Wärmeaustauschvorrichtung. Die Erfindung bezweckt, :eine Verbesse- rang von Wärmeaustauschvorriehtungen her beizuführen, bei welchen die mit dem äussern zu heizenden oder :abzukühlenden Medium, z. B.
Luft, in Berührung stehende, Wärme- austaus:chfläch:e flächenhafte DuTchbrechun- gen aufweisende Teile besitzt, durch welche das äussere Medium hindurchströmt. Der artige Wärmeaustauscher ermöglichen unter bedeutender :de , Gewichtes ,der Vorrichtung die Erreichung :einer hohem Wärmeübergan.b zahl.
Die in Rede stehenden Wärmeaustausühflächen können z. B. aus einer dünnen perforierten Platte oder aus feinen streifenförmigen Elementen odev Drähten, z. B. aus einem Drahtnetz bestehen und besitzen in der Strömungsrichtung des äussern Mediums, z. B.
Luft, eine sehr ge- ringe Abmessung. Dass durch eine der artige Wärmeaustauschfl:äohe hindurchströ mende äussere Medium verlä-sst die Fläche bereits nach kurzer Berührung;
ein relativ grosser Teil der Fläche wird durch frische Luft ;getroffen, die mit der Fläche -voran gehend nicht in. Berührung stand, wodurch der nutzbare Temperaturunterschied zwi- schen Fläche und Medium höher wird und :daher die Wärmeübertragung sich ,günstiger gestaltet.
Bei früheren Wärmeaustauseh.ern, bei welchen das äussere Medium gezwungen war, :die Wärmeaustauschfläche auf einem längeren Wege zu bestreichen, entstand ent lang :der Wärmeaustausehfläche infolge der Abbremsurng :des strömenden Medium e eine an die Fläche anhaftende, nach Massgabe .der Länge der Fläche an Stärke zu nehmende, wärmeisolierende Schicht (Prandtl- che Grenzsehieht);
demgegenüber kann sich bei den genannten durchbrochenen Wärme- austauschflächen, die in der Strömungsrich- tung :des äussern Mediums, wie erwähnt, nur eine ganz geringe Abmessung besitzen, eine :derartige starke wärmeisolierende Schicht nicht ausbilden, wodurch die WäTmeüber- gangszahl in weiterem Masse erhöht wird.
In oder Praxis taucht oft -die Aufgabe auf, Wärmeaustauschkörper im Innern eines kaminartigen Kanals anzuordnen, weleher dazu bestimmt ist, :die Strömung des äussern Mediums durch den Wä.rmeaustauschkörper hindurch zu fördern, oder aber es soll die Wärmeaustausehfläche als äussere Begren- zuugswand eines Kastens mit einer dem er wähnten Kanal ähnlichen Wirkung angeord net werden. Dabei stösst man bei Kanälen oder Kasten von gegebenen Abmessungen auf die Schwierigkeit, eine Wärmeaustausch flä:
ehe von entsprechender Wärmeabgabe in dem zur Verfügung stehenden Raum unter zubringen. Man wäre daher gezwungen, mehrere Wärmeaustausehflächen in der iStrö- mu@ngsrichtung hintereinander anzuordnen, was aber den Nachteil nach sich ziehen würde, dass das äussere Medium einen der Anzahl der Wärmeaustauschflächen entspre chend erhöhten Strömungswiderstand über winden müsste und gegebenenfalls eine un- erwünschte hohe Temperatur annehmen würde.
Gemäss der Erfindung werden diese Schwierigkeiten dadurch beseitigt, dass unter Anwendung einer Wärmeaustauschvorrich- tung mit zur Verteilung des innern Mediums dienenden Leitungen und zwischen .diesen befindlichen, flächenhaftenTeilen derWärme- austausehfläche, die Durchbrechungen auf weisen, durch welche das äussere Medium hindurchströmt,
die erwähnten Teile der Wärmeaustausehfläche derart ausgebildet und angeordnet sind, dass die zu den Verteil leitungen des innern Mediums senkrechten Schnitte der genannten Teile nach ungeraden Linien verlaufen.
