DE6901693U

DE6901693U - Waermeaustauscher

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Publication number: DE6901693U
Application number: DE6901693U
Authority: DE
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1968-01-24
Filing date: 1969-01-17
Publication date: 1970-06-11
Also published as: BE734306A; GB1246581A; JPS5113909B1; FR2000669A1; ATA566069A; FR2000669B1; NL6901052A; AT327244B; DE1966650A1; ES376609A1; CH514114A; CA1040025A; DE1902229B2; LU58874A1; DE1902229A1; ES362674A1; NO125510B

Description

Anmeldjrin: Stuttgart, den 7· Januar 1969

Haytheon Company P 1909 S/kg

iöxington, Mass., V.St.A.

Wärmeaustauscher

Die !Erfindung bezieht sich auf einen Wärmeaustauscher L

ι» für zwei strömende Medien mit einer zwischen den beiden {Γ

Medien angeordneten wärmeleitenden Trennschicht und I einem auf einer Seite der Trennschicht vorgesehenen - Ig

Durchlaß für das eine Medium« m

Die wirksame Übertragung von Wärme sowie der wirksame |

und wirtschaftliche Austausch von Wärmeenergie zwischen \

fließenden Medien, von denen das eine zu erwärmen oder i

abzukühlen ist, ist für die heutige Technik sehr wichtig· *

t »
ir

Die Interessengebiete liegen beispielsweise im Haushalt beim Kochen und Heizen und in der Industrie bei zahlreichen industriellen Vorgängen wie Kondensation, Destillation und Erwärmung. Bei der Technik des Wärmeaustausches ist der vollständige Übergang der Wärmeenergie von einem erwärmten strömenden Medium zu einem anderen Medium der wichtigste Parameter. Beispielsweise zeigt bei normalen Brennern, die eine beschränkte Wärme— _ Übergangsfläche haben, die Abgastemperatur, die einige

\£> hundert Grad betragen mag, an, daß eine beträchtliche

Menge der in dem Brennstoff enthaltenen Wärmeenergie nicht benützt und mit den Rauchgasen abgeführt wird· Daher sind bei heutigen Vorrichtungen zum Wärmeaustausch Wirkungsgrade zwischen $0 und 60?S allgemein üblich·

Eine Vergrößerung der Übertragungsfläche zwischen dem heißen und dem zu erwärmenden Medium mit Hilfe von Leit— wänden, Platten und anderen Hindernissen

, war bei den bekannten Anordnungen

bezüglich einer Verbesserung des Wirkungsgrades beim Wärmeübergang nicht von Erfolg begleitet· Ein Ausdruck,

Q der in der Technik häufig benützt wird, um die tjbnae—

Übertragungseigenschaften zu beschreiben, ist die "Leistungsdichte¹¹, die die Wärmeenergie angibt, die pro Zeiteinheit durch eine Flächeneinheit eines zu erwärme*».— den Körpers fließt· Bei bekannten Vorrichtungen wird normalerweise eine Leistungsdichte in der Größenordnung von etwa 15 W/cm der Übertragungsfläche beobachtet· Dieser liiert zeigt, daß mit Hilfe der zahlreichen» zur Verfügung stehenden Quellen hoher Wärmeenergie, wie :- beispielsweise einer direkten j?lasae, die die Fähigkeit

♦/.

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hat, eine Wärmeleistung von 7 kW abzugeben, honere Wirkungsgrade verwirklicht werden können, wenn die Leistungsdichte der tJbertragungsstruktur in geeigneter Weise verbessert werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeaustauscher zu schaffen, bei dem wesentlich höhere Leistungsdichten möglich sind,und der sich daher durch einen wesentlich besseren Wirkungsgrad auszeichnet. Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß in dem Durchlaß für das eine Meölua eine Tielzähl wärmeleitender Körper angeordnet ist, die in des Durchlaß eine optisch dichte Gittermatrix: bilden und deren durchschnittliche Größe im wesentlichen gleich des Maximum ist, das die optische Diciite in der la. wesentlichen kürzesten Dimension längs des Durchganges bewirkt und einen oder mehrere Wege für den ?lmß des entsprechenden Mediums durch die Gittermatrix bildet«

Der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher weist also eine kompakte Struktur für eine schnelle Übertragung der Wärmeenergie auf und es wird durch die Anordnung einer Vielzahl von thermisch leitenden Körpern in einer verbundenen» porösen Gittermatrix eine bedeutende Erhöhung der Leistungsdichte erzielt· In der Tat können durch die erfindungsgemäße Anordnung Leistungsdichten erzielt werden, die das 10- bis 100-fache der Leistungsdichte betragen, die in den bisher bekannten Wärmeaustauschern erreicht wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher bilden die Zwischenräume zwischen den aneinander-grenzenden Oberflächen der Körper der Matrix eänen gewundenen Pfad für ein strömendes Heiz- oder Kühlmedium. Die an die Gittermatrix angrenzende wärmeleitende Trennschicht ^ermöglicht den Durchfluß eines zweiten Mediums, das eine höhere oder tiefere (Temperatur aufweist als das die Gittermatrix durchfließende Medium, Die Porosität und Dichte der Gittermatrix, die aus einzelnen wärmelei— tenden Körpern zusammengesetzt ist« ist ein nichtiger ZosstruktioBsparaiieterj der su des wirksamen Wärmeaustausch zwischen den Medien führt» Gemäß der Erfindung ist eine optimale förderung für die Tiefe und die Porosität der Gittermatrix diejenige* daß die durchschnittliche Größe der thermisch leitenden Körper in wesentlichen gleich derjenigen Größe ist₄ die einen optisch dichten Pfad im wesentlichen in der kürzesten Distanz längs eines Durchlasses/für ein strömendes Medium ergibt· Zum Zwecke der Beschreibung der Erfindung wird der Ausdruck "optisch dicht¹· in bezug auf die Packung der einzelnen wärmeleitenden Körper , in solcher Weise definiert, daß ein Lichtstrahl _i der

