DE1501591C3 - Kreuzstromwärmetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kreuzstromwärmetauscher gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einem bekannten solchen Kreuzstromwärmetauscher (US-PS 3 014 702) sind die Wärmeübertragungsflächen des Verrippungskörpers von einem den Wärmetauschraum einnehmenden Lamellenpaket mit radial von den Rohren abstehenden, an diesen z. B. hart angelöteten, Lamellen gebildet. Bei Kreuzstromwärmeaustauschern mit Verrippungslamellen kann das erste Fluid mit verhältnismäßig geringem Widerstandsverlust den Wärmetauschraum radial durchfließen.

Es ist auch schon bekannt, einen Verrippungskörper statt aus Lamellen aus einem porösen Material aufzubauen, durch das das Fluid in wechselnden Richtungen hindurchfließen kann und das eine wesentlich größere Wärmetauschfläche pro Volumeneinheit als Lamellenpakete darbietet. So ist bereits ein Kreuzstromwärmetauscher bekannt (FR-PS 1 397 095), bei dem der poröse Körper durch Einrieseln von kugeligen Teilchen in eine vom Kreuzstromwärmetauscher gebildete Begrenzung, Vibrationsverdichtung und anschließende metallurgische Bindung der Teilchen untereinander und auf den Begrenzungswänden durch Hartlöten gebildet wird. Bei diesem bekannten Kreuzstromwärmetauscher ist kein Zentralkanal im Verrippungskörper vorgesehen, sondern das im Kreuzstrom geführte Fluid durchquert den Verrippungskörper in dessen Längsrichtung in Zickzack unter mehrfacher Richtungsänderung von der einen Umfangsseite zur entgegengesetzten und zurück. Hierdurch entsteht ein sehr großer Druckabfall in diesem Fluid.

Es ist auch schon ein Rohrbündelwärmetauscher mit einem äußeren Ringkanal und einem Zentralkanal bekannt (DT-PS 198 502), die zwischen sich den axial von Wärmetauschrohren durchsetzten Wärmetauschraum abgrenzen, der durch Trennwände so unterteilt ist, daß ίο das außerhalb der Wärmetauschrohre fließende Fluid in einer mehrfachen Umlenkbewegung in Umfangsrichtung des Wärmetauschraums geführt ist. Diese bei Rohrbündelwärmetauschern die Wärmeübertragungsstrecke vergrößernde Maßnahme würde bei Übertragung auf Kreuzstromwärmetauscher, deren Verrippungskörper von einem porösen Körper gebildet ist, zu hohen Druckverlusten des im Kreuzstrom geführten Fluids führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kreuzstromwärmetauscher unter Verwendung eines porösen Körpers als Verrippungskörper zu schaffen, der ein ausgewogenes Verhältnis von Wärmetauschfläche, Druckabfall sowie räumlichem und konstruktivem Aufwand zeigt.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich bei einem gattungsgemäßen Kreuzstromwärmetauscher aus dem Kennzeichen von Anspruch 1.

Durch die Form des porösen Verrippungskörpers als Hohlzylinder wird erreicht, daß sich die von den Rohren abgeteilten Leitkanäle nur relativ wenig von radial außen nach radial innen verengen und so über ihre ganze Länge einen nur mäßigen Strömungswiderstand zeigen. Eine für ausreichende Wärmeübertragung ausreichende Wärmetauschstrecke wird durch doppelte radiale Durchquerung der porösen Zylinderschale des Verrippungskörpers erreicht, wobei der Zentralkanal als Sammelkammer dient. Bei gewünschtem großen Durchsatzquerschnitt braucht lediglich die Länge des Verrippungskörpers erhöht zu werden, wobei dann zugleich der Strömungswiderstand proportional weiter abnimmt. Der konstruktive Aufwand ist gering, da die Rohre selbst die Leitkanäle abteilen und lediglich im Ringkanal zwei Trennwände eingebaut werden müssen. Zur Abteilung der Leitkanäle im Verrippungskörper eignen sich besonders Rohre mit elliptischer Ausbildung des Rohrquerschnitts. Eine elliptische Ausbildung des Rohrquerschnitts ist bei nicht in einem Verrippungskörper eingebetteten Wärmetauschrohren in Abgaslufterhitzern an sich bekannt (DT-PS 696 033). Alternativ kann man aber auch eine radial gestapelte Anordnung von Rohren kreisförmigen Querschnitts vorsehen.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispiels an schematischen Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Kreuzstromwärmetauschers,

