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Die Erfindung betrifft Oberflächenausbildungen zum Führen
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von Fluiden uiid befasst sich insbesondere, jedoch nicht ausschließlich
mit Plattonwärmeaustauschern.
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Viele verschiedene Arten kann man als solche "Oberflächeneinrichtungen"bzw."Oberflächen
bildende Einrichtungen" bezeichnen wie Wärmeaustauscher, statische Mischer und Reaktoren.
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Wärmeaustauscher bestehen gewöhnlich aus zwei oder mehreren Durchlässen
oder Systemen von Durchlässen, die gegeneinander durch Trennwände getrennt sind,
wobei zum Wårmeaustausch die Wärme durch die Trennwand oder die Trennwände geht.
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Eine bekannte Wärmeaustauscherbauart ist der sog. Hantel-und Rohrwärmeaustausch,
bei dem ein Kanalsystem aus dem Inneren einer Vielzahl paralleler Rohre besteht,
während das andere Kanalsystem aus dem Raum um die Rohre besteht.
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Gewicht und Volumen der Mantel- und Rohrwärmaustauscher sind relativ
hoch, sie sind relativ teuer, insbesondere, wenn teure korrosionsbeständige Materialien
verwendet werden sollen. Wartung und Reinigung sind schwierig; die für die hohen
Wärmeübertragungskoeffizienten erforderliche Turbulenz führt zu hohen Druckverlusten.
Es besteht die Neigung zu laminarer Strömung nahe den Röhrenwandungen, wodurch der
Wärmeaustauscher sich an den Oberflächen leicht zusetzt und damit an Wärmeübertragungsvermögen
verliert. Solche Wärmeaustauscher werden jedoch in großem Umfang eingesetzt, insbesondere
wenn sie aus preiswerten Materialien wie Weichstahl hergestellt werden können und
wenn der Arbeitsdruck eines der Austauschfluide relativ hoch ist, d.h., 21 kg/cm2
beträgt.
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Eine andere hoch entwickelte Form des Wärmeaustauschers ist der 8oe.
Plattenaustauscher, bei dem die Trennwände zwischen den Kanalsystemen aus einem
Stapel sich gegenüberstehender Metall platten mit Dichtungen hierzwischen bestehen,
wobei der
Stapel zwischen schwere Stirnplatten, im folgenden "Böden"
genannt, geklemmt wird. Diese ist eine äußerst zweckmäßige Ausbildung, bei der ein
wesentlich höheres Oberflächen/ Volumen-Verhältnis als mit Mantel- und Rohrwärmeaustauscher,
und zwar um einen lakter von etwa 2 bis 10 erhalten werden kann, sodaß Wärmeübertragungskoeffizienten
zwischen etwa 2000 und 5000 Kcal/m².h.°C bei typischen Druckverlusten von 0,84 bis
1,4 kg/cm² erhalten werden. In die die Trennwandungen bildenden Platten wird gewöhnlich
ein Muster eingespresst, um die wirksame Plattenfläche zu erhöhen, die Platten zu
versteifen und hi@rdurch eine Verminderung der Wanddicke herbeizuführen, und urn
gegenseitige Kontaktpunkte für die mechanische Abnützung gegen Differentialdruck
zwischen den beiden Wärmeaustauscherfluiden herbeizuführen und um Turbulenz bei
niedrigen Strömungsgeschwinligkeiten zur Erhöhung der Austauscherleistung zu erzeugen.
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Die am meisten angewendeten Muster oder Profile sind von dem Rinnen-
oder Wellungs- und Vertiefungstyp, typischerweise bestehen die Platten aus rostfreiem
Stahl von 0,60 bis 1,2 mm Diene und schaffen Strömungskanäle von 2,5 bis 5 mm Dicke,
wobei benachbarte Platten einen Kontaktpunkt für die gegenseitige mechanische Abstützung
an je 1,3 bis 6,5 cm2 Fläche aufweisen. Die Fähigkeit solcher Wärmeaustauscher hohe
Differentialfluiddrücke auszuhalten, ist wegen der notwendigen Kompressibilität
der Dichtungen, um eine zweckmäßige Abdichtung herbeizuführen, begrenzt und weil
die Platten leicht beim Schließen des Spaltes zwischen diesen verformt werden, sodaß
sie normalerweise oberhalb 20 kg/cm², und gewöhnlich nicht oberhalb 15 kg/cm² nicht
betrieben werden. Die Notwendigkeit, federnde Dichunten vorzusehen, begrenzt auch
die Temperatur, bei der Die Wärmeaustauscher betrieben werden können, auf weniger
nI s etwa 180°C. c.
