Wärmeaustauscher. Die Erfindung betrifft einen Wärmneaus- tauscher, der für den Wärmeaustausch in beiden Richtungen (Heizung und Kühlung) zwischen gleichen oder verschiedenen sowie auch während des Wärmeaustauscbes ihren Aggregatzustand ändernden Medien geeignet ist. Der erfindungsgemässe Wärmeaustau- scher gestattet es, besonders hohe Wärmeaus- tauschflächenbelastungen, z. B.
(bei Dampf erzeugern j zur Abarbeitung einer hohen Feuerraumbelastung, bzw. sehr geringe Tem peraturdifferenzen zwischen den im Aus tausch stehenden Medien zu erzielen, wobei ausserdem Kleinstwerte an Raumbedarf und Gewicht bei verschwindend geringer thermi scher Trägheit und sehr niedrigen Druckver lusten der strömenden Medien erreichbar sind.
Bei den bisher bekannten Wärmeaustau- schern gelang es wohl, durch Vergrösserung der Wärmeaustauschflächen (z. B. beim Übergang vom Grosswasserraum- zum Rohr kessel) sowie durch vermehrte innere Bewe gung und Durchwirbelung der im Wärme austausch befindliehen Medien, eine allmäh liche Verbesserung der Wärmeübertragung zu erzielen, jedoch steht dabei nur ein relativ geringer Teil des zu heizenden bzw.
zu küh lenden Mediums in unmittelbarem Wärme austausch mit den die Wärmeübertragung vermittelnden Wandflächen, während der grösste Teil des Mediums der Wärmeübertra- gung nur mittelbar nach und nach, nämlich durch Wärmeübertragung (Wärmeleitung) im Medium selbst, unterworfen ist, was dem Gesamtwert der Wärmeübertragung bereits eine enge Grenze setzt. Hierzu tritt noch die Bildung einer wärmeisolierenden Grenz- schicht des Mediums an den der Wärme übertragung dienenden Wandflächen.
Nun glaubte man in Verkennung molekular-physi kalischer Grundlagen der Wärmeübertragung, die Grösse derselben durch Vergrösserung der Wärmeaustauschflächen und der Trans- portgeschwindigkei.ten sowie durch Druck erhöhung der strömenden Medien immer wei ter steigern. zu können, wobei diesen Bestre bungen jedoch infolge ihres weit hinter den Erwartungen zurückbleibenden und immer geringer werdenden Effektes sowie auf Grund der mit der Geschwindigkeit steil an steigenden Druckverluste der strömenden Me dien eine heute praktisch erreichte Grenze gesetzt war.
Im Gegensatz hierzu geht die Erfindung von grundsätzlich andern Gedankengängen aus, deren Richtigkeit sowohl durch mathe matische Ableitungen, als auch durch um fangreiche Versuchsergebnisse vollinhaltlieh bestätigt wurde. 'Wie nämlich aus dem Maxwellsehen Verteilungsgesetz (bekannte glockenförmige Integralkurve der Wahr- scheinliehkeitsfunktion) hervorgeht, ergibt.
der 7ttr Wärmeaustausehfläelie senkrechte Teil der aus der thermischen Molekularbew e- gung hervorgehenden Wandstösse der Me- diummnoleküle bzw. -atome einen so überra genden Anteil der gesamten Wärmueübertra- gung, dass er praktisch das alleinige Mass für deren Grösse bildet.
Es kann daher eine we sentliche, insbesondere sprunghafte Steige rung der Übertragungsziffer dadurch erzielt werden, dass man einen gegenüber bisher grö sseren Teil der Moleküle jedes Strömungs querschnittes des betreffenden Mediums un ter tunlichster Ausschaltung der übertra gungshemmenden und -verzögernden innern Wärmeleitung und Konvektion an diesen Wandstössen beteiligt.
Zwecks Erzielung dieses Effektes strömt daher erfindungsgemäss wenigstens eines der miteinander in Wärmeaustausch befindlichen strömenden Medien durch wenigstens einen Kanal, dessen hydraulischer Durchmesser höchstens das Zehnfache einer einstelligen matlhematischen Grösse von der Dimension 10-ê cm beträgt.
Eine Möglichkeit zur Er mittlung des jeweils erforderlichen hydrau lischen Durchmessers dieser Strömungskanäle geben die beiden folgenden Formeln
EMI0002.0009
worin K1=0,385 bis 1,4226, K2=0,335 bis 1,238, g = der doppelte Molekülradius in Al Angström =10-g cm, r =die kinematische Zähigkeit, deren Grösse in mê/sec einzusetzen ist und T =Grade in Kelvin bedeuten, wobei die kleineren Werte von K und die höheren Wurzelpotenzen zu den niedrigeren Drücken gehören und umgekehrt.
Nach diesen Formeln lassen sich für alle Stoffkombinationen, Temperaturen, Drücke und Aggregatzustände die jeweils mit Vor teil anzuwendenden Dimensionen rechnerisch ermitteln, wobei bei Übergängen von flüssigen zu dampfförmigen oder gasförmigen Zustän den oder umgekehrt die Durchmesser zweck mässigerweise den flüchtigeren Zuständen an zupassen sind. Bei Wärmetausehvorgängen, die sich ausschliesslich über den flüssigen Zu stand erstrecken, ist beim Ansatz der For meln wegen Bildung von Molekülgruppen ein Vielfaches des wirksamen Molekülradius (etwa 3- bis 5fach und mehr) zu wählen.
