DE2146869A1 - HEAT EXCHANGER - Google Patents
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Description
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Ksrkulifj 1, Aauiiens». 28Ksrkulifj 1, Aauiiens ». 28
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ENERGIAGAZDALKODASI INTEZET, Budapest II, Bern rakpart 33# UngarnENERGIAGAZDALKODASI INTEZET, Budapest II, Bern rakpart 33 # Hungary
WärmetauscherHeat exchanger
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zur Wärme übertragung zwischen zwei gasförmigen Medien, die durch in wärmeleitender Verbindung miteinander stehende Kanäle geführt sind.The invention relates to a heat exchanger for heat transfer between two gaseous media that are passed through channels standing in a thermally conductive connection with one another.
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turbinen geschlossenen Kreislaufs von Atomkraftwerken Verwendung, worauf jedoch die Erfindung nicht beschränkt ist. Dabei ist es bekannt, daß der Entwicklung solcher Wärmetauscher sehr große Bedeutung zukommt, um den Wärmeaustausch billig und wirtschaftlich zu gestalten. Nun bedarf der Wärmeaustausch bei gasförmigen Medien verhältnismäßig großer Oberflächen zur Wärmeübertragung, weshalb die Oberflächen der Kanäle durch Rippen etc erweitert werden, um die Kosten der Wärmetauscher hinsichtlich Platzbedarf möglichst gering zu halten. Soll auf diese Weise jedoch der Wärmeaustausch zwischen zwei gasförmigen Medien stattfinden, so wird die beschriebene Gestaltung der wärmeübertragenden Oberflächen auf beiden Gasseiten benötigt, was jedoch dadurch, daß die Wärmeaustauschflächen miteinander verbunden sind, auf große technische, insbesondere technologische Schwierigkeiten stößt, wenn sehr gute Wirkungsgrade erreicht werden sollen. Diese Schwierigkeiten werden bezüglich der Einleitung des Gases in die Kanäle sowie infolge weiterer Anordnungsgesichtspunkte noch mehr gesteigert, je größer die zu übertragende Wärmemenge ist. Dies ist bei dem erwähnten Beispiel von Rekuperatoren der Gasturbinen geschlossenen Kreislaufes mit nuklearer Wärmequelle der Fall, wo sehr große Wärmemengen (1000 bis 2500 MWt) zu übertragen sind. Außerdem führen die beschriebenen Kanäle mit vergrößerter Ober- closed-cycle turbines of nuclear power plants use, but the invention is not limited to this. It is known that the development of such heat exchangers is of great importance in order to make the heat exchange cheap and economical. In the case of gaseous media, the heat exchange requires relatively large surfaces for heat transfer, which is why the surfaces of the channels are expanded by ribs etc. in order to keep the costs of the heat exchangers as low as possible in terms of space requirements. However, if the heat exchange between two gaseous media is to take place in this way, the described design of the heat-transferring surfaces is required on both gas sides, which, however, due to the fact that the heat-exchange surfaces are connected to one another, encounters great technical, in particular technological difficulties, if very good efficiencies should be achieved. These difficulties are increased even more with regard to the introduction of the gas into the channels and as a result of further aspects of the arrangement, the greater the amount of heat to be transferred. This is the case in the mentioned example of recuperators of the gas turbines closed circuit with a nuclear heat source, where very large amounts of heat (1000 to 2500 MW t ) are to be transferred. In addition, the channels described with enlarged upper
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fläche zu einem erheblichen Druckabfall, also zu Strömungsverlusten des hindurchgeleiteten Gases.area to a considerable pressure drop, so to flow losses of the gas passed through.
