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Wärmeaustauscher mit kreuzförmigem Rippensystem Die Erfindung betrifft
Wärmeaustauscher mit Wärmeübertragungskörpern (im folgenden kurz Rippensystem genannt),
die im Kreise oder in Polygonform, d. h. kranzförmig angeordnet sind. Die Hohlräume
des Rippensystems werden dabei von Heizgasen bz«. Heiß- oder Kühlwasser od. dgl.
durchflossen, während seine Rippen von außen mit Luft angeblasen werden. Solche
Systeme haben sich aber nur für bestimmte Spezialzwecke einführen können.
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Gemäß der Erfindung wird das kranzförmige Rippensystem mit einem innerhalb
des Kranzes angeordneten Gebläse und einem den Kranz in lichtem Abstand umgreifenden
Gehäuse ausgerüstet, welches einen Teil der vom Gebläse in radialer Richtung durch
das Rippensystem hindurchgeblasenen Luft, und zwar vorzugsweise die an den Rändern
des Kranzes zwischen den Rippen hindurchtretende Luft, wieder zur Ansaugzone des
Gebläses zurücklenkt. Auf diesem Wege läßt sich die Wärmeübergangsleistung, für
die der Wärmeaustauscher jeweils berechnet ist, mit einem geringeren Aufwand an
Strömungsenergie im Luftstrom erzielen als ohne die erwähnte Strömungsumlenkung.
Diese Tatsache ist sehr überraschend, weil man zunächst annehmen müßte, daß eine
solche Strömungsumlenkung einen zusätzlichen Energieaufwand erfordert, sowie daß
die Wiederansaugung eines vorgewärmten Luftanteiles eine Verminderung des bei gegebener
Anblasleistung erzielbaren Wärmeüberganges hervorrufen müßte. Doch lassen sich die
physikalischen Grundlagen dieser eigenartigen Erscheinung, wie unten gezeigt werden
soll, auch mathematisch erfassen.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin,
daß sich das Maß der übertragenen Wärmemenge durch Einstellung des Anteiles der
rückgeführten Luftmenge besonders bequem regeln. läßt. Schließlich ergibt die Anbringung
des Gebläses im Innern
des kranzförmigen Rippensystems eine besonders
gedrängte räumliche Anordnung. Dabei arbeitet das Gerät praktisch geräuschlos, wenn
man an Stelle eines normalen Zentrifugalgebläses zwei Propeller in der Achse des
kranzförmigen Rippensystems anordnet, deren Förderrichtung aufeinander zu gerichtet
ist.
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Die Erfindung sei im folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert.
Von diesen zeigt Fig. i die Vorderansicht und Fig. 2 den Horizontalschnitt durch
ein erfindungsgemäßes Kühlsystem; ferner geben Fig. 3 bis 5 drei schematische Zeichnungen
zur Erläuterung der Wirkungsweise des Gerätes wieder. Das kranzförmige Kühlrippensystem,
das z. B. aus mit radialen Rippen besetztem Rohrring oder (in der dargestellten
Weise) aus mehreren durch Zwischenglieder 2 zu einem Mehreck miteinander verbundenen
Lamellenkühlern i bestehen kann, ist im Innern eines Gehäuses 3 angeordnet, dessen
Öffnungen nur aus einer beschränkten Zone die von den beiden Propellern 4, 5 im
Innern des Ringes gestaute und durch Leitflächen 6 geführte Luft nach dem Passieren
der Lamellenkühler i in Richtung der Pfeile P2 ungehindert austreten lassen, während
der undurchbrochene Teil dieses Gehäuses als Leitblechsystem wirkt, welches einen
wesentlichen Teil der durch die Lamellen hindurchgeblasenen Luft in Richtung der
Pfeile P3 wieder zur Ansaugzone des Gebläses 4, 5 zurückführt. Dieser Luftanteil
mischt sich dann mit der in Richtung der Pfeile P1 angesaugten Frischluft und wird
gemeinsam mit dieser Frischluft erneut durch das ringförmige Rippensystem i hindurchgeblasen.
Soll die Wärmeübergangsleistung des Gerätes ohne Änderung der Drehzahl des Gebläses
4, 5 einstellbar gemacht werden, so kann man an dem Gehäuse 3 die zylindrischen
Schieber 7, 8 vorsehen, welche den Anteil der in Richtung der Pfeile P3 zurückgeführten
Luft auf Kosten der zwischen den Schiebern unmittelbar ausströmenden Luft vergrößern,
wenn man die Schieber nach innen hin näher zusammenschiebt.
