CH393386A - Wärmeaustauscher - Google Patents

Description

      Wärmeaustauscher       Die Erfindung betrifft einen     Wärmeaustauscher,     bei dem die Wärmeübertragung von einem heissen  auf ein kaltes Medium über mit     e;nem    die Wärme  transportierenden Medium gefüllte, geschlossene       Konvektionsröhren    erfolgt, die sich mit einem Teil  in dem das     wärmeabgebende    Medium enthaltenden  Raum und mit einem anderen Teil in dem das wär  meaufnehmende Medium enthaltenden Raum befin  den.  



  Es sind bereits     Wärmeaustauscher,    besonders für  die Wärmeübertragung von einem strömenden Me  dium auf ein anderes, bekannt, bei denen die Wärme  von einem, in einer     Konvektionsröhre    eingeschlosse  nen, dritten, flüssigen, dampf- oder gasförmigen Me  dium     transportiert    wird. Diese     Konvektionsröhren     sind dabei so angeordnet, dass durch eine     Thermo-          syphonwirkung    das Wärmetransportmittel dauernd  umgewälzt wird.

   Es erwärmt sich während seines  Kreislaufes durch Wärmeübergang von dem heissen  Medium, das an dem unteren Teil der     Konvektions-          röhre        vorbeistreicht,    steigt nach oben und wird in  dem oberen Teil der Röhre durch das kalte zu er  wärmende Medium abgekühlt, wodurch es wieder  nach unten sinkt.     Wärmeaustauscher    dieser Art las  sen sich volumenmässig kleiner bauen und besser an  die     thermodynamischen    und strömungstechnischen       Optimalbedingungen    anpassen als solche, bei denen  der Wärmeübergang von einem heissen auf ein kaltes  strömendes Medium direkt durch eine Wand erfolgt.  



  In der Praxis hat sich nun gezeigt, dass der Wär  meübergang von der Wand der     Konvektionsröhre    auf  das Wärmetransportmittel bei freier Konvektion re  lativ schlecht ist, da die     Wärmeübergangszahl    a sehr  klein ist. Um diesen Wärmeübergang zu verbessern,  besteht die Erfindung deshalb darin, dass jede     Kon-          vektionsröhre    durch Einbauten in mindestens einen       peripheren    und einen zentralen Strömungskanal un-         terteilt    ist,

   die sowohl in der     übergangszone    zwischen  dem wärmeaufnehmenden und dem wärmeabgeben  den Teil als auch an dem heissen und an dem kal  ten Ende der     Konvektionsröhre        miteinander    in Ver  bindung stehen und so angeordnet sind,     dass    das       Wärmetransportmittel    in dem heissen Teil durch den  peripheren Strömungskanal nach oben steigt, in der       übergangszone    in den zentralen Strömungskanal  übertritt, in diesem bis zu dem kalten Ende weiter  steigt und dort     in    den peripheren Kanal umgelenkt  wird,

   in dem es durch den kalten Teil abwärts strömt  und von dem aus es in der     übergangszone    zu dem  heissen Teil in den zentralen Kanal gelangt, durch  den es bis zur nochmaligen- Umlenkung am heissen  Ende abwärts fliesst.  



  Diese     Kanalisierung    des Innenraumes der     Kon-          vektionsröhre    bewirkt eine sogenannte  gesteuerte   Konvektion, wodurch der     Wert    von a beträchtlich er  höht wird. Nach theoretischen Berechnungen beträgt  diese Erhöhung etwa 1:500.

   Unter  gesteuerter   Konvektion wird dabei verstanden, dass die     Konvek-          tionsströme    so     geführt    werden, dass die Wärmeauf  nahme und     -abgabe    nur in schmalen Randzonen des       Konvektionsstromes    erfolgt, ohne dass sich das auf  steigende heisse     Transportmittel    mit dem absinken  den Transportmittel direkt vermischen kann. Es  wird vermutet, dass diese Erhöhung von a dadurch  bewirkt wird, dass bei der  gesteuerten  Konvektion  die     gegenseitigen        Beeinflussungen    und Störungen des  kalten und des heissen Transportmittels vermieden  sind.  



