DE102014103099A1 - heat exchangers - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Wärmetauscher zum Übertragen von Wärmeenergie vorgestellt. Der Wärmetauscher umfasst eine Primärseite zum Übertragen von Wärmeenergie zwischen einem den Wärmetauscher durchströmenden Fluid und einer Oberfläche des Wärmetauschers, eine primärseitige Wärmeübertragungskammer mit einer Einlassöffnung, durch die das Fluid in die Wärmeübertragungskammer des Wärmetauschers einströmen kann sowie mit einer Auslassöffnung, durch die das Fluid die Wärmeübertragungskammer verlassen kann, primärseitige Wärmeübertragungsmittel, die den Wärmeübertrag zwischen dem Fluid und der Oberfläche des Wärmetauschers bewirken, wobei im Betrieb des Wärmetauschers primärseitig die Wärmeenergie zwischen dem Fluid und den Wärmeübertragungsmitteln austauschbar ist und wobei die Wärmeübertragungsmittel beweglich sind dergestalt, dass sie sich im Betrieb des Wärmetauschers in der Wärmeübertragungskammer bewegen und die Wärmeenergie in der Wärmeübertragungskammer mit dem Fluid austauschen.A heat exchanger for transferring heat energy is presented. The heat exchanger includes a primary side for transferring heat energy between a fluid passing through the heat exchanger and a surface of the heat exchanger, a primary side heat transfer chamber having an inlet opening through which the fluid can flow into the heat transfer chamber of the heat exchanger and an outlet port through which the fluid passes the heat transfer chamber can leave, primary side heat transfer means, which cause the heat transfer between the fluid and the surface of the heat exchanger, wherein in the operation of the heat exchanger primary side, the heat energy between the fluid and the heat transfer means is exchangeable and wherein the heat transfer means are movable such that they are in operation of the heat exchanger move in the heat transfer chamber and exchange the heat energy in the heat transfer chamber with the fluid.
Description
Gebiet der Erfindung Field of the invention
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher sowie ein Verfahren zum Entziehen bzw. Rückgewinnen von Wärme aus einem Fluid. The invention relates to a heat exchanger and to a method for removing or recovering heat from a fluid.
Hintergrund der Erfindung Background of the invention
Bei der Nutzung von Abwärme, wie sie beispielsweise in Abgasen enthalten ist, ist die Ausbeute an Wärmeenergie bislang nur gering. Typischerweise wird ein Wärmeübertrag der Abwärme von dem Fluid auf eine Metallfläche angestrebt, wofür Wärmetauscher eingesetzt werden. Hierbei strömt das Fluid entlang der Metallfläche und überträgt in der Grenzschicht geringe Teile der Wärmeenergie an die Metallfläche. Ein einfaches, bekanntes Beispiel hierfür sind Plattenwärmetauscher. When using waste heat, such as contained in exhaust gases, the yield of heat energy is so far only low. Typically, a heat transfer of the waste heat from the fluid is aimed at a metal surface, for which heat exchangers are used. In this case, the fluid flows along the metal surface and transfers small amounts of heat energy to the metal surface in the boundary layer. A simple, well-known example of this are plate heat exchangers.
Solchen Wärmetauschern ist nachteilig, dass eine große Metallfläche zur Verfügung gestellt werden muss, um eine nennenswerte Ausbeute an der Abwärme zu erreichen. Dies bedingt bei industriellen Anlagen Wärmetauscheranlagen in einer Größe von mehreren Kubikmetern, wodurch die Anlagen teuer und aufwändig zu warten sind. Such heat exchangers have the disadvantage that a large metal surface must be made available in order to achieve a significant yield of the waste heat. This requires in industrial plants heat exchanger systems in a size of several cubic meters, making the equipment expensive and expensive to maintain.
Zu einem hohen Maß entscheidet hierbei die Größe der Kontaktfläche des Wärmetauschers mit dem Fluid über die Ausbeute an Wärmemenge, die dem Fluid entzogen werden kann. Bislang wird daher versucht, durch eine Vergrößerung der metallischen Oberfläche den Wärmeübergang zu verbessern. Um die Ausbeute zu verbessern wurde beispielsweise erkannt, dass Rohrbündelwärmetauscher eine kompaktere Bauform erlauben, da sie eine größere Oberfläche zur Verfügung stellen, gleichzeitig dabei die Gesamtbaugröße verringern. Jedoch ist den Rohrbündelwärmetauschern nachteilig, dass diese hochgradig integriert aufgebaut sind und hohe Produktionskosten aufweisen. Obzwar sie kompakter aufgebaut sind als einfache Plattenwärmetauscher lösen allerdings auch Rohrbündelwärmetauscher nicht das Problem, dass für eine zufriedenstellende Wärmeausbeute große Metallflächen bereitzustellen sind, die industriell schon wegen der hohen Kosten und der großen Baugrößen nicht realisiert werden können. To a large extent decides the size of the contact surface of the heat exchanger with the fluid on the yield of heat that can be withdrawn from the fluid. So far, therefore, an attempt is made to improve the heat transfer by increasing the metallic surface. For example, to improve yield, tube bundle heat exchangers have been found to allow a more compact design as they provide a larger surface area while reducing overall size. However, the tube bundle heat exchangers are disadvantageous in that they are highly integrated and have high production costs. However, although they have a more compact design than simple plate heat exchangers, tube bundle heat exchangers do not solve the problem that large metal surfaces must be provided for a satisfactory heat yield, which can not be realized industrially because of the high costs and large sizes.
