DE102017002038A1

DE102017002038A1 - Kreuzgegenstrom- Wärmeübertrager

Info

Publication number: DE102017002038A1
Application number: DE102017002038.8A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2017-07-04
Filing date: 2017-07-04
Publication date: 2019-01-10

Abstract

Kreuzgegenstrom-Wärmeübertrager umfassend einen Kreuzstromwärmeübertrager (1), bestehend aus mindestens 3 Modulen (in den Figuren 1 bis 4 sind die 4 Module (2) bis (5) dargestellt). Der Kreuzstrom-Wärmeübertrager besteht im Inneren aus neben- und hintereinander liegenden parallelen Kanälen (28) und (29) und bildet mit den und den Ein- bzw. Ausgangsstutzen (18) und (19) sowie den Revisionsdeckeln (24) den Gegenflanschen (20) zu den Stutzen (19) und den zu den Revisionsdeckeln (24) zugehörigen Gewindestangen (23) eine Einheit. Die Flachdichtungen (17) sowie die O-Ringdichtungen (15) und (16) dichten die einzelnen Bauteile gegeneinander und nach außen ab. Die Module (2) bis (5), die vorgenannten Stutzen, Gegenflansche und Revisionsdeckel sollen aus wärmeleitfähigen Werkstoffen wie Keramik, Graphit oder Kunststoff bestehen, wobei der bevorzugte Werkstoff Keramik ist und hier wiederum Silizium-Karbid-Keramik. Die Kanalreihen (28) und (29) können in unterschiedlichen Querschnitten wie rund, quadratisch, rechteckig, oval, oder vieleckig ausgeführt sein und die Wandungen der Kanäle können glatt, gewellt, genoppt oder spiralförmig ausgeführt sein. Der Volumenstrom des Mediums (M1) durchströmt die Module (2) bis (5) durch gerade Kanäle (28) von oben nach unten. Durch die Kanalführungen des Mediums (M2) quer und senkrecht zu den Kanälen des Medium (M1) können separate Umlenkungen entfallen. Mit den Strömungspfeilen (E) für Medium (M1) und (F) für Medium (M2) ist der Strömungsverlauf im Inneren des Wärmeübertragers zu ersehen. Mit (A) wird der Eintritt und mit (B) der Austritt des Mediums (M1) in den Wärmeübertrager bezeichnet. Beim Medium (M2) wird der Eintritt mit (C) und der Austritt mit (D) in dem Wärmeübertrager bezeichnet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, der vorzugsweise für hohe Temperaturen ausgelegt und gegen abrasive und chemische Stoffe weitestgehend resistent ist. Aus diesem Grunde sollen alle Teile des Wärmeübertragers aus Werkstoffen bestehen, die diesen Ansprüchen gerecht werden. In erster Linie sind das keramische Werkstoffe, aber auch Kunststoffe für niedrige Temperaturen.
Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, bei dem gasförmige oder flüssige Stoffe im Kreuzgegenstrom und Gegenstrom zueinander geführt werden. Die Grundkörper des Wärmeübertragers sind im Äußeren vorzugsweise als Quader oder Würfel ausgeführt. Im Inneren verlaufen, in Reihe neben- und hintereinander angrenzende Kanäle in verschiedenen geometrischen Formen in verschiedenen Ebenen in sich kreuzenden oder parallelen Richtungen. Für den Ein- und Austritt der Medien in den Wärmeübertrager sind Stutzen angeordnet und für die Inspektion des Inneren sowie zur Reinigung sind Revisionsdeckel angeordnet. Die Kanalreihen führen im Wechsel Kühl- und Heizmedium.
Das vorliegende Patent beschreibt einen Wärmeübertrager, der aus mehreren Modulen besteht, wobei die Module aus mehreren einzeln hergestellten Formteilen zusammengesetzt werden oder mittels 3-D-Drucker als Rohling gedruckt werden und bei keramischen Werkstoffen anschließend gebrannt. Dabei werden bei dem aus Formteilen hergestellten Modulen die zunächst einzelnen Formteile zu einem Modul miteinander verbunden, wobei ein fugenloser Monolith entsteht. Im 3-D-Druck entstehen die Module direkt zu einem fugenlosen Monolith.
Aus der DE 199 33 426 A1 sind Wärmetauschermodule zur Durchleitung zweier voneinander getrennter Medien im Kreuzgegenstrom bekannt. Der Nachteil bei dieser Ausführung ist, dass die notwendigen Umlenkungen für den meistens kühleren Wärmestrom nicht am Wärmeaustausch teilnehmen und separat angefügt werden müssen. Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmetauscher zu kreieren, der den Nachteil des Kreuzgegenstrom-Wärmeübertragers nach DE 199 33 426 A1 aufhebt in dem die für die Wärmeübertragung notwendige Austauschfläche auch die Umlenkungen des meist kühleren Wärmestroms mit einbezieht und mit dem übrigen Wärmeübertrager einen gemeinsamen Körper bildet.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand von Zeichnungen dargestellt

