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Wärmeaustauscherelement mit drahtförmigen Elementen in den Kanälen
und aus aufeinandergeschichteten Streifen bestehenden Trennwänden Gegenstand der
Erfindung ist ein neues und fortschrittliches Wärmeaustauscherelement, bei dem drahtförmige
oder analog gestaltete Wärmeübertragungselemente Kanäle für die Wärmeaustauschmittel
durchqueren und die Trennwände der Kanäle aus Streifen bestehen, wobei die Wärmeübertragungselemente
abwechselnd mit den Streifen der Trennwände schichtweise aufeinandergestapelt sind,
welches dadurch gekennzeichnet ist, daß die die Trennwände bildenden Streifen aus
untereinander verbindbarem Material bestehen.
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Der Stand der Technik im Wärmeaustauscherbau ist sehr umfangreich;
es sei hier beispielsweise auf die bekannten Wärmeaustauscher hingewiesen, die aus
mittig geteilten Kammern bestehen, durch welche im Gegenstrom das zu kühlende und
das Kühlmedium fließen, wobei senkrecht zur Trennwand der beiden Kammerhälften wärmeleitende
Platten angeordnet sind. Zum Stand der Technik seien ferner Wärmeaustauscher angegeben,
bei denen das zu kühlende und das Kühlmedium durch aus Zement gegossene Kanaleinheiten
fließt, welche untereinander durch die Zementtrennwände durchlaufende wärmeleitende
Drähte verbunden sind. Demgegenüber stellt der Erfindungsgegenstand ein Wärmeaustauscherelement
dar, welches durch die Tatsache, daß die die Trennwände bildenden Streifen aus untereinander
verbindbarem Material bestehen, ausgezeichnet ist, wodurch ein in der Praxis in
beliebiger Größe für Klimaanlagen, Luftkompressoren, Raffinerien, Automobile, Flugzeuge,
Kondensatoren, Warmwassererhitzer und Rekuperatoren leicht und sehr wirtschaftlich
zu bildendes Wärmeaustauscherelement geschaffen ist.
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Zum Stand der Technik gehört ferner ein Wärmeaustauscher, der im wesentlichen
aus einem festen Rahmen besteht, in welchen Querwände eingepaßt sind, wobei senkrecht
zu diesen Querwänden verlaufende Maschennetze als Wärmeübertragungselemente dienen.
Die Querwände weisen abwechselnd eine kleinere und größere Dicke auf und sind jeweils
dort am schmalsten, wo sich die Tragnetze mit ihnen kreuzen. Die Wände selbst sind
dabei von vornherein einstückig.
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Das neue Element nach vorliegender Erfindung hat nun als Trennwände
Streifen, vorzugsweise solche aus plastischem Material, und ist nach einem neuen
und fortschrittlichen Verfahren herzustellen, welches dadurch gekennzeichnet ist,
daß eine Mehrzahl von ein Gitter bildenden Streifen parallel miteinander und in
einem gewissen Abstand voneinander auf einen plat- ; tenförmigen Stützkörper gelegt
werden, daß anschließend eine Mehrzahl von drahtförmigen Wärmeübertragungselementen
parallel zueinander, senkrecht zu den Streifen verlaufend, unter Bildung eines Gitters
auf diese gelegt werden und anschließend wieder Streifen unter Bildung eines weiteren
Gitters und dann wieder Wärmeübertragungselemente unter Bildung eines Gitters, wobei
dieses abwechselnde Aufeinanderlegen von Gittern so lange fortgesetzt wird, bis
die gewünschte Gitterzahl erreicht ist, und daß die übereinanderliegenden Streifen
unter Bildung von Trennwänden auf an sich bekannte Weise miteinander verbunden werden.
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Dabei hat vorzugsweise der plattenförruige Stützkörper Zähne und Lücken
längs zweier einander gegenüberliegender Ränder, wobei die Lücken zur Aufnahme und
zur gleichfluchtenden übereinanderstapelung der Streifen bestimmt sind.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Verfahren
zur Herstellung des Wärmeaustauscherelements dadurch gekennzeichnet, daß der plattenförmige
Stützkörper Führungslücken auf beiden Plattenseiten an zwei einander gegenüberliegenden
Rändern aufweist, und daß die Streifen unter Führung in den Lücken zur Bildung auf
jeder Seite des Stützkörpers je eines Gitters aufgewickelt werden, wonach auf jedes
dieser Gitter je ein aus Wärmeübertragungselementen bestehendes Gitter aufgewickelt
wird, und daß in dem abwechselnden übereinanderwickeln von Gittern beliebig lange
fortgefahren wird, bis auf jeder Seite des Stützkörpers ein Wärrneaustauscherkem
gewünschter Größe entstanden ist, worauf diese Kerne durch Entfernen der Umkehrbögen
der
Streifen und der Wärrneübertragungselemente vom Stützkörper abgetrennt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner vorzugsweise in der Art
durchführbar sein, daß die übereinanderfluchtenden Streifen durch Hitze und/oder
Druck zu einer festen Wand geformt werden.
