DE1917361U - Hochtemperatur-waermetauscher fuer gasfoermige medien. - Google Patents

Description

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Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Hochteroperatur-Wärmetauscher für gasförmige Medien

Neuerung
Die SrfiÄdioag betrifft einen Hochtemperatur-Wärmetauscher für gasförmige Medien, die durch eine Wand voneinander getrennt sind, mit Verwendung eines Zwisehentnediums für den Wärraetransport.

Das Bestreben, bei manschen thermischen Prozessen die Temperatur möglichst hoch zu halten, bringt es mit sich, dass Wärmetauscher für immer höhere Temperaturen notwendig werden. Es treten dabei Dichtungs- und Konstruktlonsprobleme auf, die oft nur durch unbefriedigende Kompromislösungen umgangen werden können. Vielfach werden auch bewegte fell« dazu benötigt, die aus naheliegenden Gründen störanfällig sind. Die für hohe Temperaturen geeigneten Werkstoffe wie z.B-, Keramik, Graphit usw. erfordern andere Konstruktionen als die konventionellen Wärmetauscher» auch sind diese Werkstoffe oft sehr unelastisch. Es müssen daher spezielle Bauprinzipien angewendet werden,

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wenn die insbesondere beim Anfahrren oder Abstellen zufolge der Volumen- oder Längenänderungen von Konstruktionselementen auftretenden Spannungen nicht zu Brüchen führen sollen.

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Diesen Forderungen entspricht der 3Sx£±xäm£gs%sim$3E& Wärmetauscher, der durch Wärmetauschelemente ausgezeichnet ist, die mit einem gut wärmeleitenden, bei der Betriebstemperatur des Wärmetauschers flüssigen Zwisehenipedium gefüllt sind und beidseitig der Trennwand in den StrSmungsweg der beiden wärme~ tauschenden Medien hineinragen. Ausführungsbeispiele dazu sind in der Zeichnung schematisch dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 eine Gesamtansicht des Hochtemperatur-Wärmetauschers;

Fig. 2 und 3 verschiedene Ausführungen von Wärmetauschelementen in Axialschnitt;

Fig. 4 einen Radialschnitt durch ein Wärmetauschelem^nt in vergrösserter Darstellung;

B¹Ig. 5 einen Füllkörper in perspektivischer Ansicht.

Aus Fig. 1 ist der Aufbau des Hochtemperatur-Wärmetauschers ersichtlich. Das Gehäuse 1 umschliesst den Strömungsweg der Gase, den eine durchgehende Trennwand 2 unterteilt. Die so entstandenen Kanäle werden von den beiden wärmetausehenden Medien durchströmt, was üblicherweise iin Gegenstrom erfolgt, wie die Pfeile andeuten. Beide Kanäle sind nochmals durch Querwände 3 in-Felder unterteilt, was einerseits aus Festigkeitsgründen zweckmässig ist, andererseits den Vorteil hat, dass je nach Bedarf einzelne Felder zu- und abgeschaltet werden können. Stabähnliche Wärmetauschelemente 4 ragen beidsei-

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tig der Trennwand 2 in den Strömungsweg der beiden Medien hinein und bewirken den Wärmetransport vom heissen zum kälteren Medium.

Den Aufbau eines solchen Wärmetauschelements zeigt Fig. 2. Der rohrförjnige Mantel 3> der bei dieser Ausführung unten geschlossen ist, besteht aus einem hochhitzebestandigen Werkstoff, beispielsweise aus Keramik oder Graphit, soll aber möglichst gut wärmeleitend sein. Der Mantel stützt sich nahe der Mitte mit dem Bund 6 auf der Trennwand 2 auf. Durch diese zweckentsprechende Halterung an nur einer Stelle kann sich der Mantel nach beiden Seiten hin frei dehnen und gleichzeitig 1st dadurch eine hinreichende Abdichtung zwischen den beiden wärmetauschenden Medien erreicht. Es wäre auch möglich, den Mantel nur an der oberen Gehäusewand 1 zu befestigen, so dass er sich nach unten ausdehnen könnte,') doch wäre damit das Dichtungsproblem beim Durchtritt durch die Trennwand noch nicht gelöst. Es ist zwar an dieser Stelle keine absolute Dichtheit notwendig, aber doch eine weitgehende Dichtheit erwünscht.

