DE202020003801U1 - Gas-gas counterflow heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Gegenstromwärmeübertrager mit zwei Volumenströmen, gekennzeichnet durch ein Wärmeübertragerelement,das aus einer Wärmeübertragermatrix 1 besteht, die durch horizontale Stapelung zweier, übereinander liegender Folien, eine glatte Folie 2 und eine gewellte Folie 3, gebildet wird, so dass parallel verlaufende Kanäle 4 mit einem ersten Wirkungsquerschnitt 5 geformt werden, die sich von einer Matrixstirnseite bis zur gegenüber liegenden Stirnseite erstrecken, und deren Wände alle miteinander Wärme leitend verbunden sind,und das aus Rohrabschnitten 11, 12 besteht, die auf den sich gegenüber liegenden Matrixstirnseiten gasdicht aufgesetzt sind und einen gegenüber dem ersten Wirkungsquerschnitt 5 großen zweiten Wirkungsquerschnitt 18 a, 18 b haben, wobei die Rohrabschnitte 11,12 einen rechteckigen Querschnitt mit einer Breite haben, die gleich der Breite einer Matrixstirnseite ist und auf den beiden Matrixstirnseiten in einem Abstand zueinander aufgesetzt sind, dass die Fläche zwischen zwei benachbarten Rohrabschnitten 11 bzw. 12 gleich der Innenquerschnittsfläche eines aufgesetzten Rohrabschnittes ist, und die Rohrabschnitte 11 mit den Rohrabschnitten 12 nicht fluchten, so dass der Volumenstrom 13 des einen Fluids über die Rohre 11 in ein Bündel von Matrix-Längskanälen 15 a eingeleitet und auf der gegenüber liegenden Matrix-Stirnseite durch die offenen Enden des Längskanalbündels aus der Matrix heraus in Auslauföffnungen 16 ausgeleitet wird, und in gleicher Weise der Volumenstrom 14 des anderen Fluids im Gegenstrom zum Volumenstrom 13 über die Rohre 12 in ein Bündel von Längskanälen 15 b eingeleitet und auf der gegenüber liegenden Matrix-Stirnseite durch die offenen Enden des Längskanalbündels aus der Matrix heraus in Auslauföffnungen 17 ausgeleitet wird.Countercurrent heat exchanger with two volume flows, characterized by a heat exchanger element, which consists of a heat exchanger matrix 1, which is formed by horizontally stacking two superimposed foils, a smooth foil 2 and a corrugated foil 3, so that parallel channels 4 with a first effective cross-section 5, which extend from one matrix end face to the opposite end face, and the walls of which are all connected to one another in a heat-conducting manner, and which consists of pipe sections 11, 12 which are placed gas-tight on the opposite matrix end faces and one opposite the first Cross-section 5 large second cross-section 18 a, 18 b, the pipe sections 11, 12 have a rectangular cross-section with a width that is equal to the width of a matrix end face and are placed on the two matrix end faces at a distance from one another that the area between two be adjacent pipe sections 11 and 12 is equal to the inner cross-sectional area of an attached pipe section, and the pipe sections 11 are not aligned with the pipe sections 12, so that the volume flow 13 of the one fluid is introduced via the pipes 11 into a bundle of longitudinal matrix channels 15 a and on the opposite matrix end face through the open ends of the longitudinal channel bundle out of the matrix into outlet openings 16, and in the same way the volume flow 14 of the other fluid is introduced in countercurrent to the volume flow 13 via the tubes 12 into a bundle of longitudinal channels 15 b and on the opposite matrix front side is discharged through the open ends of the longitudinal channel bundle out of the matrix into outlet openings 17.
