DE975075C - Waermeaustauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Wärmeaustauscher für den Wärmeaustausch zwischen festen Körpern und strömenden, insbesondere flüssigen oder gasförmigen Medien, die ein Wärmeaustauschelement enthalten, welches aus einem Parallelgitter aus flachen Wärmeaustauschkörpern besteht. Sie verfolgt das Ziel, eine maximale Wärmeausbeute bei minimaler Verlustleistung im Wärmeaustauscher zu ermöglichen.

Zu diesem Zweck werden eine Bemessungsvorschrift für die Ausbildung des Wärmeaustauschelementes im engeren Sinne und Regeln für die Gestaltung der die Strömung in dem gesamten Wärmeaustauscher beeinflussenden Teile angegeben.

Es sind Wärmeaustauscher unter Berücksichtigung der Strömungsverhältnisse ausgeführt worden mit dem Ziel, die Reibungsverluste gering zu halten. Im allgemeinen hat man sich dabei auf die aerodynamisch einwandfreie Ausbildung nur einzelner Bestandteile des Gesamtwärmeaustauschers beschränkt. Gemäß einem älteren, jedoch nicht vorveröffentlichten Vorschlag ist bereits vorgesehen, Wärmeaustauscher in der Gesamtheit ihrer Teile aerodynamisch durchzubilden.

Gleichfalls bekannt sind Wärmeaustauscher, bei denen in Strömungsrichtung kurze Wärmeaustauschkörper zur Erhöhung des spezifischen Wärmeübergangs verwendet werden. Diese Ausführungen werden jedoch einerseits im allgemeinen nicht bis zum letzten Bestandteil der Stromführung aerodynamisch einwandfrei durchgebildet, zum anderen ist für diese Ausführung keine eine optimale Gestaltung ermöglichende Bemessungsvorschrift für das Spaltverhältnis (Tiefe zu Weite der durch die Wärmeaustauschkörper gebildeten Spalte) bekannt. Auf Grund einer ungenügenden aerodynamischen Durchbildung der Stromführung, eines ungeeigneten Spalt-

109 631/3

Verhältnisses oder auch einer großen Tiefe der Wärmeaustauschkörper wurden bisher bei Wärmeaustauschern dieser Art im spezifischen Wärmeübergang und in der Wärmeausbeute pro aufgewendete Leistungseinheit nur geringfügige Verbesserungen erzielt, die in keinem Verhältnis zum erforderlichen baulichen Aufwand standen. Nicht bekannt war vor allen Dingen bisher der Zusammenhang zwischen einem optimalen Spaltverhältnis und der aerodynamischen Durchbildung ίο der Gesamtstromführung.

Die Erfindung besteht in der Kombination von drei Gegenständen, der aerodynamisch einwandfreien Gesamtstromführung, dem optimalen Verhältnis von Tiefe zu Weite der durch die Wärmeaustauschkörper gebildeten Spalte und einer, in Strömungsrichtung gesehen, geringen Tiefe der Wärmeaustauschkörper, die alle drei gleichzeitig im vollen Umfang berücksichtigt sein müssen, um eine den erhöhten baulichen Aufwand rechtfertigende erhebliche Verbesserung des spezifischen Wärmeüberganges und der Wärmeausbeute pro aufgewendeter Leistungseinheit zu erzielen. Nach· der Erfindung ist also der Wärmeaustauscher mit einem Wärmeaustauschelement aus zu einem Parallelgitter angeordneten flachen Wärmeaustauschkörpern dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte zum Wärmeaustauscher gehörige Stromführung des die Wärmeaustauschkörper von außen beaufschlagenden Mittels in der aerodynamisch besten Weise ausgebildet ist, wobei Querschnittsverengungen düsenartig ausgerundet und Querschnittserweiterungen als verlustarme Diffusoren gestaltet werden, die Wärmeaustauschkörper und/oder deren Träger stromlinienförmige Querschnitte erhalten, daß die Wärmeaustauschkörper, in Strömungsrichtung gemessen, mit geringer Tiefe ausgebildet sind und daß die parallel nebeneinander angeordneten Wärmeaustauschkörper Spalte bilden, welche in ihrer Tiefe und Weite so bemessen sind, daß das Verhältnis Spalttiefe zu Spaltweite geteilt durch die Reynoldsche Zahl zwischen 0,002 und 0,04 liegt.