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Sowohl die Mantel- und hohrwärmeaustauscher sowie die Plattenwärmeaustauscher
können wehen ihrer wesentlichen Geometrie micht einen wirklichen Gegenstrom der
Austauscherflüssigkeiten erreichen, selbst wenn sie so usgelegt sind.
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Demgegenüber soll nun eine neue "Oberflächeneinrichtung" vorgeschlagen
werden, die sich auszeichnet durch die Verwendung gewebter Maschenbahnen oder mechanisch
äquivalenter Einrichtungen als Fülleinlage für deren Strömungskanäle.
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Zweckmäßig wird ein Plattenwärmeaustauscher, der solch ein gewebtes
Maschenmaterial als Finlagefüllung Üir die Strömungskanäle verwendet, vorgeschlagen.
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Die Erfindung geht hierbei aus von einer Oberflächeneinrichtung mit
einem Gehäuse mit Einlaß und Auslaß und Strömungskanälen, in denen das Fluid in
einer Richtung vom Einlaß zum Auslad strömt, der Strömungskanäl Seitenwandungen
und parallele Boden- und Deckwandungen aufweist.
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Die Vorrichtung zeichnet sich aus durch eine Maschenbahn aus verwebten
Fäden oder Drähten, sodaß das Fluid im Kanal parallel zur Strömungsrichtung in der
Ebene der Bahn strömt und die Bahn zwischen die jeweiligen DEck-und Bodenwandungen
zwischengeschaltet irt, sie kontaktiert und den Teil des Durchlasses, in den, sie
angeordnet ist, füllt, derart, daß das im Kanal strömende Fluid über die Fäden oder
Drähte passieren muß, wodurch somit Turbulenz hierin erzeugt wird.
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Zweckmäßig weist die beschriebene Vorrichtung für den Wärmeaustausch
ein Gehäuse mit ersten und zweiten Einlässen, ersten und zweiten Auslässen und ersten
und zweiten Strömungskanälen in Wärmeaustauscherbeziehung zueinander
auf,
wobei der erste Strömungskanal von einem unmittelbar benachbarten zweiten Strömungskanal
durch ein dazwischen befindliches Wärmeübertragungselement getrennt ist, das eine
Deck- oder Bodenwandung für den jeweiligen Strömungskanal bildet.
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Vorzugsweise sind die Längsachsen der Kettfäden und Schußfäden oder
-drähte der jeweiligen Maschenbahn unter etwa 30 bis 600 zur Strömungsrichtung des
Fluids im jeweiligen Kanal angeordnet.
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Vorzugsweise sind die Kanalseitenwandungen durch die entsprechenden
Seitenwandungen einer Ausnehmung in einem Kanal bildenden Element von der gleichen
Dicke wie die Maschenbahn angeordnet, wobei die Maschenbahn in dieser Ausnehmung
angeordnet ist und Deck- und Bodenwandungen durch jeweilige Wärmeübertragungselemente
gebildet sind, zwischen denen das Kanalbildungselement sandwichartig gehalten ist.
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Vorzugsweise umfasst das Gehäuse eine Vielzahl von kanalbildenden
Elementen, von denen jedes sandwichartig zwischen zwei benachbarten Wärmeübertragungselementen
angeordnet ist und wobei eine Fläche jedes der Wärmeübertragungselemente eine Wandung
eines ersten Kanals bildet, während eine Fläche des zweiten Elementes eine Wandung
eines unmittelbar benachbarten zweiten Kanals bildet.
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Jeder Stromungsksnal kann ein oder mehrere Paare paralleler kontsktierender
hierin angeordneter Maschenbahnen aufweisen, die angeordnet sind zwischen den jeweiligen
Deck- und Bodenwandungen und diese kontaktieren, wobei die zweite Bahn fedes nnrco
dieser Maschenbahnen mit den Längsachsen ihrer Kett- oder Schußfäden parallel zur
Strömungsrichtung angeordnet ist.
