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Wärmeaustauscher Vorliegende Erfindung bezieht .sich auf Wärmeaustauscher,
die dem Wärmeaustausch zwischen zwei Wärmeaustauschmitteln (Gasen, Dämpfen oder
tropfbaren Flüssigkeiten), oder dem Wärmeaustausch zwischen einem Wärmeaustauschmittel
und einem Erhitzungs- oder Kühlelement dienen, z. B. auf Kühler für Verbrennungskraftmaschinen,
Ölkühler, Kondensatoren und Verdampfer u. dgl. mehr, und bei denen das eine der
Wärm-eaustauschmittel durch mindestens einen Kanal strömt, dessen Wandungen von
dem anderen der Wärmeaustauschmittel bestrichen werden oder die Hauptwärmeaustauschwandungen
mit dem erwähnten Erhitzungs- oder Kühlelement bilden.
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Der Wärmeaustausch zwischen einem Wärmeaustauschmittel und einer Wand
findet hauptsächlich in den Schichten statt, die der Wand benachbart fließen, während
die der Wand entfernter fließenden Schichten an dem Wärmeaustausch nur in kleinem
Ausmaße teilnehmen.
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Bei turbulenter Strömung, da die Wirbel im Strome sich hauptsächlich
an der Wand entwickeln und nach der Mitte des Flußquerschnittes zu abfallen, hat
man erstens, daß in den der Wand entfernter fließenden Schichten verhältnismäßig
wenig Mischung der Teilchen stattfindet, während zweitens in den durchwirbelten
Schichten an der Wand die Mischung folgender Art ist: a) gegenseitige N,'Tischung
von Teilchen, die noch keinen Teil am Wärmeaustausch genommen haben; b) gegenseitige
Mischung von Teilchen, die schon am Wärmeaustausch teilgenommen haben, wo a) und
b) den Wärmeaustausch nicht fördert, und c) gegenseitige Mischung von Teilchen,
die am Wärmeaustausch teilgenommen haben mit solchen, d.ie noch nicht am Wärmeaustausch
teilgenommen haben, welche für a
den Wärmeaustausch nützliche Mischungsart
sich erst in der Flußrichtung vergrößert und dann verkleinert, wie mehr und mehr
Teilchen dieser Schichten schon am Wärmeaustausch teilgenommen haben.
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Daher bestehen beim Austritt aus einem Wärmeaustauschkanal Temperaturunterschiede
zwischen Schichteis, die in unmittelbarer Wandnähe geflossen sind und denjenigen
Schichten, die weiter entfernt von der Wand geflossen sind, wobei, angefangen von
.der Anfangstemperatur des gesamten Wärme= austauschmittels, :die Temperatur der
in Wandnähe fließenden Schichten sich weit über den beim Austritt über den Flußquerschnitt
genommenen Mittelwert der Temperatur hinaus verändert hat.
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Das zeigt an, daß die Temperaturdifferenz zwischen der in Wandnähe
fließenden Schicht und der Wand selbst, die für den @ Wärmefluß zwischen Flüssigkeit
und Wand maßgeblich ist, von ihrem Anfangswert bis zu Ende des Kanals weit über
den Wert hinaus gefallen sein muß, der an einer Stelle der Wandlänge herrschte,
an dem diese in Wandnähe fließende Schicht - die für den Austrittsquerschnitt verlangte
Mitteltemperatur erreichte, und daß der nach dieser Stelle erfolgte Wärmefluß zwischen
dieser Schicht und der Wand, dem die Erreichung der Querschnittsmitteltemperatur
beim Austritt zu verdanken ist, mit immer senkender Temperaturdifferenz zwischen
Schicht und Wand und somit immer kleinerem Wärmefluß pro Wandflächeneinheit erfolgt
sein muß, was den Mittelwert des Wärmeflusses pro Wandflächeneinheit und pro Unterschiedseinheit
zwischen der Wand und dem Querschnittsmittelwert der Flüssigkeit klein macht und
somit auch den Mittelwert des Wärmeflusses pro Wandflächeneinheit und pro Unterschiedseinheit
der Querschnittsmittelwerte zweier zu beiden Seiten einer Wand fließenden Flüssigkeiten.