Eine weitere Verbesserung der Wärme übertragung kann durch möglichst starke Richtungsänderung der Wärmeaustausch flächen erreicht werden, wodurch eine gleich mässigere Aufteilung der senkrechten Wand stösse auf die Mehrzahl oder die Gesamtheit aller räumlichen Richtungen bewirkt wird, so dass die Wahrscheinlichkeit, dass die Wärme- bewegung eines Mediummoleküles in irgend einer Riehtung einen senkrechten Wandstoss ergibt, vergrössert wird.
Diese sinngemäss möglichst allseitig anzustrebende Richtungs änderung der Wärmeaustauschflächen kann durch eine möglichst grosse Krümmung der Wärmeaustauschflächen in zumindest einer Ebene durch Anwendung von Rohren klein ster Lichtweite, durch die Aufschliessung aller Raumebenen für diese Krümmung durch Ver flechtung solcher Rohre bzw. tunlichst enge Wellung der Wärmeaustauschflächen und schliesslich durch Verlegung der Richtungs änderung in das Gebiet der molekularen Grö ssenordnungen durch entsprechende Rauhig keit der Wandflächen erreicht werden.
Diese Massnahmen können durch tunlichst rasch erfolgende Relativbewegungen der Wandflä chen in bezug auf zumindest einen der im Wärmeaustausch befindlichen Medien dyna misch unterstützt werden, wodurch gleieh- zeitig der Strömungswiderstand herabgesetzt wird und eine selbsttätige Lockerung und Wegschaffung von fallweise die Strömungs- querschnitteverengenden bzw. verlegenden Teilchen bzw. Molehula.raggregaten erreicht wird.
Alle diese -Massnahmen bezwecken und erzielen im Gegensatz zu den bei den bisher bekannten Wärmeaii¯stausehern üblichen Mass nahmen keine Verbesserung der Wäimeüber- tragung durch vermehrte Durchwirbelung der Medien, also eine tunlichste Beschleunigung in der Aufeinanderfolge der die Wärme nach und nach übertragenden molekularen Stoss vorgänge, sondern durch weitestgehende Auf schliessung des vom Medium erfüllten Rah- mes hinsichtlich Abstand von einander gegen überliegenden Teilen der Wärmeaustausch flächen und durch Richtungsänderung der selben,
eine gleichzeitige Beteiligung mög lichst vieler Moleküle an den senkrechten Wandstossvorgängen, d. h. an der unmittel baren Wärmeübertragung. Da hierdurch einerseits die innere Wärmeleitung und Kon vektion mehr oder weniger ausgeschaltet, anderseits auch die Bildung einer wärme isolierenden, durch eine vorwiegend wand parallel gerichtete thermiscbe Molekularbewe gung des Mediums gekennzeichneten Grenz- schicht an den Wänden infolge der steilen Änderung der Wandrichtungen weitgehend unterdrückt wird, erfolgt hier die Wärme übertragung mit einer gegenüber den bekann ten Wärmeaustauschern um Grössenordnun gen verminderten Zeitkonstante, also prak- tisch trägheitslos.
Da bei der erfindungsgemässen Wärme- übertragung die Strömungsgeschwindigkeit wenigstens eines der im Austausch befind lichen Medien infolge Vergrösserung der gleichzeitig die Wärmeübertragung bewirken den molekularen Stossvorgänge einen vermin derten Einfluss suf die Ubertragungsziffer hat, so kann sie mehr oder weniger herab- gesetzt werden, wodurch sich trotz der kleinen Durchtrittsquerschnitte sehr kleine Druck verluste für das betreffende Medium ergeben.
Der durch die zu fördernde Menge des Me diums und dessen Strömungsgeschwindigkeit bestimmte gesamte Durchtrittsquerschnitt wird daher bei dem erfindungsgemässen Wärmeaustauscher mit Vorteil durch Parallel schaltung einer entsprechend grossen Anzahl einzelner, mit Rohren kleinstmöglichen Quer schnittes versehener Austauschkörper erzielt. Da für ein bestimmtes Intervall der thermi schen Zustandsänderung des Mediums nur ein kurzer Transportweg desselben erforder lich ist, kann bedarfsweise auch eine grössere Anzahl von Sammelräumen zum Druck- und Temperaturausgleich der parallel geschalteten Ströme des Mediums vorgesehen werden.
Die Herabsetzung der einzelnen Durch trittsquerschnitte der Wärmeaustauschkörper bei gleichzeitig stark gekrümmt ausgebildeten Wandflächen bzw. Verflechtung dieser Körper ermöglichen es ausserdem, die Wandstärken auch bei den höchsten Drücken sehr klein zu halten, ohne dadurch die Festigkeits- bzw. Steifigkeitsbedingungen zu verletzen. So ver trägt z. B. ein Rohr mit 2 mm innerem Durch messer und ¸ mm Wandstärke Drücke von etwa 1000 Ata.
Gelingt es jedoch der Hütten technik, Rohre von noch geringeren Abmes sungen mit glatter Oberfläche herzustellen (es sind bereits Rohre mit 0,1 mm Durchmesser und 0,01 mm Wandstärke bekannt, welche theoretisch einen Druck von 350 Ata aushal ten), so werden auch solche Rohre je nach dem Zweck und den dadurch bedingten Beanspruchungen mit Vorteil zur Anwen dung gelangen können. Dies ergibt nebst einer weiteren Verbesserung des Wärmeaustausches Kleinstwerte an Werkstoff- und Raumbedarf sowie Gewicht. der Wär meaustauscher.
