DE878500C - Verfahren und Vorrichtung zum Waermeaustausch zwischen zwei Koerpern - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Waermeaustausch zwischen zwei Koerpern

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DE878500C
DE878500C DEM11129A DEM0011129A DE878500C DE 878500 C DE878500 C DE 878500C DE M11129 A DEM11129 A DE M11129A DE M0011129 A DEM0011129 A DE M0011129A DE 878500 C DE878500 C DE 878500C
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fluid
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vessel
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heat
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DEM11129A
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Inventor
Frank Joseph Kaehni
William Louis Kaehni
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Metal Carbides Corp
Original Assignee
Metal Carbides Corp
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/16Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying an electrostatic field to the body of the heat-exchange medium

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Mechanical Engineering (AREA)
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  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Description

  • Verfahren und Vorrichtung zum Wärmeaustausch zwischen zwei Körpern Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum Wärmeaustausch und insbesondere die Verwendung eines elektrostatischen Feldes zur schnelleren Erwiirniung oder Abkühlung von Flüssigkeiten oder zur Vergrößerung der Wiirmemenge, die auf ein oder von einem Fluidum unter gegebenen Bed,in:gungen übertragbar ist.
  • Es wurde gefunden, daß .durch die Verwendung eines elektrostatischen Feldes, welches durch an eine Gleichätromhochspannungsquelle angeschlossene Elektroden erzeugt wird, die Schnelligkeit des Wärnieübergan.ges von einem festen Körper auf ein Fluidum oder von einem Fluidum auf einen festen Körper oder von einem Fluidum auf ein anderes Fluidum merklich gesteigert und daß die unter gegebenen. Bedingungen, von dem einem auf den anderen Körper übertragbare Wärmemenge erhöht werden kann. Weiterhin wurde gefunden, daß durch eine zweckmäßigeBenutzung undAnwendung eines solchen elektrostatischen Feldes die Wärmemenge, die auf oder von einem festem Körper oder ein Fluidum unter gegebenen Umständen übertragen werden kann, wesentlich erhöht werden kann. Tnfolgedessen können Verfahren und Vorrichtungen, bei denen. ein Wärmeaustausch vorkommt, vereinfacht und in ihrer Leistung oder ihrem Wirkungsgrad: merklich verbessert werden. Darüber hinaus können überall dort, wo eine Wärmeableitung oder eine Wärmeübertragung von einem Fluidum oder einem festen Körper auf ein Fluidum oder einen festen Körper gewünscht wird, beispielsweise um einen hohen Arbeitswirkungsgrad zu erlangen oder aufrechtzuerhalten, etwa bei der Arbeit von Motoren, Transformatoren oder Funkanlagen durch die Anwendung der Erfindung merklich verbesserte Ergebnisse erzielt werden. Bei der Erhitzung eines Fluidums, wie Öl, Wasser oder anderen Flüssigkeiten, b:zw. Luft und anderen Gasen, und bei der Kühlung dieser Stoffe ist bei dien üblichen Methoden, welche die direkte Wärmeübertragung von einer heizenden Fläche oder durch ein beliebigeg Medium umfassen, sowohl die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung als auch die gesamte von den benutzten Heizmitteln zur Verfügung stehende Wärme ziemlich wichtig, und bei vielen industriellen Wärmeaustauschern haben diese Faktoren einen begrenzenden Einfluß. In manchen Fällen haben diese Faktoren es notwendig gemacht, den gesamten Geräteaurfwand, der zur Durchführung einer bestimmten Arbeit erforderlich ist, zu vergrößern, und sie haben dazu gezwungen, die Leistungsfähigkeit einer solchen Anlage ganz erheblic'h zu beschränken. Dies ist insbesondere der Fall bei der Erhitzung oder Kühlung solcher Flüssigkeiten, z. B. Öl, die, keine guten Wärmeleiter sind. Weitenhin ist dies der Fall, wo Einsatzverfahren zur Erhitzung von Flüssigkeiten oder festen Körpern benutzt werden, die in einer Flüssigkeit suspendiert oder emulgiert sind. Oft ist es notwendig, ausgedehnte Wärmekreisläufe oder teure Rührer in solchen Anlagen zu verwendien, so daß die Produktionskosten wes-entlich-erhöht werden.
  • Bei vielen verschiedenen industriellen Einrichtungen ist das Problem, Teile oder die gesamte Apparatur auf einer geeigneten Arbeitstemperatur zu erhalten, außerordentlich wichtig. Falls nicht die richtige Temperatur eingehalten wird, so sinkt der Wirkungsgrad. Bleispielsweise müssen Elektromotoren, Transformatoren und Generatoren gekühlt werden, um ein . Überhitzen sawie entsprechende Wirkungsgrardverluste zu vermeiden,. Auch in Funkanlagen ist es erwünscht, die Anoden der Vakuumröhren zu kühlen, um bessere Ergebnisse zu erhalten. Gasturbinen und Verbrennungskraftmascih,inen müssen ebenfalls gekühlt werden, um eine allgemeine oder örtliche Überhitzung im Betriebe zu verhindern. Es wurde nun festgestellt, daß bei der Verwendung eines elektrostatischen Feldes mit Gleichstromhochspannung in :dier weiter unten genauer beschriebenlen Weise in Verb:in :dung mit Wärmeaustausthgeräten die Kühlung solcher Vorrichtungen derart geleitet werden kann, daß die richtigenArbeitstemperaturen und damit günstigere Wirkungsgrade beibehalten werden. Insbesondere kann z. B. bei elektrischen Motoren eine ausreichende Kühlung durch den Erfindungsgegenstand zur Erzielung höherer Leistungsbemessungen für Motoren jeder gegebenen Größe und Charakteristik erhalten werden.