Ganz allgemein erreichen herkömmliche Wärmetauscher einen Wärmeübertrag von lediglich ungefähr 20 bis 50 Watt pro Quadratmeter und Kelvin [W/(m2K)]. Durch diesen geringen Wert wird typischerweise eine hohe Grädigkeit des Wärmetauschers, also die treibende Temperaturdifferenz, in Kauf genommen, woraus eine Einbuße an thermodynamischem Wirkungsgrad resultiert. Beispielsweise wird bei herkömmlichen Abgaswärmetauschern eine Grädigkeit von 50 bis 100 K in Kauf genommen. Generally, conventional heat exchangers achieve heat transfer of only about 20 to 50 watts per square meter and Kelvin [W / (m 2 K)]. By virtue of this low value, a high degree of volatility of the heat exchanger, ie the driving temperature difference, is typically accepted, resulting in a loss of thermodynamic efficiency. For example, in conventional exhaust gas heat exchangers, a weight of 50 to 100 K is accepted.
Beispielsweise bei Gegenstromwärmetauschern, bei welchen die Wärmeströme zwischen zwei Flüssigkeiten ausgetauscht werden ist zwar eine vergleichsweise gute Grädigkeit erreichbar, die in der Regel im Bereich von 3 bis 6 K eingestellt werden kann. Dies ist dagegen bei einem Wärmetauscher, der einen Wärmeübergang beispielsweise zwischen einem gasförmigen Fluid und einem Metall herstellen soll, nach derzeitigem Stand der Technik nicht realisierbar. For example, in countercurrent heat exchangers, in which the heat flows are exchanged between two liquids is indeed a comparatively good Grain achievable, which can be set in the rule in the range of 3 to 6 K. On the other hand, in the case of a heat exchanger which is intended to produce a heat transfer, for example, between a gaseous fluid and a metal, this is not feasible according to the current state of the art.
Ein weiteres Problem bei herkömmlichen Wärmetauscheranlagen besteht darin, dass die Anlagen in regelmäßigen Abständen gewartet, also insbesondere gereinigt, und in der Regel von einer Prüfinstitution geprüft werden müssen. Je größer und/oder "integrierter" die Wärmetauscheranlage dabei aufgebaut ist, desto höher fallen die entsprechenden laufenden Kosten dabei aus, so dass sich große Wärmetauscheranlagen ggf. innerhalb ihrer Lebensdauer gar nicht mehr amortisieren können. Another problem with conventional heat exchanger systems is that the systems must be maintained at regular intervals, so in particular cleaned, and usually must be checked by a testing institution. The larger and / or "integrated" the heat exchanger system is constructed, the higher the corresponding running costs fall out, so that large heat exchanger systems can possibly no longer pay for themselves within their service life.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung General description of the invention
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmetauscher bereit zu stellen, welcher besonders kompakt aufgebaut ist. It is therefore an object of the present invention to provide a heat exchanger which is particularly compact.
Zugleich ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem Wärmetauscher die Ausbeute an zu übertragender Wärmeenergie zu erhöhen. At the same time, it is an object of the present invention to increase the yield of thermal energy to be transferred in a heat exchanger.
Weitere Aufgaben ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bzw. den besonderen Vorteilen, die mit bestimmten Ausführungsformen erzielt werden. Other objects will become apparent from the following description and the specific advantages achieved with certain embodiments.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. The object is solved by the subject matter of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, über ein disperses Transportmedium den Wärmeübergang von einem Fluid auf eine Oberfläche des Wärmetauschers zu realisieren oder zumindest deutlich zu verbessern. Bevorzugt richtet sich die Idee dabei darauf, Abgaswärme z.B. aus Blockheizkraftwerken oder anderen Energie erzeugenden Anlagen auf ein Sekundärfluid, welches vom Abgas über eine feste Wandung getrennt ist, zu übertragen. Das Sekundärfluid wiederum soll hierbei die zuvor im Abgas bzw. im Fluid enthaltene Wärmeenergie abtransportieren. Die zugeführte Wärmeenergie kann auch zum Phasenwechsel des Sekundärfluids führen, z.B. zur Verdampfung oder Kondensation. The invention is based on the idea to realize or at least significantly improve the heat transfer from a fluid to a surface of the heat exchanger via a disperse transport medium. Preferably, the idea is directed to exhaust heat, e.g. from cogeneration plants or other energy-generating plants to a secondary fluid, which is separated from the exhaust gas via a solid wall to transfer. In turn, the secondary fluid is intended to carry off the heat energy previously contained in the exhaust gas or in the fluid. The supplied heat energy can also lead to the phase change of the secondary fluid, e.g. for evaporation or condensation.
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher zum Übertragen von Wärmeenergie, umfasst daher eine Primärseite zum Übertragen von Wärmeenergie zwischen einem den Wärmetauscher durchströmenden Fluid und einer Oberfläche des Wärmetauschers, eine primärseitige Wärmeübertragungskammer mit einer Einlassöffnung, durch die das Fluid in die Wärmeübertragungskammer des Wärmetauschers einströmen kann sowie mit einer Auslassöffnung, durch die das Fluid die Wärmeübertragungskammer verlassen kann. Ferner umfasst der erfindungsgemäße Wärmetauscher primärseitige Wärmeübertragungsmittel, die den Wärmeübertrag zwischen dem Fluid und der Oberfläche des Wärmetauschers bewirken. Im Betrieb des Wärmetauschers ist die Wärmeenergie zwischen dem Fluid und den Wärmeübertragungsmitteln austauschbar und die Wärmeübertragungsmittel sind beweglich dergestalt, dass sie sich im Betrieb des Wärmetauschers in der Wärmeübertragungskammer bewegen und die Wärmeenergie in der Übertragungskammer mit dem Fluid austauschen. The heat exchanger according to the invention for transferring heat energy, therefore, comprises a primary side for transferring heat energy between a fluid flowing through the heat exchanger and a surface of the heat exchanger, a primary side heat transfer chamber having an inlet opening through which the fluid can flow into the heat transfer chamber of the heat exchanger and with an outlet opening through which the fluid can leave the heat transfer chamber. Furthermore, the heat exchanger according to the invention comprises primary-side heat transfer means, which cause the heat transfer between the fluid and the surface of the heat exchanger. In operation of the heat exchanger, the heat energy is exchangeable between the fluid and the heat transfer means, and the heat transfer means are movable to move in the heat transfer chamber during operation of the heat exchanger and exchange the heat energy in the transfer chamber with the fluid.
