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Titel: Wärmetauscher
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Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zur Rückgewinnung der Abwärme
aus Verbrennungs- und/oder Kühlprozessen, insbesondere in Heizkraftwerken.
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In Heizkraftwerken und Blockschaltkraftwerken zur Energieversorgung
von Gemeinden wird die Abwärme aus dem Kühlwasser und den Abgasen von Gasturbinen,
Gas- und Brennkraftmaschinen zum Antrieb der Generatoren mit Wärmetauschern zurückgewonnen,
wobei dem Kühlwasser einerseits und den Abgasen von wesentlich höherer andererseits
eigene Wärmetauschor zugeordnet sind. Diese Wärmetauscher haben einen erheblichen
Platzbedarf und sind auch verhältnismäßig aufwendig.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wärmetauscher zu schaffein, mit
dem sowohl die Abwärme aus Kühlwasser, als auch die
Abwärme aus
Abgasen gleichzeitig zurückgewonnen werden kann.
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Diese Aufgabe wird mit der Erfindung dadurch gelöst, daß in einem
Durchströmraum für das Sekundärmedium Durchflußrohre für mindestens zwei verschiedene
Primärmedien angeordnet sind.
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Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, daß nur ein einziger Wärmetauscher
erforderlich ist, in dem sowohl die Wärme von Kühlwasser als auch die Wärme von
Abgasen gleichzeitig auf ein Sekundärmedium übergeleitet wird. Hierbei ist es besonders
zweckmäßig, wenn der Durchflußraum für das SekundErmedium in mindestens zwei Kammern
unterteilt ist, die von dem Sekundärmedium nacheinander durchströmt werden.
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Die Durchflußrohre für das erste, kühlere Primärmedium sind vorteilhaft
in der von dem Sekundärmedium zuerst durchströmten, ersten Kammer angeordnet, während
sich die Durchflußrohre fUr das zweite, heißere Primärmedium in der von dem Sekundärmedium
anschließend durchströmten zweiten Kammer befinden. Diese Ausgestaltung hat den
Vorteil, daß nicht nur die Abwärme des Kühlwassers soweit wie möglich zurückgewonnen
wird, sondern daß auch das Sekundärmediui von den heißeren Abgasen auf eine Temperatur
aufgeheizt werden kann, die wesentlich über der Temperatur des der Wärmer(Lckgewinnung
unterworfenen Kühlwassers liegt.
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Die Kammern können unmittelbar nebeneinander angeordnet sein und durch
eine Zwischenwand aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit getrennt sein.
Es gibt dann auch einen Wärmeübergang von der einen zur anderen Kammer.
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Um die Wärmeabstrahlung nach außen so gering wie möglich zu halten,
ist es zweckmäßig, wenn die Kammern derart ineinander geschachtelt sind, daß die
von dem Sekundärmedium zunächst
durchströmte erste Kammer die von
dem Sekundärmedium anschließend durchströmte zweite Kammer umgibt. Die Wärmetauschkammer
für den Wärmeübergang des heißeren Primärmediums auf das Sekundärmedium wird dann
von der ersten Wärmetauschkammer gleichsam wie von einem Kühlmantel umgeben, wobei
das Sekundärmedium in der ersten Kammer die von der zweiten Kammer abgestrahlte
Wärme aufnimmt, Die Durchflußrohre in den Kammern sind zweckmäßig so angeordnet,
daß die Primärmedien im Gegenstrom zu dem Sekundärmedium geführt werden0 Hierbei
sind die Durchflußrohre für das erste Primärmedium Kühlwasserrohre und die Durchflußrohre
für das zweite Primärmedium Abgasrohre0 Die beiden nebeneinander oder konzentrisch
ineinander angeordneten Kammern sind an ihren einen Enden miteinander verbunden
und an ihren anderen Enden mit den Zuleitungen und Ableitungen für das Sekundärmedium
bzw. die Primärmedien versehen. An der Verbindungsstelle zwischen den beiden Kammern
befindet sich eine gegenüber den Kammerquerschnitten verengte Durchtrittsöffnung
für das Sekundärmedium. Hierdurch kann im Sekundärmedium eine zusätzliche Verwirbelung
und hierdurch eine bessere Wärmeübertragung erreicht werden.