Durch :die Vorrichtung gemäss der Er findung wird ausser dem Vorteil eines sehr günstigen Wärmeaustausches und der Ver kürzung der die Verteilleitun:gen miteinander verbindenden Sammelröhren der Vorteil des relativ geringen Raumbedarfes und der be deutenden Verringerung des Strömungs- wider3tandes des äussern Mediums erzielt, und zwar sowohl gegenüber einer einfachen, zur Strömungsrichtung des äussern Mediums senkrecht liegenden, ebenen Wärmeaustausch- fläehe,
als auch gegenüber mehreren in der Strömungsrichtung hintereinander angeord- neten ebenen Wärmeaustausehflächen.
Es sind zwar sehon Wärmeau6tauschvor- richtungen mit zwischen den Leitungen zum Umlauf des innern Mediums zickzackförmig angeordneten Wärmeaaustauschplatten be kannt geworden, doch handelte es eich dabei um volle, keine Durchbrechungen besitzende Platten,
wobei das äussere Medium entlang dieser vollen Platten mit dem oben erwähn ten grossen Nachteil der Vergrösserung der Dicke der erwähnten Prandtl'schen iGolieren- den Grenzsehicht strömte.
Durch diese Vor richtungen wurde zwar der alleinige Vorteil der Verringerung des Raumbedarfes ;gegebe nenfalls erreicht, doch konnte von einer Ver- ringerung des Strömungswiderstandes zu folge der soeben erwähnten nachteiligen Art der Strömung überhaupt nicht die Rede sein.
Auch wurde bereits eine Vorrichtung mit zwischen den Verteilleitungen des innern Mediums ziekzackförrnig angeordneten und durchbrochenen Teilen der Wärmeaustauseh- fläehe vorgeschlagen, doch wurden dabei diese Teile derart angeordnet, dass das Ge bilde nicht in einer zur Achse dieser Leitun- gen senkrechten,
sondern in einer dazu par allelen Ebene einen zickzackförmigen Quer schnitt besass. Dabei mussten notwendiger- weise eigenartige, einen flachen Querschnitt und eine sehr breite Mantelfläche besitzende Leitungen angewendet werden, um die Wärmeaustauschfläehen an die Leitungen wärmeleitend anschliessen zu können.
Dem- gegenüber können bei der Vorrichtung gemäss der Erfindung billige Rohre mit. beliebig kleinem Querschnitt benützt werden.
In ,der Zeichnung sind einige Ausfüh rungsformen der Wärmeauetauschvorrich- tung gemäss der Erfindung beispielsweise dargestellt.
Fig. 1 ist eine teilweise Vorderansicht und o-. 2 ein lotrechter Querschnitt der Fi<B>el</B> einen Ausführungsform; Fig. .3 zeigt einen Quersobmittderselben nach einer zwischen den ,Sammelröhren ge dachten waagrechten Ebene;
Fig. 4 veranschaulicht :die obere iSammel- röhre und einen Teil der Wärmeaustausoh- flächendieser Ausführungsformen in per spektivischer Darstellung.
In den Fig. 5 bis J sind weitere Ausfüh- rung formen in teilweisem schematischen Querschnitten dargestellt.
In Fig. 1 bis 4 sind mit 1 die Verteiler röhren für das innere Medium, z. B. Warm wasser, mit 2 die obere und untere, die Ver teilerröhren zusammenfassende Sammelröhre und mit 3,die durchbrochenen plattenartigen Teile der Wärmeaustauschflä@che bezeichnet. Zwischen dem du rohbrochenen Teilen werden zur Sicherung einer höheren Festigkeit volle Streifen 4 belassen.
Aus Fig. 3 und 4 ist klar ersichtlich, dass der senkrecht zu den Röhren 1 :geführte Querschnitt der Wärmeaustanumhfläche nach einer gebrochenen, im dargestellten Beispiel zickzackförmi.gen Linie verläuft; dieselbe Wirkung kann auch erzielt werden, wenn der genannte Querschnitt der Wärmeaus- tausschfläehe nach. einer Wellenlinie gestaltet wird.
