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Wärmeaustauscher mit Innenberippung der Rohre, insbesondere für den
Wärmeaustausch zwischen zwei gasförmigen Mitteln Bei den bisher gebräuchlichen Wärmeaustauschern,
wie sie z. B. in der Kälte- und Klimatechnik verwendet werden, handelt es sich meistens
um Bauformen, bei denen in irgendeiner Form Rohre, z. B. als Rohrschlangen, Rippenrohre,
Bündelrohre u. dgl., zur Anwendung kommen. Bei derartigen. Wärmeaustauschern, insbesondere
bei solchen, bei denen zwei dampf- bzw. gasförmige Mittel in Wärmeaustausch treten,
besteht nun der Nachteil, daß es nicht gelingt, das Material für die Wärmeübertragung
in vollem Umfange wirtschaftlich auszunutzen. Die schlechte Ausnutzung des Materials
ist darauf zurückzuführen, daß die Rohrdurchmesser mit Rücksickt auf die hindurchzuleitenden
Gas- bzw. Dampfmengen nicht unter ein bestimmtes Maß reduziert werden können, vor
allem aber auch darauf, daß die Rohrinnenfläche, d. h. die Wärmeübergangsfläche
auf der Innenseite der Rohre nicht vergrößert werden kann, da sich Rippen od. ägl.
im Innern der Rohre nicht anbringen lassen.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeaustauscher
zu schaffen, der die obengenannten Mängel nicht aufweist und bei dem der Wärmeübergangswert
auf beiden Seiten möglichst gleich groß ist, die Durchgangsquerschnitte der zu übertragenden
Wärmemenge angepaßtunddamit voll
ausgenutzt werden, und bei dem
ferner durch die Wahl einer zweckmäßigen Rippenform besonders hohe Wärmeübergangszahlen
erzielt werden.
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Bei einer bekannten Anordnung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß
für die Wärmeübertragung an Stelle von Rohren, Rippenrohren od. dgl. ein Kanalsystem
verwendet wird, das in der Weise aufgebaut ist, daß sich innerhalb der Kanäle Rippen
anbringen lassen.
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Die Herstellung derartiger Wärmeaustauscher läßt sich nach der Erfindung
in der Weise vornehrnen, daß der Wärmeaustauscher aus einzelnen gegossenen oder
gepreßten Rahmen aufgebaut wird, die zur Bildung der Strömungskanäle gitterförmig
unterteilt sind. Durch die Hintereinanderschaltung einer größeren Anzahl derartiger
Rahmen, die durch geeignete Verbindungsmittel, z. B. Bolzen, zusammengehalten werden,
entstehen die Strömungskanäle, durch die die in Wärmeaustausch tretenden Mittel
hindurchgeleitet werden. Zweckmäßig werden zur Erzielung eines guten Wärmeaustausches
alle einem Strömungskanal benachbarten Kanäle im Gleich- oder Gegenstrom von dem
anderen Mittel durchströmt. An die den Kanälen gemeinsamen Austauschwände, die durch
die Gitterstege der Rahmen gebildet werden, sind zur Erhöhung des Wärmeüberganges
Rippen angegossen bzw. angepreßt, die verhältnismäßig dünn und zweckmäßig in Richtung
des strömenden Mittels scharfkantig ausgebildet sind. Die Rippen zweier benachbarter
Strömungskanäle stehen sich unmittelbar gegenüber und bilden damit eine unmittelbare
metallische Verbindung von einem Kanal zum anderen. Zur weiteren Verbesserung des
Wärmeübergangswertes ist es zweckmäßig, die Rippen von aufeinanderfolgenden Rahmen
gegeneinander zu versetzen.
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Mit Vorteil wird den Rippen ein Querschnitt von geringem Strömungswiderstand
gegeben. Weiterhin ist es vorteilhaft, die Rippen zur Erzielung einer möglichst
wirtschaftlichen Materialausnutzung im Querschnitt von der Mitte der Kanäle aus
nach ihren Fußpunkten zu entsprechend dem Anwachsen der zu übertragenden Wärmemenge
zunehmen zu lassen.