Weiter kann in Kombination mit den erläuterten Massnahmen der bei höheren Temperaturdifferenzen, in erster Linie bei Dampferzeugern, bedeutende Anteil der Strahlung an der Wärmeübertragung berück sichtigt werden, indem diese Strahlung durch besondere 1VIassnahmen gefördert und damit auch der hierfür in Betracht kommende Be reich der Temperaturdifferenzen erweitert wird.
Schliesslich kann ,bei erfindungsgemässen Wärmeaustauschern, die mit höheren Tempe raturen und Temperaturdifferenzen bei den ini Austausch stehenden Medien arbeiten, auch die gleichzeitige Anwendung von Gleich strom- und Gegenstromführung in einen.
Austauseher in Kombination mit. den bereits geschilderten Massnahmen herangezogen wer den, um eine tunlielist weitere Verbesserung der Wärmeübertragung mit. einer Beschrän kung hinsichtlich der Temperaturbeanspru- chung der verwendeten Werkstoffe zu ver einigen.
In der Zeichnung ist in Fig. 1 ein erfin dungsgemässer Wärmeaustauscher in einer beispielsweisen Ausführungsform als Dampf erzeuger schaubildlich, teils im Schnitt, dar gestellt, während in den Fig. 2 bis 14 Aus führungsbeispiele für Wärmeaustauscher ge zeigt sind, deren Austauschkörper aus sieh im Raume übergreifenden bzw. kreuzenden Rohren bzw. Rohrbändern bestehen, die, sich gegenseitig abstützend bzw. miteinander verbunden, eine Art. selbsttragendes Rohr geflecht bilden, wobei in den Fig. 3 bis 14 auch die Anordnung von Sammelkammern für das die Rohrsysteme durchströmende Me dium veranschaulicht ist; Fig. 15 gibt schliess lich eine schematische Darstellung einer abwechselnden Führung der im Wärme austausch stehenden Medien im Gleich- und Gegenstrom.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Dampf erzeuger sind die Brenner 1 an einem Bren nerkopf 2 angeordnet, der an einen mit den drei zylindrisch gewundenen Rohrbündeln 3, 5 als Verdampfungskörper versehenen Kessel angesetzt ist. Am Brennerkopf befin den sich die Rohre 6. Die auf etwa 500 vor gewärmte Verbrennungsluft wird entlang der Aussenseite des äussersten Rohrbündels vom Luftvorwärmer zum Brennerkopf 2 ge führt. Ein Teil dieser Luft wird vor den Roh ren 6 abgezweigt, um den Brennerflammen als Sekundärluft zugeführt zu werden.
Die Primärluft gelangt durch die Rohre 6 des Brennerkopfes zu den einzelnen, in der Zeich nung nicht dargestellten Brennerdüsen, die gemäss einer gleichen Feuerraumbelastung auf die Ringquerschnitte zwischen den Rohr bündeln 3, 4 und 5 und den innern Quer schnitt des Bündels 3 verteilt sind. Die ein zelnen Düsen sind durch Rohre 7 mit einem Verdampfer bzw. Vergaser ä verbunden, der beispielsweise elektrisch geheizt werden kann. Der Brennstoff selbst wird durch eine Brenn st offpumpe zum Verdampfer bzw. Vergaser und von dort zum Brennerkopf geführt, wobei zwecks Gleichmässigkeit der Brennerspeisung getrennte Leitungen zu den einzelnen Düsen führen.
Am Ende jeder Düsenmündung sind elektrisch beheizte Glühkörper angeordnet, die bei Betriebsbeginn die Zündung herbei führen und später ein fallweises Abreissen und Verlöschen der Flamme verhindern. Die in Form mehrgängiger Schrauben gewunde nen Rohrbündel 3, 4 und 5 endigen in den Dampfrohren 9, die, gleichmässig verteilt, durch den Brennerkopf 2 austreten und dann (nicht gezeichnet) zusammengefasst werden.
Bei einer andern Anordnung werden die Dampfrohre 9 im Innern des Dampferzeu gers verlegt und nicht durch den Brenner kopf, sondern an einer andern Stelle heraus geführt, wodurch es vorteilhafterweise möglich ist, den Brennerkopf als gesonderten, vom übrigen Kessel leicht abnehmbaren bzw. aus- w echselbaren Teil auszubilden.
Die die Verdampfungskörper bildenden, in Form mehrgängiger Sehrauben aus paral lelgeschalteten Rohren mit kleinstmöglichem, einen hydraulischen Durchmesser von höch stens dem Zehnfachen einer einstelligen ma thematischen Grösse voll der Dimension 10-2 cm aufweisenden Querschnitt und von geringer Wandstärke bestehenden Rohr bündel 3, 4 und 5 sind im ersten, dem Bren- nerkopf 2 zugewendeten Teil des Dampf erzeugers, in dem gemäss der hohen Flammen- bzw. Gastemperatur die Strahlung den Hauptanteil der Wärmeübertragung ergibt, dicht aneinander gewickelt, während sie im anschliessenden Teil,
in dem die Wärme übertragung vom Heizgas auf die Rohr bündel durch Konvektion in zunehinenderii Masse ins Gewicht fällt, mit Zwischenräumen zwischen den , einzelnen \W-indungen verl.ati- fen, um so den Heizgasen eine möglichst grosse Berührungsfläche zu bieten.