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Wenn man nun durch Hilfswände, die vom Strome eines Wärmeaustauschmittels
umgeben sind und mit der Trennwand metallisch leitende Verhindung haben, die diesen
Hilfswänden nahefließenden Schichten in besseren Wärmeaustausch mit .der Trennwand
bringt, so wird, solange diese Hilfswände beträchtliche Abstände voneinander haben,
sich der oben beschriebene Effekt wiederholen. -Ferner wirkt die Grenzschicht auf
den Wänden, besonders für tropfbare Flüssigkeiten, isolierend, und da bei engen
Kanälen die Dicke dieser Grenzschicht dem Abstand zwischen gegenüberliegenden Wänden
umgekehrt proportional wird, so wird bei näherem Aneinanderrücken .solcher Hilfswände,die
Dicke und somit die wärmeisolierende Wirkung dieser Grenzschichten größer, so daß
deswegen der Wärmefluß pro Wandflächen und Unterschiedseinheit der Mitteltemperatur
heruntergesetzt wird und ferner der effektive Kanalquerschnitt verengert wird, was
größeren Druckverlust bewirkt.
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Es ist Zweck dieser Erfindung; Wärmeaustauscher zu liefern, bei denen
der Wärmefluß pro Wandflächeneinheit und Unterschiedseinheit des Querschnittsmittelwer
tes der Temperatur zweier I- Wärmeaustauschmittel im Vergleich mit bisherigen Konstruktionen
vergrößert wird und ein Wärmeaustauschmittel mit gleichmäßiger, über den Flußquerschnitt
verteilter Temperatur von seinem Wärmeaustauschkanal austritt, bei (denen die Bildung
von unbeweglichen Grenzschichten auf Hilfswärmeaustauschflächen gehindert wird und
Druckverluste beim Durchfluß eines Wärmeaustauschmittels relativ klein gehalten
werden.
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Gemäß dieser Erfindung ist .ein Wärmeaustausoher für zwei Wärmeaustauschmittel
mit mindestens einem Kanal, durch. den innen ein Wärmeaustauschmittel strömt, und
der ganz oder größtenteils von Hauptwärmeaüstaüschwandungen gebildet wird; sowie
mit mindestens einer in diesem Kanal vorgesehenen Reihe von Hilfswärmeaustauschflächen
versehen ist, die sich jeweils normal zum Kanalquerschnitt erstrecken, in der Flußrichtung
des den Kanal durchströmenden Wärmeaustauschmittels gestaffelt angeordnet sind und
wenigstens teilweise an ihren beiden sich in Flußrichtung erstreckenden Kanten mit
der Hauptwärmeaustauschwandung in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß
von mindestens drei in Flußrichtung aufeinanderfolgenden Hilfsflächen einer Reihe
mindestens zwei aufeinanderfolgende im Abstand voneinander angeordnet sind, und
daß mindestens zwei dieser drei Hilfsflächen so angeordnet sind, daß sie entlang
@der-Flußrichtung mit keiner anderen Hilfsfläche zur Deckung kommen. In andern Worten,
die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß von mindestens drei aufeinanderfolgenden
Hilfsflächen einer Reihe mindestens zwei äufeinanderfolgende in zwei bestimmten
Richtungen - entlang der Flußrichtung und quer zur Flußrichtung - im Abstand voneinander
angeordnet sind, wobei mindestens zwei dieser drei Hilfsflächen entlang der Flußrichtung
mit keiner anderen Hilfsfläche zur Deckung kommen.
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Für Ausführungen, worin die Hilfswärmeaustausehwände einander gegenüberliegende
Hauptwärmeaustauschwände direkt verbinden, bedeutet das, daß die Berührungsstellen
der Hilfswände mit einer Hauptwärmeaustauschwand auch in zwei Richtungen - entlang
und quer zur Flußrichtung - im Abstand voneinander angeordnet sind. Somit haben
solche Ausführungen insgesamt mindestens drei kennzeichnende Eigenschaften, nämlich
die beiden obigen mit Bezug auf die Hilfsflächen selbst, und die zusätzliche Eigenschaft,
daß die Berührungsstellen der Hilfsflächen mit den Hauptwärmeaustauschwänden in
zwei Richtungen - entlang und quer zur Flußrichtung - im Abstand voneinander angeordnet
sind, was die später in der Beschreibung unter 3 beschriebenen Vorteile hat.
