DE3306800A1

DE3306800A1 - Waermetauscher

Info

Publication number: DE3306800A1
Application number: DE19833306800
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl.-Phys.Dr. 8060 Dachau Eckert; Heinz 8080 Emmering Grönert; Manfred Mix; Johann 8000 München Münich; Henning von 8031 Puchheim Petersdorff; Wulf Dr. 8033 Planegg Radtke
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MT Aerospace AG
Priority date: 1983-02-26
Filing date: 1983-02-26
Publication date: 1984-08-30
Also published as: IT8447746A0; ES8500433A1; US4583519A; FR2541762A1; ES530002A0; IT1180667B; GR79440B

Description

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•'.A.N. MASCHINENFABRIK AUGSBURG-NÜRNBERG Akti engeseilschaft

München, 23· Februar 1983

Wärmetauscher

Die Erfindung betrifft Wärmetauscher, die über Konvektion oder Strahlung an den Wärmedurchtrittswandungen unterschiedlich hohe Energieströme aufzunehmen haben.

Derartige Wärmetauscher werden beispielsweise in Strahlungsfeuerräumen und bei Kollektoren zur thermischen Sonnenenergienutzung mit linien- oder punktkonzentrierenden Systemen eingesetzt. Unter Wärmetauschern sind eine Fluidströmung aufnehmende Hohlkörper beliebiger Querschnittsform zu verstehen, 'wobei der Querschnitt gegebenenfalls über die Länge des Wärmetauschers variieren kann.

Die Belastbarkeit von Wärmetauschern, Strahlungsabsorbern oder anderen, hohen Temperaturen ausgesetzten Bauteilen wird meist erheblich gemindert, wenn ungleichmäßige ^⁰ Wärmebeaufschlagung vorliegt und diese zu unterschiedlich hohen Wandtemperaturen führt.

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Die zulässige Belastung solcher Komponenten wird dann nicht mehr primär von der maximal über Zeit ertragbaren' Temperatur der Werkstoffe begrenzt, sondern von den durch Temperaturunterschiede hervorgerufenen Spannungen. Im Gegensatz zu Spannungen, die aus der eigentlichen Betriebslast resultieren und in der Regel unabänderlich sind, lassen sich Spannungen aus partiell ungleichmäßiger Wärmezuführung in vielen Fällen mindern.

Die der direkten Strahlung zugewandten Oberflächen der Wärmetauscher erfahren eine deutlich höhere themische Belastung als die Wärmetauscherrückwand. Die eigentliche Rohrbelastung ist dabei aber nicht allein in den hohen Wandtemperaturen der direkt bestrahlten Rohrseite zu sehen. Es sind vor allem die zwei Minima zwischen den direkt und den von der Refl ekti onswand bestrahlten Sektoren und die dadurch am Rohrumfang sich stark verändernden Temperaturgradienten, die die kritischen Spanungen hervorrufen.

Wenn die unterschiedlich hohen Temperaturen am Rohrumfang linear zwischen einem Minimum und einem Maximum anstiegen und abfielen, könnten die thermisch induzierten Spannungen durch krafte- und. momentfrei e Aufhängung weitgehendst eliminiert werden, was jedoch bei insbesondere zwei Minima keine ausreichende Problemlösung darstellt.

Es gibt Anwendungsgebiete, wie z.B. bei Sonnenturmkraftwerken, bei denen der Wärmetauscher einer hohen Zahl von thermischen Lastwechseli? ausgesetzt ist, wie sie sich über den Tages-Nachtzyklus und aus unregelmäßigen Abschattungen der Sonneneinstrahlung ergibt. Es ist übersehbar, daß diese An- und Abfahrzyklen die Wärmetauscher • zusätzlich dynamisch belasten und die Ausnutzung der Werkstoffwerte entsprechend einschränken.

