CH247529A - Wärmeaustauscher mit Wärmeübertragungsflüssigkeit in geschlossenem Kreislauf. - Google Patents

Description

      Wärmeaustauscher    mit     Wärmeübertragungalüssigkeit    in geschlossenem     Kreislauf.       Bei     Wärmeaustauschern,    bei denen die  Wärme mittels eines flüssigen Wärmeträgers  von einem gasförmigen Medium an ein an  deres gasförmiges Medium übergeführt wer  den muss,     wie    dies beispielsweise in     Gastur-          binen-Kreisprozessen    der Fall ist,     kommt    es  darauf an,     gasseitig    eine möglichst grosse       Wärmeaustauschfläche    unterzubringen, ohne  dem Gas,     einen    grösseren Druckabfall zuzu  muten,

   als zur Wärmeübertragung nötig ist.  Grosse zusammenhängende Wärmeaustausch  flächen, die in Richtung der     Gasströmung     notwendigerweise grosse Abmessungen haben,  wie sie bei     Plattenaustauschern        vorkommen,     haben den Nachteil, dass die sich auf den Plat  ten ausbildende     Grenzschicht    relativ dick  wird und damit den Wärmeübergang beein  trächtigt, sofern der gegenseitige Platten  abstand im Verhältnis zur     Grenzschichtdicke     gross ist.

   Diesbezüglich sind quer zur Strö  mungsrichtung     angebrachte    Rippenrohre vor  teilhafter, da bei jedem Rohr die Grenzschicht  neu ausgebildet werden muss und demnach nur  dünn sein kann, wenn die Rippen keine zu  grossen     Flächenmasse    annehmen. Fliesst nun  im Innern des     Rippenrohres    eine Flüssigkeit,  welche schon an sich einen sehr guten Wärme  übergang zum Rohr hat, so zeigt die Praxis,       da.ss    es möglich ist, bezogen auf die Rohr  innenfläche, gas- und flüssigkeitsseitig, selbst  bei kleinen Gasgeschwindigkeiten und atmo  sphärischem Druck des gasförmigen Mediums,  angenähert denselben hohen     Wärmeüber-          gangskoeffizienten    zu erhalten.

           Wärmeaustauscher    müssen besondere bei       Gasturbinen-Kreisprozessen    äusserst     kompen-          diös    gebaut werden. Es ist dort von beson  derem Interesse, die     Wärmeaustauscher-          flächen    direkt in die     Arbeitsmittelleitung     einzubauen, um lange wärmeisolierte Leitun  gen und     Krümmer        bezw.        Umlenkgitter,    die  ihrerseits Druckverluste zur Folge haben, zu  vermeiden.  



  Gedrängte Bauart und geringer Druck  abfall     lassen    ,sich verwirklichen indem der  Wärmeaufnehmer und der     Wärmeabgeber     vollständig getrennt angeordnet und durch       einen    geschlossenen Kreislauf mit einer       Wärmeübertragungsflüssigkeit    verbunden  werden. Diese Bauart     lässt    sich bei Gastur  binen oder anderen Kreisprozessen mit hoher  Temperatur des Arbeitsmittels verwenden,  wenn gemäss der Erfindung der Kreislauf von  einer Flüssigkeit durchflossen ist, welche  ihren tropfbaren Aggregatzustand in     einem     Temperaturbereich beibehält, der von Raum  temperaturen bis an die an Turbinenschaufeln  zulässigen Temperaturen, das heisst bis wenig  stens an 400  C heranreicht.

   In der Zeichnung  sind zwei Ausführungsbeispiele des Erfin  dungsgegenstandes dargestellt, und zwar  zeigt:       Fig.    1 die prinzipielle Anordnung eines       Wärmeaustauschers,          Fig.    2 einen     Querschnitt    durch das Rohr  system in grösserem Massstab,       Fig.    3     oben    und unten Kühlrohrlängs-           schnitte    dazu, nach den     Linien        @-Ä        bezw.     B -B der Mg. 2,       F'ig.    4 und 5 Details:

   zum     Wärmeaus-          tauscher,          Fig.    6 eine andere Bauart des     Wärme-          austauschers,          F'ig.    7 einen Teil     eines    Schnittes nach       Linie        VII-VII    der<B>Mg.</B> 6 in grösserem Mass  stab,       Fig.    8 einen Teil von     Fig.    7 in noch grö  sserem Massstab.  



