DE102006016786A1

DE102006016786A1 - Wärmeübertrager

Info

Publication number: DE102006016786A1
Application number: DE200610016786
Authority: DE
Inventors: Frank Triesch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-04-10
Filing date: 2006-04-10
Publication date: 2007-10-18

Abstract

Ein Wärmeübertrager 1 ist immer zumindest mit einem an sich bekannten ständigen internen oder externen Bypass 2 für einen ständigen Teilstrom des zu erwärmenden und/oder zu kühlenden Wärmeträgerstromes versehen, wobei die Aufteilung der Teilströme unter Anstrebung minimaler Investitions- oder Lebenszykluskosten des Wärmeübertragers 1 beziehungsweise der Anlage, in die er integriert ist, unter Anstrebung minimaler Abmessungen oder eines minimalen Gewichts erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit Bypass für die universelle Anwendung zur Erwärmung oder Kühlung von Medienströmen, zum Beispiel in der Erdgas- oder in der Fernwärmeversorgung, mit den die Wärmeträgermedien zu- bzw. abführenden Anschlusskammern sowie optional auch mit einem Regelorgan oder Absperrarmaturen.
Es ist bekannt, Wärmeübertrager zur Regelung der thermischen Leistung beziehungsweise der Temperatur des zu erwärmenden und/oder zu kühlenden Wärmeträgerstromes primärseitig oder auch sekundärseitig mit einem internen oder externen Bypass mit Regelventil oder -Klappe auszustatten.
So wird zum Beispiel in DE 31 03 198 A1 ein Wärmetauscher für den Betrieb mit Abgasen von Kolbenmotoren, insbesondere für die Beheizung von Kraftfahrzeugen beschrieben, bestehend aus einem ersten Zweig und einem, mit einer zwischen der geschlossenen und der geöffneten Stellung stufenlos verstellbaren Absperrvorrichtung wahlweise absperrbaren, parallelen zweiten Zweig. Dieser Wärmetauscher wird gezielt im Bereich niedriger Motorbelastung eingesetzt, um in diesem Betriebszustand das Wärmedefizit z. B. einer Fahrzeugheizung auszugleichen, also die Abgasenergie zu erhöhen.
DE 199 62 863 A1 betrifft ebenfalls einen Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärme zwischen dem Abgas einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges und dem Kühlmittel, mit dem die mit thermischen Dehnungen verbundenen Spannungen vermindert und der Bauraumbedarf verringert werden, indem in das Gehäuse ein dem Wärmeübertragungsbereich zugeordneter, von einem Teilstrom des Abgases durchströmter Bypasskanal integriert ist, der gegenüber dem Kühlmittel thermisch isoliert ist, wobei der Teilstrom mittels eines Stellelements variabel einstellbar ist, welches entweder den Bypasskanal oder die Abgasrohre des Wärmeübertragungsbereiches gegenüber der Abgaseintrittsöffnung oder der Abgasaustrittsöffnung fluiddicht abschließt.
Einen weiteren längs durchströmten Abgaskühler mit Bypass und Stellelement bei der Abgasrückführung zu einem Verbrennungsmotor beschreibt DE 103 55 649 A1 . Er umfasst einen Wärmeübertragungsbereich, in den ein isolierter Bypass-Kanal integriert ist. Ein Steuerelement dient zur Steuerung der Abgasströme durch den Wärmeübertragungsbereich oder den Bypasskanal. Wenn keine Kühlung des Abgases gewünscht ist, insbesondere beim Start des Motors, muss das Abgas an dem Kühler vorbei geleitet werden. Dies wird durch die steuerbare Bypassfunktion realisiert, wobei das Abgas zeitweise umgeleitet wird.
Weitere Abgaswärmeübertrager werden ebenfalls in DE 201 21 018 U1 ; DE 10 2004 031 365 A1 und DE 10 2005 022 546 A1 beschrieben.
In DE 298 06 908 U1 ist ein Gegenstrom-Plattenwärmeübertrager zur Wärme- und/oder Kälterückgewinnung in lufttechnischen Anlagen beschrieben, bestehend aus einer Hüllkonstruktion und einem Plattenwärmetauscherpaket, wobei die Abluft über einen Bypass direkt als Fortluft abströmen kann, indem mindestens eine Drosselklappe in der Trennwand zwischen der offenen Stirnwand des Plattenwärmetauscherpaketes angeordnet ist. Die Bypass-Einrichtung dient zur Optimierung der Temperatur in der Übergangszeit und zur Organisation einer Abtauschaltung.
