DE830350C - Waermeaustauscher - Google Patents

Waermeaustauscher

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DE830350C
DE830350C DEF4083A DEF0004083A DE830350C DE 830350 C DE830350 C DE 830350C DE F4083 A DEF4083 A DE F4083A DE F0004083 A DEF0004083 A DE F0004083A DE 830350 C DE830350 C DE 830350C
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DE
Germany
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heat exchange
guide
heat exchanger
heat
housing
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DEF4083A
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English (en)
Inventor
Dr-Ing Meyer S Frenkel
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Dr-Ing Meyer S Frenkel
Original Assignee
Dr-Ing Meyer S Frenkel
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/06Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Description

  • Wärmeaustauscher Vorliegende Erfindung bezieht sich auf Wärmeaustauscher, die dem Wärmeaustausch zwischen zwei fließenden Mitteln (Gasen, Dämpfen oder Flüssigkeiten), oder dem Wärmeaustausch zwischen einem durchfließenden Mittel und einem Heizungs-oder Kühlungselement dienen können.
  • Die Erfindung ist anwendbar z. B. auf alle Arten von Wärmeaustauschern, die in der chemischen Industrie und in der Ölraffinerie- und verwandten Industrien verwendet werden, für alle Heizungs-und Kühlungszwecke, für Verdampfer, Kondensatoren, Dampfkessel und Zubehör, Kühler für Verbrennungs'kraftmaschinen u. dgl. m.
  • Auch bezieht sich diese Erfindung auf Wärmeaustauscher, bei welchen die Bewegung von mindestens einem fließenden Mittel nur durch freie Wärmekonvektion bewirkt sein kann, so wie z. B. Kühlanlagen, in welchen Luft, die durch freie Wärmekonvektion bewegt wird, als Kühlmittel dient.
  • Die Idee, die vorliegender Erfindung unterliegt, ist auf Phänomene im Wärmeübergang in ein oder von einem fließenden Mittel basiert, auf die klarheitshalber kurz eingegangen werden soll, bevor zu der Beschreibung der Erfindung selbst geschritten wird.
  • Der Wärmeübergang zwischen einem Mittel und den Wänden, zwischen-denen es fließt, findet hauptsächlich mit den Schichten des Stromes statt, die den Wärmeaustauschwänden benachbart fließen, während die von den Wänden entfernt fließenden Schichten, d. h. die inneren Schichten des Stromes, an dem Wärmeaustausch nur in kleinem Ausmaß teilnehmen.
  • Das ist damit begründet, daß in den meisten Fällen der Wärmefluß innerhalb des Mittels selbst nur zum kleinsten Teil durch Wärmeleitung vor sich geht (besonders bei Gasen), und sich daher der Wärmefluß in die oder von den inneren Flußschichten des Stromes durch die Fortbewegung und Mischung von Teilchen, die z. B. eine höhere Temperatur bekommen haben (Wärmekonvektion), abspielt.
  • In Kanälen mit irgendwelcher Querschnittsform treten sogar bei Flußgeschwindigkeiten, bei welchen große Turbulenz herrscht, die Wirbel zum größten Teile nur in dünnen Schichten auf, die den Kanalwänden benachbart. sind, während die Wirbel mit wachsendem Abstand von den Wänden (zur Mitte des Stromes zu) sehr rasch abfallen. Daher findet gegenseitige Mischung von Teilchen des Mittels hauptsächlich in diesen dünnen Schichten in der Nähe der Wände statt, während in den Mittelschichteneines Stromes kaum gegenseitige Mischung der Teilchen stattfindet, so daß, besonders für schlecht wärmeleitende Mittel, die mittleren Stromschichten kaum an einem Wärmeaustausch teilnehmen.
  • In Übersicht ergibt sich, daß sogar bei stark turbulenter Strömung in den mittleren Stromschichten überhaupt kaum gegenseitige Mischung der Teilchen des Mittels stattfindet, während in den stark durchwirbelten dünnen Schichten in Wandnähe drei vom Wärmeübergangsstandpunkt verschiedene Arten von Mischung stattfinden, nämlich i. gegenseitige Mischung derjenigen Teilchen, die schon am Wärmeübergang teilgenommen haben; a. gegenseitige Mischung derjenigen Teilchen, die noch nicht am Wärmeübergang teilgenommen haben, welche beiden Arten von Mischung für die Förderung des Wärmeüberganges nutzlos sind, und 3. gegenseitige Mischung von Teilchen, die schon am Wärmeübergang teilgenommen haben, und solchen, die noch nicht am Wärmeübergang teilgenommen haben, welch letztere Mischungsart nur in kleinerem Ausmaße vorkommt, aber die einzige ist, die für den Wärmeübergang von Nutzen ist.
