 aus dem
Mantelraum des Wärmeaustauschzylinders in den von den Stirnflächen 26 und 27 gebildeten
Raum, in welchem sich der an der Drehung nicht teilnehmende scheibenförmige Kanal
28 befindet, der von den in Ruhe bleibenden Wänden 29 und 3o gebildet wird, die
durch nahezu radial verlaufende Stege miteinander verbunden sind. In diesem von
ruhenden Teilen gebildeten Kanal 28 strömt das Wasser, welches die erwähnten öffnungen
2 5 verläßt, mit einer annähernd radial nach der Mitte zu gerichteten absoluten
Geschwindigkeit. Auf die Weise erhält der Wärmeaustauschzylinder durch Reaktion
durch das aus den öffnungen 25 austretende Wasser seinen Antrieb, indem der zusätzliche
Druck des Speisewassers hierfür verbraucht wird.
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Aus dem durch die ruhenden Wände 29 und 3o gebildeten Abflußraum 28
gelangt die Flüssigkeit durch den stark eingezogenen Teil des Abflußrohres, der
von den Stulpdichtungen
und von der Lagerung umgeben ist, zum Kegeldiffusor
i g, in welchem die verhältnismäßig hohe Strömungsgeschwindigkeit im eingezogenen
Teil zum größten Teil wieder in Druck umgesetzt wird und schließlich zum Rohre i
z, das zum Kessel führt.
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Eine etwas andere Ausführung für den ebenfalls wieder im Innern des
Wärmeaustauschzylinders untergebrachten hydraulischen Antrieb zeigen die Abb. 4.
bis 7. Die Abb. q. zeigt einen Längsschnitt nach der LinieF-F der Abb.5, die Abb.5
einen Querschnitt nach der Linie G-Gr der Abb. q., Abb. 6 einen Schnitt nach der
Linie H-H der Abb. q. und Abb. 7 einen Schnitt B-B nach Abb. q.. Das durch das Rohr
ro zugeführte Wasser gelangt in die in Ruhe befindliche Kammer 3 r, an der es am
äußeren Umfange durch . zwei diametral gegenüberliegende Öffnungen 32 und 33 nahezu
tangential mit einer Geschwindigkeit austritt, welche, abgesehen von der erwünschten
Relativgeschwindigkeit zwischen der Wand q. und der Flüssigkeit, der Umfangsgeschwindigkeit
der wasserbespülten Oberfläche der Wand q. entspricht. Auch in diesem Falle kann
die Flüssigkeit auf schraubenförmigem Wege zum ,anderen Stirnende der Trommel geführt
werden. Dort tritt sie mit verhältnismäßig geringer relativer Umfangsgeschwindigkeit,
jedoch mit hoher absoluter Umfangsgeschwindigkeit in den zwischen den beiden umlaufenden
Stirnwänden 34. und 35 liegenden Raum ein, der durch Rippen 36 unterteilt ist. Diese
Rippen bilden Führungsschaufeln für das Wasser und sind dementsprechend so geformt,
daß sie an ihren äußeren Enden 'in der Richtung verlaufen, in welcher das aus dem
Wassermantel in den Stirnraum übertretende Wasser strömt, während die Rippen 36
im weiteren Verlaufe nach der Drehachse zu nahezu radial gerichtet sind. Dadurch
wird das nach der Achse zu strömende Wasser gezwungen, seine Tangentialgeschwindigkeit
immer mehr zu ermäßigen und sein Arbeitsvermögen auf die umlaufenden Massen zu übertragen,
wodurch der beabsichtigte Antrieb erfolgt.
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Da der Antrieb des Wärmeaustauschzylinders, abgesehen von der Wasserreibung
im Innern, nur die Reibung der Lagerung, der Abdichtung und der Gasschicht zu überwinden
hat, so kann der Zylinder mit hoher Umfangsgeschwindigkeit betrieben werden, wodurch
sich hohe Wärmeübergangswerte zwischen den Verbrennungsgasen und der äußeren Oberfläche
des Wärmeaustauschzylinders ergeben. Auf diesem Wege ist es daher möglich, ohne
Schwierigkeit Wärmedurchgangswerte zu erreichen, die über den üblichen liegen.
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Bei beiden Ausführungen ist an der obersten Stelle des Wärmeaüstauschzylinders
als Reinigungsvorrichtung die Drahtbürste 1q. vorgesehen, welche mit Hilfe der Stange
22 etwas von dem Wärmeaustauschzylinder abgehoben, oder, wenn dieser gereinigt werden
soll, gegen ihn gedrückt werden kann. Der durch die Reinigungsvorrichtung von der
Oberfläche des Wärmeaustauschzylinders abgestreifte Schmutz sammelt sich, so weit
er nicht von den Verbrennungsgasen fortgeblasen wird, im Raume 17 an der tiefsten
Stelle des Gehäuses 6, aus dem er entfernt werden kann.
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Bei der Ausführung nach Abb. i bis .3 ist angenommen, daß der Wärmeaustauschzylinder
sich der Strömung der Verbrennungsgase entgegendreht, während bei der Ausführung
nach Abb. q. bis 6 die umgekehrte Drehrichtung für den Wärmeaustauschzylinder angegeben
ist. Ob man die eine oder andere Drehrichtung wählt, hängt von der Zugstärke ,ab.
Ist der Zug für die Verbrennungsgase besonders stark, so kann man den Wärmeaustauschzylinder
der Strömungsrichtung der Verbrennungsgase entgegengerichtet sich drehen lassen,
auf die Weise eine höhere Relativgeschwindigkeit zwischen der Oberfläche des Wärmeaustauschzylinders
und den Gasen zu erzielen, was einen höheren Wärmeübergangswert zur Folge hat. Im
entgegengesetzten Falle, wenn es wünschenswert ist, daß die Drehung des Wärmeaustauschzylinders
.auf die Verbrennungsgase fördernd wirkt, ist es empfehlenswert, den Wärmeaustauschzylinder
gleichgerichtet mit den Verbrennungsgasen zu bewegen.
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Der beschriebene Wärmeaustauscher ist besonders vorteilhaft für die
Speisewasservorwärmung bei Lokomotiven. Darüber hinaus kann er aber auch dort mit
Vorteil angewandt werden, wo ein hoher Wärmeübergangswert besonders zwischen Gasen
und Flüssigkeit angestrebt wird.