  • Bei anderen industriellen Verfahren und Einrichtungen, wie z. &. bei Öfen und anderen Apparaten zum Glühen, Normalisieren oder sonstigem Wärmebehandeln von Stählen und anderen Metallen sowie bei Vorrichtungen zum Erhitzen oder Kühlen plastischer Kunststoffe oder anderer Werkstoffe, bei denen es notwendig ist, einem festen oder flüssigen Körper Wärme zuzuführen oder zu entnehmen-, kann die Erfindung mit dem Ergebnis benutzt werden, da. das Erwärmen oder Kühlen mit besserem Wirkungsgrad und Nutzeffekt durchgeführt werden kann,.
  • Unter Berücksichtigung -der Beschränkungen, die durch eine niedrige Wärmeübertragung verschiedenen industriellen Verfahren und Vorrichtungen auferlegt sind, die mit einem Wärmeaustausch zwischen Fluida oder zwischen einem Fluidum und einem festen Körper oder zwischen festen Körpern arbeiten, hat man sich bereits bemüht, die Wärmeaustauschgeschwindigkeit und die gesamte Wärmeübertragung zu erhöhen, und :es wurden hierzu zahlreiche Hilfsmittel; benutzt. Hierbei folgte man bisher mehr oder weniger den üblichen Arbeitsmethoden. Demgegenüber beschreitet die vorliegende Erfindung einen grundsätzlich neuen Weg zur Behandlung .des Problems der Wärmeübertragung. Durch die Erfindung wird eine induzierte Elektrobewegung innerhalb des Fluidums hervorgerufen, die eines der Elemente des Wärmeaustauschsystems bildet.
  • Gemäß der Erfindung wird in dem Wärmeaustauschsystem einem Fluidum ein elektrostatisches Feld aufgedrückt, während die Flüssigkeit erhitzt oder gekühlt wird. Das Fluidum kann das zu erhitzende oder zu kühlende Medium sein, oder es kann auch nur das Übertragungsmittel zur Bewirkung eines Wärmeaustausches zwischen zwei oder mehr festen Körpern oder zwischen einem festen Körper und! einem anderen Fluidum darstellen.
  • Durch Anwendung eines elektrostatischen Feldes auf das Fluidum während des Erhitzers oder Kühlers oder während der Benutzung als übertragendes Medium wird eine dauernde Bewegung geladener Teilchen (Moleküle oder Atome) von einer Oberfläche mit der einen Polarität durch das Fluidum zu einer Oberfläche mit der entgeh ngesetzten Polarität hervorgerufen. Ein gleichgerichteter Strom, vorzugsweise normaler Gleichstrom, von hoher Spannung wird zur Erzeugung des elektrostatischen Feldes zwischen zweckmäßig angeordneten Elektroden benutzt. Bei einigen Anwendungen dier Erfindung können die eine oder beide Elektroden besondere Teile des Apparates sein; in den meisten Fällen wird jedoch die eine der voneinander entfernt angeordneten Elektroden (oder beide), welche zur Erzeugung des gleichgerichteten elektrostatischen Feldes dient, einen Teil (oder Teile) des zum Heizen, Kühlen, Tragen, Leiten oder Übertragen des Fluidums benutzten Apparates bilden.
  • Bei der Verwendung eines gleichberichteten hohen Potentials werden die Teilchen (Moleküle oder Atome) zwischen den Elektroden bewegt. Dies schafft rieht nur einen schnelleren und größeren Wärmeaustausch, sondern bewirkt außerdem eine schnellere Ahgleichung der Temperatur innerhalb des Fluiedums selber.
  • Unter Berücksichtigung dieser Aufladung der Fluidumteilchen und der sich ergebenden Elektrobewegung zwischen: den Elektroden kann die. Erfindung mit Vorteil benutzt werden, wenn heiße und kalte Fluida oder Fluida gleicher Temperatur gemischt werden sollen. Das Verfahren kann auß-erdem bei der Herstellung von Emulsionen, Lösungen oder Suspensionen von Flüssigkeiten oder Feststoffen benutzt werden.
  • Bei der Anwendung der Erfindung auf die Erwärmung eines &elektrischen Fluidums, wie Öl, Luft, verschiedenen Gasen, Kerosin, Alkohol, Harzen und flüssigen plastischen Stoffen, die durch eine Kammer fließen, beispielsweise ein Rohr, kann das elektrostatische Feld in der Weise angelegt «-erden, daß der wärmende Teil, der z. B, eine geheizt;' Fläche oder ein geheizter Draht sein kann, eine der Elektroden bildet, während die andere Elektrode in hezug auf das Fluidum derart angeordnet ist, daß das elektrostatische Feld das Fluidum selbst durchsetzt. In. der gleichen Weise kann beim Kühlen eures solchen Fluidums die Oberfläche oder der Körper, an. den das Fluidum seine Wärme abgeben soll, eine der Elektroden sein, während die andere Elektrode in bezug auf das Fluidum in der Weise angeordnet wird, daß das elektrostatische Feld das Fluidum durchsetzt und den Teilchen usw, eine sogenannte @lelarobew egung erteilt. Es wurde jedoch gefunden, daßeine Erhöhung der Geschwindigkeit der Erwärmung oder Abkühlung eines Fluidums durch diese elektrostatischen Mittel auch erreicht werden kann, wenn der heizende oder kühlende Körper oder die heizende oder 1ti'thl-ende Fläche nicht als eine der Elektroden für die Herstellung des elektrostatisc ren Feldes benutzt wird.. Wenn heispielsweise ein Fluidum durch die Berührung niit einem geheizten Körper oder einer geheizten Fläche erwärmt wird, können: die Elektrodez innerhalb des Fluidums und die heizenden oder kühlenden Mittel derart zwischen den Elektroden angeordnet werden, daß die den Teilchen erteilte Elektrobewegung diese Teilchen (Moleküle oder Atom) von der einen Elektrode, zur anderen schickt, wobei sie während dieser Bewegung in, Berührung mit oder doch in die, enge Nachbarschaft dvr heizenden oder kühlenden Mittel gelangen. Die pesten Ergebnisse werden jedoch .erzielt, wenn die heizende oder kühlende Fläche oder das heizende oder kühlende Element eine der Elektroden zur Herstellung des elektrostatischen Feldes darstellt.