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An dem der Verbindungsstelle zwischen den Kammern gegenüberliegenden
Ende des Durchströmraumes ist zweckmäßig eine Vorkammer mit den Anschlußstutzen
zum Zuleiten und Ableiten der Primärmedien angeordnet, die an eine Lochplatte angeflanscht
ist, in welcher die in den Durchströmraum des Wärmetauschers führenden Durchflußrohre
münden. Das in den Wärmetauscher eingeführte Kühlwasser und die in diesen eingeleiteten
Abgase können in dieser Vorkammer auf mehrere Durchflußrohre verteilt werden, in
denen sie den Wärmetauscher durchströmen0
Nach einem weiteren Merkmal
der Erfindung kann der Durchflußraum für das Sekundärmedium zylindrisch sein und
durch eine etwa horizontale Zwischenwand in eine untere erste Kammer mit Durchflußrohren
für Kühlwasser als erstes Primärmedium und in eine obere, zweite Kammer mit Durchflußrohren
für Abgase aus Brennkraftmaschinen od.dgl. unterteilt sein. Hierbei sind in beiden
Kammern quer zur Durchströmrichtung Stauwände angeordnet, die abwechselnd an der
Zwischenwand und an der Umfangswand des Durchflußrohres befestigt sind und sich
über einen Teil des Durchflußquerschnittes erstrecken.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung und den Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausfnhrungstormen der Erfindung
an Beispielen näher erläutert sind. Es zeigt: Fig. 1 einen Wärmetauscher nach der
Erfindung in einer seitlichen Ansicht und teilweise im Längsschnitt, Fig. 2 eine
Stirnansicht des Wärmetauschers nach Fig. 1 in Richtung des Pfeiles II gesehen,
Fig. 3 einen Querschnitt durch die Fig. 1 nach Linie III Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel
der Erfindung in einem Teillängsschnitt und Fig. 5 eine dritte Ausfrungsform der
Erfindung in einem Teillängsschnitt.
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In den Zeichnungen ist mit 10 ein Wärmetauscher bezeichnet, der ein
langgestrecktes, zylindrisches Gehäuse 11 aufweist,
das an seinem
einen Ende 12 durch einen gekümpelten Boden 13 und an seinem anderen Ende 14 durch
eine Flanschplatte 15 verschlossen ist. Das Innere des Gehäuses 11, welches den
Durchströmraum 16 für das Sekundärmedium S bildet, ist durch eine etwa horizontale
Zwischenwand 17 aus Metall in eine untere erste Kammer 18 und in eine obere zweite
Kammer 19 unterteilt. Die Zwischenwand 17 ist mit der Flanschplatte 15 gas- und
flüssigkeitsdicht verbunden und am Ende 12 des Gehäuses 11 mit Durchtrittsöffnungen
20 versehen, die Jedoch einen geringeren Querschnitt haben als die Kammern 18 und
19 und durch welche diese Kammern 18 und 19 miteinander in Verbindung stehen.
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In beiden Kammern 18 und 19 sind quer zur Durchströmrichtung 21 des
Sekundärmediums S an der Innenwand 22 des Gehäuses 11 und an der Zwischenwand 17
Leitbleche oder Stauwände23 und 24 befestigt, die in Längsrichtung des Wärmetauschers
im Abstand voneinander angeordnet sind und in den Durchströmraum 16 des Sekundärmediums
hineinragen und den Durchströmquerschnitt der Kammern 18 und 19 stellenweise verengen,
so daß das in Richtung der Pfeile 21 durch die Kammern strömende Sekundärmedium
zu einem ständigen Richtungswechsel gezwungen wird und zwischen der Innenwand 22
des Gehäuses 11 und der Zwischenwand 17 ständig hin und her strömt. An dem in Fig.
1 linken Ende 14 des Gehäuses 11 ist an die erste, untere Kammer 18 ein Anschlußstutzen
25 zum Zuleiten und an die obere, zweite Kammer 19 ein Anschlußstutzen 26 zum Ableiten
des Sekundärmediums angeordnetO In der unteren, ersten Kammer 18 sind mehrere Durchflußrohre
27 aus Noraalstahl oder austenitischem Stahl angeordnet, welche die Kammer 18 in
Längsrichtung durchziehen. Jedes Rohr 27 ist am Ende des Gehäuses 11 um 1800 gebogen
und bildet einen U-förmigen Rohrstrang, dessen einer Schenkel 28a auf der linken
Seite und dessen anderer Schenkel 28b auf
der rechten Seite einer
durch das Gehäuse 11 gehenden senkrechten Diametralebene liegt. Die freien Enden
29 der Durchflußrohre 27 sind in eine kräftige Lochplatte 30 eingewalzt oder eingeschweißt,
die auf die Flanschplatte 15 am linken Ende 14 des Wärmetauschers aufgelegt und
zwischen dieser und dem Anschlußflansch 31 einer Vorkammer 32 eingespannt ist, die
weiter unten noch beschrieben wird.
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Ebenso wie in der Kammer 18 sind auch in der zweiten, oberen Kammer
19 Durchflußrohre 33 angeordnet, die ebenso wie die Durchflußrohre 27 zu U-förmigen
Rohrsträngen gebogen und in der Lochplatte 30 befestigt sind.
