DE10056229A1

DE10056229A1 - Wärmetauscher für den indirekten Wärmeaustausch

Info

Publication number: DE10056229A1
Application number: DE2000156229
Authority: DE
Inventors: Miroslav Podhorsky; Albrecht Brenner
Original assignee: Balcke Duerr Energietechnik GmbH
Current assignee: Balcke Duerr GmbH
Priority date: 2000-11-13
Filing date: 2000-11-13
Publication date: 2002-06-20
Anticipated expiration: 2020-11-14
Also published as: DE10056229B4

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Wärmetauscher für den indirekten Wärmeaustausch, mit einer Kammer (3), die von einem der am Wärmeaustausch beteiligten Medien durchströmbar ist, sowie einer Mehrzahl durch die Kammer (3) hindurchgeführter und von mindestens einem weiteren am Wärmeaustausch beteiligten Medium durchströmbarer Rohre (1a, 1b). Die Enden der Rohre (1a, 1b) sind in Rohrböden (4, 6, 5, 7) festgelegt, die die Kammer (3) begrenzen. Um einen Wärmetauscher zu schaffen, der sich zugleich durch Druckfestigkeit und kompakte Bauweise auszeichnet, sind die Rohre (1a, 1b) in mehreren Rohrlagen angeordnet, wobei sich die Rohre (1a bzw. 1b) jeder Rohrlage parallel zueinander in einer gemeinsamen Ebene erstrecken. Die Rohre (1a bzw. 1b) zweier aufeinander folgender Rohrlagen sind unter einem Winkel zueinander angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für den indirekten Wärmeaustausch, mit einer Kammer, die von einem der am Wärmeaustausch beteiligten Medien durchströmbar ist, sowie einer Mehrzahl durch die Kammer hindurchgeführter und von mindestens einem weiteren am Wärmeaustausch beteiligten Medium durch strömbarer Rohre, deren Enden in Rohrböden festgelegt sind, die die Kammer begrenzen.

Wärmetauscher für den indirekten Wärmeaustausch zwischen flüssigen oder gasförmigen Medien sind sowohl in der Bauweise als Röhrenwärmetauscher, wie auch in der Bauweise als Plattenwärmetauscher bekannt. Röhrenwärmetauscher mit einer Vielzahl sich durch eine Kammer hindurch erstreckender und in Rohrböden befestigter Rohre zeichnen sich durch ein günstiges Druckverhalten aus, da insbesondere die rohrseitige Mediumführung auch höheren Drücken standhalten kann.

Eine vergleichbare Druckfestigkeit läßt sich bei einem aus einzelnen, parallelen Platten zusammengesetzten Plattenwärmetauscher nicht oder nur mit hohem kon struktiven Aufwand erreichen. Der Vorteil des Plattenwärmetauschers liegt denn auch mehr in der kompakten Bauform sowie der, zumindest bei normalen Druck belastungen, einfachen und kostengünstigen Bauweise.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher für den indirekten Wärmeaustausch zwischen Gasen oder Flüssigkeiten zu schaffen, der sich zugleich durch Druckfestigkeit und kompakte Bauweise auszeichnet.

Zur Lösung wird bei einem Wärmetauscher mit den eingangs genannten Merkmalen vorgeschlagen, daß die Rohre in mehreren Rohrlagen angeordnet sind, wobei sich die Rohre jeder Rohrlage parallel zueinander in einer gemein samen Ebene erstrecken, und die Rohre zweier aufeinander folgender Rohrlagen unter einem Winkel zueinander angeordnet sind.

Ein solcher Wärmetauscher ermöglicht eine im Vergleich zu bekannten Röhren wärmetauschern besonders kompakte Bauform. Ursächlich hierfür ist die Anord nung der einzelnen Rohrlagen, bei der die Rohre zweier aufeinander folgender Rohrlagen unter einem Winkel zueinander angeordnet sind. Infolge dieser winkelversetzten Anordnung lassen sich zwei in aufeinander folgenden Ebenen angeordnete Rohrlagen sehr dicht aufeinander packen, ohne daß es zu einem Verschluß des Strömungsquerschnittes für das jeweils andere Medium kommt, welches die Rohre außen umströmt. Letztlich ist es sogar möglich, die einzelnen Rohrtagen so eng aufeinander zu packen, daß sich die Rohre aufeinander folgender Rohrlagen berühren, ohne daß es zu einer Behinderung der Durchströmung für das jeweils andere, die Rohre außen umströmenden Medium kommt. Zugleich zeichnet sich der erfindungsgemäße Wärmetauscher durch eine im Vergleich zu Plattenwärmetauschern hohe Druckfestigkeit aus, da zumindest eines der am Wärmeaustausch beteiligten Medien Rohre durchströmt, die selbst bei geringen Wandstärken widerstandsfähig auch gegenüber hohen Gas- oder Flüssigkeitsdrücken sind.

