DE10202527A1

DE10202527A1 - Wärmetauschermodul für einen Rohrbündel-Wärmetauscher

Info

Publication number: DE10202527A1
Application number: DE2002102527
Authority: DE
Inventors: Siegfried Lueck
Original assignee: Siegfried Lueck
Current assignee: LUECK, SIEGFRIED, 69226 NUSSLOCH, DE
Priority date: 2002-01-24
Filing date: 2002-01-24
Publication date: 2003-08-07

Abstract

Das Wärmetauschermodul ist gekennzeichnet durch DOLLAR A a) ein Gehäuse (106), das eine äußere Wand hat; DOLLAR A b) wenigstens ein Rohr (102, 116, 118), das mit Abstand von der Wand im Inneren des Gehäuses (106) angeordnet ist und von einem Primärfluid durchströmt wird; DOLLAR A c) eine zwischen dem Rohr (102, 116, 118) und der Wand befindliche poröse Füllmasse (104), die aus miteinander und mit dem Rohr (102, 116, 118) versinderten Partikeln gut wärmeleitendem Material besteht und von einem Sekundärfluid durchströmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmetauschermodul für einen Rohrbündel- Wärmetauscher.
Rohrbündel-Wärmetauscher sind aus der Praxis bekannt. Sie stellen die gebräuchlichste Bauform von Wärmetauschern dar.
Der modulare Aufbau eines Rohrbündel-Wärmetauschers ist aus der EP 1 139 055 A2 bekannt. Hier sind Rohrbündel zu Baugruppen zusammengefaßt, die sich mit eine Fluidverbindung herstellenden, speziellen Kopfstücken baukastenartig zusammensetzen lassen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Wärmetauschermodul für einen Rohrbündel-Wärmetauscher zu schaffen, mit dem sich bei äußerst kompaktem Aufbau sehr hohe Wärmeübertragungswerte und Wirkungsgrade erzielen lassen.
Das diese Aufgabe lösende Wärmetauschermodul ist gekennzeichnet durch

a) ein Gehäuse, das eine äußere Wand hat;
b) wenigstens ein Rohr, das mit Abstand von der Wand im Inneren des Gehäuses angeordnet und von einem Primärfluid durchströmbar ist;
c) eine zwischen dem Rohr und der Wand befindliche poröse Füllmasse, die aus miteinander und mit dem Rohr versinterten Partikeln gut wärmeleitenden Materials besteht und von einem Sekundärfluid durchströmbar ist.

