Turbulenzstrom-Wärmeaustauscher Auf zahlreichen Gebieten der Industrie zeigt sich die Notwendigkeit der Kühlung und Heizung verschie denster Stoffe, was häufig äusserst problematisch ist, da Medien von niedriger Wärmeübergangszahl (a) nur mit sehr geringem Wirkungsgraderwärmt bzw. gekühlt werden können.
Es wurde versucht, dieses Problem mittels Wärmeaustauscher verschiedener Konstruktion zu lösen und die Wärmeaustauscher mit Turbulenz strömung auszuführen. In den meisten Fällen werden Wärmetauschflächen in Form von Rohrbündeln an gewandt, wobei es oft versucht wird, die Rohre für Gegenstromführung der Kühl- oder Heizmittel anzu ordnen.
Bei der Bemessung bzw. Fertigung der Wärmeaus- tauscher sieht man im allgemeinen die Möglichkeit zur Erreichung der nötigen Leistung in der Wahl der Wärmetauschfläche entsprechender Grösse; infolgedessen werden überdimensionierte Wärmeaustauscher ver wendet. In vielen Fällen führt jedoch auch dies nicht zum erwünschten Erfolg, besonders wenn z. B. das eine Mittel Öl ist, bei dessen Kühlung das kältere Öl an den Kühlflächen anhaftet und sich dort wie ein Isolier material verhält.
Dieses Problem taucht vor allem auf denjenigen Gebieten auf, wo das Öl der Wärmeenergie träger ist und wo man, nebst einer hohen Inanspruch nahme, einen konstanten Schmierwert (Viskosität) er zielen will. Ein Beispiel dafür sind die mit Öl betätig ten hydraulischen Maschinen, bei denen die durch die Temperatur verursachte Viskositätsänderung des Öls eine Änderung des Druckwertes mit sich bringt, was hinsichtlich der tadellosen Arbeit sehr unerwünscht ist.
Ähnlich ist der Fall bei der Schmierung von Dampf turbinen und grossen Dieselmotoren, bei denen sich zu folge der Erwärmung des Ölstromes die Viskosität und in gleichem Verhältnis auch der Schmierwert des Öls verringert.
Sämtliche Stoffe hoher Viskosität verhalten sich, im Falle von Wärmeaustausch, dem Öl ähnlich.
Gewisse Flüssigkeiten und Gase verfügen, unab hängig von ihrer Viskosität, über eine ebenfalls sehr niedrige Wärmeübergangszahl, was sich vor allem bei der Kühlung in einer schädlichen Wirkung bemerkbar macht.
Die Erfindung bezweckt die Beseitigung der oben umschriebenen Nachteile. Der vorgeschlagene Turbu- lenzstrom-Wärmeaustauscher, bei welchem zwei Wärme austauschmittel voneinander getrennt im Inneren eines Gehäuses strömen, ist dadurch gekennzeichnet, dass in diesem Gehäuse wenigstens zwei schraubenlinienförmige Führungsorgane so dicht ineinander angeordnet sind, dass das eine um diese Organe strömende Mittel mehr mals umgelenkt wird.
Vorzugsweise können die Führungsorgane hohl sein und eines der Mittel leiten.
Ferner kann mit Vorteil im zylindrischen Gehäuse ein ebenfalls zylindrischer Kern angeordnet sein, und die schraubenlinienförmigen Führungsorgane können. im Ringraum zwischen dem Gehäuse und dem Kern an geordnet sein.
Endlich können die Führungsorgane vorzugsweise sich einander kreuzend ausgeführt sein.
Die Erfindung wird nachstehend mit Hilfe von auf beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungs beispielen näher erläutert, und zwar zeigen: Fig. 1 einen Wärmeaustauscher, der in eine Rohr leitung eingefügt werden kann und mit fortlaufend an geordneten schraubenlinienförmigen Führungsorganen versehen ist, Fig. 2 eine Variante von Fig. 1, wobei das eine Medium in der Querrichtung angeschlossen ist, und Fig. 3 eine weitere Ausführungsform.