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Allgemein können .die, in Flußrichtung gesehen, parallel verlaufenden
Hilfswände verschiedene Formen haben.
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Bei :ungefähr kastenförmigen Wärmeaustauschelementen können - die
Hilfsflächen normal oder parallel zu den langen Seiten des Kanalquerschnittes oder
so angebracht sein, daß einige normal zu anderen sind, .z. B. aufeinanderfolgende
normal
zueinander, wobei die zueinander parallel verlaufenden Flächen relativ zueinander
über den Kanalquerschnitt versetzt sind.
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Die Zeichnungen betreffen Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes.
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Fig. i zeigt in der Ansicht zwei Wärmeaustauschelemente einer ersten
Ausführung; Fig. 2 ist ein Schnitt nach Linie II-II von Fig. i, und Fig. 3 ist ein
Schnitt nach Linie III-III von Fig. i ; Fig. 4 zeigt in der Ansicht zwei Wärmeaustauschelemente
einer zweiten Ausführung; Fig. 5 ist ein Schnitt nach der Linie V-V der Fig. 4;
Fig. 6 ist ein Schnitt nach der Linie VI-VI der Fig. 4, und Fig. 7 ist ein Schnitt
nach Linie VII-VII der Fig. 4; Fig. 8 ist ein Längsschnitt durch eine dritte Ausführung,
und Fig. g ist ein Querschnitt zu Fig. B.
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In dem Beispiel nach Fig. i bis 3 besitzt ein Element des Wärmeaustauschers
ein geschlossenes Gehäuse, welches die zwei gegenüberliegenden Wandungsteile i"
und ib aufweist, mit denen die Platten 2, die in vier gestaffelten Reihen senkrecht
zur Längsachse des Kanalquerschnittes angeordnet sind, verbunden sind. Diese Platten
.2 sind jeweilig von relativ kleiner Länge, verglichen mit der Hauptwandung. Sie
sind so gestaffelt, daß, in der Flußrichtung gesehen (s. Pfeil 3), keine zwei Platten
der gleichen Reihe zur Deckung miteinander kommen und somit jede der Platten mit
einer sich quer zu den Wandungsteilen i, und ib erstreckenden Flußschicht in Berührung
kommt, die noch mit keiner vorhergehenden Platte 2 in Berührung war.
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In der Flußrichtung des im Gehäuse fließenden Wärmeaustauschmittels
ist zwischen der Hinterkante einer Platte und der Vorderkante der darauffolgenden
Platte derselben Reihe ein Abstand 4 vorgesehen, so daß Lücken gebildet sind, welche
sich bei allen Reihen auf gleicher Höhe befinden.
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Ein zweites am Wärmeaustausch teilnehmendes Wärmeaustauschmittel fließt
im Querstrom um die Gehäuse i der Wärmeaustauschelemente.
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Nach Fig. 4. bis 7 besitzt der Wärmeaustauscher Gehäuse i mit Wandungsteilen
i" und ib. Die Platten io laufen hier parallel zu den Wandungsteilen i" und ib und
sind in vier Reihen angeordnet. Sie sind mittels Verbindungswänden i i" bzw. i 1b,
die sich in der Flußrichtung und rechtwinklig zu den Wandungsteilen i" und ib erstrecken,
jeweils an einem Wandungsteil befestigt. Die Befestigungswände i ia bzw. i ib für
verschiedene Platten io einer Reihe sind von verschiedener Länge, wodurch die Platten
io über den Querschnitt gestaffelt werden, so daß in der Flußrchtung des im Gehäuse
fließenden Wärmeaus.tauschmittels die Platten derselben Reihe sich nicht decken,
sondern jeweils mit Flußschichten in Berührung kommen, die noch mit keiner Platte
in Berührung waren. Die Befestigungswände i ib sind mit dem Wandungsteil ib und
die Befestigungswände i i" mit dem gegenüberliegenden Wandungsteil i" verbunden,
um Wärmeleitung zwischen solchen Flußschichten und beiden der gegenüberliegenden
Wandungsteile herzustellen.