Die aus gut wärmeleitendem Sintermaterial bestehende poröse Füllmasse bietet dem Sekundärfluid eine sehr große Austauschfläche. Dadurch kann das Verhältnis der Austauschflächen von Primärseite zu Sekundärseite zwischen ca. 1 : 2,5 bis ca. 1 : 4 konstruktiv variabel eingestellt und ein extrem kompakter Aufbau erreicht werden. Verglichen mit dem Stand der Technik, erreicht man bei gleicher Baugröße eine höhere Leistung, oder aber man kann bei gleicher Leistung die Baugröße beträchtlich verringern.
Die miteinander versinterten Partikel der Füllmasse sind von variabler, dem jeweiligen Anwendungsfall entsprechend gewählter Form, Größe und Materialart. Neben den für Sintermetall üblichen und bevorzugten kugelförmigen Partikeln kommen unter anderem kreiszylindrische oder ringförmige Partikel, insbesondere sog. Rashig-Ringe, in Betracht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Gehäuse ein zentral angeordnetes Rohr.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Gehäuse mehrere parallele, mit Abstand voneinander angeordnete Rohre. Der Raum zwischen den Rohren wird von der porösen Füllmasse eingenommen.
In einer alternativ bevorzugten Ausführungsform enthält das Gehäuse mehrere, in koaxialer Anordnung einander umschließende Rohre, deren Zwischenräume alternierend von dem Primärfluid durchströmbar bzw. von der porösen Füllmasse eingenommen sind.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht die poröse Füllmasse aus Sintermetall, insbesondere Bronze oder Edelstahl, speziell wasserstoffbeständigem Edelstahl.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das die poröse Füllmasse durchströmende Sekundärfluid wärmer als das Primärfluid. Anwendungstechnisch vorteilhafterweise befindet sich also das wärmere Fluid auf der Seite, die die größere Austauschfläche bietet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das Wärmetauschermodul von den Fluiden im Gegenstrom durchströmt. Damit wird der beste Wirkungsgrad erreicht. Es ist aber auch ein Kreuzstrom, kombinierter Kreuz- Gegenstrom oder Gleichstrom der Fluide durch das Wärmetauschermodul möglich.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Rohrbündel-Wärmetauscher, der mehrere Wärmetauschermodule der genannten Art enthält. Je nach Anwendung können eine bestimmte Anzahl Module parallel und/oder in Reihe geschaltet sein und so im Gleichstrom bzw. im Gegenstrom betrieben werden.
Wärmetauschermodul und Rohrbündel-Wärmetauscher gemäß der Erfindung haben eine bevorzugte Verwendung für die Erwärmung von Wasserstoff, der einem Oxidationsprozeß zugeführt wird, unter Nutzung der Abwärme des Oxidationsprozesses. Speziell ist an einen mit Wasserstoff betriebenen Verbrennungsmotor zu denken. Der Wasserstoff wird bei niedriger Temperatur in flüssigem Zustand bevorratet und auf dem Weg zu dem Verbrennungsmotor hin in einem erfindungsgemäßen Wärmetauscher durch die Verbrennungsabgase vorgewärmt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 die axiale Draufsicht auf ein kreiszylindrisches Wärmetauschermodul mit einem zentralen Innenrohr;
Fig. 2 einen diametralen Längsschnitt durch das Wärmetauschermodul nach II-II von Fig. 1;
Fig. 3 die axiale Draufsicht auf ein außen kreiszylindrisches Wärmetauschermodul mit vier im Quadranten angeordneten Innenrohren;
Fig. 4 einen diametralen Längsschnitt durch das Wärmetauschermodul nach IV-IV von Fig. 3;
Fig. 5 die seitliche Schnittansicht eines Wärmetauschers, bei dem drei Wärmetauschermodule gemäß Fig. 3 und Fig. 4 in Reihe geschaltet sind;
Fig. 6 die axiale Draufsicht auf ein außen rechteckiges Wärmetauschermodul mit sieben gestaffelt in zwei Reihen angeordneten Innenrohren in einem an allen vier Längsseiten geschlossenen Gehäuse;
Fig. 7 ein Schnitt durch das Wärmetauschermodul nach VII-VII von Fig. 6;
Fig. 8 die axiale Draufsicht auf ein außen rechteckiges Wärmetauschermodul mit sieben gestaffelt in zwei Reihen angeordneten Innenrohren in einem an zwei gegenüberliegenden Längsseiten geschlossenen, an einer Längsseite offenen und an der dieser gegenüberliegenden Längsseite teilweise offenen Gehäuse;
Fig. 9 einen Schnitt durch das Wärmetauschermodul nach IX-IX von Fig. 8;
Fig. 10 die seitliche Schnittansicht eines Wärmetauschers, bei dem drei Wärmetauschermodule gemäß Fig. 8 und Fig. 9 parallel geschaltet sind;
Fig. 11 die seitliche Schnittansicht eines Wärmetauschers, bei dem drei Wärmetauschermodule gemäß Fig. 6 und Fig. 7 in Reihe geschaltet sind;
Fig. 12 bis Fig. 32 axiale Draufsichten auf weitere Wärmetauschermodule mit verschiedenartiger äußerer Geometrie und verschiedener Art, Anzahl und Verteilung der Innenrohre;