Die aus sehr wenigen Bestandteilen zusammen gesetzte Ausführungsform nach Fig. 1 ermöglicht einen einfachen Einbau in jede gerade Rohrleitung. Der An schluss kann mittels eines Flansches, einer Muffe oder durch Schweissung erfolgen. Das Gehäuse 1 von zylin drischer Form ist an beiden Enden kegelförmig; die Kegel setzen sich in einen Anschlussstutzen 1 a fort, welcher mit dem zylindrischen Körper koaxial ist.
In der Mitte des Gehäuses ist ein zylindrischer Kern 2 mit kegeligen oder runden Enden angeordnet und hat die Bestimmung, das in Pfeilrichtung strömende Me dium A, welches häufig von niedrigem a-Wert ist, zwi schen die schraubenlinienförmigen Führungsorgane 3, 4 zu drängen. Zwischen dem Kern und dem Gehäuse sind die schraubenlinienförmigen Führungsorgane 3 und 4 angeordnet,
welche die eigentliche Wärmeüber- tragungsfläche bilden und aus geeignetem Werkstoff, z. B. aus Kupfer oder womöglich aus einem korrosions festen Material, gefertigt werden. Im allgemeinen strömt in diese ein Kühlmittel von hohem a-Wert. Die inneren Führungsorgane 3 sind als Rohr ausgebildet und mit mehreren engen Windungen auf dien Kern 2 gewickelt.
Die äusseren Führungsorgane 4 bestehen ebenfalls aus einem Rohr, welches mit mehreren engen Windungen auf das innere Rohr 3 in entgegengesetzter Richtung aufgewickelt ist. Die beiden Rohre 3 und 4 können hintereinander oder parallel geschaltet werden. Das äussere Rohr 4 ist derart gestaltet und angeordnet, dass dessen einzelne Windungen die darunter befind lichen Windungen des Rohres 3 kreuzen.
Durch diese Anordnung wird gesichert, dass das in den Wärme- austauscher eintretende Medium. A von niedrigem a-Wert gezwungen wird, zwischen den Windungen des Rohres 3 durchzuströmen, und zwar zwischen den inneren Rohrwindungen, welche das Medium in beinahe senk rechter Richtung ablenkt und in Querrichtung auf die äusseren Windungen 4 leitet.
Da die zwischen den Windungen sich bewegenden Strömungen miteinander frei in Berührung kommen, ist es zufolge dieses Umstandes und der Anordnung der Rohre gesichert, dass die einander kreuzenden Flüs- sigkeits- oder Gasströme selbst bei einer geringen Strö mung eine Turbulenz verursachen, die während der ganzen Durchströmung des Wärmeaustauschers bei behalten bleibt.
Die Steigungen und Abstände der Win dungen voneinander bei dem inneren bzw. dem äusseren Rohr erfordern keine Regelmässigkeit bzw. Gleichheit; das Wesen ist die Sicherung der Durchmisehung und Turbulenz bei jedem der beiden Mitteln, also sowohl innerhalb wie auch ausserhalb der Rohre. Der Kern 2 selber kann auch aus Rohrwindungen bestehen, in wel chem Falle die Durchströmung jedes der Mittel in drei Schichten stattfindet.
Diese Bauart kann mit sehr gutem Ergebnis bei ölbetätigten, hydraulischen Maschüven ver wendet und in den Ölkreislauf eingefügt werden.
Das selbe gilt für Dampfturbinen und grosse Dieselmotoren. Die erfolgreiche Anwendung ist nicht nur demjenigen Umstand zu verdanken, dass die Kühlung sehr intensiv ist, sondern auch demjenigen, dass die Verbindung mit der Leitung einfach und der Rauminhalt äusserst ge ring ist. Bei diesem Wärmeaustauscher beträgt das auf eine Einheit der Wärmeübertragungsfläche entfallende Volumen etwa 1/3 bis 1/.1 desjenigen der bisher bekann ten,
klassischen Wärmeaustauscher. Zufolge seines ge ringen Umfanges kann die Vorrichtung in einem kleinen Raum innerhalb von Maschinen und Fahrzeugen untergebracht werden. Sein guter Wirkungsgrad ermög licht ferner eine äusserst vorteilhafte Anwendung in wasserarmen Gebieten.
