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.
Heat exchanger with heat transfer fluid in a closed circuit. In heat exchangers in which the heat has to be transferred from one gaseous medium to another gaseous medium by means of a liquid heat carrier, as is the case, for example, in gas turbine cycle processes, it is important to accommodate the largest possible heat exchange area on the gas side without having to expose the gas to a greater pressure drop,
than is necessary for heat transfer. Large contiguous heat exchange surfaces, which necessarily have large dimensions in the direction of the gas flow, as occur with plate exchangers, have the disadvantage that the boundary layer forming on the plates becomes relatively thick and thus impairs the heat transfer, provided that the mutual plate spacing is The ratio to the boundary layer thickness is large.
In this regard, finned tubes attached transversely to the flow direction are more advantageous, since the boundary layer has to be newly formed for each tube and can therefore only be thin if the ribs do not assume an excessively large areal weight. If a liquid now flows inside the finned tube, which in itself has very good heat transfer to the tube, practice shows that it is possible on the gas and liquid sides, based on the inner surface of the tube, even at low gas velocities and atmospheric pressure of the gaseous medium, approximately the same high heat transfer coefficient.
Heat exchangers must be built to be extremely compensatory, especially in gas turbine cycle processes. It is of particular interest there to install the heat exchanger surfaces directly in the working medium line in order to produce long thermally insulated lines and elbows. Avoid deflection grids, which in turn result in pressure losses.
Compact design and low pressure drop can be realized by the heat absorber and the heat emitter being arranged completely separately and connected to a heat transfer fluid through a closed circuit. This type of construction can be used in gas turbines or other cyclic processes with a high temperature of the working medium if, according to the invention, the circuit is traversed by a liquid which maintains its drippable physical state in a temperature range that ranges from room temperatures to the temperatures permissible on turbine blades, that means until at least 400 C is reached.
In the drawing, two exemplary embodiments of the subject of the invention are shown, namely: FIG. 1 shows the basic arrangement of a heat exchanger, FIG. 2 shows a cross-section through the pipe system on a larger scale, FIG. 3 above and below the longitudinal sections of the cooling pipe, according to the Lines @ -Ä resp. B -B of Mg. 2, Fig. 4 and 5 details:
for the heat exchanger, FIG. 6 another type of heat exchanger, FIG. 7 shows a part of a section along line VII-VII of FIG. 6 on a larger scale, FIG. 8 shows a part of FIG. 7 on an even larger scale.
The pipe 1 leads a first gas flow to extract heat, and the pipe 2 a second gas flow to which this heat is to be supplied. The heat is transferred through a liquid-filled pipe system which, according to FIGS. 1 to 5, is installed with its part 3 in the pipe 1 and with its part 4 in the pipe 2. The pipes of this system are provided with ribs 5 where they are in the gas flow.
A pump P circulates the liquid in the pipe system 3, 4 in the direction of the arrows 6, 9. The gases in pipes 1 and 2 flow in the direction of arrows 7 and 8, which shows that the entire system works on the cross-countercurrent principle.
If the individual pipes 10 of the pipe system 3, 4 are profiled in the direction of flow according to the laws of fluid mechanics in the .Sinne least resistance (Fig. 2), the gas-side pressure drop in the pipes 1 and 2 is reduced to a minimum.
In order to keep the distance between the individual tubes 10 small in the direction of flow, the ribs 11 can be cut off at the front and rear (FIGS. 2, 3); this takes into account the fact that the front and rear stagnation point 12 respectively. 13 of the pipe profile, the speed is zero and in the area around is only small compared with the speed on the long side of the profile. The ribs therefore receive the greatest expansion there where the speed is high and consequently the heat transfer is also high.
For example, a eutectic mixture of potassium and sodium or a mixture in which these are predominantly represented in the case of the elements is used as the liquid in the pipe system 3, 4. Since such liquids must be protected from any contact with moisture, the circuit must be completely airtight.
The pump P must therefore be designed as a pump without a stuffing box, such as those known electrically operated pumps that are installed directly in a string of a heating system and in which the pump wheel mounted in the pipe string is also the rotor of the pump motor.
The stator winding of the motor is arranged around the pump wheel and is completely liquid-tight separated from the liquid space by a solid partition wall arranged in the air gap between the rotor and the stator. It is advantageously switched on in the cold branch of the circuit, so that, for example, the winding of the motor is not heated too much and gavitation phenomena in the pump yellow are excluded as far as possible. The current heat from the electric motor can be dissipated by air.
Instead of a pump P, the heat transfer fluid can be circulated according to the thermosiphon principle.