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In der Flußrichtung sind zwischen den Platten jeder Reihe Lücken vorhanden,
die für alle Platten der verschiedenen Reihen auf derselben Höhe sind und sich auch
durch die Befestigungswände ii" und i ib hindurch erstrecken.
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Die verschiedenen Reihen sind durch Wände 12 getrennt, die sich bei
dem gezeigten Ausführungsbeispiel über die gesamte Länge des Austauschers erstrecken,
aber bei anderen Beispielen auch durch die Lücken zwischen den Platten io unterbrochen
sein können. Eine zweite Flüssigkeit umfließt außen die Gehäuse i.
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Das erste Beispiel hat gegenüber dem zweiten den Vorteil, daß jede
Platte mit den beiden Wandungsteilen i" und ib direkt verbunden ist, so daß der
Wärmefluß zwischen den Flußschichten und den Wandungstcilen i, und ib auf dem kürzesten
Wege stattfindet. Dabei dienen die Platten selbst im ersten Beispiel auch als Versteifung.
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Statt Platten könnten auch gewellte oder gebogene Hilfswände vorgesehen
sein, um Schäden durch Wärmedehnung zu vermeiden.
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Nach Fig. 8 und g besitzt der Wärmcaustauscher als Wandung eines Elementes
zwei gleichachsige Röhren 2o und 21. In dem kreisringförmigen Raum 22 zwischen den
Röhren sind vier Reihen von Platten 23 radial angebracht, die Röhren 20 und 21 verbinden
und deren Länge in der Flußrichtung klein ist, verglichen mit der der Röhren. Die
Platten jeder Reihe liegen in verschiedenen Radialebenen und haben in der Flußrichtung
voneinander Abstand. Dadurch entstehen zwischen der Hinterkante der einen Wand und
der Vorderkante der folgenden Wand die Lücken 24, die sich bei allen Reihen auf
gleicher Höhe befinden.
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Bei diesem Wärmeaustauscher fließt die eine der am Wärmeaustausch
teilnehmenden Flüssigkeiten durch den kreisringförmigen Raum 22, und eine zweite
Flüssigkeit sowohl durch die Röhre 2o wie auch um die Röhre 2i, oder es könnten
auch zwei verschiedene Flüssigkeiten bzw. durch die Röhre 2o und um die Röhre 21
fließen.
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Wie an den Beispielen gezeigt, können erfindungsgemäße Anordnungen
von Hilfswänden bewirken, daß eine jede Schicht eines Flußquerschnittes, von wie
immer kleiner Dicke auch diese Schichten sein mögen, um für den Wärmeaustausch effektiv
zu .sein, an je einer Hilfsfläche in unmittelbarer Nähe vorbeifließt und nur in
unmittelbarer Nähe dieser Hilfsfläche bleibt, bis die Schicht ihren erforderlichen
Teil am Wärmeaustausch genommen hat, d. h. die als Querschnittsmittelwert für den
Austritt verlangte Temperatur erreicht hat, wonach eine benachbarte Schicht dann
die nächste Hilfsfläche der Reihe erreicht und der Vorgang sich mit ihr wiederholt.
Somit übertragen die Hilfsflächen je einer Serie, -die an der Länge des Kanals verteilt
sind, jeweils Wärme zwischen
Flußschichten, die der Hauptwärmeaustauschwand
entfernt fließen und daher sonst nur in kleinem Ausmaß am Wärmeaustausch
teilnehmen, und der Hauptwand, so daß auf diese Weise der Temperaturunterschied
zwischen der Hauptwand und des außenfließenden zweiten, am Wärmeaustausch teilnehmenden
Wärmeaustauschmittels über die gesamte Länge der Wand viel höher gehalten wird,
als es ohne Hilfswände in erfindungsgemäßer Verteilung der Fall wäre, was den Wärmeaustausch
pro Flächeneinheit und pro Unterschiedseinheit der Querschnittsmitteltemperatureri
der fließenden Wärmeaustauschmittel beträchtlich erhöht, wie es auch- noch aus den
folgenden Betrachtungen hervorgeht.