  • Infolgedessen werden beim Austritt von einem Kanal eines Wärmeaustauschers die Schichten, die in unmittelbarer Wandnähe geflossen sind, eine viel größere Temperaturveränderung in bezug auf die Anfangstemperatur her erfahren haben als die mittleren Stromschichten, so daß das Temperaturmittel über den Austrittsquerschnitt genommen zwar einen gewünschten Wert ergeben mag, die einzelnen Stromschichten selbst aber sehr ungleich an dem Wärmeaustausch teilgenommen haben werden.
  • Da die in Wandnähe fließende Stromschicht eine Temperaturveränderung erfahren hat, die weit über die der gewünschten Mitteltemperatur beim Austritt hinausgeht, wird die Temperaturdifferenz zwischen den in Wandnähe fließenden Schichten der beiden am Wärmeaustausch teilnehmenden Mittel über den größten Teil des Stromweges bis zum Austritt auf viel kleinere Werte fallen, als zur Erreichung der gewünschten Austrittstemperatur in der in Wandnähe fließenden Schichten nötig wäre, so daß daher der Mittelwert der Temperaturdifferenz der Mittel an der Wärmeaustauschwand, über die Gesamtfläche genommen, sehr klein ist, und damit auch der davon abhängige Wärmeaustausch pro Flächeneinheit der Trennwand pro Einheit der Differenz zwischen der mittleren Temperatur der Mittel, die am Wärmeaustausch teilnehmen, sehr klein ist.
  • Um Übertragungen von bestimmten Wärmemengen in Wärmeaustauschkanälen zu erzielen, sind aus den oben angedeuteten Gründen unverhältnismäßig große Flächen von Wärmeaustauschwand erforderlich, während beim Austritt von solchen Kanälen doch die Temperaturverteilung über den Stromquerschnitt im allgemeinen sehr ungleichmäßig ist.
  • Weiterhin werden, trotz der verhältnismäßigen Wirkungslosigkeit von großer Turbulenz, in vielen jetzigen Konstruktionen dadurch bedingte große Druckverluste der durchfließenden Flüssigkeiten in Kauf genommen, und das gleiche läßt sich für die sehr engen Wärmeaustauschkanäle sagen, die in vielen Konstruktionen vorkommen, bei «-elchen noch der zusätzliche Nachteil vorkommt, daß unbewegliche Flüssigkeitsschichten, die der Wand anhaften, durch die große Nähe der gegenüberliegenden Wand verdickt werden, und dadurch die wärmeflußhindernde Wirkung solch unbeweglicher Schichten verstärkt wird.
  • Die Erfindung ermöglicht, Wärmeaustauscher zu schaffen, bei denen bei einem Mittel, das an einer Wärmeaustauschwand entlang fließt, die Stromgchichten so geführt werden, daß die Temperaturdifferenz durch diese Wand zu einem zweiten, am Wärmeaustausch teilnehmenden Mittel über die ganze Oberfläche der Wärmeaustauschwand relativ hochgehalten wird, so daß der Mittelwert des Wärmedurchganges pro Oberflächeneinheit der Trennwand pro Einheit des Unterschiedes der mittleren Temperaturen der beteiligten Mittel im Vergleich zu bisherigen Konstruktionen beträchtlich vergrößert wird, und bei welchen weiterhin alle Stromschichten beim Durchfluß ungefähr gleiche Temperaturveränderungen erfahren können.
  • Dies kann sowohl für Ströme, die innerhalb von Wärmeaustauschkanälen mit in sich geschlossenem Querschnitt fließen (z. B. in Röhren), sowie für Ströme, die außerhalb von Wärmeaustauschelementen fließen (z. B. um die Außenseiten von Rohren eines Bündels), oder auch für Fälle von Wärmeaustausch zwischen zwei Mitteln erreicht Werden, von denen eines nur eine kleine spezifische Wärme pro Volumeinheit hat verglichen mit den anderen am Wärmeaustausch beteiligten Mitteln, oder in welchen eines der Mittel nur eine Temperaturveränderung erfahren soll, die selhr klein ist im Vergleich mit der, die das zweite 'Mittel erfahren soll.
  • Weiterhin ermöglicht die Erfindung, Konstruktionen zu liefern, durch welche große Wärmemengen übertragen werden können in Fällen, wo eines der beteiligten Mittel sich größtenteils oder ganz durch die Wirkung der freien Wärmekonvektion bewegt, so daß äußere Bewegungsmittel, wie z. B. Pumpen, wegfallen, ohne daß übermäßiggroßeOberflächen von Wärmeaustauschwand erforderlich sind, was z. B. Konstruktionen von Großleistungsluftkühlern ohne äußere Antriebsmittel und ohne übergroße Flächen einschließt.