Verallgemeinernd werden die bisher bekannten Wärmeübertrager mit Bypass im Teillastbetrieb von einem Teilstrom, und nur bei Volllast von der gesamten Menge des Wärmeträgers durchströmt. Der Teilstrom wird im Wärmeübertrager im Teillastbetrieb höher vorgewärmt oder tiefer abgekühlt, als es erforderlich wäre, wenn er von der gesamten Menge durchströmt würde. Die Endtemperatur stellt sich erst nach der Vereinigung der beiden Teilströme des Wärmeträgers hinter dem Wärmeübertrager ein. Dabei tritt der Zusatzeffekt auf, dass im Teillastbetrieb der Druckverlust des Wärmeübertragers mit Bypass geringer ist, als wenn der selbe Wärmeübertrager ohne Bypass vollständig durchströmt würde und die thermische Leistung über die Primärseite geregelt würde.
Bei Volllast ist dieser Vorteil jedoch aufgehoben, da es wie in den beschriebenen bekannten Lösungen zur Erreichung der Auslegungsleistung erforderlich ist, dass der gesamte zu erwärmende und/oder zu kühlende Wärmeträgerstrom den Wärmeübertrager passiert, der Bypass also geschlossen ist. Dafür muss der Wärmeübertrager jedoch – wie jeder ungeregelte Wärmeübertrager auch, in seiner Geometrie nicht nur auf den gewünschten Wärmeübergang, sondern häufig auch auf den maximal zulässigen Druckverlust im Betrieb ausgelegt werden. Daraus können sich größere Strömungsquerschnitte und damit größere Wärmeübertragungsflächen ergeben, die in der Herstellung des Wärmeübertragers wiederum hö here Kosten verursachen, als bei der Auslegung nach dem gewünschten Wärmeübergang. Die Steigerung der Kosten bei der Herstellung ist besonders groß bei hohen Mediendrücken, teueren verwendeten Wärmeübertragermaterialien oder aufwendigen Wärmeübertragerkonstruktionen, wie dies zum Beispiel bei Doppelrohrsicherheitswärmeübertragern für die Hochdruckerdgasvorwärmung der Fall ist. Negative Nebeneffekte der sich ergebenden geringeren Strömungsgeschwindigkeiten sind nicht nur ein schlechterer Wärmeübergang primär- wie sekundärseitig, sondern gegebenenfalls auch eine größere Neigung zur Verschmutzung der Wärmeübertragungsflächen. Außerdem unterliegt das aktive Regelorgan im Bypass einem steten Verschleiß und muss regelmäßig gewartet werden, was je nach Wärmeträgermedium sehr schwierig sein kann.
Folglich entstehen hohe Investitionskosten für die Installation eines entsprechenden Wärmeübertragers, bzw. hohe Betriebskosten infolge seiner Wartung und Instandhaltung.
Aus der Praxis bekannt sind auch absperrbare Bypässe an Wärmeübertragern für den Fall eines Schadens an denselben, zum Beispiel durch Leckage. Dann lässt sich der Wärmeübertrager abschalten und der zu erwärmende oder zu kühlende Medienstrom im Bypass um den Wärmeübertrager herum leiten, ohne dass die beiden an der Wärmeübertragung beteiligten Medien miteinander in Kontakt kommen. Der Wärmeübertrager kann in dieser Zeit sehr leicht repariert oder ausgetauscht werden.
Derartige Bypässe sind jedoch nur für diesen einen Fall eines Defektes installiert, für den gesamten Medienstrom entsprechend groß auszulegen und mit mindestens drei Absperrmöglichkeiten auszurüsten, somit sehr kostenintensiv in der Investition. Trotz seltener Nutzung müssen die Absperrarmaturen gewartet werden, um sie für den einzigen Einsatzfall funktionstüchtig zu halten. Derartige Bypässe sind nur sinnvoll, wenn die Anlagen auch ohne Vorwärmung oder Kühlung des sekundären Mediums eine gewisse Zeit betrieben werden können. Ansonsten muss im Bypass zusätzlich ein Ersatzwärmeübertrager installiert sein.