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Die oben bereits erwännte Vorkammer 32 ist wie das Gehäuse 11 des
Wärmetauschers zylindrisch, an ihrer Stirnseite 34 durch einen Boden 35 verschlossen
und durch eine etwa horizontale Mittelwand 36 in eine untere Kammer 37 und in eine
obere Kammer 38 unterteilt. Jede dieser beiden Kammern 37 und 38 ist ihrerseits
durch eine lotrechte Trennwand 39 bzw.
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40 (Fig. 2) in einen Zulaufraum 37a bzw. 38a und in einen Ablaufraum
37b bzw. 38b getrennt. An den Zulaufraum 37a der unteren Vorkammer 37 ist ein Zulaufstutzen
41 für ein erstes Primärmedium P1 und an den Ablaufraum 37b ein Ablautstutzen 42
PUr dieses erste Priiärmedium P7 angeschlossen. Analog hierzu hat der dem Zulaufraum
37a des ersten Primärmediums diametral gegenüberliegende Zulaufraum 38a der oberen
Vorkammer 38 eine Zulaufleitung 43 für ein zweites Primärmedium P2 und der gegenüberliegende
Ablaufraum 38b einen Ablaufstutzen 44 für das zweite Primärmedium P2.
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Mit 45 und 46 sind StUtzkonsolen bezeichnet, mit denen der Wärmetauscher
10 auf dem Boden oder einer anderen geeigneten Vorrichtung befestigt werden kann.
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Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist folgende:
Das
durch den Zulaufstutzen 41 in die Vorkammer 32 eingeleitete erste Primärmedium,
beispielsweise Kühlwasser einer Gasturbine, wird in dem Zulaufraum 37a der unteren
Vorkammer 37 verteilt und tritt durch die Bohrungen 47 in der Lochplatte 30 in die
Durchflußrohre 27 ein, durchströmt diese bis zum Ende 12 des Wärmetauschers und
von dort wieder zurück bis zu dessen Ende 14. Das Primärmedium P1 tritt dann durch
die Löcher 48 in die Rücklaufkammer 37b der Vorkammer 32 ein und verläßt diese durch
den Ablaufstutzen 42.
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In analoger Weise strömt durch den Einlaufstutzen 43 ein zweites Primärmedium
P2 von wesentlich höherer Temperatur, beispielsweise die Abgase der Gasturbinen
oder einer Brennkraftmaschine in die Einlaufkammer 38a der zweiten Vorkammer 38
ein, wird dort auf die Einlaßöffnungen 49 der Durchflußrohre 33 in der oberen Kammer
19 verteilt, durchströmt die Rohre 33 und tritt durch die Öffnungen 50 in der Lochplatte
30 in den Ablaufraum 38b der Kammer ein, wo die abgekühlsten Abgase wieder gesammelt
werden und durch den Ablaufstutzen 44 ausströmen, Gleichzeitig wird das Sekundärmedium
S durch den Zulaufstutzen 25 in die Kammer 18 eingeführt, durchströmt diese, tritt
durch die Durchströmöffnungen 20 in der Zwischenwand 17 in die zweite Kammer 19
über und verläßt diese am Ende 14 des Gehäuses 11 durch den Ablaufstutzen 26.
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Man erkennt, daß das Sekundärmedium, beispielweise Wasser zum Betreiben
einer Warmwasserheizung, in der Kammer 18 zunächst die Abwärme des durch die Rohre
27 geleiteten KUhlwassers aufnimmt und dann in der zweiten Kammer 19 von den wesentlich
heißeren Abgasen weiter aufgeheizt wird, die durch die Durchflußrohre 33 strömen.
Das Sekundärmedium kann hierdurch auf eine Temperatur aufgeheizt werden, die wesentlich
oberhalb der Temperatur des ersten Primärmediums P1 liegt, dessen Abwärme es bereits
aufgenommen hat, wenn
es mit dem zweiten Primärmedium P2 in Berührung
kommt.
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In Fig. 4 ist eine abgewandelte Ausführungsform dargestellt, bei der
die Zulauf- und Ablaufkammern für das erste Primärmedium P1 und das zweite Primärmedium
P2 derart konzentrisch zueinander angeordnet sind, daß die Vorkammer 50 für das
erste, kühlere Primärmedium P1 die Vorkammer 52 für das zweite, heißere Primärmedium
P2 konzentrisch umgibt. Ebenso wie bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel ist
jede der beiden Vorkammern 50 und 52 durch eine Trennwand 53 bzw.