Das Wärmetauschelement ist mit einem Zwischenmedium gefüllt, das gut wärmeleitend sein soll und bei der Betriebstemperatur des Wärmetauschers flüssig sein muss. Auch darf es bei den vorkommenden Temperaturen weder mit dem Werkstoff des Mantels noch mit Jenem wärmetausehenden Medium, mit dem es bei oben offenem Mantel in Berührung kommt, reagieren. Das Zwisonen-

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medium kann ein beliebiger* bei Zimmertemperatur fester oder flüssiger Stoff sein; vorzugsweise kommen dafür geschmolzene Metalle wie Zinn, Aluminium, Kupfer usw. in Frage« Aus Gründen, die später noch dargelegt werden, ist es vorteilhaft, wenn die Volumenänderung des Zwischenmediums beim Schmelzen praktisch null ist. Dieser Forderung entspricht z.B. eine Legierung, die aus 44,5 Gewichtsprozent Blei und 55*5 Gewichtsprozent Wismut besteht.

Der Wärmetransport im Wärmetauschelernent erfolgt durch nutzung der natürlichen Konvekti onss trörnung des Zwischenmedlums oder durch eine künstliche Strömung, die, durch mechanische Mittel hervorgerufen wird. Das Zwisehenmedium nimmt dabei durch den Mantel 5 Wärme aus den? heissen Gasstrom auf und gibt sie - wieder durch den Mantel hindurch - an den kühleren Gasstrom ab. Zur besseren Trennung der gegenläufigen Strömung im Zwischenmedium kann ein Innenrohr 7 vorgesehen werden, das aus möglichst gut wärmeisolierendem Werkstoff hergestellt ist und in bekannter Weise iffl Mantel gehalten wird. Ütn eine Konvektionsströraung aufgrund der Dichteuntersehlede im Zwischenmedium herbeizuführen, muss der heisse Gasstrom unten und der kältere oben angeordnet sein. Das im unteren Mantelteil erhitzte Zwischenmedium kann darin zwischen Mantel 5 und Innenrohr 7 aufsteigen, gibt einen Teil seiner Wärme im oberen Mantelteil ab und strömt im Irinenr©hr wieder nach unten.

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Das Durchnesserverhältnis vom Innenrohr zurr: Mantel wird aufgrund der bestehenden Temperaturverteilung und der physikalischen Eigenschaften des Zwischenmediums so gewählt, dass sich die grösstmögliche Geschwindigkeit der KonvektionsstrÖmung ausbildet. Die Länge des wärmeaufnehmenden im Verhältnis zur Länge des wäraeabgebenden Mantelteils wird so berechnet, dass die mittlere Temperatur des Zwischenme&iums etwa in der Mitte zwischen der Temperatur des heissen und des kälteren Gasströms liegt. ' . ..·.-.

Durch mechanische Mittel kann die natürliche KonvektionsstrÖmung unterstützt werden, sie können aber auch dazu dienen, eine künstliche Strömung hervorzurufen. Letzteres bietet die Möglichkeit, nach Belieben auch den heissen Gasstrom oben und den kälteren unten anzuordnen, oder die Wärmetauschelemente • bei senkrechter Trennwand horizontal einzubauen, nur müssen in diesem Fall die Mäntel beidseitig abgeschlossen sein, um ein Auslaufendes Zwischenmediums zu verhindern^

Als Beispiel eines solchen mechanischen-Mittels zeigt Pig. ein Rührwerk 8, das von aussen her Über den Antrieb 9 betätigt vfird. Als weiteres Beispiel wäre eine elektromagnetische Pumpe zu nennen.4 was allerdings voraussetzt», dass das Zwisctheamediurr. elektrisch leitend ist. Die dazu notwendige Energie kann von Thermoelementen geliefert werden, zu deren Betrieb die Temperaturdifferenz zwischen den beiden wärmetauschenden Medien oder zwischen dem heissen Gasstrom uM,einem geeigneten tiefen Temperaturniveau ausgenützt wird.

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Die für den Mantel in Präge kommenden Werkstoffe haben oft nur eine verhältnisraässig geringe Zug-, jedoch eine wesentlich bessere" Druckfestigkeit. Wenn zur Erzeugung einer natürlichen Konvektionsströmung der heisse Gasstrom unten ist und, wie normalerweise der Fall, der Druck im kälteren Gasstrom grosser ist als im heissen, dann entsteht im Mantel eine hohe Zugbeanspruchung, solange über dem Flüssigkeitsspiegel des Zwischenmediums derselbe Druck wie im kälteren Gasstrom herrscht. Dieser Nachteil der hohen Werkstoffbeanspruchung kann durch Erniedrigung des Druckes über dem Flüssigkeitsspiegel vermieden werden.

