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Wärmeaustauschelement sowie aus diesem aufgebauter Wärmeaustauscher
Die Erfindung betrifft ein Wärmeaustauschelement rechteckigen oder annähernd rechteckigen
Querschnitts und beliebiger Länge mit in Strömungsrichtung verlaufenden Wellungen
im Strömungskanal sowie aus derartigen Elementen aufgebaute Wärmeaustauscher.
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Derartige Elemente sind bereits in mehrfacher Abwandlung vorgeschlagen
worden, so beispielsweise ein Wärmeaustauschelement, das aus einem flachen und rechteckigen
Bodenblech und flachen und rechteckigen Seitenwänden zusammengesetzt ist, wobei
jeweils drei Seitenwände rechtwinklig und parallel zu zwei Seitenkanten des Bodenbleches
mit diesem verbunden sind. Dadurch werden zwei getrennte Strömungskanäle gebildet,
die wiederum mittels Wellblechstreifen in eine Vielzahl von Unterkanälen aufgeteilt
sind. Bei der bekannten Ausführungsform erstrecken sich die Welleneinsätze über
die Gesamtbreite des Elementes.
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Auch solche Wärmeaustauschelemente, bei denen auf den Einsatz besonderer
gewellter Bleche zwischen ebenen Grund- oder Deckblechen verzichtet wird und letztere
selbst mit Wellungen versehen sind, sind bekannt. Dabei wird meist so verfahren,
daß beim Obereinanderlegen mehrerer gewellter Bleche die Wellenberge aufeinanderzuliegen
kommen, so daß in sich geschlossene Strömungskanäle entstehen.
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Von diesen bekannten Wärmeaustauschelementen unterscheidet sich das
nach der Erfindung dadurch, daß die Wellungen nur einen Teil des Effektivquerschnittes
des Strömungskanals einnehmen und in die langen Seitenwände eine Mehrzahl nebeneinanderliegender
Einlaß- und Auslaßöffnungen eingeschnitten sind, wobei die in einer Seitenwand eingebrachten
Einlaßöffnungen zu denen in der gegenüberliegenden Wand eingebrachten Auslaßöffnungen
versetzt angeordnet sind.
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Der Hauptvorteil der erfindungsgemäßen Ausbildung eines Wärmeaustauschelementes
liegt darin, daß es sich um eine für die billige Massenherstellung besonders geeignete
Konstruktion handelt, die trotzdem einen hohen Wärmeaustauschwirkungsgrad garantiert
und die einfach zu Wärmeaustauschem beliebiger Form und Größe, z. B. in Block- oder
Zylinderform, auf einfache Weise zusammengesetzt werden kann.
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Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise und schematisch
dargestellt und unter Bezugnahme auf diese nachfolgend näher beschrieben. Es stellen
dar Fig. 1 bis 3 verschiedene Ausbildungsformen eines Wärmeaustauschelementes nach
der Erfindung, im Querschnitt und in vergrößertem Maßstab, Fig.4 einen Horizontalschnitt
durch ein Wärmeaustauschelement gemäß Fig.3. Fig. 5 und 6 andere mögliche Ausführungsformen
eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschelementes, im Querschnitt, Fig.7 einen Horizontalschnitt
durch ein Wärmeaustauschelement gemäß Fig. 6, Fig. 8 einen Teilschnitt durch einen
aus erfindungsgemäßen Wärmeaustauschelementen aufgebauten erfindungsgemäßen zylindrischen
Wärmeaustauscher, geschnitten längs der Linie A-A nach Fig. 9, Fig. 9 einen Schnitt
durch einen Wärmeaustauscher gemäß Fig. 8, geschnitten längs der Linie B-B nach
Fig. 8, Fig. 10 eine Endansicht eines Wärmeaustauschers gemäß Fig. 8 und 9, wobei
die linke Seite eine Ansicht in Pfeilrichtung C nach Fig. 8 und die rechte Seite
eine Ansicht in PfeilrichtungD nach Fig. 8 darstellt, Fig. 11 das Herstellungsverfahren
eines zylindrischen Wärmeaustauschers nach der Erfindung, schematisch, Fig. 12 einen
Vorrichtungsteil für die Herstellung eines zylindrischen Wärmeaustauschers.
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Das erfindungsgemäße Wärmeaustauschelement nach Fig. 1 ist aus zwei
ebenen Blechen 1 a und 1 b gebildet, die durch Seitenwände
2 a und 2 b auseinandergehalten sind.
In den so gebildeten Strömungskanal sind gewellte Einsätze 3 a und 3 b eingesetzt,
die voneinander und von den Seitenwänden einen
Abstand aufweisen.
Die Wellungen der Einsätze3a, 3 6 verlaufen im rechten Winkel zu den Seitenwänden.
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Die Ausführungsform nach Fig.2 unterscheidet sich von der nach Fig.