  • Zur Erläuterung der Erfindung möge die Erliitziing von Ölen herangezogen werden, wenn diese durch g: eign@°te Leitungen strömen. Ein Widerstandsdraht, der sich in Längsrichtung durch das die Flüssigkeit führende Rohr erstreckt, kann zur Erhitzung der Flüssigkeit bei der Bewegung durch dasRohr benutzt werden. DieserDraht kann ein üblicher Chrom-.Nickel-Widerstandsdraht (Nichrom) sein und wird z. B. an eine Wechselstromquelle zur Erzeugung von Wärme angeschlossen. Wenn die Leitung (oder das Rohr) aus Metall oder aus einem anderen elektrisch 1,eitendenStoff gesteht, kann man sie als eine der Elektroden und den zur Zuführung der Wärine an die Flüssigkeit geheizten Draht als die andere Elektrode benutzen. Ist jedoch die Leitung oder das Rohr verhältnismäßig nichtleitend, so kann der Widerstandsdraht auch weiterhin als die eine Elektrode benutzt werden, und es wird dann an der inneren 013"rfläcli-e des Rollres cd-er der Leitung eine MetalIelektrode als andere Elektrode angewandt. Wenn das Öl oder ein anderes Fluidum durch das Rohr hindurchgeht, wird es durch den Widerstand geheizt.
  • Wenn das elektrostatische Feld in der eben erwähnten Weise erzeugt wird, so wird die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung vom Heizer auf das Fluidum merklich ,erhöht, und zwar beträgt diese Erhöhung in vielen Fällen sogar iioo °/o. Darüber hinaus wird das. Öl oder ein anderes Fluidun i infolge der dem Fluidum durch das elektrostatische Feld. erteilten Elektrobewegung gleichmäßiger erhitzt. Bei anderen Vorrichtungen, die schematisch im folgenden beschrieben und dargestellt werden, erhält man ähnliche Erhöhungen der Wärm@eüb@ertraguirgsgescliwindiglceit. Zusätzlich wurde eine Steigerung von etwa .jo bis So °/o für die Gesamtmenge der übertragenden Wärme erzielt.
  • Wenn es auch, wie angegeben wurde, nicht notwendig ist, d.aß der das Heizelement bildende Widerstan.dsdräht als eine der Elektroden benutzt wird, so wurde doch festgestellt, d:aß es wünscbbenswert ist, ihn. immer dort als eine Elektrode zu verwenden, wo dies möglich ist, da in diesem Fall eine größere Steigerung der Wärmeübertragung erhalten werden kann, als wernn besonders getrennte Elektroden benutzt werden, die keinen Teil des normalen Wärmeaustausch,sy stems bilden. Dariiber hinaus kann weben der ganz erheblichen Steigerung der Wärmeübertragung vom Heizelement dem Widerstandsheizelement eine merklich größere Strommenge zugeführt werden. Mit anderen Worten, die Stromaufna'hmefähigkeit eines gegebenen Heizelements wird als Ergebnis der gesteigerten Wärmeaustauschgeschwindigkeit merklich erhöht.
  • Durch die Anwendung der Erfindung wird sowohl die Wärm-eiibertragungsgeschwindigkeit als auch die Wärmemenge, die von ,einer Oberfläche bei gegebener Temperatur abgegeben «-erden kann, erhöht. Mit anderen, Worten, bei der Verwendung eines elektrostatischen Feldes kann sowohl die übertragbare Wärmemenge als auch die Geschwindigkeit der Übertragung von einer Oberfläche mit gegebener Temperatur gesteigert werden. Dies ermöglicht, Apparate verschiedener Art bei niedrigeren Temperaturen zu Betreihen, ohne in irgendeiner Weise die übertragende Wärme zu beeinträchtigen. Ein weiterer sieh aus der Erfindung ergebender Vorteil besteht darin, daß . die übertragene Wärmvemenge einfach durch Änderung d:er angelegten Spannungen :gesteuert oder reguliert werden kann.
  • Wenn auch die Erfindung insbesondere bei solchen Verfahren, bei denen eine Wärmeübertragung benutzt wird, angewandt «-erden kann, so ergibt sich doch bereits aus den: vorstehenden Ausführungen, daß sie nicht auf solche Verfahren beschränkt ist, sondern daß sie überall dort ],,nutzt werden kann, wo die Gleichmäßigkeit der Temperatur in einem Fluidum oder die Mischung eines solchen gewünscht wird. Die Anwendung eines gleic'hgericliteten Hochspannungspotentials auf ein Fluidum bewegt die der einen Elektrode benächb@ärteü Teilchen zu einem Punkt in der Nähe der anderen Elektrode, und diese kontinuierliche Bewegung der -geladenen Teilchen mischt das Flu.dium gründlich.