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54 in eine Einlaufkammer 50a bzw. 52a und in eine Auslaufkammer 50b
bzw. 52b unterteilt, an die die Einlauf stutzen 41 bzw. 43 und die Ablaufstutzen
42 bzw. 44 angeschlossen sind. Durch die halbringförmige Einlaufkammer 50a wird
ein erstes Primärmedium, beispielsweise Kühlwasser, in die Durchflußrohre 53 geleitet,
die im Halbkreis in der Nähe der inneren Umfangswand 22 des Wärmetauschergehäuses
11 angeordnet sind und auf der diametral gegenüberliegenden Seite in die halbringförmige
Auslaufkammer 50b münden. Die das zweite Primärmedium P2 bildenden Abgase, zum Beispiel
einer Brennkraftmaschine, strömen von der Einlaufkammer 52a in die im Halbkreis
angeordneten Durchflußrohre 54, welche sich in der zweiten Kammer 19 des Wärmetauschers
10 befinden und dann durch die erste Kammer 18 zurückgeführt werden, wo sie in die
Auslaufkammer 52b mUnden. Die Durchflußrohre 54, welche das zweite, heißere Primärmedium
P2 führen, werden also von einem Ring von Durchflußrohren 53 umgeben, in denen das
erste, kühlere Primärmedium P1 zirkuliert. Hierbei strömen beide Primärmedien P1
und P2 in den Durchflußrohren 53 und 54 im Gegenstrom zu dem Sekundärmedium S, das
durch den Einlaufstutzen 25 zunächst in die Kammer 18 eintritt und von dort in die
Kammer 19 strömt, wo es an dem Auslaufstutzen 26 austritt.
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Im übrigen ist die Ausgestaltung des Wärmetauschers 10 die
gleiche
wie bei der in Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsform, so daß insoweit hier
auf die diesbezUglichen Ausführungen verwiesen werden kann.
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In Fig. 5 ist eine dritte Ausführungsform der Erfindung dargestellt.
Der Vorkopf 60 entspricht hierbei der in Fig.
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4 dargestellten und näher erläuterten Ausführungsform.
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Gleiche Teile sind deshalb hier mit den gleichen Bezugszeichen versehen
wie dort. Dagegen ist der Wärmetauscher etwas anders ausgebildet.
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In dem zylindrischen Gehäuse 11 befindet sich ein zu dem Gehause 11
konzentrisches Rohr 61, welches im Abstand von dem gekümpelten Boden 13 an dem in
der Zeichnung rechten Ende 12 des Wärmetauschers 10 endet und am linken Ende 14
des Wärmetauschers mit der Flanschplatte 15 flüssigkeitsdicht verbunden ist. Durch
das zylindrische Rohr 61 wird der Durchflußraum 16 des Wärmetauschers 10 in eine
äußere, ringförmige erste Kammer 62 und in eine zylindrische, zweite, innere Kammer
63 unterteilt, die von dem Sekundärmedium S nacheinander durchströmt werden. Hierbei
tritt das Sekundärmedium durch den Einlaufstutzen 25 in die äußere, ringförmige
Kammer 62 ein und durch du Auslaufstutzen 26 aus der inneren, zylindrischen Kammer
63 aus. In der ringförmigen, äußeren Kammer 62 strömt das erste, kühlere Primärmedium
P1, beispielsweise das Kühlwasser eines Dieselmotors, von der Einlaufkammer 50a
des Vorkopfes 60 durch die Durchflußrohre 64 in die Auslaufkammer 50b, während die
heißeren Abgase P2 durch die Einlaufkammer 52a in die Durchflußrohre 65 strömen,
welche sich in der zylindrischen zweiten Kammer 63 befinden und welche dann in die
Auslaufkammer 52b des Vorkopfes 60 münden.
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Man erkennt, daß auch bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.
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5 das Sekundärmedium zunächst die Abwärme des Primärmediums
P1
in der ersten Kammer 62 des Wärmetauschers aufnimmt und dann in die zweite Kammer
63 eintritt, in der die Durchflußrohre 65 für das zweite, heißere Primärmedium P2
angeordnet sind. Die von dieser Kammer 63 durch den Zylinder 61 abgestrahlte Wärme
wird von dem Sekundärmedium in der Kammer 62 aufgenommen, so daß ein noch besserer
Wärmeübergang erreicht werden kann.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen
beschränkt, sondern es sind noch mehrere Abwandlungen und Ergänzungen möglich, ohne
den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise ist es möglich, dem Wärmetauscher
andere Querschnittsformen zu geben, oder die Vorkammer etwas anders auszubilden,
etwa in der Art, daß die aus dem Wärmetauscher abgezogenen Primärmedien in Ablaufkammern
abgeleitet werden, welche die Einlaufkammern ringförmig umgeben. Um Wärmeverluste
nach außen hin zu vermeiden, kann der Wärmetauscher auch von einem Isoliermantel
umgeben sein. Es ist auch möglich, die Durchflußrohre im Inneren des Wärmetauschers
etwas anders zu führen, falls sich hierdurch Vorteile ergeben.