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In den Abb. i und z ist ein Ausführungsbeispiel eines derartigen Rahmens
dargestellt, der zum Aufbau des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers verwendet wird.
Der Rahmen a ist entweder aus einem Stück gegossen oder durch Pressen hergestellt.
Die Strömungskanäle b für die in Wärmeaustausch tretenden Mittel werden durch die
Stege c des Rahmens gebildet. An diesen Stegen c sind Rippen d angegossen oder angepreßt.
Zur Erhöhung des Wärmeübergangswertes werden die einzelnen den Wärmeaustauscher
bildenden Rahmen a zweckmäßig so ausgebildet, daß die Rippen d zweier benachbarter
Rahmen gegeneinander versetzt sind, wie dies aus Abb. i zu ersehen ist. In Abb.
i sind Rippen d' des nächsten dahinterliegenden Rahmens zu sehen.
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In den einzelnen Strömungskanälen b sind in der Abb. i Punkte und
Kreuze angegeben, die in bekannter Weise die Strömungsrichtung versinnbildlichen.
Aus der Anordnung dieser Kreuze und Punkte geht hervor, daß die Verteilung der in
Wärmeaustausch tretenden Mittel auf die Strömungskanäle so gewählt ist, daß alle
einem Strömungskanal, der von dem einen Mittel durchströmt wird, benachbarten Strömungskanäle
von dem anderen Mittel beschickt werden.
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Wie aus Abb. a hervorgeht, sind die Rippen d als Dreiecke ausgebildet.,
deren Spitzen nach,d:n Mittelpunkten der Strömungskanäle zeigen. Diese Formgebung
ist mit Rücksicht auf das Ansteigen der zu übertragenden Wärmemenge vorteilhaft.
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In der Abb. 3 ist ein Rahmen a in kleinerem Maßstabe dargestellt,
dessen Anzahl Strömungskanäle b für den praktisch vorkommenden Fall bemessen ist.
Im übrigen ist der Rahmen a in gleicher Weise wie in Abb. i ausgeführt. Mit e sind
Ösen bezeichnet, die zur Verbindung einer größeren :'£nzahl hintereinandergeschalteter
Rahmen a dienen, so daß ein Wärmeaustauscher entsteht, wie er in Abb. q. dargestellt
ist.
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Die Abb. q: zeigt die Anordnung einer großen Anzahl Rahmen
a, die mittels Bolzen f zu dem eigentlichen Wärmeaustauscher zusammengepreßt
sind. Das eine der beiden im Wärmeaustausch stehenden Mittel tritt beispielsweise
durch den Stutzen g in den Wärmeaustauscher ein und verläßt diesen durch den Stutzen
h, während das zweite Mittel im Gegenstrom durch die Stutzen i bzw. k ein- bzw.
aus dem Wärmeaustauscher austritt.
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Falls es sich bei den im Wärmeaustausch stehenden Mittel um solche
verschiedenen Druckes bzw. verschiedener Strömungsgeschwindigkeit handelt, ist es
zweckmäßig, die Berippung .entsprechend der Verschiedenheit der Drücke bzw. der
Strömungsgeschwindigkeiten verschieden auszuführen. Auf diese Weise kann erreicht
werden, daß die Wärmeübergangszahlen trotz der Verschiedenheit der beiden Mittel
auf beiden Seiten annähernd gleich groß gehalten werden und damit eine wirtschaftliche
Ausnutzung des Materials gewährleistet wird. In den Abb. 5 und 6 sind Ausführungsbeispiele
derartiger den Wärmeaustauscher bildenden Rahmen a dargestellt, bei denen die Strömungskanäle
b' für das Mittel höheren Druckes bzw. größerer Strömungsgeschwindigkeit ohne Rippen
(Abb. 5) bzw. mit nur wenigen Rippen d' (Abb. 6) im Verhältnis zu den Strömungskanälen
b für das Mittel niedrigen Druckes bzw. geringerer Strömungsgeschwindigkeit ausgebildet
sind. Eine weitere Möglichkeit zur Erzielung gleicher Wärmeübergangszahlen besteht
noch darin, daß die Kanäle für das Mittel höheren Druckes bzw. größerer Strömungsgeschwindigkeit
im Querschnitt kleiner ausgebildet werden als die Kanäle für das Mittel niedrigeren
Druckes bzw. geringerer Strömungsgeschwindigkeit. Diese Maßnahme geht ebenfalls
aus Abb. 6 'hervor, in der die Kanäle b" nur ein Viertel des Querschnittes der Kanäle
b besitzen und von- dem wärmeaustauschenden Mittel derart durchflossen werden, daß
die Kanäle kleineren Querschnitts hintereinandergeschaltet sind.
