DE975537C - Waermeaustauscher - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 11. JANUAR 1962

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Wärmeaustauscher

ist in Anspruch genommen

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmeaustauscher für zwei strömende Wärmeaustauschmittel, welche durch zwei durch eine gemeinsame Wand getrennte Kanäle strömen. Im besonderen ist die Erfindung gedacht für Wärmeübertragungsflächen von Dampfkesseln, in welchen ein Wärmeaustausch zwischen zwei Medien stattfindet, welche verschiedene Wärmeübertragungszahlen besitzen. Die Erfindung bewirkt hierbei ungefähr eine o,o°/oige Verringerung des Rohrbedarfes, der für die wärmeübertragenden Flächen erforderlich ist; sie verringert ferner den Raum, der von den wärmeübertragenden Flächen in Anspruch genommen wird, auf ein Achtel des bei Zwangumlaufkesseln benötigten Raumes, welcher Kesseltyp als einer der besten gegenwärtig verfügbaren zu gelten hat.

Es muß erwähnt werden, daß bisher schon zahlreiche Versuche unternommen wurden, um den Wärmeaustausch zwischen zwei Medien herbeizuführen, so durch Anordnung von flossenartigen Organen oder Rippen, auch Stäben und anderen Elementen, die durch Rohre oder andere die Medien trennende Zwischenwände getragen sind und in einem oder beiden Medien verlaufen. Indessen haben diese Versuche bisher niemals zur Entwicklung der exakten technischen Lehre geführt, wie durch Verwendung einer ausgedehnten Oberfläche die Wärmeübertragungsflächen von Dampfkesseln, beispielsweise des Zwangumlauftyps, in einem Ausmaß verringert werden können, daß sie nur mehr ein Achtel des bisher notwendigen Raumes in Anspruch nehmen. Im besten Falle wurde die Auswahl der For-

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mel, der Abmessungen und der geometrischen Anordnung von ausgedehnten Wärmeübertragungsflächen bisher empirisch ermittelt; dieses Vorgehen ist, wie einleuchtet, außerordentlich kostspielig. Im Gegensatz hierzu stützt sich die vorliegende Erfindung, die von der bekannten Tatsache ausgeht, daß durch Erhöhung der Wärmeübertragungsflächen, welche dem Medium mit geringerer Wärmeübertragungszahl ausgesetzt sind, bzw. durch Errechnung dieser Flächen nach bestimmten Formeln die Menge der von dem Medium mit geringerer Wärmeübertragungszahl übertragenen Wärme mit der von dem Medium mit höherer Wärmeübertragungszahl übertragenen Wärme besser in das Gleichgewicht gebracht werden kann, auf gewisse wissenschaftliche Erkenntnisse, welche die exakte Beziehung zwischen jenen Größen oder Faktoren darstellen. Als Ergebnis davon ist der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher gekennzeichnet durch gut Wärme leitende, mit der Scheidewand innig verbundene und sich von dieser aus in den Weg des einen Wärmeaustauschmittels erstreckende Wärmeübertragungselemente je von einer Länge, die mindestens gleich ist dem einen der Werte A oder B, wobei A eine Länge ist, bei welcher das Produkt aus der Wärmeübertragungszahl des durch den Kanal strömenden Mittels und der gesamten Oberfläche der in dem Kanal enthaltenen Wärmeübertragungselemente gleich ist dem durch einen Faktor zwi- sehen 8 und 40 geteilten Produkt aus der Wärmeübergangszahl des durch den anderen Kanal strömenden Mediums und der inneren Oberfläche dieses Kanals, und B eine Länge ist, welche dem Zehnfachen der Quadratwurzel des Drahtquerschnittes entspricht und die nicht größer ist als diejenige Länge, bei welcher der nach der Formel

Vs =

wo

ist, bestimmte Wirkungsgrad der Wärmeleitfähigkeit jedes Wärmeübertragungselementes kleiner ist, als 60%> der theoretisch möglichen Wärmeübertragung, wobei in obiger Formel die untenstehenden Bezeichnungen folgendes bedeuten:

a = die Wärmeübergangszahl (der α-Wert) des

Gases, das über die Elemente streicht,
λ = die Wärmeleitzahl der Elemente,
e — die Basis der natürlichen Logarithmen = 2,718,

F = den Umfang der Elemente in Metern,

/ = den Elementquerschnitt in Quadratmetern, / = die Länge des Wärmeleitweges in einem

Element in Metern.

Die Erfindung ermöglicht insbesondere eine erhebliche Steigerung des Wirkungsgrades von Kesseln und ähnlichen, heute in Benutzung befindlichen Einrichtungen durch das einfache Mittel des Einbaues einer verhältnismäßig kleinen, erfindungsgemäß gebauten Einheit in den Rauchgasweg, welcher den Kessel mit dem Schornstein verbindet. Infolge der Kleinheit des durch die erfindungsgemäße Konstruktionseinheit benötigten Raumes sind diese Einrichtungen in hervorragender Weise geeignet, auch zur Verwendung an Hochöfen und anderen industriellen Wärmequellen, bei denen bisher Wärme durch Ausströmen verschwendet wurde.

Aus demselben Grunde ist die erfindungsgemäße Einrichtung von besonderem Vorteil für Schiffskessel, wo durch Erhöhung des Wirkungsgrades eine größere Dampfmenge und demzufolge größere Geschwindigkeiten gewährleistet werden oder, umgekehrt, infolge Verringerung des Brennstoffverbrauches und des Gewichtes ein größerer Aktionsradius.