  Das Rohr 1 führt einen ersten Gasstrom,  dem Wärme zu entziehen, und das Rohr 2  einen zweiten Gasstrom, dem diese Wärme       zuzuführen    ist. Die     Übertragung    der Wärme  erfolgt durch ein     flüssigkeitsgefülltes    Rohr  system, das nach     Fig.    1 bis 5     mit    seinem  Teil 3     in    das Rohr 1, mit     seinem    Teil 4 in  das Rohr 2 eingebaut ist. Die Rohre dieses  Systems sind dort, wo sie sich im     Gasstrom     befinden,     mit    Rippen 5 versehen.

   Durch eine       Pumpe    P wird die Flüssigkeit im     Rohrsystem     3, 4 in     Richtung    der Pfeile 6, 9 umgewälzt.  Die Gase in den Rohren 1 und 2     strömen    dabei  in der     Richtung    der Pfeile 7 und 8, was er  kennen lässt, dass die ganze Anlage im     Quer-          gegenstromprinzip        arbeitet.     



  Sind die einzelnen Rohre 10 des Rohr  systems 3, 4 in     Strömungsrichtung    nach den  Gesetzen der Strömungslehre im     .Sinne    gering  sten Widerstandes profiliert     (Fig.    2), so ist  auch der     gasseitige    Druckabfall in den Roh  ren 1 und 2 auf ein Mindestmass herabgesetzt.

    Um den Abstand der einzelnen Rohre 10 in  Strömungsrichtung klein zu halten, können  die Rippen 11 vorn und hinten abgeschnitten  werden     (Fig.    2, 3) ; dabei     wird    dem     Umstand     Rechnung getragen, dass am vordern und hin  tern Staupunkt 12     bezw.    13 des Rohrprofils  die Geschwindigkeit Null und     in    deren Um  gebung nur klein ist, verglichen mit der Ge  schwindigkeit an der Längsseite des Profils.  Die Rippen     erhalten    also dort die grösste Aus  dehnung, wo die     Geschwindigkeit    gross ist und  demzufolge der Wärmeübergang auch gross  ist.  



  Als     Flüssigkeit    im Rohrsystem 3, 4 ist  beispielsweise eine     eutektische    Mischung von         Kalium    und Natrium oder aber eine Mischung  verwendet, in welcher mehrheitlich diese bei  den Elemente vertreten sind. Da solche     Flüs-          sigkeiten    vor jeder Berührung mit Feuchtig  keit zu bewahren sind, muss der     Kreislauf     vollständig luftdicht abgeschlossen sein.

   Die  Pumpe P muss daher als     stopfbüchslose          Pumpe    ausgebildet sein, etwa wie jene  bekannten elektrisch betriebenen Pumpen,  die direkt in einem Strang einer Heizungs  anlage eingebaut werden und bei denen das  im Rohrstrang gelagerte Pumpenrad zugleich  Rotor des Pumpenmotors ist.

   Dabei ist die       Statorwicklung    des Motors um das Pumpen  rad herum angeordnet und durch eine im  Luftspalt zwischen Rotor und     Stator    ange  ordnete feste Scheidungswand vom     Flüssig-          keitsraum    vollständig     flüssigkeitsdicht    ge  trennt. .Sie wird     vorteilhaft    im kalten Ast des  Kreislaufes     eingeschaltet,    damit beispiels  weise die Wicklung des Motors nicht zu sehr  erwärmt wird und     gavitationserscheinungen     in der Pumpe     gelber    möglichst ausgeschlossen  sind. Die Stromwärme des Elektromotors  kann dabei durch Luft abgeführt werden.

   Die       Wärmeübertragungsflüssigkeit    kann statt  durch eine Pumpe P nach dem     Thermo-          siphonprinzip    umgewälzt werden.  



  Zum Abfüllen der Flüssigkeit wird das  Rohrsystem mit     Vorteil    erhitzt,     damit    jegliche       Feuchtigkeit    entweicht. Die an der höchsten       Stelle    anzuordnende Abfüllöffnung kann  durch Verschweissen abgeschlossen werden,  da die erwähnte     Flüssigkeit    die Schweisshitze  ohne     weiteres    erträgt. Die Volumenänderung  der Flüssigkeit bei Erwärmung kann durch       sogenannte    Bälge ausgeglichen werden, wie       F'ig.    4 zeigt.     Die        Bälge    oder Dehnungskör  per 15 sind vollständig luftdicht.

   Schweiss  stellen können mit Rücksicht auf den Strö  mungswiderstand     im.    Rohr in widerstands  armer Ausführung vorgenommen werden.       Fig.    5 zeigt eine solche; es sind hiervon eine  ganze Menge bekannt geworden.  