In der Wärmeübertragungskammer kann Wärmeenergie zwischen dem Fluid und den Wärmeübertragungsmitteln ausgetauscht werden, wenn sowohl das Fluid als auch die beweglichen Wärmeübertragungsmittel in der Wärmeübertragungskammer sind und die Wärmeübertragungsmittel von dem Fluid umströmt werden. Bei dem Fluid handelt es sich bevorzugt um ein gasförmiges Fluid. In the heat transfer chamber, heat energy can be exchanged between the fluid and the heat transfer means when both the fluid and the movable heat transfer means are in the heat transfer chamber and the fluid is flowed around the heat transfer means. The fluid is preferably a gaseous fluid.
Die Wärmeübertragungsmittel sind dabei in der Wärmeübertragungskammer beweglich ausgeführt. The heat transfer means are designed to be movable in the heat transfer chamber.
Mit anderen Worten wird in der Übertragungskammer Wärmeenergie von den beweglichen Wärmeübertragungsmitteln aus dem Fluid aufgenommen, falls die beweglichen Wärmeübertragungsmittel kälter als das Fluid sind und/oder es wird Wärmeenergie von den beweglichen Wärmeübertragungsmitteln an das Fluid abgegeben, falls die beweglichen Wärmeübertragungsmittel wärmer als das Fluid sind. In other words, in the transfer chamber, heat energy is taken up from the fluid by the movable heat transfer means if the movable heat transfer means is colder than the fluid and / or heat energy is released from the movable heat transfer means to the fluid if the movable heat transfer means is warmer than the fluid ,
Die beweglichen Wärmeübertragungsmittel umfassen insbesondere ein disperses Wärmetransportmedium zum Übertragen von Wärme zwischen dem Fluid und den Wärmeübertragungsmitteln sowie zum Übertragen von Wärmeenergie zwischen den beweglichen Wärmeübertragungsmitteln und der Oberfläche des Wärmetauschers. Mit anderen Worten findet insbesondere eine Weitergabe der Wärmeenergie zwischen dem Fluid und der Oberfläche des Wärmetauschers statt, wobei die beweglichen Wärmeübertragungsmittel die Stufe eines „Vermittlers“ oder „Übertragers“ der Wärmeenergie einnehmen. In particular, the movable heat transfer means comprise a particulate heat transfer medium for transferring heat between the fluid and the heat transfer means and for transferring heat energy between the movable heat transfer means and the surface of the heat exchanger. In other words, in particular, there is a transfer of the heat energy between the fluid and the surface of the heat exchanger, wherein the movable heat transfer means occupy the stage of a "mediator" or "Übertragers" of the heat energy.
Beispielsweise umfasst das disperse Wärmetransportmedium partikuläre Feststoffe, insbesondere Stahlkugeln, Stahlwalzen, Hohlkugeln, Sandkörner oder ein anderes Granulat oder Schüttgut. Je nach Ausführungsform kann dabei die Größe des Feststoffes bzw. die Partikelgröße eingestellt werden. For example, the disperse heat transport medium comprises particulate solids, in particular steel balls, steel rollers, hollow spheres, grains of sand or other granules or bulk material. Depending on the embodiment, the size of the solid or the particle size can be adjusted.
Um das zugrundeliegende Prinzip noch einmal mit anderen Worten zu beschreiben: der primärseitige Austausch der Wärmeenergie zwischen Fluid und Oberfläche des Wärmetauschers wird mittels der beweglichen Wärmeübertragungsmittel durchgeführt, die als "Vermittler" oder "Übertrager" der Wärmeenergie eingesetzt werden. Die beweglichen Wärmeübertragungsmittel, beispielsweise in Form von Stahlkugeln, bewegen sich im Betrieb des Wärmetauschers durch die Übertragungskammer des Wärmetauschers und werden von dem Fluid umströmt, so dass ein Wärmeaustausch zwischen dem Fluid und den beweglichen Wärmeübertragungsmitteln stattfindet. Ist das Fluid beispielsweise heißer als die beweglichen Wärmeübertragungsmittel, so wird Wärmeenergie an diese abgegeben, die beweglichen Wärmeübertragungsmittel heizen sich auf, das Fluid kühlt sich ab (oder umgekehrt). To describe the underlying principle again in other words: the primary-side exchange of heat energy between the fluid and the surface of the heat exchanger is carried out by means of the mobile heat transfer means, which are used as a "mediator" or "transformer" of the heat energy. The movable heat transfer means, for example in the form of steel balls, move in the operation of the heat exchanger through the transfer chamber of the heat exchanger and are flowed around by the fluid, so that a heat exchange between the fluid and the movable heat transfer means takes place. For example, if the fluid is hotter than the mobile heat transfer means, heat energy is released therefrom, the mobile heat transfer means heat up, and the fluid cools (or vice versa).