Bei der Alternative nach Fig. 2 kann der Kern fortfallen und durch ein gerades Rohr 5 ersetzt werden, welches ebenfalls einen Teil der Wärmeübertragungs- fläche bildet. Bei dieser Ausführungsform wird die Wärmeübertrabwngsfläche nicht durch zwei,
sondern durch mehrere Rohrwindungen gebildet. Selbstverständ lich bilden die Rohrreihen auch hier enge Windungen mit einander entgegengesetztem Wicklungssinn und sind einzeln an der kegeligen Rohrwand 6 hinausgeführt. Fig. 2 stellt die eine Hälfte des symmetrischen Appa rates dar.
Beiderseitige Rohrenden der Rohre 3 sind an der kegeligen Rohrwand 6 befestigt und umschlie ssen - zusammen mit den das Ende des Gehäuses 1 abschliessenden Endwänden - j,e einen Verteilerraum an den Enden des Wärmeaustauschers. Das Medium B, das durch das in die Endwand 7 mündende Rohr 7a fliesst, verteilt sich in diesem Raum und passiert die Windungen des Rohres 3,
in welchen es selber auch zur Turbulenzströmung gezwungen wird. Das Medium A, welches gleichzeitig durch die an den Mantel des Gehäuses 1 anliegende Windung des Rohres. 3 hin- einfliesst, verteilt sich zwischen den Windungen des Rohrsystems 3, passiert dasselbe, indem es ebenfalls zu Turbulenzströmung gezwungen wird, und tritt über den Stutzen 1b aus, während das Medium A von nied rigem a-Wert an den Enden des Wärmeaustauschers in der beschriebenen Weise hinaus- bzw.
hineingeführt wird. Durch diese Alternative wird der Aufbau von Wärmeaustauschern praktisch unbegrenzter Grösse er möglicht, da die Vergrösserung des Duchmessers und der Länge auf keinerlei Schwierigkeiten stösst.
Diese Alternative eignet sich vorzüglich zur An wendung als Kondensator, zur kontinuierlichen Erzeu gung von Warm- und Heisswasser, besonders wo der Warmwasserverbrauch hoch ist und kein geeigneter Platz zum Einbau von umfangreichen Boilern zur Ver fügung steht.
Die in Fig. 3 dargestellte beispielsweise Ausfüh rungsalternative ist derart gestaltet, dass anstatt der Rohrwindungen ein Band, eventuell ein geripptes Band, eingebaut ist und das eine Wärmeübertragungsmittel im Kern und um den Mantel herum. strömt.
Diese Kon struktion erlaubt eine Kühlung oder Heizung von Me dien, die über einen äusserst niedrigen a-Wert und Wärmekapazität verfügen, mit sehr hoher Intensität durchzuführen.
Während bei den früheren Ausführungsformen das Innere der Rohrsysteme und die ausserhalb des Rohrs liegenden Räume die Aufnahmeräume der Mittel A und B bilden, ist bei der Ausführung nach Fig. 3 das Innere des Gehäuses 1 in einer anderen Weise in die die beiden Mittel aufnehmenden Räume getrennt.
Das das Medium A einführende Rohr 8 erweitert sich zu einem Rohr 9 von grösserem Durchmesser und trommelartiger Form, welches - unter Freilassen eines kreisringförmigen Raumes - vom Gehäuse 1 umschlos sen wird. Seitlich findet die Einführung des Mediums B statt, welches teilweise durch das in die Trommel 9 schräg einmündende und entlang deren Längsachse ver laufende Rohr 10 geführt wird und sodann am anderen Ende des Gehäuses austreten kann.
Um das Rohr 10 herum im Trommelraum 9 sind schraubenlinienförmige Rippen 11 und auf dem äusseren Trommelmantel 9 schraubenlinienförmige Rippen 12 angeordnet, welche - zufolge ihres entgegengesetzten Windungssinnes - das die Trommel 9 passierende Mittel A zu Turbulenz strömung zwingen und gleichzeitig eine vergrösserte Wärmeübertrabwngsfläche für die beiden Mittel bilden.
Diese Alternative eignet sich vor allem zur Kühlung und Heizung von Gasen dort, wo die Abscheidung der Gase mittels der Kondensations- oder Ausfrier-Methode durchgeführt wird.