  • Wenn auch die besondere Erläuterung der Erfindung nach den vorstehenden Ausführungen sich auf die Erwärmung bezieht, so ist die Erfindung doch nicht hierauf beschränkt, sondern kann ebenso bei der Kühlung angewandt werden. Die gesteigerte Wärmeübertragung gemäß der Erfindung macht es möglich, ein, Gas oder einen festen Körper elektrostatisch zu kühlen, und die Erfindung kann daher dort benutzt werden, wo die Hauptaufgabe darin besteht, ein Fluidum oder einen festen Körper zu kühlen, im Gegensatz zu solchen Verfahren, bei denen der Wärmeaustausch in der Hauptsache in der Erwärmung eines Fluidums oder eines festen Körpers besteht. Weiterhin ist die Erfindung nicht auf Verfahren und Vorrichtungen beschränkt, bei denen die Wärme elektrisch zugeführt wird, sondern -sie kann in gleicher Weise bei Erwärmungsverfahren benutzt werden, bei denen die Wärme durch. andere Mittel, beispielsweise durch die Verbrennung von Brennstoffen oder durch die Vorerhitzung eines Fluidums oder eines festen Körpers, vor der Anwendung des elektrostatischen Feldes zugeführt wird.
  • Auch. ist die Erfindung nicht auf Verfahren und Vorrichtungen. beschränkt, in denen die Kammer, der feste Körper oder die Leitung, die ein Fluidum leitet oder berührt, ein elektrischer Leiter ist. Die Kammer, -der feste Körper, die Leitung od. dgL, welche das Fluidum berührt, kann ein dielektriscner Stoff, z. B,. Glas, sein. Das benutzte Fluidum maß jedoch ,genübende dielektrische Eigenschaften aufweisen, um die Herstellung eines, elektrostatischen Feldes in ihm zu ermöglichen.
  • In :den Zeichnungen sind nur zum Zweck der Erläuterung schematisch verschiedene Wege zur Benutzung der Erfindung angedeutet. In der Zeichnung ist Fig. i ein. senkrechter Schnitt durch einen Apparat, :der zur Erhitzung eines Flüssigkeitskörpers benutzt werden kann, Fig. 2 ein senkrechter Schnitt durch eine Vorrichtung, die ebenfalls zur Erhitzung eines Flüssigkeitskörpers benutzt werden kann, Fig. 3 ein schematischer Schnitt, der .die Anwendung der -Erfirndung auf die Erhitzung eines Fluidums während des Durchganges durch, ein Rohr zeigt, Fig. 4 ein schematischer Schnitt, der eine andere Anwendungsart der Erfindung auf die Erhitzung eines Fluidums während des, kontinuierlichen Durchströmens durch eine rohrförmige Kammer erläutert, Fig. 5 ein schematischer Schnitt .durch eine andere Anordnung, die die Anwendung der Erfindung auf die Erhitzung eines Fluidums beim Durchgaiig durch eine rohrförmige Kammer zeigt, Fig.6 ein Schnitt nach der Linie VI-VI der Fig. 5, Fig.7 ein schematischer Schnitt, der eine andere Anwendung der Erfindung auf die Erhitzung einer Flüssigkeitsbeschickung in einem Behälter zeigt, Fig. 8 ein schematischer Schnitt, der die Anwendung der Erfindung auf ein Verfahren zeigt, bei dem ein Fluidum beim Durchgang durch ein Rohr od. dgl. erhitzt und dabei gleichzeitig die Wärme von dieser Flüssigkeit durch einen festen Körper auf ein anderes Fluidum übertragen wird, Fig. 9 eine teilweise im Schnitt und teilweise iil der Ansicht gegebene Darstellung der Anwendung der Erfindung auf die Erhitzung eines Fluidums mittels einer Reihe von Brennern beim Durchgang des Fluidums durch ein Rohr und Fig. io ein Schnitt nach :der Linie X-X der Fig.9. Bei -dem schematisch wiedergegebenen Ausführungsbeispiel der Fig. i befindet sich die Flü.ssikeit 2 in einem: Behälter 3, der oben offen und unten geschlossen ist. Der Behälter besteht aus Glas, wenn er auch naturgemäß aus jedem beliebigen Material bestehen kann, da 'hier der Behälter selbst keine Elektrode bildet. Die Wärme zur Erhitzung der Flüssigkeit wird durch einen elektrischen Widerstandserhitzer 4 zugeführt, der sich durch die, mit einer Hülse versehene Öffnung 5 im Boden des Behälters nach oben erstreckt. Die an :den Heizer angeschlossenen Leitungen 6 sind in geeibgnetez Weise an eine Heizstromquelle angeschlossen, die im allgemeinen eine Wechse1s.tromquelle sein wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das elektrostatische Feld der Flüssigkeit dadurch zugeführt, daß der Widerstandsheizer 4, der vorzugsweise aus Metall besteht, als eine Elektrode und ein metallisches Thermometerrohr 7 als .andere Elektrode benutzt ist. Dieses: Thermometerrohr 7 erstreckt sieh -durch die im Boden des Behälters sitzende, eine Hülse aufweisende- Öffnung 8 nach oben. Die Stromzuführungen 9, welche zu den Elektroden führen, sind auf der anderen Seite an eine Gleidhstromhochspannungsquelle angeschlossen. Gemäß der Darstellung ist der Heizer die positive Elektrode, wenn es auch unwesentlich ist, ob der Helfer oder das Thermometer die positive Elektrode darstellt. Das Thermometerrohr 7 bestellt aus Metall und ist durch eine Leitung io an ein, anzeigendes Instrument i i angeschlossen, so daß die Teinperaturstei.gerung der Flüssigkeit ohne weiteres abgelesen werden kann.