Die Erfindung umfaßt auch die Verbesserung und Verkleinerung der Baumasse von Ölvorwärmern und ähnlichen Geräten, bei denen kondensierter Dampf als Heizmedium verwendet wird, ohne daß die Konstrukteure bisher die Differenz der Leitfähigkeitswerte von Öl und Dampf berücksichtigten.

Es wurde auch gefunden, daß die Ausnutzung der Wärmestrahlung, wie bei Heißluftanlagen, durch Anwendung des Erfindungsgedankens wesentlich verbessert werden kann.

Die wichtigsten Ziele der Erfindung sind also, in Zusammenfassung, folgende:

ι. einen wirksameren, indirekten Wärmeaustausch zwischen zwei Medien mit unterschiedlichen Wärmeübertragungszahlen zu gewährleisten;

2. Wärmeaustauschgeräte zu schaffen, die im besonderen zur Verwendung als Wärmeübertragungsflächen von Dampfkesseln geeignet sind und bei denen der Aufwand an Rohrmaterial auf ein Zehntel und der Bauraum ungefähr auf ein Achtel des bisher erforderlichen reduziert wird;

3. Mittel und Wege zu schaffen, die den Wirkungsgrad von Dampfkesseln und Heizanlagen steigern, die schon im Betrieb sind;

4. die Möglichkeit zu schaffen, die Größe von Ölvorwärmern zu verringern und deren Wirkungsgrad zu steigern;

5. die Ausnutzung der Wärmestrahlung zu erhöhen.

Die Zeichnungen erläutern schematisch einige Ausführungsbeispiele der Erfindung. Es stellt dar

Fig. ι die schematische Ansicht eines Zwangumlaufkessels mit Wärmeübertragungsflächen gemäß vorliegender Erfindung, wobei jene Flächen zum besseren Verständnis gegenüber den anderen Teilen der Figur übertrieben groß gezeigt sind,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Größenverhältnisse zwischen dem ganzen bei einem Zwangumlaufkessel für die Wärmeübertragungsflächen beanspruchten Raum und dem durch Verwirklichung der vorliegenden Erfindung für diesen Zweck erforderlichen Raum,

Fig. 3 einen Längsschnitt im vergrößerten Maßstab durch den Rauchgasabzug des Kessels gemäß Fig. i,

Fig. 4 den Querschnitt nach Linie 4-4 zu Fig. 3, Fig. 5 den Querschnitt zu Fig. 4, gegenüber dieser Figur in vergrößertem Maßstab,

Fig. 6 den Schnitt nach Linie 6-6 zu Fig. S,
Fig. 7 eine teilweise geschnittene Seitenansicht der Anwendung der Erfindung an einem bestehenden Kessel zum Zwecke der Erhöhung des Wirkungsgrades durch Ausnutzung der bisher durch Ausströmenlassen vergeudeten Rauchgase,

Fig. 8 einen Schnitt nach Linie 8-8 zu Fig. 7,

Fig. 9 das Wirkungsgraddiagramm eines Kessels gemäß den Fig. 7 und 8 vor und nach der Anwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung,

Fig. 10 die graphische Darstellung des Wirkungsgrades der einzelnen in ihrer Gesamtheit die wärmeübertragende Fläche bildenden Elemente,

Fig. 11 das Schaubild einer Schar von Kurven, die entworfen sind, um die Bestimmung der maximalen Länge der einzelnen Wärmeübertragungselemente im Einklang mit der Erfindung zu erleichtern,

Fig. 12 den senkrechten Schnitt durch eine Heißluftanlage zur Erläuterung der erfindungsgemäß erzielten Verbesserung in der Ausnutzung strahlender Wärme,

Fig. 13 die erfindungsgemäße Einrichtung in Verwendung bei einem ülvorwärmer in Seitenansicht und teilweise längsgeschnitten,

Fig. 14 den Schnitt nach Linie 14-14 zu Fig. 13.

Vor Betrachtung der einzelnen zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiele erscheint es zweckmäßig, den Ausdruck »Wärmeübertragungszahl« zu erläutern. Unter diesem Ausdruck ist die Fähigkeit eines Mediums zu verstehen, Wärme zwischen sich selbst und einer diesem Medium ausgesetzten körperlichen Oberfläche zu übertragen. Der Ausdruck umfaßt die diese Fähigkeit beeinflussenden Faktoren, wie die besonderen physikalischen Eigenschaften des Mediums, die Temperaturen des Mediums und der einbezogenen Oberflächen, die Geschwindigkeit des in Strömung oder Bewegung befindlichen Mediums, die Form und die Dimensionen der dem Medium ausgesetzten Oberfläche, die Anordnung der Oberfläche in dem Medium in bezug auf die Strömungs- oder Bewegungsrichtung desselben sowie die Nähe anderer Oberflächen oder Hindernisse innerhalb des Mediums, welche auf die Art, in welcher das Medium die Oberfläche berührt, einen Einfluß ausüben.

Es muß ferner berücksichtigt werden, daß für die Bedingungen, die normalerweise in einem Dampfkessel herrschen, die Wärmeübertragungszahl von Dampf oder Wasser mindestens hundertmal größer ist als jene der Verbrennungsgase und daß bei 50⁰C unter gleicher Geschwindigkeit die Wärmeübertragungszahl von Öl nur 9% jener von Wasser beträgt.

Daraus folgt, daß nichts erreicht wird, wenn man lediglich die Oberfläche einer beispielsweise Wasser und Heizgase trennenden Wand auf beiden Seiten derselben gleichmäßig vergrößert; denn wegen der größeren Wärmeübergangszahl wird das Ausmaß des Wärmeübergangs, der zwischen Wasser und der mit demselben in Berührung stehenden Oberfläche herrscht, erheblich größer sein als das Ausmaß des Wärmeübergangs, der zwischen den Heizgasen und derselben Wand stattfinden kann.