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Jeder Strömungskanal kann eine ungerade Anzahl größer als eins aus
parallelen sich berührenden Maschenbahnen aufweisen, die hierin zwischen und in
Kontakt mit den jeweiligen ober und unteren Kanalwandungen zwischengeschaltet angeordnet
sind, wobei die geradzahligen dieser Maschenbahnen mit den Längsachsen ihrer Kett-
und Schußdrähte oder -fäden parallel zur Strömungsrichtung angeordnet sind und die
ungeradzahligen Maschenbahnen mit den Längsachsen der Kett-und Schußfäden oder -drähte
unter 30 bis 600 zur Strömungsrichtung angeordnet sind.
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Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen nun mit Bezug
auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Diese zeigen in Fig. 1
eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung eines Wärmeaustauschers nach
iner ersten Ausführungsform, bei dem der Füllungseinsatz für jeden Kanal eine einzige
Maschenbahn ist; Fig. 2 und 3 ähnliche Darstellungen zweier unterschiedlicher Maschenbahn-Füllungseinsätze
zur Verwendung bei der Ausführungsform nach Pig. 1; Fig. 4 eine Draufsicht auf zwei
überlagerte erste und zweite Fluidkanalplattenelemente nache einer zweiten Ausführungsform
und Fig. 5 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung nach einer dritten
Ausführungsform und Fig. 6 einen Längsschnitt durch eine vierte Ausführungsform.
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Ein einstufiger Gegenstromwärmeaustauscher nach der Erfindung besteht
aus einem Stapel aus einer Vielzahl dünner Plattenelemente, die zwischen zwei dicken
End- oder Stirnplattenelementen 10 zusammengebaut sind. Jedes Endplattenelement
10
hat sechs Löcher 12 für Montagebolzen; sowie zwei Einlaßöffnungen
18 und zwei Auslaßöffnungen 20 für einen zweiten Strömungskanal. Es soll angenommen
werden, daß die Einheit von der Bodenendplatte 10 nach oben montiert wird.
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Die Oberfläche der Bodenendplatte ist gewünschtenfalls mit einem Überzug
aus einem dünnen Film (nicht dargestellt) aus irgend einem geeigneten Dichtungsmaterial
versehen und ein erstes kanalbildendes Plattenelement 22 ist hierauf gelegt.
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Das Plattenelement ist mit Bolzenlöchern 12 und diskreten Öffnungen
18 und 20 versehen, der Teil der Platte zwischen den beiden Öffnungen 14 und 16
ist jedoch völlig fortgeschnitten und bildet eine bootsförmige Ausnehmung 24. (in
der Draufsicht) zwischen diesen, in welchen das erste Fluid von der Einlaßöffnung
14 zur Auslaßöffnung 16 strömt. Ein massives Wärmeübertragungsplattenelement von
der gleichen Gestalt wie die Endplatte 10 ist über die kanalbildende Platte 22,
wie weiter unten beschrieben werden wird, gelegt, sodaß ein erster Fluidströmungskanal
gebildet wird, dessen Seitenwandungen die Seitenwandungen der Ausnehmung 24 sind
und dessen parallele Kopf- und Bodenwandungen durch die jeweiligen massiven End-
und Wärmeübertragungsplattenelemente gebildet sind.
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Der erste Fluidströmungskanal ist mit ein, zwei oder mehreren überlagerten
Bahnen aus Maschenmaterial 26 gefüllt, die so ausgebildet sind, daß sie die Ausnehmung
24 vollständig füllen. So tritt das erste Fluid in den Kanal über die offnung 14
ein und strömt in einer jeweiligen ersten durch den Pfeil 28 angegebenen Strömungsbahn
zur Austrittsöffnung 16, durchsetzt die im Kanal vorhandenen Maschenbahn bzw. Maschenbahnen.
Das verwendete Maschenmaterial ist vom gewebten Typ, bei dem die Kett- oder Schußfäden
oder -drähte gewellt und quer, im wesentlichen unter rechten Winkeln zueinander,
angeordnet
sind. ITur die spitzen der Drähte kontaktieren die testen End- und Wärmeübertragungsplatten
und eine adäquatc Ströinungskapazität ist in der Strömungsbahn 28 aufrecht erhalten,
da das Fluid durch die Räume zwischen den Wellungen und/oder die Räume zwischen
benachbarten Maschen oder festen Platten strömen kann.
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Es ist anzunehmen, daß zwei verschiedene Ursachen für den unerwarteten
Erfolg der Vorrichtung nach der Erfindung zuständig sind, wobei der erste bei sämtlichen
Arten von Fluiden zum Tragen kommt, während der zweite nur bei kondensierbaren Dämpfen
zum Tragen kommt.