Deshalb sieht man bei Gasturbinenkraftwerken mit geschlossenem Kreislauf und nuklearer Wärmequelle von der Verwendung von Kanälen mit vergrößerter Oberfläche ab und nimmt Rohre mit glatter Oberfläche. Diese Lösung hat jedoch den Nachteil, daß sich außerordentlich große Abmessungen des Wärmetauschers ergeben. Dadurch werden nicht nur die Kosten des Wärmetauschers an sich, sondern auch die Kosten der die Anlage enthaltenden Gebäudeteile vergrößert, was insbesondere bei halbintegrierten und integrierten Bauarten der Fall ist. Wie außerdem bekannt ist, kann in einem Wärmetauscher mit glatten Rohren die Wärmeleistungsdichte (kcal/h/nr) bei einem gegebenen Temperaturunterschied nur unter Erhöhung des Druckabfalles der Gas· vergrößert werden. Da eine Erhöhung des verhältnismäßigen Druckabfalles um 1 # mit einer Verminderung des Wirkungsgrades um 0,5 $> verbunden ist und der Gesamtwert der Druckabfälle in der Anlage ohnehin sehr groß ist, namentlich etwa 3f5 $> beträgt, bietet eine weitere Erhöhung des Druckabfalles keine brauchbare Lösung des anstehenden Problems.Therefore, in closed-cycle gas turbine power plants with a nuclear heat source, one refrains from using channels with an enlarged surface and uses pipes with a smooth surface. However, this solution has the disadvantage that extremely large dimensions of the heat exchanger result. As a result, not only the costs of the heat exchanger per se, but also the costs of the parts of the building containing the system are increased, which is the case in particular with semi-integrated and integrated designs. As is also known, in a heat exchanger with smooth tubes, the heat output density (kcal / h / nr) for a given temperature difference can only be increased by increasing the pressure drop of the gas. Since an increase in the proportionate pressure drop to 1 # is connected to a reduction in efficiency by 0.5 $> and the total value of the pressure drops in the system in any case is very large, is in particular about 3 f $ 5>, a further increase provides the pressure drop no viable solution to the problem at hand.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen.Wärmetauschtr anzugeben, mit dem die beschriebenen Mängel bekannter Wärmetauscher behoben werden, wobei nach Möglichkeit gleichzeitig noch eine Herabsetzung des Druckabfalles der am Wärmeaustausch teilnehmendenThe object of the invention is therefore to provide a heat exchanger specify with which the described deficiencies of known heat exchangers are remedied, according to Possibility of reducing the pressure drop of those participating in the heat exchange at the same time
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Gase erreicht werden soll. Dabei liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, daß durch Unabhängigmachen der beiden gasseitigen Wärmeaustauschflächen voneinander die Möglichkeit eröffnet werden kann, diese Austausohfläohen "bezogen auf die Wand eines glatten Rohrea zu vergrößern. Dies allein würde jedoch für den Idealfall, daß bei einem Temperaturunterschied von einem halben Grad Celsius und weniger noch dieselbe Wärmemenge übertragen werden soll, ebenfalls noch hohe apparative Kosten verursachen, da die theoretisch notwendige Oberfläche vier- bis fünfmal so groß sefn müßte, wie sie sonst erforderlich wäre.Gases should be achieved. The invention is based on the knowledge that through independence the two gas-side heat exchange surfaces from each other the possibility can be opened up this Ausausohfläohen "based on the wall of a smooth To enlarge Rohrea. However, this alone would for the ideal case that with a temperature difference of half a degree Celsius and less, the same amount of heat should also be transferred still cause high equipment costs, since the theoretically necessary surface four to five times as much should be large, as it would otherwise be required.
Ausgehend von einem Wärmetauscher der eingangs beschriebenen Art gelingt die Lösung dieses Problems erfindungsgemäß dadurch, daß die wärmeleitende Verbindung über mindestens ein flüssiges bzw. dampfförmiges Zwischenmedium in wenigstens einer geschlossenen Kammer zwischen den Kanälen erfolgt und daß wenigstens einige der Kanäle eine Breite von maximal etwa 0,7 mm aufweisen.This problem is solved on the basis of a heat exchanger of the type described at the outset according to the invention in that the thermally conductive connection has at least one liquid or vaporous Intermediate medium takes place in at least one closed chamber between the channels and that at least some of the channels have a maximum width of about 0.7 mm.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Kanäle ist erreicht, daß in diesen laminare Strömungsverhältnisse herrschen, was zu einer erheblichen Erhöhung der Wärmeübergängezahl bei andererseits geringem Druckverlust des durch die Kanäle geleiteten Gases führt.The inventive design of the channels ensures that laminar flow conditions prevail in them, which leads to a considerable increase in the heat transfer coefficient with, on the other hand, a low pressure loss of the gas conducted through the channels.
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Durch die Verwendung eines Zwischenmediums zur Wärmeübertragung sind die Kanäle der beiden Gasströme, zwischen denen der Wärmeaustausch stattfinden soll, derart voneinander unabhängig, daß sie sich ohne technische Schwierigkeiten gestalten lassen.By using an intermediate medium for heat transfer, the channels of the two gas flows, between which the heat exchange is to take place, so independently of each other that they are without design technical difficulties.