Eine Verwirklichung dieses Gedankens zeigt Fig. J, Der Mantel 10 ist durch einen dicht sitzenden Stopfen 11 abgeschlossen, durch den ein Absaugrohr 12 vom Hohlraum 13 über dem Flüssigkeitsspiegel zu einem (nicht gezeichneten) Unterdrucksystem führt. Der Druck in diesem System muss der Dampfdruck-· kurve des Zwischenmediums angepasst werden, um dessen Sieden zu vermeiden. Ein Teil des Absaugrohres besteht aus einem Faltenrohr 14, um Wärmedehnungen des Mantels ausgleichen zu können. Der Durchbruch durch die Gehäusewand 1 ist mit einer gasdichten Abdeckung 15 verschlossen. Der Stopfen 11 kann auch zur Halterung des Innenrohrs 16 dienen, das mit Durchbrüchen versehen ist. IJm das während des Betriebes durch den Mantel herausdiffundierende Zwischenmedium ersetzen zu können, ist bei l8 eine Zufuhrmöglichkeit vorgesehen, die auch zum ersten Einfüllen verwendet werden kann.

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Beim praktischen Einsatz des Wärmetauschers können sich Schwierigkeiten ergeben, wenn er ausser Betriet) gesetzt wird und das Zwischenmedium während der Abkühlung erstarrt. Durch die Wärmedehnungen beim Wtederaufheizen können der Mantel und das Innenrohr gesprengt werden. Um dies zu vermeiden, können verschiedene Mittel angewendet werd*n.

Eines davon wurde bereits genannt. Es besteht darin, ein solches Zwischenmedluffl auszuwählen, das beim Schmelzen eine möglichst geringe Voluraenänderung aufweist. - Ein anderes Mittel besteht darin, die Wärmetauschelemente zu entleeren, solange das Zwischenmedium noch flüssig ist. Eine Einrichtung dafür zeigt Pig. J. Der Mantel 10 weist auch unten eine Oeffnung auf, die von einem trichterförmigen Einsatzstück 19 abgeschlossen ist, welches auoh als zusätzliche Halterung für das Innenrohr 16 verwendet werden kann. Durch Entfernen des Stopfens SO fliesst das Zwischenmedium aus -und wird ausserhalb des Gehäuses 1 aufgefangen. Eb ist vorteilhaft, das ausfliessende Zwlschenmediura zu Körpern zu vergiessen, die zum neuerlichen Gebrauch des Zwisehenmediums in die Wärmetauschelemente eingesetzt werden. Es können das z.B. ringförmige Scheiben sein, deren Aussendurchmesser etwas kleiner als der Innendurchmesser des Mantels ist und in deren Hohlraum das Innenrohr Platz findet-

Das Sprengen des Mantels kann auch dureh elastische Füllkörper 21 verhindert werden, welche die Wärmedehnungen des

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schmelzenden Zwischenmediurns aufnehmen. Ein Beispiel für ihren Einbau zeigt Pig. h, welche einen Querschnitt durch ein Wärmetauschelement darstellt. In Fig. 5 ist ein einzelner Füllkörper veranschaulicht. Sie bestehen aus korrosionsfreiem., hitzebeständigen Blech und sind innen hohl. Ihre Anzahl pro Wärmetauscheleinent wird so bestimmt, dass sie die Wärmedehnungen des Zwischenmediums ohne bleibende Formänderung aufnehmen können.

Bei dieser Ausführung ist aber auch das Innenrohr durch die Wärmedehnungen beim Schmelzen des in seinem Inneren erstarrten Zwischenmediums gefährdet. Eine Abhilfe besteht darin, dass das Innenrohr aus zwei oder mehreren, zweckmässigerweise gleichen,längs Mantellinien einander berührenden Teilen zusammengesetzt ist. Eine besondere Dichtung zwischen diesen Teilen ist nicht nötig, da die Trennung der gegenläufigen Strömungen ausserhalb und innerhalb des Innenrohres nicht vollkommen sein muss.