Allen bisher bekannten Lösungen gemein ist, dass der Bypass niemals zur vorteilhaften Gestaltung des Wärmeübertragers herangezogen wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen dem jeweiligen Verwendungszweck angepassten Wärmeübertrager zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung bilden die Merkmale der Unteransprüche 2 bis 18.
Mit einem Wärmeübertrager nach den Ansprüchen 2 bis 5 ist es möglich, die Größe der Teilströme im Wärmeübertrager und im Bypass nach einem präferierten Parameter wie minimaler Investitions- oder Lebenszykluskosten des Wärmeübertragers (1) beziehungsweise der Anlage, in die er integriert ist, unter Anstrebung minimaler Abmessungen oder eines minimalen Gewichts zu bestimmen.
Mit dem Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 6 bis 8 wird es möglich, eine Wärmeübertrager-Bypass-Kombination wartungsfrei zu gestalten. Je nach hydraulischer Charakteristik des Bypasses bleibt das Verhältnis der Teilströme konstant, erhöht oder verringert sich gezielt.
Mit der Ausgestaltung nach Anspruch 9 wird es möglich, den Bypass zum Wärmeübertrager dann und in dem Maße zu nutzen, wie es der erforderliche Wärmeübergang, ein minimaler Druckverlust, der Zustand des Wärmeübertragers und/oder andere anzustrebende Parameter in dem jeweiligen Betriebszustand erfordern.
Durch die Einbeziehung eines Bypasses in die Konstruktion des Wärmeübertragers gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13 werden die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung ausgeweitet durch eine bessere Vermischung der beiden Teilströme nach dem Wärmeübertrager, durch die Verminderung der thermischen Spannungen zwischen Wärmeübertrager und Bypass, durch eine Vereinfachung der Konstruktion und insbesondere durch eine Verringerung der Kosten bei Investition und Betrieb.
Die Ausgestaltung nach einem der Ansprüche 14 oder 15 verhindert einen intensiven Wärmeübergang zwischen einem in die Wärmeübertragerkonstruktion einbezogenen Bypass und dem restlichen Wärmeübertrager.
Wird die Zusammenführung der Teilströme aus Wärmeübertrager und Bypass bereits in den Sammelkanälen der abführenden Anschlusskammern des Wärmeübertragers gemäß Anspruch 16 realisiert, so führt dies praktisch von selbst zu einer idealen Vermischung der beiden Medienströme.
Eine Kombination eines Wärmeübertragers mit Bypass und Ejektor an der Einbindungsstelle nach dem Wärmeübertrager gemäß Anspruch 17 hilft, das Druckpotential des Bypassstromes zum Ansaugen des Teilstromes aus dem Wärmeübertrager zu nutzen und verbessert gleichzeitig die Vermischung der Teilströme.
Mit einer Ausführung gemäß Anspruch 18 wird die Strähnenbildung der wieder vereinten Teilströme nach dem Wärmeübertrager mit Bypass durch eine intensive Vermischung in einem statischen Mischer verhindert.
Es sei noch darauf hingewiesen, dass die Erfindung selbstverständlich auch für mehrere in Reihe oder parallel geschaltete Wärmeübertrager oder Wärmeübertragernetzwerke mit einem oder mehreren Bypässen anwendbar ist. Ebenso kann natürlich auch an einem Wärmeübertrager bei Erfordernis sowohl primärseitig als auch sekundärseitig je ein erfindungsgemäßer Bypass angebracht werden, zum Beispiel wenn primärseitig die Rücklauftemperatur auf einem gewissen Niveau gehalten werden muss, und sekundärseitig der Wärmeübertrager auf einen maximalen Druckverlust auszulegen ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
1a zeigt das Beispiel einer Gasdruckregelanlage im Bereich der Vorwärmung mit einem Doppelrohrsicherheitswärmeübertrager mit ungeregeltem Bypass, eingebunden in eine Gasdruckregelanlage.
1a zeigt einen Doppelrohrsicherheitswärmeübertrager mit geregeltem Bypass.
2a zeigt einen Plattenwärmeübertrager;
2b einen Plattenwärmeübertrager der selben thermischen Leistung mit Bypass mit minimalen Lebenszykluskosten;
2c zeigt ein Temperaturdiagramm und
2d ein Kostendiagramm verschiedener Plattenwärmeübertrager ohne beziehungsweise mit Bypass.