Es besteht aber auch keine Gefahr der Verschmutzung der außerordentlich engen Kanäle, weil namentlich bei den beispielhalber erwähnten Gasturbinen mit geschlossenem Kreislauf eine solche Verschmutzung nicht auftreten kann.But there is also no risk of contamination of the extremely narrow channels, because specifically such pollution in the gas turbines with closed circuit mentioned by way of example cannot occur.
Die Temperatur des Zwischenmediums wird sich zwischen den Temperaturen des heißen und des kalten Gases einstellen. Ebenso, wie sich die Temperatur der Gase von ihrem Eintritt in den Wärmetauscher bis zu ihrem Austritt ändert, ändert sich mit dieser auch die Temperatur des Zwischenmediums. Der zuletzt genannte Umstand führt jedoch auch zu einer Änderung der die 'Wärmetransportfähigkeit und die Festigkeitsbeanspruchung bestimmenden physikalischen Größen wie Sättigungsdruck, Dichte, Zähigkeit, Verdampfungs- und Kondensationswärme des Zwischenmediums.The temperature of the intermediate medium will be set between the temperatures of the hot and cold gas. Just like the temperature of the gases from their entry into the heat exchanger to their When the outlet changes, the temperature of the intermediate medium also changes with it. The last mentioned circumstance However, it also leads to a change in the 'heat transport capacity and the strength stress determining physical parameters such as saturation pressure, density, viscosity, evaporation and condensation heat of the intermediate medium.
Demzufolge kann es nach der Erfindung zweckmäßig sein, daß zwischen den Kanälen mehrere geschlossene Kammern zur wärmeleitenden Verbindung vorgesehen sind und daß die Kammern unterschiedliche Zwischenmedien enthalten. Auf diese Weise läßt sich erreichen, daß das Zwischen-' Accordingly, it can be expedient according to the invention that a plurality of closed chambers are provided between the channels for a thermally conductive connection and that the chambers contain different intermediate media. In this way it can be achieved that the intermediate '
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medium für einzelne Temperaturbereiche des Wärmetauschers den dort wünschenswerten optimalen Bedingungen angepaßt wird. Dabei kann in dem Bereich mit hohen Temperaturen Quecksilber als Zwischenmedium verwendet werden, während im Bereich niedrigerer Temperaturen beispielsweise Wasser gebraucht werden kann.medium for individual temperature ranges of the heat exchanger the optimal conditions that are desirable there is adjusted. Mercury can be used as an intermediate medium in the area with high temperatures while in the range of lower temperatures, for example, water can be used.
Schließlich ist es besonders vorteilhaft, daß die Kanäle aus übereinander angeordneten Spalten länglichen Querschnittes bestehende Säulen bilden, daß in den oberen Kanälen das zu erwärmende und in den unteren Kanälen das wärmeabgebende Medium geführt ist und daß die Kammern parallel zu den Säulen und senk- W recht zu den Kanälen angeordnet sind. Eine solche Ausbildung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers ermöglicht eine sehr kompakte und wirtschaftliche Ausführung. Finally, it is particularly advantageous that the channels superimposed columns elongated cross-section form existing columns that in the upper channels which is guided to be heated and in the lower ducts the heating medium and that the chambers parallel to the columns and vertically W quite are arranged to the channels. Such a design of the heat exchanger according to the invention enables a very compact and economical design.
Die Erfindung ist nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert, das auf der Zeichnung dargestellt ist. In der Zeichnung zeigen: f-The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment that is shown in the drawing is shown. In the drawing show: f-
Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch einen Wärmetauscher und . *J$ Fig. 1 is a vertical section through a heat exchanger and. * J $
Fig. 2 einen Schnitt gemäß der Schnittlinie II-II in Fig. 1.FIG. 2 shows a section along the section line II-II in FIG. 1.
Gemäß Fig. 1 und 2 weist der Wärmetauscher Kanäle 1 für den kalten Gasstrom und Kanäle 2 für den warmenAccording to FIGS. 1 and 2, the heat exchanger has channels 1 for the cold gas flow and channels 2 for the warm
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Gasstrom auf, die über mihdestens ein Zwischenmedium 4 miteinander in wärmeleitende Verblndungvgebraoht sind, -welches in Kammern 3 enthalten ist.Gas flow on, which at least has an intermediate medium 4 are braided with each other in a thermally conductive connection, which is contained in chambers 3.