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Im folgenden sei der gemäß vorliegender Erfindung erzielte Fortschritt
erläutert: Bei gegebener Wärmeaustauschkapazität und bei gegebenem erforderlichem
Energieverbrauch zum Hindurchpumpen der Flüssigkeiten oder Gase durch das Element
ist das Wärmeaustauscherelement gemäß der Erfindung erstens kleiner in den Abmessungen,
weil die Wärmeübertragungsfläche in Form von dünnen Drähten leistungsfähiger ist
als die von der Technik bisher verwendeten Rohre, Rippenrohre, Platten, dicke Drähte
usw., wodurch schon weniger Fläche erforderlich wird, und weil diese bereits verminderte
Fläche darüber hinaus kompakt auf engstem Raum zusammengedrängt wird, und zweitens
geringer an Gewicht, weil aus den oben angegebenen Gründen weniger Wärmeübertragungsfläche
benötigt wird, und die plastischen Trennwände der bevorzugten Ausführung leichter
sind als die normalerweise in der Technik verwendeten metallischen Trennwände, und
drittens billiger, da eine geringere Wärmeübertragungsfläche erforderlich ist, und
diese Fläche in Form von geraden Drähten in einem einfachen Herstellungsverfahren
nur aufgewickelt zu werden braucht, während fast alle bekannten Wärmeaustauscherelemente
auf kostspielige Weise aus einzelnen besonders bearbeiteten Teilen zusammengesetzt
werden müssen.
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Darüber hinaus können die beiden im Wärmeaustausch befindlichen Flüssigkeiten
oder Gase im Wärmeaustauscherelement gemäß vorliegender Erfindung immer im Gegenstrom
zueinander fließen, während die bekannten Rohrbündel - oder Rippenrohrelemente -
meistens auf den viel weniger wirkungsvollen Kreuzstrom beschränkt sind.
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Weiterhin eignet sich eine bevorzugte Ausführung mit plastischen und
daher etwas elastischen Trennwänden besonders für solche Wärmeaustauscher, welche
starken Erschütterungen oder starken Temperatur- und Druckschwankungen ausgesetzt
sind, während die bekannten, nur aus Metall bestehenden Wärmeaustauscher unter den
angegebenen Bedingungen nur unter Verwendung besonderer, oft sehr teurer Konstruktionen
Anwendung finden können.
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Schließlich kann das einfache Aufwickelverfahren von fast ungelernten
Arbeitskräften durchgeführt werden, was sehr zur Verbilligung des Wärmeaustauscherelementes
beiträgt, während die in der Technik bekannten Apparate fast ausnahmslos gelernte
und daher teure Arbeitskräfte in der Herstellung benötigen, abgesehen davon, daß
es weniger Zeit in Anspruch nimmt, ein Wärmeaustauscherelement aufzuwickeln, als
es aus Einzelheiten zusammenzusetzen.
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Die Einzelheiten der Erfindung sind im folgenden Teil der Beschreibung
an Hand von Zeichnungen beschrieben. Es stellt dar F i g. 1 eine perspektivische
Teilansicht eines Wärmeübertragungselementes, F i g. 2 eine perspektivische Abbildung
eines Wärmeaustauscherelementes, F i g. 3 eine schematische Darstellung des Herstellungsverfahrens
für ein Wärmeaustauscherelement gemäß der Erfindung in halbperspektivischer Darstellung
und F i g. 4 eine Draufsicht auf die Stirnfront der Darstellung gemäß F i g. 3.
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F i g. 1 zeigt den Aufbau eines Wärmeübertragungselementes, bestehend
aus zwei wärmeleitenden Teilen bzw. Drähten 1, die rechtwinkelig zwischen drei Teilen
aus Dichtungsmaterial 2 hindurchgehen. Die Teile aus Dichtungsmaterial 2 sind in
gleicher Flucht aufeinandergestapelt und bilden so eine quer zu den Drähten 1 angeordnete
Trennwand 3. Die Drähte 1 ragen in die Durchlaufkanäle 4 und 5 hinein, die durch
die Trennwand 3 voneinander getrennt sind. Die aneinanderstoßenden Teile aus Dichtungsmaterial
2 sind sowohl gegeneinander als auch gegen die dazwischenliegenden Drähte 1 dicht
anschließend angeordnet, so daß eine ununterbrochene Dichtung sowohl zwischen den
Berührungsflächen der aneinanderliegenden Teile aus Dichtungsmaterial 2 wie auch
gegenüber der Oberfläche der dazwischen hindurchgehenden Drähte erreicht wird.