Im letzten Teil des Dampferzeugers, der hauptsächlich zur Luftvorwärmung dient, werden die ein zelnen Rohre in der Mitte zusammengefasst und führen als Rohrstrang 10 zii den Speise pumpen. Lm die Strahlung und damit die j,#'ärmeübertragung zii fördern, sind im ersten Teil des Kessels innerhalb bzw.
zwi sehen den Verdampfungskörpern 3, 4 und 5 als Hohlzylinder ausgebildete Strahlungs körper 11, 12 und 13 koaxial zu den V er- dampfungskörpern und zu sieh selbst ange ordnet, welche Strahlungskörper zweckmässig aus einem feuerfesten Werkstoff hohen Emis sionsvermögens - z. B. Steatit - bestehen und zur Erzielung einer geringen Anheizzeit sowie kleinen Raumbedarfes und Gewichtes dünnwandig, fallweise auch porös oder viel fach durchbrochen auszuführen sind. Im zweiten Teil des Dampferzeugers sind eben falls Strahlungskörper 14, 15, 16 angeordnet, die so gestaltet sind, z.
B. als geschlossene, gegen das vordere Ende hin verjüngte ein- bzw. doppelwandige Hohlzvlinder, dass sie die Heizgase gegen die Verdampfungskörper hin ablenken und so den Durchtritt dieser Gase zwischen den hier mit Abstand gewik- kelten Rohren der Verdampfungskörper för dern. Hierdurch wird einerseits die Wirksam keit der Strahlung bis in ein Gebiet gerin gerer Heizgastemperaturen hinein erstreckt und anderseits auch die Konvektion in diesem Gebiet unterstützt. Die Wirkung der Strah lungskörper kann durch den Heizgasen bei gemengte gas- oder staubförmige Stoffe hohen Strahlungsvermögens ergänzt bzw. ersetzt werden.
An den eigentlichen Dampferzeuger schliesst ein Luftvorwärmer an, den die Heizgase in den Rohren 17 durchströmen, während die Luft zwischen diesen Rohren hindurehgeführt wird. Bei der hier gezeich neten Anordnung wird die von einem Kom pressor gelieferte Luft durch ein den Rohr strang 10 ummantelndes Rohr 18 eingeführt, umströmt, aus den Öffnungen 19 dieses Roh res austretend, die Heizgasrohre 17, gelangt so radial nach aussen und wird dann zwi schen dem äussersten Verdampfungskörper 5 und einem um diesen herum angeordneten Blechmantel 20 in axialer Richtung zum Brennerkopf 2 geführt. Durch die letzt genannte Anordnung wird die nach aussen abgegebene Verlustwärme des Dampferzeu gers auf ein Minimum beschränkt.
Ferner wird durch diese Art der Luftführung zu sammen mit der Ausbildung des Verdamp- fungskörpers ö in der Zone der höchsten Temperaturen als dicht gewickeltes Rohr bündel ein Fortfall jedweder feuerfesten Einmauerung des Dampferzeugers erzielt.
Um bei der durch die Speisung und Ver teilung der Brenner gewährleisteten überall gleichen Flammengeschwindigkeit und Feuer raumbelastung auch eine gleiche Heizflä- ehenbelastung einerseits sowie gleichen Dampfzustand in den parallel geschalteten Rohren aller Verdampfungskörper ander seits zu erzielen, kann es unter Umständen erforderlich sein, die mittleren Durchmesser und gleichzeitig die Gangzahlen der zuein ander koaxialen und beiderseitig, d. h. innen und aussen beheizten Verdampfungskörper in das (für eine beliebige Anzahl von solchen V erdampfungskörpern gültige) Verhältnis 1:2:3:4:5 usw. zu setzen, wobei der Ver hältniswert 1 dem innersten Verdampfungs- körper entspricht..
Bei nur einseitig beheizten Verdampfungskörpern (Verdampfungskörper 5 in Fig. 1) ist die Gangzahl, also die Anzahl parallel geschalteter Dampfrohre, auf die Hälfte des der obigen Proportion jeweils ent sprechenden Wertes herabzusetzen.
Der Innenraum des innersten Verdamp- fungskörpers (3 in Fig. 1) kann, anstatt, wie gezeichnet., durch zugeordnete Brenner mit Heizgasen beaufschlagt zu werden, auch die oder eine vom Dampferzeuger gespeiste Dampfkraftmaschine, insbesondere Dampf turbine, zumindest teilweise aufnehmen. Hierdurch wird nicht nur ein sehr raumspa render Zusammenbar erzielt, sondern auch jeder Wärmeverlust durch Strahlung oder Konvektion seitens der Kraftmaschine ver mieden.
Gemäss dem in Fig. 2 dargestellten Aus führungsbeispiel sind die einzelnen vertikal angeordnet zu denkenden WVärineaustausch- körper von Rohrschlangen 21 gebildet, deren Windungen kreisförmig zu einer Schrauben linie gebogen und welche rings um die Mit telachse des Rohrschlangenaggregates herum angeordnet sind. Der Eintritt des in den Rohrschlangen zu führenden Mediums erfolgt durch den Stutzen 22 am obern Ende, der Austritt durch den am untern Ende der Rohrschlangen vorgesehenen Stutzen 23.
