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Wärmeaustauscher Es sind Rippenrohrwärmeaustauscher bekannt, bei welchen
die Rohre je zwei in der Längsrichtung angeordnete Rippen haben, die nach der Erzeugenden
diametral einander gegenüberstehen, wobei die Ebene jeder Rippe tangential oder
annähernd tangential zur Oberfläche des Rohres liegt, während das äußere, um die
Rohre herumfließende Wärmeaustauschmittel, das seine Wärme mit dem im Innern der
Rohre fließenden Mittel austauscht, in dem Wärmeaustauscher in einer Richtung fließt,
welche im allgemeinen senkrecht oder annähernd senkrecht zur Achse des Rohres steht.
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Einer der Vorteile, die aus dieser Anordnung hervorgehen, bestand
darin, daß, wenn der Wärmeaustausc'her ein Bündel von parallelen Röhren besitzt,
die schachbrettartig versetzt angeordnet sind, man zwischen den Rohrreihen sinuslinienartige
Ströme von veränderlichem Querschnitt erhält, deren Wände durch die Rippen und durch
die ', Oberflächen derRohre begrenzt werden. Das äußere Mittel läuft in sinuslinienartigen
Strömen, welche Einschnürungen und Erweiterungen besitzen, wobei diese Änderungen
des Querschnittes Druck-und Geschwindigkeitsänderungen in dem Fließen des äußeren
Mittels hervorrufen, ebenso wie Änderungen der Fließrichtung, die günstig für den
Wirkungsgrad des Wärmeaustauschers sind.
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Versuche mit Austauschern, deren Rippen tangential gerichtet sind,
haben ergeben, daß man den Wirkungsgrad des Austauschers noch verbessern kann, wenn
die zwischen den Rohrreihen fließenden Ströme vor jeder Einschnürung eine solche
Anordnung der Wände besitzen, daß der dem Durchgang des äußeren Mittels dargebotene
Querschnitt bis zur nächsten Richtungsänderung des Stromes sich allmählich vergrößert.
Infolgedessen
bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Wärmeaustauscher, welche die Besonderheit
besitzen, daß dieLeitungen oderKanäle, welche im Durchtritt eines der Mittel oder
beider .XI ittel derart gestaltet sind, daß jeder Einschnürung eine Erweiterung
des dem Durchtritt des Mittels dargebotenen Querschnittes folgt, im allgemeinen
in Gestalt eines Auseinandergehens der Wände, wobei diese Verbreiterung bis zur
nächsten Richtungsänderung des Stromes des Mittels sich-fortsetzt.
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Wenn der Wärmeaustauscher aus einem Bündel von Rohren mit parallelen
Achsen gebildet ist, die schachbrettartig versetzt zueinander angeordnet sind und
die mit an ihnen angebrachten tangential gerichteten Rippen versehen sind, wie schon
oben ausgeführt wurde, so bezieht sich die Erfindung darauf, daß diese tangential
laufenden Rippen, die gegebenenfalls in geeigneter Weise überverdickt sind und die
den Durchgang des äußeren Mittels begrenzen, derart profiliert sind, daß der einem
jeden Strom des äußeren Mittels dargebotene Querschnitt eine allmähliche Vergrößerung
von der Einschnürung des Stromes bis zur folgenden Richtungsänderung bedingt.
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Wenn es sich um einen Wärmeaustauscher handelt, der aus einer Zusammenstellung
von Platten besteht, die zwischen sich Zwischenräume haben, welche abwechselnd von
dem einen und dem anderen zum Wärmeaustauscher gelangenden Mittel durchflossen werden,
so sind die Wellungen, die auf den genannten Platten in senkrechter Richtung zu
dem Fließen der Mittel vorgesehen sind, derart, daß die "Zwischenräume, durch die
die Mittel hindurchgehen, aufeinanderfolgende Einschnürungen und Richtungsänderungen
besitzen, und sie sind derart, daß die Neigungen der Wände in dem Zwischenraum zwischen
einer Einschnürung und der folgenden Richtungsänderung eine divergierende Begrenzung
haben, welche dem Durchtritt des Mittels einen Querschnitt darbietet, der von einer
Ausdehnung schrittweise zu einer Einschnürung führt.
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Die Verbesserung des Wirkungsgrades, die durch die beschriebene Anordnung
entsteht, ergibt sich aus den folgenden Betrachtungen.
