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Elementsatz für Wärmeaustauscher Die vorliegende Erfindung betrifft
Wärmeaustauscher der Regenerator- und der Rekuperatortype, deren Heizflächen hauptsächlich
aus Platten bestehen und welche insbesondere für die Überhitzung von Luft oder anderen
Gasen bestimmt sind. Die Erfindung bezieht sich im besonderen auf die Gestaltung
dieser Platten, aus welchen der Austauscher besteht, unter Berücksichtigung der
von den Gasen bestrichenen Flächen.
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In Wärmeaustauschern dieser Art findet der Wärmeaustausch zwischen
Gasen statt, welche nicht unmittelbar miteinander in Berührung sind, wobei die erwähnten
Gase durch eine Anzahl von parallelen Kanälen ziehen, deren Wände die Wärme aus
dem einen der Gase absorbieren und diese einem anderen Gas übergeben. Es ist sehr
wichtig, daß der Mittelwert des WärmeÜbertragungskoeffizienten so hoch wie m5glich
und daß in der gleichen Zeit der Druckabfall in den Kanälen, sowohl für das eine
Mittel als auch für das andere Mittel nicht zu groß wird.
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Die Wirkungsweise der Einrichtung gemäß der Erfindung bleibt im Wesen
die gleiche, ob der Erfindungsgegenstand an Wärmeaustauschern der Regeneratortype
oder an iAustauschern der Rekuperätorbauart angewendet wird. In der Folge wird die
Erfindung der Einfachheit halber unter Berücksichtigung nur einer Bauart, nämlich
der Überhitzer regenerativer Art, beschrieben.
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Ein gutes Ergebnis hinsichtlich der Wärmeübertragung und des Druckabfalls
in den Kanälen zwischen den Platten und dem Gasstrom hängt natürlich
von
der Bauart der Teile von Kanälen ab. Es wurden viele Vorschläge mit Rücksicht auf
die Platten für Überhitzer der in Frage kommenden Bauart gemacht, aber ,nur eine
kleine Zahl derselben wurde praktisch wegen ihrer relativ guten Eigenschaften mit
Rücksicht auf den Wärmeübertragungskoeffizienten, den Druckabfall und die Her= stellungskosten
verwertet. Die Elemententypegemäß der amerikanischen Patentschrift 2 023 965 , kann
als Vertreter der hier verwendeten Bauarten gewählt werden. In ähnlicher Art wie
bei vielen anderen bereits vorgeschlagenen Fällen sind die Platten in diesem Elementsatz
in einem festgelegten Abstand zueinander mittels gewellter Einlagen, sogenannter
Sicken, gehalten; welche sich in der Richtung des Stroms erstrecken. Es wurde früher
gezeigt, daß die Höhe dieser Sicken und die relative Entfernung zwischen den Sicken
für die Wärmeübertragung sehr wichtig ist. Nachdem die Ausbildung der Sicken erwiesenermaßen
als sehr wichtig festgestellt wurde, war es möglich, durch Versuche zu zeigen, da,ß
in den Teilen eines Elementsatzes mit glatten Sicken das Gas viel rascher fließt
als durch Teile oder Kanäle, welche von zwei langen parallelen Wänden begrenzt sind,
wovon wenigstens eine gewellt ist. Es wurde auch festgestellt, daß die Wärmestrahlung
an das fließende Mittel und die Wärmeabsorption vom flielienden Mittel in Kanälen,
welche von Sicken gebildet sind, nicht so günstig ist wie in den Kanälen zwischen
jeweils zwei der Sicken. Demzufolge kann der freie Raum zwischen jedem Paar von
Piatten in einem Elementsatz als eine Zusammensetzung von zwei Teilen mit wesentlich
verschiedenen Leistungsfähigkeiten# betrachtet werden, und im Einklang mit dieser
Betrachtung ist der ganze Überhitzerkörper aus Teilüberhitzern verschiedener Art
zusammengesetzt, nämlich aus einem Teil mit einem guten Ergebnis und einem Teil
mit relativ schlechter Wirkung.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich nun auf eine Konstruktion der
betreffenden Elementsätze in Wärmeaustauschern, bei welcher der erwähnte Nachteil
vermieden ist und die Leistung des Wärmeaustausches auf ein hohes Maß gesteigert
wird. Dieser neue für die Wärmewirtschaft sehr wertvolle Effekt wird erfindungsgemäß
durch eine besondere Ausbildung der .Sicken oder der Distanzstücke erzielt. I?iese
halten die. Platten in der Weise voneinander, daß sie das Entstehen von offenen
Durchflußkanälen vermeiden, welche flache Wände haben und einen freien Durchfluß
aufweisen, die in einem weniger '.guten Wärmeaustauscher vorkommen. In einem Elementsatz,
in welchem die Erfindung angewendet wird, erfährt der Wärmeaustausch und demzufolge
die Leistung der Wärmeaustauscher keine Beeinträchtigung durch einen bestimmten
Teil des Gases, das durch die Kanäle, welche unvorteilhaft hinsichtlich des Wärmeübergangs
ausgebildet sind, strömen kann.