Die Breite wenigstens einiger, vorzugsweise aller Kanäle 1 und 2 ist sehr klein, namentlich maximal etwa 0,7 mm. Bei dem dargestellten Ausführungebeispiel sind die Kanäle 1 und 2 Spalten länglichen Querschnittes, die zu Säulen 5 übereinander angeordnet sind, zwischen denen die Kammern 3 parallel zu den Säulen und senkrecht zu den Kanälen 1 und 2 so angeordnet sind, daß ihr unterer Teil, in dem sich im Außerbetriebe zustand die Pltissigkeitsphase des ZwischenmediuDiB 4 befindet, mit den Kanälen 2 des heißen Gases in Verbindung steht, während ihr oberer Teil, der im Außerbetriebezustand im wesentlichen mit der Dampfphase des Zwischenmediums 4 gefüllt ist, mit den Kanälen 1 für das kalte Gas verbunden ist.The width of at least some, preferably all of the channels 1 and 2 is very small, namely a maximum of about 0.7 mm. In the illustrated embodiment, the channels 1 and 2 columns of elongated cross-section, which are arranged to form columns 5 one above the other, between which the chambers 3 are arranged parallel to the columns and perpendicular to the channels 1 and 2 so that their lower part, in the In the inoperative state, the fluidity phase of the intermediate medium 4 is in communication with the ducts 2 of the hot gas, while its upper part, which in the inoperative state is essentially filled with the vapor phase of the intermediate medium 4, is in communication with the ducts 1 for the cold gas is.
Der dargestellte Wärmetauscher arbeitet folgendermaßen: The heat exchanger shown works as follows:
Der Wärmetauscher ist dann in betriebsbereitem Zustand, wenn die das heiße Gas führenden Kanäle 2 unter den das kalte Gas führenden Kanälen 1,liegen. Dadurch ist erreicht, daß die mit den das heiße Gas führenden Kanälen 2 in Berührung stehenden Teile der Kauern 3 die Plüssigkeitsphase des Zwischenmediums enthalten«The heat exchanger is ready for operation when the ducts 2 carrying the hot gas under the channels 1 carrying the cold gas. This ensures that the with the hot gas leading channels 2 in contact parts of the crouches 3 the liquid phase of the intermediate medium contain"
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Wenn nun das heiße Gas zu strömen beginnt, beginnt der flüssige Teil des Zwischenmediums 4 zu sieden, das Zwischenmedium verdampft also und der Dampf sammelt sich im oberen Teil der Kammern 3. 'When the hot gas begins to flow, the liquid part of the intermediate medium 4 begins to boil, the intermediate medium evaporates and the steam collects in the upper part of the chambers 3. '
Strömt nun auch das kalte Gas, dann kondensiert der im oberen Teil der Kammern 3 enthaltene Dampf und das Kondensat strömt in den unteren Teil der Kammern 3 zurück, wo es in der beschriebenen Weise wieder verdampft wird.If the cold gas now also flows, it condenses Steam contained in the upper part of the chambers 3 and the condensate flows into the lower part of the chambers 3, where it is evaporated again in the manner described.
Wie aus der Zeichnung ersichtlich, sind zwischen den Säulen 5 jeweils mehrere Kammern 3 nebeneinander angeordnet. In einigen dieser Kammern kann ein anderes Zwischenmedium 4 enthalten sein als in den übrigen Kammern. Dies hat den Vorteil, daß die Parameter, xles Zwischenmediums 4 mit der an der gegebenen Stelle des Wärmetauschers meßbaren Temperatur in Einklang gebracht werden können.As can be seen from the drawing, a plurality of chambers 3 are arranged next to one another between the columns 5. A different intermediate medium 4 can be contained in some of these chambers than in the others Chambers. This has the advantage that the parameters, xles Intermediate medium 4 brought into line with the measurable temperature at the given point of the heat exchanger can be.
Wie sich in der Praxis gezeigt hat, hat der erfindungsgemäße Wärmetauscher nur etwa ein Drittel des Raumbedarfes bekannter Wärmetauscher, wobei außerdem noch der#Druckabfall nur etwa 15 % des Druckabfalles bekannter Wärmetauscher ausmacht. > As has been shown in practice, the heat exchanger according to the invention has only about one-third of the space requirement of known heat exchanger, also not the # pressure drop is only about 15% of the pressure drop of known heat exchangers. >
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