  • Die Erfindung sieht nun an mindestens einer Stelle des Stromes eines Mittels eine Führungsvorrichtung vor, welche Schichten dieses Mittels, die bis dahin in unmittelbarer Wandnähe fließen und ihren Teil am Wärmeaustausch genommen haben, von der Wärmeaustauschwand weggeführt und welche andere Schichten des Mittels, die noch nicht in Wandnähe geflossen sind und daher noch fast ihre ursprüngliche Temperatur haben können, in die Nähe der Wärmeaustauschwand führt. Ein solcher Schichtenaustausch kann z. B. bewirken, erstens, daß die Temperatur der in Wandnähe fließenden Schicht nicht über den beim Austritt gewünschten Wert hinaus verändert wird, was ohne diesen Schichtenaustausch vorkommen müßte, um die erwünschte Austrittsmitteltemperatur zu erreichen, und wodurch die Temperaturdifferenz durch die Wärmeaustauschwand beim weiteren Fluß unnötig verkleinert werden würde, und zweitens, daß durch das In-Wandnähe-Bringen einer Schicht mit fast der Eintrittstemperatur des Mittels die Temperaturdifferenz durch die Wand wieder fast auf ihren ursprünglichen Größtwert gebracht wird.
  • Vorrichtungen, die solchen Schichtenaustausch bewirken, können beliebig oft längs des Stromweges eines Mittels angebracht werden, so daß dadurch die Temperaturdifferenz durch die Wärmeaustauschwand, im Mittelwert über die Gesamtwandoberfläche, viel höher als in bisherigen Konstruktionen gehalten wird, wodurch auch der mittlere Wärmedurchfluß pro Oberflächeneinheit der Austauschwand pro Einheit der Differenz zwischen den mittleren Temperaturen der am Wärmeaustausch beteiligten beträchtlich höher als bei bisherigen Konstruktionen wird.
  • Diese positiven Wirkungen von Schichtenaustauschvorrichtungen nach der Erfindung können in bestimmten Beispielen noch erhöht werden durch weitere Phänomene, insbesondere mit Bezug auf die Geschwindigkeitsverteilung in den in Wandnähe fließenden Schichten, und auf die Verkleinerung des :Mittelwertes der Dicke der der Wand anhaftenden unbeweglichen Schichten, die wärmeisolierend wirken, auf die aber (hier nicht weiter eingegangen werden kann.
  • Der Erfindung gemäß ist ein Wärmeaustauscher mit mindestens einer Reihe von Wärmeaustauschelementen, die von einem am Wärmeaustausch teilnehmenden Mittel an der Außenseite ihrer Wärmeaustauschwände umflossen werden, dadurch gekennzeichnet, daß um diese Reihe von Wärmeaustauschelementen ein Führungsgehäuse angeordnet ist, welches an einem Ende eine Eintrittsöffnung und am anderen Ende eine Austrittsöffnung für jenes Mittel hat, und welches Führungsgehäuse weiteeltin mindestens eine Führungsvorrichtung mit einem Eintritts- und einem Austrittsteil zwischen den obenerwähnten Endöffnungen hat, welche Führungsvorrichtung in einer Position entlang der Länge mindestens eines der Wärmeaustauschelemente der Reihe gelegen ist, um Schichten des Mittels, die in unmittelbarer Wärmeaustauschwandnä'he eins Teils von mindestens einem der. Elemente innerhalb des Führungsgehäuses geflossen sind, von diesem Element weg zur Außenseite des Gehäuses zu führen, und um Flüssigkeitsschichten, die außerhalb des Gehäuses geflossen sind und noch nicht mit Wärmeaustauschelementen in Berührung waren, in unmittelbarer Wärmeaustauschwandnähe mit der Fortsetzung mindestens dieses einen Elementes zu führen.
  • Weiterhin kann erfindungsgemäß ein solches Führungsgehäuse als Führungsvorrichtung desselben einen Eintritts- und einen Austrittsschlitz in gegenüberliegenden Seitenwänden, sowie eine Führungswand haben, welche Führungswand eine Kante des Eintrittsschlitzes mit der diagonal gegenüberliegenden Kante des Austrittsschlitzes in einem allmählichen Übergang verbindet.
