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Hochtemperatur-Wärmetauscher für gasförmige Medien Die Erfindung betrifft einen Hochtemperatur- Wärmetauscher für gasförmige Medien, die durch eine Wand voneinander getrennt sind, mit Verwendung eines Zwischenmediums für den Wärmetransport.
Das Bestreben, bei manchen thermischen Prozessen die Temperatur möglichst hoch zu halten, bringt es mit sich, dass Wärmetauscher für immer höhere Temperaturen notwendig werden. Es treten dabei Dichtungs- und Konstruktionsprobleme auf, die oft nur durch unbefriedigende Kompromisslösungen umgangen werden können. Vielfach werden auch bewegte Teile dazu benötigt, die aus naheliegenden Gründen störanfällig sind. Die für hohe Temperaturen geeigneten Werkstoffe wie z. B. Keramik, Graphit usw. erfordern andere Konstruktionen als die konventionellen Wärmetauscher, auch sind diese Werkstoffe oft sehr unelastisch.
Es müssen daher spezielle Bauprinzipien angewendet werden, wenn die insbesondere beim Anfahren oder Abstellen zufolge der Volumen- oder Längenänderungen von Konstruktionselementen auftretenden Spannungen nicht zu Brüchen führen sollen. Diesen Forderungen entspricht der erfindungsgemässe Wärmetauscher, der durch Wärmetauschelemente ausgezeichnet ist, die mit einem gut wärmeleitenden, bei der Betriebstemperatur des Wärmetauschers flüssigen Zwischenmedium gefüllt sind und beidseitig der Trennwand in. den Strömungsweg der beiden wärmetauschenden Medien hineinragen. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt.
Es zeigen: Fig. 1 eine Gesamtansicht des Hochtemperatur- Wärmetauschers, Fig.2 und 3 verschiedene Ausführungen von Wärmetauschelementen in Axialschnitt, Fig.4 einen Radialschnitt durch ein Wärme- tauschelement in grösserem Massstab, Fig. 5 einen Füllkörper in perspektivischer Ansicht.
Aus Fig. 1 ist der Aufbau des Hochtemperatur- Wärmetauschers ersichtlich. Das Gehäuse 1 umschliesst den Strömungsweg der Gase, den eine durchgehende Trennwand 2 unterteilt. Die beiden so entstandenen Kanäle werden von den beiden wärmetauschenden Medien durchströmt, was üblicherweise im Gegenstrom erfolgt, wie die Pfeile andeuten.
Beide Kanäle sind nochmals durch Querwände 3 in Felder unterteilt, was einerseits aus Festigkeitsgründen zweckmässig ist, anderseits den Vorteil hat, dass je nach Bedarf einzelne Felder zu- und abgeschaltet werden können. Stabähnliche Wärmetauschelemente 4 ragen beidseitig der Trennwand 2 in den Strömungsweg der beiden Medien hinein und bewirken den Wärmetransport vom heissen zum kälteren Medium.
Den Aufbau eines solchen Wärmetauschelements zeigt Fig. 2. Der rohrförmige Mantel 5, der bei dieser Ausführung unten geschlossen ist, besteht aus einem hochhitzebeständigen Werkstoff, beispielsweise aus Keramik oder Graphit, soll aber möglichst gut wärmeleitend sein. Der Mantel stützt sich nahe der Mitte mit dem Bund 6 auf der Trennwand 2 auf. Durch diese zweckentsprechende Halterung an nur einer Stelle kann sich der Mantel nach beiden Seiten hin frei dehnen und gleichzeitig ist dadurch eine hinreichende Abdichtung zwischen den beiden wärmetauschenden Medien erreicht.
Es wäre auch möglich, den Mantel nur an der oberen Gehäusewand 1 zu befestigen, so dass er sich nach unten ausdehnen könnte, doch wäre damit das Dichtungsproblem beim Durchtritt durch die Trennwand noch
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nicht gelöst. Es ist zwar an dieser Stelle keine absolute Dichtheit notwendig, aber doch eine weitgehende Dichthit erwünscht.
Das Wärmetauschelement ist mit einem Zwischenmedium gefüllt, das gut wärmeleitend sein soll und bei der Betriebstemperatur des Wärmetauschers flüssig sein muss. Auch darf es bei den vorkommenden Temperaturen weder mit dem Werkstoff des Mantels noch mit jenem wärmetauschenden Medium, mit dem es bei oben offenem Mantel in Berührung kommt, reagieren. Das Zwischenmedium kann ein beliebiger, bei Zimmertemperatur fester oder flüssiger Stoff sein; vorzugsweise kommen dafür geschmolzene Metalle wie Zinn, Aluminium, Kupfer usw. in Frage. Aus Gründen, die später noch dargelegt werden, ist es vorteilhaft, wenn die Volumen- änderung des Zwischenmediums beim Schmelzen praktisch Null ist. Dieser Forderung entspricht z.