1a zeigt das Beispiel einer Gasdruckregelanlage im Bereich der Vorwärmung. Gasdruckregelanlagen werden üblicherweise zweischienig redundant gebaut, auch im Bereich der Vorwärmung. Doppelrohrsicherheits wärmeübertrager mit Leckageschalter 1 erlauben aber im Bereich der Gasvorwärmung die einschienige Bauweise. Damit die Vorteile der Erfindung zur zusätzlichen Minderung der Investitionskosten genutzt werden können, wird der Doppelrohrsicherheitswärmeübertrager anstelle des zweiten Apparates mit einem passenden externen Bypass 2 versehen. Im Falle einer Leckage des Doppelrohrsicherheitswärmeübertragers 1 kann der Reihe nach an Stelle des Bypasses 2 ein Ersatzapparat und für den defekten Doppelrohrsicherheitswärmeübertrager 1 der Bypass 2 installiert werden. Der Doppelrohrsicherheitswärmeübertrager 1 hat Anschlüsse zum Zulauf 3 und 5 und zum Ablauf 4 und 6 der beiden am Prozess beteiligten Medien. Der Doppelrohrsicherheitswärmeübertrager 1 ist vor dem Abgang und hinter der Einbindung des Bypasses 2 sowie in den Querverbindungen zum Bypass 2 mit Absperrarmaturen 8 ausgerüstet.
Zur Auslegung des Gasvorwärmers vorgegeben sind eine zu erreichende thermische Leistung, ein nicht zu überschreitender Druckverlust und die Parameter der Wärmeträger Heißwasser und Erdgas am Eintritt in den Doppelrohrsicherheitswärmeübertrager 1. Auszulegen ist ein Doppelrohrsicherheitswärmeübertrager 1, der diese Forderungen bei minimalen Investitionskosten erfüllt. Die Auslegung des Doppelrohrsicherheitswärmeübertragers 1 wird wie folgt vorgenommen:
Zunächst wird zum Vergleich ein Doppelrohrsicherheitswärmeübertrager ohne Bypass ausgelegt, der die geforderten Parameter – thermische Leistung und zulässiger Druckverlust für den gesamten Gasstrom erfüllt. Nun wird iterativ der kleinste und damit preiswerteste Doppelrohrsicherheitswärmeübertrager 1 gesucht, der einem Teilstrom des aufzuwärmenden Gasstromes die gesamte thermische Leistung unter Einhaltung des zulässigen Druckverlustes übertragen kann, indem dieser Teilstrom unter maximaler Ausnutzung der Parameter des primären Wärmeträgers höher aufgewärmt wird, als eigentlich erforderlich. Ein erster Anhaltspunkt bei der Suche kann sein, dass ideale Wärmeübertrager bekanntlich etwa identische Wärmeäquivalente (auch als Wärmekapazitätsströme bezeichnet) und damit gleichzeitig identische Temperaturdifferenzen zwischen den Ein- und Austrittstemperaturen auf beiden Medienseiten aufweisen sollten. Variabel bei der Auslegung des Wärmeübertragers sind bis zu einem bestimmten Maximum die Bündellänge und in Stufen der Manteldurchmesser, der Rohrdurchmesser und die Rohranzahl, die Anzahl und Anordnung der Umlenkbleche usw.
