DE2937477A1 - Flacher, aus zwei duennen blechen oder metallfolien bestehender trennwand-waermeaustauscher - Google Patents

Description

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DIPL.-ING.GERD COMMENTZ

7 STUTTGART 1

KLIPPENECKSTRASSE 4 · TELEFON (0711) 465644

15. September 1979 C/F Sch 178 P

Professor Dr.-Ing. Günter Scholl
7441 Wolfschlugen, Hauffstr. 14

Flacher, aus zwei dünnen Blechen oder Metallfolien bestehender Trennwand-Wärmeaustauscher

Gegenstand der Erfindung ist ein flacher Trennwand-Wärmeaustauscher, der aus mindestens zwei sehr dünnen Blechen oder Metallfolien besteht und mäanderförtnig verlaufende Kanäle besitzt, die durch Einprägungen in eines oder in beide Bleche oder Folien oder durch zwischen die ebenen Bleche oder Folien eingelegte Körper gebildet sind und die Strömung eines Fluids mäanderförmig hin-und herführen.

Um einen solchen Wärmeaustauscher billig und einfach herstellen zu können, liegt dieser Erfindung die Aufgabe zu Grunde, den Wärmeaustauscher so auszubilden, daß derselbe praktisch keiner Druckbeanspruchung durch das durch ihn hindurchströmende, entweder Wärme aufnehmende oder Wärme abgebende Fluid ausgesetzt ist.

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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Querschnitt der Kanäle bei allen Betriebszuständen des Wärmeaustauschers erheblich größer ist als der sich aus der Fluidmenge und deren Ablaufgeschwindigkeit einstellende Strömungsquerschnitt und diese Kanäle über eine oder mehrere Öffnungen mit der den Wärmeaustauscher umgebenden Außenluft in Verbindung stehen.

Diese erfindungsgemäße Gestaltung ist dabei insofern besonders vorteilhaft, als der in den der Förderung des Wärme transportierenden Fluids und/oder Fluid-Dampf-Getnisches dienenden Kanälen herrschende Gasdruck gleich ist dem Druck der den Wärmeaustauscher umgebenden Außenluft und der in jedem einzelnen Kanal herrschende Überdruck allein bestimmt ist durch die in den einzelnen Kanalabschnitten herrschenden Flüssigkeitsstandhöhen. Die allein durch die Flüssigkeitsstandhöhen bedingte statische Belastung der Wärmeaustauscherplatten ist dabei so gering, daß sie in der Praxis zu vernachlässigen ist und die Stärke dieser Platten minimal sein kann.

Um den einzelnen Kanälen des Wärmeaustauschers gleiche Mengen des Fluids zuzuführen, ist dem Wärmeaustauscher vorteilhaft eine besondere Zuteilvorrichtung zugeordnet, die zweckmäßig eine der Anzahl der mäanderförmig verlaufenden Kanäle entsprechende Anzahl von dem Fluid vollständig ausgefüllter langer Zulaufkanäle aufweist, die alle die gleiche Länge und gleiche Anzahl von Krümmern

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und damit derart den gleichen Strömungswiderstand besitzen, daß die durch die Zuteilvorrichtung hindurchströmende Fluidmenge allein von dem Druckgefälle zwischen dem Ein- und Austritt des Fluids aus der Zuteilvorrichtung bestimmt ist.

Ferner besitzen die Kanäle sowohl für die mäanderförmige Führung des Fluids in dem Wärmeaustauscher als auch die Kanäle der Zuteilvorrichtung zur Erzielung eines relativ zum Durchflußquerschnitt kleinen hydraulischen Radius ein flaches, rechteckiges oder auch elliptisches Profil.

Auch können je nach dem gewünschten Fluiddurchsatz und der beispielsweise senkrechten oder auch in einem beliebigen Winkel zur Senkrechten geneigten Lage des Wärmeaustauschers die langen Teilstücke der mäanderförmigen Kanäle mit Gegengefälle, horizontal, oder auch mit Gefälle in der Strömungsrichtung angeordnet sein.

Was die zuvor erwähnten, den mäanderförmigen Durchfluß des Fluids bewirkenden Kanäle betrifft, so können diese durch zwei zwischen ebenen Blechplatten angeordneten, Ausstanzungen aufweisenden und entweder aus Kunststoff bestehenden Platten oder mit Bitumen getränkten Pappen od. dgl. gebildet sein.

Schließlich besteht auch noch die Möglichkeit, daß die besagten Kanäle teilweise mit einem die Durchflußgeschwindigkeit des Fluids hemmenden Docht od. dgl. ausgefüllt sind.

