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Wärmeaustauscher, insbesondere für Flüssigkeiten.
Die Erfindung betrifft Wärmeaustauscher, insbesondere für Flüssigkeiten, bei denen die Flüssigkeiten, zwischen denen der Wärmeaustausch stattfinden soll, zu beiden Seiten von wärmeleitenden Austauschfläehen, die eine grosse Oberfläche besitzen, fliessen.
Bei den gebräuchlichen Wärmeaustauschern gewöhnlicher Bauart versucht man einen möglichst grossen Nutzeffekt dadurch zu erzielen, dass man die Flüssigkeiten mit grösstmöglicher Geschwindigkeit
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Kraftaufwand benötigt wird, um die Fliessgeschwindigkeit aufrechtzuerhalten. Als weiteres Mittel, den Wärmeaustausch zu verbessern, wurden Stosswände oder andere Hindernisse im Flüssigkeitsstrom angeordnet, oder es wurde die Fliessrichtung häufig gewechselt. Alle diese Hilfsmittel tragen aber ebenfalls zu der Erhöhung des Kraftbedarf im Betriebe bei.
Es sind Wärmeaustauscher bekannt, bei denen durch eine in einem Gehäuse angeordnete, mit Zick-Zack-Wellungen versehene Austauschfläche mit den Gehäusewänden Kammern gebildet werden, die durch zwischen den Wellenköpfen und den Gehäusewänden befindliche verengte Durchlässe verbunden sind. In diesen Kammern findet beim Durchfliessen des dem Wärmeaustausch unterworfenen Mittels eine Stauung und eine Wirbelung desselben statt.
Den Gegenstand der Erfindung bildet nun eine Wärmeaustauseher, bei dem diese Nachteile vermieden und der Kraftbedarf gegenüber dem der bekannten Einrichtungen verhältnismässig klein gehalten ist, da die heisse und die kalte Flüssigkeit mit sehr kleinem Druckgefälle bei äusserst günstigem Nutzeffekt des Wärmeaustausches die Vorrichtung durchläuft. Man erzielt also mit dem erfindungsgemässen Wärmeaustauscher einen sehr guten Wärmeaustausch schon bei verhältnismässig geringer Länge der von den Flüssigkeiten durchflossenen Strecken und infolgedessen ist auch nur ein kleiner Druckabfall zwischen Ein-und Auslass der Vorrichtung vorhanden.
Zu diesem Zwecke sind die dem Wärmeaustausch dienenden Flächen bzw. Begrenzungswände mit Wellungen versehen, die jeweils aus einem in der Durchströmrichtung sieh erstreckenden, im wesentlichen ebenen Bodenteil und aus beiderseits an ihn anschliessenden, zu ihm geneigten Seitenwandungen bestehen, derart, dass je zwei benachbarte Wände zusammen eine Anzahl sich in der Durchströmrichtung erstreckende Kammern mit sie verbindenden düsenartigen Durchlässen bilden. Durch die Form der Wellungen sind die Achsen der Durchlässe zu den Bodenteilen der Kammern geneigt, was zur Folge hat, dass die durchströmende Flüssigkeit in Form von Strahlen gegen die Bodenteile der Kammern gerichtet wird.
Diese verengten Durchlässe sind düsenartig ausgebildet, wodurch der Druckverlust beim Übertreten der Flüssigkeit von einer Kammer in die andere auf ein Mindestmass beschränkt wird.
Weitere wichtige Einzelheiten der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung hervor.
Die Erfindung, zusammen mit den oben erwähnten Ausführungsformen, soll nun an Hand der Zeichnung erläutert werden. Die dort dargestellten Wärmeaustauscher können bequem gereinigt werden, was besonders wichtig ist, wenn man es mit Getränken, z. B. Milch oder Bier, zu tun hat. Die Erfindungsmassnahmen können aber selbstverständlich ebensogut auf andere Ausführungsformen, bei denen solche Anordnungen nicht unbedingt notwendig sind, wie z. B. bei Dampfkondensatoren od. dgl., Anwendung finden.