Grundsätzlich besteht keine Beschränkung hinsichtlich des Winkels, unter dem sich im Rahmen der Erfindung die Rohre zweier aufeinander folgender Rohrlagen schneiden. Dieser Winkel kann z. B. 45° oder 60° betragen. In Bezug auf eine auch geometrisch einfache Bauform des Wärmetauschers ist es jedoch von Vorteil, wenn sich die Rohre zweier aufeinander folgender Rohrlagen unter einem Winkel von 90° kreuzen. Dies ermöglicht eine Bauweise des aus den Rohrwänden sowie den Rohren zusammengesetzten Wärmetauscherelements in Gestalt eines Wür fels oder eines Rechteckquaders mit rechteckig zueinander angeordneten Rohrwänden, wobei die Rohrenden jeweils unter einem rechten Winkel in den zugehörigen Öffnungen in den Rohrwänden befestigt sind.

Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers ist daher gekenn zeichnet durch mindestens zwei im Winkel zueinander angeordnete Rohrwände bzw. -böden, wobei die Rohre einer Rohrlage in dem einen, und die Rohre der nächstfolgenden Rohrlage in dem anderen Rohrboden festgelegt sind.

Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers sieht vor, daß sowohl die in dem einen, wie auch die in dem anderen Rohrboden fest gelegten Rohrenden in eine gemeinsame Zu- oder Austrittskammer für das die Rohre durchströmende Medium münden. Alternativ ist es zur Realisierung spezi eller Wärmeübertragungsprozesse auch möglich, getrennte Zu- oder Austritts kammern für z. B. zwei unterschiedliche, die Rohre durchströmende Medien vorzu sehen. In diesem Fall münden die in dem einen Rohrboden festgelegten Rohrenden in eine erste Zu- oder Austrittskammer, und die in dem anderen Rohr boden festgelegten Rohrenden in einer zweiten Zu- oder Austrittskammer. Die voneinander getrennten Zu- oder Austrittskammern können hierbei entweder das selbe Medium führen, oder auch zwei unterschiedliche Medien, womit sich bei Be rücksichtigung des die Kammer durchströmenden und die Rohre auf deren Außenseite beaufschlagenden weiteren Mediums insgesamt drei verschiedene Medien ergeben, die an dem Wärmeaustausch teilnehmen.

Die in einer Rohrlage zusammengefaßten Rohre können unterschiedliche Quer schnitte oder auch jeweils dieselben Querschnitte aufweisen. Falls die in jeder Rohrlage zusammengefaßten Rohre jeweils denselben Querschnitt aufweisen, läßt sich eine sehr kompakte Bauform des Wärmetauschers erreichen, indem sich die Rohre aufeinander folgender Rohrlagen berühren oder nahezu berühren.

Die Rohre bzw. Rohrlagen, welche sich zwischen denselben Rohrböden erstrecken, können zueinander fluchtend angeordnet sein. Zur Erzielung einer besseren Anströmung der Außenseite der Rohre durch das durch die Kammer hindurchgeführte Medium kann es jedoch von Vorteil sein, wenn die Rohre einer Rohrlage nicht fluchtend zu den Rohren der übernächsten Rohrlage angeordnet sind, sondern parallel versetzt hierzu.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird vorgeschlagen, daß die Rohrenden durch Hart- oder Weichlöten in dem jeweiligen Rohrboden festgelegt sind. Bei der Herstellung des Wärmetauschers ist ein Verfahren von Vorteil, bei dem das Ver löten sämtlicher Rohrenden des Wärmetauschers gleichzeitig erfolgt, vorzugs weise in einem Lötofen. Hierzu wird zunächst das komplette Wärmetauscherele ment bestehend aus den Rohren und den Rohrböden zusammengesetzt, sodann werden die Bereiche der Rohrböden rund um die einzelnen Rohre mit einem erst bei höheren Temperaturen fließfähigen Lot versehen, bevor dann dieses Wärme tauscherelement in einen Lötofen eingesetzt wird. Nach Erreichen der Schmelz temperatur des Lotes fließt dieses infolge von Adhäsionskräften in die Ringspalte zwischen den Rohrenden und den jeweiligen Durchgangsbohrungen der Rohrbö den oder -wände und verschließt diese gas- und flüssigkeitsdicht. Ein solches Herstellungsverfahren ist bei klein dimensionierten Wärmetauscherelementen sehr kostengünstig.

