DE2146869C3

DE2146869C3 - Heat exchangers for gases

Info

Publication number: DE2146869C3
Application number: DE2146869A
Authority: DE
Inventors: Laszlo Prof.Dr.Sc.Techn. Heller; Zoltan Dipl.-Ing. Szabo; Laszlo Dipl.-Ing.Dr. Szuecs
Original assignee: Energiagazdalkodasi Intezet
Current assignee: Energiagazdalkodasi Intezet
Priority date: 1970-09-21
Filing date: 1971-09-20
Publication date: 1975-01-09
Also published as: CH530606A; HU162801B; DE2146869A1; US3809154A; DE2146869B2; GB1311232A

Description

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Kammern (3) unterschiedliche Flüssigkeiten (4) enthalten.2. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that that the chambers (3) contain different liquids (4).

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Die Erfindung betrifft ·. inen 'Värmetauscher für Gase, der eine obere Leitvorrichtung für das wärmeuufnehmende und eine untere Leitvorrichtung für das wärmeabgebende Gas aufweist und bei dem zur Wärmeübertragung zwischen der oberen und der unteren Leitvorrichtung mehrere gasdicht abgeschlossene, von der unteren bis zur oberen Leitvorrichtung reichende Kammern vorgesehen sind, die eine Flüssigkeit enthal- »en. welche bei Betriebstemperatur im unteren Teil verdampft und im oberen Teil kondensiert.The invention relates to. in 'heat exchanger for Gases, which is an upper guide device for the heat-absorbing and a lower baffle for the exothermic gas and that for heat transfer between the upper and the lower guide device several gas-tight sealed, of the lower to the upper guide device reaching chambers are provided which contain a liquid »En. which evaporates at operating temperature in the lower part and condenses in the upper part.

Ein solcher Wärmetauscher ist durch die französische Patentschrift 771 878 bekannt. Dabei ragen die Kammern je etwa zur Hälfte in Führungskanal für das wärmeaufnehmende und das wärmeabgebende Gas und es sind die Leitvorrichtungen cine Berippung der Kammern zur Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche, denn bekanntermaßen bedarf der Wärmeaustausch unter gasförmigen Medien verhältnismäßig großer Oberflächen zur Wärmeübertragung.Such a heat exchanger is known from French patent 771,878. They protrude Half of the chambers are in the guide channel for the heat-absorbing and the heat-emitting gas and there are the guide devices cine the ribs Chambers to enlarge the heat exchange surface, because it is known that there is a need for heat exchange relatively large surfaces for heat transfer under gaseous media.

Dieser bekannte Wärmetauscher baut jedoch verhältnismäßig groß und weist erhebliche Toträume auf, die zwar von einem Teil der Gase durchströmt werden, jedoch keine Wärmeaustauschmöglichkeit bieten. Darüber hinaus sind die Gasströme durch die Leitvorrichtungen nur wenig geführt bzw. in ihrer Strömungsrichtung beeinflußt, so daß starke Wirbelbildung und damit herabgesetzter Wärmeübergang sowie ein bedeutsamer Druckabfall im Verlauf dlcr Gasströme die Folge sind.However, this known heat exchanger is relatively large and has considerable dead spaces, although some of the gases flow through them, they do not offer any possibility of heat exchange. About that In addition, the gas flows are only slightly guided through the guide devices or in their direction of flow influenced, so that strong vortex formation and thus reduced heat transfer as well as a significant The result is a pressure drop in the course of the gas flows are.

Nun gibt es jedoch eine Reihe voft Anwendungsfällen für Wärmetauscher der genannten Art, bei denen es nicht nur darauf ankommt, den Wärmetauscher auf kleinstem Raum unterzubringen, sondern bei denen außerdem der Wirkungsgrad des Wärmetauschers in Richtung auf einen hohen Wärmeübergang und geringstmögltchen Druckabfall innerhalb der Gasströme von entscheidender Bedeutung sind, um überhaupt e,n Ion der Wirtschnfllichkeii her annehmbares Arbeiten /π ermöglichen. Als ein Beispiel hierfür se, auf Gasturbinen mit geschlossenem Kreislauf vor, Atomkrar.we,-EL_n verwiesen, bei denen es aus Sicherheitsgründen auf eine halbintegrierte oder integrierte Bauweise d. h.. daraur ankommt, auch den oder die Wärmetauscher in dem sehr beengten Raum des Spannbetonbehälter* lur den Reaktor unterzubringen. Daran aber, daß bisher die hierzu erforderlichen kleinen Wärmetauscher mit mit/dem hohem Wirkungsgrad fehlten scheuerte jedoch oft die Anwendung von Gasturbinen mit geschlossenem Kreislauf bei Atomkraftwerken.However, there are a number of applications for heat exchangers of the type mentioned, in which it is not only important to accommodate the heat exchanger in the smallest space, but also in which the efficiency of the heat exchanger in the direction of a high heat transfer and the lowest possible pressure drop within the gas flows from are of crucial importance in order to allow an economic efficiency of any e, n ion to work / π. As an example of this, refer to closed-cycle gas turbines, Atomkrar.we, -EL _n , in which, for safety reasons, a semi-integrated or integrated design, ie. It is important to also accommodate the heat exchanger or heat exchangers in the very confined space of the prestressed concrete tank for the reactor. However, the fact that the small heat exchangers with / with high efficiency required for this purpose have hitherto been missing has often hindered the use of gas turbines with closed circuits in nuclear power plants.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Wärmetauscher der eingangs beschriebenen Art so weiieraus-■ubilden daß er besonders kleine Abmessungen aufweist, trotzdem eine hohe Wärmeübertragung be. geringem Druckabfall innerhalb der Gasströme ermöglicht und im Aufbau und damit hinsichtlich seiner Gestehungskosten einfach und günstig istThe object of the invention is therefore to provide a heat exchanger of the type described at the beginning that it has particularly small dimensions, nevertheless be a high heat transfer. minor Pressure drop within the gas streams allows and in the structure and thus in terms of its production costs is simple and cheap