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Die Erfindung ist in den Zeichnungen, -in welchen einige Ausführungsbeispiele
entwickelt sind, dargestellt. Hier zeigt Fig. i die Konstruktion einer bekannten
Type, Fig. 2 bis 8 Einrichtungen gemäß der Erfindung mit festen Distanzelementen,
Fig. .2 eine perspektivische Darstellung, Fig. 3 bis 6 einen .Schnitt durch verschiedene
Konstruktionen, Fig. 7 eine Platte in Ansicht, bei welcher das Distanzstück aus
.gebogenen oder gewellten Eisendrähten besteht, Fig. 8 einen Schnitt nach Linie
VIII-VIII der Fig.. 7, Fig. c) eine flache Platte mit unterbrochenen Drähten, die
an die Platte geschweißt sind und als Distanzstücke dienen, Fig. io eine flache
Platte mit Distanzdrähten zusammen mit einer gekräuselten Platte, Fig. i i eine
gekräuselte Platte mit Distanzdrähten zusammen mit einer gekräuselten Platte, Fig.
12 längliche Sicken, die durch Pressen geformt und abwechselnd gepreßt sind, um
in den sickenförmigen Kanälen Unterbrechungen zu bilden, Fi,g.° 13 und 14 Distanzelemente
in Ansicht und im Schnitt, wobei diese Distanzstücke etwas seitlich verlegt und
abwechselnd entgegengesetzt gerichtet sind, Fig. 15 und 16 in Drauf- und Seitensicht
eine Platte mit rechtwinklig zur Plattenoberfläche gewellten Distanzstücken, Fig.
17 eine flache Platte mit eingepreßten Sicken, welche mit relativ ununterbrochenen
gefalteten Teilen zur Herstellung gewellter Sicken versehen sind, Fig. 18 eine Abart
der Ausführung gemäß Fig. 17, Fig. i9 eine andere Abart der Ausbildung in Fig. 17
dargestellt,.
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Fig. 2o eine flache Platte mit gewellten Sicken und mit einer gefalteten
Platte, Fig. 21 eine Abart der Ausführungsform nach Fig. 20, Fig. 22 eine Abart
der Gestaltung nach Fig. 21. Wie aus Fig. i, die eine Form gemäß der amerikanischen
Patentschrift 2 035 965 zeigt, besonders ersichtlich ist, werden die sogenannten
sekundären Wirbel 6 in dem rechteckigen Kanal 2 zwischen zwei Platten durch die
Wellung, die gewöhnlich wenigstens in einer Platte ausgebildet ist, entwickelt,
z. B. in der einen Längsseite des Kanals: Die Zunahme der Wärmeübertragung dieser
Wirbel ei reicht den Höchstwert in einer festgesetzten Entfernung zwischen den Sicken
und in einer bestimmten Höhe derselben. Wenn in einem aus Platten gemäß der Fig.
1 ausgebildeten Überhitzer die Strömungsgeschwindigkeit und die Temperatur an verschiedenen
Stellen im Auslaufende gemessen werden; findet man, daß dieStrömungsgeschwindigkeit
an den Wellungen oder Sicken :f höher ist als in den anderen Teilen. der rechteckigen
Kanäle 2 in demselben Schnitt. In der gleichen Zeit hat das vorbeistreichende, Hitze
abgebende Gas eine beträchtlich höhere Temperatur und das vorbeiziehende, wärmeabsorbierende
Gas im Querschnitt der
sickenförmigen Kanäle eine besonders tiefere
Temperatur. Demnach bilden die sickenförmigen Kanäle Anschnitte des überhitzers,
welche eine beträchtlich geringere Leistung als die anderen Kanalelemente aufweisen.
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Im Bestreben, die Leistung der Wärmeaustauscher dieser Art zu verbessern,
ist bisher die Aufmerksamkeit nur auf die Ausbildung jener Teile der Platten gerichtet
gewesen, welche zwischen den Distanzstücken liegen und den Hauptteil der Begrenzungsflächen
der Kanäle bilden. Wie bereits erwähnt, ist der Zweck der Erfindung die Verbesserung
der Leistung durch Heranziehung bestimmter Maßregeln hinsichtlich der Distanzelemente,
so daß die dadurch hervorgerufenen Verluste vermindert werden.