Weitere Vorteile und Einzelheiten werden nachfolgend anhand eines Ausfüh rungsbeispieles und unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen erläu tert. Darin zeigen:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher in einem Horizon talschnitt;

Fig. 2 den Wärmetauscher nach Fig. 1 in der in Fig. 1 eingetrage nen, vertikalen Schnittebene II-II;

Fig. 3a bis 6b vier mögliche Anordnungen der Rohrlagen, jeweils bei "a" betrachtet aus einer Blickrichtung, und bei "b" betrachtet aus einer anderen, um 90° gedrehten Blickrichtung und

Fig. 7 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers in einem Horizontalschnitt.

Der in den Fig. 1 und 2 in Gesamtdarstellung wiedergegebene Wärmetauscher eignet sich z. B. als Rekuperator, d. h. Luft-Vorwärmer für mit Gasturbinen betrie bene Luft-, Land- oder Wasserfahrzeuge. Wegen seiner besonders kompakten Bauart ist er ebenfalls geeignet als Rekuperator für Gasturbinen. Der Wärmetauscher zeichnet sich insbesondere durch eine hohe Packungsdichte der einzelnen Rohre 1a, 1b aus, wobei, bezogen auf die Größe des zentralen Wärmetauscherelements 2, Wärmeübertragungsflächen bis zu 1000 m² pro m³ Volumen erreichbar sind.

Der Wärmetauscher besteht aus einer Eintrittskammer E₁ für ein erstes am Wär meaustausch beteiligtes Medium, eine Austrittskammer A₁ für das erste am Wär meaustausch beteiligte Medium, eine Eintrittskammer E₂ für das zweite am Wär meaustausch beteiligte Medium und eine Austrittskammer A₂ für das zweite am Wärmeaustausch beteiligte Medium. Das erste, bei E₁ eintretende und bei A₁ aus tretende Medium durchströmt unter Wärmeaustausch die Rohre 1a, 1b des Wär metauscherelements 2, wohingegen das andere Medium gemäß den in Fig. 2 eingetragenen Strömungspfeilen eine Kammer 3 axial durchströmt, durch die die Rohre 1a, 1b quer zu dieser Strömung hindurchgeführt sind. Hierbei umströmt das zweite am Wärmeaustausch beteiligte Medium die Außenseiten der Rohre 1a, 1b.

Die bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel in etwa würfelförmig gestaltete Kammer 3 besteht aus insgesamt vier in Draufsicht ein Quadrat aufspannenden Wänden, die als Rohrböden 4, 5, 6, 7 dienen, in denen die Enden der Rohre 1a, 1b durch Hart- oder Weichlöten befestigt sind. Die beiden einander gegenüberliegenden Rohrböden 4 und 6 sind mit Abwinklungen 8 versehen, die mit Hauben 9 verschweißt sind. Diese beiden Hauben 9 bilden die Eintrittskammer E₁ bzw. die Austrittskammer A₁, wozu beide Hauben 9 in Form von Halbschalen gestaltet sind, in die mittig ein Eintrittsstutzen 10 bzw. ein Austrittsstutzen 11 eingesetzt ist.