1 zeigt einen Kreuzgegenstrom-Wärmeübertrager (1) bestehend aus 4-Modulen in 3D-Ansicht mit den Ein- und Austrittsstutzen für Medium (M1) (18) konisch/viereckig auf rund mit Rohranschluss und Flansch bzw. den Ein- und Ausgangsstutzen für Medium (M2) (19) konisch/viereckig auf rund mit Rohranschluss und Flansch, den Revisionsdeckeln (24), den Gegenflanschen zu den Revisionsdeckeln (25), den Gewindestangen (23) zum Befestigen der Revisionsdeckel (24) und den Gewindestangen (22) zum Befestigen der Stutzen (18) sowie den Gewindestangen (35) zum Befestigen der Stutzen (19) und (A) den Eintritt des Mediums (M1), (B) den Austritt des Medium (M1), (C) den Eintritt Medium (M2) und (D) den Austritt Medium (M2) aus dem Wärmeübertrager.
2 zeigt im Schnitt G-G aus 4 die Module (2) bis (5) mit Eintritt des Mediums (M1) (A) in Modul (3) und den weiteren Strömungsverlauf (E) des Mediums (M1). Dargestellt sind ebenso die senkrechten Kanäle für Medium (M1) (6) die im Einlauf spitz und im Auslauf glatt endend, die senkrechten Kanalwände (7) für Medium (M1) im Einlauf und Auslauf glatt endend, die senkrechten Kanalwände (8) für Medium (M1) im Einlauf glatt und im Auslauf spitz endend, die Rahmen (26) zur Aufnahme der Revisionsdeckel (24), den Rahmen mit Stirn- /Rückwand (27), die O-Ringdichtungen (16) zu (18 und (19), die O-Ringdichtung (15) zu den Revisionsdeckeln (24), den Boden (33) mit Eintritt des Mediums (M1) aus dem Eintrittsstutzen bzw. den um 180° gedrehten Boden für den Austritt des Mediums (M1) in den Austrittsstutzen, die glatten Böden (30) zwischen den Modulen, mit den glatten Dichtflächen (31) und Flachdichtungen (17), sowie (A) den Eintritt des Mediums (M1) und (B) den Austritt des Mediums (M1).
3 zeigt im Schnitt H-H aus 4 die Module (2) bis (5) mit Eintritt des Mediums (M2) (C) in Modul (2) und den Strömungsverlauf des Mediums (M2) (F) aus (2) in die Zwischenmodule (4) und (5) und weiter in Modul (3) und dann den Austritt des Mediums (M2) (D) aus Modul (3), dargestellt sind außerdem die waagerechten Kanalwände für Medium (M2) (10) im Einlauf gerade spitz und im Auslauf bogenförmig spitz endend, die senkrechten Kanalwände (12) für Medium (M2), im Einlauf gerade spitz und im Auslauf bogenförmig glatt. endend, sowie die waagerechten Kanalwände (9) im Einlauf und Auslauf bogenförmig spitz endend, die Rahmen (26) zur Aufnahme der Revisionsdeckel mit Nut, die Rahmen mit Stirn- bzw. Rückwand (27) zur Aufnahme der Gegenflansche (25) der Revisionsdeckel (24), die O-Ringdichtungen (15) für den Revisionsdeckel (24), die O-Ringdichtungen (16) für die Stutzen (18) und (19) den Boden (33) Eintritt Medium (M1) aus dem Eintrittsstutzen bzw. den um 180° gedrehten Boden für den Austritt des Mediums (M1) in den Austrittsstutzen, die glatten Böden (30) zwischen den Modulen, mit den glatten Dichtflächen (31) und Flachdichtungen (17), die das Bild zeigt, ebenfalls die Zwischenwand (32) sowie (C) den Eintritt des Mediums (M2),und (D) den Austritt des Mediums (M2) sowie den Rahmen mit Kopf- und Bodenplatte (34).
5 zeigt die schematische Darstellung der Module (2) bis (5) mit dem Eintritt des Mediums (M2) (C) in das Modul (2) und den Austritt des Mediums (M1) (B) aus Modul (2), und weiter mit der Strömung (F) des Mediums (M2) in die Zwischenmodule (4) und (5) sowie in (3), im Modul (3) tritt das Medium (M1) mit (A) in das Modul (3) und (M2) tritt mit (D) aus dem Modul (3) aus, im Gegenstrom zum Medium (M2) wird (M1) von (A) zu (B) geführt, (M2) wird zu (M1) teilweise im Kreuz- /Gegenstrom und im Gegenstrom geführt. Der Strömungsverlauf des Mediums (M1) ist durch (E) dargestellt.