Ferner folgt daraus, daß, wenn die wärmeübertragenden Flächen in wärmeübertragender Beziehung zu den Heizgasen vergrößert werden und diese Flächen in bezug auf den Gasstrom geeignet bemessen und angeordnet werden, die Möglichkeit erwächst, dieses Ausmaß an Wärmeübertragung zwischen den Gasen und den ihnen ausgesetzten Oberflächen so weit zu steigern, daß jenes Ausmaß dem erreichbaren Maximum an Wärmeübertragung zwischen dem Wasser und der Innenseite des dasselbe enthaltenden Rohres das Gleichgewicht zu halten beginnt. Eine bloß zufällige Ansammlung von Zacken, Vorsprüngen oder Drähten an der Außenseite des Rohres genügt jedoch nicht.

Es ist einleuchtend, daß praktische Gesichtspunkte — z. B. die außerordentlich hohen Temperaturen, denen Geräte dieser Art ausgesetzt sind, die Notwendigkeit der Beseitigung von Ruß- und Schmutzansammlungen von den Oberflächen und die Forderung nach mechanischer Festigkeit — die der Lösung des Erfindungsproblems entgegenstehenden Schwierigkeiten noch steigern.

Unter Bezugnahme auf die Figuren, zunächst auf die Fig. 1 bis 6, bedeutet 5 den Feuerraum bzw. die Verbrennungszone eines Zwangumlaufkessels, dessen Wände in üblicher Weise mit Rohren 6 ausgekleidet sind. Durch diese Rohre zirkuliert Wasser von einem Dampf sammler 7 über eine Pumpe 8. Die Verbrennungsgase verlassen den Feuerraum bzw. die Verbrennungszone durch einen Rauchgasschacht 9, der zu dem nicht gezeichneten Kamin führt.

In dem Rauchgasführungsschacht 9 befinden sich die Wärmeübertragungsflächen 10 des Kessels; sie umfassen einen Teil für Dampfentwicklung, einen Teil für Überhitzung und einen Teil (Ekonomiser) für Abgasvorwärmung und schließlich einen Teil für Lufterhitzung, wie in Fig. 1 angedeutet. Die Art, nach welcher diese einzelnen Teile der Übertragungsflächen in dem System verbunden sind, ist die übliche. Wie schon eingangs erwähnt, sind aus Gründen der Übersichtlichkeit und Klarheit die no Übertragungsflächen in Fig. 1 gegenüber den übrigen Teilen dieser Figur vergrößert; tatsächlich nehmen sie weniger Raum in Anspruch, als in dieser Figur gezeigt.

Die durch die erfindungsgemäße Anordnung bei einem Zwangumlaufkanal erzielte Raumeinsparung ist in Fig. 2 graphisch zur Darstellung gebracht. In dieser Figur ist ein Kessel dieses Typs schematisch gezeichnet; dabei sind der die Übertragungsflächen enthaltende Teil und der Luftvorwärmer durch Schraffur kenntlich gemacht. In Übereinstimmung mit der bisherigen Baupraxis ist der Rauchgasführungsschacht an der Unterseite der Rückwand der Verbrennungszone gezeichnet; diese Anordnung wurde bisher als die vom Standpunkt der Raumersparnis günstigste gehalten.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung wird bei einem Zwangumlaufkessel durch die beträchtliche Verringerung des zur Unterbringung der Wärmeübertragungsflächen erforderlichen Raumes die Möglichkeit geschaffen, den Rauchgasführungsschacht direkt von der Oberseite der Verbrennungszone abgehen zu lassen, wie in Fig. ι gezeigt.

Der Aufwand an Rohrmaterial 12, das zur Bildung der Übertragungsflächen verwendet wird, wird bedeutend geringer als bisher. Tatsächlich beträgt die Verringerung bis zu 90%. Dies ergibt sich aus dem Umstand, daß die primären Wärmeübertragungsflächen nicht die Rohrwandungen sind, sondern durch Wärmeübertragungselemente 13 gebildet werden, die in eine innige, wärmeübertragende Verbindung mit den Rohren gebracht sind. Die Elemente 13 besitzen im Vergleich zu ihrer Länge kleinen Querschnitt. Zweckmäßig liegen die Ouerschnittsflächen dieser Elemente zwischen 3 und 50 mm²; ihre Ouerschnittsform ist vorzugsweise rund, obschon auch irgendwelche anderen Querschnitte verwendet werden können, beispielsweise langgestreckte (etwa ellipsenförmige) Querschnitte, wobei der größere Durchmesser den dreifachen Betrag des kleineren nicht überschreiten soll; hierdurch wird der gewünschte wirbelnde Strom gewährleistet.

Die kleinste Länge der Elemente, das ist die kleinste Länge der Übertragungswege, sollte nicht weniger als das Zehnfache der Quadratwurzel des Querschnitts sein; genauer ausgedrückt, die kleinste Länge des Übertragungsweges (gemessen in Metern) sollte nicht kleiner sein als das Zehnfache der Quadratwurzel der Zahl, die die Querschnittsfläche des Elementes in Quadratmetern ausdrückt, die derjenigen Einheit entspricht, in welcher der Wärmeübertragungsweg gemessen wurde.