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Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer auf der Zeichnung dargestellten beispielsweisen Ausführungsform sowie den sich hieran anschließenden Patentansprüchen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Trennwand-Wärmeaustauschers,

Fig. 2 den Querschnitt eines der Kanäle gemäß der Linie 2-2 in vergrößertem Maßstab,

Fig. 3 eine andere Form des Kanalquerschnittes,

Fig. 4 eine andere Gestaltung des Trennwand-Wärmeaustauschers gemäß der Linie 4-4 in der Fig. 5,

Fig. 5 einen Querschnitt des in der Fig. 4 dargestellten TrennwatJ-Wärmeaustauschers gemäß der Linie 5-5,

Fig. 6 einen Längsschnitt des in der Fig. 7 dargestellten Trennwand-Wärmeaustauschers gemäß der Linie 6-6 und

Fig. 7 einen Querschnitt nach der Linie 7-7.

Die Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Trennwand-Wärmeaustauschers 1. Dieser aus zwei Blechen oder Folien 2 und 2 bestehende Trennwand-Wärmeaustauscher 1 besitzt sechs relhenförmig nebeneinander von oben nach unten verlaufende, mäanderförmig geführte Kanäle 4 sowie eine diesen zugeordnete Zuteilvorrichtung mit sechs gleichlangen und eine gleiche Anzahl von

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Krümmungen 6 aufweisenden Zuteilkanälen 7, deren Strömungswiderstände untereinander gleich sind. Diese Zuteilkanäle sind an eine mit 8 bezeichnete Sammeltasche angeschlossen, die über einen durch ein vorgeschaltetes Drosselventil 9 auch nur teilweise absperrbaren Zulaufkanal 10 gleichmäßig mit dem dem Wärmeaustauscher 1 zuströmenden Fluid beschickt wird. Am unteren Ende besitzt der Trennwand-Wärmeaustauscher 1 einen oben offenen Sammelkanal 11 sowie einen dem Ablauf des Fluids dienenden Abflußstutzen

In der Fig. 2 ist der Querschnitt eines der mäanderförmig verlaufenden Kanäle 4 gemäß der Schnittlinie 2-2 dargestellt. Danach besitzen die beiden dünnen Bleche 2 und 3 mit 13 bezeichnete Einprägungen, die gemeinsam einen flachen, rechteckigen oder auch elliptischen Strömungsquerschnitt ergeben.

Die Fig. 3 zeigt eine andere Gestaltung dieser Kanäle 4, bei der das eine Blech 2 eben und nur das andere Blech 3 durch Einprägungen 13 kanalbildend verformt ist.

Gemäß den Fig. 4 und 5 ist eine andere Gestaltung des Trennwand-Wärmeaustauschers 1 vorgesehen, bei der zwischen den beiden ebenen Blechen 2 und 3 zwei hakenförmige Ausstanzungen 14 aufweisende, aus mit Kunststoff bestehende Platten oder mit Bitumen getränkte Pappen 15 und 16 so eingelegt sind, daß die hakenförmigen Ausstanzungen 14 wechselweise gegeneinander gerichtet sind, allein die Enden 16 und 17 des kurzen Schenkels 18 bzw.

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des langen Schenkels 19 zur Deckung kommen und so wieder zwischen den beiden Blechen 2 und 3 jeweils einen durchlaufenden, raäanderförtnig geführten Kanal 20 bilden.

Der in der Fig. 6 gezeigte Längsschnitt erläutert die Wirkungsweise des Trennwand-Wärmeaustauschers 1 im Zusammenhang mit dem Querschnitt gemäß der Fig. 7. Das aus den Zuteilkanälen 7 gleichmäßig in Form von Tropfen 21 auslaufende Fluid fällt jeweils in das obere, leicht entgegen der Strömungsrichtung 22 geneigte Teilstück 23 der mäanderförmigen Kanäle 4 und bringt die sich darin angesammelte Fluidmenge 24 zum Überlaufen in Gestalt von kaskadenartig von einem Teilstück 23 zum anderen Teilstück abfließenden Tropfen 25. Dieser Prozeß wiederholt sich und führt nacheinander zum Überlaufen auch der in den den folgenden Teilstücken 23 befindlichen Fluidmengen 24 in der Gestalt gleichartiger Tropfen 25, wobei die Verweilzeit der einzelnen Tropfen 25 im Bereich eines Teilstückes 23 der mäanderförmigen Kanäle 4 ausreichend groß ist zur Aufnahme oder Abgabe der jeweils anfallenden Wärmemengen. Schließlich laufen die Tropfen 26 in den Sammelkanal 11, von dem aus das Fluid über den Ablaufstutzen 12 zu einem Wärmeverbraucher oder Wärmegeber gelangt. Durch die nur teilweise Füllung der Kanäle 4 mit dem Fluid baut sich in diesen insofern keine merkbare Druckhöhe auf, als alle Teilstücke 23 der Kanäle 4 immer nur teilweise mit Fluid gefüllt sind und die oberhalb dieser Fluidmenge 24 befindlichen Räume 27 über zwischen den Blechen 2 und 3 befindlichen Öffnungen und Spalten mit der Außenluft ver-

