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Verfahren und Vorrichtung zur Wärmeübertragung Die vorlicgeirde Ertindung
bezieht sich allgemein auf Wärmeaustauscher, insbesondere aber auf Lutterhitzer
für zentrale oder auch örtliche Beheizunä von Räumen, mit oder ohne Gebläsebetrieb.
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Bei den bisher bekannten Wärmeaustauscherr versuchte man in der Regel,
die von den Heizgasen umspülten Heizflächen in irgendeiner Form ztr vergröl5crn,
um einerseits einen besseren Wirkungsgrad und anderseits eine größere Wärmeleistung
des Erhitzers zu erzielen. Diese Vergrößerung der Heizflächen erfolgte beispielsweise
durch Ein- oder Anbauten von Heizkanälen, Rippen od. dgl. oder aber durch eine Verlängerung
der Rohrleitungen. Man ging hierbei immer davon aus, die Heizfläche des Wärmcaustauschers
in ein möglichst günstiges Verhältnis z. B. zur Rostfläche zu bringen, dem) die
Wirtschaftlichkeit einer- Anlage hängt gerade von diesem günstigen Verhältnis ah.
L; m die Wärmeabgabe z. B. von Lufterhitzern zu erhöhen, wurden, besonders bei der
Großraumheizung, Gebläse eingebaut. Durch diese wird die Wärmeabgabe des Erhitzers
entsprechend gesteigert. Nur besteht hier die Schwierigkeit, die zuströmende kalte
Luft in der richtigen Weise an die Heizflächen heranzuführen. Wenn letztere, wie
das zweifellos bei fast allen bisher bekannten Lufterhitzern der Fall ist, ganz
oder fast ausschließlich senkrecht stehen, findet die vorbeiströmende Kaltluft nicht
die genügende Zeit, sich richtig zu er. wärmen. Aus diesem Grunde wurden beispiels.
weise sog. Prallflächen eingebaut, mittels derer die eintretende Kaltluft gebremst
werden soll, um dadurch der Luft entsprechend mehr Zeit zugeben, sich an den Heizflächen
genügend zu erwärmen. 1n diesem Zusammenhang kann auch an die bei manchen Lufterhitzern
früherer Bauart üblichen.
senkrechten Röhren innerhalb des Feuerraumes
gedacht werden. Durch diese werden entweder Rauch. gase geschickt, die außen von
der zu erwärmender. Luft umspült werden, oder aber man geht umgekehrt vor und erwärmt
die Röhren von außen, während innen Kaltluft zur Erwärmung zuströmt. In allen Fällen
besitzen aber solche Rohre die obengenannten Nachteile der ungenügenden Wärmeabgabe,
und aus diesem Grunde wurde in einzelnen Fällen eine waagerechte Anordnung dieser
zylindrischen Rohre angeordnet. Hiermit kann aber das gesteckte Ziel auch nicht
erreicht werden. Dies gilt in besonderem Maße von einer Luftheizung mit Gebläsebetrieb;
denn hier tritt der Fehler der ungenügenden Erfassung der Heizflächen durch die
zuströmende Kaltluft in besonderem Maße in Erscheinung. Auch muß hierbei an die
durch den Gebläsebetrieb erhöhten Betriebskosten, z. B. der. Stromverbrauch, gedacht
werden.
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Gegenüber diesen bekannten Ausführungen soll nun gemäß der Erfindung
ein grundsätzlich anderes Verfahren zur übertragung von Wärme von einem Mittel auf
ein anderes angewandt werden. Dieses Verfahren bezieht sich wie die be, kannten
und im vorstehenden beschriebenen ausschließlich auf Wärmeübertragungen mittels
übertragungsflächen, nicht also auf Wärmeübertragungen durch Mischungen od. dgl.