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Der erste dieser Mechanismen ist darin zu sehen, daß beobachtet wurde,
daß das in jedem Kanal strömende Fluid in den Räumen zwischen den Maschendrähten
oder -fäden hoch turbulent war, wobei diese Turbulenz sich als schnelle kreisförmige
Spinn- oder Drehbewegung des Fluids quer zur Ebene der Bahn um eine Achse darstellt,
die mit der Fluidströmungsrichtung über die Maschenbahn zusammenfällt. Diese Bewegung
verhindert den Aufbau laminarer Strömungen und sorgt für eine sorgfältige Durchmischung
der Fluidschichten benachbart den oberen und unteren Wandungsflächen des Kanals
mit den Schichten in der mitte des Kanals. Es ist wichtig, daß diese turbulente
Ströínung bei relativ geringen Fluiddruckabfällen über den Kanal erreicht wird,
ein spezifischcs Beispiel hierfür wird unten gegeben.
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Obwohl das dargestellte Maschenmaterial mit den Kett- und Schußfädern
oder -drähten unter rechten Winkeln zueinander liegt, sind andere Winkel möglich.
Der oben beschriebene Mechanismus kommt zum Tragen, wenn entweder die Kett- oder
Schußdrähte oder -fäden senkrecht zur Strömungsrichtung liegen; er stellt sich jedoch
auch als wichtig für den
möglichst erfolgreichen Betrieb der Vorrichtung
dar, wenn eine einzige unter rcc:htcn Winkeln gewebte Bahn 26a vorgesehen ist, wobei
die Längsachsen der Drähte oder Fäden unetr einem spezifischen Winkeln, vorzugsweise
unter etwa 15°,zur allgemeinen Strömungsrichtung der Bahn 28 geneigt sind. Man sieht,
daß die Strömungsrichtung nicht genau 5° betragen muß; Winkel mit Werten zwischen
30° und 60° assen sich erfolgreich verwenden; eng benachbarte Werte hierzu ind jedoch
äußerst zweckmäßig.
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Die Erfindung wurde zwar bisher in Anwendung auf einen Wärmeaustauscher
beschrieben, sie lässt sich jedoch auch auf andere oberflächenbildende Vorrichtungen
(Oberflächeneinrichtungen) anwenden wie beispielsweise statische Mischer oder Reaktoren.
Wenn also die den Kanal bildende Platte 22 und die Maschenbahn 26 sandwichartig
direkt zwischen den beiden Endplatten 10 vorgesehen sind und die beiden Fluide durch
das Eintrittsrohr 42 eingeführt werden, sorgt die erhaltene hoch turbulente Bewegung
für ein schnelles und wirksames Durchmischen der beiden Fluide iiber die relativ
kurze Entferngung wischen den beiden öffnungen 14 und 16; das resultierende durchmischte
Fluid wird aus dein Auslaßrohr 44 ausgetragen. Reagieren die beiden Fluide chemisch
miteinander, denn arbeitet die Vorrichtung wirksam als statischer Reaktor; in diesem
Fall bevorzugt man gewohnlich die Verwendung; der oben beschriebenen Wärmeaustauscherkonstruktion,
wobei der zweite Kanal ein Fluid geeigneter Temperatur aufnimmt, um die chemisch
reagierenden Fluide im ersten Kanal auf optimaler Reaktionstemperatur zu halten,
wodurch eine Kompensation für die durch die chemische Reaktion bsorbierte oder erzeugte
Wärme herbeigeführt wird.
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Sind zwei unter rechten Winkeln gewebte Maschenbahnen 26a und 2bb
(Fig. 2) in der Ausnehmung vor<:eschen, dann liegt
eine Bahn
26a mit den Längsachsen unter 450 zur Ströinungsrichtung, während die zweite Bahn
26b mit den Achsen entweder der Kett- oder der Schußfäden parallel zur Strömungsrichtung
liegt. Wenn drei sich überlagernde Maschenbahnen 26a und 26b sowie 26c (Fig. 3)
vorgesehen sind, dann sollten die Kett- und Schußdrähte der beiden äußersten Bahnen
unter 45° zur Strömungsrichtung angeordnet sein, während die der zwischengeschalteten
zweiten Bahn parallel hierzu sind.