F i g. 2 einen Querschnitt des Kreuzstromwärmetauschers von F i g. 1 entlang der Linie VI-VI,
Fig. 2A einen vergrößerten Ausschnitt von F i g. 2,

Fig.3 einen Längsschnitt des Kreuzstromwärmetauschers von Fig. 1 entlang der Linie VII-VII von F i g. 2 und

F i g. 4 eine Frontansicht einer der im Kreuzstromwärmetauscher von F i g. 1 verwendeten Siirnplatten.

Der Kreuzstromwärmetauscher 110 wird von einem ersten und einem zweiten Fluid beaufschlagt, die miteinander in Wärmeaustausch treten. Das z. B. zum Er-

hitzen oder Kühlen verwendete zweite Fluid wird in den Kreuzstromwärmetauscher 110 an dessen einem Ende eingeführt, was durch den Pfeil 111 gezeigt ist, und tritt am gegenüberliegenden Ende in Richtung des Pfeiles 112 aus. Das z. B. zu kühlende oder zu erhitzende erste Fluid tritt in den Kreuzstromwärmetauscher 110 durch einen Stutzen an dessen einer Seite ein und fließt in Richtung des Pfeiles 113, durchfließt in einem Kreislauf den Kreuzstromwärmetauscher und tritt durch den gleichen oder einen gesonderten Stutzen in Richtung des Pfeiles 114 aus. Es können beliebige Fluide verwendet werden; beispielsweise kann das bei 111 eingeführte zweite Fluid Wasser und das bei 113 eingeführte erste Fluid öl sein.

Die Einzelheiten des Kreuzstromwärmetauschers 110 sind in den F i g. 2,2A, 3 und 4 gezeigt. Der Kreuzstromwärmetauscher 110 besteht aus einem Mantelrohr 115, in welchem zwei zylindrische Gitter 116 und 117 angeordnet sein können. Zwischen den Gittern 116 und 117 ist eine Mehrzahl von Rohren 118 mit elliptischer Ausbildung ihres Rohrquerschnitts längs einer Kreisbahn angeordnet. Diese Rohre 118 sind in F i g. 2A deutlicher gezeigt. Alternativ können neben anderen möglichen Konfigurationen auch Rohre kreisförmigen Querschnitts auf einer Kreisbahn ausgefluchtet, d. h. radial gestapelt, vorgesehen werden. Die Gitter 116 und 117 sowie die Rohre 118 sind an die gleichartigen Stirnplatten 119 und 120 befestigt. Ausgefluchtet mit den Rohren 118 haben sie Öffnungen 120', jedoch keine zentrale Öffnung. Die Stirnplatten 119 und 120 werden an der Innenseite des Mantelrohres 115 befestigt. Die Stutzen 121 und 122 werden an die Stirnplatten 119 und 120 angebracht. Im Mantelrohr 115 ist ein kombinierter Einlaß- und Auslaßstutzen 123 mit einer Einlaßöffnung 124 und einer Auslaßöffnung 125 angebracht. Man kann aber auch getrennte Einlaß- und Auslaßstutzen in beliebiger Stellung am Mantelrohr 115 anordnen. Die Einlaßöffnung 124 steht in Verbindung mit einem äußeren Ringkanal 126, der zwischen dem Gitter 117 und der Innenwand des Mantelrohres 115 ausgebildet ist. In diesem Ringkanal 126 sind zwei Trennwände 127 und 128 angeordnet, welche den äußeren Ringkanal 126 in einen ersten äußeren Umfangssektor 129 auf der einen Seite der Trennwände 127 und 128 und einen zweiten äußeren Umfangssektor 130 auf der anderen Seite dieser Trennwände unterteilen.