' auf die resultierende Struktur gerichtet wird, nicht

direkt sichtbar ist, daß jedoch in den Zwischenräumen zwischen den einzelnen Körpern Lichtspuren bemerkt werden können, die auf innere Reflexionen und Lichtstreuung zurückzuführen sind. Die Wärmeübertragungs— matrix kann hergestellt wenden, indem die wärmeleitenden Körper durch übliches Hart- oder Weichlöten, Sintern oder Beschichten der einzelnen Körper mit Stoffen, die für solche metallogischen Verfahren geeignet sind, zusammengefügt werden.

"öder eines verengten Pfades

■ κ c e ·

Sin anderer Ausdruck, der für das Verständnis der Erfindung "und die Beschreibung der Parameter der einzelnen TssrHeleitenden Korper und des Weges des !maximalen ISärmeflusses nützlich ist, ist die "charakteristische Dimension". Dieser Ausdruck soll den Abstand zwischen "benachbarten wärmeleitenden Srennschichten eines Durciilasses bezeichnen, der von der optisch dichten Gitteraatrix ausgefüllt wird und durch den eines der Medien fließt. Bei einer kreis—

w i&rmigen Anordnung, "bei der sich die Matrix im Inneren,

"befindet, ist die charakteristische Dimension der Durchmesser des banales* der das strömende Medium enthält* Bei flachen oder ebenen Anordnungen* die Im Abstand voneinander parallele, wärmeleitende Trennschichten aufweisen, zwischen denen sich die Gitter·» matrix "befindet, "bezeichnet der Ausdruck den Abstand zwischea de^. parallelen fTrennschichten· Bei Anordnungen* die in eine- äußere Gitteraatrix eingebettete Leitungen für ein Medium, aufweisen, soll dieser Ausdruck den Abstand zwischen benachbarten 2rennschichten der Leitungen bezeichnen« Wenn kreisiTöradge Leitungen benutzt werden,

ji. dann kann die charakteristische Dimension durch HittoLung

der Abstände an bestiisaten !Punkten bestimmt werden·

In folgenden werden anhand der Zeichnung mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben, einschließlich einer in eine optisch dichte Gittermatrix eingebettete, schraubenförmige Schlange* Solch eine Anordnung ergibt eine wirksame Heißwasserquelle für den Haushalt

fAHQ

· e. e« e

· · es· β

• ·

-und kann vorteilhaft an Jeder gewünschten Verbrauchs-

stelle angebracht werden· Eine andere Ausführungsform

§ der Erfindung macht von der Anordnung wärmeleitender

"Körper sowohl innerhalb einer Mediumleitung als auch außerhalb dieser Leitung Gebrauch, um Wärmeleistungsdichten bis zu 1500 W/cm aufzunehmen , wie es beispielsweise - für die Kessel von Feuerungsanlagen von Interesse ist« Der mit der Erfindung erzielbare Wirkungsgrad hat eine bedeutende Reduktion im Platzbedarf und in den Kosten €1) für die Wärmeaustauscher 2ur ?olge·

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden Beschreibimg zu entnehmen» In ά&ΐ: die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert wird· Sie der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden· Es zeigen:

Pig· 1 einen vertikalen Querschnitt durch, eine Ausführungsform der Erfindung zum Erwärmen einer durchlaufenden Flüssigkeit mit Hilfe einer äußeren Matrixanordnung,

Fig· 2 das Detail 2-2 der Anordnung nach Fig. 1 in vergrößertem Maßstab,

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 durch die Anordnung nach Fig. 1,

V ä* i\

0 yυ10 y

C ( · m ·<κ mm mm

Fig. 4 eine scnematische DarsteÜtmg zur Veranschaulichung der Hauptparameter der erfin&ungsgemäßen Matrix,

Fig· 5 eine schematische Darstellung eines Wärmeübertragers mit ebenen Flächen_t

Fig. 6 eine schematische Darstellung der Einbettung von Mediumleitungen in eine äußere Matrix»

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines vollständigen Systems, das die Anordnung nach den
Fig. 1 bis 5 enthält,

Fig. 8 einen Vertikalschnitt durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 9 einen Horizontalschnitt durch die Ausführungsform nach Fig. 8 längs der Linie 9-9₅

Fig, 10 einen Vertikalschnitt durch eine weitere Aus— Γ > führungsform der Erfindung, die für eine sehr

hohe Leistungsdichte eingerichtet ist,

Fig. 11 einen Vertikalschnitt längs der Linie 11-11
durch die Anordnung nach Fig. 10 und

Fig. 12 einen Teilschnitt durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung.