  • Erfindungsgemäß ist ein Wärmeaustauscher mit einer Anzahl von Reihen von Wärmeaustauschelementen, die von einem am Wärmeaustausch teilnehmenden Mittel an ihren Außenseiten umflossen werden, dadurch gekennzeichnet, daß um jede Reihe von Elementen ein Führungsgehäuse angeordnet ist, welches an einem Ende eine Eintritts- und am anderen Ende eine Austrittsöffnung für dieses Mittel hat, und welches Führungsgehäuse weiterhin eine Anzahl von Führungsvorrichtungen mit je einer Eintritts- und Austrittsöffnung in jeweilig denselben, einander gegenüberliegenden Seitenwänden des Führungsgehäuses und mit einer diese verbindenden Führungswand hat, welche Flüssigkeitsschichten, die in unmittelbarer Wandnähe der Elemente im Führungsgehäuse geflossen sind, nach einer Seite des Führungsgehäuses durch die Austrittsöffnungen herausführen, und welche Flüssigkeitsschichten, die auf einer Seite des Führungsgehäuses außerhalb desselben geflossen sind, durch ihre Eintrittsöffnungen in das Gehäuse und somit in Wärmeaustauschwandnähe der Elemente der Reihe führen, daß weiterhin die Reihen von Wärmeaustauschele.menten, jeweilig umgeben von ihren Führungsgehäusen, auf solche Weise arrangiert sind, daß für nebeneinanderliegende Führungsgehäuse die Eintritts- und Austrittsöffnungen der Führungsvorrichtungen in den Gehäusewänden einander jeweilig gegenüber liegen, so daß in jedem zweiten, zwischen den Führungsgehäusen gebildeten Raume Mediumschichten fließen, die schon am Wärmeaustausch teilgenommen haben, während in jedem anderen solchen Raume Mediumschichteh fließen, die noch nicht am Wärmeaustausch teilgenommen haben, und daß weiterhin Trenn- und Ablenkungswände so angebracht sind an den Enden und Seiten der zwischen den Führungsgehäusen gebildeten Räume, daß keine Mediumschichten in Räume, in die schon am Wärmeaustausch teilgenommen habende Mediumschichten fließen, gelangen können, ohne durch einen Teil des Führungsgehäuses in unmittelbarer Nähe der Wärmeaustausdhelemente geflossen zu sein.
  • Im folgenden werden eine Anzahl Beispiele von Ausführungen der vorliegenden Erfindung beschrieben, mit Bezugnahme auf die Zeichnung, in welcher # darstellen Fig. i einen Vertikalschnitt einer Konstruktion, welche die Anwendung der Erfindung auf die Außenoberflächen von Röhrenreihen eines Bündels illustriert, Fig. 2 einen Horizontalschnitt entlang der in Fig. i eingetragenen Linien II-II, Fig. 3 eine Ansicht, teilweise im Schnitt, eines weiteren Beispieles, das die Anwendung der Erfindung auf den Fluß eines Wärmeaustauschmediums entlang der Außenoberflächen von Röhrenreihen zeigt, gedacht als Luftkühler, bei welchem die Luft sich nur wegen der freien Wärmekonvektion bewegt.
  • Die im folgenden beschriebenen Vorrichtungen bewirken !hauptsächlich Schichtenaustausch an den Außenoberflächen von Wärmeaustauschelementen, so wie z. B. bei Strömen, die die Außenoberflächen der Röhren eines Bündels bestreichen.
  • Obwohl in den Grundvorgängen die Flußvorgänge dieselben wie oben angegeben sind, sind beim Fließen von Mitteln außerhalb einer Anzahl von Wärmeaustauschelementen vom Standpunkte der Wärmeübertragung u. a. eine Reihe Faktoren in Betracht zu ziehen, die bei Fluß innerhalb von Wärmeaustauschkanälen keine besondere Beachtung benötigen.
  • Diese werden im Anschluß an die Beschreibung der Wirkungsweise der im folgenden beschriebenen Beispiele der Erfindung kurz erläutert werden, insbesondere mit Hinsicht auf die Verwendung solcher Konstruktionen als Großleistungswärmeaustauscher, bei denen mindestens eines der beteiligten Mittel sich nur wegen der freien Wärmekonvektion bewegt, wie z. B. bei gebläselosen Luftkühlern für größe Wärmeabgabe, die aber trotzdem von ökonomischer Größe, d. h. nicht zu groß sind.
  • In dem Beispiel, welches in Fig. i und 2 dargestellt ist, bezeichnet i ein oben und unten offenes Außengehäuse, in welchem eine Anzahl Reihen von Wärmeaustauschröhren z enthalten sind, wobei jede ,Reihe Röhren von einem gleichfalls oben und unten offenen Führungsgehäuse 3 umgeben ist. Die Röhren jeder Reihe münden oben und unten in Behälter ,4 .und 5, von welchen je ein Paar für jede Reihe Röhren vorgesehen ist.
  • In verschiedenen Höhen ist dieses Führungsgehäuse 3 auf einer Seite mit horizontal über seine ganze Breite laufenden Eintrittsschlitzen 6a und auf der gegenüberliegenden Seite mit Austrittsschlitzen 6b versehen, und das Gehäuse 3 ist am unteren Rand bei jedem Eintrittsschlitz 6a bei 7 in das Gehäuse umgebogen, während es über jedem Schlitz 6b bei 8 nach innen in das Gehäuse umgebogen ist, derart"daß die Stücke 7 und 8 die Röhren der betreffenden Reihe direkt berühren, ineinander übergehen, und eine Führungswand für das Mittel, das außerhalb der Röhrenreihe fließt, bilden. Genauer gesagt, eine solche Führungswand verbindet die eine Kante eines solchen Eintrittsschlitzes 6a mit der diagonal gegenüberliegenden Kante des Austrittsschlitzes 66 in einem allmählichen Übergang, wo dann die Führungswand mit einer ihrer Seitenflächen Schichten des Mittels, die in unmittelbarer Wandnälhe von Teilen der Wärmeaustauschelemente einer Reihe innerhalb des Führungsgehäuses geflossen sind, nach einer Seite aus dem Gehäuse herausführen, und welche Führungswand mit ihrer anderen Seitenfläche Schichten, die auf der anderen Seite des Gehäuses außerhalb desselben geflossen sind, in das Gehäuse in unmittelbare Nähe der Fortsetzungen jener Teile der Wärmeaustauscnelemente führt.