Die beweglichen Wärmeübertragungsmittel übertragen nachfolgend die in ihnen gespeicherte Wärmeenergie auf eine Feststoffoberfläche, also auf die Oberfläche des Wärmetauschers, oder nehmen von dieser Wärmeenergie auf, um diese an das Fluid abzugeben. The movable heat transfer means subsequently transfer the heat energy stored in them to a solid surface, that is to the surface of the heat exchanger, or absorb from this heat energy to deliver it to the fluid.
Die Übertragung der Wärmeenergie an die Oberfläche des Wärmetauschers kann örtlich getrennt erfolgen, wenn dies für die Auslegung der Apparatur günstig erscheint. So können die in der Wärmeübertragungskammer aufgeheizten Wärmeübertragungsmittel entweder im unteren Teil der Kammer in einen Rohr- oder anderen Behälterabschnitt hineinfallen, in dem die z.B. als Platten ausgeführten Wärmetauscher sich befinden. Die Wärmeübertragungsmittel können dann über diese Platten rollen oder auch rutschen. Dabei können sich günstigerweise die Partikel aufstauen und damit eine längere Verweilzeit an der Plattenoberfläche haben. The transfer of heat energy to the surface of the heat exchanger can be carried out locally separated, if this appears favorable for the design of the apparatus. Thus, the heat transfer means heated in the heat transfer chamber can either fall into the lower part of the chamber into a tube or other container section in which the heat exchangers, eg designed as plates, are located. The heat transfer means can then roll over these plates or slip. Conveniently, the particles may accumulate and thus have a longer residence time on the plate surface.
Die bevorzugte Bauform ergibt sich u.a. auch über die mechanischen Eigenschaften der Wärmeübertragungsmittel wie Rollwiderstand oder Neigung zum Stehenbleiben. The preferred design is u.a. also on the mechanical properties of the heat transfer medium such as rolling resistance or tendency to stall.
Die Wärmeübertragungskammer selbst kann zum Zwecke der Reduzierung des Druckverlustes durch das durchströmende Fluid in seinem Querschnitt verändert – bevorzugt erweitert – sein. Auch die Form kann zur günstigen Verwendung von Bauelementen verändert sein. Als Ausführungsform sei eine rechteckige Bauweise genannt. The heat transfer chamber itself can for the purpose of reducing the pressure loss by the fluid flowing through in its cross section changed - preferably extended - be. The shape can also be changed for the favorable use of components. As an embodiment, a rectangular construction is called.
Überraschenderweise konnte hierbei bei Versuchen im Rahmen der Erfindung festgestellt werden, dass der Wärmeübergang zwischen Fluid und der Oberfläche hierbei 500 Watt pro Quadratmeter und Kelvin [W/(m2K)] und sogar noch höhere Werte erreichen kann. Dies entspricht also ungefähr dem 10- bis 30-fachen herkömmlicher Wärmetauscher. Surprisingly, it could be found in experiments within the scope of the invention that the heat transfer between the fluid and the surface here can reach 500 watts per square meter and Kelvin [W / (m 2 K)] and even higher values. This corresponds to about 10 to 30 times the conventional heat exchanger.
Ein einfaches Rechenbeispiel verdeutlicht diese Zusammenhänge: Um 700 kW Abwärme aus einem Blockheizkraftwerk (BHKW) zu nutzen ist mit konventionellem Wärmetauschern eine Übertragungsfläche von etwa 100 m2 bei einer angenommenen Grädigkeit von 280 K notwendig, was zu einer Baugröße von mehreren Kubikmetern führt. Allein für den Bau eines solchen Wärmetauschers sind hohe Bau- und Investitionskosten sowie ein hoher Materialaufwand von Nöten. A simple calculation example illustrates these relationships: In order to use 700 kW of waste heat from a cogeneration plant with conventional heat exchangers, a transmission area of about 100 m 2 with an assumed weight of 280 K is necessary, which leads to a size of several cubic meters. Alone for the construction of such a heat exchanger high construction and investment costs and a high cost of materials are needed.
Mit einem Wärmeübergangskoeffizienten im Bereich von 500 W/(m2K) lässt sich, bei gleicher angenommener Grädigkeit und derselben Abwärmenutzung von 700 kW, die benötigte Oberfläche des Wärmetauschers um den genannten Faktor 10 bis 30 reduzieren, womit eine Baugröße mit 5 m2 Übertragungsfläche zu erreichen ist. Überdies kann aber auch die Grädigkeit verringert werden, wodurch der thermodynamische Wirkungsgrad des Gesamtprozesses erhöht werden kann. With a heat transfer coefficient in the range of 500 W / (m 2 K), the required surface area of the heat exchanger can be reduced by the mentioned factor of 10 to 30, assuming the same assumption and heat recovery of 700 kW, which means a size with 5 m 2 transmission surface can be reached. In addition, however, the graveness can be reduced, whereby the thermodynamic efficiency of the overall process can be increased.
Bevorzugt ist bei dem Wärmetauscher die Primärseite zum Einbringen der Wärmeenergie in den Wärmetauscher vorgesehen. Eine von der Primärseite getrennte Sekundärseite ist bevorzugt zum Abführen der Wärmenergie aus dem Wärmetauscher vorgesehen. Mit anderen Worten ist bevorzugt auf der Primärseite die Wärmeenergie in den Wärmetauscher mittels des Fluids einbringbar, auf der Sekundärseite ist die Wärmeenergie aus dem Wärmetauscher mittels des Sekundärfluids abführbar. The primary side for introducing the heat energy into the heat exchanger is preferably provided in the heat exchanger. A separate from the primary side secondary side is preferably provided for dissipating the heat energy from the heat exchanger. In other words, it is preferable on the primary side, the heat energy in the heat exchanger by means of the fluid can be introduced, on the secondary side, the heat energy from the heat exchanger by means of the secondary fluid can be discharged.