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Zur Minderung von thermisch bedingten Spannungen sind neben der bereits erwähnten zwangsarmen Aufhängung der Wärmetauscher auch vorgekrürnmte Bauweisen bekannt, mit denen auftretende Verformungen besser beherrscht werden, b

Die aus thermischen Zyklen herrührenden Wärmespannungen sucht man in der Regel durch zeitliche Streckung der Aufheiz- und Abkühlphasen zu reduzieren, wobei oft aufwendige Installationen für das Halten der Temperaturen erforderlich sind.

Eine durchaus wirksame Maßnahme, Temperaturunterschiede zwischen Einstrahlsei te und Rückseite abzusenken, ist in keramischen Abschirmungen zu sehen, die vor den Wärmetauschern angebracht, einen Teil der direkten Strahlung abhalten. Allerdings geht ein solcher Schutz mit relativ hohen Temperaturen der Abschirmungen einher ■ und strahlt mit diesen hohen Temperaturen auch eine entsprechend größere Wärmemenge wieder aus dem Absorber hinaus.

Nach vorliegenden Gedanken sollen unterschiedliche Temperaturen, die beispielsweise am Umfang von Wärmetauscherrohren in Absorbern von Sonnenturmkraftwerken entstehen, nicht durch passives Abdecken der der Strahlung ausgesetzten Seite ausgeglichen werden, sondern durch eine verminderte Wärmeabfuhr der Rückseite, der kühleren Seite, der Tauscherrohre und eine verstärkte Wärmeabgabe an das Wärmeträgermedium von der direkt bestrahlten, der heißeren Rohrseite.

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Der Erfindung.1iegt die Aufgabe zugrunde, wirksame temperatur- und wä'rmespannungsausgl ei chende Maßnahmen für Wärmtauscher der eingangs genannten Art aufzuzeigen, die einerseits ohne nachteilige Folgen für Funktion oder Verfahren bleiben und sich andererseits durch geringen fertigungstechnischen Aufwand auszeichnen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Querschnitt der Wärmetauscher mittels Einbauten in zwei oder mehrere Durchströmungskanäle der.gestalt aufgeteilt ist, daß die aus den hohen, unterschiedlichen Energiedichten resultierenden Temperaturdifferenzen und Wärmespannungen der Wandung gemindert bzw. verhindert werden. Hiermit wird ein weitgehender Temperaturausgleich an der Wärmetauscherwandung erreicht, wodurch schädliche Wärmespannungen ausgeschaltet werden.

Der Massenstrom des Wärmeträgermediums hat die gesamte eingebrachte Wärme abzuführen. Form und Größe der einzelnen Querschnitte, und damit die jeweiligen Massenströme, sind derart auf die den einzelnen Querschnitten zufließenden Wärmemengen abzustimmen, daß die Rohrwandungen am Umfang weitgehend gleiche Temperaturen annehmen. Die kleinen bzw. die schmäleren Kanäle, die den Wandungen mit der geringeren Energiezufuhr zugeordnet sind, haben über den vom Querschnitt ableitbaren niedrigen Massenstrom hinaus auch durch dessen niedrigere Geschwindigkeit, infolge des größeren Strömungswiderstandes, eine verminderte Wä'rmeübertragbarkei t als der andererseits größere und schnellere Massenstrom im großen Querschnitt.

Der angestrebte Ausgleich unterschiedlicher Wandtemperaturen am Rohrumfang wird weiterhin dadurch verstärkt, daß die Einbauten als Bleche ausgebildet sind, deren ³^ Oberflächen unterschiedliche Reflektions- und Absorptions-

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-δι vermögen haben. Die üblichen Absorptionswerte der Oberflächen von Ni-Cr-Iegierten, hochwarmfesten Werkstoffen liegen im Temperaturbereich zwischen 750 und 900"C bei 80 bis 95%. Solchen Betriebsbedingungen zufolge lassen sich beachtliche Wärmeströme über Strahlung von der Rohrinnenwandung auf das Leitblech übertragen. Zum Zwecke des Temperaturausgleichs soll nun die mit geringer Wärmestrorndichte beaufschlagte Rückwand weniger Wärme auf das Blech strahlen als die energiereichere vordere Rohrwand, was beispielsweise durch niedrigere Absorptionswerte der der Rohrrückseite zugewandten Blechoberfläche bewirkt wird. Eine solche Veränderung der optischen Eigenschaften ist mit relativ geringem fertigungstechnischen Aufwand am Leitblech darzustellen. Einseitiges