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formen. Fig. 10 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform, bei der Rahmenstück und Platte verbunden sind. Fig. 11 zeigt eine Ausbildung, bei der Gussplatten verwendet sind. Die Fig. 12 und 13 zeigen Querschnitte von abgeänderten Formen der Wärmeaustausehplatten.
Das Rahmenstück 1 (Fig. 1) besitzt auf beiden Seiten eine durchlaufende Nut, in die zusammen- pressbare Dichtungen, z. B. Gummiringe 2, eingelegt sind. Das Rahmenstück bildet für die eine
Flüssigkeit Ein- und Ausströmöffnungen 3 und 4, während für die zweite Flüssigkeit besondere-C-ber- brückungsdurehlässe 5 und 6 angeordnet sind. Quer durch die Ein- und Auslassöffnungen sind Stützgitter 7 für die Platte 8 vorgesehen, um zu verhindern, dass der Flüssigkeitsdruck die dünnen Platten 8 verbiegt und ein Auslaufen der Flüssigkeit verursacht. Das Rahmenglied trägt Ansätze 9, mittels welcher eine Anzahl von Rahmenstücken und Platten, z. B. durch Bolzen, zu einer Einheit zusammen- geschraubt werden können.
Die Platte 8 (Fig. 3) besteht aus dünnem Metall, z. B. Kupfer, verzinntem Kupfer, rostfreiem Stahl usw., je nach der Natur und den Eigenschaften der durchlaufenden Flüssigkeiten. Sie hat einen
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Platten einen Querschnitt haben, wie er in Fig. 4 dargestellt ist. Die Form einer Rippe ist vergrössert in Fig. 6 gezeigt.
Die Rahmenstucke und Platten sind wechselweise aneinandergesetzt, wie dies Fig. 5 im Schnitt zeigt. Ihre Anzahl richtet sich nach der Menge der zu verarbeitenden Flüssigkeiten. Wie die Abbildungen zeigen, wird durch diese Aneinanderreihung eine Anzahl von Kammern 15 gebildet, von denen je zwei durch verengte halsartige"Durchlässe 16 miteinander verbunden sind.
Die eine Flüssigkeit, beispielsweise heisses Wasser, geht durch den einen Kammernsatz und die zugehörigen Durchlässe, wie es in Fig. 5 durch Pfeile H, W angedeutet ist, während die andere Flüssigkeit, beispielsweise Miieh, zweckmässig in entgegengesetzter Richtung den benachbarten Kammernsatz mit seinen Durchlässen durchfliesst. (In Fig. 5 durch Pfeile M bezeichnet.) Hiebei findet durch die Platten 8 ein Wärme- austausch zwischen den beiden Flüssigkeiten statt, die mit Hilfe der Gummidichtungen 2 voneinander vollkommen getrennt sind.
Sollte doch an den Öffnungen ein wenig Flüssigkeit austreten, so kann diese durch den kleinen Kanal 2 a (Fig. 1) abfliessen, der sich zwischen den Überbrüekungsdurehlässen und den Dichtungsmitteln des Rahmenstüekes befindet.
Um auch die den Aussenwänden des Austauschers unmittelbar benachbarten Platten so ausbilden zu können, wie es die Erfindung vorschreibt, müssen diese Aussenwände, zwischen denen die Platten und Rahmenstücke angeordnet sind, eine besondere Form haben. Die eine Aussenwand wird mit Rippen versehen, die in Form und Anordnung denjenigen der Platten entsprechen, und die andere mit Hohl- rippen, die den erhabenen Teilen der Hohlrippen der Platten gleichen, so dass zwischen den äussersten
Platten und den Aussenwänden ebenfalls die oben beschriebenen Kammern mit den sie verbindenden verengten Durchlässen entstehen. Unter gewissen Umständen ist nur die Verwendung einer einzigen
Platte 8 erforderlich. In diesem Falle arbeiten die Aussenwände unmittelbar mit der Platte zusammen und sind an den erforderlichen Stellen mit Rippen bzw.