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Die Anordnung kann wiederholt werden, bis der Stapel aus Maschenbahnen
die gewünschte Dicke erreicht. Die Dicke der den ersten Kanal bildenden Platte 22
entspricht der Dicke der durch die Bahn (Bahnen) 26 in weiter unten beschriebener
Weise geschaffenen Füllung. Die besondere Anordnung für eine Zweilagenfüllung oder
eine Mehrlagenfüllung stellt sicher, daß die Vaschenlagen genau unter Abstand zueinander
in innigem Kontakt zueinander bleiben und einander gegenseitig ueber ihre gesamten
Flächen über unzählig viele unter gleichförmigen Abstand befindliche Punktkontakte
hierzwischen abstützen.
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Eine dünne Lage Dichtungsmaterials (nicht dargestellt) wird über die
gesamte Oberfläche der ersten 2latte 22 verteilt und das oben eiwähnte dünne massive
\ärmeaustausrherplattenelement 30, das von der gleichen Konfiguration wie die Endplatte
10 ist, wird oben aufgelegt. Eine Lage aus Dichtungsmaterial wird auf die Oberfläche
der Platte 30 aufgebracht; ein zweites fluidkanalbildendes Plattenelement 32 wird
hierauf gelegt; der zentrale Teil dieser Platte ist völlig fortgeschnitten und bildet
eine Ausnehmung 34, die am besten in der Draufsicht als H-Form beschrieben wird.
Der zentrale Teil dieter H-Form ist ausgerichtet auf die bootsförmige Ausnehmung
24. Der resultierende zweite Fluidströmungskanal ist vollständig mit gewelltem Maschenmaterial
36 gefüllt, die Bahnen sind abgeschnitten, wo sie sonst mit den Öffnungen
18
und 20 fluchten würden. Die Richtung der Fluidströmung in den zweiten Kanal ist
etwas komi)lizierter als iin ersten Kanal, wie die Pfeile 38 andeuten; Es zeigt
sich jcdoch, daß die Fäden oder Drähte der in Fig. 1 gezeigten einzigen Bahn 36
unter 45° zur mittigen Hauptrichtung der zweiten Strömungsbahn und unter etwa 300
zu den Endteilen der Bahn angeordnet sind, da die Endteile unter etwa 1200 zum zentralen
Mittelteil geneigt sind. Die bevorzugten Winkel von etwa )0 bis etwa 60° werden
über dem Kanal daher klar erhalten.
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Eine Lage Die htungsmaterial wird auf die Kopffläche des zweiten kanalbildenden
Plattenelements 32 aufgebracht und eine andere feste Endplatte 10 wird hierüber
aufgebracht und vervollständigt so eine einzige "Stufe" von vollständigen ersten
und zweiten Gegenströmungskanälen.
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Dies ist die kleinstc Einheitsgröße,die sich bei der Verwendung; der
Konstruktion nach der Erfindung bilden lässt; die Ausführungsform nach FiU. 5 zeigt
eine andere Art und Weise, wie solch eine Einheit aufgebaut sein kann.
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Eine gröbere Einheit besteht aus einer großen Anzahl erster kanalbildender,
zweiter kanalbildender und wärmeaustauschender Platten, die alle nacheinander wie
beschrieben gestapelt sind, bis die Einheit durch Anordnen eines festen Endpkattenelementes
10 vervollständigt wird, woraufhin sie in innigem Kontakt miteinander über Bolzen
40 verklemmt werden. Bohrstutzen 42 bis û werden in die diesbezüglichen Bohrungen
14, 16, 18 und 20 eingeführt und ermöglichen die Einbauverbindung der Vorrichtung
in ein System, in welchem sie benutzt werden soll.
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Nach einem wichtigen Merkmal der Erfindung ist die Dicke der kanalbildenden
Plattenelemente 22 und 32 bis auf etwa # 0,0025 cm gleich der Dicke der Lage (Lagen)
aus Maschenmaterial,
das in den jeweiligen Ausnehmungen 24 und
34 angeordnet ist. Dies bedeutet, daß jede massive Wärmeaustauscherplatte 30 auf
beiden Seiten über ihre Gesamtfläche entweder durch massive Teile der benachbarten
Platten oder durch jeweilige Maschenmaterialien an einer Unzahl von kleinen unter
gleichförmigem Abstand befindlichen Punkten erfasst wird und aufgrund dieser vollständigen
positiven und steif verteilten Abstützung e,-trem dünn sein kann,um zu einer erheblirhen
gesteigerten Gewichtseinsparung zu führen. Ein anderes Ergebnis dieser Abstützung
mit voller Verteilung ist darin zu sehen, daß diese extrem dünnen Platten bei hoher
Sicherheit verwendet werden können, da selbst dann, wenn ein Fluid in Abwesenheit
der anderen zugeftihrt wird, der resultierende Differentialdruck ohne Verformen
oder Verwerfen der dazwischen liegenden Platten aufrecht erhalten werden kann. Darüberhinaus
wird diese volle Abstützung erhalten, während eine adäquate Strömungsbahn gebildet
wird und das Fluid in Längsrichtung über die Maschen durch die ununterbrochenen
durch die Wellungen in den Drähten oder Fäden gebildeten Kanälen gebildet wird.