Die Rohrschlangen 21 sind derart angeordnet, dass die Windungen, wie Fig. 2 zeigt, sich gegenseitig übergreifen und zwischen den Windungen Flächen verbleiben, welche in ihren Abmessungen möglichst wenig vonein ander abweichen sollen. Hierdurch wird der zwischen den Windungen der aneinander ge schlossenen Rohrschlangen verbleibende freie Querschnitt in einzelne Quersehnittsflächen unterteilt, welche eine vergleichmässigte Strö mung des zwischen den Rohrschlangen hin durchgeleiteten Mediums gewährleisten.
Die zu einer Gruppe zusammengeschlosse nen Rorschlangen 21 stützen sich an ihren Überschneidungsstellen mit den Nachbar rohrsträngen gegenseitig ab und können an diesen Berührungsstellen durch Schweissung oder dergleichen miteinander verbunden sein, so dass die zusammengeschlossene Gruppe ein selbsthaltendes Aggregat bildet.
Fig. 2 veranschaulicht nur eine Gruppe von sich übergreifenden Rohrschlangen. Es können jedoch auch zwei oder mehr solcher Gruppen zu einem zusammengeschlossenen Wärmeaustauschkörper vereinigt sein, wobei sich nicht nur die Rohrschlangen einer jeden Gruppe übergeifen, sondern auch die Rohr schlangen der jeweils innen liegenden Gruppe die Rohrschlangen der sie umschliessenden Gruppe überschneiden. Um die Rohrzahl möglichst zu steigern, kann hierbei die Zu führung des in den Rohrsträngen strömenden Mediums sowohl von aussen als auch von innen bzw. auch an Zwischenstellen vor gesehen sein.
Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungs beispiel zeigt eine zylindrische Ausbildung der Rohrführung, doch kann die Führung der Rohre auch in anderer Weise z. B. nach einer Ellipse, einer Parabel oder dergleichen oder geradlinig bzw. geradlinig und beliebig gekrümmt erfolgen. Zu beachten hierbei ist in jedem Fall, dass quer zur Durchzugsrich- tung des zwischen den Rohrsträngen strei chenden Mediums derartige Zwischenräume erhalten werden, dass die Strömung dieses Mediums nach Möglichkeit auf die ganze Querschnittsfläche gleichmässig verteilt ist.
Nach der in Fig. 3 dargestellten Ausfüh rungsform ist, die Anordnung derart. getrof fen, dass ringförmige Kammern 24 und 25 vorgesehen sind, welche durch Rohre 26 engstmöglicher lichter Weite untereinander verbunden sind.
Ein Wärmeaustauscher die ser Art besteht vorzugsweise aus einer Viel zahl von hintereinander angeordneten Ring kammern 24, 25, wobei die Verbindungs rohre 26 derart geformt. ausgeführt sind, dass die für das Durchstreichen des Mediums frei bleibenden Querschnitte zwischen diesen Rohren 26 möglichst flächengleich sind und daher den Strömungsverlauf des Mediums vergleichmässigen. Die Zuführung des Me diums zu den Wärmeaustausehkörpern kann für jede Einlass-Ringkammer gesondert oder auch für mehrere solcher Kammern gemein schaftlich erfolgen.
Auch bei der Ausfüh- rungsform nach Fig. 3 ist. die Formgebung und Führung der die Ringkammern verbin denden Rohre beliebig gestaltbar. Statt der Verwendung von zwei ringförmigen Kam mern, wie sie Fig. 3 darstellt, kann bei grö sseren Abmessungen auch eine Mehrzahl sol cher Kammern konzentrisch zueinander ange ordnet und gegenseitig durch Rohre nach Art der Zwischenrohre 26 verbunden sein.
Die Anordnung und Formgebung der engstmöglichen Rohre kann auch derart erfolgen, dass das gesamte von solchen Roh ren gebildete Rohrsystem von einem aus schlangenförmig, dicht aneinander gewickel ten Rohren bestehenden Mantel umschlossen ist, wobei die Anordnung auch derart getrof fen sein kann, dass an ein verhältnismässig kurzes Stück einer derartigen Rohrschlange ein Rohrsystem anschliesst, bei welchem sich die Windungen übergreifen.
Auch können die verschiedenen Kombina tionen von Rohrsystemen mit Rohren zur Zu führung bzw. AbführLing des Mediums kom biniert werden, welche in Richtung der Längsachse des Wärmea.ustauschers verlegt sind und das Rohrsystem, als Tragrohre wir kend, versteifen.
Aus Verflechtungen kapillarer Rohre ge bildete Wärmeaustauscher ergeben sich aus den in den Fig. 4 bis 14 dargestellten Aus führungsformen, die anstatt mit Einzelrohren mit aus parallelen Rohren gebildeten Rohr bändern als Verflechtungselemente arbeiten, um, wie es z. B. für Hochleistungs-Dampf- erzeuger erforderlich ist, eine möglichst grosse Anzahl parallel geschalteter Rohrzweige auf engstem Raum zu erzielen. Hierbei wird, ebenso wie bei den in den Fig. 2 und 3 dar gestellten Anordnungen, der Forderung nach gleichem Beaufschlagungsgrad gleicher Län gen der parallel geschalteten Rohrbänder durch symmetrische Ausbildung und Ver legung aller Rohrbänder Rechnung getragen.