Um die Rohre 118 herum ist ein Verrippungskörper 132 aus durchlässigem oder porösem Metall angeordnet, der sich über die gesamte Länge der Rohre 118 erstreckt. Eine zweckmäßige Herstellungsweise des Verrippungskörpers 132 wird später beschrieben. Es ist ersichtlich, daß der Ringkanal 126 mit dem Zentralkanal 131 in Verbindung steht. Das zweite Fluid tritt durch den Stutzen 121 in den Kreuzstromwärmetauscher ein, folgt dem gestrichelten Pfeil 133 durch die Rohre 118, tritt durch die Öffnungen der Stirnplatten 119 und 120 und dann durch den Stutzen 122 aus. Das erste Fluid tritt in den Kreuzstromwärmetauscher durch die Einlaßöffnung 124 des Stutzens 123 ein und folgt dem Weg der Pfeile 134, strömt in den ersten Umfangssektor 129, dann durch das Gitter 117 und durch den durchlässigen Verrippungskörper 132, und gelangt durch das Gitter 116 in den Zentralkanal 131. Aus diesem strömt das erste Fluid durch das Gitter 116 und den durchlässigen Verrippungskörper 132 in den zweiten Umfangssektor 130, aus welchem es durch die Auslaßöffnung 125 im Stutzen 123 austritt. Während dieser Strömung hat das durch den Verrippungskörper 132 strömende erste Fluid seine Wärmeaustauschfunkiion mit dem durch die Rohre 118 strömenden zweiten Fluid erfüllt.

Der Kreuzstromwärmetauscher 110 kann für solche Zwecke verwendet werden, bei welchem man das eine (zweite) Fluid direkt durch den Wärmetauscher führen will, wie durch die Pfeile 111 und 112 gezeigt ist. Es ergibt sich ferner eine Mehrzahl von Durchgängen des anderen (ersten) Fluids durch den durchlässigen Verrippungskörper. Wie in F i g. 2 gezeigt, tritt dieses Fluid durch den Verrippungskörper 132 zunächst auf dem Weg in den Zentralkanäl 131 und dann ein zweites Mal auf seinem Wege nach auswärts hindurch.

Die Gitter 116 und 117 sind für die Funktion der Vorrichtung nicht von entscheidender Bedeutung und können gegebenenfalls weggelassen werden. Die Gitter 116 und 117 halten jedoch gelockerte Teilchen zurück und vereinfachen die Herstellung.