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-S-

das bevorzugte Äusrührungsbeispiel nach den Fig. 1 bis 5 in einzelnen beschriebes wird, ist es zweckmäßig, anhand der Fig. 4 bis 6 das Prinzip der Erfindung zu erläutern. Fig. 4· veranschaulicht eine Anordnung zur Wänaeübertragung, die eine hohe Wärmeübergangsrate aufweist und von einer Struktur Gebrauch macht, die längs des Weges des Wärmeflusses eine optimale Leistungsdichte ermöglicht. In dieser Struktur sind_ thermisch leitende Körper an anednandergrenzenden Oberflächen metallurgisch miteinander verbunden und bilden längs des V/eges des Mediumflusses eine optisch dichte Gittenaatrix ii (barrier matrix). Die Zwischenräume zwischen den Körpern definieren einen gewundenen Wärmeübertragungsgrad· In der Zeichnung sind sphärische Körper wie Schrot oder Lagerkugeln dargestellt, obwohl gleichartige Resultate auch mit anderen, ähnlich angeordneten Körpern erzielbar sind, deren Gestalt und Dimensionen die von der Erfindung gestellten Forderungen erfüllen. Geeignete thermisch leitende Stoffe sind beispielsweise Kupfer, Messing, rostfreier Stahl, Kohlenstoffstahl und Aluminium sowie Kunststoffe, in die Metallteilchen eingebettet sind. Eisen oder kupferhaltige teilchen können mit einem eutektischen Kupfer-Silber-Lot überzogen und es kann die gesamte Matrixanordnung nach einem bekannten Verfahren zu einem Konglomerat verbunden sein, beispielsweise durch Löten, Sintern oder Schweißen. For aus Αΐτπτηττίητη bestehende leitende Körper mit eine iüauchlöttechnik angewendet werden.

Eines der Konstruktionsmerkmale » das bei der Anwendtmg der Erfindung "beachtet werden muß ,ist das Einhalten der mittleren liaximalgröße für die Körperteilchen, damit eine optisch dichte Matrix mit möglichst geringer Länge in Richtung des Mediumflusses erzielt wird. Ein längs des durch den Pfeil 13 angedeuteten Weges strömendes Medium trifft auf die optisch dichte Struktur, die mit einer Fläche einer leitenden Trennschicht 12 verbunden ist. Durch die Anbringung einer Anzahl von Körperteilchen 10, die so angeordnet sind, daß sie in der optisch dichten Gittermatrix einen gewundenen Wärmeübertragungspfad bilden, wird der Gesamtwirkungsgrad des Wärmeaustauschers verbessert. Der Weg des Flusses der Wärmeenergie von dea die Matrix 11 durchfließenden Medium und der Oberfläche der Trennschicht 12 ist durch einen Pfeil 14· angedeutet und hat einen Wärmeübergang zu dem Medium zur Folge, das die entgegengesetzte Oberfläche 15 der Trennschicht 12 berührt.

Eine andere Forderung für eine wirksame Anordnung zur Wärmeübertragung auf der kürzest möglichen Strecke längs des Y/eges des Wärme.flusses betrifft die Anzahl der Ver—

oder Abzweigungen
bindungsstellen/in jeder Richtung von der Stelle des Wärmekontaktes längs des Wärmeweges zu der nächstliegenden leitenden Trennschicht. In Fig. 5 ist eine Matrixanordnung 16 zwischen den Oberflächen von im Abstand voneinander angeordneten Trennschichten 17 und 18 vorgesehen. Solche Flächen können sich beispielsweise zwischen den Wandungen innerhalb einer Leitung oder zwischen den äußeren Wandungen im Abstand voneinander angeordneter Leitungen ergeben· Der Weg des Mediumflusses ist durch

- 10 -

einen Pfeil 19 angedeutet. Es wurde festgestellt, daß mit optisch dichten Anordnungen optimale Ergebnisse erzielt werden, wenn die Verbindungen aneinandergrenzender Flächen in einer gewünschten Richtung des Y/ärmeweges in der Größenordnung von zwei solcher Verbindungen liegt· Die in 'J-'ig· 5 dargestellte Matrix-Struktur ist eine innere Anordnung und kann in kreisförmigen oder rechteckigen Leitungen sowie zwischen flachen, ebenen Platten verwendet werden.

Die oben definierte» verbleibende Forderung ist die charakteristische Dimension, die in Fig. 5 durch den Pfeil GD c^ls der Abstand zwischen den parallelen Grenzflächen 17 tind 18 angegeben ist. Für die höchste Wärme— Übergangsrate bei einer optisch dichten Gittermatrix kann der Wärmeweg zu den nächsten Grenzflächen für ein längs des Weges 19 gerichtetes fließendes Medium durch die senkrecht gerichteten Pfeile 20 und veranschaulicht werden. Die maximale Länge des Wärmeweges .durch die Matrix von dem Medium bis zur nächsten Grenzfläche beträgt dann die Hälfte der charakterif.tisehen Dimension der Anordnung. Für Gitteranordnungen, [ die von diskreten Körpern Gebrauch machen, soll die

jj. :. mittlere Größe 3edes der. Körper vorzugsweise etwa

ein Drittel der charakteristischen Dimension der

- I₁ Anordnung betragen. Körper mit wesentlich größeren [ Abmessungen, beispielsweise mit mehr als der Hälfte

