DE666910C - Waermeaustauscher mit einer Anzahl von in Spiralform gewickelter Bleche - Google Patents

Description

• Wärmeaustauscher,mit einer Anzahl *von in Spiralform gewickelter Bleche Bei den bekannten Wärmeaustauschern mit in Spiralform gewundenen Blechen fließen die zu kühlenden oder zu erwärmenden Austauschmittel meistens im Gegenstrom, und die Durchflußräume des einen Austauschmittels sind innen und außen von DuTchflußräumen des anderen Austauschmittels umgeben, so daß also alle Wandungen an der Wärmeübertragung beteiligt sind. Da sich hierbei die verschiedenen Temperaturen durch die Wände hindurch ausgleichen, ist es unmöglich, ein zu kühlendes oder zu erwärmendes Mittel in stetiger Wärmeab- oder -zunahme über einen größeren Temperaturbereich zu führen. Derartige Wärmeaustauscher haben deshalb einen schlechten Wirkungsgrad.
• Gegenstand der Erfindung ist ein Wärmeaustauscher von an sich gleicher Bauart, bei dem zwischen benachbarten Sdhichtengruppen eine Schicht geringer Wärmeübertragungsfähigkeit vorgesehen ist. Unter dem Ausdruck Schichtengruppe sind zwei benachbarte Durchflußräume zu verstehen, die ein abzukühlendes bzw. ein zu erwärmendes Wärmeaustguschmittel enthalten und zwischen denen der Wärmeaustausch nach und nach erfolgen soll.
• In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes schematisch dargestellt.
• Fig. r und 2 stellenWärmeaustauscher dar, deren oberer Verschlußteil zur Veranschaulichung des inneren Aufbaues weggenommen wurde.
• Fig. 3 und q. zeigen andere Ausführungsformen mit unterteilten Durchflußräumen. Fig.5 ist ein Längsschnitt durch einen Wärmeaustauscher nach Fig. z.
• Fig.6 ist ein Längsschnitt durch einen Wärmeaustauscher nach Fig. 3.
• Fig. 7 zeigt im Schnitt eine besondere Abdichtungsart für die Durchflußräume.
• Fig. $ zeigt in größerem Maßstab eine Ansicht der Erhöhungen 2 nach Fig. 5 und 7. Fig.9 zeigt Abzugskanäle für Niederschlagflüssigkeit. Fig. io zeigt ein Beispiel für einen umlaufenden Wärmeaustauscher.
• Die in Fig. i bis 5 dargestellte Form des Wärmeaustauschers dient dazu, ein Gas oder eine Flüssigkeit vorübergehend stark zu er-' hitzen oder abzukühlen. Die Bleche i und .3 sind unter Einschaltung einer Isolierschicht 4. um einen stabförmigen Heizkörper 5 zur Bildung einer Anzahl spiralförmig verlaufender Durchflußräume gewickelt. Blech 3 ist stellenweise mit Erhöhungen :2 versehen, welche die Höhe der Durchlauffläche bestimmen und die Bleche in richtigem Abstand voneinander halten. Die spiralförmigen Durchflußräume sind im Innern des Austauschers miteinander verbunden, um auf diese Weise einen durch den Austauscher durchgehenden Raum zu erhalten. Dieser zweimal spiralig gewundene Raum ist an seinen Enden an ein Zuflußrohr 6 bzw. Abflußrohr 7 angeschlossen. Wie Fig. 5 zeigt, sind die verschiedenen Hohlräume des Austauschers oben und unten durch einen Deckel 8 geschlossen, in den die Spiralwände und Isolierschichten in entsprechende Rillen eingreifen, in denen Packungen liegen, oder dieDeckel können auch, wie Fig. 6 zeigt, aus einer plastischen Masse angefertigt werden, die mit der Zeit fest wird. Nach der Erhärtung sind die Durchflußräume dann an der Stirnseite abgeschlossen. Als plastische Masse eignen sich besonderes Gips, Zement, schmelzbare Stoffe, Gummiarten, durch Kondensation erhärtende Stoffe, wie Kunstharz, Kitte mit Cellulose derivaten oder erhärtenden Ölen, und ähnliche Stoffe.