  Um möglichst alle Wärme von einem Me  dium an das andere überzuführen, ist nur ein  geringer Temperatursprung vom Gasstrom  zum Übertragungsmedium     zulässig.    Handelt      es sich um sehr hohe Temperaturen von z. B.  600 C, so ist es unter Umständen nötig, Rohre  und Rippen aus hochhitzebeständigem Ma  terial auszuführen. Da sich aber diese     Stähle     gut schweissen     lassen,    ist darin kein prin  zipielles Hindernis für die     Herstellung    sol  cher Rohre zu erblicken. Im übrigen soll hier  keine besondere     Herstellungsart    der Rip  penrohre bevorzugt werden, da deren eine  grosse Zahl bekannt geworden sind; sie er  gibt sich je nach dem Temperaturbereich,  in dem das betreffende Rohr zur Anwen  dung gelangt.

   Der     Wärmeaustauscher    an  und für sich kann bei unterteiltem Tempera  turbereich verschiedene     Teilaustauscher    um  fassen und demzufolge auch eventuell ver  schiedene Herstellungsverfahren und Ma  terialien der     Rohre    notwendig machen.  



  Bei der Bauart der     Wärmeaustauscher-          elemente        nach        Fig.    6 bis 8 soll vom Gas  strom im Rohre 1 wiederum durch     einen     geschlossenen Flüssigkeitskreislauf vermit  tels Pumpe P (oder     Thermosiphonwirkung)     Wärme auf den Gasstrom im Rohre 2 über  tragen werden.

   Dabei strömen Gas und Über  tragungsflüssigkeit im     reinen        Gegenstrom.     Damit wird erreicht, dass das Temperatur  gefälle der heizenden oder kühlenden Ober  flächen gegenüber dem Gas längs der Wärme  austauscherströmung möglichst konstant  bleibt und die Heiz-     bezw.    Kühlelemente im  Gasstrom keinen unnötigen     Druckverlust     erzeugen.

   Um     ferner    dafür zu sorgen, dass  pro Volumeneinheit der     Wärmeübertragungs-          elemente    bei gegebenen Temperatur- und Ge  schwindigkeitsverhältnissen ein     Maximum     an Wärme ausgetauscht wird, sind bei der  Bauart nach     Fig.    6 bis 8 die     Wärmeüber-          tragungsflächen    mit gasseitig     ineinandergrei-          fenden    Rippen versehen.     Fig.    7 insbesondere  zeigt die     prinzipielle    Anordnung der     inein-          andergreifenden    Rippen.

   Danach strömt die       Wärmeübertragungsflüssigkeit    durch die  Räume 15 zwischen in den Gasstrom einge  bauten, mit Rippen versehenen Platten 16. An  den Seiten der Rohre 1 und 2 sind     Verteiler-          bezw.        Sammlerkästen    17 angebaut,     mittels     welcher die durch die Pumpe P bewegte         Flüssigkeit    zwischen die Platten     verteilt          bezw.    nach Durchströmen derselben gesam  melt werden.

       Flüssigkeitsseitig    sind an diesen  Platten 16 niedrige Rippen 20 vorgesehen, die  auch in     Fig.    6 angedeutet sind und in ihrem  mittleren Teil in der Richtung der     Gasströme     in den Rohren 1 und 2 verlaufen. Die     gassei-          tigen    Rippen<B>21</B> benachbarter Platten     greifen     gegenseitig ineinander ein,     wie        F''ig.    7 zeigt.  Die Rippen 20 dienen dazu, bei seitlicher Zu  führung der Flüssigkeit dieselbe in die axiale  Richtung umzulenken.

   Die     gasseitigen    Rip  pen 21 sind so dimensioniert, dass die auf  die Flächeneinheit der Platten bezogenen       Wärmeübergangszahlen        gas-    und     flüssig-          keitsseitig    angenähert gleich gross sind.

   Für  nicht     ineinandergreifende    Rippen führt die  Temperaturdifferenz zwischen der Stelle B       (Fig.    7) und dem Rippenkamm C zu unnöti  gen     Reibungsverlusten    der Gasströmung, in  dem an der Oberfläche reibende     Gasteilchen     zum Beispiel am kälteren Rippenkamm C  keine Wärme mehr aufnehmen können, nach  dem sie vorher zufolge der     turbulenten    Quer  strömungen an der wärmeren Stelle B auf  geheizt wurden.

   Für     ineinandergreifende    Rip  pen ergibt sich eine Verminderung der Tem  peraturdifferenz     zwischen    C und B, indem  der Rippenkamm C<I>von D</I> (zur Hauptsache  durch     Strahlung)    aus erwärmt und anderseits  die Stelle B durch den Rippenkamm E ab  gekühlt wird.     Die    kleinere Temperaturdiffe  renz gibt einer geringeren Anzahl Gasteilchen  die Möglichkeit, ohne Wärme aufzunehmen  oder abzugeben, an der Oberfläche zu reiben,  das heisst die zusätzlichen Verluste verringern  sich.