Hohlrippen an ihren der Platte 8 zugewendeten
Oberflächen versehen. Wenn man indessen nur eine der Flüssigkeiten durch den Kammernsatz und die verengten Durchlässe schicken will, kann die Aussenwand oder Platte auf der der Wärmeaustausch- platte gegenüberliegenden Seite flach sein.
In den Fig. 5 und 6 sieht man, dass der Längsschnitt der halsartigen Durchlässe 16 dem einer Venturiröhre insoferne gleicht, als der Durchlass sich allmählich verengt und dann wieder erweitert.
Die Beziehung zwischen den verschiedenen Abmessungen einer Venturiröhre, d. h. das Verhältnis von
Verengung und Erweiterung zur Grösse des geringsten Durchmessers ist jedem Fachmann bekannt.
Es ist eine besondere Eigentümlichkeit der Venturiröhre, dass der Druekverlust einer sie durch- strömenden Flüssigkeit ein Minimum beträgt, so dass die Ausbildung der Durchlässe in dieser Weise viel dazu beiträgt, den Druckverlust der Flüssigkeiten im erfindungsgemässen Wärmeaustauscher äusserst klein halten zu können.
Es ist aber gemäss der Erfindung nicht notwendig, die Profile der Durchlässe 16 genau so wie die einer Venturiröhre auszubilden. Es genügt, wie Versuche gezeigt haben, vollkommen, dass die Formen der Durchlässe den Formen der Venturiröhre angenähert werden.
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Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform von Rahmenstück und Platte. In diesem Fall sind die Rippen in drei Gruppen angeordnet, und zwei vom Rahmenstück ausgehende Rippen 20 zwingen die Flüssigkeit auf ihrem Wege vom Ein-zum Auslass über alle drei Gruppen von Platten zu fliessen.
Auch hier können die Rippen durch Hohlrippen an den Platten ersetzt werden, wie dies mit Bezug auf Fig. 8 beschrieben wurde. Die Öffnungen 3 a, 4 a, 5 a und 6 a sind in der Richtung ihrer Längsachsen ebenso lang wie die Rippen 14 selbst, um eine gleichmässige Verteilung der Flüssigkeit über die Platten sicherzustellen und um den Druckverlust beim Zutritt zu und Abfluss von der Platte so weit als möglich zu verringern. Es ist klar, dass jede beliebige Anzahl solcher Gegenstromabteilungen vorgesehen sein kann.
Fig. 10 zeigt noch eine andere Form der Erfindung, gemäss der je ein Rahmenteil 2. 3 mit je einer Platte zusammengeschweisst oder auf andere Weise verbunden ist, so dass sie zusammen ein Stück bilden. Dadurch kann die Zahl der Gummipackungen auf die Hälfte vermindert werden, was unter gewissen Umständen von Vorteil ist. Auch kann das obere Rahmenstück 23 der Fig. 10 umgedreht und ebenfalls an der unteren Platte befestigt werden, so dass bei der einen Platte jede der beiden Seiten mit einem Rahmen verbunden ist, wogegen die folgende Platte keinen Rahmen trägt.
Ebenso kann das rinnenförmige Rahmenstüek 23 durch zwei parallele Flansche ersetzt werden, die auf der Platte befestigt sind und eine Rinne zur Aufnahme der Dichtung bilden, oder die Dichtung kann unmittelbar auf den Kanten der Platten fest angebracht oder angeklebt werden, wobei ein oder beide Flansche fortgelassen werden können. Diese Anordnung ermöglicht es, den Abstand der Platten weiterhin zu verkleinern.
Fig. 11 zeigt die Verwendung von Gussplatten bei Wärmeaustauschern gemäss der Erfindung, wobei sieh die Anwendung von Rahmenstücken erübrigt. Die Gussplatten 24 haben vorspringende Rippen 25 quer zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit, so dass, wenn die Platten aneinandergelegt werden, ebenso wie bei Ausführung nach Fig. 5, Kammern 15 entstehen, die durch annähernd venturiförmige Durchlässe. 16 verbunden sind. Die Anordnung dieser Rippen kann auf beiden Seiten der Platte eine verschiedene sein, z. B. können zusammenwirkende Rippen zweier benachbarter Platten so angebracht sein, dass die Kammern auf der einen Seite einer Platte andere Abmessungen haben wie die auf der andern Seite, oder die Fliessrichtungen auf beiden Seiten einer Platte brauchen nicht parallel zu verlaufen ; z.