¹^ Alitieren des Leitblechs mit Ref1ektionswerten von 40 bis 5U%, oder auch andere temperaturbeständige Beschichtungen mit vergleichbaren optischen Werten, seien als Beispiel genannt. Ein Variieren der Absorptionswerte oder hier treffender Emissionswerte, an der Rückseite der

²^ Rohrinnenwand, bringt prinzipiell ähnliche Effekte, wäre jedoch ungleich aufwendiger.

Neben dem vorbeschriebenen Vorteil der Blecheinsätze, nämlich für einen Temperaturausgleich am Umfang der Rohrwand zu sorgen, vergrößern sie gleichzeitig die am Wärmetransport beteiligte Oberfläche. Daraus resultieren einerseits eine Absenkung der maximalen Rohrwandtemperatur und zum anderen eine Anhebung der dem Wärmetransportmedium übertragbaren Wärmemenge, was insbesondere bei einer Nutzung der aufgenommenen Wärme von Bedeutung ist. Bei gleicher Wärmeleistung der Wärmetauscher genügt demzufolge eine kürzere Rohrlänge und eine kleinere Baugröße, oder es ergäbe sich im Umkehrschluß höhere Wärmeleistung bei unveränderter Baugröße. Die niedrigeren

Spitzentemperaturen erlauben zudem eine größere Lebensdauer des Wärmetauschers.

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Zur gezielten weiteren Beeinflussung der Wärmeübertragung an das Wärmemedium können die Einbauten und/
oder das Wärmetauscherrohr profiliert bzw. mit Längsrippen ausgestattet sein. Eine weitere Verbesserung
der Abfuhr der Rohrwandwärme läßt sich dadurch erreichen, daß die Einbauten mit annähernd quer zur
Längsrichtung verlaufenden Rippen oder Wellen versehen sind, die eine zusätzliche Turbulenz des Strömungsf1uids erzeugen.

Je nach Ausführung eines Wärmetauschers kann ein
Strahlungsaustausch der direkten Strahlen zwischen heißen und kalten Wänden des Wärmetauschers stattfinden. Will man diese aufrechterhalten, so lassen sich die Einbauten in Form von durchlöcherten Blechen oder als Drahtgewebe ausbilden, um einen gewissen Teil des direkten .Strahlungsaustausches aufrecht zu erhalten.

Um die Aufteilung des Massenstroms optimal und selbsttätig regelbar an eine Änderung der Strahlungsintensitätsverhältnisse anzupassen, kann nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung das Einbauelement bzw. dessen Halterung mit Verstel1mechanismen, wie z.B. mit Bi-Metallelementen versehen werden, die bei auftretenden Temperaturunterschieden der Wandungen die Position des Einbauelementes und damit die Form und Größe der Durch- . Strömungskanäle so verändern, daß sich die Temperaturunterschiede wieder vermindern.

Die Einbauten müssen nicht über die gesamte Rohrlänge

der Wärmetauscher eingesetzt werden, sondern sie können durchaus nur abschnittsweise in Bereiche hoher Wärmestromdichten eingesetzt werden.

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Die Einbauten und die Form der Strömungskanäle können ferner so ausgebildet sein, daß sie für das durchströmende Medium nur einen minimalen zusätzlichen Strömungswider-

stand bedeuten, was beispielsweise durch ebene, glatte Flächen erreicht wird, sowie indem die mit dem Medium in Kontakt stehende Oberfläche der Strömungskanäle so klein wie möglich gehalten wird.