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Das Dichtungsmaterial kann die Form einer mit unter Druck verbindbarem
Klebstoff überzogenen Kordel oder eines auf beiden Seiten mit bei einfacher Berührung
verbindbarer Klebemasse versehenen flachen Streifens haben, so daß eine dichte Trennwand
hergestellt werden kann, wenn mehrere solcher Kordeln oder Streifen aufeinandergestapelt
und gegeneinander und gegen die Drähte 1 gepreßt werden. Das Dichtungsmaterial 2
kann ferner eine mit Lötmaterial überzogene Stange sein, so daß eine dichte Trennwand
hergestellt werden kann, indem mehrere solcher Stangen aufeinandergestapelt werden,
worauf der Überzug aus Lötmaterial unter Anwendung von Hitze zum Verschmelzen und
Verbinden gegeneinander und gegen die Drähte 1 gebracht wird. Das Dichtungsmaterial
2 kann ferner aus Gummi oder aus mit Gummi überzogenen Stangen bestehen, welche
ähnlich wie das erwähnte Lötmaterial unter Anwendung von Hitze zum Verschmelzen
und Verbinden gegeneinander gebracht werden können. In der bevorzugten Ausführung
besteht das Dichtungsmaterial aus einem mit weicher plastischer Masse überzogenen
Trägerkörper, wobei die plastische Masse auf Grund einer chemischen Reaktion zur
Aushärtung gebracht werden kann. Während also die Hauptaufgabe des Dichtungsmaterials
2 darin besteht, eine Trennwand 3 und damit eine völlige Abdichtung zwischen den
Durchlaufkanälen 4 und 5 herzustellen, bildet es zudem einen festen Gefügeverband,
der alle Teile 2 und Drähte 1 zusammenhält und so das Wärmeübertragungselement zu
einem einheitlichen Bauteil macht.
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F i g. 2 zeigt ein Wärmeaustauschereiement, das aus einem Stapel von
abwechselnd aufeinanderfolgenden mit A und B bezeichneten Gittern
besteht. Jedes A-Gitter besteht aus einzelnen, zueinander parallel angeordneten
Teilen aus Dichtungsmaterial 2. Jedes B-Gitter besteht aus einzelnen, parallel zueinander
angeordneten Drähten 1. Dieses abwechselnde Aufeinanderstapeln von A- und B-Gittern
kann beliebig fortgesetzt werden. Dabei bilden die einzelnen Glieder der A-Gitter
eine Anzahl von Trennwänden 3 mit einer Anzahl von dazwischenliegenden Durchlaufkanälen
4, 5, 6. Die einzelnen Glieder der B-Gitter bilden ein festes, durchlaufendes Drahtgerippe,
das durch eine Reihe von Durchlaufkanälen und die dazwischenliegenden Trennwände
hindurchgeht.
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In einem als typisch anzusehenden Wärmeaustauscherkern mögen die Drähte
1 aus Aluminium von 0,25 mm Durchmesser bestehen. Die Hauptaufgabe
der
Drähte 1 besteht darin, beispielsweise die in einer durch den Durchlaufkanal 4 fließenden
Flüssigkeit enthaltene Wärme aufzunehmen und sie durch die beiden Trennwände 3 hindurch
auf eine Flüssigkeit zu übertragen, die durch die Durchlaufkanäle 5 und 6 fließt.
Dabei wird die Flüssigkeit im Durchlaufkanal4 abgekühlt, die Flüssigkeit in den
Durchlaufkanälen 5 und 6 dagegen erwärmt. Beide Flüssigkeiten können im Gegenstrom
fließen.
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An den Wärmeaustauscherkem kann einer der gebräuchlichen Rohrverteiler
angeschlossen sein, der die Flüssigkeiten oder Gase in die entsprechenden Durchlaufkanäle
leitet.
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Weiter dienen die im Dichtungsmaterial festhaftend eingebetteten Drähte
1 als stützende Gefügeverbindung zwischen zwei benachbarten, dem Flüssigkeitsdruck
ausgesetzten Trennwänden 3.