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Die in den Maschenzwischenräumen erhaltene radiale Turbulenz sorgt
dafür, daß das Fluid gegen die Kanalwandungen "wäscht" oder reibt und hierdurch
die Bildung stagnierender Fluidschichten auf den Wärmeaustauscherflächen der Wärmeaustauscherplatten
30 verhindert. Bekanntlich sorgen diese stagnierenden Lagen oder Schichten wirksam
dafür, ein im Kanals strömendes Fluid gegen seine Wandungen zu isolieren und hierdurch
den Wärmeübertragungsgesamtkoeffizienten zu vermindern. In der Vergangenheit wurden
große Anstrengungen unternojamen, um solche Schichten zu verhindern. Diese Schrubbwirkung
ist auch sehr wirksam, um wenigstens den "Verschmutzung@ oder Zusetzeffekt zu vermindern,
der bei Wärmeaustauschern
im Laufe der Zeit beobachtet wurde, der
auf die Abscheidung von festen Material aus den fluiden auf die Oberfläche der Austauscherelemente
zurückzuführen war. Dieses Zusetzen kann die Wirksamkeit des Wärmeaustauschers ernstlich
vermindern und cjn häufiges Auseinanderbauen zui Zwecke der Reinigung erforderlich
machen.
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Der zweite beobachtete Mechanismus resultiert aus der Bildung einer
enormen Anzahl keilförmiger "Hohlraume" zwischen den Maschenbahnen und den hiermit
in Kontakt kommenden Wandungen. Wenn es sich bei einem der zu kühlenden Fluide um
einen kondensierbaren Dampf handelt, so kondensiert dieser vorzugsweise in diesen
keilförmigen Hohlräumen; die entstehende sich ansammelnde Flüssigkeit baut sich
leicht in große Tröpfchen auf. Es ist bekannt, daß die "Tröpfchen"-Kondensation
äußerst wirksam in }1armeübertragungsanlagen ist; viele Anstrengungen wurden in
der Vergangenheit unternommen, um zu Vorrichtungen zu führen, die diese fördern.
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Die keilförmigen Hohlräume, die charakteristisch für die Vorrichtung
nach der Erfindung sind, scheinen besonders wirksam zu sein, wenn diese Art Kondensation
erzeugt werden soll, indem sie einen sehr winzigen HOhlraum an der Keilspitze bilden,
in welchem die Oberflächenspannungskräfte wirksam werden, um schnell ein Fallen,
gefolgt durch allmählich größere Volumina herbeizuführen, sodaß der Tropfen schnell
in der Größe zunehmen kann, bis er infolge Schwerkraft den Kanal verlässt.
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Nach einer spezifischen Ausführungsform der Erfindung messen sämtliche
Platten 10, 22 und ;0 15 cm x 21,6 cm; die Öffnungen 14 und 16 haben einen Durchmesser
von 3,8 cm, während die Öffnungen 18 und 20 einen solchen von 2,5 cm aufweisen.
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Jede Platte 10 hat eine Dicke von 1,27 cm, jede Platte 22 und 32 eine
Dicke von 0,025 cm fLir eine einzige Maschenbahn
und jede feste
oder massive Bahn 30 ist 0,015 cm dick.
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Die Abmessungen der zu verwendenden Maschen hinten natürlich von der
Anwendung des Wärmeaustauschern ab; gewöhnlich liegt die Faden- oder Drahtabmessung
von etwa 0,23 mm aufwärts mit einem Maschenabstand von etwa 8 pro cm aufwärts. Solch
ein Wärmeaustauscher kann mit Wärmeübertragungsgesamtkoeffizienten von über 19 500
Kcal/ (m² . h. °C)hergestellt werden.