Ausserdem sind die in den Fig. 4 bis 14 dar gestellten Ausführungsformen dadurch ge kennzeichnet, dass die Rohrbänder im Zuge des gesamten Strömungsweges in bedarfs weise beliebig viele vom Medium nachein ander durchströmte Sammelkammern mün den, um einen, insbesondere bei Dampferzeu gern vorteilhaften, oftmaligen Druck- und Temperaturausgleich der einzelnen Zweig ströme des Mediums zu erzielen.
In der Zeichnung veranschaulicht Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Wärmeaus- tauscher in einer beispielsweisen Ausfüh rungsform der Rohrbänderanordnung.
Bei dieser Ausführungsform sind je fünf Rohre zu einem Rohrband 27 mit geringen Zwischenräumen zwischen den Rohren neben einander verlegt, so dass drei Schenkel des Rohrbandes entstehen, die im wesentlichen die Form eines gleichseitigen Dreieckes bil den. Die Enden der ein solches Rohrband ergebenden Rohre sind an Kammern 28 an geschlossen, die in einem die Rohrbänder 2 7 kreisförmig umschliessenden Mantelkörper 29 vorgesehen sind.
Werden die einzelnen Rohr bänder 27 so verlegt, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, so entsteht ein Rohrgeflecht, bei welchem die Enden der einzelnen Rohrbänder in auf einanderfolgende Sammel- und Verteilkam- mern 28 münden, so dass ein System von durch die Rohrbänder verbundenen Sammel- und Verteilkammern gebildet wird, das in einem geschlossenen Zug von dem zu heizen den bzw. zu kühlenden Medium durchströmt wird. Der in der Mitte des von den Rohr bändern gebildeten Rohrgeflechts verblei bende Raum kann bei Dampferzeugern zur Unterbringung einer vom erzeugten Dampf gespeisten Dampfturbine ausgenützt werden.
Es ist zu bemerken, dass mehrere solcher, aus einer Gruppe von Rohrbändern gebildeter Rohrgeflechte in Ebenen angeordnet werden welche in der Strömungsrichtung des die Rohrgeflechte aussen bestreichenden Mediums hintereinander liegen (vergl. auch Fig. 8).
Die die Sammel- und Verteilkammern 28 bildenden Ringe 29 können baulich verschie den gestaltet sein. Eine beispielsweise Aus führungsform ist in Fig. 5 in einem Schnitt veranschaulicht. Bei dieser Ausführungsform besitzt der als Sammel- und Verteilring die nende Mantelkörper zwei im Querschnitt rechtwinklig gestaltete Ringe 30, 31, die durch Dehnungsschrauben 32 mit dem elasti schen Mantelring 33 unter Verwendung ein gelegter Dichtungen 34, 35 und 36 zusam mengehalten werden. Durch einen linsenför migen Schlitz 37 im Mantelring 33, der z. B. bei Dampferzeugern Innendruck aufweist, werden die Seitenränder des lfantelringes 33 in Ausnehmungen der Ringe 30, 31 und gegen die in diesen eingelegten Dichtungen 3-1, 35 gepresst.
Die Enden der Rohre 38 der Rohrbänder werden in die Ringe 30, 31 ein geführt lind hart verlötet und münden da durch in die durch die Ringe 30, 31 und den Mantelring 33 gebildete Sammel- und Ver- t.eilkammer 39.
Der Ring 30, 31, 33 ist gegen (las Rohrgeflecht. zu durch einen Verscha lungsmantel 40 und durch die Verschalun-s- inäntel 41, 42 nach. aussen abgeschlossen, wo bei die in den Zwischenräumen zwischen den Verschalungsmänteln stehende Luft einen guten Wärmeschutz bietet.
Einen ähnlichen Sainniel- und Verteil- ring veranschaulichen die Fis,. 6 und 7 der Zeichnung, von welchen Fig. @6 einen Schnitt nach C-D der Fig. 7 und diese einen Schnitt nach A-B der Fig. 6 zeigt.
Bei dieser Bau weise werden die Sammel- und Verteilkam- mern 43 von zwei mit Ausnehmungen verse- henen Ringen 44, 45 gebildet, die durch Schrauben 46 zusammengespannt sind und in welche die Enden der Rohre 47 eingeführt und hart verlötet werden. Zwischen den bei den Ringen 44, 45 liegt ein umlaufender Dichtungsr ing 48, der einen dichten Ab schluss der einzelnen Sammel- und Verteil- Kammern 43 gewährleistet.
Fig. 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbei spiel für die Ausbildung der Sammel- und Verteilringe und den Zusammenschluss der einzelnen Ringe mit ihrem Anschluss an die die Zu- Und Abfuhr des Mediums enthalten den beiden Endteile des ringförmigen Man telkörpers. Gemäss der in Fig. 8 gezeigten Ausführungsform sind zwei ringförmige End stücke 49, 50 vorgesehen, zwischen welchen die an die Rohre 5l des Rohrgeflechtes ange schlossenen Sammel- und Verteilringe 52 lie gen und die durch die diese Ringe durchset zenden Steckbolzen 53 zusammengehalten werden. In den ringförmigen Endstücken 49 und 50 ist je ein Ringkanal 54 bzw. 55 vor gesehen, von welchen der Ringkanal 54 der Zufuhr des Mediums, z. B. des zu verdamp fenden Wassers, der Ringkanal 55 zur Sammlung und Ableitung, z. B. des erzeug ten Dampfes dient.