Fig. 33 die axiale Draufsicht auf einen Wärmetauscher, der aus zwölf Wärmetauschermodulen gemäß Fig. 3 und Fig. 4 aufgebaut ist;
Fig. 34 die axiale Draufsicht auf einen Wärmetauscher, der aus dreizehn Wärmetauschermodulen gemäß Fig. 3, Fig. 4 und Fig. 29 aufgebaut ist;
Fig. 35 die Seitenansicht eines als Kondensator fungierenden, im Kreuzstrom betriebenen Wärmetauschermoduls;
Fig. 36 eine Draufsicht auf das Wärmetauschermodul mit Blick in Richtung XXXVI von Fig. 35;
Fig. 37 eine Vorderansicht des Wärmetauschermoduls mit Blick in Richtung XXXVII von Fig. 35;
Fig. 38 die axiale Draufsicht auf ein kreiszylindrisches Wärmetauschermodul in koaxialer Ringbauweise;
Fig. 39 einen diametralen Schnitt durch das Wärmetauschermodul nach IXL-IXL von Fig. 38;
Fig. 40 die seitliche Schnittansicht eines Wärmetauschers in koaxialer Ringbauweise;
Fig. 41 einen Schnitt durch den Wärmetauscher nach XLI-XLI von Fig. 40; und
Fig. 42 einen Schnitt durch den Wärmetauscher nach XLII-XLII von Fig. 40.
Das Wärmetauschermodul gemäß Fig. 1 und Fig. 2 hat ein kreiszylindrisches Außenrohr 100 und ein koaxial darin angeordnetes kreiszylindrisches Innenrohr 102. Der Raum zwischen den Rohren 100, 102 wird von einer porösen Füllmasse 104 eingenommen. Diese besteht aus Partikeln, die miteinander und mit den Rohren 100, 102 versintert sind.
Das Wärmetauschermodul gemäß Fig. 3 und Fig. 4 hat ein kreiszylindrisches Außenrohr 100 und vier achsparallel darin aufgenommene kreiszylindrische Innenrohre 102, die mit Abstand von dem Außenrohr 100 und voneinander im Quadranten angeordnet sind. Die Innenrohre 102 stehen beidends axial über das Außenrohr 100 vor, um einen einfachen Anschluß zu ermöglichen. Der Raum zwischen den Rohren 100, 102 wird über den größten Teil der Außenrohrlänge von der mit den Rohren 100, 102 versinterten porösen Füllmasse 104 eingenommen. Allein die Enden des Außenrohrs 100 sind aus anschlußtechnischen Gründen von der Füllmasse frei.
Bei dem Wärmetauscher gemäß Fig. 5 sind drei Module gemäß Fig. 3 und Fig. 4 in Reihe geschaltet. Es sind jeweils die Außenrohre 100 und die Innenrohre 102 der Module miteinander verbunden. Die Außenrohre 100 sind radial seitlich und die Innenrohre 102 stirnseitig axial kontaktiert.
Das Wärmetauschermodul gemäß Fig. 6 und Fig. 7 hat ein im Querschnitt rechteckiges Gehäuse 106, das sieben kreiszylindrische Innenrohre 102 enthält. Diese sind mit Abstand von dem Gehäuse 106 und voneinander in zwei Reihen gestaffelt versetzt angeordnet. Zu der einen Reihe gehören vier, und zu der anderen Reihe drei Innenrohre 102. Die Innenrohre 102 stehen beidends axial über das Gehäuse 106 vor.
Bei dem im übrigen sehr ähnlich aufgebauten Wärmetauschermodul gemäß Fig. 8 und Fig. 9 ist das Gehäuse 106 an einer Längsseite 108 offen und an der dieser gegenüberliegenden Längsseite 110 an den Enden offen.
Bei dem Wärmetauscher gemäß Fig. 10 sind drei Wärmetauschermodule gemäß Fig. 8 und Fig. 9 parallelgeschaltet. Die Module stehen nebeneinander in bündiger Anlage. Die Gehäuse 106 der äußeren Module sind an dem einen und anderen Ende radial seitlich, und die Innenrohre 102 stirnseitig axial kontaktiert.
Bei dem Wärmetauscher gemäß Fig. 11 sind drei Wärmetauschermodule gemäß Fig. 6 und Fig. 7 in Reihe geschaltet. Aufbau und Kontaktierung entsprechen im übrigen Fig. 10.
Die Wärmetauschermodule gemäß Fig. 12 bis Fig. 28 haben ein im Querschnitt rechteckiges Gehäuse 106. Gemäß Fig. 12 enthält dieses ein zentral angeordnetes kreiszylindrisches Innenrohr 102. Gemäß Fig. 13 sind zwei, gemäß Fig. 14 drei, gemäß Fig. 15 vier und gemäß Fig. 16 fünf kreiszylindrische Innenrohre 102 parallel nebeneinander in einer Reihe angeordnet.
Gemäß Fig. 17 bis Fig. 21 sind kreiszylindrische Innenrohre 102 gestaffelt in zwei Reihen versetzt angeordnet, und zwar in Fig. 17 drei Innenrohre 102, in Fig. 18 vier Innenrohre 102, in Fig. 19 fünf Innenrohre 102, in Fig. 20 sechs Innenrohre 102 und in Fig. 21 neun Innenrohre 102. Eine entsprechende Anordnung von sieben Innenrohren 102 kann Fig. 6 und Fig. 8 entnommen werden.
Gemäß Fig. 22 bis Fig. 25 sind kreiszylindrische Innenrohre 102 gestaffelt in drei Reihen versetzt angeordnet, und zwar in Fig. 22 fünf Innenrohre 102, in Fig. 23 acht Innenrohre 102, in Fig. 24 elf Innenrohre 102 und in Fig. 25 vierzehn Innenrohre 102. Die mittlere Reihe enthält jeweils ein Innenrohr 102 weniger als die äußeren Reihen.
Gemäß Fig. 26 bis Fig. 28 sind kreiszylindrische Innenrohre 102 gestaffelt in fünf Reihen versetzt angeordnet, und zwar in Fig. 26 dreizehn Innenrohre 102, in Fig. 27 achtzehn Innenrohre 102 und in Fig. 28 dreiundzwanzig Innenrohre 102. Die geradzahligen Reihen enthalten jeweils ein Innenrohr 102 weniger als die ungeradzahligen.