Dieses Wärmeaustauschgebilde wird an den Verteilerröhren 1 unter Sicherung der metallischen, d. h. wärmeleitenden Berüh rung, z. B. durch Lötung oder @Schweissung, derart befestigt, dass jede zweite Kulmina- tionsste'lle, z. B. Wellenberg des Gebildes, an je einer Verteilerröhre angeschlossen wird, oder aber es kann die Wärmeaustauschfläche mit :den Verteilerröhren aus einem Stück hergestellt werden.
Im übrigen können für die Gestaltung :des erwähnten Querschnittes beliebige ;gebrochene oder :gekrümmte Linien gewählt werden, wobei einzelne Teile der selben auch in den Zwischenraum zwischen den Verteilerröhren hineinragen, bezw. an vers.chied.enerSeite der Achsenebene .der Ver teilerröhren 1 angeordnet werden können.
Die Gestaltung gemäss Fig. 3, wonach sämt liche Teile .der Wärmeaustauschfläche 3 nur auf einer :Seite der Achsenebene der Ver- teilerröhre 1 zu liegen kommen, besitzt den Vorteil des einfacheren Zusammenbaues und ,der leichteren Reinigungsmöglichkeit der Vorrichtung.
Es ist jedoch klar; dass insbesondere bei Vorrichtungen von grösserem Leistung und in einem. solchen Falle, wo die Unterbringung .der Vorrichtung in einem verhältnismässig geringen Raum in, noch erhöhtem Masse er wünecht ist,
in Verbindung mit der zickzack- oder wellenförmigen Gestaltung der Wärme- austauschfläche,die gegebenenfalls in höherem Anzahl notwendigen Verteilerröhren auch derart angeordnet werden können, dass z. B. jeder Welle :der Wärmeaustauschfläohe zwei oder mehrere Verteilerröhren zugeordnet werden; in, diesem Falle können oben und unten je mehrere Sammelröhren vorgesehen werden.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 bis 4 ,schliessen sich die zur Befestigung :der Wärmeaustauschfläche dienenden, zwischen. den durchbrochenen Feldern -belassenen vollen Streifen 4 an solchen Teilen der Man telflächen der Verteilerröhren 1 an, deren Tangentialebene zu der Achsenebene der Verteilerröhren 1, wie aus Fig. 3 ersichtlich, parallel liegt;
diese Art der Befestigung kann in gewissen Fällen gegenüber der Strö mung :des äussern Mediums einen uneTwünsch- ten Widerstand, gegebenenfalls auch eine ungewünschte Wirbelung verursachen. Um dies zu vermeiden, werden im iS;inne der Fig. 5 :die vollen :
Streifen 4 der einzelnen Teile der Wärmeaustaueohfläche an solchen Stellender Mantelfläche der Verteilerröhren 1 befestigt, an welchen die Tangentialebenen der Mantelfläche (im dargestellten Beispiel auch die Streifen 4 selbst) zu der Achsen ebene der Verteilerrähren 1 quer, zweck mässig senkrecht liegen.
Die Ausführungsform nach Fig. 6 unter scheidet sich von der Ausführungsform nach Fig. 5,dadurch, dass der Querschnitt der Ver teilerröhren la an den den vollen Streifen 4 zugeordneten Seiten abgeflacht ist.
Dies er gibt den Vorteil, dass die Befestigungsstrei fen 4 mit der Mantelfläche der Verteiler-, röhren la an einer grösseren Fläche in Be rührung gebracht werden können, was einer seits hinsichtlich der Festigkeit und ander seits vom Gesichtspunkte der Wärmeüber tragung von den Verteilerröhren auf die Wärmeaustauschfläche günstiger erscheint. Wie oben bereits angedeutet wurde, kön nen die Teile der Wärmeaustauschfläche auch auf verschiedenen Seiten der Achsen ebene der Verteilerröhren 1 angeordnet wer den.
Eine derartige Ausführungsform ist au.s Fig. 7 ersichtlich, wobei ferner je vier be nachbarte Wärmeaustauschplattente.ile 3a derart gegeneinander geneigt angeordnet -sind, dass zwischen denselben Kanäle von z. B. @sechseekigem Querschnitt entstehen, durch welche Teilströme xl-xl und x,.-x2 des äussern Mediums derart quer hindurch strömen, dass sie die .durchbrochenen Platten teile zweimal kreuzen und dadurch auf eine höhere Temperatur erhitzt werden.