  Eine     vorteilhafte    Ausführungsform eines Wärme  austauschers nach der Erfindung kann so ausgebildet       sein,    dass die Einbauten aus einem an den Enden  offenen Hohlkörper bestehen, bei dem in der     über-          gangszone    der zentrale Strömungskanal abgeschlossen  ist, beiderseits des Abschlusses in seinem Mantel öff-           nungen    vorhanden sind und durch einen kragenarti  gen Ansatz auch in dem peripheren Strömungskanal  der heisse von     denn    kalten Teil der     Konvektionsröhre     getrennt ist, wobei die Öffnungen und Abschlüsse  derart angeordnet sind,

   dass sie nur einen Übergang  des nach oben steigenden erhitzten Wärmetransport  mittels von dem peripheren Kanal in dem heissen  Teil zu dem     Zentralkanal    in dem     kalten    Teil ermög  lichen und     für    das abwärts     fliessende    kühle Wärme  transportmittel nur den Strömungsweg vom periphe  ren Kanal im kalten Teil zum     Zentralkanal    im     heis-          sen    Teil freigeben. Dabei ist es     zweckmässig,    die Ein  bauten aus     wärmehemmendem        Material    herzustellen.

         Ferner        bringt    es weitere Vorteile, wenn der periphere  Strömungskanal etwa die gleiche     Querschnittsfläche     besitzt wie der     zentrale    Kanal. Daher ist es unter  Umständen zweckmässig, den Querschnitt des Zen  tralkanals     zusätzlich    durch einen Füllkörper aus wär  mehemmenden     Material    zu verkleinern, um das Flüs  sigkeitsvolumen und     damit    die Wärmeträgheit der       Konvektionsröhre    zu verringern.

   Dabei kann der  Füllkörper elastisch, hohl und     kompressibel    ausge  führt sein.     Durch    die     kompressible    Ausbildung kann  das Volumen des     Füllkörpers    etwas verringert wer  den, wenn der Druck in der     Konvektionsröhre    einen  gewissen Wert überschreitet.  



  Weitere     Merkmale    ergeben sich aus nachstehen  der     Beschreibung    eines     Ausführungsbeispieles    im Zu  sammenhang mit der Zeichnung.  



       Fig.    1 zeigt einen     Wärmeaustauscher    nach der  Erfindung, an den je eine Leitung für das heisse und  für das kalte Medium angeschlossen ist.  



       Fig.    2 stellt in vergrössertem Masstab einen  Längsschnitt durch eine     Konvektionsröhre    dar; wäh  rend       Fig.    3 eine perspektivische Ansicht der in     Fig.    2  gezeigten Einbauten in die     Konvektionsröhre    wieder  gibt.  



       Fig:    4 und 5 zeigen in gleicher Darstellung wie       Fig.    2 einen Teil einer     Konvektionsröhre,    bei der der       Zentralkanal    zusätzlich     mit    einem Füllkörper aus       wärmehemmendem        Material    versehen ist. In     Fig.    4  ist der Füllkörper dabei massiv und in     Fig.    5 als ela  stischer     kompressibler    Hohlkörper ausgeführt.

      Der     Wärmeaustauscher    1 nach     Fig.    1 besteht aus  zwei röhrenförmigen Räumen 2 und 3, die durch eine       Trennwand    4 getrennt sind und eine Anzahl ge  schlossener     Konvektionsröhren    5 enthalten. Jede die  ser Röhren 5 ist mit einem wärmetransportierenden,       fluiden        Medium    gefüllt und mit Kühlrippen 6 verse  hen. Als     Wärmetransportmittel    kann ein beliebiges  Gas oder eine Flüssigkeit dienen. Es eignen sich da  für besonders flüssige     Metalle    wie Natrium und Ka  lium, da sie eine gute     Wärmeleitfähigkeit    und einen  kleinen Dampfdruck besitzen.

   Um eine rasche Zirku  lation des Transportmittels in den     Konvektionsröhren     zu erhalten, verwendet man als Transportmedien  Stoffe, die relativ grosse Volumenänderungen in Ab  hängigkeit von der Temperatur aufweisen.    Beidseitig von dem oberen Raum 2 ist eine Lei  tung 7 angeschlossen, durch die das zu heizende Me  dium in Pfeilrichtung von links nach rechts strömt,  während das wärmeabgebende Medium in der mit       (lern    unteren Raum 3 verbundenen Leitung 8 im Ge  genstrom     dazu    fliesst.  