Gemäß Fig. 29 enthält ein kreiszylindrisches Außenrohr 100 fünf kreiszylindrische Innenrohre 102. Eines davon ist zentral, und die vier anderen im Quadranten außen darum angeordnet. Ein entsprechender Aufbau mit nur einem zentral angeordneten Innenrohr 102 kann Fig. 1 und Fig. 2, und ein entsprechender Aufbau mit vier im Quadranten angeordneten Innenrohren 102 Fig. 3 und Fig. 4 entnommen werden.
Gemäß Fig. 30 enthält ein im Querschnitt elliptisches Gehäuse 106 sieben kreiszylindrische Innenrohre 102, die gestaffelt in drei Reihen versetzt angeordnet sind. Die auf der großen Ellipsenhauptachse liegende mittlere Reihe enthält drei, und die beiden äußeren Reihen jeweils zwei Innenrohre 102. Diese Ausführungsform ist beispielhaft. In einem größeren elliptischen Gehäuse kann eine entsprechend größere Zahl von Innenrohren 102 angeordnet sein (nicht dargestellt).
Fig. 31 zeigt ein Wärmetauschermodul mit einem im Querschnitt hexagonalen Gehäuse 106. Das Gehäuse 106 enthält sieben kreiszylindrische Innenrohre 102, von denen eines zentral, und die anderen in einem regelmäßigen Sechseck außen darum angeordnet sind. Auch diese Ausführungsform ist beispielhaft. In einem größeren hexagonalen Gehäuse kann eine entsprechend größere Zahl von Innenrohren 102 angeordnet sein (nicht dargestellt).
Das Wärmetauschermodul gemäß Fig. 32 hat ein im Querschnitt abgerundet-rechteckiges Gehäuse 106. Das Gehäuse 106 enthält vier parallele Innenrohre 102 von langlochförmigem Querschnitt, sog. Flachrohre. Auch diese Ausführungsform ist beispielhaft. Je nach Anwendungsfall läßt sich die Größe des Gehäuses 106 und die Anzahl der Flachrohre variieren.
Fig. 33 zeigt einen Wärmetauscher mit zwölf Wärmetauschermodulen gemäß Fig. 3 und Fig. 4. Die Module sind parallel in ein äußeres kreiszylindrisches Mantelrohr 112 eingebaut. Vier innere Module sind im Quadranten, und acht äußere Module in einem konzentrischen Kreis unter gleichem Winkelabstand auf Lücke außen darum angeordnet. Auch dieser Aufbau läßt sich vielfältig abwandeln und erweitern.
Fig. 34 zeigt einen Wärmetauscher mit dreizehn parallelen Wärmetauschermodulen in einem äußeren kreiszylindrischen Mantelrohr 112. Ein Modul gemäß Fig. 3 und Fig. 4 ist zentral angeordnet. Vier weitere derartige Module liegen im Quadranten außen darum. Letztere werden von acht Modulen gemäß Fig. 29 umgeben, die in einem konzentrischen Kreis unter gleichem Winkelabstand auf Lücke angeordnet sind.
Die Wärmetauscher gemäß Fig. 33 und Fig. 34 sind für einen Betrieb in Parallel- wie auch Reihenschaltung gleichermaßen einsetzbar.
In Fig. 35 bis Fig. 37 ist ein als Kondensator (Verflüssiger) fungierendes Wärmetauschermodul gezeigt. Das Modul hat ein Gehäuse 106 von im wesentlichen rechteckigem, oben trapezförmig abgeschrägtem Querschnitt. Die abgeschrägte Gehäusepartie bildet einen Verteilerraum 114, der oben in der Mitte kontaktiert ist. Die rechteckige Gehäusepartie enthält achtzehn parallele kreiszylindrische Innenrohre 102, die in fünf Reihen mit abwechselnd vier und drei Rohren gestaffelt angeordnet sind. Unten ist das Gehäuse 106 offen. Es wird von dem zu kondensierenden Medium im Kreuzstrom durchströmt. Diese Konstruktion entspricht im wesentlichen einer Anwendung der Fig. 27 und kann je nach Einsatzfall vielfältig abgewandelt werden.
Fig. 38 und Fig. 39 zeigen ein Wärmetauschermodul mit kreiszylindrischen Rohren 116, 118, die einander in koaxialer Anordnung umschliessen. Der Raum zwischen dem zentralen Innenrohr 116 und dem nächstäußeren Rohr 118 und jeder zweite folgende Rohrzwischenraum sind von der porösen Füllmasse 104 eingenommen.
Fig. 40 bis Fig. 42 zeigen einen Wärmetauscher in koaxialer Ringbauweise. Seine Rohrzwischenräume stehen quadrantenweise versetzt miteinander in Verbindung. Diese Form der Verbindung ist beispielhaft. Sie kann vielfältig abgewandelt werden.
Die erfindungsgemäßen Wärmetauschermodule zeichnen sich durch eine hohe Variabilität in Form und Dimension des äußeren Gehäuses und der Art, Anzahl und Verteilung der Innenrohre aus. Auch die poröse Füllmasse kann in Materialart, Volumen und Struktur vielfältig variiert und an den jeweiligen Verwendungszweck angepaßt werden. Entsprechend groß ist die Vielfalt der aus Kombinationen erfindungsgemäßer Module aufgebauten Wärmetauscher. Liste der Bezugszeichen 100 Außenrohr
102 Innenrohr
104 Füllmasse
106 Gehäuse
108 offene Längsseite
110 teiloffene Längsseite
112 Mantelrohr
114 Verteilerraum
116 zentrales Rohr
118 nächstäußeres Rohr