[ der charakteristischen Dimension, wurden zusammen nicht

eine genügend optisch dichte Anordnung bilden· Tat— sächlich wäre eine solche Anordnung für die Obertra-

f gung zusätzlicher Mengen von Wärmeenergie unwirksam,

f Am anderen Ende des Bereiches verletzen theraisc&

leitende Körper, deren Durchmesser

€ I Ii I t

C* · ItI »ft·*

kleiner ist als ein Sechstel der charakteristisclien Dimension» die Forderung "bezüglich, der A-ny-ani, der Verbindungsstellen und vermindert dadurch, die Wirksamkeit der thermischen Leitfähigkeit der Vorrichtung zur Wärmeübertragung·

Pig. 6 veranschaulicht eine Ausfüarungsfora der Erfindung, bei der im Abstand voneinander angeordnete Leitungen für ein fließendes Medium in eine Gittersatriz eingebettet sind xuid ein zweites fließendes Medlirci aizf den Bereich, a^rischsn dsn. Leitungen gexdoktet ist ^ wie es durch, den PCeil 22 angedeutet ist· Dieser Aufbau wird als externer Typ bezeichnet und es sind auch." hier wieder die Konstruktionskriterien bezuglich, der A-ngani der Verbindungsstellen und der optischen Dichte der Matrix anwendbar« Bine Leitung 23 mit kreisrundes Querschnitt j die aus einer A-ngafoi geradliniger paralleler Abschnitte oder einer spiralförmigen Schlange bestehen kann, ist in die G-ittermatrix 24- aus thermisch, leitenden Körpern eingebettet _t die nach, der Erfindung aufgebaut ist. Die charakteristische Dimension dieses Aufbaues ist zwischen den Wandflächen der Leitung gerechnet und ist durch Bildung des Mittelwertes aus der Dimension A sowie der Dimension B abgeleitet, die den größten Abstand zwischen den Leitungen angibt. Längs des Weges 22 gerichtete Wärmeenergie durchläuft Wärmewege zu den benachbarten Leitungswänden, die durch Pfeile 25 und 26 angedeutet sind· Wie bei dem in Pig» 5 dargestellten Beispiel ist wieder das Maximum des Wärmepfades vorzugsweise gleich der halben charakteristischen Dimension

6Α

■ e-»e--> es e»

- 12 -

oder dem halben mittleren Abstand zwischen den in Abstand voneinander angeordneten Leitungswänden. Die der gelöteten Verbindungsstellen, von der Auftreffstelle aus gezählt, liegt in der Größenor von Zwei, und es liegt die mittlere Größe der Körper zwischen der Hälfte und einem Sechstel der charakteristischen Dimension bei der geforderten Dichte.

Die hohe Wärmeübergangsrate oder die erhöhte J-eistungs— dichte, die durch die Erfindung erzielt wird, Va-n-p wohl dex^ großen Anzahl von Oberflächen zugeschrieben werden, die von dem leitenden Bereich jedes der Körperteilchen der Matrix gebildet wird» Das strömende Medium kozamt daher mit einer größeren» Wärme aufnehmenden Oberfläche in Berührung, als es ohne den gewundenen "!Tärmeübertragungspfad durch die erfindungsgemäße Gittermatrix-Anordnung möglich wäre· Bei Ausführungsformen der Erfindung, wie sie noch beschrieben werden, sind relativ hohe Leistungsdichten erzielbar, die bis zu 15ΟΟ Watt pro Quadratzentimeter der Fläche des zu beheizenden Körpers und pro Zeiteinheit betragen können· Beim Vergleich mit bekannten Anordnungen, ■ bei denen nur Leistungsdichten von etwa 15 Watt pro Quadrätzentimeter und pro Zeiteinheit erreichbar sind, wird deutlich, daß durch die Erfindung eine Verbesserung um mehrere Größenordnungen möglich ist· Eine zur Bestimmung der Konstruktionskriterien für eine Anordnung nach der Erfindung nützliche Gleichung ist die folgende:

(Temperaturabfall)(Wärmeleitfähigkeit (1) Wärmeweg L = des Materials;

Wärmefluß

Der Ausdruck "Wärmefluß" bezieht sich auf die zugeführte Wärmeenergie und kann in Kilokalorien pro Stunde und

• · · · ■ *ci

C · ■ S

- 13 -

Quadratzentimeter der Pläche der Trennschicht angegeben werden, durch die die "Wärme übertragen werden soll. Die "Wärmeleitfähigkeit des Materials ist eine Konstante, die leicht entsprechenden Tabellen entnommen werden kann· Biese Größe gibt die Wärmemenge an, die durch eine Flächeneinheit des erwärmten Körpers fließt, wenn der Temperaturgradient einen Einheitswert hat. Wie oben angegeben, gibt dann der Wärmeweg die Hälfte der charakteristischen Dimension der Anordnung an. Die Dimensionen <L&v Körperteilchen der Äatrix können dann O leicht nach diesem Wer* der charakteristischen Dirnen.= sion berechnet werden* Die Anwendung dieser Gleichung wird in folgenden in bezug auf eines der beschriebenen Ausführupgsbeispiele demonstriert-,

