DE102010050098A1 - Wärmetauscher mit hydrostatischem Strömungsventil - Google Patents

Abstract

Das Valvular conduit (VC) ist bekannt aus Teslas Gasturbinenpatent. Es ist ein Strömungsventil ohne bewegliche Teile. Das hier vorgestellte VC in der Anwendung als Wärmetauscher verwendet Totwasserzonen und Querschnittsänderungen dieser Zonen zum hydrostatischen Ausgleich der Druckunterschiede des durchströmenden Fluids in den verschiedenen Temperaturzonen.

Description

• Im Gegensatz zu Teslas VC ist die hier vorgestellte Ausführung symmetrisch aufgebaut. Der Widerstand in der Vorzugsrichtung ist dadurch sehr gering, während er in der Gegenrichtung sehr hoch ist. Dies wird erreicht durch die Anwendung des Kontinuitätsgesetzes in den sogenannten Totwasserzonen. Die Erhöhung des Querschnitts verlangsamt das Fluid und erhöht den Druck. Da dieser Druck in die umgekehrte Richtung, also die Vorzugsrichtung zeigt, wird ein Druck in diese Richtung erzeugt, der verhindert, dass das erwärmte Fluid in Richtung des kälteren Fluids zurückströmen kann. Dies erlaubt das kontinuierliche Anströmen einer Hydraulikturbine mit unter Druck stehendem Fluid in einem geschlossenen Kreislauf. In der Turbine wird das Fluid unter Abgabe mechanischer Arbeit (Antrieb eines Generators) wieder auf den Anfangszustand entspannt und dabei auf die Ausgangstemperatur abgekühlt. Als Fluid kann beispielsweise flüssiges Ammoniak dienen, welches von einem Anfangsdruck von 8,6 bar/20°C auf zwischen 55°C/23,1 bar und 95°C/56,6 bar erhitzt wird.
• Der Wärmetauscher ist in einem isolierten Behälter untergebracht, in dem der primäre Wärmeträger, beispielsweise Wasser aus einem Kühlkreislauf, zirkuliert. Vorteilhaft ist eine Gegenstromanordnung, in der der primäre Wärmeträger oben eingespeist und unten abgekühlt entnommen wird, während der Sekundärwärmeträger, z. B. Ammoniak, unten eingespeist und oben im heißen Zustand entnommen wird, um eine Hydraulikturbine anzutreiben. Der Wirkungsgrad dieses geschlossenen Kreislaufs hängt von folgenden Faktoren ab: Die Spaltverluste in der Turbine, der Strömungswiderstand des Wärmetauschers in Flussrichtung und ganz entscheidend vom Druckunterschied zwischen Eingang und Ausgang des Strömungsventils, da dies den nutzbaren Arbeitsdruck der Turbine ergibt.
• Bezugszeichenliste
• Zeichnung 1

1

Zulauf Wärmeträger 1 (Wasser)

2

Rücklauf Wärmeträger 1

3

Zulauf Wärmeträger 2 (Ammoniak) von Turbine

4

Strömungsventil

5

Rücklauf Wärmeträger 2 zur Turbine

6

Wärmetauscher

Zeichnung 2

Mögliche Anordnung der Kanäle im Wärmetauscher

Claims (6)

1. Wärmetauscher, bestehend aus einem äußeren Behälter für das wärmezuführende Fluid, in dem der eigentliche Wärmetauscher untergebracht ist. Dieser enthält zwischen den Ein- und Ausgangs-Anschlüssen mehrere parallel geschaltete Kanäle, welche mit in Reihe geschalteten hydrostatischen Strömungsventilen zur Erzeugung eines statischen Drucks in Fließrichtung versehen sind.
2. Symmetrische Umlenkung eines Teils des Fluids aus der Gegenrichtung in sogenannte Totwasserzonen.
3. Aufweitung des Austritts der Totwasserzonen zur Erhöhung des statischen Drucks, entsprechend dem Kontinuitätsgesetz.
4. Parallelschaltung vieler Strömungsventile zur Erhöhung der Wärmeübertragungsleistung und zur Verringerung des Durchlasswiderstands.
5. Stufenweise serielle Anordnung der Strömungsventile in den Kanälen im Wärmetauscher zum Ausgleich des Druckunterschieds durch die Temperaturerhöhung.
6. Betrieb der Wärmetauscher mit Ammoniak als wärmeaufnehmendes Fluid.

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