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt crfindungsgcmaU dadurch, daß die obere und die untere Leitvorrichtung durch mindestens einen säulenförmigen Block mn über einander angeordneten, parallel zueinander verlaufenden Kanälen gebildet sind, die Kanäle einen langl.chcn Querschnitt haben und wenigstens einige der Kanäle eine Querschnittshöhe von maximal 0,7 mm aufweisen und daß die vom im-ersten bis zum obersten Kanal reichenden Kammern entlang der Seiicnwände des Blokkes verlaufen und parallel zueinander und senkrecht /u den Kanälen angeordnet sind.The solution to this problem will be successful in that the upper and lower baffles are crossed by at least one columnar block mn mutually arranged, parallel channels are formed, the channels a Langl.chcn Have cross-section and at least some of the channels have a cross-sectional height of a maximum of 0.7 mm and that the ones from the first to the uppermost canal Chambers run along the side walls of the block and parallel to each other and perpendicular / u the channels are arranged.

Durch die schweizerische Patentschrift 334 078 ist es zwar bekannt, die Spaltwcitc eines Durchimisquerschnittes für ein Gas nicht größer als 1.5 mm. vorzugsweise zwischen 0,2 und 0,b mm auszubilden, damit eine Laminarströmung entsteht, bei der die Wärmeübergangszahl hoch und der Druckverlust des hmdurchgeleitetcn Gases gering ist. Im übrigen geht es hier jedoch um einen Ljungströmschen-Luftvorwarmer. bei dem weder ein Zwischenmedium vorgesehen ist noch es möglich wäre, die beiden wärmeaustauschenden Gase voneinander zu trennen. Diese müssen sich vielmehr teilweise miteinander vermischen, was in sehr vielen Fällen und insbesondere bei den genannten Atomkraftwerken nicht tragbar ist.By the Swiss patent 334 078 it is Although known, the gap width of a diameter cross-section for a gas no larger than 1.5 mm. preferably to form between 0.2 and 0, b mm, so that a Laminar flow arises at which the heat transfer coefficient high and the pressure loss of the gas passed through is low. Otherwise, however, it works here around a Ljungström air preheater. in which neither an intermediate medium is provided nor it would be possible to separate the two heat-exchanging gases from each other. Rather, these must be partially mix with each other, which in very many cases and especially with the ones mentioned Nuclear power plants is not sustainable.

Die erfindungsgemäßen Merkmale haben die Wirkung, daß der Wärmelauscher gegenüber vergleichbaren Wärmetauschern nur etwa ein Drittel des Raumbedarfes aufweist, wobei aber andererseits der Druckabfall innerhalb der Gasströme vergleichsweise nur etwa 15% bei sehr gutem WärmcübcrgangskocffizientcnThe features of the invention have the effect that the heat exchanger compared to comparable Heat exchangers only take up about a third of the space, but on the other hand the pressure drop within the gas streams, by comparison, only about 15% with very good heat transfer efficiency

beträgt. .amounts to. .

Die mittlere Temperatur der als /wischcnmcdium dienenden Flüssigkeit 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 Wärmelransportfähigkeit und die Festigkeitsbeanspruchung bestimmenden physikalischen Größen wie Sättigungsdruck, Dichte, Zähigkeit, Verdampfungs- und Kondensationswärme des Zwischenmcdiums.The mean temperature of als / wischcnmcdium The liquid serving will adjust itself between the temperatures of the hot and cold gas. As well, how the temperature of the gases changes from entering the heat exchanger to exiting This also changes the temperature of the intermediate medium. The last-mentioned circumstance, however, also leads to a change in the heat transport capacity and physical quantities that determine the strength stress, such as saturation pressure, density, Toughness, heat of vaporization and heat of condensation of the intermediate medium.

