DE102016113137A1 - Gas-fluid counterflow heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Bei einem Gas-Fluid-Gegenstromwärmetauscher (10) mit mehreren jeweils innerhalb eines Außenmantels (24) parallel zueinander angeordneten Fluidkanälen (22) und mehreren innerhalb des Außenmantels (24) im Wesentlichen parallel zueinander angeordneten Gaskanälen (20), die jeweils an beiden Enden von Gas- bzw. Fluidverteilern (12, 14) mit Gas bzw. Fluid versorgt werden, sind die Gaskanäle (20) und die Fluidkanäle (22) ebenfalls parallel zueinander mit gegenläufiger Hauptströmungsrichtung angeordnet, wobei die Gaskanäle (20) durch mehrere, im Wesentlichen parallel zur Hauptströmungsrichtung in dem Außenmantel angeordnete metallische Lamellen (16) begrenzt und durch wenigstens einen wärmeleitend mit den Lamellen (16) verbundenen Fluidkanal (22) in wenigstens zwei Teilkanäle (20a, b) unterteilt sind, wobei der wenigstens eine Fluidkanal entweder die Unterteilung vollständig oder mittels von dem Fluidkanal ausgehender zusätzlicher Unterteilungslamellen bewirkt.In a gas-fluid countercurrent heat exchanger (10) having a plurality of each inside an outer shell (24) arranged parallel to each other fluid channels (22) and a plurality within the outer shell (24) substantially parallel to each other gas channels (20), each at both ends of Gas or fluid distributors (12, 14) are supplied with gas or fluid, the gas channels (20) and the fluid channels (22) are also arranged parallel to each other with opposite main flow direction, wherein the gas channels (20) by a plurality, substantially parallel to the main flow direction in the outer shell arranged metallic fins (16) and limited by at least one thermally conductive with the fins (16) connected fluid channel (22) in at least two sub-channels (20a, b) are divided, wherein the at least one fluid channel either the subdivision completely or effected by means of the fluid channel outgoing additional subdivision fins.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gas-Fluid-Gegenstromwärmetauscher gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. The present invention relates to a gas-fluid countercurrent heat exchanger according to the preamble of claim 1.
Regenerative Gas-Fluid-Gegenstrom-Wärmetauscher sind allgemein bekannt und werden beispielsweise in der Klimatechnik zu Wärmerückgewinnungszwecken benutzt. Die bekannten Wärmetauscher werden zwar als Gegenstrom-Wärmetauscher bezeichnet, jedoch handelt es sich um sog. Kreuz-Gegenstromwärmetauscher, bei denen Fluidkanäle und Gaskanäle letztlich quer oder sich kreuzend zueinander verlaufen. Regenerative gas-fluid countercurrent heat exchangers are well known and are used, for example, in the air conditioning industry for heat recovery purposes. Although the known heat exchangers are referred to as countercurrent heat exchangers, they are so-called cross-countercurrent heat exchangers in which fluid ducts and gas ducts ultimately extend transversely or intersecting one another.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Wärmetauscher der eingangs erwähnten Art dahingehend hinsichtlich des Wirkungsgrades, der Gesamteffizienz, des konstruktivem Aufwandes und der Hygiene zu verbessern. The object of the invention is to improve a heat exchanger of the type mentioned in terms of the efficiency, the overall efficiency, the design effort and hygiene.
Die Lösung der vorgenannten Aufgabe erfolgt gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. The solution of the above object is achieved according to the features of claim 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Erfindungsgemäß sind bei einem Gas-Fluid-Gegenstromwärmetauscher mit mehreren, jeweils in einem Außenmantel parallel angeordneten Fluidkanälen und mehreren im Wesentlichen in dem Außenmantel parallel angeordneten Gaskanälen, die jeweils an beiden Enden von Gas- bzw. Fluidverteilern mit Gas bzw. Fluid versorgt werden, die Gaskanäle und die Fluidkanäle ebenfalls parallel zueinander mit gegenläufiger Hauptströmungsrichtung angeordnet. Advantageous embodiments are described in the dependent claims. According to the invention, in a gas-fluid countercurrent heat exchanger having a plurality of fluid passages arranged in parallel in an outer jacket and a plurality of gas passages arranged in parallel in the outer jacket, which are respectively supplied with gas or fluid at both ends by gas or fluid distributors Gas channels and the fluid channels also arranged parallel to each other with opposite main flow direction.