• Die zur Trennung der verschiedenen Bleche und zur Bestimmung der Schichtenbreite verwendeten Erhöhungen 2 können verschiedenartig sein. In Fig. 8 ist in größerem Maßstab die Ansicht einer vorteilhaften Ausführung als tropfenförmiges Profil, das dem Durchfluß des Austauschmittels möglichst wenig Widerstand entgegenstellt, innerhalb der laufenden Schichten keine Wirbel entstehen läßt, die eine örtliche Wärmemischung verursachen und so den Wirkungsgrad des Austauschers herunterdrücken könnten.
• Das beispielsweise zu erhitzende Mittel tritt bei 6 ein, durchströmt einen der durch die Bleche i und 3 gebildeten Kanäle bis zur Wärmequelle 5, wird dann erhitzt, tritt in deren Nähe in den anderen Kanal über und strömt durch Rohr 7 ab. Auf dem Wege von der Wärmequelle bis zum Abflußrohr gibt die Flüssigkeit die bei der Wärmequelle aufgenommene Wärmemenge an die eintretende Flüssigkeit ab und erhitzt diese allmählich. Dabei kühlt sie sich selbst ab und tritt beim Abflußrohr mit ungefähr der gleichen Temperatur aus, mit der sie in den Austauscher eingetreten ist. Auf diese Weise ist die aufgewendete Wärme nur so groß, als sie beispielsweise für eine Pasteurisation oder zum Ausfällen bestimmter, in demAustauschmittel enthaltenen Stoffe notwendig ist. Die zwei ,- iralförmigen Kanäle bilden 'hierbei eine lWärme austauschende Schichtengruppe.
• @-'bie zwischen den zwei einander gegenüberstehenden Schichtengruppen gemäß der Erfindung eingeschaltete Isolationsschicht hat die Wirkung, daß keinerlei Temperaturübertragung von einer Schichtengruppe zur anderen stattfinden kann. Dadurch ist jeglicherTemperatursprung, der Energieverlust zur Folge hat, vermieden. In dem beschriebenen Beispiel dagegen entspricht die durch dieWärmequelle zuzuführende Wärmeenergie (in anderen Fällen Kälteenergie) fast vollständig nur den bleibenden chemisch-physikalisehen Veränderungen des Stoffes, z. B. der Verdämpfungswärme bei kondensierten Dämpfen. Derartige Wärmeaustauscher eignen sich daher beispielsweise für die Sterilisation und Pasteurisation von Milch, Most und Fruchtsäften, indem diese Stoffe kurzen, aber verhältnismäßig hohen und wiederholten Hitzen ausgesetzt werden, was bekanntlich die Sterilisationswirkung erhöht, ohne den Geschmack zu beeinträchtigen. Auch eignet sich ein solcher Austauscher zur Trinkwassersterilisation, wenn das zu behandelnde Wasser nicht allzu kalkhaltig ist, ferner für die Rückgewinnung von Lösungsmitteln in der Kunstseide-, Gummi-, Extraktions-, Lackierungs-, Celluloi.d- und Filmindustrie u. a. und zur Lufttrocknung durch vorübergehende Kühlung oder zur Wassergewinnung aus Luft.
• Der Austauscher läßt sich einfach auseinandernehmen und reinigen. Nach Wegnahme der beiden Deckel können die Bleche wieder aufgerollt und von etwaigen Niederschlägen, die sich beispielsweise durch Umkehrung der Flußrichtung oder durch physikalisch-chemische Beeinflussung nicht lösen lassen, mechanisch leicht gereinigt werden.
• Bei der Ausführung nach Fig.2 sind die Durchflußräume im Gegensatz zu Fig. i im Innern des Austauschers nicht miteinander verbunden. Der mit dem 'Einlaufstutzen 6 verbundene Durchflußraum hat seinen Auslaufstutzen bei 9, und der andere ist mit einem Einlaufstutzen io und Auslaufstutzen ii verbunden. Infolgedessen ist auch die Arbeitsweise eine andere. Es findet nicht eine vorübergehende Erhitzung bzw. Abkühlung eines einzigen Stoffes statt, sondern der eine Stoff wird zur Änderung der Temperatur eines zweiten verwendet. Als Beispiel wird der Fall angenommen, in dem heiße Abwässer zur Erhitzung einer Flüssigkeit dienen sollen. Die heißen Abwässer treten bei io in den Austauscher ein und verlassen ihn bei i i nach dem Durchfließen der zwischen den Blechen 3 bis i gebildeten Räume. Die Blechwand 3 ist, wie in allen diesen Austauschern, sehr dünn und wärmeleitend gehalten und überträgt die aufgenommene Wärme auf die in den nebenstehenden Räumen fließende Flüssigkeit.