Es bezieht sich aber anderseits nicht nur auf eine besondere Gruppe von Wärmeübertragern
oder Mitteln, sondern auf sämtliche hier in Frage kommenden, und dies unabhängig
davon, daß die nachfolgenden Ausführungen in der Hauptsache auf gasförmige Mittel,
in erster Linie auf Lufterhitzer, und dabei im Beispiel wiederum auf mittels Feuergase
beheizter Lufterhitzer vor allem solcher Art abgestellt sind, bei denen die Brennstelle
in Form einer Rostfeuerung im Lufterhitzer selbst untergebracht ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren besteht nun darin, daß bei der gegenseitigen
Führung der Strömungswege der Mittel die Geschwindigkeiten derselben unter Benutzung
der Düsenwirkung während des Übertragungsvorganges erhöht werden. Man kann diesen
Grundsatz konstruktiv in verschiedenster Art anwenden. Insbesondere empfiehlt es
sich jedoch, das zu erwärmende Mittel zu beschleunigen, was jedoch keineswegs ausschließt,
daß der Erfindungsgedanke auch auf das zur Erwärmung dienende Mittel oder gleichzeitig
auf beide Mittel angewandt wird. Der Vorteil, der sich gegenüber den bekannten Austausch-
und Strömungsverfahren ergibt, besteht darin, daß nunmehr am Anfang der Wärmeübertragung
geringere Geschwindigkeiten vorliegen, bei denen auf Grund des hohen Temperaturunterschiedes
eine gute und gründliche Vorwärmung stattfinden kann, während über den weiteren
Verfolg des Weges der Wärmeaustauschmittel diese bzw. eines von ihnen beschleunigt
werden und damit gegen Ende des Austauschers, bei dem das Temperaturgefälle zwischen
den Austauschmitteln in der Regel sowohl bei Gleichstrom- wie auch bei Gegenstrom-
oder Kreuzstromverfahren geringer wird, die Wärmeübertragung durch Erhöhung der
Geschwindigkeit gefördert wird. Diese Erhöhung der Geschwindigkeit erfolgt dabei
erfindungsgemäß ohne besondere Verluste durch die kinematisch sich steigernde Düsenwirkung.
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Ist somit der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens in wärmetechnischer
Hinsicht klar umrissen, so besteht jedoch, obwohl dieser Gesichtspunkt zumindest
der ausschlaggebende zu sein scheint, der Hauptvorteil nicht in der günstigen Wärmeübertragung
allein, sondern mehr auf strömungstechnischer Seite.
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Man kann nunmehr mit ganz anderen Antriebskräften bei Wärmeaustausch
arbeiten: Man kann beispielsweise .die Wärmeübertragung im erstenTeil wesentlich
höher wählen, als dies bisher der Fall war. Bisher hatte nämlich eine derartige
Maßnahme einen erheblichen Auftrieb z. ß. der Feuergase mit sich gebracht, so daß
die Geschwindigkeit der Gase ein hohes Maß angenommen hätte. Um dann die Vorrichtung
wirtschaftlich zu gestalten, hätten die Übertragungswege verlängert werden müssen,
damit die Länge der Übertragungsdauer eine wirtschaftliehe Ausnutzung sicherstellt.
Dies ist nun nicht mehr erforderlich, vielmehr kann z. B. der Auftrieb von Gasen
beliebig hoch gewählt werden und dabei der Cbertragungsweg verhältnismäßig kurz
sein, ohne daß die Wirtschaftlichkeit beeinträchtigt würde.
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Anderseits kann an Stelle des Auftriebes irgend eine andere Kraft
gesetzt werden. Es kann z. B. ein, Mittel unter verhältnismäßig hohem Druck z. B.
mittels eines Gebläses in die Vorrichtung eingeführt werden, und es ist nach denn
erfindungsgemäßen Verfahren möglich, diesen Druck auf geringem Raum und mit einfachen
Mitteln in Geschwindigkeit umzuformen, ohne daß hierbei wesentliche Verluste auftreten.
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Gemäß der weiteren Ausbildung dieses Verfahrens ist es nun möglich,
den Strom des einen Mittels aufzuteilen und lediglich einen Teilstrom unter Benutzung
der Düsenwirkung durch eine entsprechende Vorrichtung hindurchzuführen. Dieser Teilstrom
kann dann nach Durchgang durch eine Düsenvorrichtung mit dem übrigen Strom vereinigt
und vorzugsweise innig durchmischt werden. Ein derartiges Verfahren empfiehlt sich
besonders dann, wenn die Unterbringung der zur Erzeugung der Düsenwirkung erforderlichen
Vorrichtungen innerhalb der Gesamtvorrichtung nur begrenzt möglich ist und die durch
die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens herbeigeführte Leistungssteigerung
einen größeren Durchsatz des Mittels ermöglicht, als der Größe der Düsenvorrichtungen.
entspricht.