Die einzelnen Rohre 1a, 1b lassen sich beim beschriebenen Ausführungsbeispiel in zwei Gruppen einteilen, die jeweils Rohrlagen bilden. Die in ersten Rohrlagen zusammengefaßte Rohre 1a erstrecken sich zwischen den Rohrböden 4 und 6, und die in zweiten Rohrlagen zusammengefaßten Rohre 1b erstrecken sich zwischen den Rohrböden 5 und 7. Sämtliche Rohre 1a bzw. 1b einer Rohrlage erstrecken sich parallel zueinander in einer gemeinsamen Ebene. Da sich sämtli che Rohre 1a zwischen den Rohrböden 4 und 6, und sämtliche Rohre 1b zwischen den Rohrböden 5 und 7 erstrecken, kreuzen sich die Rohre zweier aufeinander folgender Rohrlagen stets unter einem Winkel von 90°.

Wie insbesondere Fig. 2 sowie die Fig. 3a bis 6b erkennen fassen, können die in jeder Rohrlage zusammengefaßten Rohre 1a bzw. 1b jeweils denselben Querschnitt aufweisen, wobei sich die Rohre 1a bzw. 1b aufeinander folgender Rohrlagen an ihren Kreuzungsstellen berühren oder zumindest nahezu berühren. Diese Berührungspunkte B sind zur Veranschaulichung in Fig. 3a und Fig. 3b eingezeichnet. Infolge dieses unmittelbaren oder nahezu unmittelbaren Aneinanderstoßens benachbarter Rohrlagen baut der beschriebene Wärmetauscher sehr kompakt, ohne daß es zu einer Behinderung der Durchströmung der Kammer durch das zweite am Wärmeaustausch beteiligte Medium kommt.

Die Rohre 1a, 1b können z. B. aus Edelstahl oder aus Kupfer bestehen. Sie sind mit den entsprechenden Rohrböden 4, 5, 6, 7, durch Hart- oder Weichlöten ver bunden, wozu vorzugsweise das bereits weiter oben beschriebene Herstellungs verfahren angewendet wird.

In den Fig. 3a bis 6b sind verschiedene Anordnungsmöglichkeiten der lagen weise die Kammer durchdringenden Rohre 1a und 1b dargestellt. Hierbei zeigt die linke Darstellung jeweils eine Ansicht des Rohrpakets z. B. von dem Rohrboden 4 aus, und die rechte Darstellung eine Ansicht des Rohrpakets aus um 90° ver setzter Blickrichtung von z. B. dem Rohrboden 7 aus. Zu erkennen ist, daß die Rohre 1a einer Rohrlage fluchtend zu den Rohren 1a der übernächsten Rohrlage angeordnet sein können, wie dies die Fig. 3a und 4a zeigen. Andererseits können aber auch die Rohre 1a einer Rohrlage parallel versetzt zu den Rohren der übernächste Rohrlage 1a angeordnet sein, wie dies die Fig. 5a und 6a zeigen. Gleiches gilt für die Rohre 1b des jeweils anderen Rohrlagentyps.

In Fig. 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers dargestellt. Die Kammer 3 wird von insgesamt 6 Rohrböden 4, 5, 6, 7, 12, 13 umschlossen, wobei benachbarte Rohrböden jeweils in einem Winkel von 60° aneinanderstoßen und dort miteinander verschweißt sind. Zwischen den Rohrböden 4 und 6 erstrecken sich die Rohre 1a, zwischen den Rohrböden 5 und 7 die Rohre 1b, und zwischen den Rohrböden 12 und 13 die Rohre 1c. Wiederum sind also die Rohre in mehreren Rohrlagen angeordnet, wobei sich die Rohre 1a bzw. 1b bzw. 1c jeder Rohrlage parallel zueinander in einer gemeinsamen Ebene erstrecken, und die Rohre aufeinander folgender Rohrlagen unter einem Winkel α von 60° bzw. 120° zueinander angeordnet sind. Die Rohrenden münden bei dem Wärmetauscher nach Fig. 7 in jeweils separate, einem einzelnen Rohrboden 4, 5, 6, 7, 12, 13 zugeordnete Eintrittskammern 14, 15, 16 oder Austrittskammern 17, 18, 19. Auf diese Weise lassen sich getrennte Zu- oder Austrittskammern für unterschiedliche, die Rohre durchströmende Medien vorsehen. Die voneinander getrennten Zu- oder Austrittskammern 14, 15, 16, 17, 18, 19 können entweder dasselbe Medium führen, oder auch unterschiedliche Medien.

