DE861141C

DE861141C - Einsatz fuer Waermeaustauscher, insbesondere zum Vorwaermen von Luft oder Gas

Info

Publication number: DE861141C
Application number: DEA1720A
Authority: DE
Inventors: Tor Axel Dipl-Ing Oedman
Original assignee: Svenska Rotor Maskiner AB
Current assignee: Svenska Rotor Maskiner AB
Priority date: 1950-01-13
Filing date: 1950-05-26
Publication date: 1953-01-05
Also published as: GB694039A; BE495915A

Description

Die Erfindung betrifft einen Einsatz für Wärmeaustauscher zur Vorwärmung von Luft und anderen gasförmigen Stoffen, insbesondere die Ausbildung von gasbespülten Flächen, bestehend aus wärmeübertragenden, parallel zur Strömungsrichtung angeordneten, durch geringen Abstand voneinander enge Gassen bildenden Blechen, von denen mindestens jedes zweite, mit Wellungen in einem Winkel zur Strömungsrichtung versehen ist.
ίο In Wärmeaustauschern, in denen · der Wärmeaustausch zwischen gasförmigen Körpern in der Weise erfolgt, daß die nicht kl unmittelbarer Berührung stehenden Gase durch eine Vielzahl von Kanälen fließen, deren Wandungen Wärme aus dem einen Stoff aufnehmen und an den anderen Stoff abgeben,, ist es von ausschlaggebender Bedeutung, daß der Durchschnittswert des Wärmeübergangskoeffizienten so hoch wie möglich wird und daß andererseits zugleich der Druckabfall in der Kanalströmung nicht zu groß wird.

Da die Heizflächen gemäß der vorliegenden Erfindung vorzüglich für Regenerativwärmeaustauscher geeignet sind, soll der Erfindungsgegenstand im nachstehenden der Einfachheit wegen im

Zusammenhang mit dieser Bauart erläutert werden wobei jedoch zu bemerken ist, daß verschiedene Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes auch für Rekuperativwärmeaustauseher verwendbar sind.

Der Wärmeübergangskoeffizient hängt von der Beschaffenheit der Kanalwandungen, von den Abmessungen des Einsatzes, seiner äußeren Gestalt usw. ab, und ebenso ist der Druckabfall in weitem ίο Maße von der Konstruktion der Kanaleinzelheiten abhängig.

Es erweist sich tatsächlich für einen guten Wärmeübergang als äußerst wichtig, daß die Grenzschicht so gering wie möglich ist. Bekanntlich bewirken Wärmeaustauschflächen, die zur Verringerung der Grenzschicht mit Stiften, starken. Vorsprüngen und ähnlichen Elementen ausgestattet ' sind, stets einen hohen Wärmeübergangskoeffizienten. Die Schwierigkeiten liegen eben in dem Problem, wie man bei Vermeidung eines allzu kräftigen Druckabfalls den Wärmeübergangskoeffizienten steigern kann.

In Regenerativluftvorwärmern, z. ©. Ljungströms-Luftvorwärmern, wurden die Einsätze bisher in Gestalt von Plattenpaketen ausgeführt, wobei ■ die Platten nebeneinander, aber mit einem gewissen Abstand voneinander, angeordnet sind, wodurch zwischen ihnen enge Gassen für die durchströmenden Gase gebildet wurden. Bei einem dieser bekannten Wärmeaustauscher besteht der Einsatz aus wärmeübertragenden, parallel zur Strömungsrichtung angeordneten, durch geringen Abstand voneinander enge Gassen bildenden Blechen, von denen jeweils das eine mit Wellungen in einem Winkel zur Strömungsrichtung versehen ist, während das andere als Abstandshalter in der Strömungsrichtung verlaufende Wellungen besitzt, im übrigen aber glatt gehalten ist. Die zwischen diesen Platten eingeschlossenen Kanäle haben also eine gewellte und eine glatte Breitwand.