Die optimale Länge der Elemente zeigt eine bestimmte Beziehung zu der Temperatur, denen die Elemente ausgesetzt sind, zu ihrem Querschnitt, zum Wärmeleitkoeffizienten und zur Wärmeübertragungszahl des Gases; sie kann mit verhältnismäßiger Genauigkeit ermittelt werden durch die nachstehende Formel, in welcher η_ε den Wirkungsgrad der Wärmeübertragung des Elementes bezeichnet :

wobei

η I

η =

_eznl _j_ _τ

und in welcher die Bezeichnungen die vorher angegebene Bedeutung haben.

Zur weiteren Erklärung des Wärmeübertragungsfaktors η_ε ist auf das Diagramm in Fig. 10 zu verweisen. In diesem Diagramm wird die oberste horizontale Linie mit A bezeichnet, die nächstniedrige horizontale Linie mit B, die unterste horizontale Linie mit C. Der Mittelpunkt für den linken Kreis erhält die Bezeichnung c.

Hierbei bedeutet A die Gastemperatur, B die Wandtemperatur auf der Gasseite, C die Temperatür des Dampfes und des Wassers innerhalb des Rohres, Z den Temperaturunterschied zwischen Gastemperatur und der mittleren Temperatur des Elementes, X den Temperaturunterschied zwischen der Gastemperatur und der Wandtemperatur auf der Dampf- und Wasserseite des Rohres, a-c den Temperaturabfall zwischen der Wand und dem Wasser + Temperaturabfall in der Wand. Mit den

verwendeten Bezeichnungen kann r\_s als -=- definiert

werden. Aus diesem Diagramm ist also ersichtlich, daß η_ε die Temperaturdifferenz darstellt zwischen der Gastemperatur und der mittleren Temperatur des Elementes 13, geteilt durch die Temperaturdifferenz zwischen der Gastemperatur und der Wandtemperatur an der Dampf- und Wasserseite des Rohres. In dem Diagramm bedeutet b-a den Temperaturverlauf auf die Länge des Elementes; die zwei schraffierten Flächen über und unter der Kurve a-b, die flächengleich sind, bestimmen den Punkt der mittleren Temperatur längs der Kurve a-b.

Da ein völliges Verstehen der Bedeutung des Wärmeübertragungsfaktors η_ε für ein klares Verständnis der Erfindung wünschenswert ist, so scheinen weitere Erläuterungen geboten zu sein. Das Symbol η_ε bezeichnet das Verhältnis einerseits zwischen der Wärmemenge, die tatsächlich durch ein Element in einem praktisch ausgeführten Apparat übertragen wird, in welchem die Temperatur des Elementes notwendigerweise entlang dem Übertragungsweg desselben gegen das äußere Ende zu steigt, und andererseits der Wärmemenge, die durch dasselbe Element unter vergleichbaren Bedingungen theoretisch übertragen würde, wenn die Temperatur auf die ganze Länge des Elementes konstant wäre und gleich der Temperatur am Anfang des Elementes, wo es auf der Rohrwandung befestigt ist. Die letztere Bedingung ist natürlich in der Praxis nicht einhaltbar; indessen kann der Wirksamkeitsfaktor r\_s vorteilhaft benutzt werden, um das Längenoptimum des Elementes zu bestimmen.

Der zweckmäßigste Weg zur Benutzung dieses Faktors besteht in der Aufzeichnung eines Bündels von Kurven, wie in Fig. 11 gezeigt, und zwar durch Errechnung unter Anwendung der vorstehend erwähnten Formel. Diese Kurven seien für irgendeine Zahl von Wärmeübertragungszahlen entworfen, für irgendeinen gegebenen Querschnitt der Elemente. Die Abszisse und die Ordinate stellen die Länge / (in Metern) der Wärmetransmissionsbahn bzw. η_ε dar.

Das Kurvenbündel der Fig. 11 basiert auf einem Querschnitt eines Elementes von 3 mm Durchmesser; und in den Berechnungen wurde der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung nach der genannten Formel für η_ε zu jeder angenommenen Wärmeübertragungszahl bei angenommenen Längen der Übertragungswege ermittelt. So beträgt z. B. für die Wärmeübertragungszahl von 75 und eine Länge von 0,01 m die Fähigkeit der Wärmeübertragung

0,989, bei einer Länge von 0,02 m 0,963, bei einer Länge von 0,03 m 0,916 und bei einer Länge von 0,04 m 0,863 usw.

Wenn durch Verwendung dieser Formel r/_? gerunden wurde, daß die Wirksamkeit der Leitfähigkeit der Elemente mindestens 6o°/o der theoretisch vollständigen Wärmeübertragung beträgt, sind die Dimensionen und die Wärmeleitfähigkeit der Elemente ausreichend für Temperaturen unter 6oo° C. Überschreiten die Temperaturen aber 6oo° C, so sollte der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung mindestens 75°/o sein; mit anderen Worten, bei höheren Temperaturen müssen kürzere Elemente verwendet werden; um jedoch eine maximale Wirksamkeit des Gerätes zu erreichen, sollten die Elemente so lang sein, wie es die Bedingungen erlauben.

In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, daß eine imaginäre Wandung ohne irgendwelche Übertragungsverluste eine vollständige Wärmeübertragung und eine ioo%ige Wirksamkeit der Leitfähigkeit ergeben würde.