B. eine Legierung, die aus 44,5 Gewichtsprozent Blei und 55,5 Gewichtsprozent Wismut besteht.
Der Wärmetransport im Wärmetauschelement erfolgt durch Ausnützung der natürlichen Konvek- tionsströmung des Zwischenmediums oder durch eine künstliche Strömung, die durch mechanische Mittel hervorgerufen wird, Das Zwischenmedium nimmt dabei durch den Mantel 5 Wärme aus dem heissen Gasstrom auf und gibt sie - wieder durch den Mantel hindurch - an den kühleren Gasstrom ab. Zur besseren Trennung der gegenläufigen Strömung im Zwischenmedium kann ein Innenrohr 7 vorgesehen werden, das aus möglichst gut wärmeisolierendem Werkstoff hergestellt ist und in bekannter Weise im Mantel 5 gehalten wird.
Um eine Konvektionsströmung aufgrund der Dichteunterschiede im Zwischenmedium herbeizuführen, muss der heisse Gasstrom unten und der kältere oben angeordnet sein. Das im unteren Mantelteil erhitzte Zwischenmedium kann dann zwischen Mantel 5 und Innenrohr 7 aufsteigen, gibt einen Teil seiner Wärme im oberen Mantelteil ab und strömt im Innenrohr wieder nach unten. Das Durchmesserverhältnis vom Innenrohr zum Mantel wird aufgrund der bestehenden Temperaturverteilung und der physikalischen Eigenschaften des Zwischenmediums so gewählt, dass sich die grösstmögliche Geschwindigkeit der Konvektionsströmung ausbildet.
Die Länge des wärmeaufnehmenden im Verhältnis zur Länge des wärmeabgegebenden Mantelteils wird so berechnet, dass die mittlere Temperatur des Zwischenmediums etwa in der Mitte zwischen der Temperatur des heissen und des kälteren Gasstroms liegt.
Durch mechanische Mittel kann die natürliche Konvektionsströmung unterstützt werden; erstere können aber auch dazu dienen, eine künstliche Strömung hervorzurufen. Letzteres bietet die Möglichkeit, nach Belieben auch den heissen Gasstrom oben und den kälteren unten anzuordnen oder die Wärmetauschelemente bei senkrechter Trennwand horizontal einzubauen, nur müssen in diesem Fall die Mäntel beidseitig abgeschlossen sein, um ein Auslaufen des Zwischenmediums zu verhindern.
Als Beispiel eines solchen mechanischen Mittels zeigt Fig.2 ein Rührwerk 8, das von aussen her über den Antrieb 9 betätigt wird. Als weiteres Beispiel wäre eine elektromagnetische Pumpe zu nennen, was allerdings voraussetzt, dass das Zwischenmedium elektrisch leitend ist. Die dazu notwendige Energie kann von Thermoelementen geliefert werden, zu deren Betrieb die Temperaturdifferenz zwischen den beiden wärmetauschenden Medien oder zwischen dem heissen Gasstrom und einem geeigneten tiefen Temperaturniveau ausgenützt wird.
Die für den Mantel in Frage kommenden Werkstoffe haben oft nur eine verhältnismässig geringe Zug-, jedoch eine wesentlich bessere Druckfestigkeit. Wenn zur Erzeugung einer natürlichen Konvektions- strömung der heisse Gasstrom unten ist und, wie normalerweise der Fall, der Druck im kälteren Gasstrom grösser ist als im heissen, dann entsteht im Mantel eine hohe Zugbeanspruchung, solange über dem Flüssigkeitsspiegel des Zwischenmediums derselbe Druck wie im kälteren Gasstrom herrscht. Dieser Nachteil der hohen Werkstoffbeanspruchung kann durch Erniedrigung des Druckes über dem Flüssigkeitsspiegel vermieden werden.
Eine Verwirklichung dieses Gedankens zeigt Fig. 3. Der Mantel 10 ist durch einen dicht sitzenden Stopfen 11 abgeschlossen, durch den ein Absaugrohr 12 vom Hohlraum 13 über dem Flüssigkeitsspiegel zu einem (nicht gezeichneten) Unterdrucksystem führt. Der Druck in diesem System muss der Dampfdruckkurve des Zwischenmediums angepasst werden, um dessen Sieden zu vermeiden. Ein Teil des Absaugrohres besteht aus einem Faltenrohr 14, um Wärmedehnungen des Mantels ausgleichen zu können. Der Durchbruch durch die Gehäusewand 1 ist mit einer gasdichten Abdeckung 15 verschlossen. Der Stopfen 11 kann auch zur Halterung des Innenrohrs 16 dienen, das mit Durchbrüchen 17 versehen ist.