B. können die Flüssigkeiten in einem rechten Winkel zueinander die Vorrichtung durchströmen, was durch entsprechende Anordnung der Rippen erzielt werden kann. Die Platten haben Einlass-, Auslass-und Überbrüekungsoffnungen, wie die vorhin beschriebenen Ausführungsformen.
Die Fig. 12 und 13 zeigen andere Formen der Hohlrippen. In Fig. 12 haben die Rippen einen
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sind die Platten so gestaltet, dass benachbarte Platten vena-kontraktartige Durchlässe bilden. In diesem Falle wird der aus dem Durchlass 28 austretende Flüssigkeitsstrahl gegen den Austauschplattenwandteil29 der folgenden Kammer treffen, gegen dessen andere Seite auch der aus dem Durchlass J kommende Strahl sich richtet, was einen guten Wärmeaustausch der beiden Flüssigkeiten bedingt und mit wenig Druckverlust verbunden ist.
Zweckmässig können die Wärmeaustauschplatten auch so hergestellt werden, dass einem Blech durch Biegen oder Falten über seine ganze Breite eine der Fig. 4 entsprechende Form gegeben wird, worauf dann Seitenplatten angelötet oder angeschweisst werden, welche die Enden 18 der Rippen 14 abschliessen, oder es werden die Kanten der Platten, die entweder wie oben beschrieben oder nach Fig. 3 geformt sind, umgebogen und an die folgende Platte gelötet oder geschweisst, um eine flüssigkeitsdichte Verbindung zu erhalten.
Überdies können in jeder der oben beschriebenen Anordnungen kleine zusätzliche Erhöhungen oder Ausprägungen an den Platten angebracht werden, die beispielsweise in Abständen voneinander längs der Seiten oder Enden der Rippen 14 angeordnet sind. Sie stehen mit der benachbarten Platte in Berührung und dienen dazu, die Platten im richtigen Abstand voneinanderzuhalten. Sie verhindern, dass sich die Platten bei einseitigem Überdruck verbiegen, was eine Änderung der Grösse der Durchlässe 16 zur Folge haben würde. Wenn diese Massnahme auf eine Vorrichtung, wie sie im letzten Absatz beschrieben wurde, angewendet wird, erübrigt es sich, besondere Rahmenstücke zu verwenden, um die Platten auseinanderzuhalten.
Es sei noch darauf verwiesen, dass die Wärmeaustauschflächen nicht, wie dargestellt, eben sein müssen, sondern auch eine andere Form, beispielsweise eine zylindrische oder konische, haben können.
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Heat exchangers, in particular for liquids.
The invention relates to heat exchangers, especially for liquids in which the liquids between which the heat exchange is to take place flow on both sides of heat-conducting exchange surfaces which have a large surface.
With the usual heat exchangers of conventional design, one tries to achieve the greatest possible efficiency by flowing the liquids at the greatest possible speed
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Force is needed to maintain the flow rate. As a further means of improving the heat exchange, bumpers or other obstacles were placed in the flow of liquid, or the direction of flow was frequently changed. However, all these aids also contribute to the increase in the power requirement in the company.
Heat exchangers are known in which chambers are formed with the housing walls by an exchange surface arranged in a housing and provided with zigzag corrugations, which chambers are connected by narrowed passages located between the shaft heads and the housing walls. In these chambers, when the medium subjected to the heat exchange flows through, a congestion and swirling of the same take place.
The subject of the invention is a heat exchanger in which these disadvantages are avoided and the power requirement is kept relatively small compared to that of the known devices, since the hot and cold liquid passes through the device with a very small pressure gradient with an extremely beneficial heat exchange effect. With the heat exchanger according to the invention, a very good heat exchange is achieved even with a relatively short length of the sections through which the liquids flow, and as a result there is only a small pressure drop between the inlet and outlet of the device.