Diese Ausführungsform kann daher vorteilhaft in solchen Fällen angewendet werden, wo z. B. die Luft einer Räumlichkeit auf eine höhere Temperatur zu erhitzen ist. Die Kanten 5 der gegeneinander geneigten Plattenteile müssen nicht unbedingt miteinander in Berührung stehen oder zusammengelötet werden, viel mehr können zwischen denselben, aus Fabri kationsrücksichten, auch Spalten 6 belassen werden;
dabei werden jedoch diese Spalten nur so schmal gewählt, dass die Spaltenbreite nur einen so geringen Bruchteil :des gegen seitigen Abstandes der Verteilerröhren be trägt, dass das äussere Medium zwischen den Kanten 5 der durchbrochenen Plattenteile nicht in nennenswertem Masse hindurchströ- men kann, sondern nur durch die Durch breehun.gen der Plattenteile.
Von der Ausführungsform nach Fig. 6 kann man zu einer vorteilhaften weiteren Ausführungsform nach Fig. 8 dadurch ge langen, dass die Wärmeaustauschplattenteile 3 mit den Wänden der Verteilerröhren 1b ganz oder teilweise aus einem Stück her gestellt werden.
Hierdurch wird die oben er wähnte, gegebenenfalls unerwünschte Art der Befestigung gemäss Fig. :3 schon im vor hinein von selbst beseitigt. Ausserdem wird im Sinne der Fig. 8 der Querschnitt der Verteilerröhren 1b tropfenförmig, d. h.
,stromlinienförmig gestaltet, was hinsichtlich der :Strömung des äussern Mediums entlang der Mantelflächen der Verteilerröhren und quer zu diesen aus an und für sich bekann ten Gründen eine günstige Formgebung dar stellt. Zum dichten Abschluss der Verteiler röhren 1b werden Lötstreifen 7 verwendet. Die Ausführungsform gemäss Fig. 9 er gibt sich aus einer Zusammensetzung der Ausführungsformen nach Fig. 7 und B.
Demgemäss wird die Vorrichtung einesteils für eine höhere Heizleistung geeignet, indem die einzelnen, in Verbindung mit Fig. 7 be reits erwähnten Teilströme<I>x, -x,</I> und x---x- des äussern Mediums durch die durchbrochenen Plattenteile 3a, 3:b zweimal gekreuzt; werden;
andernteil bestehen die in der Strömungsrichtung des äussern Mediums aufeina.äderfolgenden Plattenteile 3a, 3b mit einander und mit je einer Hälfte der Ver teilerröhren la aus einem Stück. Zum dich ten Abseh luss der Röhren 1c werden auch hier Lötstreifen 7 verwendet.
Es ist klar, dass, wenn eine starke Erhitzung oder Ab kühlung des äussern Mediums erwünscht ist, die Wä rmeaustausehvorrichtungen gemäss Fig. 7 und 9 auch mehrfach in der Strö- mungsrichtun.g des äussern Mediums hinter einander atuge\vendet werden können.
Heat exchange device. The aim of the invention is to: bring about an improvement in heat exchange devices in which the medium to be heated or: cooled externally, e.g. B.
Air, in contact, heat exchange: surface: has planar parts with perforations through which the external medium flows. Such heat exchangers allow under significant: de, weight, the device to achieve: a high heat transfer number.
The heat exchange surfaces in question can, for. B. from a thin perforated plate or from fine strip-shaped elements odev wires, z. B. consist of a wire mesh and have in the flow direction of the external medium, z. B.
Air, a very small dimension. The fact that an external medium flowing through one of these types of heat exchange fluid leaves the surface after just a short contact;
A relatively large part of the surface is hit by fresh air, which was not in contact with the surface before, whereby the usable temperature difference between surface and medium is higher and therefore the heat transfer is more favorable.
In earlier heat exchangers, in which the external medium was forced to: coat the heat exchange surface over a longer distance, there was created along: the heat exchange surface as a result of the deceleration: of the flowing medium an adhering to the surface, according to the length of the Heat-insulating layer to be increased in surface area (Prandtlche border view);
On the other hand, such a strong heat-insulating layer cannot form in the aforementioned perforated heat exchange surfaces, which in the flow direction of the outer medium, as mentioned, have only a very small dimension, which further increases the heat transfer coefficient becomes.