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Wie aus den Beispielen ersichtlich ist, kann eine erfindungsgemäße
Anordnung von Hilfswänden in einer die ganze Länge des Kanals deckenden Reihe gebildet
werden aus weniger Metall, als erforderlich wäre; eine gerade, die ganze Länge des
Kanals sich erstreckende Hilfswand zu bilden, da in den Lücken zwischen den einzelnen
Hilfswänden das Metall fortgelassen ist - wodurch dann anstatt nur der beiden längs
dieser einen Hilfswand fließendem Schichten, die zusätzlich am Wärmeaustausch teilnehmen
würden, mit den schon für die an der Hauptwärmeaustauschwand vorkommenden schädlichen
Wirkungen, jetzt alle Schichten des Flußquerschnitts in gewünschtem Ausmaß am Wärmeaustausch
teilnehmen -; was insgesamt eine beträchtliche Ersparnis an Wandoberfläche und somit
Gewicht des Austau,schers für eine gewünschte -Leistung bedeutet.
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Besonders mit Bezug auf die Wirkurig der Lücken zwischen den aufeinanderfol.genden
Hilfsflächen einer Reihe in erfindungsgemäßer Anordnung ist folgendes zu sagen:
r. Bei Hilfswänden größerer Länge sind, wie auf den Hauptwärmeaustawschwänden, besonders
für tropfbare Flüssigkeiten die schon erwähnten stationären Grenzschichten vorhanden,
die wärmeisolierend- wirken.
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Im Gegensatz dazu sind aber die Hilfswände in erfindungsgemäßer Anordnung
relativ kurz und haben, wie an den Beispielen gezeigt, Lücken zwischen aufeinanderfolgenden
Hilfswänden, so däß durch den Stoß beim Auftreffen auf die Vorderkante dort eine
Druckerhöhung im Strom, und durch die Saugwirkung beim Verlassen der Hinterkante
eine Druckerniedrigung -beide wegen der durch die Lücken hervorgebrachten plötzlichen
Querschnittsänderung - entstehen, was bei der kürzen Länge der Hilfswand genügt,
der Wand viel näher benachbarte Schichten in Bewegung zu setzen und somit die Bildung
von stationären, wärmeisolierenden Grenzschichten von der bei längeren Wänden vorkommenden
Dicke zu ver-_ hindern.
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In bestimmten Fällen, in welchen die Länge, die eine Hilfswand für
effektiven Wärmeaustausch der Schichten auch bei erfindungsgemäßer Anordnung haben
müßte, so groß wird, daß sich stationäre Grenzschichten von solcher Dicke bilden
könnten, kann eine solche Hilfswand beispielsweise auch .durch Lücken unterteilt
werden, so daß an den- Kanten, zwischen denen die Lücken gelassen worden sind, zusätzliche
Stoß- und Saugwirkungen entstehen, welche die Bildung solch dicker Grenzschichten,
wie oben beschrieben, verhindern.
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a. Dadurch, daß-die Lücken zwischen den einzelnen Hilfsflächen einer
Reihe durch alle Reihen über den .ganzen Flußquerschnitt gehen, wie in den Beispielen
beschrieben, so können sich die durch die Stoß- und Saugwirkung an den Kanten der
Hilfswände entstehenden Wirbel ungehindert über den ganzen Flußquerschnitt verbreiten
und auf diese Weise eine für den Wärmeaustausch nützliche Mischung der Teilchen
hervorbringen.