  • Für nebeneinanderliegende Führungsgehäuse 3 sind die Eintrittsschlitze 611 je einander gegenüberliegend angeordnet, während gleichfalls die Austrittsschlitze 6b einander gegenüberliegend angeordnet sind.
  • Am unteren Ende jedes zweiten Raumes, zwischen den Gehäusen 3, in den die Schlitze 6b münden und der mit 12b bezeichnet ist, sind Abschlußplatten 9 angeordnet, welche, zusammen mit ebenfalls an diesem Ende befindlichen Seitenwänden io die Räume 12b unten von dem vom Außengehäuse i umschlossenen Raume abtrennen, und ihm nur Ausgang nach oben frei lassen.
  • Am oberen Ende der anderen Räume zwischen den Führungsgehäusen 3, in welche Räume die Schlitze 6a einmünden und welche Räume mit 12a bezeichnet werden, sind ebenfalls Abschlußplatten 'i i angebracht, welche sich gleich wie die Abschlußplatten 9 und die Seitenwände io bis zur Wand des Gehäuses i erstrecken und auf diese Weise den Raum 16a unter dem Wärmeaustauscher als solchen von dem Raum 16b über dem Wärmeaustauscher als solchen von dem Raum 16b über dem Wärmeaustauscher abtrennen. Weiterhin könnte jede Wärmeaustauschröhre 2 eine innere Röhre von kleinerem Durchmesser enthalten, die an beiden Enden offen ist und durch die Behälter 4 und 5 durchgeführt, und welche von dem Wärmeaustauschmittel durchflossen werden könnte, welches außerhalb der Röhren 2 fließt.
  • Die oben beschriebene Konstruktion funktioniert wie folgt: Angenommen, die Konstruktion stellte z. B. einen Luftwärmer dar, dann werden die oberen Behälter 5 die Eintrittsbehälter für eine heiße Flüssigkeit, wie z. B. Wasser, darstellen, von welchen Behältern aus in diesem Falle das heiße Wasser durch die Röhren 2 nach unten fließt, und, nachdem es Wärme an die außen fließende Luft abgegeben 'hat, durch die Behälter ,4 den Wärmeaustauscher verläßt.
  • Die Luft fließt zum Teil in die offenen unteren Enden eines jeden Führungsgehäuses 3 hinein, und da sie durch die Anordnung der Röhren in Reihen, von denen jede ihren eigenen Eintritts- und Austrittsbehälter hat, welche Behälter gegeneinander in 'horizontaler und teilweise auch in vertikaler Richtung versetzt sind, gleichmäßig Zutritt zu allen Eingängen am unteren Ende des Gehäuses hat, findet der Luftfluh gleichmäßig für jede Röhrenreihe und auch an jeder Stelle des Umfanges jeder einzelnen Röhre statt. Das ist für die Erreichung einer großen Wärmeübertragung pro Flächeneinheit der Austauschwand und pro Einheit der Differenz zwischen den Mitteltemperaturen von Wasser und Luft beziehungsweise eine wichtige Vorbedingung.
  • Wenn nun die Luftschicht, die in dem Führungsgehäuse 3 an der Außenseite aller Röhren der Reihe vorbeigeflossen ist und ihren Anteil am Wärmeaustausch genommen hat, wobei die Luft als Mittel mit relativ zum Wasser sehr kleiner spezifischer Wärme pro Volumeimlieit nach kurzer Strecke ihre gewünschte Temperaturveränderung erfahren haben wird, so daß die Temperaturdifferenz zwischen der Luft und dem Wasser auf beiden Seiten der Rohrwände gesunken ist, die Führungsvorrichtung an den Stellen 7 und 8 erreicht, wird sie durch die Austrittsschlitze 66 in die Räume 12b zwischen benachbarten Gehäusen 3 geleitet, wo sie weiter keinen Teil am Wärmeaustausch mehr nimmt.
  • Gleichzeitig sind aber größere Luftmengen in die unten und seitwärts offenen Räume 12a zwischen den Gehäusen 3 hineingeflossen, die beim Passieren der ersten Schlitze 611 am Wärmeaustausch noch keinen Teil genommen haben, und von denen die Außenschichten darin durch Eintrittsschlitze 6a in die nächsthöhere Abteilung der zu beiden Seiten der Räume i 2a liegenden Führungsgehäuse 3 fließen, wo sie ihren Teil am Wärmeaustausch durch die Röhrenwände nehmen und dann selbst durch die nächsthöheren Austrittsschlitze 6b in die Austrittsräume 12b fließen.