1 dadurch, daß auf besondere Seitenwände verzichtet ist und diese dafür durch die
umgebogenen Endbereiche der Bleche 4a, 4 b gebildet sind. Wie aus der Figur
ersichtlich, können diese so umgebogen sein, daß sie unter Bildung eines Flansches
aufeinanderliegen. Um ein Durchbrennen der umgebogenen Teile der Bleche 4a, 4b zu
verhindern, können diese durch Streifen 5 aus hitzebeständigem Material geschützt
und gestützt sein.
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Bei der abgewandelten Ausführungsform nach Fig. 3 ist ein Blech
6 kastenförmig gebogen, und auch in diesem Fall können die dadurch gebildeten
Seitenwände oder Seitenteile durch Schutzstreifen 5 aus (euer- bzw. wärmebeständigem
Material abgedeckt sein.
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Dem Horizontalschnitt durch ein Element nach Fig. 3, dargestellt in
Fig.4, kann vor allem die Anordnung der Ein- und Auslässe für die wärmetauschenden
Medien entnommen werden. Man erkennt, daß Einlässe 7a auf der einen Seite und auf
Lücke Auslässe 76 auf der anderen Seite angeordnet sind und daß beim Übereinanderlegen
mehrerer Wärmeaustauschelemente, wie dies zum Aufbau eines Wärmeaustauschers geschieht,
auf einer Seite Ein-und Auslässe miteinander abwechseln. Hierbei sind die Ein- und
Auslässe für das eine Medium durch ausgezogene Pfeile und die für das andere Medium
durch gestrichelte Pfeile gekennzeichnet, und man erkennt, daß jeweils einem Einlaß
auf der einen Seite für das eine Medium ein Einlaß des angrenzenden Elementes auf
der anderen Seite für das andere Medium gegenüberliegt.
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In dem zwischen den gewellten Einsätzen verbleibenden Raum können
Öffnungen 8 für die Einführung eines Reinigungsfluidums vorgesehen sein.
Zwischen den Ein- und Auslässen sind Trennwände 9
vorgesehen, die das jeweils
für die Ein- oder Auslaßöffnungen bestimmte Fluidum leiten und ein Vermischen derselben
verhindern.
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Bei den in den Fig.l bis 4 gezeigten Wärmeaustauschelementen wirken
die gewellten Einsätze als Sekundärwärmeaustauschflächen. Sie erhöhen also den Wärmeaustauschbereich
in den von den Elementen gebildeten Strömungskanälen, wobei jedoch jede Seite der
Wellung dem gleichen Wärmeaustauschfluidum ausgesetzt ist.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 sind die Bleche
11, die durch die Wände 2 a, 2 b im Abstand voneinander gehalten
sind, in sich selbst gewellt, so daß die Verwendung besonderer gewellter Einsätze
überflüssig ist. Die Wellungen nehmen jedoch nur einen Teil der Breite der Bleche
11 ein, so daß flache Randteile verbleiben, die zwischen den Seitenwänden
2a, 2b liegen. Da die Wellenberge benachbarter Bleche aufeinanderliegen, sind diese
Wellungen zweckmäßig so eingeprägt, daß die des einen Bleches im Winkel zu denen
des anderen liegen.
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Bei der Ausführungsform nach Fig.6 wurde auf besondere Seitenwände
verzichtet und dafür die Endbereiche der Bleche 11 so umgebogen, daß sie
aufeinanderliegen und selbst Seitenwände bilden. Der Fig. 6 kann ferner entnommen
werden, daß man, insbesondere um Reinigungsöffnungen 8 vorsehen zu können,
die Wellungen durch flache Zwischenteile 12
unterbrechen kann. Im Fall der
Fig. 5 sind die Wellungen jedes Bleches so angeordnet, daß die benachbarten Bleche
im Winkel zueinander liegen. Die Wellungen können in einem Blech alle in der gleichen
Richtung verlaufen, oder sie können auch im Winkel zueinander zu jeder Seite der
ebenen Teile 12 angeordnet sein, wie dies dem Horizontalschnitt nach Fig.7
zu entnehmen ist.
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Bei den Ausführungsformen nach den Fig. 5 und 6 bilden die gewellten
Bereiche einen Teil des Bleches 11 und formen so die Trennwände zwischen
den Strömungskanälen. Sie bilden auf diese Weise im Gegensatz zu den Ausführungsformen
nach den Fig. 1 bis 4 Primärwärmeaustauschflächen, indem sie auf der einen Seite
mit dem heißen Fluidum und auf der anderen Seite mit dem kalten Fluidum in Berührung
stehen.
