DE1964377A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Waermeaustausch zwischen zwei Medien - Google Patents

Description

Georg Hansmann VDI

Patent - Ingenieur 2 Hamburg ZO (Altona) Julius-Leber-Straße 21

P. 3155

"Verfahren und Vorrichtung zum Wärmeaustausch zwischen zwei Medien"

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Wärmeaustausch zwischen zwei Medien.

Es sind Gaskühler bekannt, die durch Wärmeübertragung vom Heissgas an eine Wand und von der Wand an ein Kühlmittel arbeiten. Auch die Wärmeübertragung durch Speicherung, z.B. Winderhitzer, Ljungström-Kühler oder beim Stirling-Motor, ist bekannt« Schliesslich wurde auch bereits der Wärmeentzug ohne eine Wand durch direkte Einspritzung unter Ausnutzung der Verdampfungswärme durchgeführt.

Bei diesen bekannten Verfahren ist die Wärmeübertragung begrenzt. Der Wärmeübergang von einem flüssigen Kühlmedium an eine Wand ist erheblich größer als vom Gas an eine Wand. Da aber gekühlte Heizflächen wandseitig und gasseitig fast immer die gleiche Heiz- bzw· Kühlfläche haben, wird die Wand-

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temperatur nur unwesentlich über der Temperatur des Kühlmediums liegen. Es besteht wohl ein großer Temperatursprung zwischen Heissgas und Wand, aber dort gerade ist der Wärme-Übergang schlecht.

Die Wärmedurchgangszahl dieser Art Kühler ist nur begrenzt steigerungsfähig, etwa durch Rippen, wodurch dann aber der Strömungswiderstand steigt.

Die durch Speicherung wirkenden Kühler arbeiten schon intermittierend. Durch ihre Bauart und Anordnung im Gasstrom nimmt aber nur der Teil des Speichers, der zuerst vom Heissgas berührt wird, an der großen Temperaturdifferenz teil, während die nachgeschalteten Flächen allmählich nur noch geringere Schwankungen zwischen heiss und kalt durchlaufen.

Die durch Einspritzung arbeitenden Kühler sind zunächst sehr wirkungsvoll, weil sie keine kühlfläche benötigen. Sie erfordern aber eine sehr intensive und feine Zerstäubung des Wassers (hoher Pumpendruck, viele Düsen und viel Wasser). Ihr Nachteil besteht darin, dass das verdampfte Wasser bei Unterschreitung des Taupunktes sich als Nebel niederschlägt, und dass Versalzungen oder Korrosionen etc. auftreten können.

Aufgrund der Unvollkommenheiten, die den bekannten Kühlmethoden anhaften, wäre derjenige Wärmeaustauscher am wirkungsvollsten, bei dem fast die gesamte Kühlfläche das größte Temperaturspiel durchläuft, wobei diese entsprechend den verschiedenen WärmeÜbergangszahlen, Gas auf Wand, Wand auf Wasser oder Wand auf Gas, verschieden groß sein kann. Bei Wasserkühlung muß ferner der Anteil der Verdampfungskühlung so gering gehalten werden, daß eine Nebelbildung nicht erfolgt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen intermittierenden Wärmeaustausch durchzuführen, bei dem die höchste Temperaturdifferenz dadurch erzielt wird, dass die ganze Kühlfläche sich

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kurzzeitig aufheizen kann (bis auf annähernd Heissgastemperatur), und dann rieder kurzzeitig abgekühlt wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das eine Medium seine Wärme bzw. Kälte durch Konvektion an rotierende Körper abgibt und diese Körper von dem anderen Medium angeströmt werden, derart, dass diese rotierenden Körper an jedem Flächenelement durch Konvektion und Wärmefluss das höchst erreichbare Temperaturspiel stetig durchlaufen. Die rotierenden Körper in Form von Scheiben werden vom Heissgas umströmt und aufgeheizt, bis sie fast die Gastemperatur erreicht haben. Wenn sie ihre %

höchste Temperatur erreicht haben, werden sie aus der heißen Zone herausgedreht und dabei durch den Zweitstoff wieder gekühlt. Da der Wärmeübergang von Gas an Wand viel schlechter ist, als der von Wand an Flüssigkeit, kann bei Flüssigkeitskühlung die mit der Flüssigkeit gekühlte Oberfläche wesentlich kleiner sein. Voraussetzung für das ^T"2ngavolle Arbeiten dieser Einrichtung ist allerdings, dass die Materialquerschnitte der Scheiben gross genug sind, um die Wärme so schnell wie möglich zu speichern bzw. fortzuleiten·