For this purpose, the surfaces or boundary walls used for heat exchange are provided with corrugations, each consisting of an essentially flat bottom part extending in the flow direction and side walls adjoining it on both sides, inclined towards it, such that two adjacent walls each together form a number of chambers extending in the flow direction with nozzle-like passages connecting them. Due to the shape of the corrugations, the axes of the passages are inclined towards the bottom parts of the chambers, with the result that the liquid flowing through is directed in the form of jets against the bottom parts of the chambers.
These narrowed passages are designed like nozzles, so that the pressure loss when the liquid passes from one chamber to the other is limited to a minimum.
Further important details of the invention emerge from the following description.
The invention, together with the above-mentioned embodiments, will now be explained with reference to the drawing. The heat exchangers shown there can be easily cleaned, which is particularly important when you are dealing with beverages, e.g. B. milk or beer has to do. The inventive measures can of course just as well be applied to other embodiments in which such arrangements are not absolutely necessary, such as. B. od with steam condensers. Like. Find application.
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to shape. Fig. 10 shows a modified embodiment in which the frame piece and plate are connected. Fig. 11 shows an embodiment in which cast plates are used. Figs. 12 and 13 show cross sections of modified shapes of the heat exchanger plates.
The frame piece 1 (FIG. 1) has a continuous groove on both sides into which compressible seals, e.g. B. rubber rings 2 are inserted. The frame piece forms for one
Liquid inflow and outflow openings 3 and 4, while special C-bridging through-openings 5 and 6 are arranged for the second liquid. Support grids 7 for the plate 8 are provided across the inlet and outlet openings in order to prevent the liquid pressure from bending the thin plates 8 and causing the liquid to run out. The frame member carries lugs 9 by means of which a number of frame pieces and panels, e.g. B. by bolts, can be screwed together to form a unit.
The plate 8 (Fig. 3) is made of thin metal, e.g. Copper, tinned copper, stainless steel, etc., depending on the nature and properties of the fluids passing through. she has a
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Plates have a cross-section as shown in FIG. The shape of a rib is shown enlarged in FIG. 6.
The frame pieces and plates are alternately attached to one another, as FIG. 5 shows in section. Their number depends on the amount of liquids to be processed. As the figures show, this stringing together forms a number of chambers 15, two of which are connected to one another by narrowed, neck-like “passages 16”.
One liquid, for example hot water, goes through one set of chambers and the associated passages, as indicated in Fig. 5 by arrows H, W, while the other liquid, for example Miieh, expediently in the opposite direction through the adjacent set of chambers with its passages flows through. (Indicated by arrows M in FIG. 5.) Here, through the plates 8, there is an exchange of heat between the two liquids which are completely separated from one another with the aid of the rubber seals 2.
Should a little liquid emerge at the openings, it can flow out through the small channel 2a (Fig. 1), which is located between the bridging openings and the sealing means of the frame pieces.
In order to also be able to design the plates immediately adjacent to the outer walls of the exchanger as prescribed by the invention, these outer walls, between which the plates and frame pieces are arranged, must have a special shape. One outer wall is provided with ribs that correspond in shape and arrangement to those of the plates, and the other with hollow ribs that resemble the raised parts of the hollow ribs of the plates, so that between the outermost
Plates and the outer walls also create the above-described chambers with the narrowed passages connecting them. In certain circumstances it is only possible to use a single
Plate 8 required. In this case, the outer walls work directly with the plate and are provided with ribs or ribs at the required points.
Hollow ribs on their facing the plate 8
Provide surfaces. If, however, only one of the liquids is to be sent through the set of chambers and the narrowed passages, the outer wall or plate can be flat on the side opposite the heat exchange plate.
In FIGS. 5 and 6 it can be seen that the longitudinal section of the neck-like passages 16 resembles that of a Venturi tube in that the passage gradually narrows and then widens again.