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Die Maßregeln gemäß der Erfindung können in zwei Hauptgruppen eingeteilt
werden: i. keinerlei Verwendung von sickenförmigen Kanälen, 2. Ausbildung der Begrenzungsflächen
der Sicken in einer solchen Weise, daß der Stromwiderstand erhöht und/oder daß die
zu den 'Sicken strömenden Gase mit dem Hauptgasstrom vermischt werden.
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Die Maßregeln nach der Ausführungsform i sind in Füg. 2, bis 8, welche
verschiedene Ausbildungen der festen Distanzelemente zeigen, dargestellt. Wie in
Fig. 2, 3 und 4 erläutert, bestehen die festen Distanzelemente zwischen den Platten
8 und io aus angeschweißten Drähten 11, 12 und 16 von willk;irlich, vorzugsweise
kreisförmig ausgebildetem Querschnitt. Gemäß Fig. 7 und 8 können diese Drähte gewellt
oder gefaltet sein, um die Unruhe, sobald die Gase durch die Elemente ziehen, zu
vergrößern. . Die Drähte können an die Platten in passenden Entfernungen zueinander
geschweißt sein, wobei die Wellungen gleichzeitig zur Vergleichmäßigung der Wärmespannung
beitragen.
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Andere Methoden zur Erzielung fester Distanzelemente sind in den Fig.
5 und 6 dargestellt. Sie bestehen im Hochpressen von Flanschen od. dgl. nach einer
Seite oder nach beiden Seiten beim Auswalzen der Platte.
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Wie besonders aus der Fig. 2 ersichtlich, besteht der Elementsatz
dieser Bauart nach der Erfindung aus gewellten Platten 8 und io, die mittels vorzugsweise
angeschweißter Drähte 12 und 14 distanziert werden. Fig. 3 a zeigt einen Querschnitt
der Platte io, an welche beide Drähte 12 und 14 einander gegenüberliegend angeschweißt
sind, einer an einer Seite der Platte und der andere an der anderen Seite. Die Drähte
können auch in der in Fig. 31> dargestellten Art gesichert werden, wo sie jedoch
nicht einander gegenwberliegen. Die Platten 8 und io können auch an eine Seite angeschweißte
Drähte haben, -wie Fig. 3c zeigt.
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Fig. 4 stellt eine Platte mit Distanzelementen 16 rechtechjgen Querschnitts
anstatt eines kreisförmigen Profils dar.
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Fig. 5 zeigt die Ausbildung einer Platte, wo die Distanzelemente 18
unmittelbar aus dem-Plattenmaterial an einer Seite jeder Platte gewalzt worden sind.
In der Ausbildung nach Fig. 6 sind solche Distanzelemente 20 und 22 unmittelbar:
aus dein Plattenrqaterial auf beiden Seiten der Platte gewalzt. Es' braucht nur
jede zweite Platte in dem Elementsatz in dieser Art ausgebildet zu sein, während
die anderen Platten ohne Distanzelemente sein können. In Fig. 6 ist zwischen den
Distanzstücken keine Wellung vorgesehen. Jede Wellung kann selbstverständlich leicht
in einer Platte dieser Art ausgebildet werden, falls es erwünscht ist, daß beide
Seiten des Kanals zwischen den Platten ge-. wellt sein sollen.
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' In gewissen Fällen können die Temperaturänderungen in Cberhitzern
so groß sein, daß die Kraft an den Schweißpunkten zwischen den Drähten und der Platte
infolge der Tatsache zu groß wird, daß die Temperaturänderungen der Platte und des
Drahts untereinander Schritt halten. In diesem Fall ist es ratsam, den Draht etwas
elastisch durch Wellen oder Kräuseln auszubilden, wie Fig. 7 und 8 zeigen, in welchen
gekräuselte Drähte 24 und 26 an. die gewellte Platte 28 (Fig. 8) angeschweißt wordensind.
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@Fig. 9 zeigt perspektivisch eine flache Platte, an welcher unterbrochene
Distanzdrähte hauptsächlich parallel angeschweißt sind. In Laboratoriumsversuchen
wurde erwiesen, daß die Entfernung zwischen den Schweißungen entlang dem gleichen
Draht etwa 200 mm nicht überschreiten darf, um gegen Hitzedehnungen einen guten
Widerstand zu erzielen.
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In Fig. io ist eine mit Distanzdrähten versehene flache Platte mit
einer gekräuselten Platte verbunden.
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In Fig. i i ist die mit Distanzdrähten versehene Platte ebenfalls
mit Kräuselungen versehen.