  Die     Konvektionsröhren    5 sind in der Trennwand  4 zwischen den Räumen 2 und 3 nach bekannten       strömungs-    und wärmetechnischen Gesichtspunkten  verteilt und fest eingelassen, z. B. eingeschweisst, so  dass keine     Undichtheiten    zwischen den Räumen 2  und 3 vorhanden sind.  



  Erfindungsgemäss besitzt die in     Fig.    2 vergrössert  im Schnitt dargestellte     Konvektionsröhre    Einbauten,  die aus einem     Hohlzylinder    10 bestehen. Durch ihn  wird der Innenraum der     Konvektionsröhre    5 in einen  peripheren Strömungskanal 13 und einen     zentralen     Strömungskanal 14 aufgespalten, wobei der periphere       Strömungskanal,    der der Wärmeaufnahme und der  Wärmeabgabe des Transportmittels dient, nur eine  relativ schmale Randzone der Röhre 5 ausfüllt.  



  Weiterhin ist der Zylinder 10 an seinen beiden       Enden    offen und besitzt eine etwas kürzere Längs  ausdehnung als die Röhre 5, so dass an dem     kalten     und an dem warmen Ende 11     bzw.    12 der Röhre 5  ein Raum für die Umlenkung der Strömung von dem  zentralen Kanal 14 in den     peripheren    Kanal 13 ent  steht.  



  In der     L7bergangszone    15 vom kalten zum war  men Teil der Röhre 5 sind beide Teile in dem     zen-          tralen        Kanal    14 durch eine Platte 16 getrennt; wäh  rend der äussere Kanal 13 durch einen an dem Hohl  zylinder 10 und der Röhre 5 befestigten Kragen 17  in einen kalten und einen heissen Teil getrennt ist.  Der Mantel des     Hohlzylinders    10 ist beiderseits der  Platte 16 mit je einer Öffnung 18 und 19 versehen,  die eine Verbindung zwischen den Kanälen 13 und  14 für das erhitzte sowie für das abgekühlte Trans  portmittel darstellen     (Fig.    3).  



  Wie in     Fig.    3 gezeigt, wird der Hohlzylinder 10       an    seinen Enden durch     stegartige    Verlängerungen 2G  in der     Konvektionsröhre    5 gehalten. Der     Hohlzylin-          10    ist dabei     vorteilhafterweise    aus einem schlecht  wärmeleitendem Stoff, z. B. Keramik oder Kunst  stoff gefertigt, da dadurch ein Wärmeausgleich zwi  schen dem     peripheren    und dem zentralen-Kanal weit  gehend unterdrückt wird.  



  Wie in     Fig.    2, durch Pfeile verdeutlicht, steigt das  beispielsweise als     Wärmetransportmittel    verwendete,  sich in dem heissen Teil der Röhre 5 erwärmende  Natrium in     crem        Kanal    13 des unteren Teiles der  Röhre auf und tritt in der Übergangszone 15 durch  die Öffnung 19 in den zentralen Kanal 14 des obe  ren kalten Teiles der Röhre 5. In diesem Kanal  strömt das heisse     Wärmetransportmittel    dann bis  zum kalten Ende 11 der Röhre 5, wird dort umge  lenkt und sinkt infolge der langsam fortschreitenden  Abkühlung in dem Kanal 13 des     kalten    Teiles abwärts,  wobei seine Wärme von dem in der Leitung 7 strö  menden Medium aufgenommen wird.

   Nach Durch-      strömen der Öffnung 18 sinkt das     völlig    abgekühlte  Natrium bis zum     heisen    Ende 12 der Röhre 5 in  dem zentralen     Kanal    14 ab. Von dort aus beginnt es  nach teilweiser Erwärmung durch das heizende Me  dium in der Leitung 8 seinen Kreislauf erneut.  



  Das in der     Konvektionsröhre    eingeschlossene  Flüssigkeitsvolumen lässt sich verringern, wenn der  Querschnitt des Zentralkanals 14 verkleinert wird.  Dies kann, wie in     Fig.    4 gezeigt, durch einen Füll  körper 21 erfolgen, der aus wärmehemmendem Ma  terial besteht und an dem     heisen    bzw. kalten Ende  der Röhre 5 befestigt ist.  