   Ein grosser Vorteil der     ineinandergrei-          fenden    Rippen besteht ferner darin, dass sie  eine zumindest doppelt so feine Aufteilung  des gasdurchströmten Raumes ermöglicht, als  der Formgebung der     Wärmeübertragungsrip-          pen    entspricht.  



  Die gasseitigen, etwas längeren und vor  allem am Kamm verstärkten Rippen 22 haben  den Zweck, die     Wärmeaustauscherplatten    ge  genseitig abzustützen.  



  Die Herstellung der Rippenplatten kann  durch spanabhebende Bearbeitung, Pressen      oder Ziehen und Schweissen erfolgen. In       Fig.    8 ist eine Konstruktion aus verschweiss  ten und gepressten oder anders bearbeiteten       mehrkämmigen        Rippenkörpern    dargestellt.  Letztere könnten auch     einkämmig        .sein.     



  Besonders:     günstige        Verhältnisse    ergeben  sich, wenn der     Wärmeaustauscher        gasseitig    in  einen pulsierenden Gasstrom eingebaut wird,  da dann der Wärmeübergang gut ist und die  Rippen nur eine kleine räumliche     Ausdehnung     annehmen oder auch ganz weggelassen werden  können.

   Die Rippenrohre können hierbei als  Dämpfer wirken und gewisse     Frequenzen    der       Gaspulsationen    zum     Verschwinden        bringen.     Es ist auch denkbar, dass der     Wärmeaus-          tauscher    in diesem besonderen Fall als Druck  ausgleichsraum     Verwendung    finden kann,  was sich besonders bei     intermittierend    arbei  tenden     Kreisprozessen    als raumsparend auf  die Maschinengrösse auswirkt.  



  Die Regulierung der Wärmeaustausch  leistung     kann    durch Veränderung der Um  laufgeschwindigkeit der Flüssigkeit erfolgen.  Als Impuls kann beispielsweise die Tempera  turdifferenz zwischen dem in Leitung 1 ein  tretenden heissen Gas und dem aus     Leitung    2       austretenden    erhitzten Gas verwendet werden,  da hiervon der Wirkungsgrad des     Wärmeaus-          tauschers    abhängt. Dieser Impuls kann aber  auch noch in Verbindung mit anderen Grössen  des Kreisprozesses gebracht werden, wenn  der     Wärmeaustauscher    in einem solchen ar  beitet, z.

   B. mit dem Belastungsgrad des  Kreisprozesses (Teillast oder Vollast), ausge  drückt durch den     AufladegTad    beispielsweise  einer     Wärmekraftmaschine        etc.,    wenn dieser  mit der Last variiert. Unter     AufladegTad    ver  steht man das     Druckniveau    des Gases vor  Eintritt z.     B..    in die Turbine.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH: Wärmeaustauscher mit Wärmeübertra- gungsflüssigkeit in luftdicht abgeschlossenem Kreislauf, dadurch gekennzeichnet, dass diese Flüssigkeit, ausgehend von der Raumtempe ratur als unterer Grenze, im Temperatur bereich bis mindestens 400 C, tropfbar bleibt. UNTERANSPRÜCHE: 1. Wärmeaustauscher nach Patentan spruch, dadurch gekennzeichnet, dass diese Flüssigkeit mindestens zur Hälfte aus einer Mischung von Natrium und Kalium besteht.

   2. Wärmeaustauscher nach Patentan spruch, dadurch gekennzeichnet, dass im ge schlossenen Kreislauf eine stopfbüchslose Um laufpumpe angeordnet ist. B. Wärmeaustauscher nach Patentan- spruch und Unteranspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, dass die Umlaufpumpe an derjenigen Stelle in den Flüssigkeitskreislauf eingeschal tet ist, wo die Flüssigkeitstemperatur im Be trieb ihren geringsten Wert aufweist.

   4. Wärmeaustauscher nach Patentan spruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Re gulierung der Wärmeaustauschleistung durch Veränderung der Umlaufgeschwindigkeit der, Wärmeübertragungsflüssigkeit auf Grund der Temperaturdifferenz zwischen dem eintre tenden heissen Gas und dem zu erwärmenden austretenden Gas als Impuls erfolgt.

   5. Wärmeaustauscher nach Patentan spruch, dadurch gekennzeichnet, da.ss die Wärmeübertragungsflächen gasseitig mit in- einander,-reifenden Rippen versehen sind, während flüssigkeitsseitig Rippen die Flüs sigkeit führen und die Breite von Spalten, durch welche die Flüssigkeit strömt, bestim men.