Zur Erläuterung der Erfindung dienen die nachfolgende Beschreibung und die Zeichnungen. Die Erfindung beschränkt sich aber nicht nur auf die als Erläuterungsbeispiele angegebenen Ausführungsformen; in ihrem Rahmen sind zahlreiche weitere Ausführungen möglich. Es zeigt

Fig. ι das idealisierte Grundschema der Anordnung der Wärmeaustauschkörper,

Fig. 2 den Längsschnitt einer Blechausführung eines Wärmeaustauschelementes mit der erfindungsgemäßen Anordnung der Wärmeaustauschkörper als Kurzrippen,

Fig. 3 einen Schnitt durch das Wärmeaustauschelement nach Fig. 2,

Fig. 4 die Seitenansicht einer Gußausführung eines Kurzrippenelementes,

Fig. 5 einen Schnitt durch das Kurzrippenelement nach Fig. 4,

Fig. 6 die Seitenansicht eines Kurzrippenelementes, bei dem die Rippen gleichzeitig als Umlenkprofile ausgebildet sind,

Fig. 7 einen Schnitt durch das Kurzrippenelement nach Fig. 6,

Fig. 8 einen Schnitt durch eine Blechrippe mit einer Aussparung für den Träger,

Fig. 9 die Draufsicht auf die Blechrippe nach Fig. 8,

Fig. 10 einen Schnitt durch eine Kurzrippe aus Dünnblech, ebenfalls mit einem Ausschnitt für den Träger,

Fig. 11 die Draufsicht auf die Kurzrippe nach Fig. io,

Fig. 12 einen Schnitt durch die Kurzrippe nach den Fig. 10 und 11,

Fig. 13 die Draufsicht auf'eine Innenheizfläche mit pyramidenförmigen, schachbrettartig angeordneten Warzen,

Fig. 14 einen Schnitt durch die Innenheizfläche nach Fig. 13,

Fig. 15 die Draufsicht auf eine verrippte Innenheizfläche und

Fig. 16 einen Schnitt gemäß der in der Fig. 15 eingetragenen Schnittlinie.

j Allen verschiedenen Ausführungsformen der Er-ί findung liegt das in Fig. 1 dargestellte Anordnungsschema des Wärmeaustauschers zugrunde. Die in der Fig. ι idealisiert dargestellten unendlich langen und dünnen Wärmeaustauschkörper 1 sind so angeordnet, daß sie ein Parallelgitter bilden und dabei Spalte von der Tiefe b und der Weite s einschließen.

Durch eine exakte theoretische Berechnung wurden für dieses Schema im Bereich der rein laminaren Anlaüfströmung etwa folgende qualitative Beziehungen gefunden.

0-rn —

■■■Ό_ b

= y = Funktion von

Darin ist:
kcal

= mittlere Wärmeübergangszahl, bezogen auf

ZlO0	(0C)	= Temperaturdifferenz: Heizfläche — eintretendes Strömungsmittel
C	(—)	= Konstante
[7	(m/s)	= mittlere Geschwindigkeit des Strömungsmittels im Spalt
δ	M	= Spalttiefe
S	(m)	= Spaltweite
	(—)	= s · -^- = Reynoldsche Zahl
ν	(ni2/s)	= kinematische Zähigkeit
	/ kcal Λ	= Wärmeausbeute pro Einheit
I N-h )

im Wärmeaustauscher

(°/o) = Verlustwiderstände, bezogen

auf die Geschwindigkeitsenergie im Spalt

Zur Vereinfachung und anschaulichen Erläuterung sei die Geschwindigkeit U des Strömungsmittels im Spalt als gegeben angenommen. Dann ist der Wärmeübergang nur noch von der Spalttiefe b abhängig und nimmt mit kleiner werdendem b zu.