Die zwischen den End stücken 49 und 50 liegenden Sammel- und Verteilringe werden von mit Ausnehmungen versehenen Ringen 52 gebildet, die unter Zwischenschaltung von Dichtungsringen 56 aneinander geschlossen sind und einen Teil des das Rohrgeflecht umschliessenden Man telkörpers bilden. Die Ausnehmungen in den Seitenwänden der Ringe 52 bilden Kam mern 57, in welche die Enden der Rohre 51 münden. Die Kammern 57 sind durch die Rohre 51 derart verbunden, dass ein durch das gesamte Rohrgeflecht durchlaufendes Ka nalsystem gebildet wird, dessen Enden durcb den Kanal 58 bzw. 59 mit dem Ringkanal 54 bzw. 55 verbunden sind.
An Stelle von die Kammern 57 enthalten den, das Rohrgeflecht umschliessenden kreis- förmigen Ringen können bei den in den Fig. 9 bis 11 veranschaulichten Ausführungs formen hoble gerade Stiieke 60 unter Zwi schenschaltung von Dichtungen 61 anein- andergesetzt und dureh Zuganker 62 mitein ander verbunden werden, wodurch gleich falls ein das Rohrgeflecht umschliessender drei-, vier- oder mehreckiger Mantelkörper gebildet wird. Zur Aufnahme von Biegebean spruchungen an den Stossstellen der Teile 60 können im Profil T-förmig gestaltete Zwi schenstücke 63 eingelegt werden (Fig. 11). Dieser Zusammenbau der Einzelstücke des Wärmeaustauschers nimmt auf eine weit gehende Teilung in Sektionen und damit auf ihre Austauschbarkeit besondere Rück sicht.
Die Anwendung der Rohrgeflechte ge stattet auch die Anordnung mit Paaren von je zwei einander gegenüberliegenden Kam mern, die fortlaufend aneinander gereiht und durch Rohrstränge miteinander verbun den sind. Diese Bauweise bietet die Möglich keit, eine Ebene restlos mit Rohren aus zulegen und dadurch die ganze durch strömte Fläche vollständig auszunützen, ohne dass durch Überkreuzungen, die durch das Flechten sonst notwendig wären, meh rere Ebenen in Anspruch genommen werden müssten. Hierdurch werden die Bauhöhen bzw. Baulängen eines solchen Wä.rmeaustau- seher-, z. B. Kesselelementes, wesentlich herabgesetzt.
Diese Bauweise ist. aber vorteil haft nur bei gleieliseitigen Parallelogrammen anwendbar, wenn der Forderung entsprochen werden soll, dass die einem. bestimmten Be- heizungsgrad dargebotenen Rohrlängen gleich gross sein müssen.
Fig. 12 zeigt für diese Art von Baufor- inen das Quadrat, das bei kleineren Ein heiten einzeln, bei grösseren - wie dargestellt - in vierfacher Anordnung verwendet wird. Die Art. der Verlegung der Rohre 64 und die Strömungsrichtung des :lleditims sind schematisch in Fig. 12 angedeutet. Die Rohre 64 münden in die Sammel- bzw. Verteil- räume 65, welche die Seiten der Quadrate bilden und an eine Mittelkammer 66 sowie an seitliche Kammern 67 für die Zu- und Ab führung angeschlossen sind.
Als ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 13 den Zusammenschluss schiefer, gleichseitiger Parallelogramme zu einem Sechseck, um dadurch einem kreisförmigen Aufbau der Anlage näher zu kommen. Sam- mel- und Verteilkammern, wie Zu- und Ab- fuhrstellen sind analog der quadratischen Ausführung gemäss Fig. 12.
Fig. 14 veranschaulicht eine Bauform, die einen seehseekigen Ring bildet, der bei Dampferzeugern zur Ummantelung der Kraftmasehine herangezogen werden kann.
Um bei erfindungsgemässen Wärmeaus- tauschern, insbesondere Dampferzeugern, eine grösstmögliche Wärmeübertragung mit tunlichster Schonung der Austauschkörper hinsichtlich ihrer Temperaturbeanspruchung zu vereinigen, ist es fallweise zweckmässig, die Beaufsehlagung der Wärmeaustausch- flächen zum Teil im Gleichstrom und zum andern Teil im Gegenstrom der im Wärme austausch stehenden Medien durchzuführen.
Hierdurch wird, angewendet auf Dampf erzeuger, der Vorteil erzielt, dass in dem nach dem Gleiehstromprinzip arbeitenden Teil, in welchen die Heizgase einströmen, von den Wärmemengen der Heizgase ein ver hältnismässig grosser Anteil zur Vorwärmung und zur Verdampfung des zugeführten Was sers abgegeben wird. Es wird damit erreicht, dass die Temperaturen in den Wandungen des Wärmeaustauschkörpers, z. B. der Dampf führenden Rohre, dem aufzuheizenden Me dium gegenüber in so engen Grenzen gehal ten werden, dass als Werkstoffe sogenannte Sparstoffe verwendet werden können, das sind solche, die kein oder nur wenig Nickel, Chrom oder dergleichen enthalten und Tem peraturen bis etwa 600 C vertragen.
Es wird daher fallweise, in nachstehen dem Beispiel bei als Dampferzeuger dienen den Wärmeaustauschern, der zur Vorwär- mung und Verdampfung bestimmte Teil an der Eintrittsstelle der Heizgase im Gleich strom mit der Strömungsrichtung der Heiz- nase besehickt, während der weitere, gegen die Austrittsstelle der Heizgase sich erstrek- kende Teil, in welchem die Überhitzung des gebildeten Dampfes erfolgt, wegen der erheb lich herabgesetzten Feuerraumtemperatur nach dem Gegenstromprinzip arbeitet.