Um das während des Betriebes durch den Mantel herausdiffundierende Zwischenmedium ersetzen zu können, ist bei 18 eine Zufuhrmöglichkeit vorgesehen, die auch zum ersten Einfüllen verwendet werden kann.
Beim praktischen Einsatz des Wärmetauschers können sich Schwierigkeiten ergeben, wenn er ausser Betrieb gesetzt wird und das Zwischenmedium während der Abkühlung erstarrt. Durch die Wärmedehnungen beim Wiederaufheizen können der Mantel und das Innenrohr gesprengt werden. Um dies zu vermeiden, können verschiedene Mittel angewendet werden.
Eines davon wurde bereits genannt. Es besteht darin, ein solches Zwischenmedium auszuwählen, das beim Schmelzen eine möglichst geringe Volumen- änderung aufweist. Ein anderes Mittel besteht darin, die Wärmetauschelemente zu entleeren, solange das Zwischenmedium noch flüssig ist. Eine Einrichtung dafür zeigt Fig. 3. Der Mantel 10 weist auch unten
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eine Öffnung auf, die von einem trichterförmigen Einsatzstück 19 abgeschlossen ist, welches auch als zusätzliche Halterung für das Innenrohr 16 verwendet werden kann. Durch Entfernen des Stopfens 20 fliesst das Zwischenmedium aus und wird ausserhalb des Gehäuses 1 aufgefangen.
Es ist vorteilhaft, das ausfliessende Zwischenmedium zu Körpern zu vergiessen, die zum neuerlichen Gebrauch des Zwischenmediums in die Wärmetauschelemente eingesetzt werden. Es können das z. B. ringförmige Scheiben sein, deren Aussendurchmesser etwas kleiner als der Innendurchmesser des Mantels ist und in deren Hohlraum das Innenrohr Platz findet.
Das Sprengen des Mantels kann auch durch elastische Füllkörper 21 verhindert werden, welche die Wärmedehnungen des schmelzenden Zwischenmediums aufnehmen. Ein Beispiel für ihren Einbau zeigt Fig.4, welche einen Querschnitt durch ein Wärmetauschelement darstellt. In Fig. 5 ist ein einzelner Füllkörper veranschaulicht. Sie bestehen aus korrosionsfreiem, hitzebeständigem Blech und sind innen hohl. Ihre Anzahl pro Wärmetauschelement wird so bestimmt, dass sie die Wärmedehnungen des Zwischenmediums ohne bleibende Formänderung aufnehmen können.
Bei dieser Ausführung ist aber auch das Innenrohr durch die Wärmedehnungen beim Schmelzen des in seinem Inneren erstarrten Zwischenmediums gefährdet. Eine Abhilfe besteht darin, dass das Innenrohr aus zwei oder mehreren, zweckmässigerweise gleichen, längs Mantellinien einander berührenden Teilen zusammengesetzt ist. Eine besondere Dichtung zwischen diesen Teilen ist nicht nötig, da die Trennung der gegenläufigen Strömungen ausserhalb und innerhalb des Innenrohres nicht vollkommen sein muss.
Der beschriebene Wärmetauscher eignet sich insbesonders für hohe und höchste Temperaturen, wie sie beispielsweise bei magnetohydrodynamischen Generatoren vorkommen. Durch die Halterung der dabei verwendeten Wärmetauschelemente ,an nur einer Stelle und ihre freie Ausdehnungsmöglichkeit entfallen die sonst üblichen und gefürchteten Dichtungsprobleme, die oft nur schwer oder ungenügend zu lösen sind. Ein weiterer Vorteil bei der Ausführung mit natürlicher Konvektionsströmung liegt darin, dass keine bewegten Teile vorkommen. Die Schwierigkeiten, die sich sonst bei der Verwendung geschmolzener Metalle für den Wärmetransport ergeben, sind vermieden bzw. durch geeignete Mittel umgangen.
Jedes Wärmetauschelement stellt eine in sich geschlossene Einheit dar, ist gut zugänglich und kann im Falle einer Beschädigung oder natürlichen Abnützung rasch ausgewechselt werden. Der Wärmetauscher ist einfach im Aufbau und kann leicht kontrolliert werden.