Wenn der ermittelte Doppelrohrsicherheitswärmeübertrager 1 kleiner bzw. preiswerter als der im ersten Schritt ermittelte Apparat ist, wird der zum Doppelrohrsicherheitswärmeübertrager 1 passende Bypass 2 ausgelegt. Bekannt sind die Durchsatzmenge, die sich als Differenz aus dem Gesamtgasstrom und dem im Doppelrohrsicherheitswärmeübertrager 1 vorgewärmten Teilgasstrom ergibt, und der Druckverlust, der dem des Doppelrohrsicherheitswärmeübertragers 1 im Auslegungsfall entsprechen muss, weil beide hydraulisch parallel geschaltet sind. Durch die Wahl des passenden Durchmessers und der örtlichen Strömungswiderstände der entsprechenden Einbindungsstellen wird der Bypass 2 zunächst für den Auslegungspunkt ausgelegt. Lässt sich mit Standardrohrgrößen keine vollständige Übereinstimmung des Druckverlustes von Doppelrohrsicherheitswärmeübertrager 1 und Bypass 2 einstellen, gibt es unter anderem folgende Wege dies zu erreichen. Entweder wird der Doppelrohrsicherheitswärmeübertrager 1 noch einmal leicht variiert. Ein größerer Durchmesser verringert den Druckverlust. In den meisten Fällen wird es aber preiswerter sein, die vorhandenen örtlichen Widerstände zu variieren und/oder zusätzliche örtliche Widerstände in den Bypass 2 oder den Doppelrohrsicherheitswärmeübertrager 1 einzubeziehen, zum Beispiel mit einer Blende oder einer Regelarmatur. Anschließend wird überprüft, ob die ermittelte Kombination aus Doppelrohrsicherheitswärmeübertrager 1 und Bypass 2 die Anforderungen an die Gasvorwärmung – thermische Leistung und Druckverlust in allen anderen vorgegebenen Betriebspunkten ebenfalls erfüllt.
Sollte sich die Durchsatzmenge durch den Bypass 2 in anderen Betriebspunkten ungünstig verschieben, so dass zum Beispiel die thermische Leistung des Doppelrohrsicherheitswärmeübertragers 1 nicht mehr erreicht wird, so wird die hydraulische Charakteristik des Bypasses 2 durch Variation des Verhältnisses von örtlichen und Strömungswiderständen verändert, um in allen Betriebsfällen die geforderten Leistungsparameter zu erfüllen.
Ebenfalls besteht die Möglichkeit, den Bypass mit einem Regelorgan 7 auszurüsten. Dieses kann zum Beispiel wie in der 1b dargestellt den zulässigen Differenzdruck über den Doppelrohrsicherheitswärmeübertrager 1 konstant einstellen. Wenn der zulässige Differenzdruck stets eingehalten wird, wird indirekt auch der Wärmeübergang im Doppelrohrsicherheitswärmeübertrager 1 in allen Betriebspunkten gewähr leistet beziehungsweise die Verschmutzung des Doppelrohrsicherheitswärmeübertragers 1 verringert. Das Regelorgan kann aber auch nach anderen Parametern angesteuert werden. So ist bei minimalem Gaseintrittsdruck kaum noch eine Vorwärmung erforderlich, und es besteht die Forderung nach geringem Druckverlust, um möglichst viel Gas über die Anlage strömen zu lassen. Dann kann das Regelorgan 7 ganz öffnen und den Hauptgasstrom über den Bypass 2 leiten.
Ebenfalls kann der Doppelrohrsicherheitswärmeübertrager 1 am Ein- und Austritt 3 und 4 mit Absperrarmaturen 8 ausgestattet werden (1b). Sollte der Doppelrohrsicherheitswärmeübertrager 1 nun zum Beispiel gewartet oder wegen einer Leckage repariert oder ausgetauscht werden müssen, so kann er abgesperrt werden, und der Gasstrom teilweise, oder – bei gleichzeitiger Verwendung eines Regelorgans 7 auch vollständig, unvorgewärmt über den Bypass 2 geleitet werden. Dies ist jedoch nur möglich, wenn die Gastemperatur für die nachfolgenden Verfahrensschritte ausreichend ist und/oder eine zeitlich begrenzte Fahrweise ohne Vorwärmung toleriert werden kann.
Zum Abschluss der Auslegung wird überprüft, ob sich gegenüber der Ausgangsvariante durch den Doppelrohrsicherheitswärmeübertrager 1 mit Bypass 2 preisliche Vorteile in der Herstellung und oder im Betrieb ergeben.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den 2a–d dargestellt, soll die Vorteile der Erfindung mit konkreten Zahlen belegen und wird im Folgenden näher beschrieben. Die 2a, b zeigen jeweils einen Plattenwärmeübertrager 1 für die Auskopplung von 455 kW Fernwärme aus einem Fernwärmeprimärnetz mit den Auslegungsparametern 150/75°C für ein Wohnhaus mit einem Heizsystem mit den Auslegungsparametern 95/70°C.