Unter dem Ausdruck »Länge der Elemente 13« ist im vorstehenden Fall die Länge des Wärmeleitweges bis zur nächsten Grund- oder Basisfläche zu verstehen. Haben die Elemente die Form von Schleifen oder Stäben, die von der Wand, an welcher sie befestigt sind (Grund- oder Basisfläche), abstehen, so ist die Länge des Wärmeleitweges die längs der Achse des Elementes gemessene Entfernung von dem Berührungspunkt zwischen dem Element und der Grund- oder Basisfläche bis zu dem davon entferntest liegenden Punkt. Verbinden die Elemente zwei Rohre oder Rohrteile, wie beispielsweise zwei Rohrschlangenteile, wie in den Fig. 3, 4 und 5 gezeigt, so beträgt die Länge des Wärmeleitweges die Hälfte der Entfernung (gemessen längs der Achse des Elementes) zwischen den äußersten Berührungspunkten der Elemente mit den Rohren. Generell ausgedrückt, wird der Wärmeleitweg von der Befestigungsstelle des betreffenden Elementes bis zum äußersten Punkt gerechnet, in welchem die Wärmeübertragung immer noch gegen dieselbe Befestigungsstelle des Elementes zu gerichtet ist.

Die Elemente 13 bestehen aus einem Metall, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt, beispielsweise mindestens 90 Kcal/m² · h · ⁰C. Kupfer ist ein besonders brauchbarer Werkstoff, aber auch andere Stoffe, wie Aluminium, Nickel, Messing, Zink, Stahl, und verschiedene Legierungen kommen in Betracht.

Die Verbindung jedes Elementes 13 mit seiner

Grund- oder Basisfläche, im besonderen Fall mit der Außenwand des Rohres, an dem es befestigt ist, sollte mindestens so groß sein wie der Querschnitt des Elementes. Die Verbindung kann durch Schweißen, Löten oder irgendeine andere Art, die einen guten Wärmeübergang gewährleistet, erfolgen.

Die Anordnung der Rohre und der zugehörigen Wärmeübertragungselemente kann verschieden sein; als besonders zweckmäßig hat sich die Anordnung nach den Fig. 3 bis 6 erwiesen. Wie dort gezeigt ist, bestehen die Wärmeübertragungsflächen aus einer Mehrzahl von Lagen 14 aus Rohren mit wärmeübertragenden, an den Rohren befestigten Elementen; die Rohranordnung ist Serpentinen- oder schlangenförmig. Im Beispielsfalle ist die Anordnung in drei Gruppen von Serpentinenwindungen aufgeteilt; jede dieser Gruppen besitzt ihre eigenen Wärmeübertragungselemente 13. Jede Gruppe kann als wärmeabsorbierende »Matte« 15 aufgefaßt werden; die Gesamtheit dieser »Matten« bildet einen wärmeabsorbierenden Schirm, der sich quer durch. die Rauchgasführung erstreckt.

Die Elemente 13 jeder »Matte« bestehen aus einem kontinuierlich verlaufenden Draht von einem Querschnitt, der zwischen den vorgeschriebenen Grenzen von 3 bis 50 mm² liegt und der gewählt ist nach den Gesichtspunkten der erforderlichen mechanischen Festigkeit, der Gastemperaturen und der Möglichkeit der Befreiung von Ruß- und Schmutzablagerungen. In keinem Falle sollte der Querschnitt der Elemente 50 mm² überschreiten, da Drähte oder Stäbe größeren Flächenquerschnitts keine Vorteile in bezug auf die Wärmeübertragung bieten, insbesondere bei Anwendung an Rohren von geringerem Durchmesser, wie sie bei Dampfkesseln, beispielsweise Zwangumlaufkesseln, Verwendung finden.

Es wurde gefunden, daß die gesamte, durch die Elemente gebildete, den Gasen ausgesetzte Fläche nicht kleiner als 50 m² und nicht mehr als 200 m² pro Kubikmeter dieses Durchzugsraumes sein soll und daß das Gesamtvolumen des die Wärme übertragenden Elemente enthaltenden Teiles des Kanals zwischen vier- und zwanzigmal größer ist als das Gesamtvolumen, das der vergrößerten Fläche, welche die Wärme übertragenden Elemente bilden, entspricht.

Ferner wurde gefunden, daß die projizierte Fläche der Länge der Wand oder der Rohre, auf welche die Elemente montiert sind, zwischen drei- und sechzehnmal und vorzugsweise zwischen fünf- und zehnmal kleiner ist als die gesamte Fläche sämtlicher vorstehender Teile der Wärme übertragenden Elemente, so daß die Elemente hauptsächlich die primären Wärmeaustauschflächen bilden, welche mit dem Wärmeaustauschmittel in Berührung sind, das durch den die Elemente einschließenden Kanal strömt. Es ist hervorzuheben, daß diese projizierte Fläche im Falle der Verwendung eines Rohres das Produkt aus dem Rohrdurchmesser und der Rohrlänge ist und daß diese Fläche die Verbindungsstellen sämtlicher Elemente mit der Wand einschließen und sich über die äußersten Verbindungsstellen hinaus um eine Entfernung erstrecken soll, die der halben Entfernung zwischen benachbarten Verbindungsstellen entspricht, da bei dieser Fläche die Wärmeübertragung durch alle Elemente auf die Wand dieselbe ist.