Die Heizeinsätze der erwähnten Regenerativluftvorwärmer leiden daran, daß ihr Wärmeübergangskoeffizient zu niedrig ist. Sie haben aber den Vorteil eines relativ geringen Druckabfalls. Die in einem Luftvorwärmer erforderliche Oberfläche für einen bestimmten Wärmeaustausch bei einem gewissen Wirkungsgrad ist natürlich direkt proportional dem Wärmeübergangskoeffizienten. Es ist also unbedingt anzustreben, die Kanäle so zu gestalten, daß ein hoher Wärmeübergang ohne übermäßigen Druckabfall erzielt wird.

Nach der Erfindung soll die Schaffung neuer Heizflächen mit verbesserten Eigenschaften, insbesondere Steigerung des Wärmeübergangskoeffizienten bei mäßigem Druckabfall und Verringerung der Luftvorwärmerabmessungen bzw. Steigerung der Leistung bei gleichbleibenden Abmessungen erreicht werden.

Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß die nicht gewellten Plattenteile der Gassen eine waffeiförmige Oberfläche aufweisen, so daß durch die netzähnliche oder waffeiförmige Oberfläche die Grenzschichten an den nicht gewellten Blechen in viel höherem Maßte unterbrochen werden-als dies bisher bei den bekannten Einsätzen möglich war. Der Wärmeübertragungskoeffizient wird erheblich verbessert, dagegen wird der Druckabfall nur unwesentlich beeinflußt.

Das Waffelmuster kann sowohl in Rekuperativwie in Regenerativwärmeaustauschern Anwendung finden. Der Einfachheit halber wird im folgenden die Anwendung dieser Oberflächenausbildung bei Regenerativwärmeaustauschern, nämlich denLjungströms-Luftvorwärmern, gezeigt.

Bei diesen findet der Wärmeaustausch zwischen gasförmigen Körpern, insbesondere Rauchgasen und Luft statt, welche nicht in unmittelbarer -Berührung miteinander gebracht werden. Die Gase strömen durch eine Anzahl paralleler Kanäle, deren Wandungen die Hitze von einem Gas übernehmen und später an das andere wieder abgeben. Diese Kanäle werden meistens gebildet durch voneinander getrennt liegende Platten oder Platten und Netze. Sie werden gewöhnlich als Heizeinsatzelemente bezeichnet. Diese Elemente können mit Wellen oder Rillen parallel zur Strömungsrichtung versehen sein, desgleichen mit aufgeschweißten Drähten oder mit anderen festen Profilen, die als Abstandshalter zu bezeichnen sind. DieAbstandshalter können auch durch aus den Platten selbst ausgestanzten und hochgebogenen Teilen bestehen, welche den gegenseitigen Abstand" der-Platten sichern. Der Abstand zwischen den Abstandshaltern ist um ein Vielfaches größer als die Höhe der Abstandshalter selbst. Die Durchströmung durch einen Kanal, der von zwei parallelen Wandungen und zwei Abstandshaltern begrenzt wird, wird nun stark beeinflußt durch die besondere Ausbildung-der Platten oder Flächen, da diese die größten Grenzflächen des Kanals darstellen. - _#

Gemäß der Erfindung ist eine" der Heizoberflächen in dem Kanal mit einer Waffelmusterung versehen, die auf beiden Seiten der Platte symmetrisch ist. Die Waffelmusterung wird aus einer Oberfläche entwickelt, die mit Wellen oder Rillen versehen ist, welche quer oder im Winkel zur Gasströmung verlaufen. Die waffelförmige Oberfläche ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß sie Wellungen oder Rillen enthält, die schräg zur Hauptrichtung des Gasstromes verlaufen, aber nicht glatt durchgehen, sondern durch kleine Querwellen unterbrochen sind.