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Das Dichtungsmaterial 2 kann aus einem Draht von 0,5 mm Durchmesser
bestehen, der mit einer Masse überzogen ist, die durch Anwendung von Hitze aushärtbar
und nachher nicht mehr erweichbar ist. Dieser Draht dient als Stützgefüge für den
noch unausgehärteten weichen plastischen überzug während der Formung des A-Gitters
und hält die plastische Masse in Position während der Aufeinanderstapelung mehrerer
Gitter A und B, während welcher die plastischen flberzüge sich berührender
A-Gitter ineinander zu einer homogenen, immer noch weichen Masse zusammenschmelzen.
Gleichzeitig dient dieser Draht als Abstandshalter zwischen den aufeinandergestapelten
B-Gittern. Ist die Aushärtung der plastischen Masse beendet, bewirkt der in ihr
eingebettete Draht 1 eine Verstärkung der Trennwände 3, was eine Versteifung des
gesamten Wärmeaustauscherkerns mit sich bringt. Während des Stapelvorganges und
auch noch während des Aushärtens schneidet der Draht 1 im allgemeinen so tief in
den Plastiküberzug ein, bis er den darin eingebetteten Draht berührt.
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Während im vorgehenden nur eine bestimmte Konstruktion beschrieben
wurde, müssen Durchmesser und Material des Drahtes 1, Dicke, Art und Zusammensetzung
der plastischen Masse sowie der Durchmesser des gegebenenfalls in dieser Masse eingebetteten
Drahtes für jeden besonderen Verwendungszweck des zu erstellenden Wärmeaustauscherelementes
besonders festgelegt werden. Darüber hinaus müssen Abstand der Trennwände, Länge
und Zahl der Durchlaufkanäle, Abstand der Drähte 1 untereinander und die Anzahl
der zu stapelnden B-Gitter unter Beachtung der technischen und wirtschaftlichen
Charakteristik des zu konstruierenden Wärmeaustauscherelementes auf Grund der in
der Wärmetechnik allgemein bekannten Theorie für die Verwendung von Drähten als
Wärmeleiter errechnet und ausgewählt werden. Zu dieser Charakteristik gehören unter
anderem Wirkungsgrad, Druckabfall, Kapazität, Abmessung, Gewicht und Kosten des
Wärmeaustaucherelementes.
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Ein einfaches und wirtschaftliches Herstellungsverfahren für das erfindungsgemäße
Wärmeaustauscherelement ist in den F i g. 3 und 4 dargestellt. Dieses Verfahren
besteht darin, daß eine Mehrzahl von ein Gitter A bildenden Streifen 2 parallel
miteinander und in einem gewissen Abstand voneinander auf einen plattenförmigen
Stützkörper 7 gelegt werden, daß anschließend eine Mehrzahl von drahtförmigen Wärmeübertragungselementen
1 parallel zueinander, senkrecht zu den Streifen verlaufend, unter Bildung eines
Gitters B auf diese gelegt werden und anschließend wieder Streifen 2 unter Bildung
eines weiteren A -Gitters und dann wieder Wärmeübertragungselemente 1 unter Bildung
eines Gitters B, wobei dieses abwechselnde Aufeinanderlegen von Gittern A und B
so lange fortgesetzt wird, bis die gewünschte Gitterzahl erreicht ist, und daß die
übereinanderliegenden Streifen 2 unter Bildung von Trennwänden auf an sich bekannte
Weise miteinander verbunden werden.
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Dabei kann der plattenförmige Stützkörper 7 Zähne 9 und Lücken 11
längs zweier einander gegenüberliegender Ränder aufweisen, wobei die Lücken 11 zur
Aufnahme der Streifen 2 bestimmt sind.
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Das Verfahren kann weiterhin vorteilhafterweise so durchgeführt werden,
daß der plattenförmige Stützkörper 7 durch Zähne 9 und 9' gebildete Führungslücken
11 auf beiden Plattenseiten an zwei einander gegenüberliegenden Rändern aufweist,
und daß die Streifen 2 unter Führung in den Lücken 11 zur Bildung auf jeder Seite
des Stützkörpers je eines Gitters A aufgewickelt werden, wonach auf jedes dieser
Gitter A je ein aus Wärmeübertragungselementen 1 bestehendes Gitter B aufgewickelt
wird, und daß in dem abwechselnden übereinanderwickeln von Gittern A und
B beliebig lange fortgefahren wird, bis auf jeder Seite des Stützkörpers
ein Wärmeaustauscherkem gewünschter Größe entstanden ist, worauf diese Kerne durch
Enfernen der Umkehrbögen der Streifen 2 und der Wärmeübertragungselemente 1 vom
Stützkörper abgetrennt werden.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform dieses Verfahrens werden die
übereinander fluchtenden Streifen 2 durch Hitze und/oder Druck zu einer festen Wand
geformt.