  • In der in Fig. i und 2 gezeigten Anordnung geschieht dieses nun in verschiedenen Höhen der Röhren 2. Luft, die in den Wärmeaustauscher von unten 'hineinfließt, ist durch Abschlußplatten 9 und Seitenwände io daran verhindert, direkt in die Austrittsräume 12beinzutreten, inwelchensomitnurLuft fließt, die durch die betreffenden Austrittsschlitze 6b in diese eingeflossen ist und die schon am Wärmeaustausch teilgenommen hat, welche Luftschichten dann durch die oberen Öffnungen der Räume i2b in den Raum 16b des Außengehäuses i oberhalb des Wärmeaustauschers fließen. Durch die Abschlußplatte i i wird direkter Eintritt von Luftschichten, die noch nicht am Wärmeaustausch teilgenommen haben, in den Raum 16b verhindert, so daß ganz allgemein die Anordnung der Führungsgehäuse 3 und der Abschlußplatten bewirkt, daß Luft nur nach Durchfließen von Räumen innerhalb der Führungsgehäuse 3, wo sie mit Wärmeaustauschwänden in Berührung kommt, in diesen Raum 16b über den Wärmeaustauscher hineinkommen kann.
  • Weitere Eigenschaften dieser Konstruktion werden besser anschaulich bei gleichzeitiger Bezugnahme auf (las in Fig. 3 gezeigte Beispiel, welches mit dem in Fig. i und 2 gezeigten identisch ist, mit Ausnahme dessen, daß das äußere Gehäuse i sich nur so weit nach unten erstreckt, als nötig ist, um Austrittsräume 12b für die Luft von der äußeren Umgebung abzuschließen. Diese Ausführung ist für Wärmeabgabe an Luft oder ein anderes Ga: gedacht, welches sich nur infolge freier Wärmekonvektion aufwärts bewegt, im Gegensatz zu der in Fig. i und 2 gezeigten Konstruktion, in welcher die Luft, oder auch ein anderes am Wärmeaustauscr teilnehmendes Mittel durch ein Gebläse oder eine Pumpe getrieben gedacht ist. Das in Fig. 3 gezeigte Beispiel ist oberhalb des Wärmeaustauschers mit einem an das obere Ende des Gehäuses i anschließenden Kamin 17 versehen, welcher dazu dient, durch einen zusätzlichen Zug der Luft eine größere Geschwindigkeit an den Wärmeaustauschwänden entlang zu verleihen, als es durch freie Wärmekonvektion ohne Kamin möglich wäre.
  • Fig.3 verdeutlicht weiter das Funktionieren des betreffenden Wärmeaustauschers, indem für die links gelegene Reihe von Röhren ein Schnitt durch den Raum zwischen den Röhren dieser Reihe dargestellt ist, worin durchPfeile der dort stattfindende Luftfluß angedeutet ist, während für die zweite Reihe von links ein Schnitt durch die Mittellinie der Röhren gezeigt ist, wo hier auch durch Pfeile sowohl der Fluß des Wassers in den Röhren 2, sowie der Fluß der Luft aufwärts im Führungsgehäuse 3 außerhalb der Röhren 2 angedeutet ist.
  • Die Bedeutung von Konstruktionen nach dieser Bauart mit Hinsicht auf Bewegung der Luft oder einem anderen Mittel nur wegen der freien Wärmekonvektionen wird durch folgende Betrachtungen geklärt werden: Um effektive Teilnahme einer Schicht des Mittels am Wärmeübergang zu bewirken, muß eine solche Schicht von kleiner Dicke gehalten werden, was in diesen Konstruktionen durch entsprechende Bemessung des Führungsgehäuses.3 erreicht wird.
  • Eine solche Führung bedingt nun für den Fluß des betreffenden Mittels ein sehr großes Verhältnis zwischen benetztem Umfange U und Flußquerschnittsfläche A, was, wie eine Betrachtung der Reibungsformel zeigen wird, einen sehr großen Reibungsverlust mit sich bringt, da der Faktor sowohl als direkter Proportionalitätsfaktor, wie auch als Faktor in dem Reibungskoeffizienten vorkommt, so daß Reibungsverluste mehr als proportional mit dem Faktor steigen.
  • Diese Faktoren beeinflussen die Entwicklung der Flußgeschwindigkeit durch freie Wärmekonvektion in solchen engen Kanälen dahingehend, daß die Geschwindigkeit, abgesehen vom Einfluß der Temperaturdifferenz durch die Wärmeaustauschwand, mit steigender Höhe des Kanals nur bis zu einer bestimmten Grenze wächst, die von dem Verhältnis abhängig ist, während bei größerer Höhe des Wärmeaustauschkanals die Flußgeschwindigkeit sich nicht weiter vergrößert. Abgesehen davon also, daß nach einem gewissen Fluß in Wandnähe der spezifische Wärmedurchfluß durch die Wand wegen starken Absinkens der Temperaturdifferenz durch die Wand sehr stark fällt, hat weiteres Fließen der Schichten in Wandnähe auch deshalb keinen Sinn, weil die Flußgeschwindigkeit wegen der freien Wärmekonvektion in dem Kanal mit großem -Verhältnis sowieso nicht weiter steigen kann, nachdem die Grenzhöhe erreicht ist.