Description
Die Erfindung betrifft einen Gegenstromwärmeübertrager mit zwei Volumenströmen und einem Wärmeübertragerelement. Das Wärmeübertragerelement wird aus glatten und gewellten Folien so gebildet, dass jeweils eine gewellte Folie über einer glatten Folie liegt, so dass Längskanäle gebildet werden, die parallel zueinander zwischen zwei Stirnseiten des Wärmeübertragerelements verlaufen, und deren Wände Wärme leitend miteinander verbunden sind, wenn das Folienmaterial aus Wärme leitendem Material, beispielsweise Metall, besteht, und die glatten mit den gewellten Folien Wärme leitend verbunden sind. Das Wärmeübertragerelement besteht weiterhin aus beabstandeten Rohrabschnitten, die auf den beiden Stirnseiten der Wärmeübertragermatrix gasdicht aufgesetzt sind, und die eine Querschnittsfläche haben, die groß ist im Vergleich zur mittleren Querschnittsfläche der Längskanäle. Der Volumenstrom des z. B. Wärme abgebenden Fluids kann durch die einzelnen Rohrabschnitte in Längskanalbündel mit jeweils gleich großer Querschnittsfläche wie die des Innenquerschnitts des entsprechenden Rohrabschnittes eingeleitet und an der gegenüber liegenden Stirnseite der Matrix wieder ausgeleitet werden, während entsprechend der Volumenstrom des Wärme aufnehmenden Fluids durch jene Matrix-Längskanäle geleitet wird, die sich zwischen den von den Zuführ- bzw. Abführrohren belegten Längskanälen des Massenstroms des Wärme abgebenden Fluids befinden, wobei die beiden Volumenströme sowohl im Gegenstrom als auch im Gleichstrom geführt werden können.The invention relates to a counterflow heat exchanger with two volume flows and a heat exchanger element. The heat exchanger element is formed from smooth and corrugated foils in such a way that a corrugated foil lies over a smooth foil, so that longitudinal channels are formed which run parallel to one another between two end faces of the heat exchanger element and whose walls are connected to one another in a thermally conductive manner when the foil material of thermally conductive material, for example metal, and the smooth with the corrugated foils are thermally connected. The heat exchanger element also consists of spaced pipe sections which are placed gas-tight on the two end faces of the heat exchanger matrix and which have a cross-sectional area that is large compared to the mean cross-sectional area of the longitudinal channels. The volume flow of the z. B. Heat-emitting fluids can be introduced through the individual pipe sections in longitudinal channel bundles each with the same cross-sectional area as that of the inner cross-section of the corresponding pipe section and discharged again at the opposite end of the matrix, while the volume flow of the heat-absorbing fluid through those matrix longitudinal channels which are located between the longitudinal channels of the mass flow of the heat-emitting fluid occupied by the supply and discharge pipes, the two volume flows being able to be conducted both in countercurrent and in cocurrent.
Nach dem Stand der Technik haben die Zuführ- und Abführrohre einen kreisrunden Querschnitt, und der Querschnitt eines Matrix-Längskanals kann so klein gefertigt werden, dass seine Fläche nicht größer als 0,08 mm2 ist, wobei die beispielsweise aus Metallfolie bestehende Wand eines Matrix-Längskanals 0,03 mm dünn sein kann. Derartige Wärmeübertrager sind bekannt (Gebrauchsmuster: 20 2008 010 691.5,
20 2014 009 011.4, 20 2016 003 318.3, 20 2017 002 900.6). In den Gebrauchsmusterschriften 20 2008 010 691.5, 20 2014 009 001.4 und 20 2016 003 318.3 wird von einer kreiszylindrischen Wärmeübertragermatrix mit Längskanälen parallel zur Zylinderachse, und in der Gebrauchsmusterschrift 20 2017 002 900.6 wird ein Wärmeübertragerelement mit einer quadratischen Matrix als bevorzugte Ausführungsform ausgegangen, wobei die Matrix vorzugsweise durch horizontale Stapelung zweier Folien, einer glatten mit einer darüber liegenden gewellten Folie, gebildet wird, so dass Längskanäle geformt werden, die sich parallel zueinander und zur Normalen der Matrixfrontfläche von einer Matrix-Stirnseite zur gegenüber liegenden Stirnseite erstrecken.According to the prior art, the feed and discharge pipes have a circular cross-section, and the cross-section of a matrix longitudinal channel can be made so small that its area is no greater than 0.08 mm 2 , the wall of a matrix consisting, for example, of metal foil -Longitudinal channel can be 0.03 mm thin. Such heat exchangers are known (utility model: 20 2008 010 691.5,