Bezugszeichenliste

1.: Kreuzgegenstrom-Wärmeübertrager
2.: Modul mit Eintritt Medium (M1) und Austritt Medium (M2)
3.: Modul mit Eintritt Medium (M2) und Austritt Medium (M1)
4.: Zwischenmodul
5.: Zwischenmodul
6.: Senkrechte Kanalwände für Medium (M1), im Einlauf spitz und im Auslauf glatt endend
7.: Senkrechte Kanalwände für Medium (M1), beidseitig glatt endend
8.: Senkrechte Kanalwände für Medium (M1), im Einlauf glatt und im Auslauf spitz endend,
9.: Waagerechte Kanalwände für Medium (M2) im Einlauf und Auslauf bogenförmig spitz endend,
10.: Waagerechte Kanalwände für Medium (M2) im Einlauf gerade spitz und Auslauf bogenförmig spitz endend
11.: Waagerechte Kanalwände für Medium (M2) im Einlauf bogenförmig spitz und im Auslauf gerade spitz endend,
12.: Senkrechte Kanalwände für Medium (M2), im Einlauf gerade spitz und im Auslauf bogenförmig glatt endend
13.: Seitenwand
14.: Rahmen mit Stirn- bzw. Rückwand zur Aufnahme der Ein- /Auslaufstutzen (18) für das Medium (M2)
15.: O-Ringdichtung Revisionsdeckel
16.: O-Ringdichtung Ein- und Austrittsstutzen (18) und (19) Medium (M1) und (M2)
17.: Flachdichtung zwischen den Modulen
18.: Ein- und Ausgangsstutzen für Medium (M1), konisch/viereckig auf rund mit Rohranschluss und Flansch
19.: Ein- und Ausgangsstutzen für Medium (M2), konisch/viereckig auf rund mit Rohranschluss und Flansch
20.: Gegenflansch zum Befestigen der Stutzen (19)
21.: Rahmen mit Stirn- /Rückwand zur Aufnahme der Gegenflansche zu den Stutzen (19) ohne Nut
22.: Gewindestangen zum Befestigen der Stutzen (18)
23.: Gewindestangen zum Befestigen der Revisionsdeckel (24)
24.: Revisionsdeckel
25.: Gegenflansch zum Revisionsdeckel (24)
26.: Rahmen zur Aufnahme der Revisionsdeckel mit Nut (24)
27.: Rahmen mit Stirn- /Rückwand zur Aufnahme der Gegenflansche zu den Revisionsdeckeln (24) ohne Nut
28.: Kanäle für Medium (M1)
29.: Kanäle für Medium (M2)
30.: Glatter Boden zwischen den Modulen
31.: Glatte Dichtfläche
32.: Zwischenwand
33.: Boden Eintritt Medium (M1) aus dem Eintrittsstutzen bzw. den um 180° gedrehten Boden für den Austritt des Mediums (M1) in den Austrittsstutzen
34.: Rahmen mit Kopf- /Bodenplatte zur Aufnahme der Ein- /Auslaufstutzen (19) für das Medium (M1)
35.: Gewindestangen zum Befestigen der Stutzen (19)
A: Eintritt Medium (M1)
B: Austritt Medium (M1)
C: Eintritt Medium (M2)
D: Austritt Medium (M2)
E: Strömungsrichtung heißes Medium (M1)
F: Strömungsrichtung kühles Medium (M2)
G-G: Schnittangabe
H-H: Schnittangabe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19933426 A1 [0002]