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Weiterhin ist es möglich, die beiden Teilströme so zu führen, daß
der nicht unter der Düsenwirkung stehende erste Teilstrom (Hauptstrom) an der Vercinigungsstelle
mit dem anderen, zweiten Teilstrom so .geführt wird, daß an dieser Austrittsstelle
des beschleunigten ersten Teilstromes eine Sogwirkung, z. B. durch senkrechtes Führen
der beiden Ströme zueinander, erzeugt wird. Durch diese Sogwirkung
wird
die Wirksamkeit du Ces@untanordnung in der Weise wesentlich erhöht, daß die
Austrittsgeschwindigkeit aus den Düsenvarrichtungen weiterhin gesteigert wird.
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Darüber hinaus ist es nun in gewissen Fällen möglich und vorteilhaft,
auch den ersten Teilstrom (Hauptstrom) düsenartig ztt führen, d. h. in verengten
Querschnitten gleichförmig zu beschleunigen, sofern hierzu die nötigen konstruktiven
Möglichkeiten gegeben sind, auf die nachstehend weiter eingegangen wird. Man kann
dann die Teilströme, deren Zahl beliebig sein miigc, so führen, daß sie jeweils
senkrecht aufeinandertreffen und die Geschwindigkeit des einen Teilstromes durch
eine Sogwxirkung erhöht wird.
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Eine Vorrichtung zur Ausübung des vorbeschriebenen Verfahrens kann
so aussehen, daß man in den Strom des eitreu Mittels Düsenrohre, vorzugswxcise in
Kegelstumpfform, einschaltet. Eine derartige Anordnung lä(it sich in beliebiger
Weise verwirklichen, wobei je nach Bedarf die Rohre, die sich, soweit sie die Form
eines Kegelstumpfes haben, mit einfachen Mitteln herstellen und stehend, liegend,
in Zügen, Schraubenlinien, Spiralen oder anderen Lagen unterbringen lassen. Auch
hierbei kann man günstige Anordnungen insofern treffen, als bei Anwendung des Gegenstromverfahrens
die Düsenwirkung durch Einbringen lediglich derartiger Düsen rohre auf beiden Seiten
die gleiche Wirkung her vorruft. Es ist hierbei zunächst an die Führung der Wä rmeaustauschmittel
in jeweils nur einem Strom gedacht, wobei die Unterteilung in mehrere Rohre nicht
als eine grundsätzliche Teilung des Stromes angesehen werden soll, sofern die Rohre
gleichartig ausgebildet sind und den gleichen Düseneffekt hervorrufen.
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Will man eine derartige Vorrichtung unter Benutzung einer Teilung
des Stromes auf einen Luft erbitzer 'mit innenliegendem Feuerungsbehälter anwenden,
so empfiehlt es sich, das Beschleunigungs verfahren in erster Linie auf den Luftteil
anzu wenden. Man kann dies dadurch erreichen, daß man um den in der Mitte liegenden
Feuerungs-Behälter einen oder mehrere Erhitzerräum,e z. B. ringförmig anordnet,
wobei naturgemäß die Ring form keineswegs unbedingt kreisförmig vorgesehen werden
muß. Man kann dann diesen Erhitzerraum sich nach oben hin verjüngen lassen und mehrere
die symmetrische Teile verbindende Düsenrohre anordnen, die rechtwinklig auf den
lnnenmänden des Erliitzcrratrnies stehen und den Feuerungsbehälter quer durchsetzen.
Eine derartige Konstruktion kommt beispielsweise der Bauart der in der Dampferzeugungstechnik
bekannten Quersiederkessel nahe.