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3. Die wichtigste Wirkung der Lücken zwischen den Hilfswänden in erfindungsgemäßer
AnGrdnung, welche Hilfswände in den Beispielen jeweils an zwei sich in Flußrichtung
erstreckenden Kanten mit den Hauptwänden (bzw. Wand) verbunden gezeigt sind, geht
aus fälgenderBetrachtunghervor: Wie zu beweisen ist, geht in Anbetracht dessen,
daß in den Betriebsumständen der den Erfindungsgegenstand bildenden Wärmeaustauscher
die metallische Wärmeleitfähigkeit viel größer ist als die Wärmeübertragungsfähigkeiten
irgendwelcher Art in den fließenden Flüssigkeiten selbst wie von der Wand in .die
Flüssigkeiten" ist die Wirkung der Hilfswände folgender Art: Wenn z. B. ein Wärmefluß
von einer Wärmequelle (wie z. B. noch kaum am Wärmeaustausch beteiligt gewesene
Flußschichten einer ersten Flüssigkeit) durch eine Hilfswand und eine Hauptwärmeaustauschwand
in die außerhalb dieser Hauptwand fließende zweite Flüssigkeit geht"so tritt dieser
Wärmefluß über in diese Flüssigkeit nicht nur in der kleinen Fläche der Hauptwand,
an welcher die Kante der Hilfswand mit der anderen Seite der Hauptwand verbunden
ist, sondern in einer beträchtlichen, diese Verbindungsstelle umgebenden Fläche
auf der Hauptwand, in welcher sich die Wärme durch metallische Leitung verbreitet
hat und welche daher sozusagen die »Wirlesamkeitsfläche« der Hilfswand auf der Hauptwand
darstellt.
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Die Lücken zwischen den verschiedenen Hilfswänden sind wichtig, um
zu bewirken, daß die Verbindungen dieser Hilfswände mit der Hauptwand durch bestimmte
Abstände voneinander getrennt sind, so daß solche »Wirksamkeitsflächen« -verschiedener
Hilfsflächen einander nicht überlappen. Solches Überlappen der »Wirksamkeitsflächen«
von verschiedenen Hilfsflächen ist nämlich schädlich, da, wie bewiesen, Teile der
Hauptwand; auf welchen sich solche »Wirksamkeitsflächen« überlappen, kaum größeren
Wärmefluß an die äußere Flüssigkeit bewirken als solche Teile der Hauptwand, welche
in der »Wirksamkeitsfläche« nur einer Hilfswand liegen, so daß daher diejenigen
Teile einer Hilfswand, die ein Überlappen ihrer »Wirksamkeitsfläche« mit den »Wirksamkeitsflächen«
anderer Hilfswände verursachen, vom Standpunkt der Wärmeübertragung überflüssig
sind und somit Materialverschwendung bedeuten.
Somit bewirken die
Lücken zwischen den Hilfswänden einer Reihe .die vollkommene Ausnutzung der »Wirksamkeitsflächen«
einer jeden Hilfswand, während die in den Beispielen gezeigten erfindungsgemäßen
Anordnungen die Verteilung der Wirksamkeitsflächen der Hilfswände über die Gesamtfläche
:der Hauptwände und insgesamt maximale Ausnutzung der Hilfswände für den Wärmeaustausch.
von den oben dargelegten Standpunkten ermöglichen, so daß für ein Minimum an Hilfswandfläche
der Wärmeaustausch pro Flächeneinheit der Hauptwand pro Unterschiedseinheit der
Mitteltemperaturen :der Flüssigkeiten beträchtlich erhöht wird.
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Beispielsweise kann mit erfindungsgemäßen Anordnungen von Hilfswänden
die Breite von kastenförmigen Wärmeaustauscherelementen im Vergleich mit denen jetziger
Konstruktionen vergrößert werden, was bei gleicher Flußgeschwindigkeit der durchfließenden
Flüssigkeit eine entsprechend kleine Anzahl von Kanälen für dieselbe Wärmeübertragungsleistung
und somit beträchtliche Metallersparnisse bedeutet, während weiterhin in solchen
Kanälen durch Verkleinerung des Verhältnisses von benetztem Umfang zur Querschnittsfläche
(auch durch die Verkürzung der einzelnen Hilfswände) die Druckverluste stark herabgesetzt
werden.