DE10056229B4

DE10056229B4 - Wärmetauscher für den indirekten Wärmeaustausch

Info

Publication number: DE10056229B4
Application number: DE2000156229
Authority: DE
Inventors: Miroslav Dr.-Ing. Podhorsky; Albrecht Dr. Brenner
Original assignee: Balcke Duerr GmbH
Current assignee: Balcke Duerr GmbH
Priority date: 2000-11-13
Filing date: 2000-11-13
Publication date: 2004-09-09
Anticipated expiration: 2020-11-14
Also published as: DE10056229A1

Abstract

Wärmetauscher für den indirekten Wärmeaustausch, mit einer Kammer (3), die von einem der am Wärmeaustausch beteiligten Medien durchströmbar ist, sowie einer Mehrzahl von einem weiteren am Wärmeaustausch beteiligten Medium durchströmbarer Rohre (1a, 1b), die zwischen paarweise einander gegenüberliegenden Rohrböden (4, 6; 5, 7) durch die Kammer (3) hindurchgeführt, und deren Enden in den Rohrböden (4, 6; 5, 7) der Rohrbodenpaare festgelegt sind, wobei die Rohre in mehreren Rohrlagen angeordnet sind, und sich die Rohre (1a) jeder Rohrlage parallel zueinander und in einer gemeinsamen Ebene zwischen den Rohrböden (4, 6) des ersten Rohrbodenpaares, und sich die Rohre (1b) der nächstfolgenden Rohrlage parallel zueinander und in einer gemeinsamen Ebene zwischen den Rohrböden (5, 7) eines zweiten Rohrbodenpaares erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß sich an jeweils einen Rohrboden (4 bzw. 5) des ersten wie des zweiten Rohrbodenpaares eine diesen beiden Rohrböden (4, 5) gemeinsame Eintrittskammer (E₁), und an den jeweils anderen Rohrboden (6 bzw....

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für den indirekten Wärmeaustausch, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

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 konstruktiven Aufwand erreichen. Der Vorteil des Plattenwärmetauschers liegt denn auch mehr in der kompakten Bauform sowie der, zumindest bei normalen Druckbelastungen, 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 ein Wärmetauscher vorgeschlagen, der die Merkmale des Patenanspruchs 1 aufweist.

Ein solcher Wärmetauscher ermöglicht eine im Vergleich zu bekannten Röhrenwärmetauschern besonders kompakte Bauform. Ursächlich hierfür ist die Anordnung 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 Rohrlagen 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 Würfels oder eines Rechteckquaders mit rechteckig zueinander angeordneten Rohrwänden, wobei die Rohrenden jeweils unter einem rechten Winkel in den zugehörigen Öffnungen in den Rohnnränden befestigt sind.

Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers ist daher gekennzeichnet 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 festgelegten Rohrenden in eine gemeinsame Zu- oder Austrittskammer für das die Rohre durchströmende Medium münden. Alternativ ist es zur Realisierung spezieller Wärmeübertragungsprozesse auch möglich, getrennte Zu- oder Austrittskammern für z.B. zwei unterschiedliche, die Rohre durchströmende Medien vorzusehen. In diesem Fall münden die in dem einen Rohrboden festgelegten Rohrenden in eine erste Zu- oder Austrittskammer, und die in dem anderen Rohrboden festgelegten Rohrenden in einer zweiten Zu- oder Austrittskammer. Die voneinander getrennten Zu- oder Austrittskammern können hierbei entweder dasselbe Medium führen, oder auch zwei unterschiedliche Medien, womit sich bei Berücksichtigung 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 Querschnitte 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 Verlöten sämtlicher Rohrenden des Wärmetauschers gleichzeitig erfolgt, vorzugsweise in einem Lötofen. Hierzu wird zunächst das komplette Wärmetauscherelement 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 Wärmetauscherelement in einen Lötofen eingesetzt wird. Nach Erreichen der Schmelztemperatur des Lotes fließt dieses infolge von Adhäsionskräften in die Ringspalte zwischen den Rohrenden und den jeweiligen Durchgangsbohrungen der Rohrböden 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 Ausführungsbeispieles und unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:
1 einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher in einem Horizontalschnitt;
2 den Wärmetauscher nach 1 in der in 1 eingetragenen, vertikalen Schnittebene II-II;
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
Der in den 1 und 2 in Gesamtdarstellung wiedergegebene Wärmetauscher eignet sich z.B, als Rekuperator, d.h. Luft-Vorwärmer für mit Gasturbinen betriebene 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 Wärmeaustausch beteiligtes Medium, eine Austrittskammer A₁ für das erste am Wärmeaustausch beteiligte Medium, eine Eintrittskammer E₂ für das zweite am Wärmeaustausch beteiligte Medium und eine Austrittskammer A₂ für das zweite am Wärmeaustausch beteiligte Medium. Das erste, bei E₁ eintretende und bei A₁ austretende Medium durchströmt unter Wärmeaustausch die Rohre 1a, 1b des Wärmetauscherelements 2, wohingegen das andere Medium gemäß den in 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 sämtliche 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 2 sowie die 3a bis 6b erkennen lassen, 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 3a und 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 verbunden, wozu vorzugsweise das bereits weiter oben beschriebene Herstellungsverfahren angewendet wird.
In den 3a bis 6b sind verschiedene Anordnungsmöglichkeiten der lagenweise 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° versetzter 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 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 5a und 6a zeigen. Gleiches gilt für die Rohre 1b des jeweils anderen Rohrlagentyps.
Ferner ist allen dargestellten Ausführungsbeispielen gemeinsam, daß die Rohre 1a, 1b 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.

1a: Rohr
1b: Rohr
1c: 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

Wärmetauscher für den indirekten Wärmeaustausch, mit einer Kammer (3), die von einem der am Wärmeaustausch beteiligten Medien durchströmbar ist, sowie einer Mehrzahl von einem weiteren am Wärmeaustausch beteiligten Medium durchströmbarer Rohre (1a, 1b), die zwischen paarweise einander gegenüberliegenden Rohrböden (4, 6; 5, 7) durch die Kammer (3) hindurchgeführt, und deren Enden in den Rohrböden (4, 6; 5, 7) der Rohrbodenpaare festgelegt sind, wobei die Rohre in mehreren Rohrlagen angeordnet sind, und sich die Rohre (1a) jeder Rohrlage parallel zueinander und in einer gemeinsamen Ebene zwischen den Rohrböden (4, 6) des ersten Rohrbodenpaares, und sich die Rohre (1b) der nächstfolgenden Rohrlage parallel zueinander und in einer gemeinsamen Ebene zwischen den Rohrböden (5, 7) eines zweiten Rohrbodenpaares erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß sich an jeweils einen Rohrboden (4 bzw. 5) des ersten wie des zweiten Rohrbodenpaares eine diesen beiden Rohrböden (4, 5) gemeinsame Eintrittskammer (E₁), und an den jeweils anderen Rohrboden (6 bzw. 7) des ersten wie des zweiten Rohrbodenpaares eine diesen beiden Rohrböden (6, 7) gemeinsame Austrittskammer (A₁) anschließt.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Rohre zweier aufeinander folgender Rohrlagen unter einem Winkel (α) von 90° kreuzen.
Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in jeder Rohrlage zusammengefaßten Rohre (1a bzw. 1b) jeweils denselben Querschnitt aufweisen, und daß sich die Rohre (1a, 1b) aufeinander folgender Rohrlagen berühren oder nahezu berühren.
Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (1a bzw. 1b) einer Rohrlage parallel versetzt zu den Rohren (1a bzw. 1b) der übernächsten Rohrlage angeordnet sind.
Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrenden durch Hart- oder Weichlöten in dem jeweiligen Rohrboden (4, 5, 6, 7) festgelegt sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verlöten sämtlicher Rohrenden des Wärmetauschers gleichzeitig erfolgt, vorzugsweise in einem Lötofen.