20 2014 009 011.4, 20 2016 003 318.3, 20 2017 002 900.6). In utility models 20 2008 010 691.5, 20 2014 009 001.4 and 20 2016 003 318.3, a circular-cylindrical heat exchanger matrix with longitudinal channels parallel to the cylinder axis is assumed, and utility model 20 2017 002 900.6 assumes a heat exchanger element with a square matrix as the preferred embodiment, with the Matrix is preferably formed by horizontally stacking two foils, a smooth one with an overlying corrugated foil, so that longitudinal channels are formed which extend parallel to one another and to the normal of the matrix front surface from one matrix end face to the opposite end face.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die vorteilhafte Weiterbildung derartiger Wärmeübertrager für den Fall einer Wärmeübertragung zwischen zwei Fluiden gleicher Phase, vorzugsweise zwischen zwei Gasen, wobei eine Vereinfachung der Konstruktion des Wärmeübertragers und eine verbesserte Effizienz der Wärmeübertragung das angestrebte Ziel sind.The object of the present invention is the advantageous development of such heat exchangers for the case of heat transfer between two fluids of the same phase, preferably between two gases, the aim being to simplify the construction of the heat exchanger and improve the efficiency of the heat transfer.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Wärmeübertragerelement aus einer quaderförmigen Matrix besteht, die durch horizontale Stapelung zweier Folien, einer glatten mit einer darüber liegenden gewellten Folie, gebildet wird, so dass Längskanäle mit einem ersten Wirkungsquerschnitt für die beiden Volumenströme geformt werden, die sich parallel zur Normalen der Matrixfrontfläche von einer Matrix-Stirnseite bis zu seiner gegenüber liegenden Stirnseite erstrecken, und dass auf den sich gegenüber liegenden Matrixstirnseiten Rohrabschnitte mit einem zweiten Wirkungsquerschnitt für die beiden Volumenströme gasdicht aufgesetzt sind, wobei die Rohrabschnitte gleichen Abstand zueinander und einen rechteckigen Querschnitt mit einer Breite haben, die gleich der Breite der Matrixstirnseite ist. Weiterhin ist die Fläche zwischen zwei benachbarten Rohrabschnitten auf den Matrixstirnseiten jeweils gleich der Innenquerschnittsfläche eines aufgesetzten Rohrabschnittes.The object is achieved in that the heat exchanger element consists of a cuboid matrix that is formed by horizontally stacking two foils, a smooth one with an overlying corrugated foil, so that longitudinal channels with a first effective cross-section are formed for the two volume flows that are extend parallel to the normal of the matrix front surface from one matrix end face to its opposite end face, and that pipe sections with a second effective cross section for the two volume flows are placed gas-tight on the opposite matrix end faces, the pipe sections being the same distance from one another and having a rectangular cross section have a width equal to the width of the matrix face. Furthermore, the area between two adjacent pipe sections on the matrix end faces is in each case the same as the inner cross-sectional area of an attached pipe section.
Die beiden zu einem zweiten Wirkungsquerschnitt gehörenden Volumenströme werden jeweils über die auf den Matrixstirnseiten aufgesetzten Rohrabschnitte in eine Vielzahl von Längskanälen mit erstem Wirkungsquerschnitt eingeleitet, wobei die zweiten Wirkungsquerschnitte ein Mehrfaches größer sind als die ersten Wirkungsquerschnitte, und die Wände aller Längskanäle Wärme leitend miteinander verbunden sind, wenn das Folienmaterial aus Wärme leitendem Material, beispielsweise Aluminium, besteht, und die glatten mit den gewellten Folien Wärme leitend verbunden sind. Der Volumenstrom der beiden Gase mit zweitem Wirkungsquerschnitt besteht somit jeweils aus einer Vielzahl von Volumenströmen mit erstem Wirkungsquerschnitt. Eine Wärmeübertragung zwischen den beiden Gasen erfolgt sowohl zwischen den im Gegenstrom zueinander geführten benachbarten Volumenströmen mit zweitem Wirkungsquerschnitt als auch durch Wärmeleitung über die Wände aller Längskanäle mit erstem Wirkungsquerschnitt.The two volume flows belonging to a second effective cross-section are each introduced into a large number of longitudinal channels with a first effective cross-section via the pipe sections placed on the matrix front sides, the second effective cross-sections being several times larger than the first effective cross-sections, and the walls of all longitudinal channels being connected to one another in a heat-conducting manner if the foil material consists of a thermally conductive material, for example aluminum, and the smooth foils are connected in a thermally conductive manner to the corrugated foils. The volume flow of the two gases with a second effective cross section thus consists of a large number of volume flows with a first effective cross section. A heat transfer between the two gases takes place both between the adjacent volume flows with a second effective cross-section, which are guided in countercurrent to one another, and also by conduction through the walls of all longitudinal channels with a first effective cross-section.