Es können auch je nach der Art des Wärmeaus- tauschers und den durch diese bestimmten Temperaturverhältnissen Teile des Gleich stromes und des (7egenstromes in ihrer Rei henfolge mehrfach wechseln, wobei auch mehr Gleichstromteile als Gegenstromteile oder umgekehrt, je nach Erfordernis, vor gesehen sein können.
Fig. 15 zeigt sehematisch die Anwendung dieses Prinzipes atif einen Dampferzeuger, bei welchem der Dampf in einem System von Rohrschlangen relativ kleiner Lichtweite (hydraulischer Durchmesser = höchstens 1 ein) und Wandstärke geführt wird.
Bei dem in Fig. 15 dargestellten Beispiel besitzt. der das Wasser und den Dampf füh rende Teil des Dampferzeugers zwei Gruppen von Rohrschlangen 68 und 69. Die Rohr schlangen 68 verbinden zwei ringförmige Kammern 70 und 71, wobei eine grössere An zahl von schraubenförmig\ verlaufenden Rohrschlangen 68, z. B. zehn Rohrschlangen, vorgesehen sein können. Das zu verdamp fende Wasser wird durch das Rohr 72 der Ringkammer 70 zugeführt, während der ge bildete Dampf durch das Rohr 73 dein zwei ten Teil des Dampferzeugers zugeleitet wird.
Dieser Teil besteht wieder aus Ringkam mern 74, 75, 76, welche zu zweit je durch ein Rohrsystem aus schraubenförmig verlau fenden Rohrschlangen 69 in Verbindung stehen. Auch hier kann eine grössere Anzahl von Rohrschlangen verwendet werden, die z. B. zwischen den Ringkammern 74- und 75 mit 20, zwischen den Ringkammern 75 und 76 mit 30 Rohrsehlangen gewählt werden kann.
Das Rohr 73 führt den Dampf zur letzten Ringkammer 74, von welcher er im Gegenstrom ztt den den Dampferzeuger in der in der Zeichnung eingetragenen Pfeil richtung durchströmenden Heizgasen durch die Rohrschlangen 69 und die Zwischenkam mer 75 zur Ringkammer 76 gelangt, von wel- eher er der Verbrauchsstelle durch das Rohr 77 zugeführt wird.
Nachdem die Heizgase, wie die Pfeile in der Zeichnung zeigen, bei der Ringkammer 70 in den Dampferzeuger eintreten, in wel che auch das verdampfende Wasser einge führt wird, arbeitet die erste Rohrschlangen gruppe zwischen den Ringkammern 70 und 71 im Gleichstrom mit der Strömungsrich tung der Heizgase. Dieser Teil dient bei dem dargestellten Beispiel zur Erzeugung von Dampf bis zur Sattdampfgrenze. Der durch das Rohr 73 der Ringkammer 74 zugeleitete Sattdampf wird nun auf seinem Wege durch die Rohrschlangen 69 bis zu der an das Dampfentnahmerohr 77 angeschlossenen Ringkammer 76 im Gegenstrom zur Strö mungsrichtung der bereits erheblich in ihrer Temperatur herabgesetzten Heizgase über hitzt. Die Anordnung einer oder mehrerer Zwischenkammern 75 dient vor allem zur Vermeidung von Ungleichmässigkeiten der Strömung.
Derartige Zwischenkammern kön nen erforderlichenfalls auch im Gleichstrom teil vorgesehen sein.
In dem Gegenstromteil kann durch für den Wärmeaustausch reichlich bemessene Flächen, z. B. durch entsprechende Vergrösse rung der Anzahl der Rohrschlangen und/oder des Durchmessers der Rohre, eine erhöhte Wärmeübertragung und dadurch eine beson ders wirtschaftliche Ausnützung der von den Heizgasen nach Verlassen des Gleichstrom teils noch mitgeführten Wärmemengen er reicht werden, wobei als Werkstoff für die Wärmeaustauschflächen wegen der schon im Gleichstromteil erheblich abgesunkenen Feuer raumtemperatur auch bei Hochleistungs dampferzeugern Sparstoffe verwendet werden können. Die Anzahl und/oder der lichte Durchmesser der Rohre soll in den nach dem Gegenstromprinzip arbeitenden Teilen des Wärmeaustauschers grundsätzlich grösser als in den nach dem Gleichstromprinzip arbei tenden Teilen sein.
Hierdurch können in allen Teilen des Wärmeaustauschers Strö mungsgeschwindigkeiten erreicht werden, welche mit Rücksicht auf den Wärmeüber- gang in den verschiedenen Temperaturzonen möglichst geringe Wandtemperaturen ge währleisten.
Bei allen Formen und Anwendungen der erfindungsgemässen Wärmeaustauscher kann es sich als zweckmässig erweisen, durch Rela tivbewegungen der Wärmeaustauschflächen in bezug auf mindestens eines der strömenden Medien, vorzugsweise durch zumindest teil weise quer zur Strömungsrichtung gerichtete Schwingungen höherer und höchster Fre quenz, die Wärmeübertragung bei gleich zeitiger Verminderung des Strömungswider standes weiter zu erhöhen und ausserdem für eine selbsttätige Lockerung von sich fall weise in den engen Durchtrittsquerschnitten befindlichen Teilchen zu sorgen.