  • Deshalb wird im Apparat nach Fig. 3 abgesehen davon, daß es zur Hochhaltung der Temperaturdifferenz durch die Austauschwand- notwendig ist, eine Schicht nach einer bestimmten Höhe von Fluß in Wandnähe wegzubringen, eine solche Schicht von dieser weggeführt in einen Kanal wie 12b, der ein viel kleineres --Verhältnis hat, damit jetzt einer neuen Schicht im Wärmeaustauschkanal die größtmögliche Geschwindigkeitsvergrößerung gegeben werden kann, während die Schicht, die aus dem Wärmeaustauschkanal mit dem großen -Verhältnis weggeführt worden ist, in dem Austrittskanal mit dem kleinen -Verhältnis durch ihren Auftrieb infolge der viel kleineren Reibungswiderstände ihre Geschwindigkeit wieder vergrößert.
  • Auf diese Weise wird die Wirkung der freien Wärmekonvektion zur Fortbewegung des außerhalb der Röhren fließenden Mittels ausgenutzt, ganz abgesehen von der zusätzlichen Zugwirkung' des Kamins.
  • Was die Einheitlichkeit der Erwärmung der Luft anbelangt, so ergibt die Betrachtung der Wirkungsweise der Konstruktion nach Fig. 3, daß Luftschichten, die am unteren Ende der Röhren erwärmt werden, wo die Temperaturdifferenz von dem schon. abgekühlten Wasser zu der Luft nicht so groß ist, bei ihrem Flusse in i2b in den verschiedenen Austrittsschlitzen 6b vorbei immer mit daraus hervortretenden Luftschichten vermischt wird, die bei immer größer werdenden Temperaturdifferenzen durch die Rohrwand erwärmt worden sind, so daß auf diese Weise die weniger stark erhitzten Luftschichten auf ihrem Wege mit stärker erhitzten Luftschichten vermischt werden, und die Luft die Austrittskanäle 12b mit gleichmäßiger Austrittstemperatur verläßt. Diese Wirkung kann natürlich noch genauer erzielt werden dadurch, daß die Längen der verschiedenen Teilstromwege, während deren eine Luftschicht direkt am Wärmeaustausch teilnimmt, so verschieden bemessen werden, daß die betreffenden Luftschichten alle mit ungefähr derselben Temperatur aus den Schlitzen 6b austreten.
  • Es wird aus den vorhergehenden Beschreibungen klargeworden sein, daß man eine Reihe von Wärmeaustauschelementen, z. B. Röhren, dahingehend definieren kann, daß sie eine Ansammlung von Elementen darstellt, deren Mittellinien auf einer Fläche liegen, die mindestens in einer Richtung einander parallele geradlinige Erzeugende hat, in der Richtung nämlich, welche ungefähr mit der mittleren Geschwindigkeitsrichtung des außenhalb der Elemente fließenden Mittels zusammenfällt, also z. B. senkrecht ist. Die Reihe kann somit auch krummlinig, z. B. kreisförmig sein.
  • Obwohl bei den beschriebenen Beispielen die Ebenen von Elementreihen immer vertikal und einander parallel gezeigt sind, inuß es erklärt werden, daß solche Ebenen auch anderswie gerichtet sein können, besonders für Fälle, in welchen das außerhalb der Elemente, z. B. der Röhren, fließende Mittel irgendwie mechanisch durch Purripen oder Gebläse getrieben wird. Weiterhin müssen solche Ebenen für nebeneinanderliegende Reihen auch keineswegs parallel sein, sondern es ist sogar ein Vorteil, wenn nebeneinanderliegende Reihen so gegeneinandergeneigt sind, daß Eintrittskanäle i24 zwischen Gehäusen 3 in der Flußriclitung des außerhalb der Röhren fließenden Mittels immer kleiner werdende Querschnitte haben, -,während die Querschnitte von Austrittskanälen 12b in dieser Richtung größer werden.