Das Auswahlprogramm eines Herstellers wirft bei vertretbarem Druckverlust einen Apparat vom Typ L 25-80 mit 80 Platten mit 33 % Flächenreserve aus, der als gebräuchliche Variante in der 2a dargestellt ist. An diesem Plattenwärmeübertrager tritt eine mittlere logarithmische Temperaturdifferenz von 16 Kelvin und ein Verhältnis der Wärmeäquivalente primär/sekundär von 0,32 auf. Das Sekundärmedium hat dementsprechend ein bedeutend höheres Wärmeäquivalent, als das Primärmedium.
Erhöht man deshalb erfindungsgemäß iterativ für einen sekundären Teilstrom die Austrittstemperatur, so wird mit einem Apparat M 25-50 bei einer Austrittstemperatur von 110°C und einem Bypassstrom von 37 %, einem Verhältnis der Wärmeäquivalente primär/sekundär von 0,51 und einer mittleren logarithmischen Temperaturdifferenz von 16,5 Kelvin ein Minimum der Investitionskosten (–26 %) erreicht. Auch die Betriebskosten sinken mit diesem Apparat um 19 %.
Iteriert man weiter, so erreicht man mit einem Apparat vom Typ M 55-50 mit einem sekundärseitigen konstanten Bypass 2 für 53 % der Umlaufmenge (2b) bei 124°C die selbe thermische Leistung und Endtemperatur. Dieser Plattenwärmeübertrager hat ein Verhältnis der Wärmeäquivalente primär/sekundär von 0,69 und eine mittlere logarithmische Temperaturdifferenz von 13,1 Kelvin und stellt in diesem Fall – trotz der um 36 % höheren Anschaffungskosten – das Minimum der Jahres- bzw. Lebenszykluskosten dar (–60 %). Damit wird deutlich, dass die von einem Plattenwärmeübertrager verursachten Energiekosten die Investitionen bedeutend übersteigen können. So verbraucht die optimale Wärmeübertrager-Bypass-Kombination über eine Lebensdauer von 15 Jahren ca. 18,1 MWh weniger Elektroenergie (–90 %) für die Überwindung der Druckverluste, als ein gängiger Plattenwärmeübertrager. Proportional sinken auch die CO₂-Emissionen. Die Senkung des Energieverbrauches entspricht – unveränderliche Energiekosten zugrunde gelegt – etwa dem 8,1-fachen der erhöhten Investitionskosten. Gegenüber einem gleichwertigen Plattenwärmeübertrager ohne Bypass (L 55-50) spart der Bypass zusätzlich 30 % der Energiekosten (4-mal mehr, als ohne Bypass) und 23 % der Jahreskosten (61 % mehr als ohne Bypass).
Die Parameter der einzelnen Apparate sind in der nachfolgenden Tabelle 1 zusammengefasst:
2c zeigt das Temperaturdiagramm der iterativ untersuchten Plattenwärmeübertrager mit und ohne Bypass, 2d – den Kostenvergleich.
Da die sekundärseitige Durchsatzmenge in der Hausheizung über die gesamte Betriebszeit mehr oder weniger konstant bleibt, kann der Bypass 2 mit der selben hydraulischen Charakteristik unverändert beibehalten bleiben. Die alternative Anordnung des Bypasses 2 und/oder des Austrittsstutzens 6 an der Rückseite des Plattenwärmeübertragers 1 bewirkt – bei geringfügig höherem Druckverlust, dass bereits im Sammelkanal der Austrittskammer 4 eine gleichmäßige Vermischung von Bypass- und erwärmtem Teilstrom erfolgt.
Zusammenfassend eröffnet ein nach der vorliegenden Erfindung ausgeführter Wärmeübertrager mit permanentem oder regelbarem Bypass in vielen Fällen die Möglichkeit, den Wärmeübertrager zumindest um eine Nennweite bzw. Baugröße kleiner auszuführen oder seine Jahres- bzw. Lebenszykluskosten um ein Vielfaches zu senken, als wenn er im Auslegungsfall für den gesamten Wärmeträgerstrom ausgelegt würde. Besonders große Effekte sind möglich, wenn eine relativ hohe Temperaturdifferenz zwischen den Wärmeträgermedien besteht, zum Beispiel bei Heißwasser- oder Dampfbeheizung, oder wenn die Wärmeträgermedien besonders große Unterschiede in den Wärmeäquivalenten aufweisen. Eine erfindungsgemäße Kombination aus einem Doppelrohrsicherheitswärmeübertrager – als sicherster aber auch aufwendigster Konstruktion eines Gasvorwärmers – mit einem passenden Bypass lässt dann gravierende Einsparmöglichkeiten zu. Außerdem sind kleinere Wärmeübertrager besser regelbar, da sie ein kleineres Volumen und Gewicht und damit eine geringere Trägheit auf weisen. Aber auch preiswerte Plattenwärmeübertrager, die nur in bestimmten Baugrößen serienmäßig hergestellt werden und laufende Betriebskosten zur Überwindung der in ihnen auftretenden Druckverluste verursachen, lassen sich mit einem Bypass in ihren Jahres- bzw. Lebenszykluskosten weiter optimieren.