Die allgemein für Wärmeaustauscher verwendeten Rippenrohre bestehen aus runden Heizrohren, welche sich im Zentrum von runden, rechteckigen oder spiralförmig aufgewickelten Rippen befinden. Die

ίο gesamte Rippentiefe entspricht etwa der Spalttiefe b vorstehender Formulierung und macht bei den kleinen Abmessungen etwa den dreifachen Rohrdurchmesser aus und beträgt als Minimum etwa 40 mm.

In den Fig. 2 und 3 sind die Wärmeaustauschkörper als Rippen 2 von geringer Tiefe auf die Stirnseiten der stromlinigen, als Hohlkörper ausgebildeten Träger 3 aufgesetzt. Die Träger 3 sind in das Endblech 6 eingeschweißt. Der Deckel 4 für das Wärmeaustauschelement ist durch einen Falz und die Lötung 5 mit dem Endblech 6 verbunden. Die Träger 3 sind aus Blechstreifen gebogen und am Ende verschweißt. In den Fig. 4 und 5 sind rippenförmige Wärmeaustauschkörper 9 von geringer Tiefe an den stromlinigen, als Träger dienenden Hohlkörper 7 vorn aufgesetzt. Eine besondere Innenverrippung 10 ist in der gezeichneten Lage im Bereich des schlechteren inneren Wärmeüberganges vorgesehen. Eine zweite Reihe von als Rippen dienenden Wärmeaustauschkörpern 8, die genau versetzt zur ersten Reihe von rippenförmigen Wärmeaustauschkörpern 9 angeordnet sind, ist gestrichelt dargestellt.

Erfindungsgemäß werden, wie die Fig. 3, 5 und 7 zeigen, als Rippen ausgebildete Wärmeaustauschkörper von sehr geringer Tiefe an der gegen die

3-5 Strömungsrichtung weisenden Stirnseite der das Heizmittel führenden Hohlkörper angeordnet. Bei dieser Anordnung bleibt die Stirnseite der Rippen mit dem Gebiet des größten Wärmeüberganges in der vollen Länge erhalten, und nur das Gebiet des geringen Wärme-Überganges wird durch die Hohlkörper beeinflußt.

Die Wärmeausbeute η _w wird nach Formel (2) außer

durch die gegebene Geschwindigkeit U besonders durch den Anteil der Verlustwiderstände V beeinflußt.

Für den Wärmeübergang kann lediglich die reine Wandreibung an den die Heizfläche bildenden Wärmeaustauschkörpern als nutzbar und unvermeidlich angesehen werden. Alle anderen Widerstände, wie Wandreibung an der außerhalb der Heizfläche liegenden Stromführung, Einzelwiderstände und nicht zurückgewonnene Geschwindigkeitsenergie, sind .für den Wärmeaustausch reine Verlustwiderstände und sollen so klein wie möglich gehalten werden. Die vorliegende Erfindung sieht hierzu folgende Mittel vor: 'Die als Rippen ausgebildeten Wärmeaustauschkörper, besonders die stärkeren bei Gußausführung, und die das Heizmittel führenden Hohlkörper erhalten Stromlinienform, Querschnittsverengungen werden düsenartig ausgerundet, Querschnittserweiterungen werden als Diffusoren, die die Geschwindigkeit weitgehend in Druck zurückverwandeln, ausgebildet, und bei erforderlichen Richtungsänderungen erhalten die als Rippen ausgebildeten Wärmeaustauschkörper oder deren Träger die Form von Umlenkgittern (Fig. 6 und 7). Die als schmale Stromlinienprofile ausgebildeten hohlen Rippenträger lassen große lichte Querschnitte frei und bilden mit ihren von Rippen unbesetzten Enden die gewünschten schlanken Diffusoren. Für die durch die vorstehenden Maßnahmen erreichten Verlustwiderstandswerte von weniger als

-τΓ = 0,002

■ Re

50°/_α haben die V-Werte zwischen

und 0,04 ein Maximum. Nach dieser Beziehung erfolgt die Dimensionierung der Spaltweite. Da für Gußausführung und hohe Geschwindigkeiten die erforderlichen engen Spaltweiten nicht gießbar sind, werden die Spalte so weit gemacht, wie gießtechnisch erforderlich. Da dann die Spalte zu weit sind, wird der Ausgleich dadurch erzielt, daß hinter der ersten Rippenreihe genau versetzt eine zweite Rippenreihe auf denselben Rippenträger angeordnet wird, wie sie in den Fig. 4 und 5 gestrichelt dargestellt ist.