Demzufolge kann es nach der Erfindung zweckmäßig sein, daß die Kammern unterschiedliche Flüssigkeiten enthalten, wie dies an sich aus der USA.-Patentschrift 2 893 706 bekannt ist. Auf diese Weise läßt sichAccordingly, it can be useful according to the invention that the chambers have different liquids as is known per se from US Pat. No. 2,893,706. In this way you can

erreichen, dall das Zwischenmedium für die ein/einen Temperaturbereiche des Wärmetauschers den dort wünschenswerten optimalen Bedingungen angepaßt wird. Dabei kann beispielsweise in dem Bereich mit hohen Temperaturen Quecksilber als Zwischenmedium verwendet werden, während im Bereich niedrigerer Temperaturen Wasser gebraucht werden kann.achieve that the intermediate medium for the one / one Temperature ranges of the heat exchanger adapted to the optimal conditions that are desirable there will. For example, mercury can be used as an intermediate medium in the area with high temperatures can be used, while water can be used in the lower temperature range.

Die Erfindung ist nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das auf der Zeichnung dargestellt ist. In der Zeichnung zeigtThe invention is described below on the basis of an exemplary embodiment explained in more detail, which is shown in the drawing. In the drawing shows

F i g. I einen senkrechten Schnitt durch einen Wärmetauscher undF i g. I a vertical section through a heat exchanger and

Γ i g. 2 einen Schnitt gemäß der Schnittlinie M-Il in Fig. I.Γ i g. 2 shows a section along the section line M-II in FIG Fig. I.

Gemäß F i g. I und 2 weisi der Wärmetauscher Kanäle I für den kalten Gasstrom und Kanäle 2 für den warmen Gasstrom 6 auf, die über wenigstens ein Zwischenmedium 4 miteinander in wärmeleitende Verbindung gebracht sind, welches in Kammern 3 enthalten ist.According to FIG. I and 2 white the heat exchanger channels I for the cold gas flow and channels 2 for the warm gas flow 6, which have at least one intermediate medium 4 are brought together in a thermally conductive connection, which are contained in chambers 3 is.

Die Breite wenigstens einiger, vorzugsweise aller Kanäle 1 und 2 ist sehr klein, namentlich maximal eiwa 0.7 mm. Bei dem dargestellten Ausführungsbei^iel sind die Kanäle 1 und 2 Spalten länglichen Querschnittes, die /ti Säulen 5 übereinander angeordnet sind, zwisehen 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 Betriebszustand die Flüssigkcitsphuse des Zwischenmediums 4 befindet, mit den Kanälen 2 des heißen Gases in Verbindung steht, während ihr oberer Teil, der im Betriebszusland 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 eiwa 0.7 mm. In the illustrated embodiment, the channels 1 and 2 are columns of elongated cross-section, the / ti columns 5 are arranged one above the other, between in which the chambers 3 are arranged parallel to the columns and perpendicular to the channels 1 and 2, that its lower part, in which the liquid phase of the intermediate medium 4 is in the operating state, with the ducts 2 of the hot gas is in communication, while their upper part, which in the operating country essentially ' is filled with the vapor phase of the intermediate medium 4, with the channels 1 for the cold gas connected is.

Der darges'.ellte Wärmetauscher arbeitet folgendermaßen: Den unteren Kanälen 2 wird das wärmeabgebende, heiße Gas zugeführt, wodurch das im unteren Teil der Kammer 3 sich befindende flüssige Zwischenmedium 4 zu sieden beginnt und verdampft. Der Dampf sammelt sich im oberen Teil der Kammer 3, der mit den das kalte Gas führenden Kanälen 1 in wärmeleitender Verbindung steht und kondensiert hier. Das Kondensat läuft zurück in den unleren Teil der Kammer 3, wo es in der beschriebenen Weise wieder verdampft.The heat exchanger shown works as follows: The lower channels 2, the heat-emitting, hot gas is supplied, whereby the lower Part of the chamber 3 located liquid intermediate medium 4 begins to boil and evaporates. The steam collects in the upper part of the chamber 3, which is thermally conductive with the ducts 1 carrying the cold gas Connection stands and condenses here. The condensate runs back into the lower part of chamber 3, where it flows into 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 Karnnern kann ein anderes Zwischenmediuni 4 enthalten sei als in den übrigen Kammern. Dies hat den Vorteil, daß d:; Parameter des Zwischenmediums 4 mit der an der gegebenen Stelle des Wärmetauschers meßbaren Temperatur in Min klang ^obrachi werden können.As can be seen from the drawing, a plurality of chambers 3 are in each case next to one another between the columns 5 arranged. In some of these carnivals there may be another Intermediate Mediuni 4 is included than in the rest Chambers. This has the advantage that d :; Parameters of the Intermediate medium 4 with the measurable temperature at the given point of the heat exchanger in minutes sounded ^ obrachi can be.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

I. Heat exchanger for gases, which has an upper guide device for the heat absorbing and one Unlere! guiding device for the heat emitting Has gas and in which for heat transfer between the upper and lower baffles several gas-tight sealed, reaching from the lower to the upper guide device Chambers are provided which contain a liquid, which at operating temperature in the lower Part evaporated and condensed in the upper part, characterized in that the upper and the lower guide device by at least one columnar block (5) one above the other arranged, mutually parallel channels (1,2) are formed, the channels an elongated Have cross-section and at least some of the channels have a cross-section height of a maximum of 0.7 mm have and that from the bottom to the top Channel-reaching chambers (3) run along the side walls of the block and run parallel are arranged to each other and perpendicular to the channels.