Es sei noch darauf hingewiesen, dass für eine bessere Vermischung der beiden Teilströme nach dem Wärmeübertrager, zur Verminderung der thermischen Spannungen zwischen Wärmeübertrager und Bypass, zur Vereinfachung der Konstruktion und insbesondere zur Verringerung der Kosten bei Investition und Betrieb ein eher permanenter Bypass auch in die Konstruktion des Wärmeübertragers einbezogen werden kann, zum Beispiel als eine aktive Isolierung, indem der kalte Bypassstrom ringförmig um den Mantel des Wärmeübertragers geführt wird, oder als Sonderkanal im Wärmeübertrager, zum Beispiel als künstlich erweiterter Ringspalt zwischen dem Rohrbündel und dem Mantel eines Rohrbündelwärmeübertragers, oder als zusätzlicher, breiterer und/oder weniger profilierter Strömungsspalt in einem Plattenwärmeübertrager, oder als grundsätzlich ungleich gestaltete Strömungskanäle für beide am Wärmeübergang beteiligten Medien, usw. In diesen Fällen ist gegebenenfalls der zusätzliche Wärmeübergang im Bypassstrom bei der Auslegung des Bypasses zu berücksichtigen, sofern nicht Maßnahmen zu dessen Unterbindung wie die Verwendung von Materialien niedriger Wärmeleitfähigkeit oder eine zusätzliche Wärmedämmung des/der Bypasskanäle ergriffen werden.
Um das Druckpotential des Bypassstromes zu nutzen, kann die Vereinigung der Teilströme aus Wärmeübertrager 1 und Bypass 2 in einem permanenten oder geregelten Ejektor umgesetzt werden.
Auch kann es unter Umständen erforderlich sein, die beiden Teilströme bei oder nach ihrer Vereinigung mit einem statischen Mischer homogener zu vermischen, um die negativen Folgen von Strähnenbildung in den nachfolgenden Kanälen auszuschließen.
Neben den Investitions- oder Lebenszykluskosten können mit einer erfindungsgemäßen Wärmeübertrager-Bypass-Kombination zum Beispiel auf Fahrzeugen auch deren Gewicht oder Abmessungen verringert werden.

1: Wärmeübertrager
2: Bypass
3: Zulauf des ersten Mediums (kalt)
4: Ablauf des ersten Mediums (warm)
5: Zulauf des zweiten Mediums (heiß)
6: Ablauf des zweiten Mediums (kalt)
7: Regelorgan (optional)
8: Absperrarmaturen (optional)

Claims

Wärmeübertrager (1) mit Bypass (2) für die Erwärmung oder Kühlung von Medienströmen mit den die Wärmeträgermedien zu- bzw. abführenden Anschlusskammern (3 bis 5) sowie optional auch mit einem Regelorgan (7) und Absperrarmaturen (8), dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (1) immer zumindest mit einem an sich bekannten internen oder externen Bypass (2) für einen ständigen Teilstrom des zu erwärmenden und/oder zu kühlenden Wärmeträgerstromes versehen ist.
Wärmeübertrager (1) mit Bypass (2) nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, dass die Aufteilung der Teilströme zwischen dem Wärmeübertrager (1) und dem Bypass (2) unter Anstrebung minimaler Investitionskosten des Wärmeübertragers (1) beziehungsweise der Anlage, in die er integriert ist, erfolgt.
Wärmeübertrager (1) mit Bypass (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteilung der Teilströme zwischen dem Wärmeübertrager (1) und dem Bypass (2) unter Anstrebung minimaler Lebenszykluskosten des Wärmeübertragers (1) beziehungsweise der Anlage, in die er integriert ist, erfolgt.