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bunden sind und in diesen Räumen 27 somit der Außendruck der Atmosphäre herrscht.

Bei den bisher bekannten flachen Wärmeaustauscherplatten mit mäanderförtnig oder gerade geführten Kanälen, die immer vollständig mit dem Fluid angefüllt sind, ergeben sich allein durch die Fluid-Säulenhöhe in der Wärmeaustauscherplatte besonders an deren Unterseite sehr hohe Drücke, die bei- einer Höhe der Wärmeaustauscherplatte von

2 beispielsweise nur 1,0 m bereits die Größe von 10.000 N/m annehmen. Aus diesem Grund müssen die konventionellen Wänneaustauscherplatten aus relativ starken Blechen hergestellt und außerdem noch an vielen Stellen durch Punktschweißung oder Nietung fest miteinander verbunden werden.

Bei dem Wärmeaustauscher 1 gemäß der vorliegenden Erfindung kann sich innerhalb desselben jedoch kein höherer Druck als der der nur eine geringe Höhe h von nur wenigen Millimetern aufweisenden ständigen Fluidmenge 24 einstellen. Damit aber kann der Wärmeaustauscher 1 aus extrem dünnen Blechen 2/3 oder Folien hergestellt werden, die entweder miteinander verklebt oder an nur einigen wenigen Stellen miteinander durch Schweissung oder Nietung zu verbinden sind. Der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher 1 kann daher bei senkrechter Anordnung ohne eine Belastung durch einen inneren Überdruck eine Höhe von vielen Metern besitzen und ist damit auch besonders zum Bau von Trockenluftkühlern geeignet. Auch Heizkörper können gemäß der Erfindung aus

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solchen sehr dünnen Wärmeaustauschern 1 hergestellt werden, allerdings muß das umlaufende, Wärme transportierende Fluid, z.B. Wasser, auf die jeweilige Höhe, in der sich der betreffende Heizkörper befindet, hochgepumpt werden.

Besonders geeignet ist der erfindungsgemäße Trennwand-Wärmeaustauscher 1 als Sonnenkollektor. Hierbei wird der flache Trennwand-Wärmeaustauscher 1 in schräger Lage angeordnet, wobei seine Flächennormale auf den mittleren täglichen und jahreszeitlichen Sonnenstand gerichtet ist. In Europa bedeutet dieses, daß die Flächenormale mit etwa 60 Neigung gegen die Vertikale nach Süden>auf der südlichen Hälfte der Erdkugel gleichen Breitengrades dagegen nach Norden gerichtet ist.

Der aus dünnen Blechen 2,3 oder Folien bestehende Wärmeaustauscher 1 muß bei der Verwendung als Sonnenkollektor lediglich auf der der Sonne zugewandten Flächenseite schwarz eingefärbt und auf seiner Rückseite gegen Wärmeverluste isoliert werden. Bei einer gewünschten geringen Erwärmung des Fluids, in der Regel also Wasser, genügt es, den Trennwand-Wärmeaustauscher 1 gemäß der Erfindung ohne jegliche lichtdurchlässige Wärmedämmung anzuwenden. Werden dagegen hohe Temperaturen gewünscht, so lassen sich diese durch eine einfache oder besser durch eine doppelte lichtdurchlässige Wärmedämmung (Abdeckung) erreichen.

Bei der Verwendung eines Fluids mit hohem Siedepunkt als Wärme-

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träger, wie beispielsweise Glyzerin oder öl, können insbesondere in sonnenreichen Ländern Ablauftemperaturen des Fluids von über 100 C beispielsweise 150 bis 160 C bei doppelter Abdeckung des Wärmeaustauschers 1 erreicht werden. Derartig hohe Ablauf tr etnperaturen des Fluids ermöglichen unter Zwischenschaltung von Wärmeaustauschern die Erzeugung von Wasserdampf mit Drücken von mehreren bar, die in konventionellen Kolbenmaschinen oder Dampfturbinen infolge des außerordentlich niederen Preises der Trennwand-Wärmeaustauscherplatte eine wirtschaftliche Stromerzeugung ermöglichen.