Es handelt sich bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher also um einen echten Gegenstromwärmetauscher, wodurch sich aufgrund der nachfolgend beschriebenen Verschränkung von Gas- und Fluidkanälen sehr hohe Wirkungsgrade von typischerweise 90% und mehr erzielen lassen. Thus, the heat exchanger according to the invention is a true countercurrent heat exchanger, which can achieve very high efficiencies of typically 90% and more due to the entanglement of gas and fluid channels described below.
Die Gaskanäle sind durch mehrere, im Wesentlichen parallel zur Hauptströmungsrichtung in dem Außenmantel angeordnete metallische Lamellen begrenzt. Durch die Lamellen, die auch z.B. eine flächenvergrößernde Wellen- oder Zickzackform aufweisen können, werden damit Register für den Gasdurchtritt begrenzt, die an den Stirnseiten durch die Begrenzungsflächen des Außenmantels zusätzlich begrenzt werden. The gas passages are delimited by a plurality of metallic lamellae arranged substantially parallel to the main flow direction in the outer jacket. By the fins, which are also e.g. may have a flächenvergrößernde wave or zigzag shape, so that registers are limited for the passage of gas, which are additionally limited at the end faces by the boundary surfaces of the outer shell.
Diese Gaskanäle werden erfindungsgemäß außerdem zusätzlich noch jeweils durch wenigstens einen mit den Lamellen wärmeleitend verbundenen Fluidkanal in wenigstens zwei Teilkanäle unterteilt. D.h., der oder die Fluidkanäle stellen wenigstens eine weitere Begrenzungsfläche für die Gaskanäle dar. Der Wärmeaustausch erfolgt sowohl über diese Begrenzungsflächen als auch über die Lamellen. According to the invention, these gas ducts are additionally subdivided into at least two subchannels by at least one fluid duct connected in a heat-conducting manner to the lamellas. That is, the one or more fluid channels represent at least one further boundary surface for the gas channels. The heat exchange takes place both over these boundary surfaces and over the lamellae.
Dabei kann der wenigstens eine Fluidkanal entweder die Unterteilung vollständig oder mittels von dem Fluidkanal ausgehender zusätzlicher Unterteilungslamellen bewirken. Die zusätzlichen Unterteilungslamellen liegen bevorzugt in einer Ebene mit in einer Schicht angeordneten Fluidkanälen, wohingegen die übrigen Lamellen quer zu dieser Schicht verlaufen, wobei sämtliche Lamellen – wie erwähnt – außerdem parallel zur Hauptströmungsrichtung verlaufen. Insgesamt ergeben sich bevorzugt im Wesentlichen (abgesehen von möglichen kontaktflächenvergrößernden Wellenformen der Lamellen bzw. runden Formen der die Begrenzung bildenden Fluidkanäle) rechteckförmige Gaskanäle, die entweder durch Lamellen/Unterteilungslamellen oder durch die Wandungen der Fluidkanäle begrenzt sind. In this case, the at least one fluid channel can either effect the subdivision completely or by means of additional subdivision fins emanating from the fluid channel. The additional subdivision fins preferably lie in one plane with fluid channels arranged in one layer, whereas the remaining fins run transversely to this layer, with all the fins also extending parallel to the main flow direction, as mentioned above. Overall, preferably substantially (apart from possible contact surface enlarging waveforms of the lamellae or round shapes of the boundary forming fluid channels) arise rectangular gas channels, which are limited either by fins / subdivision fins or by the walls of the fluid channels.
Im Allgemeinen ergibt sich durch eine Zahl n unterteilende Fluidkanäle eine Zahl von mindestens n + 1 resultierenden aufgeteilten Gaskanälen. In general, a number n of subdividing fluid channels results in a number of at least n + 1 resulting divided gas channels.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind in den Fluidkanälen wenigstens teilweise Drallkörper vorgesehen. Durch die Drallkörper wird die Strömung in den Fluidkanälen verwirbelt und verlangsamt und damit die Wärmeübertragungsleistung verbessert. In a preferred embodiment, swirl bodies are at least partially provided in the fluid channels. By the swirl body, the flow in the fluid channels is swirled and slowed down and thus improves the heat transfer performance.