Zn den Pig. 1 bis 3 ist eine hochwirksame Tand praktische Äiisführungsfom der Erfindung veranschaulicht, die nun erläutert wird» Sise schraubenföraige Schlange 30 ist in eine e^ctern angeordnete, gesinterte Gittennatrix 31 eingebettet;, so daß die Matrix die Schlange umgibt. Die iäatrix 3Ί besteht aus einzelnen, therEJiscl- leitenden s Körpern^ die geaaß den Lehren der Srfindung, wie sie

. oben erlätitert wordisa sind, die gewünschte optische j Dichte bewirken· Die thermische Leitfähigkeit, der

zulässige druckabfall mid die Leistungsdichte bestimmen die Steigung, den Durchmesser und die Gesamtlänge der Schlange» woraus sich der naxisial zulässige Vränaeweg ergibt. Hierdurch ist wiederua diö charakteristische

Dimension bestimmt. Die Forderungen für die Ausbildung der Matrix werden dann von dea Wert der charakteristischen

ß UfH

- 14 -

I Dimension abgeleitet;· Sin ~sH-m:=?a 52 und ein Auslaß

j der Sehlange 31 sind sit der Wasserquelle bzw· einer

I Vorrichtung zur Benutzung des flüssigen Mediums ver-

1 bunden· Das Einbetten der Schlange in die Gittersatrix

1 kann erfolgen, indem die schraubenförmige Schlange 30

I in einen zylindrischen Raus eingesetzt wird, der von

j zwei konzentrisch angeordneten, rohrförmigen 3?ormteilen

I aus einem Material begrenzt wird» das sicn nicht axt

S -^ den Korperteilcnen verbindet, deren Diiaensionen zu dea

I W Wert der cbarakteristisclxen Dimension in Beziehiazig

I st@h£n· Die ^oxsrteile ^abea. vex-aeiixedeiieiSicciiAesser

I und es kann de? ringförmige Baus zwischen dieses. Pora-

I teilen mit den einzelnen Xoxperteilcnen ausgerollt

I werden· Durch, schütteln und vibrieren der Gesamten-

I Ordnung läßt sich, dis gewünschte Yerteilung der Xörper

f rund um die Windungen der Schlange erzielen* Sie Gesast—

I anordnung wird dann bei der erforderlichen Temperatur

? metallogisch, behandelt und es werden dann die ?orateile

I entfernt· Die aus der äußeren G-itteraatrix und der

I Schlange bestehende ^esantstruktur wird dann in der

I ' dargestellten Ausführungsform der Erfindung montiert

ί und es wird von der TCärm'sübertragungsisatrix eine zentrale

Verbrennungskaiamer 38 definiert·

I In typischer Weise kann eine Brennerplatte 3^- vorgesehen

I werden, die eine Vielzahl von Kanälen 35 zum Einlaß eines

I Luf^-Gas-Gemisches unter Druck in die Verbrennungskammer

", 38 aufweist, das von einer mit der Leitung 36 und dem

I Pitting 37 verbundenen Quelle geliefert wird· . In der

ι ßrennerplatte 34- ist seitlich und im Winkel eiae J&ünd—

ι vorrichtung 4-0 bekannter Konstruktion angeordnet, bei—

\f ν \f I Kf if

spielsweise eine funkenstrecke, die die erforderliche Entzündung der gasförmigen Brennstoffmischtmg bewirkt. Eine äußere Wandung 41 umgibt die der Wärmeübertragung dienende Anordnung und es führt ein Rauchrohr 42 für die Abgase zu einem nicht näher dargestellten, üblichen Schornstein. Eine Deckplatte 43 ist mit der Anordnung zur Wärmeübertragung und der Leitung beispielsweise mit Hilfe von Muttern und Schraubbolzen befestigt, die teilweise in die Matrix eingebettet sind.

Eine praktische Ausführungsform einer Y/ärmeübertragungseinheit, wie sie anhand der Fig. 1 bis 3 beschrieben worden ist, hatte als Abmessungen etwa 12,5 cm im Durchmesser und etwa 12,5 cm LLnge und wurde dazu benutzt, einen kontinuierlichen Heißwasser strom von etwa 11 l/m zu erzeugen. Der Brenner für die Wärmeübertragungseinheit sowie alle elektrischen Steuereinrichtungen, einschließlich eines Thermostates, eines Luftfilters und Sicherheitsvorrichtungen waren zu einem Gerät zusammengefaßt, das eine Höhe von etwa 15 cm, eine Breite von etwa 27_S5 cm und eine Gesamtlänge .von etwa 45 cm auf— wies. Solch ein Wärmeübertragungsmodul kann übliche Heißwasserbereiter vom Speichertyp ersetzen, wie sie heute üblich sind und Durchmesser von etwa 60 cm und Höhen von etwa 180 cm aufweisen. Das neue verbesserte Gerät kann bequem nahe der Verbrauchsstelle montiert werden. Im Hinblick auf die extrem geringen Kosten können auch viele solcher Geräte eingebaut werden, wodurch erhebliche Kostenersparnisse hinsichtlich der Installationen möglich sind, wie sie bei heutigen zentralisierten Haushalts-Heißwasserbereitungssystemen anfallen«