  • Die bei diesem Ausführungs:beispiel: zu erhitzende Flüssigkeit kann Öl, Alkohol, Terpentin, Glycerin, Paraffin, verschiedene Petroleumprodukte, Leinöl, Schellack, Firnis. oder :eine andere Flüssigkeit sein,, die dielektrische Eigenschaften aufweist.
  • Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel ist ebenfalls zur Einsatzerhitzung einer Flüssigkeit geeignet. Die Kammer 15, in der die Flüssigkeit erhitzt wird, besteht aus einem Metall mit el-ektrischer Leitfähigkeit. Die Wärme zur Erhöhung der Temperatur der Flüssigkeit wird durch ein Widerstandselement 16 geliefert, das die Seitenwand des Behälters umgibt. Das Widerstandselement 16 ist durch Leitungen 17 an eine Heizstromquelle angeschlossen, die Gleich- oder Wechselstrom liefern kann. Der Behälter selbst bildet eine der Elektroden zum Anlegen des elektrischen Feldes an die Flüssigkeit. Die andere Elektrode ist bei diesem Ausführungsbeispiel ein metallischer Thermometerkolben 18, der sich durch eine mit Hülse versehene Öffnung i9 im Gefäßboden in die Flüssigkeit erstreckt. Der Behälter und das Metallrohr sind durch Leitungen 2o an eine beliebige Gleichstromhochspannungsquelle angeschlossen. Um den Grad der Erhitzung der Flüssigkeit zu bestimmen; ist ein Anzeigegerät 21 für das Thermometer vorgesehen und mit dem Thermometerkolhen durch die Leitung 2a verbunden. Das benutzte Thermometer ist ein übliches Flüssigkeitsthermometer. Bei diesem Ausführungsbeispiel lädt das hohe elektrostatische Potentialfeld die Teilchen des Fluidums auf und führt sie zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode hin und her, so daß die Wärmeübertragungsgeschwindigkeit wesentlich wächst. Außerdem ist die ausgeglichene Endtemperatur höher, wenn das elektrostatische Feld an die Flüssiglceit angelegt wird, als wenn allein der Heizstrom benutzt wird.
  • Fig. 3 zeigt schematisch die Anwendung der Erfindung auf ein Verfahren, bei dein ein Fluidum, das Luft, Gas oder ein anderes Dielektrikum sein kann, kontinuierlich durch ein Rohr oder einen anderen passenden Behälter strömt. Hier wandert das Fluidum durch dias, Rohr 25. Ein Heizdraht 26 erstreckt sieh axial durch das Rohr und steht mit dem Fluidum in Berührung. Der Heizdraht ist vorzugsweise ein verhältnismäßig flacher Chrom-Nickel-Draht, doch kann naturgemäß auch jeder andere brauchbare elektrische Widerstandskörper benutzt werden. Dieser Draht ist mit Leitungen 27 an 'eine Wechselstromquelle angeschlossen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel bestellt das Rohr 25 aus Metall und bildet eine der Elektroden des elektrostatischen, Feldes. Die andere Elektrode ist der Dralht 26, der, wie gesagt, gleichzeitig als Widerstandsheizer dient. Das Rohr 25 und der Dra',lit 26 sind durch Leitungen 28 bzw. 29 an eine Gleichstrom@hochspannungsquelle angeschlossen.
  • Das Ausführungsbeispiel gemäß der Fig.4 ist ebenfalls für die Erhitzung eines dielektrischen Fluidums beim .gleichmäßigen Strömen entlang einer Wärmequelle geeignet. Bei diesem Ausführungsbeispiel fließt das Fluidum durch eine rohrförmige Kammer 3o, die vorzugsweise aus- Metall bestellt und wird durch ein Widerstandsheizelement 31 erhitzt, das sich sc'hraub'enförmig um den äußeren Umfang des Rohres erstreckt. Das Heizelement ist durch Leitungen 32 an eine Wechselstro,mquelle angeschlossen. Wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 bildet die Seitenwand der Kammer selber eine der Elektroden. In diesem Fall ist das Rohr 3o durch eine Leitung 33 an dem positiven Pol einer Gleic stromhochsp.annungsquelle angeschlossen, während gemäß Fig. 3 das Metallrohr 25 an dem negativen Pol der Hochspannungsquelle angeschlossen ist. Wie bereits gesagt, werden jedoch unabhängig von der Polarität gleich gute Ergebnisse erhalteir, doch soll ein gleichgerichteter Strom im Gegensatz zu einem Wechselstrom benutzt werden.
  • Nach Fig.4 ist der negative Pol der Hochspannungsquelle über eine Leitung 34 an. eine sich in' Längsrichtung erstreckende Elektrode 35 angeschlossen, die sich in der Achse des Rohres befindet. Die Elektrode weist die Form eines verhältnismäßig flachen Chrom-Nickel-Drahtes auf. Man kann einen Draht von rundem Querschnitt benutzen, doch wurde festgestellt, daß man bei der Verwendung eines flachen Drahtes mit abgerundeten Kanten etwas bessere Ergebnisse erhält.
