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.