Bei der Asorunimg mica Fig. y ist die Ausführungsform der Erfindung nach, den Fig. 1 Ms 3, einschließlich der zugehörigen Bauteile, in ihrer Gesamtheit als V/äraeübertragungsnodul 50 bezeichnet. Ein Gebläse 51 ist mit Hilfe des Fittings 37 angeschlossen und fördert die Luft- und Gasmischung in die Brennkammer 38» Von einer Quelle 53» die jedes handelsübliche Stadt-, Erdoder Flaschengas liefern kann, wird das Gas über ein Magnets teuerven-sii *&■ und einen Regler 55 zum Einlaß Ks des Gebläses 51 geführt. Für die meisten Zwecke genügt

ein Gebläse kleiner Abmessungen und billiger Ausführung. Der seitlich von den Uarneubertragusgssodul 5Q abstehende Abzug 42 ermöglicht den Austritt der Verbrennungsgase zu einem üblichen Auslaß« üegen der Wirksamkeit der Wärmeübertragung und der Tatsache, daß die Abgastemperatur außerordentlich niedrig ist, genügt eine kleine Abzugsöffnung in einer Wand, wie sie beispielsweise für Haushaltswäschetrockner benützt wird. Es wird kein Schornstein mit natürliches Zug benötigt, was ebenfalls eine Ersparnis von Baukosten zur Folge hat. Die Wasserversorgung ist durch die Bezugszahl 5*> angedeutet und es wird das erwärmte Wasser durch die Leitung 57 einem Zapfhahn 58 für den sofortigen Gebrauch zugeführt. lit der Leitung 57 kann ein auf temperatur und Druck ansprechendes Sicherheitsventil 59 angeordnet sein. Es ergibt sich demnach, daß große Speichertanks oder Boiler, · ,wie sie heute als Warisa asser quellen benutzt werden, vollständig vermieden werden können. Statt dessen wurde eine kompakte und einheitliche Quelle offenbart, die leicht unmittelbar an der Stelle installiert werden kann, wo sie benötigt wird, beispielsweise in Badezimmer oder in der Küche.

.A

Die zugehörige Schaltung zur Steuerung des Gebläses sowie der Thermostat und die Zündüberwachung zusammen mit dem Magnetventil für die Gasquelle wurden nicht besonders beschrieben, denn es handelt sich um handelsübliche Bauteile und es erfolgt der Einbau dieser Kittel nach der bekannten Technik.

Bei der Ausführungsform nach den Pig. 8 und 9 ist ejjae Gruppe geradliniger Bohre 61 in sine Gittersatrix 62

($ · eingebettet, die aus thermisch leitenden Körpern besteht,

wie es oben beschrieben wurde. Eine obere Endplatte 63 ist mit einem Mediumeinlaß 64- versehen und mittels Muttern 65 an Schrauben 66 befestigt, die in einen Ring 67 eingelassen sind. Die optisch dichte Matrix 62 umgibt die geraden Rohre 61, die darin eingebettet sind· Die Enden dieser Rohre und des Einlasses 64· stehen mit einem Kanal 68 auf der Innenseite des Ringes 6? in Verbindung. Eine gleichartige Anordnung ist am entgegen— . gesetzten Ende der Matrix vorgesehen und umfaßt eine untere Endplatte 71 und einen angrenzenden Ring 70? der mit einem inneren Kanal 68a versehen ist, in den die Enden der Rohre 61 münden. An dem unteren Ring 70 ist ein Mediumauslaß 72 angebracht. Die untere Endplatte 71 weist weiter eine Anzahl von Kanälen 73 für ein Gas-Luft-G^OTaisch auf, das in die Anordnung durch. .ν-'*"ν,: eine Leitung 74- eingeführt wird. Die Zündung des Brenn-.-' -' stoffes innerhalb der Kammer 75 wird durch eine Zündkerze 76 bewirkt, die von der oberen Endplatte 63 getragen wird·

Die Ausführungsform nach den Fig. 10 und 11 ist für Anwendungen mit sehr hohen Leistungsdichten bestimmt.

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Bei dieser Ausführungsform sind die Leitungen 77 und 78 konzentrisch, zu einer genieinsamen Achse angeordnet. Die äußere Leitung 77 ist an beiden Enden durch leitende Platten 79 und 80 verschlossen» Ein Einlaß 81 ermöglicht den Zutritt eines flüssigen Mediums, wogegen ein Auslaß 82 den Austritt des . Mediums in erwärmtem oder dampfförmigem Zustand zuläßt. Die innere Leitung 78 ist an ihren Enden

" OffSE, SO cLcuj SjLZL 5Χϊτ£ϋ2ΐοβ5 MedJLtZiü, wie Beispiels—

weise die Gase einer direkten. Sauerstoffgasflamme, durch das Innere 85 dieses Roüres strömen können»

Die S«römungsrichtung ist durch den Pfeil 84 angedeutet· Eine optisch dichte Jlatrixanordnung 85 besteht aus einer Vielzahl thermisch leitender» sphärischer Körper, c\ie miteinander verbunden sind» um gemäß den I lehren der Erfindung den Wärmeübertragungspfad zu

