DE2349443A1

DE2349443A1 - Verfahren zur waermetauschung und waermetauscher zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2349443A1
Application number: DE19732349443
Authority: DE
Inventors: Leon R Glicksman
Original assignee: Massachusetts Institute of Technology
Current assignee: Massachusetts Institute of Technology
Priority date: 1973-01-24
Filing date: 1973-10-02
Publication date: 1974-07-25
Also published as: JPS49104244A; US3804155A; GB1426971A

Description

OR-ING. DIPL.-ING. M. SC. C I PL.-PHYf . D R DIPL.-PHYS.

HÖGER - STELLRECHT- GRIESSBACH - HAECKER

PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

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27. Se£t. 1973

Massachusetts Institute
of Technology

Cambridge, Mass. 02139, USA

Verfahren zur Wärraetauschung und Wärmetauscher zur Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Wärmetauschung und auf einen Wärmetauscher zur Durchführung dieses Verfahrens.

In letzter Zeit ist gerade bei hochindustrialisierten Ländern ein beträchtlicher Bedarfsanstieg zur Wärmetauschung festgestellt worden, ein solcher Bedarf zur Vornahme einer Wärmetauschung tritt beispielsweise auf in Verbindung mit Kühlzwecken bei der Erzeugung elektrischer Leistung, bei verschiedenen Industrie zv/eigen, bei Klimaanlagen und dergl. Um in diesem Zusam-

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menhang jedoch eine sogen, thermische Verschmutzung gering zu halten, sind große wassergekühlte Wärmetauscher in Verbindung mit vielen Flüssen und Gewässern nicht erlaubt. Eine andere Möglichkeit zur Wasserkühlung bei Wärmetauschern sind sogen. Verdampfungskühler. Kühlsysteme, die auf der Verdampfung beruhen, verbrauchen jedoch beträchtliche Wassermengen und erzeugen gegebenenfalls eine Grundhebelbildung auf benachbarten Gebieten. Nun steigt zwar die Anzahl von erzeugenden Fabriken ständig an, neue Fabriken und Niederlassungen werden jedoch verboten,wenn sie ebenfalls Verdampfungssysteme zur Wärmetauschung verwenden, da die verfügbaren Wasservorräte sich gleichfalls der Erschöpfung nähern. In diesem Zusammenhang muß man sich vorstellen, daß, wenn innerhalb von 30 Jahren sämtliche Kraftwerke in USA ihre Kühlung durch eine Verdampfungskühlung betreiben, der dabei auftretende Wasserverbrauch gleich ist einem Prozent des gesamten ablaufenden Wassers in den USA. Da jedoch der Leistungsverbrauch und auch die Kraftwerke sich auf einen relativ schmalen Gebietsbereich des Landes konzentrieren, würde der Bruchteil des regionalen Oberflächenablaufwassers, welches zu Kühlzwecken auf Verdampfungsgrundlage verwendet wird, noch beträchtlich höher sein.

Aufgrund dieser Umstände wird ein Kühlen unter Verwendung von trockenen Kühltürmen immer wesentlicher. Bei bisher üblichen und verfügbaren trockenen Türmen wird Wärme ausgetauscht zwischen einem Fluidum und Luft, die physisch voneinander getrennt sind, d.h. das Fluidum ist innerhalb einer Röhre eingeschlossen und die Luft fließt dabei über die Röhrenwandung. Diese physikalische Trennung verhindert eine Verdunstung, sol-