Claims

Kreuzgegenstrom-Wärmeübertrager, dessen Grundkörper aus verschiedenen Werkstoffen wie Keramik, Kunststoff, Metall oder Kohlenstoffmischungen besteht, vorzugsweise als Quader oder Würfel ausgeführt ist. In dessen Inneren, in Reihe neben- und hintereinander angrenzende Kanäle, in verschiedenen geometrischen Formen in gegenläufigen oder parallelen Richtungen verlaufen. Wobei die Kanalreihen in verschiedenen Ebenen im Wechsel Kühl- und Heizmedium im Gegen-, Kreuzgegenstrom oder Gleichstrom führen, was durch die besondere Anordnung der Kanäle ermöglicht wird und dass die Grundkörper der Module des Wärmeübertragers aus mehreren Teilen zusammengesetzt sind oder im 3-D-Druckverfahen hergestellt werden und der Wärmeübertrager aus mehreren hintereinander geschalteten Modulen besteht, die mittels O-Ring oder Flachdichtungen gegeneinander und nach außen abgedichtet werden und die Kanäle des Volumenstroms (M1) in den Modulen senkrecht verlaufen, wobei die Kanäle beim Ein-und Austritt des Mediums in die Stutzen gegen den Strömungsverlauf zugespitzt sind und beim Auftreffen auf einen Ober- oder Unterboden eines Moduls glatt mit dem Boden verlaufen, aber die in waagerechten in Reihen verlaufenden Kanäle des Mediums M2 im unteren Modul in Strömungsrichtung gerade spitz und am anderen Ende gebogen spitz auslaufen, beim oberen Modul ist dies spiegelbildlich, in den Zwischenmodulen verlaufen die waagerechten Kanalwandungen an beiden Enden gebogen und spitz auslaufend aber die senkrecht verlaufenden Kanalwandungen des Mediums M2 gegen die Strömung gerade spitz aber beim Auftreffen auf den Oberbodens des nachfolgenden Moduls mit dem Boden glatt verlaufend, die Kanäle des Volumenstroms (M1) in allen Modulen senkrecht verlaufen.
Kreuzgegenstrom-Wärmeübertrager nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager aus mindestens drei Modulen besteht;
Kreuzgegenstrom-Wärmeübertrager nach Anspruch 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, dass zur Inspektion und Reinigung der Module Revisionsdeckel die durch O-Ringdichtung abgedichtet sind, mittels Gegenflansche und Gewindestangen befestigt sind;
Kreuzgegenstrom-Wärmeübertrager nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass, an dem oberen und unteren Modul Ein - und Austrittsstutzen angeflanscht sind, die mittels O-Ringdichtung abdichten und mittels Gewindestangen angepresst werden;
Kreuzgegenstrom-Wärmeübertrager nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnitte der Kanäle rund, quadratisch, rechteckig, oval, oder vieleckig ausgeführt sein können;
Kreuzgegenstrom-Wärmeübertrager nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Wände der Kanäle glatt, gewellt, genoppt oder spiralförmig ausgeführt sind;
Kreuzgegenstrom-Wärmeübertrager nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Heiz- oder Kühlmedium führenden Kanalreihen gleiche oder unterschiedliche Querschnittgrößen aufweisen können.
Kreuzgegenstrom-Wärmeübertrager nach Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Ein- bzw. Ausgangsstutzen beidseitig mit Flanschen in verschiedenen Ausführungen oder am Austritt mit Rohranschluss ausgeführt sind.