I bilden. Die Hatrixanordnung 85 nimmt den Kauptteil

I des Querschnittes der Leitung 78 an und es ist die

% charakteristische Dimension dieses Gliedes gleich

I des inneres Durchmesser· der kreisförsdgen. Leitung,

|l ' wie es durch, den Pfeil 86 und die Bezeichnung CD an-I gedeutet ist·

I Eine gleichartige Gitteraatrix 87 füllt den Querschnitt

I der äußeren Leitung 77 aus. Da die innere Gittenaatrix

ρ 85 säur einen Seil der Gesamtlänge des Innenraumes

I . zur Konzentration des heißen Mediums einnimmt, befin—

[" det sich, der Wärmeübertragungsbereich zwischen den

S Medien in den. entsprechenden Leitungen im wesentlichen

! j in dem durch, die KLammer 88 angegebenen Baus. Dieser

I Aufbau, ermöglicht die Anwendung bei sehr hohen Leistungs-

I dichten.

f -Λ

Sin Beispiel für die Anwendung der oben angegebenen Gleicliuxig (1) "bei der Übertragung -von ^ärnie von eines? intensiven Wärmequelle sei für die AusiSüirungsforaii nach den Fig. 10 und 11 gegeben. Unter Verwendung einer direkten Flamme sei angenommen, daß in der Flainaen— Xlacke eine Leistuzxgsdielite von etwa I5OO W/ce erzielt wird ι»^. trotsdes. sit Silber ?^τ _ Kupferteilchen verwendet werden können. Weiterhin sei angenommen, daß der Temperaturabfall- 55°C betragen soll, Kupfer hat eine thermische Leitfähigkeit von etwa 3 kcal/h, cm. ⁰C* In der endgültigen Struktur wird jedoch wegen der gelöteten Verbindungsstellen und der optischen Dichte der Wärmewege eine nur geringere Leitfähigkeit erreicht* Sin Leitfähigkeitsfaktor von 50 5» ergibt einen realisierbaren Konstruktionsfaktor. Unter Verwendung der anderen bekannten Werte wird die Länge des Wärmeweges L wie folgt berechnet:

55° C χ 1,5 kcal/h.cm.° C '

L = * = 0,635 cm

130 kcal/h.cm

Die charakteristische Dimension ist gleich dem Zweifachen der Länge des Wärmepfades und beträgt demnach 1,27 cm. Ein thermisch leitender Körper mit einer mittleren Größe von etwa 2 - 6 mm wird demnach benötigt, um die optimal optische Dichte zu erzielen. Für die meisten Anwendungen wird für die Größe des thermisch leitenden Körpers 1/3 der charakteristischen Dimension, d.h. hier eine Größe von 4= mn, bevorzugt.

- 20 -

Bei der in Pig* 12 dargestellten weiteren Ausführungs— fom der Erfindung ist eine schraubenförmige Schlange mit einer Vielzahl von Windungen 90 in eine äußere Matrix 9"i eingebettet. Wenn für die Matrixkörper, die die Schlange umgeben, die richtigen Konstruktionswerte gewählt worden sind, kann das Innere der Schlange mit anderen leitenden 5?eilcxien gefüllt werden, die nicht die gleichen kritischen Forderungen zu erfüllen brauchen. 3)aher können bei Dampferzeugern oder in Kondensatoren Teilchen -sie Geflechte * Drähte, Schnitzel, Späne und flggglftl chfm zrRTme>n&&itz w&Da&TLf ~&ί.& sie bei 92 angedeutet sind» Bine solche Struktur zum Ausfüllen der Leitung ist für die industrielle Anwendung der Erfindung von. besonderer Bedeutung*

Die vorstellenden Ausführungen haben die Vorteile der Zoapaktheit und Uirksaakeit der offenbarte WärmeübertragungsanoiidEung gezeigt, die darin liegen, daß die optisch dichte liatrixstruktur bedeutend erhöhte Leistungsdichten ermöglicht» Sie Sonstruktionskriterien bezüglich der Arigafoi der Verbindtsngsstellen längs des Wärmeweges und der durchschnittlichen Größe der thermisch leitenden Körper in bszug auf die charakteristische Dimension zua Erzielen der gewünschten optischen Dichte wurden im einzelnen behandelt;· Die obige Diskussion und beispielhafte Anwendung öer Gleichung erleichtert die Anwendung der Erfindung in der Praxis-. AtaBer den Ausfiihrxaigsbeispielen lassen sich für andere Anwendungszwecke zahlreiche andere Gestaltungen denken. Beispielsweise können die theraisch leitenden Körper, die sich bei den

: ι - sein.

Aus:fii^-rungsceispielen nach, den Figo 1 und 8 mit; den äuBersrfcen WandungSilächen der Sohre in Berührung befinden, weggelassen «?e2?den_s so daß dieser Abschnürt der die Treimsch±oh-t bildenden Iieiirangswände freile£rc. Der ITärseubertragürigsweg innerhalb der Ma^ferix zwischen den ia Abstand ironeinander angeordne1;en Lei"&ungsab— sckaiirfcen »rärde urot;zdeni noch inaaer durch die -fcherieiseh leitenden Körper is Wege des IdeditcHstromes besiiiiam-fc

s2i alle dem

beschriebenen AüsfüiLrungsbeispiele ζσοσ zur Erläu— -fcerung der STiindung dienen j ohne die Sr£indung ia irgend einer Weise zu beschränken, xmß. daß Abweichungen von diesen AusiührxEngsbeispielen sögüc'ii sind, ohne den Sahmen der Erfindung zu verlassen*