Auch die Leistung der Wärmeaustauscher nach Fig. 1 und 2 kann mittels der Kombinationsanwen- Jung der in Fig. 3 dargestellten schraubenlinienför- migen Rippen erhöht werden oder auch in der Weise, dass die Rohre 3 bzw. 4 in gerippter Ausführung an gewandt werden.
Im eben beschriebenen Wärmeaustauscher wird durch die erzwungene Turbulenzströmung die Gefahr des Anhaftens von Flüssigkeitspartikeln an den Wän den ausgeschaltet, so dass keine unbeweglichen Schich ten entlang den Rohrwänden entstehen können.
Turbulence flow heat exchangers In numerous areas of industry, the need for cooling and heating various substances is evident, which is often extremely problematic, since media with a low heat transfer coefficient (a) can only be heated or cooled with very low efficiency.
Attempts have been made to solve this problem by means of heat exchangers of various designs and to carry out the heat exchangers with turbulent flow. In most cases, heat exchange surfaces in the form of tube bundles are applied, and it is often tried to arrange the tubes for countercurrent flow of the cooling or heating means.
When dimensioning or manufacturing the heat exchangers, one generally sees the possibility of achieving the required performance in the choice of the heat exchange surface of the appropriate size; as a result, oversized heat exchangers are used. In many cases, however, this does not lead to the desired success either, especially when z. B. one means is oil, when it is cooled, the colder oil adheres to the cooling surfaces and behaves like an insulating material there.
This problem arises above all in those areas where the oil is more inert in terms of heat energy and where, in addition to high demands, a constant lubrication value (viscosity) is to be achieved. An example of this are the hydraulic machines actuated with oil, in which the change in viscosity of the oil caused by the temperature brings about a change in the pressure value, which is very undesirable in terms of faultless work.
The case is similar with the lubrication of steam turbines and large diesel engines, in which the viscosity and, in the same proportion, the lubricating value of the oil are reduced as a result of the heating of the oil flow.
All substances of high viscosity behave similarly to oil in the case of heat exchange.
Certain liquids and gases, regardless of their viscosity, also have a very low heat transfer coefficient, which is particularly noticeable when it comes to cooling.
The invention aims to eliminate the disadvantages described above. The proposed turbulent flow heat exchanger, in which two heat exchange media flow separately from one another inside a housing, is characterized in that at least two helical guide elements are arranged in this housing so close together that one medium flowing around these elements is deflected several times becomes.
The guide elements can preferably be hollow and guide one of the means.
Furthermore, a likewise cylindrical core can advantageously be arranged in the cylindrical housing, and the helical guide elements can. be arranged in the annulus between the housing and the core.
Finally, the guide members can preferably be designed to cross one another.
The invention is explained in more detail below with the aid of execution examples shown in the accompanying drawings, namely: Fig. 1 shows a heat exchanger that can be inserted into a pipe and is continuously provided with ordered helical guide members, Fig. 2 shows a variant of FIG. 1, with one medium connected in the transverse direction, and FIG. 3 a further embodiment.
The embodiment according to FIG. 1, composed of very few components, enables simple installation in any straight pipeline. The connection can be made by means of a flange, a sleeve or by welding. The housing 1 of cylindrical shape is conical at both ends; the cones continue in a connection piece 1 a, which is coaxial with the cylindrical body.
In the middle of the housing, a cylindrical core 2 with conical or round ends is arranged and has the purpose of pushing the medium A flowing in the direction of the arrow, which is often of low a value, between the helical guide members 3, 4. The helical guide elements 3 and 4 are arranged between the core and the housing,
which form the actual heat transfer surface and are made of suitable material, e.g. B. made of copper or possibly from a corrosion-resistant material. In general, a coolant of high a-value flows into them. The inner guide members 3 are designed as a tube and wound onto the core 2 with several tight turns.
The outer guide members 4 also consist of a tube which is wound onto the inner tube 3 with several tight turns in the opposite direction. The two tubes 3 and 4 can be connected in series or in parallel. The outer tube 4 is designed and arranged in such a way that its individual turns cross the turns of the tube 3 located underneath.