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher lässt sich in einer bevorzugten Ausführungsform besonders gut dadurch desinfizieren, dass im Mittenbereich des Außenmantels ein oder mehrere Einspeisungseinrichtungen vorgesehen sind, durch die ein Desinfektionsmedium, insbesondere ein Desinfektionsschaum oder Dampf, in sämtliche Gaskanäle eingelassen werden kann, so dass das Desinfektionsmedium in beide Richtungen strömt. In a preferred embodiment, the heat exchanger according to the invention can be disinfected particularly well by providing one or more feed devices in the middle region of the outer jacket, through which a disinfection medium, in particular a disinfectant foam or steam, can be introduced into all gas channels, so that the disinfection medium can be introduced into both Directions are flowing.
In einer Ausführungsform können die Fluidkanäle als Rohrleitungen mit im Wesentlichen kreisförmigem oder auch elliptischem Querschnitt ausgebildet sein, die mit den angrenzenden Lamellen wärmeleitend verbunden sind. In one embodiment, the fluid channels may be formed as pipes having a substantially circular or elliptical cross-section, which are thermally conductively connected to the adjacent lamellae.
Zur Verbesserung des Wärmeübergangs können die Lamellen – wie vorstehend schon kurz erwähnt – flächenvergrößernd, insbesondere wellenförmig ausgebildet sein. To improve the heat transfer, the lamellae - as already briefly mentioned above - surface enlarging, in particular wave-shaped.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen: The invention will be explained in more detail with reference to the embodiments illustrated in the drawings. Show it:
Ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher kann für vielfältige Applikationen eingesetzt werden, beispielsweise in der Klimatechnik zur Wärmerückgewinnung, in der Kraftwerkstechnik, z.B. bei Blockheizkraftwerken, bei Wärmepumpen, bei der Fluidkühlung von technischen Anlagen, bei einem Stirlingmotor etc. An inventive heat exchanger can be used for a variety of applications, for example in the air conditioning for heat recovery, in power plant technology, e.g. in combined heat and power plants, in heat pumps, in the fluid cooling of technical systems, in a Stirling engine, etc.
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher kann in beiden Richtungen, d.h. sowohl zur Heizung des Gasstroms unter gleichzeitiger Abkühlung des Fluidstroms als auch zur Heizung des Fluidstroms unter gleichzeitiger Abkühlung des Gasstroms eingesetzt werden. Es sind abhängig von der Materialwahl verschiedenste gasförmige und fluidförmige Medien denkbar. Die häufigste Medienkombination dürfte Luft / Wasser darstellen. The heat exchanger according to the invention can be used in both directions, i. be used both for heating the gas flow with simultaneous cooling of the fluid flow as well as for heating the fluid flow with simultaneous cooling of the gas stream. Depending on the choice of material, various gaseous and fluid media are conceivable. The most common media combination is likely to be air / water.
Gemäß
Der Gasstrom wird in einem nicht dargestellten Verteilerbereich auf die einzelnen Gaskanäle
Den Verlauf der Fluidkanäle
Randseitig ist der Wärmetauscher
Jeder Fluidkanal
Die Verteilerrohre
Die Fluidkanäle
Die Gaskanäle
Um dem Prinzip des Gegenstrom-Wärmetauschers gerecht zu werden, weisen Gas- und Fluidkanäle entgegengesetzte Strömungsrichtungen auf (d.h., diese bilden einen Winkel von etwa 180°), wie in den
Insbesondere im Falle der Luftkühlung kann sich bekanntlich Luftfeuchtigkeit an den Wandungen der Gaskanäle niederschlagen, die ggf. mittels eines entsprechenden Gefälles einem (nicht dargestellten) Wasserablass zugeführt werden kann. In particular, in the case of air cooling, it is known that atmospheric moisture can be precipitated on the walls of the gas ducts, which if necessary can be supplied to a drain (not shown) by means of a corresponding gradient.
Um eine einfache Desinfektion zu ermöglichen, können im Bereich der Kanalmitten seitlich des Außenmantels
Wie in
Der Wärmeübertrag erfolgt zum einen direkt über die Wände der Rohre
In einer alternativen Ausführungsform erstrecken sich die Lamellen jeweils mittig oben und unten (bezogen auf die Orientierung in
Alternativ zu der vorbeschriebenen und nicht dargestellten Ausführungsform kann, wie in
In einer schematisch angedeuteten alternativen Ausführungsform gemäß
Alternativ wären auf dreieckige, sägezahnförmige oder rechtweckwellenförmig konturierte Lamellen
In den
Trennwände zwischen Gaskanälen, wie bei der Ausführungsform gemäß
In
In
In
In
In
Der Einsatz der Reinigungs- bzw. Desinfektionslanze
Da bei den erfindungsgemäßen Wärmetauschern
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