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Besonders günstige Verhältnisse ergeben sich dann, wenn man dem zwischen
dem Feuerungsbehälter und der Außenwand des Lufterhitzers liegenden Erhitzerraum
über die Höhe des Feuerungsbehä lters hin einen gleichbleibenden und möglichst großen
Querschnitt erteilt, während man d(--n Erhitzerraum oberhalb des Feuerungsraumes
in der Weise verjüngt, daß die Innenwände, d. h. also die zwischen Feuerungsraum
und Erhitzerrauen gelegenen Wände, schräg nach außen zu verlaufen. Diese Anordnung
bietet den Vorteil, da,ß einerseits die Düsenrohre, die in diesen Teil der Wandung
eingesetzt sein sollen, schräg nach oben verlaufen und somit der Auftrieb der Gase
stärker zur Wirkung kommt. Des weiteren ist auf diese Weise die Ablenkung der Gase
aus der allgemeinen Strömungsrichtung nicht groß, wie im vorbeschrienen Fall, bei
dem hierauf zunächst keine Rücksicht genommen wurde. Schließlich aber wird bei einer
geraden Führung der Außenwände des Erhitzerraumes eine Verengung des Querschnittes
herbeigeführt, die auch im vorhergehenden Fall bereits angedeutet war und die der
Abnahme des durch diesen Teil strömenden Wärmeaustauschmittels, d. h. also im vorliegenden
Beispiel der Luft, entspricht, so daß die Geschwindigkeit des restlichen Stromes,
der nicht durch die Düsen geht, jedenfalls nicht herabgesetzt wird. Schließt man
an diesen schräg nach außen gehenden Teil der Verbindungswandung einen etwa rechtwinklig
zu den Austrittsöffnungen der schräg liegenden Düsenrohre verlaufenden Teil in Form
einer oberen Trennwand an, so erhält man in diesem Teil der Vorrichtung die entsprechenden
und genau umgekehrten Verhältnisse, wie vorher beschrieben. Außerdem wird der zunächst
nicht beschleunigte, außen verlaufende Strömungsteil, der durch die beschränkten
Raumverhältnisse und die damit verbundene begrenzte Zahl der Düsenrohre sowie den
begrenzten Durchsatz durch diese Rohre im Hinblick auf die hohe Leistungsfähigkeit
den mengenmäßig größeren Anteil an Luft enthält, senkrecht zur Ausströmrichtung
aus den Düsenrohren auf den Düsenstromteil treffen und an den Austrittsöffnungen
die vorbeschriebene Sogwirkung hervorrufen, d. h. also die erwähnte zusätzliche
Beschleunigungdes Düsenstromes herbeiführen. Schließlich sei noch die bisher beschriebene
Trennwand, die aus einer unteren und einer oberen Trennwand besteht, durch eine
Deckwand vervollständigt, oberhalb der sich ein Sammelraum für die beiden Teilströme
befindet. An diesen mag dann der Abzug angeschlossen sein.
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Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß eine derartige Vorrichtung grundsätzlich
nicht nur für Lufterhitzer und für die Anordnung von Feuerräumen geeignet ist, daß
sie nicht nur in stehender Anordnung vorgesehen werden kann, sondern daß der Anwendung
in jeder Hinsicht keine besonderen Grenzen gesetzt sind.
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Weiterhin ist es nun möglich, die vorbeschriebene Ausbildung eines
Wärmeaustauschers, im besonderen eines Lufterhitzers, so auszugestalten, daß der
sich verengende Oberteil, durch den der zunächst nicht beschleunigte Hauptstrom
hindurchgeht, so weit verengt wird, daß auch in -diesem Teil eine Beschleunigung
eintritt. Hierbei ist es naturgemäß Sache der jeweils vorliegenden Verhältnisse,
ob dieser zweite, nicht durch Düsenrohre, trotzdem aber z. B. durch einen düsenmäßigen
Ringteil gehende und damit ebenfalls beschleunigte Teiltatsächlich den Hauptstrom
darstellt, ob beide Ströme gleich groß sind, oder ob der durch die Rohre
gehende
Teil überwiegt. In letzterem Fall würde man konstruktive Abänderungen etwa in dem
Sinne vorsehen können, daß umgekehrt auch die Düsenrohre eine Sogwirkung am Austritt
des übrigen beschleunigten Teilstromes 'hervorrufen können bzw. beide Ströme sich
gegenseitig günstig beeinflussen.
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Zur weiteren Steigerung der Wärmeausnutzung ist es naturgemäß möglich,
in bekannter Weise Rippen von beliebiger Form, Zahl und Größe und an beliebigen
Teilen des einen, des anderen oder beider Stromzweige an den Übertragungsflächen
sowohl auf seiten des einen als auch des anderen oder beider Mittel anzuordnen.