Als vierter Faktor spielt die Temperatur der Heizfläche eine nicht zu unterschätzende Rolle. Für Wärmeaustauscher, bei denen auf geringsten Druckverlust größter Wert gelegt wird, werden starke Rippen von geringer Länge (also mit geringem Temperaturabfall) oder besser direkt beheizte Profilrohre verwendet, da bei diesen der Temperaturabf all vom Heizmittel zur Außenheizfläche nur sehr gering ist. Für normale Zwecke wird die billige Rippenheizfläche bevorzugt. Besonders bei dem vorstehend beschriebenen Kurzrippenelement mit den hohen Wärmeübergangswerten muß auch an der kleinen Innenheizfläche ein sehr großer Wärmeübergang stattfinden, der einen nennenswerten Temperaturabf all hervorruft.

Um diesen Temperaturabfall zu vermindern, wird die Innenheizfläche mit einer Verrippung, mit Warzen od. dgl. versehen, wie sie in den Fig. 13 bis 16 dargestellt sind. Diese haben nicht nur den Zweck, die innere Heizfläche zu vergrößern, sondern sollen besonders bei kondensierenden Heizmitteln die Wärmeübergangszahl erheblich erhöhen.

Bei kondensierenden Heizmitteln ist die Wärmeübergangszahl im wesentlichen von der Filmstärke des Kondensates abhängig. An einer senkrechten Wand gilt daher im oberen Bereich eine höhere Wärmeübergangszahl als im unteren.

Um dieses auszunutzen, werden die mit Rippen besetzten, Elemente bildenden Träger entweder waagerecht mit nach oben weisenden Rippen oder schräg nach vorn unten fallend angeordnet (Fig. 2). Auf diese Weise befinden sich die an der Stirnseite des Profils angeordneten Rippen im Bereich des höchsten inneren Wärmeüberganges.

Für die Blechausführung bringt die vorstehend beschriebene Kurzrippenanordnung nicht nur erheblich verbesserte Wärmeübergangszahlen, sondern auch die Möglichkeit zu einer sehr einfachen Herstellungsmethode.

Dazu werden die hohlen stromlinienförmigen Träger derart ausgebildet, daß sich an die Stirnrundung zwei schwach geneigte Keilflächen, die mit ausreichender Genauigkeit hergestellt sind, anschließen. Auf diese Keilflächen werden die mit entsprechenden Aussparungen 13 (Fig. 9) versehenen Rippen aufgepreßt, oder die Träger werden gleichzeitig in mehrere Rippen

eingepreßt, so daß sie in den Keilflächen eingeklemmt sitzen. Der übrigbleibende Rippensteg 12 (Fig. 8 und 9) muß die erforderliche Klemmkraft aufbringen und soll sich nicht plastisch verformen. Die Aussparung wird also derart dimensioniert, daß die Spannung im restlichen Rippensteg im elastischen Bereich bleibt. Dadurch wird außer dem nachhaltigen Festsitzen ein guter, bleibender Wärmekontakt gewährleistet. Dei Wärmekontakt und die Verbindung zwischen Rippe und Hohlträger können durch einen nachträglichen Metallüberzug (Verzinken) gesteigert werden. Um bei dünnen Rippen ein Ausknicken zu vermeiden und ein besseres Anpassen zu erreichen, werden die Aussparungen 13 mit einem Bördelrand 15 (Fig. 10 bis 12) versehen, dessen Umkantung um den Winkel 16 von 90⁰ abweicht, außerdem kann die Vorderkante der Rippe mit einer schwachen Sicke 14 versehen werden.

