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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Für nebeneinanderliegende Führungsgehäuse 3 sind die Eintrittsschlitze
611 je einander gegenüberliegend angeordnet, während gleichfalls die Austrittsschlitze
6b einander gegenüberliegend angeordnet sind.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.