Wärmeübertrager (1) mit Bypass (2) nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, dass die Aufteilung der Teilströme zwischen dem Wärmeübertrager (1) und dem Bypass (2) unter Anstrebung minimaler Abmessungen erfolgt.
Wärmeübertrager (1) mit Bypass (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteilung der Teilströme zwischen dem Wärmeübertrager (1) und dem Bypass (2) unter Anstrebung eines minimalen Gewichts erfolgt.
Wärmeübertrager (1) mit Bypass (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Bypass (2) zum Wärmeübertrager (1) permanent und unveränderlich in seinen Parametern ausgelegt und seine hydraulische Charakteristik bei einer Veränderung des Durchsatzes, des Druckes und/oder anderer Parameter des zu erwärmenden und/oder zu kühlenden Wärmeträgerstromes ein etwa konstantes Verhältnis der Teilströme gewährleistet.
Wärmeübertrager (1) mit Bypass (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Bypass (2) zum Wärmeübertrager (1) permanent und unveränderlich in seinen Parametern ausgelegt und seine hydraulische Charakteristik bei einer Veränderung des Durchsatzes, des Druckes und/oder anderer Parameter des zu erwärmenden und/oder zu kühlenden Wärmeträgerstromes ein sich gezielt erhöhendes Verhältnis der Teilströme gewährleistet.
Wärmeübertrager (1) mit Bypass (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Bypass (2) zum Wärmeübertrager (1) permanent und unveränderlich in seinen Parametern ausgelegt und seine hydraulische Charakteristik bei einer Veränderung des Durchsatzes, des Druckes und/oder anderer Parameter des zu erwärmenden und/oder zu kühlenden Wärmeträgerstromes ein sich gezielt verringerndes Verhältnis der Teilströme gewährleistet.
Wärmeübertrager (1) mit Bypass (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Bypass (2) zum Wärmeübertrager (1) regel- und/oder absperrbar ausgelegt wird, so dass sich ein optimaler Teilstrom über den Bypass (2) automatisch oder per Hand einstellen lässt.
Wärmeübertrager (1) mit Bypass (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass (2) in die Konstruktion des Wärmeübertragers (1) einbezogen wird als eine aktive Isolierung, indem der kalte Bypassstrom ringförmig um den Mantel des Wärmeübertragers (1) geführt wird.
Wärmeübertrager (1) mit Bypass (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass (2) in die Konstruktion des Wärmeübertragers (1) einbezogen wird als Sonderkanal im Wärmeübertrager (1), zum Beispiel als künstlich erweiterter Ringspalt zwischen dem Rohrbündel und dem Mantel eines Rohrbündelwärmeübertragers.
Wärmeübertrager (1) mit Bypass (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass (2) in die Konstruktion des Wärmeübertragers (1) einbezogen wird als Sonderkanal im Wärmeübertrager (1), zum Beispiel als zusätzlicher, als breiterer und/oder als weniger profilierter Strömungsspalt in einem Plattenwärmeübertrager.
Wärmeübertrager (1) mit Bypass (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass (2) in die Konstruktion des Wärmeübertragers (1) einbezogen wird als grundsätzlich ungleich gestaltete Strömungskanäle für beide am Wärmeübergang beteiligten Medienströme.
Wärmeübertrager (1) mit Bypass (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass (2) aus Materialien niedriger Wärmeleitfähigkeit ausgeführt ist.
Wärmeübertrager (1) mit Bypass (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass (2) mit einer zusätzlichen Wärmedämmung versehen ist.
Wärmeübertrager (1) mit Bypass (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammenführung der Teilströme aus Wärmeübertrager (1) und Bypass (2) bereits in den Sammelkanälen der abführenden Anschlusskammern (4 und/oder 6) erfolgt.
Wärmeübertrager (1) mit Bypass (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vereinigung der Teilströme aus Wärmeübertrager (1) und Bypass (2) in einem ungeregelten oder geregelten Ejektor erfolgt.
Wärmeübertrager (1) mit Bypass (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Vereinigung der Teilströme aus Wärmeübertrager (1) und Bypass (2) ein statischer Mischer angeordnet ist.