  • Die Ausführungsformen gemäß Fig. 5 und 6 können ebenfalls zur Erwärmung eines sich gleichmäßig bewegenden dielektrischen Fluidums dienen. Das Fluidum durchströmt eine rohrförmige Kammer 40, die aus Metall oder einem Dielektrikum, z. B. Glas, bestehen kann. Als Wärmequelle dient ein sich in. Längsrichtung in der Achse des rohrförmigen Behälters erstreckender Draht 41. Dieser Draht ist mittels Leitungen' 42 an eine Wechselstromquelle angeschlossen.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel ist weder das Rohr noch der geheizte Draht 41 als Elektrode des elektrostatischen Feldes benutzt. Dagegen sind innerhalb des Rohres 40 Elektroden 43 und 44 vorgesehen, die einen Abstand voneinander aufweisen. Jede beliebige, in Kontakt mit dem Fluidum stehende Elektrodenform kann an sich, benutzt werden, doch zieht man bei zylindrischer Kammerform gemäß der Darstellung gekrümmte, an gegenüberliegenden Seiten des Rohres angeordnete Platten vor. Die Elektroden sollten derart angeordnet werden., daß die geladenen Teilchen bei der Wanderung von der einen Elektrode zur anderen mit der Wärmequelle in Berührung kommen oder in ihre Nähe gelangen. Die Elektroden sind durch Leitungen 45 an eine passende GleichstroWhochspannungsquelle angeschlossen.
  • Das, Ausführungsbeispiel nach Fig.7 dient zur Einsatzerhitzung eines dielektrischen Fluidums. Hierbei weist die die Flüssigkeit enthaltende Kammer die Form eines Rohres So auf, das oben offen und unten durch einen Pfropfen 51 geschlossen ist. Die Wärme zur Erhitzung des Fluidums wird mittels eines Widerstandselements 52 zugeführt, das sich senkrecht durch die Kammer erstreckt. Das Heizelement 52 ist oben an eine Leitung 53 angesc'hIossen, die an dem einen Pol an der Wechselstromquelle liegt. Das untere Ende des Widerstandselements ist durch eine passende Leitung 54 an dem anderen Pol der Wechselstromquelle angeschlossen. Der Pfropfen 5i besteht vorzugsweise aus einem isolierenden Stoff, z. B. Gummi, und das Widerstandselement durchsetzt den Pfropfen in einer Öffnung 55. Der Behälter kann aus Metall oder aus einem beliebigen Stoff bestehen, da er in diesem Fall nicht eine der Elektroden bildet. Die Elektroden sind das Widerstandsheizelement 52 und ein Metallrohr 56, das zwar einen kleineren Durchmesser als das Rohr 5o aufweist, doch diesem Durchmesser möglichst nahekommt. Die rohrförmige Metallelektrode und das. Widerstandselement sind: mittels der Leitungen 57 bzw. 58 an eine Gleichstromhochspannungsquelle angeschlossen.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. & erfolgen mehrere Wärmeübertragungen. Ein Widerstandselement 6o erstreckt sich axial durch ein Rohr 61, welches von einem Fluidum in Pfeilrichtung durchströmt werden kann. Ein Außenrohr 62 umschließt das Rohr 61 und bildet eine Kammer für ein Fluidum, das hier entweder in derselben oder in der umgekehrten Richtung strömt wie das Fluidum im Rohr 61. Zur Vergrößerung der Wärmeaustauschgeschwin@digkeit zwischen dein Widerstandselement 6o und dem das Rohr 61 durchströmenden Fluidum bildet das Heizelement 6o .die eine und das Rohr selbst d.ie andere Elektrode. Der Draht 6o und, das Rohr 61 sind durch Leitungen. 63 an eine Gleichstrornspannungsquelle angeschlossen. Falls die Wärmeübergan:gsgeschwindigkeit zwischen dem Rohr 61 und dem Fluidum, das zwischen diesem und demRohr 6ä hindurchströmt, erhöht werden soll, kann das Rohr 62 durch eine Leitung 64 an die eine Seite der Gleichstrom'hochspannungsquelle angeschlossen werden, so da3 die Rohre 61 und 62 je eine Elektrode für ein elektromagnetisches Feld bilden, das an das durch das Rohr 62 fließende Fluidum gelegt ist. Gemäß der Darstellung sollten bei einer Ausführungsform dieser Art das Außenrohr und der Widerstandsheizer dieselbe Polarität und das Rohr 61 die entgegengesetzte Polarität aufweisen.
  • Es ergibt sich ohne weiteres, daß das, Innenrohr 61 dieses - Ausführungsbeispiels in verschiedener Art geheizt werden kann. Statt der Heizung mittels eures sie durchströmenden, elektrisch geheizten Fluidums Tann dieses Fluidum auch vor dem Eintritt in das Rohr 61 er!hitzt werden. Beim Durchgang durch das Rohr gibt es dann. seine Wärme an das Rohr ab, welches seinerseits das Fluidum innerhabb des äußeren Rohres oder der Kammer 62 erhitzt, und dies-es Fluidum kann wiederum die Wärme an das Außenrohr oder an, irgendeinen Gegenstand abgeben, der sich innerhalb dieses Rohres oder dieser Kammer befindet. Auf diese Weise kann die Erfindung auf die üblichen rohrförmigen Glüh- oder Wärmebhandlungsöfen zur Behandlung von. Metallblechen o-d. dgl. angewandt werden, die in ihnen angeordnet sind.
