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Wärmeaustausch-Vorrichtung Für den Bau von Wärmeaustausch-Vorrichtungen
war bisher der Grundsatz maßgebend, in, der Zwischenwand, welche die Flüssigkeiten
ade Gase voneinander trennt, ein möglichst kleines. Tempe @-raturgefälle zuzulassen,
weil das zum Wärmedurrhfluß innerhalb der Wand _nötige Teilgefälle für den Wärmeübertritt
von der Wand an die ihr,: Wärnne austauschenden Flüssigkeiten oder Gase umwirksam
ist. Demzufolge sind Wärmeaustausch-Vorrichtungen mit vielen dünnwandigein Rohren
aus die Wärme gut leitenden Kupferlegierungen. die vorherrschende Ausführungsform.
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Es ist Zweck der Erfindung, diese teuren Baustoffe durch Gußeisen
zu ersetzen und an Stelle der durch ihre Länge unbequemen; Röhrenkühler eine gedrungene,
geringen Raumbeidarf beanspruchende Bauform auszubilden, bei der eine, vollständige
Zerlegung in die einzelnen Teile möglich ist.
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Die Verwendung von Gußeisen als Trennwand setzt aus gußtechnischen
Gründen diie Ausführung einer verhältnismäßig d'ijcken Wand voraus-; außerdem ist
die Leitfähigkeit des Gußeisens erheblich geringer als diejenige von Kupferlegierungen.
Es muß also in der Trennwand ein Wärmegefälle in Kauf genommen werden, das ein Mehrfaches
des be,i Röhrenapparaten auftretenden ist und; durchschnittlich ein Viertel des
gesamten Temperaturgefälles beträgt. Dieser Gefällsverlust würde bei dem erfindungsgemäßen
Wärmeäustauschapparat durch wesentliche Steigerung des Wärmeüberganges
zwischen
den Flüssigkeiten und der Wand bzw. zwischen den Gasen und der Wand so, wirksam
ausgeglichen, daß auf Grund genauer Versuche die halbe Oberfläche von Wärmeaustausch-Vorrichtungen
mit Röhren aus Kupfer zur Übertragung der gleichen Wärmemenge ausreicht.
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Die vorliegende Erfindung betrifft nun einen Wärmeaustauscher, der
aus mindestens zwei B-auelem@entetn; besteht, dien mit Rippen ineinandergreifen
und zwischen den Rippen den Durchflußkanal für das, eine strömende Mitteil in Form
eines genvunden verlaufenden" schmalen Spaltes biliden, wobei das Neue: in der Hauptsache
d'ardn besteht, daß die Bauelemente in dem durch die Spaltbreite gegebenen Abstand
in einem Gehäuse gelagert und zwischen Deckeln abgedichtet sind, die an den rippenfreien
Stirnflächen; der Bauelemente anliegen. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht
hierbei darin, daß die für dien Durchfiuß dies zweiten strömenden Mittels dienenden
Kanäle in den Bauelementen quer, zu den ,Spalten zwischen den Rippen verlaufen.
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Der Aufbau und die Wirkungsweise sind dier Einfachheit halber an einer
Wärmeaustausch-Vorrichtung zur Kühlung von Schmieröl mit Wasser, im nachfolgenden
Ölkühler ,genannt, erläutert, weil hierbei alle Merkmale der Erfindung besonders
hervortreten.
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In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Es zeugt F'ig. i ein einzelnes Wärmeaustauschelement in raumbildlicher Ansicht,
Fig. 2 eine zusammengesetzte Wärmeaustausch-Vorrichtung, teils in Draufsicht, teils
im senkrechten Schnitt, Fig. 3 die gleiche Vorrichtung im waagerechten Schnitt nach
zwei verschiedenen übereinanderliegenden Ebenen, Fig.4 eine Hilfsvorrichtung zum
Zusammensetzen der Wärmeaustausch-Vorrichtung, Fig. 5 zwei zusammengebaute, Wärmeaustauschelennen.te,
teils im Seitenansicht, teils. im senkrechten Schnitt.
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Die Wärmeaustausch-Vorrichtung ist aus den in Fig. i schaubildlich
dargeistellten Elementen i aufgebaut. Die Elemente sind flache Hohlkörper, vorzugsweise
aus Gußedsen, deren: ölbenetzte Seitenflachen 2 und: 3 sinuskürvanartige Wellen:
bilden. Die Welken eines. Elements sind so angeordnet und bemessen, daß sich beim
@neinanderschichten mehrerer gleicher Elemente eine mäanderartiger Kanal von überall
gleichem, aber sehr geringem Wandabstand s ergibt, wie ajus Fi,g. 2 ersichtlich
ist. Der Abstand s beträgt beispielsweise bei Ölkühlern etwa 2 mm, bei Lufterhitzern
weniger als, i mm.
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Das Elementenpaket i-i-i befindet sich innerhalb eines Gehäuses 4
mixt rechteckigen Flanschen 5 an jeden Ende. In den, Flanschen; 5 werden die Elemente
i durch kurzes zylindrische Bolzen 6, die zur Hälfte im Gehäuseflansch, zur
Hälfte in besonderen Vorsprüngen 7 der Elemente, i liegen, längs verschiebbar in
genauem Kanalabstand s gehalten. Das Öl tritt durch die Öffnung 8 (Fig. 2) von oben
in das Gehäuse ein und fließt in Forma eines wellenförmigen Films in der Pfeilrichtung
zwischen; den Seitenflächen der, benachbarten Elemente, hindurch, um aus der Öffnung
bei. 9 auszutreten. An den beiden äußeren Flächen des Elements oder, des. Elementempaketes,
@d'as. aus beliebig vielen Elementen geschichtet werden kann, wird die! äußere Kanalwand
io - von zwei Endstücken i i gebildet, deren gewellte Innenfläche sich im die Elemente
einschmiegt, während die glatte Außenflächei mittels zweier Schrauben 12 geigen
die innerhalb des. Gehäuses liegenden Dichtleisten 13, welche die Eintrittskammer
14 von der Austrittskammeir 15 trennen, dichtend angepreßt wird. Durch die Endstücke
i i und die Leisten 13 wird also) der unmittelbare Übertritt des Öles von
der Eintritts- in die Austrittskammer verhindert. Die Endstücke i i sind in ähnlicher
Weise wie die Elementes i mittels dar Bolzen 6 im Gehäuse gelagert.
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Für das. Kühlmittel, im vorliegenden Fall Wasser, werden zweckmäßig,
wie in Fig. i und ä dargestellt, zwei schmale- Kanäle 16 vorgesehen.; lese erhalten
zur Vergrößerung der Oberfläche parallel zur Kanalachse Rillen 17, die aber nicht
bis an die Endfachen der Elemente reichen, damit sich hier ein rechteckiges Loch
und eine geniigein:d breite Dichtfläche ergeben. In den Kanälen 16 liegen prismatische
Füllstäbe 1$, welche die, Kanäle 16 bis auf den Rillenquerschnitt ausfüllen; sie
sind; kürzer als die Rillen und haben an den Endeng Vorsprünge; ig, mit dienen sie
an den Deckeln 2o anliegen, wodurch ihre Verschiebung verhindert ist.
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Das Kühlgehäuse wird am voirderen und hinteren Ende von einer ebenem:
Plattei zi verschlossen, in der sich in der Verlängerung der Kanäle 16 Schlitze
22 für den Durchtritt des. Wassers befinden. Da die Flanschflächen des Gehäuseis
und die Endflächen der Elemente in der gleichen Ebene angeordnet sind, ist für die
Dichtung gegen Öl- und Wasseraustritt eine gemeinsame Dichtungsplatte 23 aus 012,stischem
Baustoff vorgesehen. Die Platten 21 sind mittels besonderer Heiftschrauben 24 mit
den Gehäuseflanschen 5 verschraubt, so daß das Gehäuseinnere! bei verringertem Öldruck
abgeschlossen bleibt und die Elemente zwischen den Platten festliegen, wenn auch
die Deckel 2o zur Reinigung der Kanäle 16 abgenommen werden.
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Den Abschluß des Kühlers bilden an den beiden Gehäuselenden die Deckel
2la mit einer Höhlung 25, in. der sich Leüürippen 26 zur Verteilung des Kühlwassers
beindein: Durch ,die beiden, Deckel werden alle Teile des Kühlers fest aneinandergepreßt.
Damit auch die innere Fläche der Elemente gut dichtend anliegt, sind die Ankerbeizen
27 durch den Kühler hindurichgeführt; zu ihrem freien Durchtritt sind Aussparungen
2-8 in der gewellten Oberfläche der Elemente vorgesehen. Die Ankerbolzen 27 werden
nicht vom Wasser benetzt, es besteht daher auch keii.ne-Gefahr des Angriffes durch
See- oder saures Kühlwasser.
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In Fig. 2 ist der Weg des Kühlwassers in den Kanälen der Elemente
durch Pfeille bezeichnet.
Nach seinem Eintritt unten rechts wird,
das Kühlwasser wellenartig durch die unteren Kanäle ge; leitet und gelangt durch
einen. Überströmkana,1 in die oberen Kanäle der einzelnen Elemente, wo es wellenförmig
geführt, dem Austritt rechts zufließt.
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Die Mittel, durch die gemäß der Erfindung eine wesentliche Steigerung
des Wärmeüberganges zwischen der Wand und dem Öl einerseits und der Wand und dem
Wasser anderseits erizielt wird. sind folgende: i. Die Erhöhung dien Geschwindigkeit
des Öles und Erzeugung einer turbulenten Ölströmung Die, Erhöhung der Geschwindigkeit
des ödes. ist bei Röhrenkühlern nicht möglich, da hierzu. der Öldruck der Pumpen
unzulässig gesteigert werden müßte. Der hohe Durchfiußw iderstand bei Röhren, küh,lern
wird dadurch. hervorgerufen, daß die Ölgeschwindigkeit beim Durchtritt durch die
vielen. Spalten zwischen zwei benachbarten Röhren sich wesentlich ändert und vielmals
neu erzeugt werden muß, wozu jedes-mal ein Druckgefälle verbraucht wird. Dieser
Nachteil ist bei dien Erfindung durch Anwendung gleich weiter Kanäle vermieden.
Da die erforderliche beträchtliche Geschwindigkeitssteiigerung aber sehr enge Kanäle
erfordert, deren geschlossene Ausführung gußtechnisch unmöglich ist, werden die
Kanäle erfindungsgemäß durch die Seitenflächen zweier benachbarter Elemente und
dadurch gebildet, daß die Elemente sehr nahe an-7 einandergedrückt werden. Dieses
Mittel würde indessen nach nicht ausreichen, um dein Wärmeübergang im gewünschten
Maß zu steigern; es wird. daher durch viele, aber nicht zu scharfe Krümmungen dafür
gesorgt, d'aß eine starke Durchwirbelung und. das Losreißen; der Schichten von der
Wand eintritt, wodurch eine Steigerung dien Wärmeübertragung allein von etwa So
°/o ermöglicht wird'. Zu diesem Zweck sind die Seitenwände der Elemente vorzugsweise
nach einer Sinuskurve geformt und so bemessen, daß sie beim Aneinanderschichten
der Elemente i und der Endstücke i i Mäanderkanäle von überall gleichern Wandabstand
s bilden. Bei sinuskwrvenartigem Verlauf der Seitenflächen sind zu scharfe Krümmungen
vermieden., die dem Durchflußwiderstand zu sehr erhöhen würden. Es wird bemerkt,
daß die Mäanderkanäle nicht mit der Rippenform der Heizkörper verwechselt werden.
dürfen.
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Die wellenförmige Ausführung der Ölkanäle: hat aber noch einen weiterem
wichtigen Zweck. Die gestreckte Länge des Mäanderka,na:ls ist etwa dreima,1 so groß
wie die Gesamtlänge der Wellen. Das Produkt aus Länge mal Höhe des Kühlelements
wird' also bei den Elementen gemäß der Erfindung nur ein Drittel des Produkteis
betragen, welches sich bei gerader Ausführung der Kanäle ergäbe, ohne daß die an
sich schon geringe Breite der Elen meiste wesentlich zunimmt. Di.e Beschränkung
dien Höhe und Länge der Kühlelemente ist aber von großer Bedeutung für die Dichtigkeit,
da bei den Temperaturverschiedenheiten zwischen dem Gehäuse und den Elementen Längenänderungen
auftreten, die von der elastischem Dichtung aufgenommen werden müssen, ohne .daß
die Dichtfuge sich öffnet.
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2. Die Erhöhung der Wassergeschwindigkeit Die Wassergeschwindigkeit
wird ,dadurch erhöht, diaß die parallel zu ihrer Achse von Rillen 17 durchzogenen
Kanäle 16 mit prismatischen Füllstäben 18 bis auf den Querschnitt der Rillen 17
wieder verschlossen werden, da es auch hier wicht möglich wäre, Kanäle von so geringem
Querschnitt zu gießen. Um den Zufluß zu den Rillen zu erleichtern, sind' die Einlegestücke
18 kürzer als die Rillen 17; ,auch die Rillen sind nicht so lang wie die Kanäle
16, damit die Dichtungsfläche genügende Breite hat. Um zusätzliche Teile zur Befestigung
zu vermeiden, wird das Einlegestück 18 durch vier schmale Vorsprünge ig, welche
durch die Schlitze 22 hindurchrreten, durch Anschilag am Deckel 20 gegen Verschiebung
gehalten.
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Zur Erhöhung der Geschwindigkeit des Wassers in den Kanälen werden
ferner sämtliche Kanäle nacheinander dlÜrehfossen, was wegen der geringen Zahl von
Wasserkanälen möglich und ein Vorzug der Bauart ist. Ferner ist bei Anordnung von
mindestens zwei Kanälen 16 in jedem Element i die vorteail aftr Wirkung des Gegenstromes
auf einfache Weise möglich, wenn man die Flüssigkeit so leitet, daß in denjenigen
Kanal des Elements die niedrigere Temperatur herrscht, der auf der Seite des kühleiren
Endes dies Mäanderkanals liegt. Man wird also beispielsweise bei Ölkühlern mit mehreren
Elementen das Kühlwasser, wie in Fig.2 durch Pfeile angegeben, zunächst durch die
unterem, dann durch die oberen Kanäle wellenförmig hindurchleiten. 3. Wesentliche
Vergrößerung der Oberfläche, an welcher der schlechtere Wärmeübergang erfolgt Zu
diesem Zweck ist die ölbenetzte Oberfläche, an welcher diie Wärmeübergangs.zahl
trotz der angewandten Maßnahmen immer noch gering ist, etwa 1,5- bis anal so groß,
wie ,die wasserbenetzte, wodurch der Wärmeübergang des Gesamtkühlers verbessert
wird; auch das Gießen der Wasserkanäle wird wegen des Wegfalles hoher Innenrippen
erleichtiert.
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Für Sonderzwecke, insbesondere wenn geringstes Gewicht .des Kühlers
verlangt wird, ist eine ungewöhnliche Erhöhung der ölgeschwindigkeit erforderlich.
Da diese bei noch nicht erwärmtem Öl zu einer unzulässigen Steigerung des Druckes
führen würde, kann zwischen der Eintritts- und der Austrittskammer das in Fig. 2
dargestellte Überdruckventil 37 angeordnet werden, dessen Federspannung so eingestellt
wird, d'aß das Ventil erst dann, schließt und die Ölmenge durch die Mäa.nderkanäle
erst dann hindurchfließt, wenn die Betriebstemper,atur und damit der sich bei warmem
Öl ergebende Druck erreicht ist, was auch den Vorteil hat, daß der normale Betriebszustand
dien Schmieranlage schnell erreicht wird.
Die, neuartige: Bauform
zeigt noch folgende beachtenswerte betrieblichen Fortschritte: Die Ankerbolzen 27
sind in Aussparungeli 28 der weheinförmigen Oberfläche, der Elemente hindurchgeführt,
so daß die Bearbeitung erspart ist und die, Bolzen geschützt vor Korrosion in
01 liegen.
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Die Kanäle 16 sind so angeordnet, daß ihre Reinigung auf schnellste
und einfachste Weise erfolgen kann.. Zu cteir häufiger nötigen Reinigung de!r Wasserkanäle
ist nur einer der Deckel 2o zu entfernen. Die Kanäle 16 sind dann nach Herausziehen
der Einlagestücke 18 sofort zugänglich. Das Gehäuseinnere und die Elemente bleiben
durch die Platte :2i gedichtet und letzten- sind in ihrer richtigen gegenseitigen
Lage fest ein:geis.pannt.
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Zur Reinigung der ölbenetzten und der wasserbenetztein Oberfläche
können .die Elemente, i nach Abnahme -des Deckels 2o und- der Platte 21 aus ihren
Bolzen:führungen herausgezogen weirden. Der Kühler kann also ganz zerlegt werden,
was wegen der geringen Anzahl von Teilen schnell erfolgen kann; im Gegen:satz dazu
steht das eingewalzte Rohrbündel der Röhrenkühler, das nicht z !rilegt und namentlich
innerhalb dies Bündels. auch nicht gereinigt werden. kann.
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Auch ohne das Herausziehen Bier Elemente i aus den Bolzenführungen
6 ist die Reinigung der Kanäle für das Wasser und Öl möglich, weil diel RIllein.
17 in den -Kanälen 16 und die Wellen der Mäanderkanäle parallel zueinander angeordnet
sind und alle Ouerschnitte, von einer Seite aus zugänglieh werden.
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Bei dem geringen Abstand der Wände der Mäanderkanäle müssen besondere
Maßniahmen getroffen werden, um den Abstand s der Wändet übeirall genau einzuhalten;
auch diel genaue Übe.reinstimm.ung der Länge des Gehäusefis mit den Längen der Elemente
ist für die Dichtung wichtig. Das nachstehend beschriebene Verfahren., das durch
die Fig. q. erläutert ist, beseitigt die Schwierigkeiten dieser Art und zeigt :dein
Einfluß auf die Känistruktion der einzelnen Teile.
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Die Elemente i werden nach Einlage von Blechen, die der Kanalweite
entsprechen; zu einem Paket vereinigt und an einem Ende plan: geschliffen;, sodann
wird das Paket mit dieser Fläche auf einer Montageplatte ß0 mittels durch die Kanäle
gesteckter Schrauben 31; deren Köpfe in einer Aus-Senkung 32 der Elemente i anliegen,
festgeschraubt und in das Gehäuse q. eingeführt. Nach dein Verschrauben. der Montageplatte
30 mit dem Gehäuse 4. befinden sich die Elemente- in .der richtigen gegenseitigen
Lage, so diaß die Löcher 33 für die Bolzen 6 gebohrt werden können, wozu die-, Montalgeplatte
Führungslöcher 34. besitzt. Nach d'eim Einstecken der Bolzen 6 werden die in einer
Ebene liegenden Endflächen 35 der Elementei und der Gehäuseflansch 5 geimeinsa:m
geschliffen, so daß Längenunterschiede nicht möglich sind.
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Es ist selbstverständlich, daß die, Elemente, i an Stelle von Gußeisen
auch aus Metallen wie Bronze, Aluminium u. dgl. hergestellt werden können, wenn
dies mit Rücksicht auf die den Wärmeaustausch apparat durchfließenden Flüssigkeiten
oder Gase nötig ist.
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In der Beschreibung ist die Bauform und Wirkungswe1se, an einem Kühleir
für Schmieröl erläutert. Der beschrieibene, Wärmeaustauschapparat eignet sich natürlich
.ebenso, zur Erhitzung von. Luft mittels Dampf oder Heißwasser, für Spe@isewasserv
orwärmer und für Heiz- und Kühlzwecke usw. Die vielseitige Verweindung ist darauf
zurückzuführen, daß die Kanalweiten das Oberflächenverhältnis und die Baustoffe
denn Flüssigkeiten oder Gasen: weitgehend. angepaßt werden können, was bei Röhrenapparaten
nicht der Fall isst. Beji leichten Ausführungen, z. B. bei Luftölkühlern oder bei
Heißwasser-Lufterhitzern mit Ventilatorantrieb vorzugsweise für Fahrzeuge und Schiffe,
kommt auch die Ausführung der Elemente i aus Blech in Frage, wie sie! in Fig. 5
dargestellt ist. Die Elemente bestehen dabei aus zwei Selite@ustückein 4.o aus Bleich,
die sinuskurvenartig gepreßt sind und an den Längskanten 41 verlötet oder verschweißt
werden. Die Stirnkanten weirden mit rechteckigen Platten .2 verlötet, in denen sich
reckteckige Kanialöffnunigen 43 befindien. Damit die Bleiche auch an den Spitzen
der Wellen 4,4 mit der Platte .42 verlötet werden können, sind sie hier, wie aus
der Ansicht hervorgeht, eingezogen gepreßt. Zur Erhöhung der Steiifigkeit sind:
die Mulden für die Ankerbolzen; so weit eingezogen, d'aß sie in einer Längslinie
45 v elrlötet werden können.
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Diel Bildung enger Mäan&rkanäle aus zwei benachbarten Elementen,
die Aufhängung in Bolzen, diel teilweise Ausfüllung der Kanäle und die Maßnahmen
zur genauen Bearbeitung treffen in gleicher Weise zu, wie für die Element@e .aus
Guß.eisen:.