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Im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Abbildungen zeigt Abb. 7 eine
Ausführung des Rahmens a, bei der die Kanalquerschnitte dreieckig ausgebildet
sind.
Die Dreiecksform der Kanalquerschnitte hat gegenüber dem rechteckigen Querschnitt
den Vorteil, daß die Wärmeaustauschwege bei dieser Form im Mittel kürzer sind.
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EineweitereAusführungsmöglichkeit des Wärmeaustauschers mit innenberippten
Strömungskanälen besteht darin, daß die Strömungskanäle durch mäanderbandfö.rmige
Bleche gebildet werden, in die hintereinander angeordnete Metallkästchen eingelegt
sind. Durch eine besondere, nachfolgend näher beschriebene Bearbeitung dieser Metallkästchen,
die in einfacher Weise aus Blechen hergestellt sind, die an ihren Kanten um 9o°
umgebogen werden, wird die Innenberippung der Strömungskanäle gebildet.
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In Abb. 8 ist ein derartiger Wärmeaustauscher im Querschnitt dargestellt.
Die Strömungskanäle werden durch die mäanderbandförmig gebogenen Blechtafeln in
gebildet, in die die vorerwähnten Metallkästchen ia eingelegt sind. In den Abb.
9 und io ist ein einzelnes derartiges Metallkästchen in größerem Maßstabe dargestellt.
Das Metallkästchen ia besitzt seitliche Umbiegungen o, die eine gut wärmeleitende
Verbindung der Metallkästchen mit den Wänden in der Strömungskanäle sicherstellen.
Die in den Kästchen gebildeten Rippen werden in der Weise hergestellt, daß radial
zum Mittelpunkt des Eiereckigen Bleches Einschnitte vorgesehen werden, so daß dreieckförmige
Zacken r entstehen. Diese Zacken werden aus der Blechebene um einen Winkel von etwa
9o° herausgedreht, so daß offene Querschnitte p für das strömende Mittel entstehen,
wie sie in Abb. ro zu sehen sind. Bei der Herstellung dieser Rippen ist darauf zu
achten, daß die dreieckförmigen Zacken an ihren Fußpunkten beim Herausdrehen aus
der Blechebene nicht zu einem Einriß oder Einschnitt des Bleches führen, damit der
volle Querschnitt für die Wärmeübertragung erhalten bleibt.
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Durch das Herausdrehen der dreieckförmigen Zacken um etwa 9o° wird
dem durch die Kanäle strömenden Mittel nur die scharfe Blechkante entgegengestellt.
Hierdurch wird ein höher Wärmeübergangswert erzielt und gleichzeitig genügend große
Querschnitte für den Durchfluß des strömenden Mittels freigegeben. Der Querschnitt
der auf diese Weise gebildeten Rippen nimmt in gleicher Weise wie bei den zuvor
beschriebenen Ausführungsbeispielen, bei denen der Wärmeaustauscher aus einzelnen
gegossenen oder gepreßten Rahmen aufgebaut ist, in gleicher Weise nach seinem Fußpunkt
zu, entsprechend dem Ansteigen der zu übertragenden Wärmemenge.