In der Wirkung besteht der Unterschied zwischen einem einfach gewellten und einem waffeiförmig ausgebildeten Element darin, daß bei dem letzteren Teil der Gasströme, welche den Wellen zu folgen gezwungen sind, in kurzen Abständen unterbrochen werden. Durch diese Unterbrechungen erhalten die Teilgasströme eine andere Richtung als die Hauptströmung des Gases, wodurch eine intensive Durchwirbelung der Gase in der Nähe der wärmeaustauschenden Oberfläche herbeigeführt wird, was zur Erreichung eines hohen Wärmeübergangskoeffizienten notwendig ist, und daß weiterhin die Grenzschicht unterbrochen wird, was ebenfalls für einen hohen Wärmeübergangskoeffizienten von

Bedeutung ist. Da die Wellen am Boden nicht glatt verlaufen, können, daher auch keine isolierenden. Grenzschichten entstehen.

Auf Grund von Nachprüfungen an einem Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ist festgestellt worden, daß das Verhältnis

Ap

ίο (wobei α der Wärmeübergangskoeffizient und Ap der Druckabfall ist) größer ist als bei den bekannten Ausführungsformen mit glattgewellten Oberflächen.. Dieser Vergleich ist deshalb lehrreich, weil die glattgewellte Oberfläche bisher als die beste Ausführung für Luftvorwärmer galt, und weil die neuen Elemente praktisch in der gleichen Weise hergestellt werden können wie die bisher bekannten Elemente.

Der Erfolg der neuen waffeiförmig gestalteten Oberfläche ist außerordentlich bedeutungsvoll, da er unmittelbar die im Vorwärmer benötigte Ober-• fläche vermindert, was weniger Material für die Wärmeaustauschflächen als auch für den Wärmeaustauscher im ganzen bedeutet.
Einige Ausführungsbe.ispiele des Erfindungsgegenstandes sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt

Fig. ι ein Heizeinsatzelement, welches im Winkel von 301⁰ zur Gasströmung angeordnete Wellen aufweist, mit den entsprechenden Ansichten von der Seite in Richtung der eingezeichneten Pfeile,

Fig. 2 das gleiche Heizelement wie in Fig. 1,

aber mit einer doppelten Wellenanordnung im Winkel von 30⁰ZUr Gasströmung, wobei die zweite Wellenanordnung nur die halbe Tiefe der in Fig. 1 gezeigten Wellentiefe aufzeigt, wodurch das

·. Waffelmuster entsteht,

Fig. 3 ein Heizplattenelement gemäß Fig. 2 in perspektivischer Ansicht,

Fig. 4 eine Anordnung zum Herstellen einer Waffelplatte durch Riffelung in doppelter Richtung, Fig. 5 eine andere Vorrichtung zum Herstellen von Riffelungen in zwei Richtungen,

Fig. 6 bis 9 verschiedene Zusammenstellungen von Waffelplatten mit Abstandshaltern,

Fig. 10 bis 12 ein anderes Ausführungsbei'spiel mit gewellten Abstandshaltern,

Fig. 13 eine Waffeloberfläche gemäß der Erfindung, die in einem Arbeitsgang hergestellt wird und die Oberfläche der. erzeugenden Walzrollen darstellt,

Fig. 14 eine Seitenansicht auf die Walzrollen, Fig. 15 ein ähnliches Waffelmuster wie in Fig. 13

bei einem Winkel von 30⁰ zur Gasströmung mit den verschiedenen durch die eingezeichneten Pfeile angedeuteten Seitenansichten,

Fig. 16 ein Heizplattenelement gemäß Fig. 15 in perspektivischer Ansicht.

Wie aus den Fig. 2 und 3 hervorgeht, wird das Waffelmuster dadurch erzeugt, daß das Heizplattenelement in zwei Richtungen, und zwar beide Male im Winkel von 30⁰ zur Gasströmung geneigt, gewellt und geriffelt wird, wobei die erste Riffelung (Primärriffelung) in voller Tiefe wie in Fig. ι durchgeführt wird, während die zweite Riffelung (Sekundärriffelung) nur bis zur halben Tiefe geht, wie sich aus Fig. 2 ergibt. Hierbei wird während der Ausführung der sekundären Riffelung der Wellenscheitel der primären Riffelung bis zur halben Höhe im Gebiet der Sekundärriffelung niedergedrückt. Wenn die Tiefe der Sekundärriffelung weniger als die Hälfte der Tiefe der Primärriffelung beträgt, dann verläuft die Hauptrichtung der Riffelung parallel zur Primärriffelung. Ist dagegen die Sekundärriffelung tiefer als die halbe Tiefe der Primärriffelung, dann ist die Richtung der Hauptriffelung parallel zur Sekundärriffelung.