Claims

1. Wärmetauschermodul, gekennzeichnet durch

a) ein Gehäuse (106), das eine äußere Wand hat;

b) wenigstens ein Rohr (102, 116, 118), das mit Abstand von der Wand im Inneren des Gehäuses (106) angeordnet und von einem Primärfluid durchströmbar ist;

c) eine zwischen dem Rohr (102, 116, 118) und der Wand befindliche poröse Füllmasse (104), die aus miteinander und mit dem Rohr (102, 116, 118) versinterten Partikeln gut wärmeleitenden Materials besteht und von einem Sekundärfluid durchströmbar ist.

2. Wärmetauschermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (106) ein zentral angeordnetes Rohr (102) enthält.

3. Wärmetauschermodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (106) mehrere parallele, mit Abstand voneinander angeordnete Rohre (102) enthält, und daß der Raum zwischen den Rohren (102) von der Füllmasse (104) eingenommen wird.

4. Wärmetauschermodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (106) mehrere, in koaxialer Anordnung einander umschließende Rohre (116, 118) enthält, deren Zwischenräume alternierend von dem Primärfluid durchströmbar bzw. von der Füllmasse (104) eingenommen sind.

5. Wärmetauschermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllmasse (104) aus Sintermetall, insbesondere Bronze oder Edelstahl, speziell wasserstoffbeständigem Edelstahl besteht.

6. Wärmetauschermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Sekundärfluid wärmer als das Primärfluid ist.

7. Wärmetauschermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es von den Fluiden im Gegenstrom durchströmbar ist.

8. Wärmetauschermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es von den Fluiden im Kreuzstrom durchströmbar ist.

9. Wärmetauschermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es von den Fluiden im kombinierten Kreuz- Gegenstrom durchströmbar ist.

10. Wärmetauschermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es von den Fluiden im Gleichstrom durchströmbar ist.

11. Rohrbündel-Wärmetauscher mit mehreren Wärmetauschermodulen nach einem der Ansprüche 1 bis 10.

12. Rohrbündel-Wärmetauscher nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine bestimmte Anzahl Wärmetauschermodule parallel und/oder in Reihe geschaltet sind.

13. Verwendung eines Wärmetauschermoduls nach einem der Ansprüche 1 bis 10 oder Verwendung eines Rohrbündel-Wärmetauschers nach Anspruch 11 oder 12 für die Erwärmung von Wasserstoff, der einem Oxidationsprozess zugeführt wird, unter Nutzung der Abwärme des Oxidationsprozesses.