In der Zeichnung sind Ausflihrungsbeispiele gemäß der Erfindung schematisch dargestellt.

In Fig. 1 ist an einem im Querschnitt dargestellten Wärmetauscherrohr 10 ein Beispiel einer Einstrahlungsverteilung gezeigt. Die direkte Strahlung 11 gelangt in den oberen Bereich 12, wobei die Länge der Pfeile 13 ein Maß für die Intensität der Strahlung darstellt.

Befindet sich an der Rückseite des Wärmetauschers 10 eine reflektierende Wand 14, so wird die Rückseite 15 des Wärmetauschers 10 von der reflektierenden Strahlung beaufschlagt. Die beiden Bereiche zwischen den Bereichen 12 und 15 erhalten lediglich Streustrahlungen. In dem hier aufgezeigten Fall läßt sich die auf den Wärmetauscher 10 auftreffende Strah1ungsintensitätsvertei1ung in etwa

²^ durch d^e gestrichelte Linie 17 darstellen. Damit ist der Wärmetauscher 10 am Rohrumfang einer veränderten Temperatur ausgesetzt, die in dem Bereich 12 ein Maximum und zwischen den Bereichen 12 und 15 ein Minimum einnimmt.

^d0 In Fig. 2 ist ein als Absorber eines Solarturmkraftwerkes 21 ausgebildeter Wärmetauscher 20 gezeigt, der sich aus mehreren parallel zu einem Register geschalteten Wärmetauscherrohren 22 zusammensetzt. Die von den direkten konzentrierten Sonnenstrahlen 23 und von der an der Rückwand 24 reflektierten Strahlung beaufschlagten Rohre erfialten eine in Fig. 1 dargestellte Einstrahlungsverteilung.

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-πι In den Wärmetauscherrohren 22 sind in Längsrichtung Einbauten vorgesehen, wie sie beispielsweise in den Fig. 3 bis 5 gezeigt sind.

In Fig. 3 ist ein zylindrischer Wärmetauscher 30 dargestellt, dessen Strömungskanal durch ein profiliertes Einbauelement 31 in zwei ungleich große Kanäle 32 und aufgeteilt ist. Auf der linken Seite ist das Einbauelement 31 von beiden Seiten unterschiedlich beschichtet, wobei die der heißen Zone zugewandte Schicht 34 ein höheres Absorptionsvermögen für Wärmestrahlungen als die Schicht der anderen Seite hat. Hiermit kann durch die höhere Strahlungsintensität und das größere Absorptionsvermögen der heißeren Zone mehr Wärme über das Einbauelement 31, 34, 35 in das Wärmeträgermedium eingebracht werden, womit ein weiterer Beitrag zum Temperaturausgleich geschaffen wird.

Eine ähnliche Wirkung des Temperaturausgleiches durch Strahlung der unterschiedlich heißen Außenwände kann durch ein gelochtes Blech 36 oder in Form eines Drahtgewebes gemäß der Darstellung in Fig. 3, rechte Seite, erreicht werden.

Ein Einbauelement, wie das in Fig. 3 dargestellte Einbauelement 31, kann auch als Bimetall ausgebildet werden, das bei Veränderung der Temperaturdifferenz zwischen den Gasströmen in den beiden Kanälen 32 und 33 seine Lage und damit das Massenstromverhältnis in den beiden Kanälen. 32 und 33 ändert.

In Fig. 4 ist ein Wärmetauscher 40 mit sich verändernden Querschnittsverhältnissen gezeigt, dessen Strömungskanal mittels zwei er Ei nbauel emente· 41 und 42 in drei unterschiedlich große Strömungskanäle 43, 44 und 45 aufgeteilt ist.

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Zur Erhöhung der Wärmeübertragung ist das Warmetauscherrohr 40 im Bereich der Direkteinstrahlung 46 mit Längsrippen 47 ausgestattet. Die Einbauelemente 41 und 42 sind ebenfalls als Wärmeübertragungsflächen zwischen ° den verschiedenen Kanälen 43 bis 45 ausgestaltet und einseitig oder beiderseitig mit Längsrippen versehen.