Der Wärmetauscher umfasst bevorzugt ein von dem Fluid getrenntes Sekundärfluid. Das Sekundärfluid kann durch eine undurchlässige Wand, beispielsweise eine Metallwand, besonders bevorzugt durch die Oberfläche des Wärmetauschers, von dem Fluid bzw. der Primärseite getrennt sein. The heat exchanger preferably comprises a secondary fluid separated from the fluid. The secondary fluid can be separated from the fluid or the primary side by an impermeable wall, for example a metal wall, particularly preferably by the surface of the heat exchanger.
In dem Falle, dass das Sekundärfluid durch die Oberfläche des Wärmetauschers von dem Fluid getrennt ist, kann der Wärmetauscher derart hergerichtet sein, dass das Sekundärfluid im Betrieb des Wärmetauschers entlang der Oberfläche des Wärmetauschers strömt, so dass die Wärmeenergie zwischen der Oberfläche des Wärmetauschers und dem Sekundärfluid direkt austauschbar ist. In the event that the secondary fluid is separated from the fluid by the surface of the heat exchanger, the heat exchanger may be configured so that the secondary fluid flows along the surface of the heat exchanger during operation of the heat exchanger, so that the heat energy between the surface of the heat exchanger and the Secondary fluid is directly interchangeable.
Die Wärmeübertragungskammer kann derart aufgebaut sein, dass die beweglichen Wärmeübertragungsmittel durch die Wärmeübertragungskammer bewegbar, insbesondere rollbar, sind. Mit anderen Worten können die Wärmeübertragungsmittel durch die Wärmeübertragungskammer rollen. Dies ist insbesondere antreibbar durch die Schwerkraft. The heat transfer chamber may be constructed such that the movable heat transfer means are movable, in particular rollable, through the heat transfer chamber. In other words, the heat transfer means can roll through the heat transfer chamber. This is particularly drivable by gravity.
Die Wärmeübertragungskammer ist bevorzugt so gestaltet, dass die beweglichen Übertragungsmittel bei der Bewegung durch die Wärmeübertragungskammer von dem Fluid umströmbar sind, so dass diese mit einem Großteil ihrer Oberfläche mit dem Fluid die Wärmeenergie austauschen. The heat transfer chamber is preferably designed such that the fluid can flow around the movable transfer means during the movement through the heat transfer chamber, so that they exchange the heat energy with the fluid with a large part of their surface area.
Die Wärmeübertragungskammer kann Verzögerungsstrecken aufweisen dergestalt, dass die beweglichen Wärmeübertragungsmittel entlang der Verzögerungsstrecken beweglich sind. Mit anderen Worten rollen die Wärmeübertragungsmittel insbesondere der Schwerkraft folgend entlang der Verzögerungsstrecken. Die beweglichen Wärmeübertragungsmittel können dann von dem Fluid eine größere Zeitspanne umströmbar sein, wodurch der Wärmeenergieaustausch der Wärmeübertragungsmittel mit dem Fluid intensiviert wird. The heat transfer chamber may have delay lines such that the movable heat transfer means are movable along the delay lines. In other words, the heat transfer means, in particular following gravity, roll along the delay lines. The movable heat transfer means may then be bypassed by the fluid for a greater period of time, whereby the heat energy exchange of the heat transfer medium is intensified with the fluid.
Die Verzögerungsstrecken lassen sich in einem einfachen Beispiel wie eine Kugelbahn für Kinder beschreiben, wobei die Kugeln Teile der Strecke rollen, teilweise kurze Strecken auch fallen, um dann wieder auf der nächsten schiefen Ebene oder Bahn zu rollen. Bezüglich Form, Neigung und/oder Länge können die Verzögerungsstrecken gerade so ausgeprägt sein, dass die beweglichen Wärmeübertragungsmittel einen intensivierten Wärmeaustausch mit dem Fluid durchführen. Beispielsweise kann die Neigung einer Verzögerungsstrecke, also deren Gefälle für die Wärmeübertragungsmittel, so gewählt sein, dass die Wärmeübertragungsmittel mit langsamer Geschwindigkeit auf der Verzögerungsstrecke entlang rollen, andererseits aber die Wärmeübertragungsmittel nicht auf der Verzögerungsstrecke stocken bzw. stehen bleiben. The delay lines can be described in a simple example as a ball track for children, the balls roll parts of the route, some short distances also fall, and then roll again on the next inclined plane or train. With regard to shape, inclination and / or length, the delay lines may be just so pronounced that the movable heat transfer means perform an intensified heat exchange with the fluid. For example, the inclination of a deceleration path, that is to say its gradient for the heat transfer means, can be selected such that the heat transfer means roll along the deceleration path at a slow speed, but the heat transfer means do not stagnate or remain stationary on the deceleration path.
Die Bewegung der beweglichen Wärmeübertragungsmittel kann aber auch im freien Fall, jedoch günstigerweise durch eine Anreihung von den Fall bremsenden Sieben erfolgen. In diesem Fall ist es bevorzugt, die Wärmeabfuhr getrennt zu gestalten. The movement of the movable heat transfer means can also be done in free fall, but conveniently by a series of braking the case sieves. In this case, it is preferable to make the heat dissipation separate.