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Fig. 12 zeigt beispielsweise eine Ausbildung gemäß der eingangs erwähnten
Ausführungsform 2. Die Elementenplatte 30, die in der Fig. 12 in Ansicht gezeigt
wird und nicht gewellt ist, wurde mit Einbiegungen 32 und Erhebungen 34 versehen,
welche in die Platte gepreßt worden sind und die abwechselnd in der Längsrichtung
des Gasstroms verlaufen und den gleichen Zweck wie die Sicken gemäß der Fig. i verfolgen.
Sie können demnach unterbrochene Sicken heißen,' weil kein ununterbrochener Fldß
entlang der ganzen Platte in den sickenförmigen Kanälen vor sich gehen kann. Gemäei
der Ausbildung in Fig. 12 sind -diese Eindrückungen und Erhebungen untereinander
in einer Linie angeordnet.
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Fig. 13 und 14 zeigen ebenfalls solche Eindrükkungen 36 und
Erhebungen 38, welche in die Platte gepreßt sind. Diese Eindrückungen und Erhebungen
sind jedoch seitlich versetzt, so daß das Profil der Sicke den Querschnitt gemäß
Fig. 14 hat und der Abart von Sicken gemäß Fig. i ähnelt. Der Vorteil dieser Anordnung
ist der, daß das neue System gen-&Äß Fig. 13 und 14 z. B. anstatt des ä ltereil.
gemäß Fig. i verwendet werden kann. Die alten Preßwerkzeuge können in einfacher
Weise geändert werden, so daß man sie für die betreffenden unterbrochenen Sicken
verwenden kann.
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Fig. 15 und 16 zeigen eine andere Ausbildung äer Erfindung. Die Platte
40 wurde mit einem vertieften
siekenförmigen Kanal .42 werinhen,
welcher nicht glatt sondern gewellt ,oder geriffelt ist, um größere Wirbelbildung
und demnach eine bessere Wärmeübertragung -zu bieten, so daß praktisch der gleiche
Wärmeübergangskoeffizient in dem sickenförmigen Kanal wie in dem übrigen Teil des
Kanals zwischen den Platten erreicht wird. Im Sinne der Erfindung trägt daher die
Wallung oder Faltung zur Erhöhung der Leistung des Vorwärmers bei. Eine derartige,
gewellte Sicke. kann naturgemäß nach beiden Seiten entwickelt werden.
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In Fig. 17 bis i9 sind, flache Platten mit in verschiedener. Art gepreßten
Sicken dargestellt. Diese Sicken sind gemäß den Abbildungen mehr oder weniger miteinander
an mehreren Stellen zusammengepreßt, um in den Räumen in. den Sicken gerade umwallte
Stromkanäle zu vermeiden. Der Unterschied zwischen den Sicken in Fig. 17 und 18
ist der, daß die Sicken der Platte in Fig. 17 ähnlich über die ganze Platte gepreßt
sind, während jede Sicke gemäß der. Fig. 18. paarweise finit den benachbarten und
an derselben Seite gepreßten Sicken symmetrisch relativ zu der Teilungslinie ausgebildet
.ist. Wie in Fig. i9 gezeigt ist, sind die Sicken paarweise gepreßt nach derselben
Seite der Platte und durch eine in der Mitte zwischen diesen liegende, an der Gegenseite
der Platte gepreßte Sicke getrennt.
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Fig. 2o zeigt eine flache Platte mit an mehreren Stellen zusammengepreßten
Sickert, sogenannten gewellten Sicken, wobei die Platte mit einer anderen in Verbindung
steht, welche mit Wallungen unter einem bestimmten Winkel zur Richtung des Haupt-!ztrorns
der Gase versehen :ist.
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In Fig. 21 ist die mit Sicken versehene Platte ebenfalls in einer
W ellung ausgebildet, die hauptsächlich zur Richtung der Wallung der benachbarten
Platten parallel ist.
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Fig. 22 zeigt eine Abart der Ausbildung gemäß Fig. 21, in welcher
die Richtung der Wallungen der benachbarten Platten kreuzweise verläuft, wodurch
zwei entgegengesetzt sich drehende Sekundärwirbel entstehen.
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Es wurden nur einige Ausführungsbeispiele der Erfindung hier beschrieben.
Selbstverständlich sind auch andere Abänderungen innerhalb der Grenzen der Erfindung
möglich. 'So können die in Fig. i beispielsweise gezeigten ,Sicken zusammengepreßt
sein, so daß der freie Strömungskanal 4 unterbrochen ist. In ähnlicher Weise können
beispielsweise Zungen oder Schlitze in die Platte eingeschnitten und zur Ausbildung
:von Distanzelementep. umgebogen sein.