In Fig. 8 ist eine Kombination von mit Waffelprofil versehenen Heizplattenelementen gezeigt, bei denen sich die Hauptriffelungsrichtungen kreuzen.

Aus Fig. 4 ergibt sich die Möglichkeit der Herstellung der Waffelung in zwei Arbeitsgängen mittels des Walzenpaares 74 und 76, die mit einem entsprechenden Walzprofil versehen sind. Eine glatte Platte, z. B. Metallplatte 70, wird unter einem bestimmten Winkel, z. B. 30°, zwischen die Walzen 74 und 76 eingeführt und erhält dann beim Durchrollen durch das Walzenpaar die Riffelung 72, Beim zweiten Durchgang wird der Abstand zwischen den Rollen 74 und 76 vergrößert, so daß die Riffelrollen nicht mehr so tief in das Blech eindringen kennen, und das mit der Riffelung 72 versehene Blech wird nun wiederum im Winkel von beispielsweise 3o⁰ zwischen den Rollen eingeführt, wodurch die Kreuzriffelung 78 erzeugt wird, die das Waffelmuster ergibt. Die Rillen der Walzen 74 und 76 können natürlich auch parallel zur Rollenachse angeordnet sein.

In der in Fig. 5 schematisch dargestellten Fextigung durchläuft das Blech 88 hintereinander zwei Rollenpaare 80, 82 und 84, 86, auf deren Umfang die zur Erzeugung der Riffelung dienenden Rippen spiralig angeordnet sind. Die Rollenpaare sind so eingestellt, daß das erste Rollenpaar 80, 82 eine tiefe Riffelung 90 hervorruft und das zweite Rollenpaar 84, 86 dagegen eine geringe Riffelung, beispielsweise von halber Tiefe, erzeugt. Das- zunächst in das Rollenpaar 80, 82 einlaufende Blech 88 erhält zunächst die einfache Riffelung 90 mit tiefen Rillen und danach die Kreuzriffelung 92 mit weniger tiefen Rillen.

Man kann aber auch andere Verfahren anwenden, um das ■ Waffelmuster in einem einzigen Arbeitsgang zu erzeugen. Ein solches Verfahren ist in den Fig. 13 und 14 schematisch dargestellt.

In Fig. 14 sind zwei miteinander zusammen-, arbeitende Walzen 2 und 4 gezeigt, die -in den Achsen 2' bzw. 4' gelagert sind. Die Profilierung der oberen Walze 2 ist in der Weise entstanden, daß auf der Walze zunächst ein spiral ig verlaufendes Rillen- oder Rippenprofil eingeschnitten wird, dessen Tiefe der tiefsten zu erzeugenden Rille entspricht. In gleicher Weise erhält die untere Walze4 eine spiralig verlaufende Profilierung, die jedoch im Winkel zu der Primärprofilierung der Walze 2

verläuft. Um den Eingriff der beiden Walzen miteinander zu sichern und ferner dem zwischen den Walzen hindurchgehenden Blech ein Waffelprofil zu erteilen, werden durch quer zu den Primärprofilen verlaufende spiralige Kerben die Rillen>scheitel der Primärprofile etwa bis zur halben Profiltiefe weggeschnitten.

In Fig. 14 ist durch das Bezugszeichen 6 eine Reihe hintereinanderliegender Scheiteleinkerbungen gezeigt, deren Boden etwa in halber Höhe des Profils der Rippen liegt, aus deren Scheitel sie weggeschnitten sind. Diese Scheiteleinkerbungen 6 verlaufen in spiralig angeordneten Scharen nebeneinander, was der Einfachheit halber durch die Strichelung 8 angedeutet ist. In ähnlicher Weise sind die Scheitel der Primärprofilierung der oberen Walze 2 mit bis zur halben Profiltiefe gehenden Einkerbungen 10 versehen, welche durch eine Schar von quer zur Primärriffelung verlaufenden spiraligen Einschnitten 12 erzeugt sind.