  • Das, Ausführungsbeispiel gemäß Fi,g. g und io zeigt die Anwendung der Erfindung auf eine Erwärmung mittels Gas- oder anderen Brennern. Das Rohr -/i führt das zu erhitzende Fluidum und ist von einem oder mehreren kreisförmigen Brennern 72- umgeben.,- die kleine, auf ihrem inneren Umfang verteilte Öffnungen 73 aufweisen. Gas oder ein anderer geeigneter Beenns.toff wird jedem dieser Brenner 72 durch eine Leitung 74 zugeführt. Der Draht 75 (oder die Stange), welcher sich durch das Rohr erstreckt, bildet die eine Elektrode und ist durch eine Leitung 76 an dem positiven Pol der Hochspannungsquelle angeschlossen. Das- Rahr bildet die andere Elektrode und. ist durch eine Leitung 77 an den negativen. Pol der Hochspannungsquelle gelegt. Zusätzlich kann man auf Wunsch auch die Brenner an den positiven Pol der Hochspannungsquelle anschließen. Auf diese Weise wird innerhalb der das Rohr durchströmenden Flüssigkeit ein elektrostatisches Feld und ein weiteres elektrostatisches Feld zwischen den Flammen und dem Rohrerzeugt. Beide Felder erhöhen die übertragene Wärmemenge und die Ü'b,ertragungsgeschwindigkeit.
  • Bei der Benutzung der Erfindung ist die Erhöhung des Wärmeüberganges am größte=n, wenn der Abstand zwischen den entgegengesetzt aufgeladenen Flächen klein ist, z. B. zwischen einem Bruchteil eines Zentimeters und mehreren Zentimetern, wenn auch ein größerer Abstand zwischen den Elektroden, mit guten Ergebnissen benutzt werden kann. Unter solchen Umständen sind jedoch höhere Gleichstrompotentiale erforderlich, wenn; beste Ergebnisse erhalten werden sollen. Spannungen zwischen 5ooo und 2o ooo V geben ausgezeichnete Ergebnisse bei Rohren mittlerer Abmessungen mit Durchmessern von 5 bis 8 cm. Es ist jedoch zu beachten, daß jede geeignete Spannung benutzt werden kann, j e nach der Art der Vorrichtung, auf die die Erfindung angewandt wird.
  • Diee Erhöhung der Wärmeübertragungsgeschwindigkeit bei der Anwendung der Erfindung hängt naturgemäß von den Bedingungen ab, unter denen gearbeitet wird. Es wurde. beispielsweise gefunden, daß die Wärmeübertragung bei Geräten der beschriebenen Art bis zu iioo °/o je nach den vorliegenden Bedingungen erhöht werden konnte.
  • Wenn auch die Erfindung unter Zugrundelegung verschiedener Ausführungsbeispiele beschrieben und schematiscJherläutert wurde, so ist für den Fachmann .doch ohne @veiteres ersichtlich, daß sie benutzt werden kann für a) Wärmen und Abkühlen von Fluida und festen Körpern im Wärmeaustauschverfahren und -vorrichtungen, b) Kühlung von Motoren, Generatoren, Transformatoren, Gasturbinen, Verbrennungskraftmaschinen, anderen Maschinen u. dgl., c) Kühlung der Anoden von Vakuumröhren und anderen Teilen von Funkanlagen, d) Heizung oder Kühlung von Metallen, plastischen Stoffen. oder anderen Stoffen beim Härten, Normalisieren, Wärmebehandeln, Schmelzen und bei anderen Arten der Wärmeöfen oder -kammern, e) Kühlapparate, f) Mischen verschiedener Arten von Fluida oder Mischen von Fluida mit feinverteilten Stoffen und g) Kühlen der Schmieröle für Maschinen, wie z. B. auf Schiffen, wobei besondere Schiffskühler nicht gebraucht werden.
  • Die Erfindung kann im Rahmen des Schutzbereiches in :dieser und in verschiedenen anderen Arten benutzt und ausgefiifhrt werden.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRÜCHE:: i. Verfahren zur Bewirkung eines Wärmeaustausches zwischen zwei Körpern, von denen wenigstens einer ein Fluidum ist, gekennzeichnet durch einen Verfahrensschritt, bei dem das Fluidum einem gleichgerichteten hochgespannten elektrostatischen Feld ausgesetzt wird, während die Körper miteinander in Berührung stehen. . Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluidum dielektrisch-e Eigenschaften aufweist. 3. Verfahren nach Anspruch i oder 2 zur Bewirkung eines `'Wärmeaustausches zwischen einem geheizten Gegenstand und einem Fluidum, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluidum unter Berührung an dem geheizten Gegenstand vorbeigeführt wird und gleichzeitig elektrische Ladungen zwischen dem geheizten, Gegenstand und dem Fluidum wandern, wobei diese Ladungen durch eine Gleichstromhochspannungsqueli-e erzeugt werden. I .4. Verfahren nach Anspruch i oder 2 zur Bewirkung eines Wärme.austausihes zwischen einem Gegenstand und einem Fluidum, dadurch gekennzeichnet, daß eine Berührung zwischen dem Gegenstand: und dem Fluidum 'hergestellt und gleichzeitig elektrische Ladungen durch das Fluidum 'hindurchgeschiclct werden. 5. Verfahren nach Anspruch .4, dadurch gekent1.zeichnet, daßelektrische Ladungen durch das Fluidum zwischen dem Gegenstand und einer Elektrode hindurzhgeschicktwerden, die ebenfalls in Berührung mit dem Fluidum steht. 6. Verfahren nach Anspruch i zum Erhitzen eines Fluidums, gekennzeichnet durch Verfahrensschritte, bei denen das Fluidum sich in Berührung mit einer geheizten. Fläche bewegt und während der Bewegung in Berührung mit dieser Fläche einem gleichgerichteten, hochgespannten elektrostatischen Feld zwischen der geheizten Fläche einem gleichgerichteten hochgespannten gesetzt wird, die -ebenfalls in Kontakt mit dem Fluidum steht. 7. Verfahren nach Anspruch i zur Erhöhung der Wärmeübertragung zwischen einem festen Körper und einem dielektrischen Fluidum, gekennzeichnet durch die Herstellung eines elektrostatischen Feldes mittels einer Gleichstromhochspannungsquelle zwischen dem festen Körper und einer Elektrode, die in Berührung mit dem Fluidum steht. B. Verfahren nach Anspruch i =Herstellung einer innigen Berührung zwischen. Komponenten eines Fluidums, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt, bei dem elektri:scheLadun:gen durch das Fluidum mittels einer Gleichstromhochspannungsquelte hindurchgeschickt werden. g. Verfahren nach Anspruch i zur Bewirkung einer innigen Berührung zwischen einem Fluidum und einem in Berührung !hiermit stehenden Körper, dadurch gekennzeichnet; daß elektrische Ladungen, welche durch eine Gleichstromhochspannungsquelle erzeugt werden, durch das Fluidum ih.indurch.geschickt werden, wobei der Körper als eine Elektrode benutzt wird. io. Wärmeaustauschvorrichtun:g zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein zur Aufnahme eines Fluidums geeignetes Gefäß, ein innerhalb des Gefäßes angeordnetes Element, von dem die Wärme zu entnehmen ist, ein Fluidum innerhalb des Gefäßes und in Berührung mit dem Element und durch Mittel, die eine Gleichstromhochspannungsquelle enthalten, um das dem Element benachbarte Fluidum der Wirkung eines gleichgerichteten elektrostatischen Hochspannungsfeldes auszusetzen. i i. Vorrichtung nach An@s.pruch i o, gekennzeichnet durch eine dem Element benachbarte Elektrode, wobei das Fluidum in der Nähe dieses Elements und dieser Elektrode der Wirkung eines gleichberichteten elektrostatischen Hochspannungsfeldes unterworfen wird. 12. Verfahren nach Anspruch io, gekennzeichnet durch Mittel, die eine gleichgerichtete Hochspannungsstromquelle enthalten, die ein gleichgerichtetes hochgespanntes elektrostatisches Feld zwischen dem Gefäß und dein Element erzeugen kann.. 13. Wärme.austauschvorrichtung nach Anspruch io, gekennzeichnet durch ein Gefäß, das ein Fluidum aufnehmen. und als eine Elektrode in einem Hochspannungskreis dienen kann, durch eine zweite Elektrode innerhalb dieses Gefäßes und mit Abstand von diesem, durch diese Elektroden einschließende Mittel zur Herstellung eines gleichgerichteten elektrostatischen Hochspannungsfeldes innerhalb des Fludiums. 1q.. Vorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch Mittel zur Heizung einer der Elektroden. 15. Vorrichtung nach Anspruch 13, .gekennzeichnet durch Mittel zur Zuführung von Wärme zu dem Fluidum während der Anwendung des Feldes. 16. Wärmeaustauschvorrichtung nach Anspruch io, gekennzeichnet durch ein, Gefäß, das ein Fluidum aufnehmen kann, durch Heizmittel innerhalb des Gefäßes, durch innerhalb des Gefäßes angeordnete Elektroden, die das Heizmittel umschließen, aber einen Abstand von ihm aufweisen, und durch Mittel zur Erzeugung eines gleichgerichteten elektrostatischen Hochspaninungsfeldes zwischen den Elektroden, und innerhalb des Fluidums zwischen den Elektroden. 17. Wärmeaustauschvorrichtung nach Anspruch io, gekennzeichnet durch ein. Gefäß zur Aufnahme eines Fluidums, durch Heizmittel innerhalb des- Gefäßes, durch eine innerhalb des Gefäßes angeordnete Elektrode, die einen Abstand vom Heizmittel aufweist, und durch Mittel zur Erzeugung eines gleichgerichteten elektrostatischen Hochspannungsfeldes zwischen dem Heizmittel und der Elektrode. 18. Vorrichtung nach Anspruch io zum Austausch von Wärme zwischen zwei Fluida von verschiedenen Temperaturen, gekennzeichnet durch zwei Gefäße, von denen das eine innerhalb des anderen angeordnet und- jedes zur Aufnahme des einen Fluidums geeignet ist, und durch Mittel zur Erzeugung eines gleichgerichteten elektrostatischen Hochspannungsfeldes zwischen den beiden Gefäßen. rg. Vorrichtung nach Anspruch so zum Wärmeaustausch zwischen zwei Fluida von verschiedenen Temperaturen, gekennzeichnet durch zwei Gefäße, von denen das eine innerhalb des anderen angeordnet und jedes zur Aufnahmeeines Fluidums geeignet ist, durch eine Elektrode innerhalb des Innengefäßes und durch :1Zittel zur Herstellung eines gleichgerichteten elektrostatischen Hochspannungsfeldes zwischen der Elekrode und dem Innengefäß und zwischen den beiden Gefäßen:.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE1083839B (de) * 1956-02-29 1960-06-23 Karl Heinz Steigerwald Dipl Ph Verfahren und Vorrichtung zur Verbesserung des Waermeueberganges zwischen einer heissen Flaeche und einer Fluessigkeit, die durch eine sich ueber der heissen Flaeche bildende Dampfschicht von dieser Flaeche getrennt ist

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DE1083839B (de) * 1956-02-29 1960-06-23 Karl Heinz Steigerwald Dipl Ph Verfahren und Vorrichtung zur Verbesserung des Waermeueberganges zwischen einer heissen Flaeche und einer Fluessigkeit, die durch eine sich ueber der heissen Flaeche bildende Dampfschicht von dieser Flaeche getrennt ist

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