Der beschriebene Wärmetauscher eignet sich insbesondere für hohe und höchste Temperaturen, wie sie beispielsweise bei magnetohydrodynamischen Generatoren vorkommen. Durch die Halterung der dabei verwendeten Wärmetauschelemente an nur einer Stelle und ihre freie Ausdehnungsmöglichkeit entfallen die sonst ilblichen und gefürchteten Dichtungsprobleme, die oft nur schwer oder ungenügend zu lösen sind. Ein weiterer Vorteil bei der Ausführung mit natürlicher KonvektionsstrÖmung liegt

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darin, dass keine-bewegten Teile vorkommen. Die Schwierigkeiten, die sich sonöt bei der Verwendung geschmolzener Metalle für den Wärmetransport ergeben^ sind vermieden bzw* durch geeignete Mittel umgangen. Jedes W^rrnetauschelement stellt eine in sich geschlossene Einheit dar, ist gut zugänglich und kann im Falle einer Beschädigung oder natürlichen Abnützung raschen ausgewechselt Werden* Der Väiirifetauscher ist einfach ifn Aufbau und Kann leicht kontrolliert werden.

Claims (12)

RA.0T5 Schuifezansprüchej

1. Hochtemperatur-Wärmetauseher für gasförmige Medien, die durch eine Wand voneinander getrennt sind, mit Verwendung eines Zwischenmediums für den Wämietransport, gekennzeichnet durch Wärmetausehelemente (4), die mit einem gut wärmeleitenden, bei. der Betriebstemperatur des Wärmetauschers flüssigen Zwischenmedium gefüllt sind und beidseitig der Trennwand (2) in den StrSrnungsweg der beiden wärmetauschenden Medien hineinragen.

_f 2, Hochtemperatur-Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Wärmetauschelement (4) nur an.einer Stelle gehaltert ist.

3. Hochtemperatur-Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch' gekennzeichnet, dass die Trennwand (2) als Halterung für die Wärmetauschelemente (4) dient.

• 4. Hochtemperatur-Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetransport im Wärmetauschelement (4) durch Ausnutzung der natürlichen Konvektionsstrb'mung des Zwischenmediums erfolgt.

5. Hochtemperatur-Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mechanische Mittel die Konvektionsströmung unterstützen.

6. Hochtemperatur-Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetransport im Wärmetauschelement (4) durch eine künstliche Strömung des Zwischenmediums erfolgt, die durch mechanische Mittel hervorgerufen wird.

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7. Hochtempera tur~Wä"rme tauscher nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass als mechanisches Mittel ein Rührwerk (8) vorgesehen ist.

8. Hochtemperatur-Wärmetauscher nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass als mechanisches Mittel eine elektromagnetische Pumpe vorgesehen ist.

9» Hochtemperatur-Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Antrieb der elektromagnetischen Pumpe elektrische Snergle aus Thermoelementen verwendet wird.

10. Hochtemperatur-Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Betrieb der Thermoelemente die Temperaturdifferenz zwischen den beiden wärraetauschenden Medien ausgenützt wird.

11. Hochtemperatur-Wärmetauscher nach Anspruch 4 bis 6,- gekennzeichnet, durch ein Innenrohr (7,16) zur Trennung der gegenläufigen Strömungen im

12. Hochtemperatur-Wärmetauscher nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr (7·16) aus mindestens zwei gleichen, längs Mantellinlen einander berührenden Teilen besteht.

l^Hochtemperatur-Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Zwischenmedlum ein geschmolzenes Metall verwendet wird.

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l4. Hochteraperatur-Wärmetauscher nach Anspruch I₁/ gekennzeichnet, durch Mittel (19* 20) zur Entleerung der Wärmetauschelemente (4). · .

15« Hochteraperatur-Wärmetauscher nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das ausfliessende Zwischenmedium zu Körpern vergossen wird, die zum neuerlichen Gebrauch des Zwi- ■ schenmediums in die Wärraetauschelemente (4) eingesetzt werden.

l6. Hochtemperatur-Wärmetauseher nach Patentanspruch, gekennzeichnet durch elastische Füllkörper (21), welche die Wärmedehnungen.des schmelzenden Zwisehenmediums aufnehmen.

17» Hochtemperatur-Wärmetauscher nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel (11,12,14,15) zur Erniedrigung des Druckes Über dem Flüssigkeitsspiegel des Zwischenmediums 'in den Wärmetauschelementen (4).

Aktiengesellschaft BROWN, BOVERI & GIE.