Die beweglichen Wärmeübertragungsmittel umfassen bevorzugt ein disperses Wärmetransportmedium zur Weitergabe der Wärmeenergie zwischen dem Fluid und der Oberfläche des Wärmetauschers. Das disperse Wärmetransportmedium umfasst wiederum bevorzugt partikuläre Feststoffe, insbesondere Stahlkugeln, Stahlwalzen, Hohlkugeln, Sandkörner oder anderes Granulat. Bevorzugt handelt es sich bei den partikulären Feststoffen allgemein um ein Schüttgut, so dass es in die Wärmeübertragungskammer einfüllbar ist. The movable heat transfer means preferably comprise a particulate heat transfer medium for transferring the heat energy between the fluid and the surface of the heat exchanger. The disperse heat transport medium again preferably comprises particulate solids, in particular steel balls, steel rollers, hollow spheres, grains of sand or other granules. The particulate solids are generally a bulk material, so that it can be introduced into the heat transfer chamber.
Die Wärmeübertragungskammer weist bevorzugt einen Übertragungsmitteleingang auf, durch die die beweglichen Wärmeübertragungsmittel in die Wärmeübertragungskammer des Wärmetauschers einführbar, insbesondere einfüllbar, sind. Durch den Übertragungsmitteleingang können also Wärmeübertragungsmittel beispielsweise nachgefüllt oder erneuert werden. Es ist aber vermittels des Übertragungsmitteleingangs auch möglich, ein Wärmeübertragungsmittelkreislaufsystem zu realisieren, bei welchem die Wärmeübertragungsmittel die Wärmeübertragungskammer kontinuerlich durchlaufen, also der Wärmeübertragungskammer durch den Übertragungsmitteleingang hinzugefügt werden, dort den Wärmeaustausch durchführen und aus der Wärmeübertragungskammer austreten, um dann beispielsweise wieder neu eingesetzt zu werden. The heat transfer chamber preferably has a transmission means input, through which the movable heat transfer means in the heat transfer chamber of the heat exchanger insertable, in particular fillable, are. By means of the transmission medium input, therefore, heat transfer means can be refilled or renewed, for example. However, it is also possible by means of the transmission input means to realize a heat transfer medium circulation system in which the heat transfer medium through the heat transfer chamber continuously, so are added to the heat transfer chamber through the transfer agent input, perform the heat exchange there and exit from the heat transfer chamber, then to be used again, for example ,
Die Wärmeübertragungskammer kann ferner einen Übertragungsmittelausgang aufweist, durch die die beweglichen Wärmeübertragungsmittel die Wärmeübertragungskammer verlassen können. The heat transfer chamber may further include a transfer means output through which the movable heat transfer means may exit the heat transfer chamber.
An den Übertragungsmittelausgang kann ein Wärmeübertragungsmittelaufzug angeschlossen sein, der dazu hergerichtet ist, die Wärmeübertragungsmittel automatisch von dem Übertragungsmittelausgang zu dem Übertragungsmitteleingang zu befördern. Dies ist besonders dann bevorzugt und sinnvoll, wenn sich die Wärmeübertragungsmittel der Schwerkraft folgend durch die Wärmeübertragungskammer bewegen und am unteren Ende der Wärmeübertragungskammer über keine potentielle Energiereserve mehr verfügen. Der Wärmeübertragungsmittelaufzug liefert diese potentielle Energiereserve, indem er die Wärmeübertragungsmittel zu einer höheren Position an der Wärmeübertragungskammer anhebt, so dass dort die Wärmeübertragungsmittel wieder in die Wärmeübertragungskammer gefüllt werden können und erneut den Wärmeübertragungsmittelkreislauf durchlaufen können. A heat transfer fluid lift adapted to automatically convey the heat transfer means from the transfer means output to the transfer agent input may be connected to the transfer means output. This is particularly preferred and useful if the heat transfer means move by gravity through the heat transfer chamber and have no potential energy reserve at the lower end of the heat transfer chamber. The heat transfer fluid elevator provides this potential energy reserve by raising the heat transfer means to a higher position on the heat transfer chamber so that the heat transfer means can be re-filled into the heat transfer chamber and re-run through the heat transfer medium circuit.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Oberfläche des Wärmetauschers entfernt von der Wärmeübertragungskammer angeordnet, so dass die beweglichen Wärmeübertragungsmittel die Wärmeenergie aus der Wärmeübertragungskammer heraus zu der Oberfläche oder von der Oberfläche in die Wärmeübertragungskammer hinein transportieren. In one embodiment of the invention, the surface of the heat exchanger is disposed away from the heat transfer chamber so that the movable heat transfer means transports the heat energy out of the heat transfer chamber to the surface or from the surface into the heat transfer chamber.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Oberfläche des Wärmetauschers Teil der Wärmeübertragungskammer und derart angeordnet, dass die beweglichen Wärmeübertragungsmittel sich auf der Oberfläche bewegen und durch Kontaktflächenwärmeübergang den Wärmeübertrag mit der Oberfläche bewirken. Mit anderen Worten bewegen sich in dieser Ausführungsform die Wärmeübertragungsmittel auf der Oberfläche, werden von dem Fluid umströmt und vermitteln den Wärmeaustausch zwischen Fluid und Oberfläche. In a further embodiment, the surface of the heat exchanger is part of the heat transfer chamber and arranged such that the movable heat transfer means move on the surface and cause the heat transfer with the surface by contact surface heat transfer. In other words, in this embodiment, the heat transfer means move on the surface, are flowed around by the fluid and mediate the heat exchange between the fluid and the surface.
Erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zum Austauschen von Wärmeenergie in einer Wärmeübertragungskammer eines Wärmetauschers vorgestellt. Zunächst werden hierbei bewegliche Wärmeübertragungsmittel in der Wärmeübertragungskammer bereitgestellt. Beispielsweise können diese durch den Wärmeübertragungsmittelaufzug gefördert und von oben durch den Übertragungsmitteleingang in die Wärmeübertragungskammer eingeführt werden. Ein Fluid wird in die Wärmeübertragungskammer eingeströmt, wobei das Fluid die beweglichen Wärmeübertragungsmittel in der Wärmeübertragungskammer umströmt. Wärmeenergie wird zwischen dem Fluid und den beweglichen Wärmeübertragungsmitteln übertragen, während die beweglichen Wärmeübertragungsmittel von dem Fluid umströmt werden. Schließlich folgt das Ausströmenlassen des Fluids aus der Wärmeübertragungskammer, so dass neues, „unverbrauchtes“ Fluid in die Wärmeübertragungskammer einströmen kann. Die Wärmeenergie wird anschließend zwischen den beweglichen Wärmeübertragungsmitteln und einer Oberfläche des Wärmetauschers übertragen. According to the invention, a method for exchanging heat energy in a heat transfer chamber of a heat exchanger is also presented. First, movable heat transfer means are provided in the heat transfer chamber. For example, these may be conveyed through the heat transfer medium elevator and introduced from above through the transfer agent input into the heat transfer chamber. A fluid is flowed into the heat transfer chamber, the Fluid flows around the movable heat transfer medium in the heat transfer chamber. Heat energy is transferred between the fluid and the movable heat transfer means while the fluid flows around the movable heat transfer means. Finally, the outflow of fluid from the heat transfer chamber follows, so that new, "unconsumed" fluid can flow into the heat transfer chamber. The heat energy is then transferred between the movable heat transfer means and a surface of the heat exchanger.
Ferner kann ein Sekundärfluid außerhalb der Wärmeübertragungskammer an der Oberfläche des Wärmetauschers bereitgestellt werden. Beispielsweise ist das Fluid auf der Primärseite des Wärmetauschers, das Sekundärfluid auf der Sekundärseite des Wärmetauschers. Die Wärmeenergie kann dann zwischen der Oberfläche des Wärmetauschers und dem Sekundärfluid übertragen werden, so dass diese mit dem Sekundärfluid den Wärmetauscher verlassen kann. Further, a secondary fluid may be provided outside the heat transfer chamber at the surface of the heat exchanger. For example, the fluid on the primary side of the heat exchanger, the secondary fluid on the secondary side of the heat exchanger. The heat energy can then be transferred between the surface of the heat exchanger and the secondary fluid so that it can leave the heat exchanger with the secondary fluid.
Darüber hinaus können die beweglichen Wärmeübertragungsmittel aus der Wärmeübertragungskammer ausgelassen werden und zu der Oberfläche des Wärmetauschers zum Übertragen der Wärmeenergie zwischen den beweglichen Wärmeübertragungsmitteln und der Oberfläche des Wärmetauschers transportiert werden. Anschließend können die beweglichen Wärmeübertragungsmittel zu der Wärmeübertragungskammer rücktransportiert werden und in die Wärmeübertragungskammer eingelassen werden. In addition, the movable heat transfer means may be discharged from the heat transfer chamber and transported to the surface of the heat exchanger for transferring the heat energy between the movable heat transfer means and the surface of the heat exchanger. Subsequently, the movable heat transfer means can be transported back to the heat transfer chamber and let into the heat transfer chamber.
Ein Abgaswärmetauscher zum Entziehen von Wärmeenergie aus einem den Wärmetauscher durchströmenden Abgas wird ebenfalls vorgestellt. Er umfasst eine Wärmeübertragungskammer mit einer Einlassöffnung, durch die das Abgas in die Wärmeübertragungskammer des Wärmetauschers einströmen kann, mit einer Auslassöffnung, durch die das Abgas die Wärmeübertragungskammer verlassen kann sowie mit einer Oberfläche des Wärmetauschers. Bewegliche Wärmeübertragungsmittel, die dem Abgas Wärmeenergie entziehen können, indem die beweglichen Wärmeübertragungsmittel in der Wärmeübertragungskammer von dem Abgas umströmt werden, sind ebenfalls umfasst. An exhaust gas heat exchanger for extracting heat energy from an exhaust gas flowing through the heat exchanger is also presented. It comprises a heat transfer chamber with an inlet opening through which the exhaust gas can flow into the heat transfer chamber of the heat exchanger, with an outlet opening through which the exhaust gas can leave the heat transfer chamber and with a surface of the heat exchanger. Movable heat transfer means, which can extract heat energy from the exhaust gas by flowing around the movable heat transfer means in the heat transfer chamber, are also included.
Die Wärmeübertragungskammer weist hierbei Verzögerungsstrecken auf, wobei die beweglichen Wärmeübertragungsmittel entlang der Verzögerungsstrecken beweglich sind, also insbesondere an den Verzögerungsstrecken herunterrollen. Die beweglichen Wärmeübertragungsmittel werden dabei im Betrieb des Abgaswärmetauschers von dem Abgas umströmt und bewegen sich im Betrieb des Abgaswärmetauschers mit Kontakt zu der Oberfläche des Wärmetauschers, wodurch die Wärmeenergie an die Oberfläche durch Kontaktflächenwärmeübergang übertragen wird. The heat transfer chamber in this case has delay lines, wherein the movable heat transfer means along the delay lines are movable, so roll down in particular at the delay lines. In the operation of the exhaust gas heat exchanger, the movable heat transfer medium is flowed around by the exhaust gas and move during operation of the exhaust gas heat exchanger with contact to the surface of the heat exchanger, whereby the heat energy is transferred to the surface by contact surface heat transfer.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert, wobei gleiche und ähnliche Elemente teilweise mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können. In the following the invention will be explained in more detail by means of embodiments and with reference to the figures, wherein the same and similar elements are partially provided with the same reference numerals and the features of the various embodiments can be combined.