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Zur Beherrschung der strömungs- sowie der wärmetechnischen Verhältnisse
innerhalb einer Vorrichtung beliebiger Konstruktion kann es vorteilhaft sein, die
Mengenverhältnisse bzw. die absoluten Mengen zu steuern oder einzustellen. Demgemäß
kann man entsprechende Regelvorrichtungen, z. B. Drosselklappen, Blenden od. dgl.,
an beliebigen Teilen vorsehen, insbesondere aber an den Ein- oder Ausgängen der
Düsenrohre oder -querschnitte.
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Wie bereits im vorstehenden verfahrensmäßig festgelegt, kann man auch
an den erfindungsgemäßen Vorrichtungen zusätzliche Fö rderc°inrichtungen vorsehen,
so z. B. Druck- oder Saugventilatoren od. dgl.
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In der Zeichnung ist von vielen möglichen Ausführungsformen eine einzige
herausgegriffen und schematisch dargestellt. Hierbei handelt es sich um einen Lufterhitzer.
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Dieser Erhitzer besteht aus einem äußeren Mantel i, der aus einer
einfachen Blechwand bestehen möge und viereckig ausgebildet sei. Dieser Mantel ist
an seinem Oberteile dachförmig verjüngt und an seiner Decke 3 mit einem Austrittsstutzen
4 versehen. Dieser Stutzen ist mit einer Verteilerleitung verbunden, die zu den
Verbrauchsstellen führt.
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Innerhalb dieses unten durch einen Boden 5 geschlossenen Außenmantels
befindet sich der ausgemauerte Feuerungsbehälter 6, der auf vier Stützen 7 gegenüber
dem Boden 5 abgestützt ist. Er enthält eine Rostfeuerung B. Der eigentliche Feuerungsraum
9 ist nach oben py-ramidenstumpfförmig durch sog. untere Trennwände i o erweitert,
so daß gleichzeitig der Durchtrittsquerschnitt i i für die zu erhitzende Luft verringert
wird. In diese untere Trennwand i o sind Düsenrohre 12 eingefügt, die et~va rechtwinklig
zur Trennwand i o liegen und sich in der Mitte des Feuerraumes kreuzen. Die Eintrittsoffnungen
13 dieser Düsenrohre 12 sind also dein durch Pfeile 14 bezeichneten, Hauptstrom
der ztt erhitzenden Luft zugewandt. Die Verengung des Querschnittes i i soll dabei
ein solches Maß annehmen, daß bis zur engsten Stelle 15 eine Beschleunigung der
diesen Außenweg nehmenden Luft stattfindet. Oberhalb der unteren Trennwand i o ist
an diese eine obere Trennwand 16 angeschlossen, die in umgekehrter Pyramidenform
und etwa parallel zum oberen Mantelteil e verläuft. In dieser oberen Trennwand 16
münden nebeneinander die Austrittsöffnungen 17 der Düsenrohre 12, und zwar wiederum
etwa rechtwinklig. Wie die Pfeile 18 angeben, verläuft der beschleunigte Hauptstrom
der erhitzten Luft etwa rechtwinklig zu dem mit den Pfeilen 19 bezeichneten, durch
die Düsenrohre 12 hindurchgehenden Luftstrom, so daß ein Sog an den Austrittsstellen
17 der Düsenrohre entsteht. Beide Ströme vereinigen sich nach gründlicher Durchmischung
im Sammelraum 2o und ziehen durch den Stutzen 4 ab.
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Die Heizgase steigen nach Maßgabe der Pfeile 21 aus dein Feuerungsbehälter
8 nach oben, umspülen die Düsenrohre 12 von außen und verlassen nach gründlicher
Wärmeabgabe an die untere Trennwand to, die obere Trennwand 16, die Decke 22, durch
welche die letztere oben abgeschlossen ist, insbesondere aber an die Düsenrohre
12, den Feuergasraum 23 und treten durch den Rauchgasabzug 24 in einen nicht gezeichneten
Kamin.
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Dem äußeren Mantel i ist an seinem unteren Ende ein Eintrittsstutzen
25 vorgeschaltet, in den ein Gebläse 26 eingebaut ist, das über einen Elektromotor
27 angetrieben wird und die frische Luft in den Erhitzerraum t 8 hineindrückt.