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Eine Notwendigkeit für Wellungen, Vertiefungen oder die Verwendung
irgend welcher Platten besteht nicht, zumal es sich herausgestellt hat, daß solche
Wellungen etc. bei bekannten Vorrichtungen zu schneller Spannungskorrosion der Platten
führten. Sämtliche Platten können daher vollständig flach sein, was die Herstellungskosten
vereinfacht und verbilligt. Zusätzlich können sie eng ohne Leckmöglichkeiten lediglich
unter Verwendung dünner Filme aus Dichtungsmaterial hierzwischen anstelle federnder
Dichtungsausbildungen zusammen gepresst werden. Die Vorrichtung nach de Erfindung
kann man daher bei viel höheren Temperaturen und Drücken als bei Wärmeaustauschern
vom Plattentyp, die mit solchen Dichtungen arbeiten, verwenden,ohne daß die Fähigkeit
eines Auseinanderbaus zum Zwecke der lteinigung verlorenginge.
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Die einzusetzende Maschengröße hängt natürlich von der spezifischen
Größe und Anwendung der Vorrichtung, beispielsweise der Viskosität der durchströmenden
Flüssigkeiten, ab. Eine typische Maschengröße liegt z.B. bei 5,5 Maschen pro cm
bei einer Drahtdicke von 0,23 mm; diese Maschen liefern einen Abstützpunkt alle
0,025 cm2 kontaktierter Fläche. Es ist daher möglich,Wärmeübertragungsbahnen von
nur 0,025 cm Dicke zu verwenden, da beispielsweise bei einem an die Bahn angelegten
Differentialdruck von 14 kg/cm2
die maximale Zugfestigkeit zwischen
vier Maschenträgerpunktes bei nur t312 kg/ cn2 liegl;; im falle einer Bahn aus reinem
Titan Vihrt eine solche Beanspruchung zu einer Abbiegung von nur 0,001 mm. Die Verwendung
dünner Bahnen ist natürlich wünschenswert, um Größe und Herstellungskosten zu vermindern,
macht aber, und dies ist wichtig, die Verwendung hochkorrosionsbeständiger Materialien
wie Titan, Tantal und Zirconium wirtschaftlich.
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Ein Maschenmaterial von 2,5 Maschen pro cm verwendet einen Draht von
0,16 cm Durchmesser, während die den Kanal bildende Platte 0,30 cm dick wäre.
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Ein anderer günstiger Effekt zur Verasendwlg einer tlaschenfüllung
für den Strömungskanal resultiert wieder aus der Strömung, die erreicht wird. Es
zeigt sich, daß nur eine extrem kurze Strömungsbahn zwischen Einlaß- und Auslaßöffnungen
erforderlich ist, um den gewünschten Tenperaturaustausch zu liefern; nach der beschriebenen
Ausführungsform beispielsweise zeigt sich eine Jtrömungsbahnlänge von nur 15 cm
als genauso wirksam wie ein üblicher Plattenwärmeaustauscher mit einer Bahnlänge
von 180 cm und mehr.
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Wegen der sehr kurzen Bahnlänge lassen sich Wärmeübertragungsgesamtkoeffizienten
mit Druckabfällen über die 2 Vorrichtung im Bereich von 0,30 kg/ cm anstatt von
Werten von 0,84 bis 1,4 kg/ cm² bei üblichen Plattenwärmeaustauschern erhalten.
Aus der geforderten kurzen Bahnlänge folgt, daß das Volumen der Vorrichtung entsprechend
gering ist (beispielsweise etwa 10 mal geringer als bei üblichen Vorrichtungen).
Ein zusätzlicher Vorteil ist darin zu sehen, da!3 die chemisch Reinigung des Inneren
der Vorrichtung ohne Auseinanderbau sich mit viel geringeren Flüssigkeitsvolumina
erreichen lässt.
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Es zeigt sich, daß die Vorrichtung als reine Gegenstromvorrichtung
über die größeren Teile der beiden Strömungsbahnen
im Hinblick
auf die Ausrichtung der beiden Hohlräume 24 und 34 und den hillungen hierzwischen
ist; in dieser Hinsicht ergibt sich der Vorteil gegenüber den bekannten Mantel-
und Rohrwärme- sowie Plattenaustauschern, bei denen sich wie beschrieben kein echter
Gegenstrom einstellen kann. Bei gewissen Ausf'hrungsforinen können die Kanäle so
relativ zueinander angeordnet sein, daß die jeweiligen Bahnen zueinander im greuzstrom
und nicht im Gegenstrom, wie bei der beschriebenen Ausführungsform, stehen. Gleichstromwärmeautauscher
können auch wenn notwendig oder wünschenswert vorgesehen sein. Andere Ausführungsformen,
die für den Wärmeaustausch zwischen einem gasförmigen Fluid und einem flüssigen
Fluid oder zwischen zwei gasförmigen Fluiden ausgelegt sind, haben unterschiedliche
spezifische Konfigurationen, um beispielsweise die größeren Volumina eines gasförmigen
Fluids zu berücksichtigen, das verglichen mit einem flüssigen Fluid gehandhabt werden
muß.