Im Rahmen des Verfahrens nach der Erfindung wird der Wärmeaustausch zwischen zwei gasförmigen Medien vorteilhaft im Gegenstrom vorgenommen, währendder Wärmeaustausch zwischen einem gasförmigen und einem flüssigen Medium im Gleichstrom erfolgt«

Zur Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung ist vorgesehen, dass im Bereich des Zusammenströmens der beiden Medien eine oder mehrere volle oder hohle Scheiben auf einer Welle drehbar angeordnet sind. Die Drehung der Scheiben gestattet, sie unterbrochen der Höchsttemperatur auszusetzen. Sie sollen sich so langsam drehen, dass sie in der Flammenzone die für das Material höchstzulässige Temperatur annehmen. Die niedrigste Temperatur der Scheiben ist duroh die Temperaturdifferenz zwischen austretendem Heizgas und eintretendem Gas bestimmt.

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Vorteile des Verfahrens

Bei einem Wärmeaustausch gemäß dem Verfahren und einer Vorrichtung nach der Erfindung wird nur ein Bruchteil normaler Oberflächenkühler beansprucht·

Nun gibt es z.B. im Fahrzeugbau (Schiff und Lokomotive) Fälle, in denen bei Dieselmotoren eine Erniedrigung der Abgastemperaturen dringend gefordert wird. Ein Wärmetauscher nach dem Verfahren und nach der Vorrichtung der Erfindung bringt aber hier noch besondere Vorteile, denn die plötzliche Abkühlung hat auch eine starke Schalldämpfung und Verkleinerung der Abgasleitungen sowie deren Isolierung zur Folge.

Je höher der Gasdurchsatz der.Wärmekraftmaschine, desto größer werden auch die Vorteile, z.B. bei Gasturbinen mit ihrem, gegenüber dem Diesel, etwa 4-5 mal höherem Gasdurchsatz! Ein besonders wichtiges Gebiet kann durch das Verfahren erschlossen werden, wenn es gelingt, eine Vorrichtung zu schaffen, die unter Beibehaltung des Verfahrens eine druckdichte Trennung beider Medien ermöglicht.

In den Zeichnungen sind einige Ausführungsbeispiele der nach dem Verfahren der Erfindung arbeitenden Wärmetauscher dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Wärmetauscher Gas / Wasser im Schema

Fig. 2 einen Wärmetauscher Gas / Wasser in Ansicht

Fig. 3 einen Wärmetauscher Gas / Wasser eine Draufsicht

Fig. 4 einen Wärmetauscher Gas / Wasser

in der Abgasleitung einer Gasturbine

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Pig, 5 einen Wärmetauscher Gas / Gas für kleine Druckdifferenzen

Pig. 6 einen Wärmetauscher Gas / Gas druckdicht für große Druckdifferenzen

Pig. 7 zwei Wärmetauscher Gas / Gas und einen Wärmetauscher Gas / Wasser schematises im geschlossenen Kreislauf.

In Pig. 1 ist in einem Gehäuse 1 eine Scheibe 2 in Pfeilrichtung 5 drehbar angeordnet. Als ein Medium tritt heisaes Abgas g über den Anschluss 3 ein. Es tritt nach Abkühlung über den Anschluss 4 aus. Als zweites Medium wird Wasser über die Leitung 6 in Pfeilrichtung 7 auf die Scheibe 2 geleitet. Im Heissgasstrom dreht sich die Scheibe 2, die von einem Wasserstrahl angespritzt wird. Die Scheibe besteht aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit. Sie ist so ausgebildet, dass sie eine Wärmespeicherung durchführen kann. Das Wasser tritt bei 11 wieder aus.

Gemäß Pig. 2 und 3 ist eine, Vielfachanordnung von Scheiben 2 im Abgasstrom vorhanden. Eine Welle 8 wird durch einen Elektromotor oder dergl. über ein Getriebe mit veränderlicher Drehzahl angetrieben. Die Drehrichtung 5 ist entgegen der Durch-Strömungsrichtung der Abgase. Im unteren Teil ist eine Vorrichtung eingebaut, die es gestattet, die Scheiben 2 mit Wasser anzuspritzen. Nimmt man an, die Scheiben besitzen zunächst die Kühlwassertemperatur, dann werden sie, da sie gegen das Heissgas drehen, zunächst vom gekühlten Abgas und allmählich immer heisser bis zur Heiasgastemperatur auf ein Maximum erwärmt· Wenn sie am heissesten sind, werden sie durch das Wasser wieder auf annähernd Wassertemperatur zurüokgekühlt.