Fig. 5 zeigt einen Wärmetauscher 50 mit viereckigem Querschnitt, in dem ein Einbauelement 51 schräg zur Längsachse eingesetzt ist. Um durch Turbulenz die Wärmeübertragung zu vergrößern, ist das Einbauelement 51 mit Querrippen 52 ausgestattet.

Je nach Anwendungsfall wird der Strömungskanal in zwei oder mehrere Kanäle unterteilt, wobei diese Unterteilung entweder über die gesamte Länge des Wärmetauschers oder auch nur abschnittsweise geschieht. Die Einbauelemente können einfache, relativ dünne Bleche sein, die meist ohne Konstruktionsänderungen in Glattrohre oder verschiedenartig profilierte Rohre eingesetzt bzw. nachträglich in bestehende Anlagen eingebaut werden können. Gemessen am Aufwand ist der erzielte Nutzen der Leitbleche unvergleichbar groß.

Ein Temperaturausgleich mittels Einbauten läßt sich bei Wärmetauschern beliebiger Form und Durchströmungsquerschnitte erreichen. Auch ist die Anwendbarkeit derartig ausgerüsteter Wärmetauscher nicht auf die Nutzung der Sonnenenergie eingeschränkt. Sie sind vielmehr überall dort, wo Strahlungsenergie an ein gasförmiges oder flüssiges Medium übertragen wird, anwendbar.

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Claims

gü/sd

M.A.N. MASCHINENFABRIK AUGSBURG-NÜRNBERG Aktiengesell schaft

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Patentansprüche

Wärmetauscher, die über Konvektion oder Strahlung an ihren Wärmedurchtrittswandungen

unterschiedlich hohe Energiedichten aufzunehmen haben, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Wärmetauscher (20, 30, 40, 50) mittels Einbauten (31, 41, 42, 51) in zwei ^O oder mehrere Durchströmungskanäle (32, 33

bzw. 43, 44, 45) dergestalt aufgeteilt ist, daß die aus den hohen unterschiedlichen Energiedichten resultierenden Temperaturdifferenzen und Wärmespannungen der Wandung gemindert bzw. verhindert werden.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des jeweiligen

Durchströmungskanals (32, 33; 43, 44, 45) dem

anteilig in der zugeordneten Wärmetauscherrohr-Wandung (38) eingebrachten Energiestrom entspri cht.

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3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbauten als Bleche (31) ausgebildet sind.

4. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbauten (31) an den beiden dem jeweiligen Teilkanal (32 bzw. 33) zugekehrten Seiten (34 bzw. 35) unterschiedliche Absorptions- und Reflektionsvermögen für Strahlungsenergie

haben.

5. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbauten (41, 42) und/oder das Wärmetauscherrohr

(40) profiliert bzw. mit Längsrippen (47) ausgestattet sind.

6. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden ²^ Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die

Einbauten (51) mit annähernd quer zur Längsrichtung verlaufenden Rippen (52) oder Wellen versehen sind.

7. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbauten (36) in Form von durchlöcherten Blechen oder Drahtgeweben ausgebildet sind.

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8. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbauten mit Verstel1mechanismen versehen sind, . die bei auftretenden Temperaturunterschieden

der Wandungen die Position der Einbauten und

damit die Form und Größe der Durchströmkanäle so verändern, daß die Temperaturunterschiede wieder vermindert werden.

9. Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet ,. daß Bimetal 1 el emente als Verstell mechanismen vorgesehen sind.

10. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbauten in Bezug auf die Länge des Wärmetauschers abschnittsweise in Bereiche unterschiedlich hoher Wärmestromdichten eingesetzt sind.

11. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbauten (31) und die Form der Strömungskanäle so ausgebildet sind, daß einem in den Kanälen durchströmenden Medium ein möglichst geringer, zu-25

sätzlicher Strömungswiderstand auferlegt wird.

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