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ehe trockenen Kühltürme sind jedoch in manchen Anwendungsfällen extrem kostspielig wegen der großen zur Kühlung benötigten Röhrenoberflächen. Bei elektrischen Kraftwerken erhöht die Verwendung der üblichen verfügbaren trockenen Kühltürme die Gesamtkosten der Werke um bis zu 20 Prozent über die Kosten ähnlicher Kraftwerke, die von Flußwasser gekühlte Kondensatoren verwenden. Die hohen Kosten der trockenen Kühltürme verbunden mit dem Anstieg des elektrischen Leistungsverbrauch und damit der Anzahl der Kraftwerke bedeutet, daß für solche Kühltürme beträchtliche Investitionssummen erforderlich sind. Beispielsweise verdoppelt die elektrische Leistung erzeugende Industrie in diesem Land ihre Kapazität annähernd jeweils jede zehn Jahre. In diesem Zusammenhang ist noch wichtig, daß der jährliche Kapitalbedarf für die Leistung erzeugende Industrie bei über zehn Prozent des Gesamtkapitalbedarfs sämtlicher Industrien der Vereinigten Staaten liegt.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, hier Abhilfe zu schaffen und ein Wärmetauschersystem vorzuschlagen, welches bei gleicher effektiver Leistung wesentlich geringere Kosten benötigt.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von dem eingangs genannten Verfahren zur Wärmetauschung und besteht erfindungsgemäß darin, daß zur Vermeidung einer Verdampfung der Flüssigkeit in das Gas ein Teil einer Matrix in thermischen Kontakt mit der Flüssigkeit und dann zur Wärmeübertragung mit dem Gas gebracht wird und daß die Oberfläche der Matrix mit einer sehr dünnen ein Benetzen bzw. ein Anhängen der Flüssigkeit an der Matrixoberfläche verhindernden Schicht eines Materials versehen wird, welches einen Wärmeübergang zwischen den einzelnen Fluiden erlaubt.

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Eine Vorrichtung zur Wärmetauschung zur Durchführung dieses Verfahrens besteht erfindungsgemäß'darin, daß eine sich bewegende Matrix und eine Anordnung vorgesehen sind, um die Matrix bei einer Temperatur mit einer ersten Flüssigkeit und dann bei einer anderen Temperatur mit einem Gas in Verbindung zu bringen, derart, daß von der Flüssigkeit auf das Gas Wärme übertragen werden kann und daß zur Verhinderung eines Anhängens der ersten Flüssigkeit an die Matrixoberfläche und zur Vermeidung einer Verdampfung der Flüssigkeit in das Gas auf der Oberfläche der ersten Flüssigkeit eine zweite Flüssigkeit angeordnet ist, die so ausgebildet ist, daß sie der Matrixoberfläche bei ihrem Durchlauf von der ersten Flüssigkeit auf die Gasseite des Systems als Beschichtung anhängt.

Die Erfindung stellt daher ein Wärmetauschersystem zur Verfügung, welches eine einem Trockensystem entsprechende Wirkungsweise und Wasserverbrauch aufweist, dessen Kostenbedarf und Aufbau jedoch einem Verdampfungssystem entspricht. Außerdem ermöglicht es die vorliegende Erfindung, eine Wärmeübertragung zwischen einem Gas und einer Flüssigkeit vorzunehmen, ohne daß eine Vermischung beider Medien eintritt.

Die Erfindung sieht ein Viärmetauschersystem vor, bei welchem eine Matrix kontinuierlich aus einer Flüssigkeit in ein Gas und dann zurück in die Flüssigkeit bewegt wird, wobei auf diese Weise Wärme von dem einen Fluidum oder Medium auf das andere übertragen wird. Das Wärmetausehersystern gemäß der Erfindung ist ein Gas/Flüssigkeitsystem.

Einem erfindungsgemäßen Merkmal entsprechend sind dabei entweder die Oberfläche der Flüssigkeit oder die Oberfläche der Matrix oder beide so behandelt, daß ein Anhängen bzw. ein Benetzen der Matrixoberfläche durch die Flüssigkeit völlig verhindert oder so gering gehalten wird, daß dies in keiner Weise ins Gewicht fällt.

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Bei einem zu Untersuchungszwecken durchgeführten Demonstrationsmodell der vorliegenden Erfindung wurde ein Vielscheibenrotor als Matrix verwendet, wobei annähernd 40% des Rotors sich zu jeder Zeit in Kontakt mit der Flüssigkeit, die beim Ausführungsbeispiel Wasser ist, befanden, während der andere Teil des Rotors sich stets in Kontakt mit einem sich bewegenden Gas befand, in diesem Falle mit Luft.