Das aus quaderförmiger Matrix und den auf den Matrixstirnseiten gasdicht aufgesetzten Rohrabschnitten bestehende Wärmeübertragerelement ist vorzugsweise in einem quaderförmigen Gehäuse mit Zulauf- und Ablauföffnungen enthalten. Über eine Zulauföffnung im Gehäuse wird der erste Volumenstrom des beispielsweise Wärme aufnehmenden Gases durch die auf einer Matrixstirnseite aufgesetzten Rohrabschnitte in Längskanalbündel mit zweitem Wirkungsquerschnitt eingeleitet und entlang der Längskanalbündel durch die Matrix geleitet. Auf der gegenüberliegenden Matrixstirnseite wird der zweite Volumenstrom des im gegebenen Beispiel Wärme abgebenden Gases über eine Zulauföffnung im Gehäuse im Gegenstrom zum ersten Volumenstrom in die auf dieser Matrixstirnseite aufgesetzten Rohrabschnitte in die Längskanalbündel der Matrix eingeleitet. Dabei sind die Rohrabschnitte auf den beiden sich gegenüber liegenden Matrixstirnseiten nicht fluchtend zueinander angeordnet. Sie sind stattdessen so auf den Matrixstirnseiten angeordnet, dass die Volumenströme der beiden Gase im Gegenstrom zueinander jeweils über einen Zulauf auf einer Matrixstirnseite durch die aufgesetzten Rohrabschnitte in Längskanalbündel der Matrix eingeleitet und auf der gegenüber liegenden Matrixstirnseite durch die Endöffnungen der Längskanalbündel über einen Ablauf wieder ausgeleitet werden.The heat exchanger element, which consists of a cuboid matrix and the tube sections placed gas-tight on the matrix end faces, is preferably contained in a cuboid housing with inlet and outlet openings. Via an inlet opening in the housing, the first volume flow of the gas absorbing heat, for example, is passed through on a matrix face placed pipe sections are introduced into longitudinal duct bundles with a second effective cross section and passed along the longitudinal duct bundles through the matrix. On the opposite end of the matrix, the second volume flow of the gas emitting heat in the given example is introduced into the longitudinal channel bundle of the matrix via an inlet opening in the housing in countercurrent to the first volume flow in the pipe sections placed on this matrix end. The pipe sections on the two opposite matrix end faces are not arranged in alignment with one another. Instead, they are arranged on the matrix front sides in such a way that the volume flows of the two gases in countercurrent to each other are introduced into longitudinal channel bundles of the matrix via an inlet on a matrix front side through the attached pipe sections and discharged again on the opposite matrix front side through the end openings of the longitudinal channel bundles via an outlet will.
Durch die nicht-fluchtende Anordnung der Rohrabschnitte auf den beiden Matrixstirnseiten zueinander, durch die rechteckige Form und Größe der Rohr-Querschnittsflächen und durch einen gleichartigen Zulauf und Ablauf der beiden Gase werden gleich große Volumenströme der beiden Gase erreicht.Due to the non-aligned arrangement of the pipe sections on the two matrix end faces to one another, the rectangular shape and size of the pipe cross-sectional areas and a similar inflow and outflow of the two gases, the same volume flows of the two gases are achieved.
Um eine stoffliche Vermischung der beiden Gase zu verhindern, muss eine Vermischung ihrer Volumenströme mit zweitem Wirkungsquerschnitt verhindert werden. Da die Volumenströme mit zweitem Wirkungsquerschnitt durch vertikal übereinander liegende Längskanalbündel mit rechteckigem Querschnitt durch die Wärmeübertragermatrix geleitet werden, und die vertikal übereinander liegenden Längskanalbündel jeweils voneinander durch glatte Folien begrenzt sind, ist eine Vermischung der beiden Volumenströme ausgeschlossen.In order to prevent a material mixing of the two gases, a mixing of their volume flows with a second cross section must be prevented. Since the volume flows with the second effective cross-section are routed through the heat exchanger matrix through vertically superimposed longitudinal duct bundles with a rectangular cross-section, and the vertically superimposed longitudinal duct bundles are each delimited by smooth foils, mixing of the two volume flows is excluded.
Die Erfindung wird anhand der in den
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1 Schematische Darstellung eines Ausschnitts aus einer Wärmeübertragermatrix in Ansicht -
2 Schematische Darstellung eines Ausschnitts aus einer Wärmeübertragermatrix in Draufsicht -
3 Schematische Darstellung des Querschnitts eines Gegenstromwärmeübertragers -
4 Verteilung der Wirkungsquerschnitte des in Figure 3 dargestellten Gegenstromwärmeü bertragers -
5 Vereinfachte schematische Darstellung eines Gegenstromwärmeübertragers in Ansicht
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1 Schematic representation of a section from a heat exchanger matrix in view -
2 Schematic representation of a section from a heat exchanger matrix in plan view -
3 Schematic representation of the cross-section of a counterflow heat exchanger -
4th Distribution of the cross-sections of the countercurrent heat exchanger shown in Figure 3 -
5 Simplified schematic representation of a counterflow heat exchanger in view
Die Rohre
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE202020003801.6U DE202020003801U1 (en) | 2020-09-07 | 2020-09-07 | Gas-gas counterflow heat exchanger |
Applications Claiming Priority (1)
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DE202020003801.6U DE202020003801U1 (en) | 2020-09-07 | 2020-09-07 | Gas-gas counterflow heat exchanger |
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DE202020003801U1 true DE202020003801U1 (en) | 2020-10-05 |
Family
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Family Applications (1)
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DE202020003801.6U Active DE202020003801U1 (en) | 2020-09-07 | 2020-09-07 | Gas-gas counterflow heat exchanger |
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DE (1) | DE202020003801U1 (en) |
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2020
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R207 | Utility model specification |