Der gleiche erfindungsgemäße Trennwand-Wärmeaustauscher 1 als Wärmeaustauschelement eines Trockenkühltürmes angewendet, läßt sogar in heißen, sonnenscheinreichen Gebieten der Erde einen Kondensationsbetrieb einer Dampfturbine mit einem Gegendruck von etwa 0,1 bar zu.

Der erfindungsgemäße mit einem minimalen Rohstoff- und Arbeitsaufwand herstellbare Trennwand-Wärmeaustauscher oder gleichartige Trennwand-Wärmeaustauschplatten sind somit geeignet, einen Beitrag zur wirtschaftlichen Energieversorgung der Welt aus unerschöpflichen Energiequellen zu leisten.

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Claims (7)

pa;entanwalt2 9 3 7 A 7 DIPL.-ING.GERD COMMENTZ 7 STUTTGART 1 KLIPPENECKSTllASSE 4 · TELEFON (0711) 465h44 15. September 1979 C/F Sch 178 P Professor Dr.-Ing. Günter Scholl 7441 Wolfschlugen, Hauffstr. 14 Flacher, aus zwei dünnen Blechen oder Metallfolien bestehender Trennwand-Wärmeaustauscher Ansprüche

1.j Flacher, aus mindestens zwei dünnen Blechen oder Metallfolien bestehender Trennwand-Wärmeaustauscher, der mäanderförmig verlaufende Kanäle besitzt, die durch Einprägungen in eines oder in beide Bleche oder Folien oder durch zwischen die ebenen Fleche oder Folien eingelegte Körper gebildet sind und die Strömung eines Fluids mäanderförmig hin- un< herführen, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Kanäle (4) bei allen Betriebszuständen des Wärmeaustauschers (1) erheblich größer ist als der sich aus der Fluidmenge und deren Ablaufgeschwindigkeit einstellende Strömungsquerschnitt und diese Kanäle (4) über eine oder mehrere Öffnungen mit der den Wärmeaustauscher (1) umgebenden Außenluft in Verbindung stehen.

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2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der tnäanderförmig geformten Kanäle (4) durch eine besondere Zuteilvorrichtung (5) mit der jeweils gleichen Fluidmenge (21) versorgt ist.

3. Wärmeaustauscher nach dem Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuteilvorrichtung (5) zur gleichmäßigen Versorgung aller Mäanderkanäle (4) eine deren Anzahl entsprechende Anzahl von dem Fluid vollständig ausgefüllter langer Zulaufkanäle (10) aufweist, die alle die gleiche Länge und gleiche Anzahl von Krümmern (6) und damit den gleichen Strömungswiderstand besitzen, wodurch die durch die Zuteilvorrichtung (5) hindurchströmende Fluidmenge allein von dem Druckgefälle zwischen dem Ein- und Austritt des Fluids aus der Zuteilvorrichtung (7) bestimmt ist.

4. Wärmeaustauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (4) sowohl für die mäanderförmige Führung des Fluids in dem Wärmeaustauscher (l) als auch die Kanäle (7) der Zuteilvorrichtung (5) zur Erzielung eines relativ zum Durchflußquerschnitt kleinen hydraulischen Radius ein flaches, rechteckiges oder auch elliptisches Profil besitzen.

5. Wärmeaustauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß je nach dem gewünschten Fluiddurchsatz und der beispielsweise senkrechten oder auch in einem beliebigen Winkel zur Senkrechten geneigten

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Lage des Wärmeaustauschers (1) die langen Teilstücke (19) der mäanderförmigen Kanäle (4) mit Gegengefälle, horizontal, oder auch mit Gefälle in der Strömungsrichtung (22) angeordnet sind.

6. Wärmeaustauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (4) durch zwei zwischen ebenen Blechplatten (2,3) angeordneten, Ausstanzungen (14) aufweisenden und aus Kunststoff bestehenden Platten (15) oder mit Bitumen getränkten Pappen (15) od. dgl. gebildet sind.

7. Wärmeaustauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (4) teilweise mit einem die Durchflußgeschwindigkeit des Fluids hemmenden Docht od. dgl. ausgefüllt sind.

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