Bei Verwendung von Drähten als wärmeübertragende Elemente wird der Draht über die Schenkel der Rohrwindungen in langgestreckten Schleifen gewunden; sodann wird ein Schenkel jeder zweiten

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Schleife gegen die die Rohrachse einschließende Mittelebene und über die Rohre gebogen; gleichzeitig erhalten die übrigen Schleifen an den anderen Schenkeln eine ähnliche Formgebung, so daß sich ein Aggregat von versetzt zueinander liegenden Elementen ergibt, wie in den Fig. 5 und 6 gezeigt; dadurch wird erreicht, daß die gesamte, durch die Elemente 13 gebildete Fläche sich quer oder senkrecht zur Richtung des Gasstromes erstreckt. Das Ausmaß der Einbiegungen der Schleifen-Schenkel ist so, daß die Entfernung zwischen den gestreckten, undeformierten Schenkeln der Schleifen gleichmäßig geteilt wird durch die deformierten Schenkel. Dies ist besonders aus den Fig. 5 und 6 klar zu ersehen. Der eine (in Fig. S obere) Schenkel einer Schleife ist gestreckt, der zugehörige und gegenüberliegende andere Schenkel derselben Schleife ist um die Rohre 12 herum nach innen gegen die Mittelebene durch die Rohrachsen gebogen; bei der nächstbenachbarten Schleife ist es umgekehrt; bei dieser ist der untere Schenkel gestreckt und der obere nach innen gebogen; dadurch ergibt sich das Bild der Fig. 5.

In den Fig. 7 und 8 ist ein Beispiel der Verwendung des Erfindungsgedankens zur Rückgewinnung von bisher verlustiggegangener Wärme gezeigt. Durch diese Rückgewinnung wird eine erhebliche Steigerung des Wirkungsgrades von schon im Betrieb stehenden Dampfkesseln erzielt. Der Kessel ist in Fig. 7 schematisch mit 16 bezeichnet. Zur Verwendung gelangt ein erfindungsgemäßes Aggregat 17, das zwischen dem Rauchgasauslaß des Kessels und dem Kamin 18 eingebaut ist. Um den Anschluß zu ermöglichen, ist ein T-förmiges Verbindungsstück 19 für die Herstellung der Verbindung zwischen dem Kessel und dem Kamin vorgesehen, ferner ein Kniestück 20, das den Anschluß an den Kamin bildet.

Das erfindungsgemäße Aggregat 17 befindet sich zwischen den Gliedern 19 und 20 und enthält einen Rauchgasführungsschacht 21, der durch Wasserschächte 22 an zwei gegenüberliegenden Seiten und durch Platten 23 an den beiden anderen gegenüberliegenden Seiten gebildet wird. Die Wasserführungen 22 sind an ihren Enden durch Kammern 24 verbunden, die bei 25 (oben) und 26 (unten) an die Wasserführungen 22 angeschlossen sind. In dem Rauchgasdurchgangsschacht 21 befinden sich zwischen den Innenwandungen 27 Wärmeübertragungselemente 28. Diese erstrecken sich quer zur Richtung des Rauchgasstromes, bestehend aus Kupferdraht von einem Durchmesser zwischen 2 und 8 mm, und sind über Sammelstäbe 30 gewunden.

Die Elemente sind an den erwähnten Stäben 30 und mit den Innenflächen der Wände 27 der Wasserführungen durch Schweißen, Löten oder auf andere Art in gut wärmeleitender Verbindung; das gesamte Volumen der wärmeübertragenden EIemente liegt zwischen 5 und 25% (5%. und 25 °/o) des Gesamtvolumens des Rauchgasdurchgangsschachtes 21. Versuche haben gezeigt, daß dieses Verhältnis besonders geeignet ist für die Verwirklichung des Erfindungszweckes unter Berücksichtigung aller Faktoren, die das Ausmaß der in den Rauchgasdurchgangsschacht von gegebenem Volumen eingebauten Wärmeübertragungselemente bestimmen, wie Zugänglichkeit zwecks Reinigung, Aufrechterhaltung eines gleichförmigen Gasstromes usw. Die vereinigte Fläche der den Gasen ausgesetzten Elemente ist zwischen drei- und sechzehnmal größer als die überstehende Fläche der Wände 27; dieses Verhältnis ist aus den gleichen Überlegungen gewählt, die zur Festlegung des obengenannten volumetrischen Verhältnisses geführt haben.

Um die wärmeübertragenden Elemente zum Zwecke der Reinigung zugänglich zu machen, sind abnehmbare Deckel 31 in dem T-Stück 19 wie in dem Kniestück 20 vorgesehen. Durch Entfernung dieser Deckel können Reinigungsbürsten oder Rußbesen oder sonstige geeignete Mittel zur Anwendung gebracht werden, um angesammelten Ruß und Schmutz von den Elementen 28 zu entfernen.

Ferner sind an den Anschlußöffnungen der Teile 19 und 20 Regelorgane, wie Klappen 32 od. dgl., vorgesehen, durch welche der Gasstrom durch das erfindungsgemäße Aggregat oder hinter dasselbe geleitet werden kann.

Die Resultate von Versuchen, die mit einem Aggregat gemäß den Fig. 7 und 8 über eine Zeitspanne von 4 Monaten durchgeführt wurden, sind in Fig. 9 graphisch zur Darstellung gebracht.

In Fig. 9 bezeichnet η den Wirkungsgrad des Heizkessels, D die erzielte Brennstoffersparnis, W die ausgenutzte Wärmemenge. Aus der Kurve A, die den Wirkungsgrad des fraglichen Kessels ohne Verwendung von einem erfindungsgemäßen Aggregat zeigt, geht hervor, daß der Wirkungsgrad bei steigender Belastung abnimmt. Der Wirkungsgrad betrug bei der während der Versuchsperiode von 5 Monaten vorherrschenden Belastung, die durch die Linie B-B angedeutet ist, weniger als 50%. Während derselben Zeitspanne und unter identischen Bedingungen ergab der gleiche Kessel nach Einbau eines erfindungsgemäßen Aggregates 17 einen Wirkungsgrad, der aus der Kurve C hervorgeht; dieser betrug bei der gleichen Belastung 80%. Dies ergibt unter den herrschenden Bedingungen eine Brennstoffersparnis von 40%, wie durch die Kurve D angedeutet. Die Kurven C und D sind selbstverständlich unabhängig voneinander.