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Wenn ein Mittel mit einer gewissen Geschwindigkeit in einem Kanal
von gleichbleibendem Querschnitt fließt, so ändert sich das laminare Fließen des
Mittels von einer gewissen Entfernung des Ausflusses in ein wirbelndes Fließen,
wodurch I-lohlräume in dem Strom entstehen, während eine Schicht des Mittels an
der Wand des Kanals hängen bleibt. Im Falle eines Wärmeaustauschers zwischen den
Mitteln, von denen das eine im Innern der Rohre und das andere außen herum fließt,
verbleibt eine solche Schicht auf der äußeren «der inneren Fläche des Rohres und
bewirkt, da sie nicht erneuert wird, daß der Wärmeaustausch eingeschränkt und infolgedessen
der Wirkungsgrad des Austauschers verringert wird. Andererseits baten die Aushöhlungen
und Wirbel die Wirkung, die Durchtrittsverluste der Mittel zu vergrößern.
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Wenn man entsprechend der Erfindung in dem Strom der Mittel aufeinanderfolgende
Einschnürunge-n und Ausdehnungen im Durchtrittsquerschnitt vorsieht, so erhält man
bei relativ hohen Durchtritt.sgeschwindigkeiten ein Fließen des Mittels ohne Wirbelbildung
über die ganze Länge des Stromes.
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Außerdem sichert die Richtungsänderung in dem Strom des Mittels im
Augenblick, wo die Wirbelbildung erfolgen könnte, eine Aufrechterhaltung des Fließens,
die für den Wärmeaustausch sehr günstig ist, da infolge des Fortbestehens dieses
günstigen Fließens auf der ganzen Länge des Stromes die dünne, mit den Wänden in
Berührung stehende Schicht des strömendenNtittels vermindert und ständig erneuert
wird, ohne daß sich Aushöhlungen oder Wirbel bilden, und die Erneuerung dieser Schicht
ergibt bei einem Wärnieaustauscher eine Verbesserung des Wirkungsgrades, da der
Austausch der Wärme zwischen den beiden Mitteln dann leichter durch die Trennungswand
hindurch erfolgen kann.
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Man ersieht, daß gemäß der Erfindung die Richtungsänderung in der
Leitung sich entweder vor oder nach dem verengten Teil befindet. Diese Anordnung
bewirkt, die '-\,lögliclikeit der Entstehung von Wirbeln oderAushöhlungen imAugenblick,
wo die Richtungsänderung stattfindet, zu vermindern, da in den relativ vergrößerten
Teilen die Geschwindigkeit des :Mittels geringer ist als in den eingeschnürten Teilen.
Außerdem entspricht der Geschwindigkeitsverminderung an der Stelle, wo die Richtungsänderung
stattfindet, eine Vergrößerung des statischen Druckes an dieser Stelle, was den
Austausch der Wärme wiihrend des Richtungswechsels begünstigt.
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In den Zeichnungen sind als :'\usfülirungslieispiele zwei Wärmeaustauscher
dargestellt, und zwar ist Abb. i ein Schnitt durch einen aus Rohren bestehenden
Austauscher, die mit tangential gerichteten Rippen versehen sind; Abb2 zeigt im
Schnitt einen Austauscher nach dem Lamellensystem, bei dein die Wände, die die Mittel
voneinander trennen, gewellt sind; Abb. 3 ist ein Schnitt nach der Linie 111-11I
der Abb. 2.
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Wie man aus Abb. i erkennt, sind die Rohre a des Wärmeaustauschers
zylindrische Rohre, die in parallelen Reihen schachbrettartig versetzt zueinander
angeordnet sind. Diese Rohre werden im Innern von einem Mittel durchflossen, welches
seine Wärme mit einem anderen außen um die Rohre herumfließenden Mittel austauscht
und welches senkrecht oder annähernd senkrecht zur Achse der Rohre im Sinne der
Pfeile A fließt.
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jedes der Rohre a besitzt zwei Rippen b, c, die tangential gestellt
sind tuid die um i8o° gegeneinander versetzt an die Rohre angeschweißt sind und
dien Grundebene tangential zur zylindrischen Oberfläche des Rohres liegt.
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Die Rippen benachbarter Rohre berühren sich ein wenig und sind so
gestaltet, daß sie zwischen den Rohren Kanäle bilden, durch welche das äußere Mittel
A hindurchfließt, und deren Strömungs-
-ichtung senkrecht zu den
Rohrachsen verläuft. Diese Kanäle haben veränderlichen Querschnittund besitzen aufeinanderfolgende
Einschnürungen B, B'
und Richtungsänderungen.
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Nach der Erfindung sind die tangential gestellten Rippen so angeordnet,
daß von einer Einschnürung B anfangend bis zur stromaufwärts liegenden folgenden
Einschnürung B' der Kanal allmählich sich erweitert, und zwar einerseits nach
CD und andererseits nach EF. Man sichert so ein sehr günstiges Fließen des
Mittels A mit den Vorteilen, die für den Wärmeaustausch entstehen und für die Verminderung
der Verluste im Strom des Mittels selbst.