Der Verrippungskörper 132 mit den von ihm eingeschlossenen Rohren 118 kann dann an den Stirnplatten 119 und 120 befestigt und in das Mantelrohr 115 eingesetzt werden. Vorzugsweise verwendet man die zylindrischen Gitter 116 und 117 zur Erleichterung der Montage. Die Rohre werden zuerst in dem gewünschten Muster zwischen den Stirnplatten ausgefluchtet mit deren Öffnungen angeordnet, und dann wird das kleinere Gitter 116 auf den inneren Durchmesser des von den inneren Kanten der Rohre 118 gebildeten Zentralkanals 131 eingesetzt. Das größere zylindrische Gitter 117 wird dann um die Rohre 118 herum angeordnet. Diese zylindrischen Gitter erstrecken sich über den gesamten Abstand der beiden Stirnplatten und können aus jedem gewünschten Material bestehen, z. B. aus Kupferdrahtnetz einer bestimmten lichten Maschenweite. Danach wird der Wärmetauschraum um die Rohre 118 mit meist kugeligen Metallteilchen angefüllt, die in dem Wärmetauschraum zwischen den Gittern 116 und 117 gehalten werden sollen. Die Metallteilchen werden durch Schwerkraft in den begrenzten Wärmetauschraum gegeben und hierauf durch Vibration zu einer gleichmäßigen, kompakten Masse geformt. Die Größe der Poren in dem schließlich erhaltenen durchlässigen Körper hängt stark von der gewählten Teilchengröße ab. Der Körper aus den derart verdichteten und eingefüllten Teilchen wird anschließend einem metallurgischen Verfahren unterworfen und z. B. hart gelötet, so daß man eine metallische Bindung der Teilchen untereinander sowie mit den Rohren 118 erhält. Auf diese Weise erhält man einen durchlässigen Körper, dessen Schüttgewicht nur einen Bruchteil des spezifischen Gewichts des Metalls oder der Legierung beträgt, aus dem die Teilchen bestehen. Darüberhinaus wird dabei der durchlässige, poröse Körper und dessen Behälter ebenfalls metallisch verbunden. Die Hartverlötung des gesamten Aufbaus führt also zu einer festen metallischen Bindung zwischen den verschiedenen Teilchen des durchlässigen Körpers, dem Verrippungskörper und den Gittern 116 und 117, dem Verrippungskörper und den Stirnplatten 119 und 120 sowie dem Verrippungskörper und den Rohren 118. Die Gitter halten dabei nicht nur lockere Teilchen des durchlässigen Körpers zurück, sondern der gesamte Aufbau ist erheblich vereinfacht.
Die radiale Strömung des ersten Fluids ermöglicht einen hohen Wärmeübergang mit einem Mindestmaß an Druckabfall. Infolge der radialen Strömung wird das erste Fluid über die gesamte durchlässige Struktur des Verrippungskörpers in gleichmäßiger Weise und über

eine erheblich vergrößerte Wärmeaustauschfläche verteilt. Die Konstruktion des durchlässigen Verrippungskörpers sowie der Rohre und der Gitter hängt von dem beabsichtigten Verwendungszweck des Wärmetauschers ab, z. B. der thermischen Leitfähigkeit, der spezifischen Wärme, der Viskosität und der koordierenden Art des jeweils zum Wärmeaustausch verwendeten Fluids, der Gegenwart von verstopfenden Feststoffen in dem Fluid und dem zulässigen Druckabfall.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Kreuzstromwärmetauscher mit einem von einem radial äußeren Ringkanal und einem radial inneren Zentralkanal begrenzten Wärmetauschraum, durch den sich über seinen Umfang verteilte wärmeleitfähige Rohre axial erstrecken, mit denen ein die Länge des Wärmetauschraumes einnehmender Verrippungskörper wärmeleitend verbunden ist, dessen Wärmeübertragungsflächen sich zusammenhängend radial zwischen Ringkanal und Zentralkanal erstrecken, und mit Anschlüssen des Ringkanals und des Zentralkanals für ein erstes und Anschlüssen an die Rohre für ein zweites Wärmetauschfluid, dadurch gekennzeichnet, daß auch in axialer Richtung des Wärmetauschraums die Wärmeübertragungsflächen des vom ersten Fluid durchströmbaren, aus einem an sich bekannten porösen Material gebildeten Verrippungskörpers (132) zwischen dem Zentralkanal (131) und dem Ringkanal (126) fortlaufend zusammenhängen, daß die Rohre Leitkanäle für das erste Fluid abgrenzen, die im porösen Verrippungskörper jeweils radial verlaufen, und daß der Zentralkanal eine an beiden Stirnseiten (119, 120) abgeschlossene Kammer (131) bildet und der Ringkanal (126) durch zwei radiale Trennwände (127, 128) in Umfangssektoren (129, 130) unterteilt sind, die über dem Zentralkanal für das erste Fluid hintereinander geschaltet sind.

2. Kreuzstromwärmetauscher nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch radial gestapelte Anordnung von Rohren kreisförmigen Querschnitts.

3. Kreuzstromwärmetauscher nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch elliptische Ausbildung des Rohrquerschnitts.