Die Scheiben drehen sich kontinuierlich. Der Kühlprozeß verläuft Intermittierend derart, dass jeder Funkt der Scheibe während einer Umdrehung die höchste und die niedrigste Temperatur durchläuft.

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Durch das Heissgas, das mit sehr hoher Geschwindigkeit den Kühler durchströmt, kann auch Wasser in flüssiger Form mitgerissen werden. Dieses Wasser wird durch ein Lochblech 9 wirkungsvoll abgeschieden, weil die Wassertropfen durch das Blech getrieben werden, während das Gas sich umlenken lässt.

Da das Einspritzwasser nur zu einem geringen Teil verdampft wird, muss der Rest abgeführt werden, und diese Abführung erfolgt in vorliegendem Fall durch einen Syphon-Verschluss 10, der eine Wassersäule hält, welche den Abgasdruck übersteigt.

Die Drehung der Scheiben 2 kann auch durch das eingespritzte Kühlwasser erfolgen. Je höher der Kühlwasserdruck ist, desto schneller werden sich die Scheiben drehen und desto größer würde die "Heizfläche" werden.

Die Fig. 4 zeigt eine Turbine 12. Das Abgas tritt in .Richtung 13 aus. Das in Richtung 7 eingespritzte Wasser wird über die Lochbleche 9 und die Leitungen 14 abgeführt. Zu beiden Seiten sind hier rotierende Scheiben 2 vorgesehen.

In Fig. 5 wird ein Wärmeaustausch zwischen zwei Gasen mit geringen Druckunterschieden dargestellt. In einer Brennkammer werden heiße Rauchgase 16 erzeugt. Die heißen Gase gelangen an zwei Scheibenanordnungen 2 mit einer Vielzahl von Scheiben 2, die parallel zueinander liegen. Sie rotieren in Pfeilrichtung von aussen nach innen. Die heißen Gase 16 erhitzen die Scheiben 2 im Bereich 18·

Im Gegenstrom wird Frischluft 19 als zweites Medium für Heizzwecke gegen die Scheiben 2 geführt. Die Scheiben 2 drehen mit ihren heißesten Flächenelementen gegen den Frischluftstrom 19» wodurch die Scheiben 2 gekühlt werden und ihre Wärme an die Frischluft abgeben. Ein Teil dieser erwärmten Frischluft kann z.B. als vorgewärmte Verbrennungsluft für den Brenner der Brennkammer 15 benutzt werden, während die aufgeheizte Frisch-

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luft 24 für Heizzwecke verwendet wird. Eine Regelung der !Temperatur ist mit üblichen Mitteln möglicli.

Die Trennung der Medien erfolgt bei geringen Druokunterschieden durch Gasleitkörper.

Zwischen den Scheiben 2 sind vorteilhaft Gasleitkörper 20 stationär angeordnet, die einen Leitkanal für das Rauchgas 16 bilden. Die Gasleitkörper sind einstellbar, so dass der Leitkanal verändert werden kann. Ausserhalt des Leitkanales flieset die erwärmte Frischluft. Die Gasleitkörper 2o können als Röhrchen, Profilstäbe oder in sonstiger Weise ausgebildet sein. Die Befestigungen 21 und 22 können verstellbar ausgebildet sein. Zwischen je zwei Scheiben 2 befinden sich die Gasleitkörper 20. Durch die Frischluftmenge, den eingestellten Druck und die Einstellung der Gasleitkörper 20 kann die Abgabe der Wärme von dem einen gasförmigen Medium an das andere gasförmige Medium geregelt werden.

Die Abgase der Brennkammer treten über die Leitung 23 aus. Die Gasleitkörper sind nicht absolut dicht, es besteht aber auf der Frischluftseite stets der höhere Druck, so dass höchstens Frischluft ins Abgas treten kann, aber nie umgekehrt.

Fig. 6 zeigt eine Torrichtung zur Durchführung des Verfahrens,bei der beide Medien druckdicht voneinander getrennt sind.

Dies geschieht folgendermassen:

Auf einer Hohlwelle 25 sind drehbare Hohlscheiben 26 aufgeschoben. Die Hohlwelle 25 ist im Gehäuse 3o gasdicht und fest angebracht. Die Hohlwelle 25 enthält ausserdem im Innern eine !Trennwand 27 und an ihrem Aussenmantel Einschnitte 28 und 29.