• Auch hier verhindern die zwischen den einzelnen Sch:ichtengruppen des Austauschers eingeschalteten Isolationsschichten Temperatursprünge. Die Temperatur der heißen Abwässer nimmt durch fortwährenden Wärmeübergang langsam ab, während die Temperatur der zu erwärmenden Flüssigkeit in demselben Maße zunimmt. Sind beispielsweise die Mengen der beiden Flüssigkeiten gleich groß und ist der ganze Austauscher in zehn Schichtengruppen gewickelt, so. hat die Isolierschicht überall gegen eine Temperaturdifferenz von nur %o der gesamten Temperaturdifferenz zu isolieren. Bei einer Isolierschicht von i cm Filz und bei einer der Übertragung dienenden Temperaturdifferenz von i ° sowie bei einer Kanalbreite von 3 mm und bei 0,5 mm dicker Übertragungswand berechnet sich der Verlust durch die Isolierschicht auf 7,3 % der nutzbar übertragenen Wärmeenergie.
• Fig. 3 stellt einen Austauscher dar, welcher ähnlich dem der Fig. i arbeitet. Der Unterschied besteht nur darin, daß die Räume, in welchen das Austauschmittel fließt, unterteilt sind. Zu diesem Zweck sind, wie in Fig. 6 im Schnitt dargestellt, zwischen zwei Isolationsschichten nicht eine Wand, sondern mehrere Wände vorgesehen, die mit gegeneinander versetzten Erhöhungen zur Trennung einzelner Wege versehen sind. Diese Wege sind so zusammengefaßt, daß, die äußeren ausgenommen, jede Teilschicht zwischen zwei anderen eingeschlossen ist, die ein Austauschmittel anderer Strömungsrichtung führt. Die Teilschichten 12 und 13 sind hierbei parallel geschaltet. Durch geeignete Führung innerhalb des Austausc!hers münden sie beide in den Einführungsstutzen 6. Die zwei anderen Schichten 14 bis 15 sind auf ähnliche Weise mit dem Stutzen 7 verbunden. In unmittelbarer Nähe des Heiz- oder Kühlkörpers 5 sind gleich wie in Fig. i die Schichten 12 und 15 bzw. 13 und 14 miteinander verbunden; hier erreicht das Wärmeaustauschmittel die Temperatur des Körpers 5. Auch hier sorgt die die Teilschichten 12, 15, 13 und 14 umschließende Isolationsschicht 4 dafür, daß keine Temperatursprünge entstehen können. Die Schichten 12, 13, 14 und 15 bilden zusammen eine Schichtengruppe, die in sich nützlich Wärme überträgt. Hat man hier, zum Unterschied von Fig. 2, außer den Schichtengruppen noch eine Aufteilung jeder Schicht in weitere Teilschichten, so werden dadurch die Verluste durch die Isolationsschicht noch geringer.
• Der Austauscher nach Fig. ¢ arbeitet wie der nach Fig. 3.
• Fig. 7 zeigt eine besondere Abdichtung für die Durchflußräume gegen die Deckel durch mit Druckluft gefüllte Schläuche 17. Die Deckel erhalten dann nur eine Eindrehung B.
• In Fig. 9 sind in der Abwicklung der Bleche Austrittsöffnungen 16. dargestellt, die zur AbführungniedergeschlagenerFlüssigkeit dienen. Die Strömungsrichtung ist durch einen Pfeil angegeben. Durch zweckmäßige Abschlüsse dieser Öffnungen, z. B. durch Vorkammer, Siphon, Hahn oder Pumpe, kann ein Verlust strömender Stoffe durch diese Öffnungen vermieden werden.