Wenn sich der Rotor aus dem Wasser in die Luft bewegt, dann bedeckt eine dünne Schicht eines auf der Wasseroberfläche fliessenden oder aufschwimmenden Öls die Rotoroberfläche (oder die Oberflächen der Scheiben) und verhindert auf diese Weise, daß an dieser Oberfläche Wasser anhängt und dann möglicherweise in die über den Rotor strömende Luft verdampft. Das öl verhindert auch eine Verdampfung, die evtl. von der freien Oberfläche der Flüssigkeit ausgehen könnte.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und in diesen niedergelegt.

Im folgenden werden auf das erfindungsgemäße Verfahren sowie auf Aufbau und Wirkungsweise eines Ausführungsbeispiels der Erfindung zur Durchführung des Verfahrens anhand der Figuren im einzelnen näher eingegangen. Dabei zeigen:

Fig. 1 in teilweise schematischer Perspektivdarstellung und bei weggeschnittenen Teilen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Gas/Flüssigkeitwärmetauschers, während

Fig. 2 in einer Seitenansicht in schematischer Vereinfachung die Wirkungsweise des Wärmetauschers nach Fig. 1 genauer zeigt.

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In den Fig. 1 und 2 ist ein periodisches Gas/Flüssigkeit-Wäxmetauschersystem dargestellt und mit dem Bezugszeichen 101 bezeichnet. Dieses System umfaßt eine Matrix, die beim Ausführungsbeispiel in Form eines Vielscheibenrotors 1 ausgebildet ist; der Rotor besteht jeweils aus den Scheiben 10, 11, 12, 13, usw. Wie in den Figuren gezeigt, taucht der Rotor 1 mit den unteren Teilen der Scheiben 10,.11 ... in eine erste mit dem Bezugszeichen 2 versehene Flüssigkeit ein (beim Ausführungsbeispiel Wasser), und zwar bei einer gegebenen Temperatur, V7ährend sich die oberen Bereiche der Scheiben 10, 11 in Kontakt mit einem Gas befinden (dieses Gas ist durch die Pfeile 3 näher gekennzeichnet und besteht aus Luft), und zwar bei einer anderen Temperatur. Der Rotor 1 wird von einem Elektromotor 4 gedreht, so daß sich Teile desselben kontinuierlich aus dem Kontakt mit dem einen Fluidum heraus und in Kontakt mit dem anderen Fluidum bewegen.

Fehlen irgendwelche Vorkehrungen, um das Wasser daran zu hindern, die Rotoroberfläche zu benetzen, dann erfolgt ein Anhaften des Wassers 2 an den Rotorscheiben und es würde sich eine Verdampfung oder Verdunstung des Wassers in die Luft 3 ergeben. Um dies zu verhindern, ist ein zweites Fluidum, welches allgemein mit 5 bezeichnet ist, und welches ein leichtes nicht-detergierendes Mineralöl sein kann (beispielsweise das von der Firma Mobil unter der Bezeichnung Rubrex 100 vertriebene öl) vorgesehen, das auf dem Wasser aufschwimmt. Das zweite Fluidum 5 muß so ausgebildet sein, daß es bevorzugt die Oberfläche der Matrix bedeckt, wenn diese aus der ersten Flüssigkeit 2 in das Gas 3 gelangt; dadurch wird verhindert, daß die erste Flüssigkeit an der

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Oberfläche der Matrix 1 anhängt und in das Gas hinein verdampft.

Das Wärmetauschersystem 101 umfaßt einen Behälter 6 zur Aufnahme des Wassers, wobei das öl 5 auf seine Oberfläche aufschwimmt sowie einen Raum 7, dieser ist beim Ausführungsbeispiel lediglich als eine Leitung dargestellt, durch welche von einem Ventilator 8 getriebene Luft über die Oberfläche des Rotors 1 geführt wird. Das öl zirkuliert hierbei durch die Bewegung des Rotors von der linken zur rechten Seite des Behälters 6. Das öl wird dabei abgestriffen bzw. abgeschöpft und zirkuliert durch ein in Fig. 2 mit dem Bezugsseichen 9 versehenes Element, welches der Filterung und Reinigung des Öles dient. Das öl wird dann mit Hilfe einer Pumpe 9A zum Behälter 6 zurückgeführt. Am Auslaßende des Raumes 7 dient dann noch eine Gruppe von Luftleitblechen, Flügeln 14 oder dergl. als Separator, um aus dem durchströmendem Gas jedes öl zu entfernen, welches gegebenenfalls mitgezogen wird.