In or in practice there is often the task of arranging heat exchange bodies inside a chimney-like channel, which is intended to: promote the flow of the external medium through the heat exchange body, or the heat exchange surface should act as an outer limiting wall of a Box with a similar effect to the channel mentioned are arranged. In the case of ducts or boxes of given dimensions one encounters the difficulty of a heat exchange surface:
Before accommodating the corresponding heat emission in the available space. One would therefore be forced to arrange several heat exchange surfaces one behind the other in the direction of flow, but this would have the disadvantage that the external medium would have to overcome a flow resistance that is increased according to the number of heat exchange surfaces and possibly an undesirable high temperature would assume.
According to the invention, these difficulties are eliminated by using a heat exchange device with lines serving to distribute the inner medium and flat parts of the heat exchange surface between them, which have openings through which the external medium flows,
the mentioned parts of the heat exchange surface are designed and arranged in such a way that the sections of said parts perpendicular to the distribution lines of the inner medium run along odd lines.
By: the device according to the invention, in addition to the advantage of a very favorable heat exchange and the shortening of the collecting pipes connecting the distribution lines, the advantage of the relatively small space requirement and the significant reduction in the flow resistance of the external medium is achieved, namely both opposite a simple, flat heat exchange surface perpendicular to the direction of flow of the external medium,
as well as opposite several flat heat exchange surfaces arranged one behind the other in the direction of flow.
It is true that heat exchange devices with heat exchange plates arranged in a zigzag shape between the lines for circulating the inner medium have become known, but they were full plates with no perforations,
the outer medium flowing along these full plates with the above-mentioned major disadvantage of increasing the thickness of the Prandtl's iGolier boundary layer mentioned.
With these devices the sole advantage of reducing the space requirement was achieved, if necessary, but there could be no question of a reduction in flow resistance due to the disadvantageous type of flow just mentioned.
A device with perforated parts of the heat exchange surface arranged in a ziekzag shape between the distribution lines of the inner medium has also been proposed, but these parts were arranged in such a way that the structure is not perpendicular to the axis of these lines,
but had a zigzag cross-section in a parallel plane. It was necessary to use peculiar lines with a flat cross-section and a very wide jacket surface in order to be able to connect the heat exchange surfaces to the lines in a thermally conductive manner.
In contrast, cheap tubes can be used with the device according to the invention. any small cross-section can be used.
In the drawing, some embodiments of the heat exchange device according to the invention are shown, for example.
Fig. 1 is a partial front view and o-. Fig. 2 is a vertical cross section of Fig. 1 an embodiment; Fig. 3 shows a transverse view in the middle of the same after a horizontal plane between the collecting tubes;
FIG. 4 illustrates: the upper collecting tube and part of the heat exchange surfaces of these embodiments in a perspective view.
In FIGS. 5 to J, further embodiments are shown in partially schematic cross-sections.
In Fig. 1 to 4 with 1, the manifold tubes for the inner medium, for. B. warm water, with 2 the upper and lower, the United divider tubes summarizing the collecting tube and with 3, the openwork plate-like parts of the Wärmeaustauschflä @ surface referred to. Full strips 4 are left between the raw work pieces to ensure greater strength.
It can be clearly seen from FIGS. 3 and 4 that the cross section of the heat exchange surface, which is perpendicular to the tubes 1: runs according to a broken line, in the example shown zigzag-shaped; the same effect can also be achieved if the cross-section mentioned follows the heat exchange surface. a wavy line is designed.
This heat exchange structure is attached to the distribution pipes 1 while securing the metallic, d. H. thermally conductive touch, z. B. by soldering or @Sweldung, so attached that every second culmination point, z. B. wave crest of the structure, is connected to a manifold tube, or it can be the heat exchange surface with: the manifold tubes are made in one piece.
In addition, any broken or curved lines can be selected for the design: of the cross-section mentioned, with individual parts of the same also projecting into the space between the distributor tubes, respectively. on the different side of the axis plane of the distributor tubes 1 can be arranged.