• Solche stirnseitigen Öffnungen der Durchflußräume können auch zum Querspülen des Austauschers dienen, z. B. zurErzielung einer bestimmten Reaktion mit einem anderen durchströmenden Stoff oder zur Verhinderung des Festsetzens dichter Ausscheidungen.
• In Fig. io ist schematisch ein umlaufender Wärmeaustauscher dargestellt. In gewissen Fällen ist eine solche Anordnung zur Verhinderung oder Entfernung fester Ausscheidungen gewisser Stoffe erwünscht. Die Aufwicklung der Bleche und die Verbindung der Durchflußräum.e ist wie in Fig.4 also mit Einlauf 6, Auslauf 9 und einem zweiten Einlauf io und zweiten Auslauf i i. Zu- und Abführleitungen werden in bekannter Weise durch ortsfeste, reibende Packungen mit dem umlaufenden Austauscher verbunden, so daß die Stoffe ungehindert trotz der Drehung durch den Austauscher strömen können. Die Lager 2o tragen den Austauscher; sie enthalten die Durchführungen der Leitungen 6, 9, io und i i. Eine Riemenscheibe 22 treibt das Ganze an.
• Die zwischen den Schichtengruppen vorgesehene Isolation kann aus nicht leitenden Massen, wie Filz, Watte, Kork, Glaswatte u. dgl., bestehen. Es ist aber auch möglich, an Stelle einer solchen festen Isolation entweder Gase mit hohem Molekulargewicht, die schlecht leiten, zu verwenden, oder diese Zwischenräume luftleer zu machen.
• Die in Fig.8 beispielsweise dargestellten Erhöhungen können in Vertiefungen der Nebenwand i eingreifen, so daß ein gegenseitiges Verschieben der Bleche verhindert wird.
• In der ganzen Beschreibung und auch in den folgenden Ansprüchen ist überall von Blech die Rede. Es ist aber klar, daß darunter auch Folien aus nicht metallischem Baustoff, welche gut wärmestrahlendurchlässig sind, als Blech im Sinne derErfindung zu verstehen sind.

Claims (2)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Wärmeaustauscher mit einer Anzahl von in Spiralform gewickelter Bleche, welche Durchflußräume für im Gegenstrom fließendeWärmeaustauschmittel bilden, dadurch gekennzeichnet,daß zwischen benachbarten Schichtengruppen, die von zwei nebeneinanderliegenden, Wärme austauschenden Durchflußräumen gebildet werden, eine Sc'hic'ht geringer Wärmeübertragungsfähigkeit (i) vorgesehen ist.
2. 2. Wärmeaustauscher nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflußquerschnitt derKanäle durchErhöhungen (2) bestimmt ist, welche stellenweise auf der Trennwand der Durchflußräume angebracht sind. 3: Wärmeaustauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhöhungen (2) Stromlinienform haben. q.. Wärmeaustauscher nach Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die denAbstandbestimmenden Erhöhungen (2) des einen Bleches in Vertiefungen des benachbarten Bleches eingreifen, um ein gegenseitiges seitliches Verschieben der Bleche zu verhindern. 5. Wärmeaustauscher nach Anspruch i, insbesondere für gasförmige Stoffe, dadurch gekennzeichnet, ,daß an der Stirnfläche der Durchflußräume Öffnungen (i6, Fig. 9) vorgesehen sind, um Niederschlagflüssigkeit aus dem Wärmeaustauscher zu entnehmen. 6. Wärmeaustauscher nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (i) Luft oder ein gasförmiges Mittel mit hohem Molekulargewicht enthält. 7. Wärmeaustauscher nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (i) durch einen luftverdünnten Raum gebildet ist. B. Wärmeaustauscher nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußräume parallel zur Strömungsrichtung durch mit einem nachgiebigen Mittel gefüllte Schläuche (i7, Fig. 7) abgedichtet sind. 9. Wärmeaustauscher nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anordnung eines Heiz- oder Kühlkörpers im Innern des Wärmeaustauschers je zwei benachbarte Durchflußräume im Innern des Austauschers miteinander verbunden sind, also vom gleichen Stoff, jedoch in entgegengesetzten Richtungen durchflossen werden.