Um mit mäßigem Aufwand einen einwandfreien Korrosionsschutz der Innenflächen zu erreichen, werden die Hohlträger des fertigen Heizelementes in vorgestanzte und vorgefalzte Seitenbleche eingeschweißt bzw. eingelötet und dann insbesondere innen mit einem Metallüberzug versehen (verzinkt). Das

Innere der Hohlträger ist dabei noch gut zugänglich. Anschließend wird der fertige, mit Anschlüssen versehene Deckel aufgesetzt, emgefalzt und weich dichtgelötet, wie Fig. 2 zeigt.
Die vorstehend für das Aufheizen eines Strömungsmittels angegebene Beschreibung gilt sinngemäß auch für das Abkühlen.

Claims (8)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Wärmeaustauscher mit einem Wärmeaustauschelement, welches aus einem Parallelgitter aus

flachen Wärmeaustauschkörpern besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte zum Wärmeaustauscher gehörige Stromführung des die Wärmeaustauschkörper von außen beaufschlagenden

Mittels in der aerodynamisch besten Weise ausgebildet ist, wobei Querschnittsverengungen düsenartig ausgerundet und Querschnittserweiterungen als verlustarme Diffusoren gestaltet werden, die Wärmeaustauschkörper und/oder deren Träger

stromlinienförmige Querschnitte erhalten, daß die Wärmeaustauschkörper, in Strömungsrichtung gemessen, mit geringer Tiefe ausgebildet sind und daß die parallel nebeneinander angeordneten Wärmeaustauschkörper Spalte bilden, welche in ihrer

Tiefe (δ) und Weite (s) so bemessen sind, daß das Verhältnis Spalttiefe zu Spaltweite geteilt durch die Reynoldsche Zahl zwischen 0,002 und 0,04 liegt.

2. Wärmeaustauscher gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in Strömungsrichtung gemessene Tiefe (δ) der Wärmeaustausch- körper bei Ausführung der Wärmeaustauschkörper in Blech unter 40 mm, in Guß unter 60 mm ausgeführt ist.

3. Wärmeaustauscher gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Richtungsänderungen in der Stromführung des die Wärmeaustauschkörper beaufschlagenden Mediums die Wärmeaustauschkörper oder deren Träger ein gewölbtes Tragflügelprofil in der Art der Umlenkgitter von Windkanälen oder Turbinen besitzen.

4. Wärmeaustauscher gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die als Rippen ausgebildeten Wärmeaustauschkörper an der Stirnseite der Träger angebracht sind, wobei die Träger sowohl einzeln mit Rippen als auch mehrere nebeneinanderliegende Träger mit durchlaufenden Rippen versehen sind.

5. Wärmeaustauscher gemäß einem der Ansprüche ι bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei dampfbeheizten Trägern der Wärmeaustauschkörper die von Dampf beaufschlagte innere Heizfläche mit Rippen, Warzen od. dgl. versehen ist.

6. Wärmeaustauscher gemäß einem der Ansprüche ι bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dampfbeheizten Träger von Wärmeaustauschkörpern in einem Winkel zur Vertikalen eingebaut sind (Fig. 2).

7. Wärmeaustauscher gemäß einem der Ansprüche ι bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in vorgestanzte Seitenbleche eingeschweißte oder eingelötete hohle Wärmeaustauschkörper oder deren Träger innen und außen mit einem Metallüberzug versehen sind und daß auf die Seitenbleche ein fertiger, mit Anschlüssen versehener Deckel weich aufgelötet ist, wobei die mechanische Festigkeit der Lötung durch Falzen oder Nietung erhöht wird.

8. Wärmeaustauscher gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausführungen in Guß auf den Trägern der Wärmeaustauschkörper hinter der ersten Reihe von Wärmeaustauschkörpern eine zweite Reihe derart angeordnet wird, daß sie genau versetzt zu der ersten steht (Fig. 4 und 5).

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 745 680, 694 483, 648, 596 871, 400 363, 193 204, 165 105;

schweizerische Patentschriften Nr. 262 650, 243 694, 181347;

Heinrich D üb bei, Taschenbuch für den Maschinenbau, Band II, 1943, S. 264;

Taschenbuch Hütte, 2. Band, 27. Auflage, S. 385.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 609656/338 9.56 (109 631/3 7.61)