This arrangement ensures that the medium entering the heat exchanger. A with a low a value is forced to flow through between the turns of the pipe 3, namely between the inner pipe turns, which deflects the medium in an almost perpendicular direction and directs it in the transverse direction to the outer turns 4.
Since the currents moving between the windings come into free contact with one another, this and the arrangement of the pipes ensure that the crossing liquid or gas flows, even with a small flow, cause turbulence during the whole Flow through the heat exchanger remains.
The gradients and distances of the turns from each other in the inner and outer tube do not require regularity or equality; the essence is the safeguarding of the passage and turbulence in each of the two means, i.e. both inside and outside the pipes. The core 2 itself can also consist of pipe windings, in wel chem case the flow through each of the means takes place in three layers.
This design can be used with very good results in oil-operated, hydraulic Maschüven and inserted into the oil circuit.
The same is true for steam turbines and large diesel engines. The successful application is not only due to the fact that the cooling is very intensive, but also to the fact that the connection with the pipe is simple and the volume is extremely small. In this heat exchanger, the volume allotted to one unit of the heat transfer surface is about 1/3 to 1 / .1 of that of the previously known
classic heat exchanger. Due to its small size, the device can be housed in a small space inside machines and vehicles. Its high level of efficiency also enables it to be used extremely advantageously in arid areas.
In the alternative according to FIG. 2, the core can be omitted and replaced by a straight tube 5, which also forms part of the heat transfer surface. In this embodiment, the heat transfer area is not divided by two
but formed by several pipe windings. Of course, the rows of tubes here also form tight turns with opposite winding directions and are individually led out to the conical tube wall 6. Fig. 2 represents one half of the symmetrical Appa rates.
Both tube ends of the tubes 3 are attached to the conical tube wall 6 and surround - together with the end walls closing off the end of the housing 1 - a distribution space at the ends of the heat exchanger. The medium B, which flows through the pipe 7a opening into the end wall 7, is distributed in this space and passes the turns of the pipe 3,
in which it is also forced to flow into turbulence. The medium A, which at the same time through the adjacent to the jacket of the housing 1 turn of the pipe. 3 flows in, is distributed between the windings of the pipe system 3, happens the same by being forced into a turbulent flow, and exits via the nozzle 1b, while the medium A has a low a-value at the ends of the heat exchanger in the described way out or
is introduced. With this alternative, the construction of heat exchangers of practically unlimited size is made possible, since the enlargement of the diameter and length does not encounter any difficulties.
This alternative is ideally suited for use as a condenser, for the continuous generation of warm and hot water, especially where hot water consumption is high and no suitable space is available for installing large boilers.
The alternative embodiment shown in FIG. 3, for example, is designed in such a way that instead of the tube windings, a band, possibly a ribbed band, is installed and one heat transfer medium in the core and around the jacket. flows.
This construction allows media that have an extremely low a-value and heat capacity to be cooled or heated with very high intensity.
While in the earlier embodiments the interior of the pipe systems and the spaces outside the pipe form the receiving spaces of the means A and B, in the embodiment according to FIG. 3 the interior of the housing 1 is separated in a different way into the spaces receiving the two means .
The pipe 8 introducing the medium A expands to form a pipe 9 of larger diameter and drum-like shape, which - while leaving an annular space free - is enclosed by the housing 1. Laterally the introduction of the medium B takes place, which is partly guided through the pipe 10 which opens obliquely into the drum 9 and runs along its longitudinal axis and can then exit at the other end of the housing.
Around the pipe 10 in the drum space 9 there are helical ribs 11 and on the outer drum shell 9 helical ribs 12 which - due to their opposite direction of winding - force the means A passing through the drum 9 to flow into turbulence and at the same time an enlarged heat transfer surface for the two means form.
This alternative is particularly suitable for cooling and heating gases where the separation of the gases is carried out using the condensation or freezing method.
The performance of the heat exchangers according to FIGS. 1 and 2 can also be increased by means of the combination application of the helical ribs shown in FIG. 3 or in such a way that the tubes 3 and 4 are used in a ribbed design.
In the heat exchanger just described, the forced turbulence flow eliminates the risk of liquid particles sticking to the walls, so that no immobile layers can arise along the pipe walls.