The design according to FIG. 3, according to which all parts of the heat exchange surface 3 only come to lie on one side of the axial plane of the distributor tube 1, has the advantage of simpler assembly and the easier cleaning of the device.
It is clear, however; that especially with devices of greater performance and in one. such cases where it is desirable to accommodate the device in a relatively small space and to an even greater extent,
in connection with the zigzag or wave-shaped design of the heat exchange surface, the larger number of the necessary distributor tubes can also be arranged in such a way that z. B. each shaft: two or more distribution tubes are assigned to the heat exchange surface; In this case, several collecting tubes can be provided above and below.
In the embodiment according to FIGS. 1 to 4, those for fastening: the heat exchange surface are closed between. the openwork fields left full strips 4 on those parts of the Man face of the manifold 1, the tangential plane of which is parallel to the axis plane of the manifold 1, as can be seen from Fig. 3;
In certain cases, this type of fastening can cause undesirable resistance to the flow of the external medium, and possibly also undesired turbulence. To avoid this, in the iS; in Fig. 5: the full:
Strips 4 of the individual parts of the Wärmeaustaueohfläche attached to those points of the outer surface of the manifold 1, on which the tangential planes of the lateral surface (in the example shown, the strips 4 themselves) to the axis plane of the distributor tubes 1 are transversely, conveniently perpendicular.
The embodiment according to FIG. 6 differs from the embodiment according to FIG. 5, in that the cross section of the Ver Teilerröhren la is flattened on the sides associated with the full strip 4.
This he gives the advantage that the fastening strips fen 4 with the outer surface of the manifold, tubes la can be brought into contact with a larger area, which on the one hand in terms of strength and on the other hand from the point of view of heat transfer from the manifold to the Heat exchange surface appears cheaper. As already indicated above, the parts of the heat exchange surface can be arranged on different sides of the axes plane of the distributor tubes 1 who the.
Such an embodiment can also be seen in FIG. 7, with four adjacent heat exchange plate elements 3a being arranged at an angle to one another in such a way that between the same channels of e.g. B. @sechseekigem cross-section arise through which partial streams xl-xl and x, .- x2 of the outer medium flow across in such a way that they cross the perforated plate parts twice and are thereby heated to a higher temperature.
This embodiment can therefore be used advantageously in those cases where, for. B. the air of a room is to be heated to a higher temperature. The edges 5 of the mutually inclined plate parts do not necessarily have to be in contact with one another or be soldered together, much more can be left between the same, from fabrication considerations, also gaps 6;
However, these gaps are chosen so narrow that the gap width is only such a small fraction of the mutual distance between the manifold pipes that the external medium between the edges 5 of the perforated plate parts cannot flow through to any significant extent, but only through the openings in the plate parts.
From the embodiment according to FIG. 6 one can ge long to an advantageous further embodiment according to FIG. 8 in that the heat exchange plate parts 3 are made entirely or partially in one piece with the walls of the distributor tubes 1b.
As a result, the above-mentioned, possibly undesirable type of fastening according to FIG. 3 is eliminated in advance by itself. In addition, in the sense of FIG. 8, the cross section of the distribution pipes 1b is teardrop-shaped, i.e. H.
, streamlined, which in terms of: the flow of the external medium along the lateral surfaces of the distributor tubes and transversely to these for reasons known per se is a favorable shape. Solder strips 7 are used to seal the distributor tubes 1b tightly. The embodiment according to FIG. 9 results from a combination of the embodiments according to FIGS. 7 and B.
Accordingly, the device is, on the one hand, suitable for a higher heating output in that the individual partial flows <I> x, -x, </I> and x --- x- of the outer medium, already mentioned in connection with FIG Plate parts 3a, 3: b crossed twice; will;
On the other hand, the plate parts 3a, 3b which follow one another in the direction of flow of the external medium consist of one piece with one another and each with one half of the distribution tubes la. Solder strips 7 are also used here for the purpose of securing the tubes 1c.
It is clear that, if strong heating or cooling of the external medium is desired, the heat exchange devices according to FIGS. 7 and 9 can also be used several times in the direction of flow of the external medium.