Die Durchschnittstemperatur der in das erfindungsgemäße Aggregat 17 eintretenden Einheit während dieser Versuche betrug 450⁰ C; beim Verlassen der Einheit, d. h. beim Eintritt in den Kamin, hatten die Rauchgase nur 120⁰ C.

Wie in Fig. 12 zur Darstellung gebracht, gestattet die erfindungsgemäße Anordnung auch eine Verbesserung der Ausnutzung von strahlender Wärme wie in Feuerungen. Zur Erreichung dieses Zieles nutzt die Erfindung die Erkenntnis von dem verhältnismäßig großen Unterschied der Wärmeübertragungszahlen aus, der herrscht, wenn die eine Seite der Wand direkt der strahlenden Wärme des Feuerungsbettes ausgesetzt ist, während an

der anderen Wand die zu erhitzende Luft vorbeistreicht.

Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist die Wandung 33 direkt der von der Feuerungszone 34 ausgestrahlten Wärme unterworfen. Diese Wand arbeitet in Wechselwirkung mit einer Außenhaut 35 und Stirnwandungen 36 (von denen nur eine in der Figur sichtbar ist); die Wandungen 35 und 36 bilden zusammen einen Luftdurchgangsschacht, der durch einen Einlaß 37 mit Luft beschickt wird und aus welchem die erwärmte Luft bei 38 abzieht. Die Außenhaut 35 ist zweckmäßig mit einem Isolationsmantel 39 versehen.

Innerhalb des Luftdurchgangsschachtes befinden sich in Serpentinen- oder schlangenförmiger Anordnung Wärmeübertragungselemente 40, die an der Innenwand 33 durch Schweißen, Löten oder auf andere einen guten Wärmeübergang gewährleistende Art verbunden sind und die mit der Außenhaut 35 nicht in Berührung stehen.

Durch geeignete Bemessung der Wärme übertragenden Elemente 40 kann das Ausmaß der Wärmeübertragung zwischen der zu erwärmenden Luft und den wärmenden Oberflächen bis zu einem Maße gesteigert werden, welches sich dem erreichbaren Maximum der Wärmeübertragung zwischen der Strahlungswärme und der Wandung 33 nähert. In diesem Falle sind die Wärmestrahlen das Medium mit hoher Wärmeübertragungszahl, während die zu erwärmende Luft das Medium mit niedriger Wärmeübertragungszahl darstellt. Zu beachten ist, daß hier die Verhältnisse nicht die gleichen sind als in dem Fall, in welchem die Wand Medien mit im wesentlichen gleichen Wärmeübertragungszahlen trennt.

Die Fig. 13 und 14 zeigen die Anwendung der Erfindung an einem Ölvorwärmer. In diesem Falle ist das Öl das Medium mit niedriger Wärmeübertragungszahl; das heizende Medium ist kondensierender Dampf, der in das Gerät durch eine zentrale Leitung 41 einströmt, darin entlangstreicht und in einen Ringkanal 42 mündet, der begrenzt wird durch die Wandung der zentralen Leitung 41 und ein äußeres Rohr 43. Beide Enden dieses Rohres sind geschlossen; durch eine Abzweigung 44 fließt das Kondensat ab.

Die aus der zentralen Leitung 41 und dem äußeren Rohr 43 bestehende Einheit ragt in einen zylindrischen Mantel 45, der an einem Ende durch eine Wand 46, am entgegengesetzten Ende durch eine Platte 47 geschlossen ist.

Der Ringraum zwischen dem Rohr 43 und dem Außenmantel 45 bildet den Durchgangsquerschnitt für das zu erwärmende öl; letzteres tritt durch ein Einlaßrohr 48 ein und durch ein Auslaßrohr 49 aus. In diesem Ringraum sind wärmeübertragende Elemente 50 vorgesehen; diese sind an dem Rohr 43 in einer eine gute Wärmeübertragung gewährleistenden Weise befestigt, stehen aber außer Berührung mit dem zylindrischen Außenmantel 45. Die Elemente 50 sind Serpentinen- oder schlangenförmig aus schwerem Draht gebildet und radial um das Rohr 43 herum angeordnet, wie aus Fig. 14 ersichtlich; sie sind, wie ebenfalls diese Figur zeigt, derart gekrümmt (aus der radialen Richtung gebogen), daß sich zwischen ihnen wesentlich gleichförmige Zwischenräume ergeben (wäre die Krümmung nicht vorgesehen, so würde der Zwischenraum zwischen zwei Elementen von innen nach außen größer werden). Diese Anordnung erleichtert auch die Reinigung der Elemente; durch die abnehmbaren Abschlußwände 46 wird die Reinigung von Anschlußwerkzeugen ermöglicht.