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Die Einzelteile der Wärmeaustauschelemente nach der Erfindung können
durch Abrollen vom Streifen gefertigt und automatisch mit Streifen aus Lötmateria110
zwischen den verschiedenen Teilen verbunden werden, worauf die Gesamtheit erhitzt
und das Lötmaterial zum Schmelzen gebracht wird. Auf die gleiche Weise können mehrere
Wärmeaustauschelemente zu einem erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher vereinigt werden.
Zweckmäßig werden erst nach dem Löten in das vollständige Element die Ein-und Auslaßöffnungen
eingeschnitten und die erforderlichen Längen für jeden Wärmeaustauscher abgeschnitten.
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Die Elemente nach den Fig. 1 bis 7 können für den Aufbau eines Wärmeaustauschers
eines über dem anderen in Gestalt einer Säule oder eines Blockes miteinander verbunden
sein, so daß solche für ein heißes Fluidum mit denen für ein kaltes Fluidum abwechseln,
oder sie können, wie in den Fig. 8 bis 10 zu Anschauung gebracht, als kontinuierlicher
Streifen um eine Spule gewickelt werden, wodurch ein zylindrischer Wärmeaustauscher
entsteht.
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Die letzterwähnte Ausführungsform hat sich besonders für den Einbau
in Gasturbinenanlagen bewährt, wo kreisquerschnittsförmige Leitungen in bestehenden
Turbinen oder Kompressoranlagen vorhanden sind. Die ein wärmetauschendes Medium
in radialer Richtung zuführenden und in axialer Richtung abführenden Leitungen können
dabei in einen gemeinsamen Sammler einmünden.
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Der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher nach Fig. 8 ist aus einem Wärmeaustauschelement
ähnlich dem gemäß Fig. 5 aufgebaut, in dem ein solcher Streifen um eine Spule gewickelt
wurde, wodurch ein allgemein mit 13 bezeichnetes Elementpaket entsteht. Die
Endflächen sind durch Endplatten 14 verschlossen, die mittels Schrauben
15 an Schlußringen 16 befestigt sind. Die Endplatten 14 weisen
die Abdeckungen 17 für die Einlässe 7a bzw. die Stutzen 18 für die Auslässe
7 b für das Gas und ebenso für die Einlässe 7ä für die zu erwärmende Luft und die
dazugehörigen Auslässe 7 b' auf. Wie ersichtlich, ist die Anordnung zweckmäßig
so getroffen, daß die wärmeaustauschenden Medien in radialer Richtung einströmen,
wobei die die Einströmöffnungen aufweisende Fläche abgedeckt wird, während die Ausströmöffnungen
für das in axialer Richtung ausströmende wärmetauschende Medium offenliegen.
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Fig. 9 zeigt die versetzt angeordneten Einlässe 7a und Auslässe
7 b' und ferner zwischen den auf einem Radius liegenden Reihen der Ein- und
Auslässe eingebrachte Nuten 19, in die die Trennwände 9 nach Fig.4
und 7 eingreifen können.
Die linke Hälfte der Fig. 10 ist eine Aufsicht
in Pfeilrichtung C der Fig. B. Man sieht hier die Endplatte 14 mit den schräg
verlaufenden Abdeckungen 17 der radial beaufschlagten Einlässe 7a für das Gas und
den Stutzen 18 der Axialauslässe 76' für die erwärmte Luft.
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Die rechte Hälfte der Fig. 10 ist eine Aufsicht auf Fig. 8 in Pfeilrichtung
D und läßt die radial beaufschlagten Einlässe 7a' für die zu erwärmende Luft und
die offenen Auslässe 76 des Gases erkennen.
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Bei den in den Fig.8 bis 10 dargestellten Ausführungsformen eines
aus erfindungsgemäßen Wärmeaustauschelementen aufgebauten erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers
müssen in jeden aus jeweils einem Ring bestehenden Strömungskanal Öffnungen für
die Ein- und Auslässe eingeschnitten werden. Dies wird, wie in den Fig. 11 und 12
veranschaulicht, dadurch bewerkstelligt, daß jeweils zwei vollständige Wärmeaustauschelemente
zusammengesetzt und zusammengelötet werden. Ein Ende jedes Streifens wird dann auf
einer Spule 20 befestigt und die Spule in Drehung versetzt. Die Speisung wird durch
Rollen 21 gesteuert. An einem Werkzeug 22 sind vier Schneider 23 vereinigt, und
das Werkzeug wird um eine zu den Streifen parallel liegende Achse 24 in hin- und
hergehende Bewegung versetzt, so daß abwechselnd auf der rechten Seite des obenliegenden
Streifens und auf der linken Seite des untenliegenden Streifens oder umgekehrt Öffnungen
eingeschnitten werden, je nach jeweiliger Stellung der Schneider. Die Geschwindigkeit
der Spule wird in Anpassung an die Zunahme des Durchmessers des Wärmeaustauschers
erhöht. so daß die Öffnungen radial in Reihe liegen.