The relationship between the various dimensions of a venturi tube; H. the ratio of
Narrowing and widening to the size of the smallest diameter is known to every person skilled in the art.
It is a particular peculiarity of the Venturi tube that the pressure loss of a liquid flowing through it is a minimum, so that the formation of the passages in this way contributes a lot to keeping the pressure loss of the liquids in the heat exchanger according to the invention extremely small.
According to the invention, however, it is not necessary to design the profiles of the passages 16 exactly like those of a Venturi tube. As experiments have shown, it is completely sufficient that the shapes of the passages are approximated to the shapes of the Venturi tube.
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Fig. 9 shows a further embodiment of the frame piece and plate. In this case the ribs are arranged in three groups, and two ribs 20 extending from the frame piece force the liquid to flow over all three groups of plates on its way from the inlet to the outlet.
Here, too, the ribs can be replaced by hollow ribs on the plates, as was described with reference to FIG. 8. The openings 3 a, 4 a, 5 a and 6 a are just as long in the direction of their longitudinal axes as the ribs 14 themselves, in order to ensure an even distribution of the liquid over the plates and to reduce the pressure loss when entering and leaving the plate as much as possible. It will be understood that any number of such countercurrent compartments can be provided.
FIG. 10 shows yet another form of the invention, according to which a frame part 2, 3 is welded together with a plate each or connected in some other way so that they together form one piece. This allows the number of rubber packings to be reduced by half, which is an advantage under certain circumstances. The upper frame piece 23 of FIG. 10 can also be turned over and also fastened to the lower plate, so that each of the two sides of one plate is connected to a frame, whereas the following plate does not carry a frame.
Likewise, the channel-shaped frame piece 23 can be replaced by two parallel flanges which are fastened to the plate and form a channel for receiving the seal, or the seal can be firmly attached or glued directly to the edges of the plates, one or both flanges being omitted can be. This arrangement makes it possible to further reduce the distance between the plates.
FIG. 11 shows the use of cast plates in heat exchangers according to the invention, the use of frame pieces being superfluous. The cast plates 24 have protruding ribs 25 transversely to the direction of flow of the liquid, so that when the plates are placed against one another, as in the embodiment according to FIG. 5, chambers 15 are created which are formed by approximately venturi-shaped passages. 16 are connected. The arrangement of these ribs can be different on either side of the plate, e.g. B. cooperating ribs of two adjacent plates can be attached so that the chambers on one side of a plate have different dimensions than those on the other side, or the flow directions on both sides of a plate need not run parallel; z.
B. the liquids can flow through the device at right angles to each other, which can be achieved by appropriate arrangement of the ribs. The plates have inlet, outlet and bridging openings, like the embodiments described above.
Figs. 12 and 13 show other shapes of the hollow ribs. In Fig. 12, the ribs have one
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the plates are designed in such a way that adjacent plates form vena-contract-like passages. In this case, the liquid jet emerging from the passage 28 will hit the exchange plate wall part 29 of the following chamber, against the other side of which the jet coming from the passage J will also be directed, which requires a good heat exchange between the two liquids and is associated with little pressure loss.
The heat exchange plates can also be expediently produced in such a way that a sheet metal is given a shape corresponding to FIG. 4 by bending or folding over its entire width, whereupon side plates are soldered or welded on, which close off the ends 18 of the ribs 14 or are the edges of the plates, which are either as described above or shaped according to FIG. 3, bent over and soldered or welded to the following plate in order to obtain a liquid-tight connection.
Moreover, in any of the arrangements described above, small additional protrusions or embossments can be made on the plates, which are arranged, for example, at a distance from one another along the sides or ends of the ribs 14. They are in contact with the adjacent plate and serve to keep the plates at the correct distance from one another. They prevent the plates from bending when there is excess pressure on one side, which would result in a change in the size of the passages 16. If this measure is applied to a device as described in the last paragraph, there is no need to use special frame pieces to keep the panels apart.
It should also be pointed out that the heat exchange surfaces do not have to be flat, as shown, but can also have a different shape, for example a cylindrical or conical one.
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