Das Heiesgas durchströmt das Gehäuse 30 von Richtung 31 nach 32. Es umströmt dabei die um die Hohlwelle 25 drehbaren Hohlscheiben Das kalte Gas tritt durch die Öffnung 38 unterhalb der Trennwand 27 in die Hohlwelle 25 ein, durch die Einschnitte 28 in den Innenraum der Hohlscheiben 26 (die Hohlscheiben 26 sind in der Zeichnung

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über den Einschnitten 28 und 29 fortgelassen), durchströmt diese entgegen der Richtung 31 - 32 in der Richtung 341 tritt aus dem Einschnitt 29 oberhalb der Trennwand 27 wieder in die Hohlwelle

25 und verlässt diese durch^ die Öffnung 35. Selbstverständlich kann die Funktion der Gasströme vertauscht werden. Die Pig. 6 ist nur als Beispiel dafür, dass im ganzen Wärmetauscher nur eine Abdichtung als Labyrinth oder Packung erforderlich ist, die zwischen der Hohlwelle 25 und den Scheiben 26 und an den Enden der Hohlwelle 25 liegen muss. Per Antrieb der Hohlscheiben

26 kann beispielsweise durch den Gasstrom selbst erfolgen, z.B. durch Schaufeln 36 in der Hohlwelle 25 und durch Schaufeln 37 im Innern der Hohlscheiben 26.

Mit einem Wärmetauscher nach Pig. 6, der die Vorteile der Gasdichtheit mit den übrigen Vorteilen der Erfindung verbindet, lassen sich z.B. auch dort geschlossene Prozesse anwenden, wo sie bisher wegen des hohen Platz- und Gewichtsbedarfes der Wärmetauscher scheiterten.

In Pig. 7 ist ein geschlossener Kreisprozess (Turbine oder Kolbenmaschine) dargestellt, der die Verwendung von drei druckdichten Gas / Gas - Wärmetauschern und einem Gas / Wasser - Wärmetauscher zeigt.

Der Brennstoff wird über die Leitung 39 zur Brennkammer 40 zugeführt. Die Verbrennungsluft gelangt über die Leitung 41 in die Brennkammer 40. Das Abgas wird über die Leitung 42 abgeführt. Die Wärmetauscher 43, 44 und 45 für einen Gas / Gas - Wärmetausch sind in die Gasleitungen 46 eingeschaltet. Weiter befindet sich ein Gas / Wasser - Wärmetauscher 47 im Wasserkühlkreis 48 - 49. Turbinen 50 und Kompressoren 51 sind in die Gasleitungen eingeschaltet und treiben den Abtrieb 52 an. Die Pfeile 53 in den Gasleitungen 46 zeigen den Weg des gasförmigen Mediums an.

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Claims (1)

1. - 9 Patentansprüche

   1J Verfahren zum Wärmeaustausch zwischen zwei Medien, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Medium seine Wärme bzw» Kälte durch Konvektion an rotierende Körper abgibt und diese Körper von dem anderen Medium angeströmt werden, derart, daß diese rotierenden Körper an jedem Flächenelement durch Konvektion und Wärmefluss das höchst erreichbare Temperaturspiel stetig durchlaufen.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der

   Wärmeaustausch zwischen zwei gasförmigen Medien im Gegenstrom vorgenommen wird.

   3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustausch zwischen einem gasförmigen und einem flüssigen Medium im Gleichstrom vorgenommen wird.

   4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Zusammenströmens der beiden Medien ein oder mehrere Soheibensätze (2) auf einer rotierenden Welle (8) angeordnet sind.

   5. Vorrichtung nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Scheiben stationäre Gasleitkörper (10) zur Bildung eines Leitkanalea angeordnet sind.

   6· Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasleitkörper (20) verstellbar sind.

   7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Medien druckdicht aneinander vorbei geführt werden, indem nach Fig. 6 auf einer feststehenden Hohlwelle/^^eine oder mehrere hohle

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   Scheiben (26) rotieren und die Hohlwelle (25) innen mit einer Trennwand (27) versehen iat und am Umfang Einschnitte (28 und 29 als Sin- bzw. Auslaßschlitze enthält.

   8. Torrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheiben (26) untereinander verbunden sind und nur an den Enden eine Wellenabdichtung von der Scheibe (26) zur Hohlwelle (25) vorhanden ist.

   9. Torrichtung nach Anspruch 4 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Medium als Antriebsmittel zur Rotation der Hohlscheiben (26) benutzbar ist.

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