Claims (10)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Wärmeaustauscher für zwei strömende Wärmeaustauschmittel, welche durch zwei durch eine gemeinsame Wand getrennte Kanäle strömen, wobei diese Wand mit gut wärmeleitenden, sich von ihr aus in den Weg des Wärmeaustauschmittels mit der niedrigeren Wärmeübergangszahl erstreckenden drahtförmigen Wärmeübertragungselementen versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß diese Wärmeübertragungselemente je von einer Länge sind, die gleich oder größer ist als der kleinere der Werte A oder B, wobei A eine Länge ist, bei welcher das Produkt aus der Wärmeübergangszahl des durch den die drahtförmigen Wärmeübertragungsmittel aufnehmenden Kanal go strömenden Mittels und der gesamten Oberfläche der in diesem Kanal enthaltenen Wärmeübertragungselemente gleich ist dem durch einen Faktor zwischen 8 und 40 geteilten Produkt aus der Wärmeübergangszahl des durch den anderen Kanal strömenden Mediums und der inneren Oberfläche dieses Kanals, und B eine Länge ist, welche dem Zehnfachen der Quadratwurzel des Drahtquerschnittes entspricht, und daß die Länge der Wärmeübertragungselemente nicht größer ist als diejenige Länge, bei welcher der nach der Formel

   η·1 e^2nl + ι

   η =

   λ-f

   ist, bestimmte Wirkungsgrad der Wärmeleitfähigkeit jedes Wärmeübertragungselementes kleiner ist als 60% der theoretisch möglichen Wärmeübertragung, wobei in obiger Formel die untenstehenden Bezeichnungen folgendes bedeuten: α = die Wärmeübergangszahl des Wärmeübertragungsmittels, das über die Elemente streicht,

   λ = die Wärmeleitzahl der Elemente, e = die Basis der natürlichen Logarithmen

   = 2,718,

   F = den Umfang der Elemente in Metern, f = den Elementenquerschnitt in Quadratmetern,

   / = die Länge des Wärmeleitweges in einem Element in Metern,

   und daß die projizierte Fläche des Stückes der Rohre, auf welchem die Wärmeübertragungselemente montiert sind, zwischen drei- und sechzehnmal kleiner ist als die gesamte Fläche sämtlicher vorstehender Teile der Wärmeübertragungselemente, so daß die Wärmeübertragungselemente hauptsächlich die Wärmeaustauschflächen bilden, welche mit dem Wärmeaustauschmittel in Berührung sind, das durch

   ίο den die Wärmeübertragungselemente einschließenden Kanal strömt, oder daß das Gesamtvolumen des die Wärmeübertragungselemente enthaltenden Teiles des Kanals zwischen vier und zwanzigmal größer ist als das Gesamtvolumen der Wärmeübertragungselemente.
2. 2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Wärme übertragenden Elemente so gewählt ist, daß das Produkt aus der Wärmeübergangszahl der

   ao Rauchgase und der gesamten Oberfläche der den Rauchgasen ausgesetzten Drahtelemente gleich ist dem Wert, der erhalten wird, wenn das Produkt aus der Wärmeübergangszahl des Wärmeaustauschmittels des Kessels und der inneren Oberfläche der Teile der Rohre, entlang denen die Drähte befestigt sind, mit einem Faktor dividiert wird, der zwischen 16 und 24 liegt.
3. 3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der vorstehenden Teile der Wärmeaustauschelemente nicht größer ist als diejenige, bei welcher der Wirkungsgrad ihrer Wärmeleitfähigkeit kleiner ist als 75 °/o der theoretisch möglichen Wärmeübertragung in Fällen, wo die Temperatur, welcher die Elemente ausgesetzt werden, 6oo° C oder größer ist, und kleiner als 6o^fl/o der theoretisch möglichen Wärmeübertragung bei Temperaturen unter 6oo° C.
4. 4. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme übertragenden Elemente eine Wärmeleitzahl nicht unter 90 Kcal/h ■ m · ⁰C haben.
5. 5. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme übertragenden Elemente auf die ganze Länge einen praktisch gleichförmigen Querschnitt von zwischen 3 und 50 mm² haben.
6. 6. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme übertragenden Elemente kreisrunden Querschnitt oder eine von der kreisrunden abweichende regelmäßige Querschnittsform besitzen, deren größte Dimension nicht größer ist als das Dreifache der kleinsten.
7. 7. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gesamtvolumen desjenigen Teiles des die Wärme übertragenden Elemente enthaltenden Kanals derart gewählt ist, daß jeder Kubikmeter des genannten Gesamtvolumens zwischen 50 und 200 m² der gesamten vergrößerten Fläche, welche die Wärme übertragenden Elemente bilden, entspricht.
8. 8. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme übertragenden Elemente auf ihre ganze Länge in praktisch gleicher Entfernung voneinander angebracht sind und daß sie quer über den Kanal, in dem sie sich befinden, gleichmäßig verteilt sind.
9. 9. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtfläche der Verbindungen sämtlicher Wärme übertragender Elemente mit der Wand oder den Rohren mindestens 10% der Gesamtfläche der genannten Wand oder Rohre beträgt.
10. 10. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zu beiden Seiten der Mittelebene durch die Rohre und durch die Hauptachse der Schleifen jeder zweite Schleifenschenkel die Rohre tangierend im wesentlichen gestreckt verläuft, während die anderen Schleifenschenkel teilweise um die Rohre, in enger Berührung mit diesen, gebogen sind, derart, daß die ersterwähnten Schleifenschenkel und die zwischen den Krümmungen um die Rohre gestreckten Teile der letzterwähnten Schleifenschenkel beiderseits der Mittelebene parallel in gleichen Abständen zueinander und zur Mittelebene verlaufen.

    In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 200619, 159624; französische Patentschrift Nr. 788 410; britische Patentschriften Nr. 440 688, 342 425; A. Loschge, »Die Dampfkessel«, Verlag Julius Springer, 1937, S. 262, Abb. 212;

    Mitteilungen der Vereinigung der Großkesselbesitzer, 1948, Heft i, Abb. 13.

    Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

    © 109 765/5 1.62