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Claims

• ttil ·

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Schtttjtansprüche

1. Wärmeaustauscher für zwei strömende Medien mit einer sraischen den beiden Medien angeordneten «Tärmeleitenden iErennschicht und einem auf einer Seite der iDrennschieht vorgesehenen Durchlaß für das eine Medium, daöurch gekennzeichnet, daß in diesem Durchlaß eine Vielzahl wärmeleitender Körper (10) angeordnet ist, die in dem Durchlaß eine

£1 ^f optisch dichte Gitternatrix (11) bilden und deren

<iu?eii3eii2i/&süelie GröSs? ^a wesentlichen gleich dem Maxiisus ist» das die optische Dichte in der is wesentlichen kürzesten Dimension längs des Durchganges bewirkt und einen oder stshrere ^7ege für den i?!uß des entsprechenden Hediuas durch die Gittermatrix (11) bildet*

2* War.asaustauscher nach Anspruch 1, dadujpch gekennzeichnet, daß die Körper (10) "Eärseleitend miteinander und vorzugsweise auch axt der Srenaschicht (12) verbunden sind.

5· Wärmeaustauscher nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Körper (10) miteinander und gegebenenfalls mit der QJrennschicht (12) metallogisch verbunden sind«

4. Wärmeaustauscher nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die durchschnittliche Anzahl der Verbindungsstellen zwischen aneinandergrenzenden Flächen längs des Übergangspfades in der Richtung (14), in der die an nächsten

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liegende Fläche der Trennschicht (12) erreicht wird, in der Größenordnung von Zwei liegt·

5· Wärmeaustauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch geicennzeiehnet, daß die Trennschicht eine den Durchlaß für das Medium "begrenzende Wandstruktur (17* 18) bildet und die durchschnittliche Größe der wärmeleitenden Körper (16) etwa die Hälfte bis ein Sechstel und vorzugsweise etwa ein Drittel der charakteristisch,^ Dimension (CD) der Wandstruktur beträgt·

6* Wärmeaustauscher nach üineia der vorhergehenden* Ansprüche, dadurch gelfpfmzeichnet, daß die Trenn wand .von der Wand einer Leitung (23) ftzr eines der Medien gebildet wird und die wärmeleitenden Körper (24) an der Außenseite der Leitung (23) angeordnet sind und einen gewundenen Weg bilden, auf dem das zweite Medium die optisch dichte Gittermatrix (24) durchströmen kann·

7· Wärmeaustauscher nacn Anspruch 6, dadurch^gekenn— zeichnet, daß die Leitung (30; 61) mehrere Windungen oder mehrere parallele Abschnitte aufweist und die mit der Außenseite der Leitung ($0; 61) verbundene Gittermatrix (31 bzw· 62) einen oder mehrere Wege für den Fluß des zweiten Mediums zwischen den im Abstand angeordneten Windungen bzw· Leitungsabschnitten hindurch Dildet.

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so ι

8. Wärme aus fans eher nach, den Ansprüchen 6 und 7.

dadurch gekennzeichnet, daß die Gittermatrix (31; 62) einen zylindrischen Hohlkörper mit einem zentralen Durchlaß (38 bzw, 75) bildet.

9* Wärmeaustauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand von der Wand einer Leitung (78) für eines der Medien gebildet; wird und die optisch dichte Matrix (85) den inneren Querschnitt der Leitung (78) im wesentlichen ausfüllt.

10. Wärmeaustauscher nach Anspruch % dadurch/gekennzeichnet, daß konzentrisch zur Leitung (78) eine zweite Leitung (77) angeordnet ist, mit der das andere Medium auf einem Weg in unmittelbarer Nähe der äußeren Wandflache der ersten Leitung (78) geführt wird.

11. Wärmeaustauscher nach den Ansprüchen 9 ^nä- 10, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Leitung (77) eine Gittermatrix (87) angeordnet ist, die im wesentlichen den gleichen Aufbau aufweist wie die Matrix (85) in der ersten Leitung (78)·

12. Durchlauferhitzer mit einem Wärmeaustauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Einrichtung zum Erwärmen des zweiten Mediums in dem Durchlaß (38) aufweist.

durchlauferhitzer nach Anspruch Ί2, dadurch gekennzeichnet j daß die Einrichtung aus Srv/ärnen des zweiten Mediums einen Brenner (57, 35) umfaßt, mit dem Brennstoff in den Durchlaß (3β) indiziert wird.

Durchlauferhitzer nach den Ansprüchen 12 und dadtirch g^ennzeichnet, daß die Einrichtung zum. Erwärmen des zweiten Mediums ein Gebläse (5Ό aufweist.

15· Durchlauferhitzer nach einesi der .saspruche i2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, äaß die Einrichtung zun Erwärmen des zweiten Mediums eine Zündeinrichtung (40) umfaßt.

16. Durchlauferhitzer nach einem der Ansprüche 12 bis dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende des Durchlasses (38) verschlossen ist·

I?. Durchlauferhitzer nach einem der Ansprüche 12 bis dadurch gekennzeichnet, daß in der Leitung (90) eine Vielzahl wärmeleitender Körper (92) enthalten ist.

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