Wärmetauscher, die einen Rotor bzw. eine rotierende Matrix zur Gas/Gas-Wärmetauschung verwenden, sind schon bei Gasturbinen angewendet worden; solche Arten von Wärmetauschern sind ganz allgemein beschrieben in dem Buch "Compact Heat Exchangers" von Kays und London, 2. Auflage,auf den Seiten 27 und folgende, McGraw-Hill, 1964.

Der Vorteil eines periodischen Wärmetauschers gegenüber konventioneller fester Wärmetauscher, beispielsweise bestehend aus Umhüllung und Röhre ist darin zu sehen, daß die Kosten

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der Matrix bzw. der Rotoroberfläche wesentlich geringer sind. übliche mit Leitblechen oder -rippen versehene Röhren kosten

2 annähernd nach dem US-Währungssystem etwa 1 Dollar/ft des gesamten Wärmetauscherbereichs, demgegenüber lostet die Matrixoberflache 10 bis 20 Cent/ft des Wärmetauscherbereichs, es ergibt sich also eiri Verhältnis von etwa 1 : 10 bis 1 : hinsichtlich der Kostenersparung bei Anwendung der Erfindung.

Auch ist ein wesentlicher Nachteil bei periodischen Wärmeaus tauschern, die eine Wärmetauschung Gas zu Gas vornehmen,, darin zu sehen, daß sich das Problem des Leckens des einen Gases in das andere ergibt, wenn die Gase unter unterschiedlichen Drücken stehen, Auch fängt die rotierende Matrix an der einen Seite einiges Gas ein und trägt es zur anderen Seite hinüber. Es müssen daher sorgfältig ausgearbeitete und angepaßte Dichtungen verwendet werden, um auf dem Anwendungsgebiet der Gasturbine Leckverluste zu vermeiden.

Bei der vorliegenden Erfindung.befindet sich das Gas und die Flüssigkeit auf im wesentlichen dem gleichen Druck und das öl verhindert jeden direkten Kontakt zwischen Flüssigkeit und Gas, Dichtungen sind daher nicht notwendig. Weiterhin ist es möglich, einfache preiswerte Matrixoberflächen zu verwenden, um die Erfindung durchzuführen. Bei einem trockenen Kühlturm gehen über 50% der Gesamtkosten auf die Wärmetauscheroberflächen. Auch hier reduziert die erfindungsgemäße Konzeption die Gesamtkosten des Kühlturms drastisch. Die Wärmeübertragung und der Druckabfall an der Matrixoberfläche sind dabei im wesentlichen gleich dem,was bei üblichen trockenen Wärmetauschern auftritt. Die vorliegende

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Erfindung ist daher in ihrer Wirkungsweise ähnlich einem konventionellen trockenen Wärmetauscher, bietet jedoch den Vorteil beträchtlich reduzierter Kosten und vermeidet auch die eingangs schon genannten Schwierigkeiten.

Es ist auch, möglich, das erfindungsgemäße Wärmetauschersystem ohne dem zweiten Fluidum (beispielsweise öl) zu verwenden und noch immer die gleiche zufriedenstellende Wirkungsweise zu erhalten, nämlich dann, wenn man den Rotor bzw. die Matrixoberfläche mit einer sehr dünnen Beschichtung von Teflon oder einer ähnlichen Beschichtung versieht, wobei selbstverständlich berücksichtigt werden muß, daß jede solche Beschichtung so ausgebildet sein muß, daß Wasser an ihr nicht anhängt, außerdem muß sie dünn genug sein, um eine Wärmeübertragung bzw. einen Wärmeübergang zwischen den auf den Rotor einwirkenden Fluiden und dem Rotor zu ermöglichen. Es können in diesem Zusammenhang Matrixoberflächen verwendet werden, die ähnlich sind denen,die bei periodischen oder auf einer Drehbewegung beruhenden Gas/Gas-Wärmetauschern verwendet werden, beispielsweise Materialien wie Corning Cercor. Diese Matrixoberflächen können anstelle der Scheiben verwendet werden, um so das Gesamtsystem kompakter auszugestalten.