  In     Fig.    5 ist der Füllkörper 21 innen hohl und,  wie bei 22 angedeutet, elastisch ausgebildet. Steigt  der Druck des Wärmetransportmittels in der Röhre  5 über einen zulässigen Wert, so kann der     kompres-          sible    Füllkörper 21 nach     Fig.    5 sich in seinem Vo  lumen verkleinern. Er wirkt dadurch in gewissen  Grenzen als Sicherheitsvorrichtung für die Röhre 5.  



  Die     Erfindung    ist in Details nicht auf die gezeig  te     Ausführungsform    beschränkt, sondern soll auch  andere Möglichkeiten einschliessen, durch welche der  in     Fig.    2 gezeigte Kreuzstrom     ermöglicht    wird. So ist  es z. B. ohne weiteres möglich, dem     Wärmeaustau-          scher    1 und den Röhren 5 eine andere Form von  rechteckigem, quadratischem oder elliptischem Quer  schnitt zu geben, wobei     dann    auch die Einbauten  entsprechend modifiziert werden.

Claims (1)

1. PATE-NTANSPRUCH Wärmeaustauscher, bei dem die Wärmeübertra gung von einem heissen auf ein kaltes Medium über mit einem die Wärme transportierenden Medium ge füllte, geschlossene Konvektionsröhren erfolgt, die sich mit einem Teil in dem das wärmeabgebende Me dium enthaltenden Raum und mit einem anderen Teil in dem das wärmeaufnehmende Medium ent haltenden Raum befinden, dadurch gekennzeichnet, dass jede Konvektionsröhre durch Einbauten in min destens einen peripheren und einen zentralen Strö mungskanal unterteilt ist,

   die sowohl in der über gangszone zwischen dem wärmeaufnehmenden und dem wärmeabgebenden Teil als auch an dem heissen und an dem kalten Ende der Konvektionsröhre mit einander in Verbindung stehen und so angeordnet sind, dass das Wärmetransportmittel in dem heissen Teil durch den periphereLi Strömungskanal nach oben steigt, in der Übergangszone in den zentralen Strömungskanal übertritt, in diesem bis zum kalten Ende weiter steigt und dort an den peripheren Kanal umgelenkt wird, in dem es durch den kalten Te;

   l ab wärts strömt und von dem aus es in der übergangs- zone zu dem heissen Teil wieder in den zentralen Kanal gelangt, durch den es bis zur nochmaligen Um lenkung am heissen Ende abwärts fliesst. UNURANSx p.ÜCHE 1.

   Wärmeaustauscher nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass die Einbauten aus einem an den Enden offenen Hohlkörper bestehen, bei dem in der Übergangszone der zentrale Strömungskanal abgeschlossen ist, beiderseits des Abschlusses in sei nem Mantel Öffnungen vorhanden sind und durch einen kragenartigen Ansatz auch in dem peripheren Strömungskanal der heisse von dem kalten Teil der Konvektionsröhre getrennt ist, wobei die Öffnungen und Anschlüsse derart angeordnet sind,

   dass sie nur einen übergang des nach oben steigenden erhitzten Wärmetransportmittels von dem peripheren Kanal in dem heissen Teil zu dem zentralen Kanal in dem kalten Teil ermöglichen und für das abwärts fliessende kühle Wärmetransportmittel nur den Strö mungsweg vom peripheren Kanal im kalten Teil zum Zentralkanal im heissen Teil freigeben. 2. Wärmeaustauscher nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Zen tralkanals zusätzlich durch einen Füllkörper aus wärmehemmendem Material verkleinert ist.

   3. Wärmeaustauscher nach Patentanspruch und Unteranspruch 2., dadurch gekennzeichnet, dass der Füllkörper hohl, elastisch und kompressibel ist. 4. Wärmeaustauscher nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass die Einbauten aus wär mehemmendem Material bestehen. 5. Wärmeaustauscher nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass der periphere Strömungs kanal etwa die gleiche Querschnittsfläche-besitzt wie der zentrale Kanal.