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Als spezifisches Beispiel kann, wenn beispielsweise der erste Kanal
ein gasförmiges Fluid führen soll, der jeweilige Hohlraum 24 sich über die volle
Länge des Plattenelementes 22 erstrecken; der Eintritt hierin erfolgt durch die
Öffnungen in den Enden der Platten.
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Die Ausfiihrungsform der Fig. 5 ist eine einfache Konstruktion, die
sich als sehr wirksam herausgestellt hat, beispielsweise als Probenkühler oder Kondensator
oder als Ölkühler für Brennkraftmaschinen. Gleiche Bezugszeichen werden für gleiche
Teile verwendet. Der erste Fluidströmungskanal wird gebildet zwischen der Endplatte
10, dem kanalbildenden Element 22 und dem Wärmeübertragungsplattenelement 30, während
der zweite Fluidströmungskanal zwischen dem Plattenelement 30, dem kanalbildenden
Plattenelement 32 und der Endplatte 10 gebildet ist. Man sieht, daß die Platte 30
nur
Bolzenlöcher 12 hierin aufweist, während die beiden Ausnehmungen
oder Hohlräume 24 bzw. 34 sich in den Platten 22 und 32 von der gleich stark länglichen
in etwa ovalen Gestalt sind. Die beiden Maschensiebe 26 und 36 sind von entsprechender
Gestalt und Dicke und füllen die Hohlraume. Solch eine Vorrichtung von nur 0,01
m² Austauscherfläche hat einen Wert von 10 365 Kcal/ (h . m² . °C)für einen Druckabfal
von nur 0,35 kg/cm².
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Die Gesamtzahl de pro Stunde übertragenen Kilokalorien ist 3 024,
während*logarithmische mittlere Temperaturdifferenz bei 13,6 °C liegt. Dieselbe
Konstruktion wie beschrieben kann als statischer Misher oder Reaktor verwendet werden.
* = die In oben beschriebener Weise wird das Maschenmaterial aus gewellten gewebten
Drähten oder Fäden hergestellt, das mechanische Äquivalent fir so ein Material lässt
sich aber ebenfalls verwenden, beispielsweise ein Material entsprechender Gestalt,
das als einteilige Einheit aus Kunststoffmaterial geformt wurde.
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Die Ausführungsform der Fig. 6 zeigt einen Wärmeaustauscher oder thermostatisch
kontrollierten statischen Reaktor zylindrischer Form. Der erste innere ringförmige
Fluidströmungskanal ist zwischen einem inneren "End"-Zylinder 10, kanalbildenden
Endringen 22 und einem Wärmeübertragungszylinder 30 ausgebildet, während der weite
äußere ringförmige Fluidströmungskanal zwischen dem Zylinder 30, Endringen 32 und
einem rüußeren "End"-Zylinder 10 gebildet ist.
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Die beiden Maschenbahnen 26 und 36 haben ebenfalls zylindrische Form
und füllen die Ausnehmungen odre Hohlräume, in denen sie angeordnet uind, völ]1g,
die Zylinder 10, 26, 30 und 36 sind sämtlich koaxial zueinander. Fluid tritt in
den ersten Kanal durch den Rohrstutzen 42 ein und verlässt
ihn
über die Rohrstutzen 44; in einer Gegenstromanordnung tritt Fluid in den zweiten
Kanal über den Rohrstutzen 46 ein, den Rohrstutzen 48 aus. Aufgrund der den Fluiden
durch die Maschenzylinder aufgezwungenen Strömungen hat es sich als zufriedenstellend
herausgestellt, das Fluid in ringförmige Strömungskanäle einzuspeisen und sie an
einzelnen Orten auf dem jeweiligen Umfang zu entfernen, da die Fluide schnell völlig
um den vollen Umfang durch die quer geneigten Drähte verteilt werden.
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L e e r s e i t e