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Der Versuch ergibt nun, daß bei konstanter Leistung des Gebläses 4,
5 und konstant gehaltener Temperaturdifferenz zwischen der Frischluft und dem heißen
Mittel, welches durch die Lamellenkühler i fließt, nicht nur bei einer bestimmten,
von den jeweiligen Abmessungen des Gerätes abhängigen Stellung der Schieber 7, 8
ein Maximum der übertragenen Wärmemenge auftritt, sondern daß dieses Maximum sogar
die besten Werte übersteigt, welche man bei abgenommenem Gehäuse 3 selbst dann erzielen
kann, wenn man die radiale Tiefe der Lamellenkühler i schrittweise vergrössert.
Das erwähnte Maximum stellt also einen Wärmeaustauschwert dar, welcher sich ohne
Anwendung der erfindungsgemäßen Strömungs-Rücklenkung nur durch eine Leistungssteigerung
des Gebläses 4, 5, d. h. durch Erhöhung des betriebsmäßigen Energieaufwandes erzielen
läßt.
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Diese überraschende Tatsache wird jedoch auf Grund der nachfolgenden
Überlegungen verständlich. Fig. 3 stellt einen Lamellenkühler L1 von der Tiefe a
dar, welcher den Strömungsquerschnitt F1 erfaßt. Zum Vergleich gibt Fig. 4 einen
gleichartigen Lamellenkühler L2 von der Tiefe a/3 wieder, der jedoch so viel breiter
gewählt ist, daß er den Strömungsquerschnitt F,.= 3F,
erfaßt. Beide
Kühler besitzen also die gleiche, dem Wärmeaustausch dienende Oberfläche O.
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Die übertragene Wärmemenge lt' ist bekanntlich in erster Annäherung
dem Produkt aus der Kühlfläche 0 und der durch den Kühler sekundlich geförderten
Luftmenge V proportional. Um ein bestimmtes Luftvolumen V durch den Querschnitt
F1 zu fördern, bedarf es einer Eintrittsgeschwindigkeit v1. Innerhalb des Kühlers
L1 wird Strömungsenergie verbraucht, so daß die Luft mit der verminderten Geschwindigkeit
v2 aus den Lamellen austritt. Da die Energie einer Strömung der dritten Potenz ihrer
Geschwindigkeit proportional ist, berechnet sich der im Lamellenkühler L1 entstehende
Verlust an Strömungsenergie in erster Annäherung zu
wobei v, die vom Staudruck vor dem Kühler aufgezehrte Strömungsgeschwindigkeit und
k ein Proportionalitätsfaktor ist.
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Um die gleiche sekundliche Luftmenge V durch den dreimal größeren
Querschnitt FZ des Kühlers L2 zu fördern, bedarf es Strömungsgeschwindigkeiten,
welche nur den dritten Teil von v1 und v, betragen. v, wird in grober Näherung wegen
der geringeren Kühlertiefe auf ein Neuntel gesenkt. Der Verlust an Strömungsenergie
im Kühler 1.2 berechnet sich daher für gleiche Wärmemenge in entsprechender Annäherung
zu
Dieser Energieaufwand beträgt also im zweiten Falle weniger als ein Neuntel des
im ersten Falle benötigten Energieaufwandes, obwohl die beiden Kühler der Fig.3
und Fig. 4 gleichen Werkstoffaufwand erfordern und gleiche Kühlflächen besitzen.
Allerdings erfährt die Luft in dem leistungsgünstigen Kühler nach Fig.4 nur ein
Drittel derjenigen Temperaturerhöhung, welche im Kühler nach Fig. 3 entsteht. Damit
eine annähernd gleiche Aufheizung der Luft entsteht, müßte also jedes Luftteilchen
den Kühler nach Fig. 4 dreimal durchströmen, und man erhält dann als Energieaufwand
den Wert
welcher offenbar gleich einem Drittel des für El gefundenen Wertes (Gleichung i)
ist. Selbbt unter Berücksichtigung des Energieaufwandes für die Umlenkung und Rückführung
der Strömung sowie des durch die wiederholte Heranziehung gleicher Luftteilchen
verminderten Wärmegefälles bleibt in der Praxis tatsächlich noch eine 2o- bis 3o°,-oige
Energieersparnis bzw. bei gleichem Energieaufwand für die Luftumwälzung eine Steigerung
des `Wärmeüberganges um den Faktor 1,2 bis etwa 1,6 und damit ein sehr erheblicher
technischer Gewinn bestehen. Hierzu kommt der betriebsmäßige Vorteil der einfachen
Einstellbarkeit.
Die erfindungsgemäße Anordnung hat sich ebenso
als Heizgerät zum Aufwärmen der Luft in Aufenthaltsräumen aller Art, insbesondere
innerhalb von Fahrzeugen, wie als Kühler für Gase und Flüssigkeiten, insbesondere
als Wasserkühler für Motoren, bewährt. Es liegt aber auf der Hand, daß sie auch
als Wärmeaustauscher für beliebige andere Zwecke verwendet werden kann.