Kurzbeschreibung der Figuren Brief description of the figures
Es zeigen: Show it:
Detaillierte Beschreibung der Erfindung Detailed description of the invention
Mit
In der Ausführungsform der
Die Oberfläche
Die Vorgänge im Wärmetauscher
Im Betrieb des Wärmetauschers
Die Wärmeübertragungsmittel
Die Auslassöffnung
Die Wärmeübertragungsmittel
Um die Verweilzeit der Wärmeübertragungsmittel
Auch wenn sich die Wärmeübertragungsmittel
Die Wärmeübertragungsmittel
Im unteren Bereich der in
Fluide
Die Erfindung vermag auch dieses Problem zu lösen, da die Wärmeübertragungsmittel
In der gezeigten Ausführungsform der
Die Form der Wärmeübertragungsmittel
Im Betrieb des in
Die Wärmeenergie wird von den Wärmeübertragungsmitteln durch Kontaktflächenwärmeübertrag an die Oberflächen
An einer Verengungsstelle
Wärmeübertragungsmittel
In einer besonderen Ausführungsform können die Wärmeübertragungsmittel
Dies lässt sich gut auch mit der in
Schließlich werden die Wärmeübertragungsmittel über einen Wärmeübertragungsmittelaufzug
Die Hubarbeit, die beispielsweise für den Wärmeübertragungsmittelaufzug
Die Übertragung der Wärmeenergie an die Oberfläche des Wärmetauschers muss nicht instantan sein, sondern kann örtlich getrennt erfolgen, wenn dies für die Auslegung der Apparatur günstig erscheint. So können – wie in
Die bevorzugte Bauform ergibt sich u.a. auch über die mechanischen Eigenschaften der Partikel
Die Kugeln
Eine beispielhafte Dimensionierung der Berechnung der Wärmeübertragungsoberflächen und der einzelnen Einbaukomponenten für den angestrebten Wärmeübergangskoeffizienten von 500 W/(m2K) soll anhand der folgenden Zahlen beschrieben werden. Ein herkömmlicher Wärmeübergangswert liegt bei 25 W/(m2K) und soll auf 500 W/(m2K) verbessert werden, das entspricht einem Faktor 20. An exemplary dimensioning of the calculation of the heat transfer surfaces and the individual installation components for the desired heat transfer coefficient of 500 W / (m 2 K) will be described with reference to the following figures. A conventional heat transfer value is 25 W / (m 2 K) and is to be improved to 500 W / (m 2 K), which corresponds to a factor of 20.
Die bisherige wirksame Übertragungsfläche
Zusammenfassend wird eine Erfindung vorgestellt, welche die Ausbeute an Wärmeenergie aus einem Fluid
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft zu verstehen sind, und die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist, sondern in vielfältiger Weise variiert werden kann, ohne den Schutzbereich der Ansprüche zu verlassen. Ferner ist ersichtlich, dass die Merkmale unabhängig davon, ob sie in der Beschreibung, den Ansprüchen, den Figuren oder anderweitig offenbart sind, auch einzeln wesentliche Bestandteile der Erfindung definieren, selbst wenn sie zusammen mit anderen Merkmalen gemeinsam beschrieben sind. It will be apparent to those skilled in the art that the above-described embodiments are to be read by way of example, and that the invention is not limited thereto, but that it can be varied in many ways without departing from the scope of the claims. It is also to be understood that the features, independently as they are disclosed in the specification, claims, figures, or otherwise, also individually define essential components of the invention, even if described together with other features.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 2 2
- Wärmetauscher heat exchangers
- 10 10
- Wärmeübertragungskammer Heat transfer chamber
- 12 12
- Einlassöffnung inlet port
- 14 14
- Auslassöffnung outlet
- 16 16
- Verengungsstelle constriction
- 18 18
- Wärmeübertragungsmittelaufzug Heat transfer medium lift
- 20 20
- Primärseite primary
- 22 22
- Fluid fluid
- 22a 22a
- Abgas exhaust
- 22b 22b
- Rauchgas flue gas
- 24 24
- Fluid-Wärmeübertragungsmittel-Gemisch Fluid heat transfer agent mixture
- 30 30
- Wärmeübertragungsmittel Heat transfer medium
- 32 32
- Übertragungsmitteleingang Transmission means input
- 34 34
- Übertragungsmittelausgang Transmission means output
- 36 36
- Strömungsbrecher baffles
- 38 38
- Separator separator
- 40 40
- Oberfläche des Wärmetauschers Surface of the heat exchanger
- 40a 40a
- Thermoblech thermoshelf
- 42 42
- Verzögerungsstrecke delay path
- 50 50
- Sekundärseite secondary side
- 52 52
- Sekundärfluid secondary fluid
Claims (15)
Priority Applications (1)
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DE102014103099.0A DE102014103099A1 (en) | 2014-02-28 | 2014-03-07 | heat exchangers |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN115253324A (en) * | 2022-06-24 | 2022-11-01 | 江苏理文化工有限公司 | Sulfuric acid concentration heating equipment |
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-
2014
- 2014-03-07 DE DE102014103099.0A patent/DE102014103099A1/en not_active Withdrawn
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