Die zur Erzeugung der Riffelung dienenden Verrippungen der oberen Walze 2 sind in Fig. 13 durch das Bezugszeichen 14 angedeutet. Mit 16 sind die Teile des Rippenscheitels bezeichnet, weleher im Zuge der Sekundärspirale weggeschnitten sind.

18 bedeutet einen Schnitt durch die obere Walze 2, und zwar parallel zum Primärprofil, wobei die Wellenscheitel 20 bei 22 weggeschnitten sind.

In'ähnlicher Weise bedeutet 24 einen Schnitt durch die untere Walze im rechten Winkel zur Primärriffelung und 26 einen Schnitt parallel zur Primärriffelung. .

28 ist eine Draufsicht auf das Waffelmuster der oberen Walze, aus welcher die Scheitelauskerbungen 30 deutlich ersichtlich sind. Die untere Walze 4 hat dieselbe Oberflächengestaltung, ist jedoch um 90⁰' gegenüber der oberen Walze versetzt.

Mit 32 ist ein Stück eines Plattenelements bezeichnet, das durch Walzen zwischen den Walzen 2 und 4 erzeugt ist.

Ein Schnitt nach der Linie 40, projeziert mit den Pfeilen 316, 38, ist mit den Bezugszeichen 34 bezeichnet. Der gleiche Schnitt nach der im rechten Winkel dazu verlaufenden Linie 48, projeziert durch die Pfeile 44, 46, ist mit 42 bezeichnet.

Wenn die Tiefe der Sekundärprofilierung 6, 8·, 10, 12, ιό und 22 ungefähr halb so groß ist wie die Tiefe der Primärriffelung, wird keine ausgesprochene Hauptrichtung zustande kommen.

Aus Gründen der Einfachheit der Darstellung, , ist in den Fig. 13 und 14 eine Herstellungsmethode gezeigt, bei welcher die Profilierungen im Winkel von 45° zur Gasdurchströmungsrichtung verlaufen. Man kann aber natriirlich auch diese Winkel verringern, beispielsweise auf 30°, wobei sich ein Waffelprofil nach den Fig. 15 und 16 ergibt. In den Ausführungsbeispielen nach Fig. 6 bis 9 sind verschiedene Kombinationen von Elementen gezeigt, welche gerade aus den Elementplatten herausgedrückte Abstandshalterrippen aufweisen.

In den Fig. 10 bis 12 sind Elementkombinationen gezeigt, bei denen die aus dem Plattenmaterial herausgedrückten Abstandshalterrippen in sich gekräuselt oder gewellt bzw. regelmäßig oder unregelmäßig verquetscht sind. In diesen fließt natürlich das Gas nicht gerade und ungestört·, wie in den geraden Rippen gemäß den Ausführungen nach Fig. 6 bis· 9, sondern wird innerhalb der Abstandshalterkanäle gewirbelt, wodurch der Übergangskoeffizient verbessert wird.

Claims

Patentansprüche:

1. Einsatz für Wärmeaustauscher, insbesondere zum Vorwärmen von Luft oder Gas, bestehend aus wärmeübertragenden, parallel zur Strömungsrichtung angeordneten, durch geringen Abstand voneinander enge Gassen bildenden Blechen, von denen mindestens jedes zweite mit Wellungen in einem Winkel zur Strömungsrichtung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die nicht gewellten Blechteile der Gassen eine waffeiförmige Oberfläche auf- ■-weisen.

2. Einsatz nach Anspruch 1,, dadurch gekennzeichnet, daß die waffeiförmige Oberfläche aus quer zur Hauptgasströmung verlaufenden Wellen besteht, die durch kleine Querwellen go od. dgl. unterbrochen sind.

3. Einsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Elementenplatte ein Waffelprofil aus zwei im Winkel zur Gasdurchströmung verlaufende Riffelungen oder WeI-lungen vorgesehen ist, von denen die zweite die erste kreuzt und nur etwa halb so tief eingedrückt ist wie die erste.

4. Einsatz nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Riffelungen etwa im Winkel von 30 bis 45⁰' zur Gasdurchströmung verlaufen.

5. Einsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit Waffelprofil versehene Elementenplatten zwischen Platten angeordnet sind, welche mit- Abstandshaltern versehen sind.

6. Einsatz nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter aus Rippen bestehen, die aus den Platten herausgepreßt sind.

7. Einsatz nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalterflächen in sich gewellt oder gekräuselt sind.

8. Einsatz nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter aus Drähten oder Profileisen bestehen, die mit den Platten verschweißt sind oder aus verdickten Teilen der Platten oder Teilen, welche aus den Platten ausgeschnitten und entsprechend ausgebogen sind. . ■

9. Einsatz nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß alle Plattenelemente des Heizeinsatzes mit Waffeloberfläche ausgestattet sind und jedes zweite dieser Plattenelemente mit aus dem Plattenmaterial ausgedrückten Abstandshalterrippen versehen ist.

ίο. Einsatz nach Anspruch ι, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit Waffelprofil ausgestattetes Plattenelement, aus welchem glatte und gekräuselte Abstandshalterrippen ausgepreßt sind, zwischen ebenen Plattenelementen angeordnet ist.

11. Einsatz nach einem der Ansprüche ι bis- 3, dadurch gekennzeichnet, daß die profilbildenden Riffelungen zweier benachbarter

ίο Platten parallel zueinander verlaufen.

12. Einsatz nach Anspruch ι bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die profilbildenden Riffelungen zweier benachbarter Platten quer zueinander verlaufen.

13· Verfahren zum Herstellen von Plattenelementen mit waffelähnlicher Profilierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die waffelbildenden Riffelungen in zwei Arbeitsgängen erzeugt werden, indem ein ebenes 'Blech zunächst mit einer Riffelung und darauf mit einer .weiteren Riffelung versehen wird, wobei die erste Riffelung in voller Tiefe durchgeführt wird, während die zweite Riffelung mit geringerer Tiefe eingedrückt wird, so daß durch sie die Scheitel der ersten Riffelung in bestimmten Abständen niedergedrückt werden.

14. Einsatz, hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der zweiten Riffelung geringer ist als die halbe Tiefe der ersten Riffelung.

15. Einsatz, hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der zweiten Riffelung größer ist als die halbe Tiefe der ersten Riffelung, wodurch die Hauptrichtung des Profils parallel zur zweiten Riffelung verläuft,

16. Walze zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 13, gekennzeichnet' durch zwei Walzenpaare (8o, 82 bzw. 84,86), welche so profiliert sind, daß das erste Walzenpaar (80, 82) einem die Walzenpaare hintereinander durchlaufenden Blech eine Riffelung in einem gewissen Winkel erteilt, wobei beim Durchgang durch das zweite Walzenpaar (86, 84) eine die erste Riffelung kreuzende zweite Riffelung erzeugt wird, wobei die letztere weniger tief eingepreßt wird als die erste Riffelung.

17. Walzenanlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Riffelung erzeugenden Profile in den beiden Walzenpaaren spiralig verlaufen.

18. Walze zur Herstellung waffelprofilierter Plattenelemente nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch ein Walzenpaar (2, 4), von dem die obere Walze mit einer nach Schraubenlinien verlaufenden Profilierung der größten Riffelungstiefe versehen ist, während die untere Walze eine in gleicher Weise, aber die Profilierung der oberen Walze kreuzenden Profilierung hat und wobei die Scheitel der spiralig verlaufenden Wellen bzw. Rippen bis zur halben Tiefe in gewissen Abständen weggeschnitten sind.

Angezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 575 365.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen