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Wärmeaustauscher Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher,
insbesondere zum Wärmeaustausch zwischen Mitteln von verschiedenen a-Werten, bestehend
aus mit wärmeleitenden Drahtelementen versehenen Rohren. Bei der Herstellung von
Wärmeaustauschern, insbesondere für Wärmeaustausch zwischen Mitteln mit verschiedenen
a-Werten, ist es ein Wunsch, die wärmeaufnehmende bzw. wärmeabgebende Fläche, die
von dem Mittel mit dem niedrigeren a-Wert bei den verschiedenen vorkommenden Wärmeaustauschelementen,.
die die Form von Rohren od. dgl. haben können, bestrichen wird, zu vergrößern.
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Es kann kurz erwähnt werden, daß die a-Werte an sich nicht als konstante
Größen, die für jedes in Frage kommende Mittel spezifisch sind, zu betrachten sind.
Dieser Wert ist somit äußerst schwankend sogar für ein und dasselbe Mittel, da er
eine Funktion von mehreren verschiedenen Faktoren ist, und zwar von dem Aggregatzustand,
dem Temperaturbereich, dem Strömungsverhältnis (Turbulenz oder laminarer Strömung,
Linear- oder Querstrom), der Strömungsgeschwindigkeit, der Oberflächenbeschaffenheit
des Wärmeaustauschelementes, der Viskosität usw., und führt mitunter bei gewissen
Zuständen der Mittel dazu, daß ein Mittel mit normal höherem Tabellenwert als ein
anderes Mittel statt dessen einen a-Wert aufweist, der erheblich niedriger ist als
für dieses letztere Mittel. Infolgedessen ist der a-Wert für ein Mittel eine relative
Größe, die nicht von dem Mittel als solchem allein abhängig ist. Im übrigen kann
erwähnt werden, daß der Unterschied im a-Wert zwischen zwei Mitteln, die durch einen
Wärmeaustauscher
strömen, erheblich werden kann. Somit kann erwähnt
werden, daß kondensierender Dampf einen a-Wert von etwa io ooo hat, während langsam
strömendes Wasser einen a-Wert von etwa 500 hat, was zeigt, wie der a-Wert
für ein und dasselbe Mittel, und zwar bei verschiedenen Aggregatzuständen, schwanken
kann. Differenzen schwankender Größenordnung können somit sowohl für ein und dasselbe
Mittel bei verschiedenen Aggregatzuständen als auch für zwei verschiedene Mittel
unter gleichen oder verschiedenen Betriebsverhältnissen vorkommen.
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Um somit zwecks Eilhalt eines verbesserten Wärmeaustauschers: die
Differenz zwischen den a-Werten möglichst auszugleichen, können an den Wärmeaustauschflächen
oberflächenvergrößernde, zusätzliche Organe, wie Flansche, Bleche, Stäbchen, Stäbe
usw., in einem ausgleichenden Verhältnis an einer oder an beiden Seiten der Grundwandung
angebracht werden. Dabei entstehen Probleme, wie diese Organe in der billigsten
Weise befestigt und wie gleichzeitig ein guter Wärmekontakt zwischen Wand und Organ,
der kürzeste Übertragungsweg und das kleinstmögliche Hindernis für die Strömung
eines bestreichenden Mittels erhalten werden sollen. Eine Methode besteht in Schweißerf
oder Löten der Organe an den Wänden, was natürlich eine gute Wärmeübertragung an
sich bietet, aber umständlich auszuführen ist und die Herstellungskosten erheblich
erhöht. Außerdem tragen die oberflächenvergrößernden Organe oder die Art und Weise,
in der sie an ihren betreffenden Wärmeaustauschelementen angebracht werden müssen,
zu einer erheblichen Drosselung der Strömungswege und oft zu verhältnismäßig unregelmäßigen
solchen Wegen bei, 'wofür man mit Beibehaltung der für den Wärmeaustauscher erwünschten
effektiven Fläche Abhilfe schaffen muß durch Vergrößerung der allgemeinen Abmessungen
des Wärmeaustauschers, so daß die Strömungswege möglichst unbehindert und regelmäßig
werden.
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Die obenerwähnten Nachteile werden indessen durch den erfindungsgemäßen
Wärmeaustauscher beseitigt, der sich in der Hauptsache dadurch kennzeichnet, daß
der Hauptteil der Drahtelemente die, Rohre gruppenweise zusammenhält und zugleich
als Distanzorgan benachbarte Rohre in Abstand voneinander hält.
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Durch die Erfindung hat man hierdurch eine Methode erhalten, durch
die man sowohl die Abmessung vermindern als auch sehr regelmäßige und für die Strömung
möglichst unbehinderte Strömungswege erhalten kann, in erster Linie dadurch, daß
man Draht- oder Bandmaterial verwendet, das mit dem kleinsten Gesamtvolumen eine
optimale effektive Wärmeübertragungsfläche bietet, sowie daß das Anbringen selbst
derart vereinfacht wird, daß die Herstellungskosten im Verhältnis zu den früher
bekannten Methoden erheblich reduziert werden.
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Die Erfindung wird unten veranschaulicht werden an Hand einer Anzahl
in der Zeichnung schematisch gezeigter Ausführungsformen derselben, und. in Zusammenhang
damit werden weitere die Erfindung kennzeichnende Eigenschaften angegeben werden.
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Fig. i ist ein Längsschnitt eines gemäß der Erfindung hergestellten
Wärmeaustauschers, vorzugsweise als Ölkühler für Motoren od. dgl. verwendet; Fig.
2 isst ein Grundriß von Fig. i; Fig. 3 ist ein vergrößerter Schnitt nach der Linie
III-III in Fig. i; Fig. q. ist ein Längsschnitt eines anderen Wärmeaustauschers
gemäß der Erfindung, der vorzugsweise als Heißwasserapparat bestimmt ist; Fig. 5
ist ein Querschnitt nach: der Linie V-V in Fig. q.; Fig. 6 ist ein Querschnitt eines
abgeänderten Wärmeaustauschers nach Fig. q.; Fig. 7 ist ein Querschnitt nach der
Linie VII-VII in Fig. 6; Fig. 8' ist ein Querschnitt eines Wärmeaustauschers nach
der Erfindung, vorzugsweise als Verdampfer bei Kühlanlagen bestimmt; Fig. 9 ist
ein Grundriß von mehreren solchen Kühlern, die zu einer Gruppe zusammengeordnet
und untereinander durch Leitungen verbunden sind; Fig. io zeigt die Kühlergruppe
nach Fi;g. 9, vom Ende gesehen; Fig. i i zeigt zusammengewobene Wärmeaustauschelemente;
Fig. 12 zeigt ein Rohr mit .daran anschließenden, im voraus .`hergestellten schraubenförmigen
Drahtelementen; Fig. 13 zeigt ein Rohrbündel, das von einem solchen Drahtelement
zusammengehalten ist; Fig. 14. zeigt ein Rohr, an welchem das Drahtelement in mehreren
Schichten gewickelt worden ist; Fig. 15 zeigt ein -Rohr, dessen Drahtelement mit
aufgestanztem Rücken versehen worden ist.
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In Fig. i bis 3 ist ein gemäß der Erfindung hergestellter Wärmeaustauscher
gezeigt. i bezeichnet ein zentrales Rohr, und 2 und 3 bezeichnen eine Anzahl ähnlicher
Rohre, die in Kreisen in verschiedenen radialen Entfernungen relativ der Achse des
Rohres i angeordnet sind. Diese Rohrgruppen i bis 3 durchdringen mit ihren Enden
Platten bzw. 5. An einem Ende der Gruppen ist eine Einlaufkammer 6 und am anderen
Ende eine Auslaufkammer 7 für ein durch die Rohrgruppen strömendes Mittel angeordnet.
Die Rohrgruppen sind ferner von einem rohrförmigen Mantel 8 umgeben, der mit zwei
Ansehlußöffnungen 9 und io für das, ändere Mittel versehen ist, welches den Mantel
8 in Berührung mit den äußeren Mantelflächen der .Rohre 3 durchströmen soll zwecks
desbeabsichtigten Wärmeaustausches durch die Wände der Rohre, gleichviel, ob es
sich um Kühlung oder Erhitzung handelt. Bei diesem Wärmeaustauscher kann je nach
Wunsch das Gleichstrom- oder das Gegenstromprinzip für die Strömung verwendet werden,
wobei die Anschlüsse 9 und io also je nach Wunsch Auslauf oder Einlauf sein können.
Diese Anschlüsse sind zweckmäßig derart angeordnet, daß man das Kreuzstromprinzip
oder das Querstromprinzip weitmöglichst ausnutzen kann. Um den Wärmeaustausch zwischen
dem
durch die Rohrgruppe strömenden Mittel und dem durch den Mantel 8 um die Rohre strömenden
Mittel zu steigern, hat man erfindungsgemäß die verschiedenen Rohre i, 2 und 3 mit
oberflächenvergrößernden Organen versehen, die aus Drähten od. dgl. ii mit guter
wärmeleitender Fähigkeit bestehen.
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Bei der Herstellung eines Wärmeaustauschers gemäß der Erfindung, beispielsweise
aufgebaut gemäß Fig. i, wird in einer Drehbank oder in einer anderen Arbeitsmaschine
zuerst ein Metalldraht i i schraubenförmig um das zentrale Rohr i gewickelt. Um
Material zu sparen, wird dieser zentralen Drahtschraube eine verhältnismäßig große
Steigung gegeben. Vor dem Aufwickeln wird das eine Ende 12 z. B. durch Schweißen
an dem Rohr i befestigt, wonach der Draht vorzugsweise mit solcher Zugbeanspruchung
aufgewickelt wird, daß der Draht in innige Berührung mit der Rohrwand gebracht wird.
Wenn das Rohr i fertig umwickelt worden ist, wird das andere Ende 13 festgeschweißt,
derart, daß der Draht in seinem ganzen schraubenförmigen Verlauf nach dem Aufwickeln
wenigstens einen Teil seiner dabei erhaltenen Initialspannung beibehält. Nachdem
die erste Drahtspirale angebracht worden ist, wird kreisförmig um und auf dieser
Spirale ein Ring von weiteren Rohren 2 angeordnet (Fig. 3), welche mittels neuem
Drahtmaterial gegen die Mitte gepreßt werden, so daß die Rohre 2 mit dem Drahtmaterial
an entgegengesetzten Seiten in innige Berührung kommen. Nachdem auch diese Operation
vollbracht worden ist, wird auf diesem Drahtmaterial noch ein Ring von Rohren 3
gelegt, welche in gleicher Weise mit Draht umsponnen werden. Der Draht dient somit
in diesem Fall nicht nur zur Vergrößerung der effektiven wärmeübertragenden Fläche,
sondern auch zum Festhalten der Rohre in ihrer Lage in bestimmten Entfernungen voneinander
und in innigem Wärmekontakt über das Drahtmaterial. Wenn erwünscht, kann mit dem
Verfahren fortgefahren werden, bis das Drahtbündel so groß wird, wie man es im Wärmeaustauscher
haben will. Der Umstand, daß man Drahtmaterial od. dgl. anwendet, das in der angegebenen
Weise umwickelt wird, trägt aus natürlichen Gründen zu einer Herabsetzung der Gesamtabmessungen
des Wärmeaustauschers bei unter Beibehaltung und gegebenenfalls Vergrößerung der
wirksamen wärmeaufnehmenden bzw. wärmeabgebenden Fläche im Vergleich mit ähnlichen
Konstruktionen mit Flanschblechen od. dgl. als oberflächenvergrößernden Elementen.
Wenn man wünscht, eine noch bessere Berührung zwischen dem Drahtmaterial und den
verschiedenen Rohren zu erhalten, kann man nach dem Aufwickeln der Drähte zweckmäßig
das ganze zusammengesetzte Rohrbündel in eine Schmelze aus Zinn usw. eintauschen.
Es liegt auch innerhalb des Rahmens der Erfindung, von Anfang an Rohre und/oder
Drahtmaterial anzuwenden, die vorher mit einem Überzug aus leichtflüssigem Metall,
z. B. Zinn, versehen worden sind, und nach dem Aufwickeln das ganze zusammengesetzte
Bündel auf den Schmelzpunkt des leichtflüssigen Metalls zu erhitzen, wobei dieses
Metall durch Kapillarwirkung und andere ähnliche Vorgänge eventuelle Risse selbst
ausfüllt und im übrigen sogenannte Hohlkehle bildet, die an sich eine gute Wärmeüberleitung
ermöglichen. Eine weitere Methode zur Verbesserung des Kontaktes besteht in der
Anwendung von sogenannter Metallspritzung.
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Auch auf galvanischem Wege kann eine Kontaktschicht aus einem geeigneten
Metall erhalten werden, was in einer Lösung durch natürliche oder erzwungene Inonenwanderung
erfolgen kann.
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Was betreffend des Wärmeaustauschers gemäß Fig. i und insbesondere
mit Bezug auf das Anbringen der wärmeleitenden Zwischenschicht, und zwar aus Zinn
usw., gesagt worden ist, ist auch auf sämtliche übrigen beschriebenen und andere
von der Erfindung umfaßten Wärmeaustauschvorrichtungen verwendbar.
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In Fig. 4 und 5 ist eine im Verhältnis zu dem in Fig. i bis 3 gezeigten
Wärmeaustauscher etwas abgeänderte Form gezeigt. Diese Ausführungsform, die insbesondere
als Heißwasserapparat verwendet werden soll, ist, was die Rohrgruppen und das oberflächenvergrößernde
Drahtmaterial anbelangt, in mit dem Wärmeaustausch.er gemäß Fig. i bis 3 äquivalenter
Weise hergestellt. Der Unterschied ist hier lediglich konstruktiver Natur, weshalb
gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen wie in Fig. i bezeichnet sind, während
neu hinzugekommene Teile neue Bezugszeichen erhalten haben. DieAnschlüsse g und
io dienen infolgedessen als Ein- oder Auslaß für Heißwasser, das im Mantel 8 die
Rohrgruppen und das oberflächenvergrößernde Drahtmaterial umströmt. Die Rohre sind
indessen hier hinsichtlich der Durchströmung in zwei Hälften aufgeteilt, so 'daß
Wasser, das in dem Wärmeaustauscher selbst erhitzt werden soll, z. B. durch einen
Einlaß 14 in eine mittels einem diametralen Blech 15 zu einem halbkreisförmigen
Sammelkasten 16 ausgeformte Einlaßkammer einströmt. Von diesem Sammelkasten strömt
dieses Wasser zuerst durch die Hälfte der Rohre zu einem am anderen Ende befindlichen
Sammelkasten 17, von welchem es unter Änderung der Strömungsrichtung zu dem entgegengesetzten
Ende durch die untere Hälfte der Rohre zurückströmt. An diesem letzteren Ende strömt
das Wasser schließlich über einen halbkreisförmigen Sammelkasten 18 durch einen
Auslaß ig in erhitztem Zustand aus, Der Strömungsweg ist in dieser Weise durch den
Wärmeaustauscher auf eine einfache Weise verdoppelt worden, wobei die Verzögerung
zu einer Steigerung des Wärmeaustausches beiträgt. Um die Strahlung von dem Heißwasserapparat
und damit unnötige Wärmeverluste möglichst zu vermindern, ist ein weiterer Mantel
:2o in den Mantel 8 eingeschoben und an den Enden abdichtend befestigt. Es soll
auch erwähnt werden, daß das in Fig. 4 und 5 mit i bezeichnete Rohr eine im Vergleich
mit Fig. i und 2 größere Abmessung hat, um einen größeren Durchmesser der inneren
Rohrgruppe zu bewirken, so daß man, wenn erwünscht, die Anzahl Rohre in den außenliegenden
Ringen-
erhöhen kann. Es ist auch nicht notwendig, daß das Rohr i als Strömungskanal dient,
sondern es kann geschlossen sein. Gemäß einer abgeänderten Ausführung kann das Rohr
i durch einen massiven Stab ersetzt werden.
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Der Wärmeaustauscher nach Fig. 6 und 7, der in wesentlichen Teilen
mit dem- Wärmeaus.tauscher nach Fig. i bzw. 4 übereinstimmt und infolgedessen so
weit wie möglich übereinstimmende Bezugszeichen erhalten hat, weist den Unterschied
auf, däß das Rohr i an seinem einen Ende als Einlaßstutzen 21 ausgebildet ist, wobei
beispielsweise bei Heißwasserbereitung das zu erhitzende Wasser über den Einlaß
21 zuerst den Wärmeaustauscher durch das Rohr i nach dem Sammelkasten 17 durchströmt,
von welchem es in entgegengesetzter Richtung durch sämtliche Rohrringe zu einem
am entgegengesetzten Ende des Wärmeaustauschers gelegenen Satrimelkasten 22 strömt,
von welchem es durch den Auslaß 23 Zum Verbrauch entnommen 'wird: Obwohl angegeben
worden ist, daß die auf den Figuren gezeigten und beschriebenen Ausführungsbeispiele
für den Wärmeaustauscher gemäß der Erfindung für besondere Zwecke, beispielsweise
für Kühlung von Öl oder für Heißwasserbereitung, besonders geeignet sind, wird natürlich
vorausgesetzt, daß die Erfindung auch Wärmeaustauscher von derselben oder ähnlicher
Art für andere Zwecke umfaßt.
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In Fig. 8 bis io wird eine spezielle Anordnung des Wärmeaustauschers
nach der Erfindung veranschaulicht. Der hier gezeigte Wärmeaustauscher ist, obwohl
er darauf nicht beschränkt ist, insbesondere für Kühlzwecke bestimmt und ein Kühlelement
in Kühlschränken, Gefrierkästen oder anderen Kühlanlagen. Wie insbesondere aus Fig.
8 hervorgeht, sind die Rohre i, 2 und 3 usw. im Verhältnis zu den früher beschriebenen
Wärmeaustauschern in ihrer Anzahl erheblich verringert und kreuzförmig angeordnet.
Das Kühlmittel soll dabei durch sämtliche Rohre strömen und dabei sowohl über die
Rohrwände als auch über das Drahtmaterial Wärme von der umgebenden Atmosphäre wegleiten.
Bei der Herstellung eines Wärmeaustauschers dieser Konstruktion verwendet man zweckmäßig
im voraus hergestellte kreuzförmige Endbleche 24 öd. dgl., welche im- voraus mit
Löchern für die Rohre z, 2, 3 usw. versehen worden sind. Diese kreuzförmigen Organe
dienen als Halter während des Umwickelns der Drähte. Das Umwickeln mit Draht erfolgt
im wesentlichen in derselben Weise, wie oben beschrieben. Somit wird zuerst das
Rohr i mit jedem Ende in ein kreuz- I förmiges Endblech 24 eingeführt und mit einer
Anzahl von Drahtwindungen werden in diesem Falle vier Rohre :2 mit den Enden in
dasselbe Endblech 24 eingeführt, uni dann in gleicher Weise mit neuem Material umwickelt
zu werden usw. Die Endbleche 24 können ferner gemäß der Erfindung als Sammelkästen
ausgeführt werden, weshalb dieselben somit eine-doppelte Aufgabe zu erfüllen haben.
Obwohl hier nur die Kreuzform für die Endbleche 24 angegeben worden ist, fallen
auch anders gestaltete in den Rahmen der Erfindung.
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Kühlelemente, die im wesentlichen gemäß Fig. 8 ausgeführt sind, können
in Gruppen angebracht werden, wie aus Fig. 9 und io hervorgeht. Die quadratische
Form trägt dann noch dazu bei, die Abmessung des zusammengesetzten Aggregates zu
reduzieren. Wie aus Fig. 9 und io hervorgeht, sind die kreuzförmigen Sammelkasten
24 paarweise aneinander mittels Rohrkrümmer 25 angeschlossen, so daß das Kühlmittel
durch das Aggregat einem im wesentlichen schlangenförmigen Strömungsweg strömt.
Diese Methode zur Gestalturig jedes besonderen Kühlelementes ermöglicht auch eine
schnelle und leichte Vermehrung oder Verminderung des Aggregates entsprechend dem
Bedarfsfalle.
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Obwohl bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen Drahtmaterial gezeigt
worden ist, das in Schraubenform um die Wärmeaustauschelemente gesponnen worden
ist, können natürlich auch andere Anbringungsmethoden verwendet werden, beispielsweise
Flechten öd. dgl. oder eine Kombination von Flechten und Spinnen sowie Weben,
wie z. B. in Fig. i i dargestellt.
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Ferner kann man gemäß der Erfindung im voraus Körper aus Drahtmaterial
herstellen, welche nachträglich auf einem Wärmeaustauschelement oder auf mehreren
solchen gleichzeitig angebracht werden. In Fig. i2 werden .schraubenförrnige, im
voraus hergestellte Körper 37 und 38 gezeigt, welche so hergestellt worden sind,
daß sie sich zusammenziehen bzw. erweitern können, so daß das Drahtmaterial in ein
Wärmeaustaüschelement 39, das z. B. dem zentralen Rohr in Fig. 3 und 4 entsprechen
kann, leicht eingeführt bzw. auf dasselbe aufgeschoben werden kann, so daß eine
Anpressung an die Rohrwand erfolgt.
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Gemäß Fig. i3 können auch mehrere Elemente 40 mittels eines schraubenförmig
gewickelten Drahtes 41 zusammengehalten werden, welcher vor dem Aufziehen erweitert
und dann nachgelassen worden ist, wodurch die Elemente und der Draht in guten gegenseitigen
Kontakt miteinander gebracht werden.
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Außer den beschriebenen, im wesentlichen runden oder viereckigen Ausführungen
können die Wärmeaustauscher gemäß der Erfindung auch einen anderen Querschnitt erhalten.
Dasselbe trifft auch für das angewendete Draht- oder Bandmaterial zu.
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Der Wärmeaustauscher gemäß der Erfindung kann für sich allein oder
in Kombination mit einem Wärmeapparat, beispielsweise einem Kessel, ausgeführt werden.
Er kann auch in der Form eines entfernbaren Einsatzes ausgeführt werden, z. B. als
Heißwasserapparat zur Einbringung in einen Zentralheizungskessel öd. dgl.
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Wenn es wünschenswert ist, die radiale Entfernung zwischen den Rohren
noch zu vergrößern, kann dies gemäß Fig. 14 geschehen, wo zuerst um ein Rohr 49
ein Band oder ein Draht 5o schraubenförmig. mit verhältnismäßig großer Steigung
angebracht ist, über welches seinerseits ein Draht ,51 mit etwas kleinerer Steigung
gewickelt ist. Es wird vorausgesetzt, daß die Methode weiterverwendet
werden
kann, so daß eine Windung nach der anderen zu einem Netz oder gewebeförmigen Körper
erwünschten Durchmessers aufgewickelt wird. Gemäß derselben Figur kann ein Stift
52 als Anfangsbefestigungspunkt für ein Drahtende dienen, und übrigens kann der
Draht nach jeder vollendeten Schicht am Ende des Rohres 49 gebogen werden, wonach
die nächste Schicht beginnt, ohne daß der Draht abgeschnitten zu werden braucht.
Diese Drahtanordnung ist denkbar außerhalb und/oder innerhalb eines oder mehrerer
Rohre. Für Fig. 14 können Lötfolien oder Lötstränge gleichzeitig mit dem Draht aufgewickelt
werden und in einer nachfolgenden Erhitzungsoperation des zusammengesetzten Aggregates
zum Einschmelzen in die Fugen zwischen den verschiedenen Teilen gebracht werden.
Wenn man ferner wünscht, mit Draht von verhältnismäßig kleinem Durchmesser eine
Vergrößerung der Abstände zwischen den Drahtwindungen zu bewirken, kann man, wie
z. B. in Fig. 15 dargestellt, Ausbiegungen 53 vorsehen, die gegen das Rohr oder
gegen außenliegende Drahtwindungen ruhen können.
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Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten und beschriebenen Ausführungsbeispiele
für dieselbe beschränkt, sondern sie kann in verschiedenartiger Weise innerhalb
des Rahmens des zugrunde liegenden Erfindungsgedankens verändert werden.