Allen Ausführungsformen gemäß den Fig. 1 bis 7 ist gemeinsam, daß die Anzahl der Rohre 1a, 1b, 1c in den einzelnen Rohrlagen unterschiedlich sein kann. So zeigt Fig. 7 lediglich vier großformatige Rohre 1c in einer Rohrlage, hingegen in anderen Rohrlagen fünf Rohre 1a sowie sechs Rohre 1b, jeweils mit weniger großem Durchmesser.

Ferner ist allen dargestellten Ausführungsbeispielen gemeinsam, daß die Rohre 1a, 1b, 1c an ihren Innenseiten und/oder ihren Außenseiten mit geeigneten Katalysatorschichten versehen werden können. Auf diese Weise läßt sich der Wärmetauscher zusätzlich oder alternativ als Reaktor einsetzen.

Bezugszeichenliste

1

a Rohr

1

b Rohr

1

c Rohr

2

Wärmetauscherelement

3

Kammer

4

Rohrboden

5

Rohrboden

6

Rohrboden

7

Rohrboden

8

Abwinklung

9

Haube

10

Eintrittsstutzen

11

Ausstrittsstutzen

12

Rohrboden

13

Rohrboden

14

Eintrittskammer

15

Eintrittskammer

16

Eintrittskammer

17

Austrittskammer

18

Austrittskammer

19

Austrittskammer
B Berührungspunkt
E₁

Eintrittskammer
A₁

Austrittskammer
E₂

Eintrittskammer
A₂

Austrittskammer
α Winkel

Claims

1. Wärmetauscher für den indirekten Wärmeaustausch, mit einer Kam mer (3), die von einem der am Wärmeaustausch beteiligten Medien durch strömbar ist, sowie einer Mehrzahl durch die Kammer (3) hindurchgeführ ter und von mindestens einem weiteren am Wärmeaustausch beteiligten Medium durchströmbarer Rohre (1a, 1b, 1c), deren Enden in Rohrböden (4, 5, 6, 7, 12, 13) festgelegt sind, die die Kammer (3) begrenzen, dadurch kennzeichnet, daß die Rohre (1a, 1b, 1c) in mehreren Rohrlagen angeordnet sind, wobei sich die Rohre (1a bzw. 1b bzw. 1c) jeder Rohrlage parallel zueinander in einer gemeinsamen Ebene erstrecken, und die Rohre zweier aufeinander folgender Rohrlagen unter einem Winkel zueinander angeordnet sind.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Rohre zweier aufeinander folgender Rohrlagen unter einem Winkel (α) von 90° kreuzen.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, gekennzeichnet durch mindestens zwei im Winkel zueinander angeordnete Rohrbodenpaare (4, 6; 5, 7), wobei die Rohre (1a) einer Rohrlage in dem einen, und die Rohre (1b) der nächstfolgenden Rohrlage in dem anderen Rohrbodenpaar festgelegt sind.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die in dem einen, wie auch die in dem anderen Rohrboden festgelegten Rohrenden in eine gemeinsame Ein- oder Austrittskammer (E₁ bzw. A₁) für das die Rohre(1a, 1b) durchströmende Medium münden.

5. Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Rohrböden (4, 5, 6, 7, 12, 13) festgelegten Rohrenden in jeweils separate, einem einzelnen Rohrboden zugeordnete Ein- oder Austrittskammern (E₁, A₁, E₂, A₂, 14, 15, 16, 17, 18, 19) münden.

6. Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die in jeder Rohrlage zusammengefaßten Rohre (1a bzw. 1b, bzw. 1c) jeweils denselben Querschnitt aufweisen, und daß sich die Rohre (1a, 1b, 1c) aufeinander folgender Rohrlagen berühren oder nahezu berühren.

7. Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Rohre (1a bzw. 1b) einer Rohrlage parallel versetzt zu den Rohren (1a bzw. 1b) der übernächsten Rohrlage angeordnet sind.

8. Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Rohrenden durch Hart- oder Weichlöten in dem je weiligen Rohrboden (4, 5, 6, 7, 12, 13) festgelegt sind.

9. Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ver löten sämtlicher Rohrenden des Wärmetauschers gleichzeitig erfolgt, vor zugsweise in einem Lötofen.