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Claims

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P atentansprüc h e

! 1.ι Verfahren zur Durchführung einer Wärmetauschung zwischen ^-^ einer Flüssigkeit und einem Gas, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung einer Verdampfung der Flüssigkeit in das Gas ein Teil einer Matrix in thermischen Kontakt mit der Flüssigkeit und dann zur Wärmeübertragung mit dem Gas gebracht wird und daß die Oberfläche der Matrix mit einer sehr dünnen ein Benetzen bzw. ein Anhängen der Flüssigkeit an der Matrixoberfläche verhindernden Schicht eines Materials versehen wird, welches einen Wärmeübergang zwischen den einzelnen Fluiden erlaubt.
2. Wärmetauscher zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine sich bewegende Matrix (1) und eine Anordnung (Rotor 4) vorgesehen sind, um die Matrix bei einer Temperatur mit einer ersten Flüssigkeit (2) und dann bei einer anderen Temperatur mit ei?? nem Gas (3) in Verbindung zu bringen, derart, daß von der Flüssigkeit auf das'Gas Wärme übertragen werden kann und daß zur Verhinderung eines Anhängens der ersten Flüssigkeit an die Matrixoberfläche und zur Vermeidung einer Verdampfung der Flüssigkeit in das Gas auf der Oberfläche der ersten Flüssigkeit (2) eine zweite Flüssigkeit angeordnet ist, die so ausgebildet ist, daß sie der Matrixoberfläche bei ihrem Durchlauf von der ersten Flüssigkeit auf die Gasseite des Systems als Beschichtung anhängt.

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3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mit beiden Fluiden in Kontakt gebrachte Matrix eine eine Benetzung bzw, ein Anhängen der Flüssigkeit verhindernde Beschichtung aufweist.
4. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß zur Aufnahme der auf der ersten Flüssigkeit (2) sich befindenden zweiten Flüssigkeit ein Behälter (6) vorgesehen ist- und daß die Matrix aus einem eine Vielzahl von Scheiben (10, 11, 12, 13 ...) umfassendem Drehelement besteht, wobei beim Betrieb ein Teil des Brehelementes in Kontakt mit der ersten Flüssigkeit und ein zweiter Teil in Kontakt mit dem Gas ist und Teile des Drehelementes sich kontinuierlich aus der Flüssigkeit in das Gas bewegen.
5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Flüssigkeit (2) Wasser und die zweite Flüssigkeit (5) ein leichtes nicht detergierendes Mineralöl und das Gas (3) Luft ist.
6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des Behälters (6) ein Raum (Leitung 7) angeordnet ist und daß dem Raum (7) eine Vorrichtung (8) zum Hindurchbewegen der Luft durch den Raum und zum Aufleiten auf die in diesen Raum hineinragenden Teile des Drehelementes zugeordnet ist.
7. Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß am Auslaßende des Raumes (7) zur Entfernung von mit dem Gas mitgerissenen Teilchen der zweiten Flüssigkeit ein Separator (14) vorgesehen ist.

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8. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 2 - 7, dadurch gekennzeichnet, daS eine Vorrichtung (Pumpe 9A) zum Zirkulieren der zweiten Flüssigkeit (5) von der einen Seite des Behälters (6) zur anderen und Anordnungen (9) zum kontinuierlichen Filtern und Reinigen der zweiten Flüssigkeit vorgesehen sind.
9. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 2-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Matrix (Rotor 1) zur Verhinderung eines Anhängens der ersten Flüssigkeit (Wasser 2) flüssigkeitsabstoßend beschichtet ist.

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