Claims (13)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Wärmeaustauscher finit mindestens einer Reihe von Wärmeaustauschelementen, die außen von dem einen Wärnieaustauschmittel umflossen werden, dadurch gekennzeichnet, daß um diese Reihe von Wärmeaustauschelementen (2) ein Führungsgehäuse (3) angeordnet ist, welches an einem Ende eine Eintrittsöffnung und am anderen Ende eine Austrittsöffnung für das genannte Wärmeaustauschinittel hat und welches weiterhin mindestens eine Führungsvorrichtung mit einem Eintritts- (6a) und einem Austrittsteil (6b) zwischen den obenerwähnten Endöffnungen hat, um Schichten des Wärmeaustauschmittels, die in unmittelbarer Nähe eines Teils der Wärmeaustauschwand von mindestens einem der Wärmeaustauschelemente geflossen sind, von diesem Element weg zur Außenseite des Führungsgehäuses zu führen, und um Schichten des Wärmeaustauschmittels, die außerhalb des Führungsgehäuses geflossen sind und noch nicht mit Wärmeaustauschelementen in Berührung waren, in unmittelbare Nähe der Wärmeaustauschwand zu führen.
  2. 2. Wärmeaustauscher nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintritts- und der Austrittsteil mindestens einer Führungsvorrichtung eines Führungsgehäuses mindestens ein Wärmeaustauschelement der Reihe unmittelbar berühren.
  3. 3. Wärmeaustauscher nach Ansprüchen i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintritts- und der Austrittsteil der Führungsvorrichtung eines Führungsgehäuses an einander gegenüberliegenden Wänden des Führungsgehäuses angeordnet sind. .
  4. 4. Wärmeaustauscher nach Ansprüchen i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Eintritts- wie auch der Austrittsteil mindestens einer Führungsvorrichtung sich über die gesamte Breite der Seitenwände des Führungsgehäuses erstrecken.
  5. 5. Wärmeaustauscher nach Ansprüchen i bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei gegenüberliegenden Ein- und Austrittsteilen der Führungsvorrichtung die eine Kante des Eintrittsschlitzes mit der diagonal gegenüberliegenden Kante des Austrittsschlitzes verbunden ist.
  6. 6. Wärmeaustauscher nach Anspruch i mit einer Anzahl von Reihen von Wärmeaustauscheleinenten, dadurch gekennzeichnet, daß um jede Reihe der Wärmeaustauschelemente ein Führungsgehäuse (3) angeordnet ist, in dessen gegenüberliegenden Seitenwänden eine Anzahl von Führungsvorrichtungen mit je einer Eintritts- und einer Austrittsöffnung so angeordnet sind, daß für nebeneinanderliegende Führungsgehäuse die Eintritts- bzw. die Austrittsöffnungen (66, 6°) der Führungsvorrichtungen in den Gehäusewänden einander jeweilig gegenüberliegen, so daß in jedem zweiten, zwischen den Führungsgehäusen gebildeten Raume Schichten fließen, die schon am Wärmeaustausch teilgenommen haben, während in jedem anderen zwischen den Führungsgehäusen gebildeten Raume Schichten fließen, die noch nicht am Wärmeaustausch teilgenommen haben.
  7. 7. Wärmeaustauscher nach Ansprüchen i und 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hauptgehäuse (i) die Reihen von Wärmeaustauschelementen mit ihren Führungsgebäusen (3) umhüllt, und daß Abschlußplatten (9, 11) an den Enden und Seiten der zwischen den Führungsgehäusen gebildeten Räume sich zur Wand des Hauptgehäuses hin erstrecken. B.
  8. Wärmeaustauscher nach Ansprüchen 1, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittellinien der Wärmeaustauschelemente (2) in einer t»rgefiihr senkrechten Ebene liegen, daß das :%-littel, welches diese Elemente umfließt, nur infolge Wärmekonvektion nach oben strömt, und daß das Hauptgehäuse, welches den Wärmeaustauscher umgibt, an dem oberen Ende in einen Kamin übergeht.
  9. 9. Wärmeaustauscher nach Ansprüchen 1, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittellinien der Wärmeaustauschelemente (2) einer Reihe so geneigt zu denen einer anderen Reihe angeordnet sind, daß die Querschnitte zwischen je zwei Führungsgehäusen nach oben abnehmen. io.
  10. Wärmeaustauscher nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauschelemente einer Reihe Röhren (2) sind, die von einem zweiten, am Wärmeaustausch teilnehmenden Mittel innen durchflossen werden. i i.
  11. Wärmeaustauscher nach Ansprüchen i und 6, dadurch gekennzeichnet, daß alle Wärmeaustauschelemente Röhren sind, die von einem zweiten, am Wärmeaustausch teilnehmenden Mittel innen durchflossen werden.
  12. 12. Wärmeaustauscher nach Ansprüchen 1, 6 und i i, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauschröhren mit Innenröhren von kleinerem Durchmesser versehen sind, welche in ein Hauptgehäuse für das außerhalb der Röhren fließende Wärmeaustauschmittel münden und von diesem durchflossen werden.
  13. 13. Wärmeaustauscher nach Ansprüchen 1, 6 und i i, dadurch gekennzeichnet, daß für das innerhalb der Röhren fließende zweite Wärmeaustauschmittel mindestens ein Schichtenaustauscbapparat angeordnet ist.
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