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Um den Kanal, der stromabwärts jeder Einschnürung B liegt,
divergierend nach CD und EF zu machen, müssen die auf den Rohren zu befestigenden
tangentialen Rippen ein verschiedenes Profil haben in der Weise, daB die oberen
Rippen c anders gestaltet sind als die unteren Rippen b. Die unteren Rippen b können
beispielsweise etwas weniger dick als die oberen Rippen c sein.
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In den Abb. 2 und 3 ist ein Wärmeaustauscher nach dem Lamellensystem
dargestellt, in welchem die beiden Mittel A und K, die die Wärme austauschen, also
nicht nur das äußere Mittel A allein, gezwungen werden, nach der vorliegenden Erfindung
zu fließen. Der Wärmeaustauscher nach diesen .Abbildungen zeigt eine Anordnung von
Blechplatten e, e', die beispielsweise annähernd parallel im Innern eines Kastens
f angeordnet sind. Ein solcher Wärmeaustauscher kann beispielsweise ein Lufterwärmer
sein, der von Luft durchflossen wird, die sich in Berührung mit heißen Gasen erwärmen
soll.
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Die Platten e, e' unterteilen das Innere des Kastens f in eine Anzahl
von parallelen Zwischenräumen. Die Zwischenräume g1, g2, g3, g4 werden von derLuft
durchflossen, während die dazwischenliegenden Räume hl, h2, h3, h4 von heißen
Gasen durchflossen werden. Der Wärmeaustausch geschieht durch die Blechplatten e,
e' hindurch.
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Alle von den Gasen durchflossenen Zwischenräume h stehen in Verbindung
mit der Eintrittsöffnung i und enden in der Austrittsöffnung j, wo
diese Gase A austreten. Die Zwischenräume g werden von der bei k in den Apparat
eintretenden Luft in Richtung des Pfeiles durchflossen und treten bei l aus. Bei
der vorliegenden Ausführungsform werden die Kanäle g1 bis g4 ebenso wie die Kanäle
li' bis 114 im Parallelstrom zueinander von Luft bzw. von den Gasen durchflossen,
aber man sieht, daß man diese Kanäle auch in Serie oder in Serie parallel schalten
kann.
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Die Bleche e, e', die die Kanäle h und g voneinallder trennen,
sind gewellt, und zwar senkrecht im Sinne der Bewegung der Luft und der Gase, wie
in der Abb. 2 durch Pfeile angedeutet ist. Es ergibt sich daraus, daß sowohl für
die Luft als auch für die Gase die Kanäle h und g Richtungsänderungen besitzen und
aufeinanderfolgende Einschnürungen H für die Kanäle h und G für die
Kanäle g. Gemäß der Erfindung sind zwischen jeder Einschnürung H eines Kanales h
und der folgenden Richtungsänderung die Bleche e, e' so gestaltet, daß die Kanalwände
im Sinne des Durchfließens der Gase durch die Kanäle h divergieren. Dasselbe geschieht
in den Kanälen g, aber im entgegengesetzten Sinne, da diese Kanäle von Luft im entgegengesetzten
Sinne durchflossen werden. Wenn man auf die Abb. 2 Bezug nimmt, so treffen die beispielsweise
im Sinne des Pfeiles A in den Kanal h eintretenden Gase auf eine erste Einschnürung
H, dann gehen sie zwischen den divergierenden Wänden hindurch bis zur Richtungsänderung
stromaufwärts der folgenden Einschnürung H1 und so fort; umgekehrt geht die in den
Kanal g2 im Sinne des Pfeiles K eintretende Luft hinter einer ersten Einschnürung
G zwischen den divergierenden Wänden hindurch bis zur Richtungsänderung, die der
folgenden Einschnürung G1 vorangeht, und so fort.
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Man sieht, daß die Verwirklichung solcher divergierenden Kanäle, die
abwechselnd in dem einen und in dem anderen Sinne gerichtet sind, wenn man von einem
Zwischenraum g zu einem Zwischenraum h übergeht, nur zwei verschiedene Gestaltungen
für die die Wärme trennenden Bleche benötigt, nämlich ein Blech e von einer Gestaltung,
die von der, des Bleches e' abweicht.
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Es ist ersichtlich, daß die beschriebene Anordnung ein Fließen der
Mittel im Gegenstrom ermöglicht, aber es ist klar, daß auch ein Fließen im Parallelstrom
erzielt werden kann.
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Es versteht sich von selbst, daß Abänderungen im einzelnen vorgenommen
werden können, ohne von dem Grundgedanken der Erfindung abzuweichen.