To fill the liquid, the pipe system is advantageously heated so that any moisture can escape. The filling opening to be arranged at the highest point can be closed by welding, since the liquid mentioned can easily withstand the heat of welding. The change in volume of the liquid when heated can be compensated for by so-called bellows, as shown in FIG. 4 shows. The bellows or expansion bodies by 15 are completely airtight.
Can make welding with consideration of the flow resistance in the. Tube can be made in a low-resistance design. Fig. 5 shows one such; a great deal of this has become known.
In order to transfer all heat from one medium to the other as much as possible, only a small temperature jump from the gas flow to the transfer medium is permitted. If the temperature is very high, e.g. B. 600 C, it may be necessary to run tubes and ribs made of highly heat-resistant Ma material. However, since these steels can be welded well, they are not seen as a fundamental obstacle to the manufacture of such pipes. In addition, no special production method of the Rip penrohre should be preferred here, since a large number of them have become known; it depends on the temperature range in which the pipe in question is used.
The heat exchanger in and of itself can include various partial exchangers with a subdivided temperature range and consequently also possibly require different manufacturing processes and materials for the tubes.
In the design of the heat exchanger elements according to FIGS. 6 to 8, heat is to be transferred from the gas flow in the pipe 1 to the gas flow in the pipe 2 through a closed liquid circuit by means of pump P (or thermosiphon effect).
The gas and transfer liquid flow in pure countercurrent. This ensures that the temperature gradient of the heating or cooling surfaces with respect to the gas along the heat exchanger flow remains as constant as possible and the heating or cooling. Cooling elements do not generate any unnecessary pressure loss in the gas flow
In order to further ensure that a maximum of heat is exchanged per unit volume of the heat transfer elements at the given temperature and speed conditions, the heat transfer surfaces in the construction according to FIGS. 6 to 8 are provided with ribs that interlock on the gas side. 7 in particular shows the basic arrangement of the intermeshing ribs.
Thereafter, the heat transfer fluid flows through the spaces 15 between built into the gas flow, plates 16 provided with ribs. On the sides of the tubes 1 and 2 are distributor respectively. Collector boxes 17 grown, by means of which the liquid moved by the pump P distributed between the plates BEZW. are collected after flowing through the same.
On the liquid side, low ribs 20 are provided on these plates 16, which are also indicated in FIG. 6 and in their central part run in the direction of the gas flows in the tubes 1 and 2. The ribs on the gas side <B> 21 </B> of adjacent plates mutually interlock, as shown in FIG. 7 shows. The ribs 20 serve to deflect the same in the axial direction at the side to guide the liquid.
The gas-side ribs 21 are dimensioned in such a way that the heat transfer coefficients related to the unit area of the plates are approximately the same on the gas and liquid sides.
For ribs that do not interlock, the temperature difference between point B (Fig. 7) and rib crest C leads to unnecessary frictional losses of the gas flow, in which gas particles rubbing on the surface, for example on the colder rib crest C, can no longer absorb heat after they had previously according to the turbulent cross-currents at the warmer point B were heated up.
For interlocking ribs, there is a reduction in the temperature difference between C and B, as the rib crest C is heated from D (mainly by radiation) and, on the other hand, point B is cooled by the rib crest E. The smaller temperature difference enables a smaller number of gas particles to rub against the surface without absorbing or releasing heat, which means that the additional losses are reduced.
Another great advantage of the intermeshing ribs is that they enable the space through which the gas flows to be at least twice as fine as the shape of the heat transfer ribs.
The gas-side, somewhat longer and, above all, reinforced ribs 22 on the ridge have the purpose of mutually supporting the heat exchanger plates.
The ribbed plates can be produced by machining, pressing or drawing and welding. In Fig. 8, a construction of welded and pressed or otherwise machined multi-comb rib bodies is shown. The latter could also be single-combed.
Particularly: favorable conditions result when the heat exchanger is installed on the gas side in a pulsating gas flow, since the heat transfer is then good and the ribs only assume a small spatial expansion or can be omitted entirely.
The finned tubes can act as dampers and make certain frequencies of the gas pulsations disappear. It is also conceivable that the heat exchanger can be used in this particular case as a pressure equalization space, which has a space-saving effect on the size of the machine, particularly in intermittent cycle processes.
The regulation of the heat exchange performance can be done by changing the flow speed of the liquid. The temperature difference between the hot gas entering in line 1 and the heated gas exiting from line 2, for example, can be used as a pulse, since the efficiency of the heat exchanger depends on this. This impulse can also be brought into connection with other variables of the cycle if the heat exchanger is working in such an ar, z.
B. with the degree of load of the cycle (part load or full load), expressed through the charging device, for example a heat engine, etc., if this varies with the load. Under AufladegTad ver is the pressure level of the gas before entering z. B .. in the turbine.