DE60023394T2 - Wärmetauscher - Google Patents

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zum Durchführen eines Wärmetauschs zwischen einer Hochtemperatur-Flüssigkeit und einer Niedrigtemperatur-Flüssigkeit und insbesondere einen Wärmetauscher, der es wirtschaftliche Effekte bietet und eine hohe Zuverlässigkeit und Sicherheit besitzt.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Grundsätzlich wird ein Wärmetauscher als Erhitz-/Kühl-Gerät, ein Verdampfer oder ein Kondensator in einer Anlage zur Stromerzeugung durch Temperaturunterschiede, Dampfkraft, Chemie, zur Nahrungsmittelverarbeitung und ähnlichem, als eine Kältemaschine und als eine Wärmepumpe verwendet. Ein solcher Wärmetauscher kann einen Wärmetausch zwischen einer Hochtemperatur-Flüssigkeit und einer Niedrigtemperatur-Flüssigkeit zum Zwecke des Erhitzens, Kochens, Verdampfens, Kühlens und Kondensierens von Flüssigkeit durchführen.
  • Der herkömmliche Wärmetauscher kann klassifiziert werden in eine Hülle und einen Röhren-Wärmetauscher, einen Wärmetauscher vom Platten-Typ, einen Wärmetauscher vom Spiral-Typ und dergleichen. Der Wärmetauscher vom Platten-Typ wird etwa als ein Verdampfer zum Kochen und Verdampfen einer Arbeitsflüssigkeit mit einer niedrigen Temperatur durch Wärme einer Hochtemperatur-Flüssigkeit verwendet, und als ein Kondensator zum Absorbieren von Wärme durch eine Niedrigtemperatur-Flüssigkeit, um eine Arbeitsflüssigkeit mit einer hohen Temperatur in einer Anlage zur Elektrizitätserzeugung durch Temperaturunterschiede zu kondensieren, als ein Kühlgerät und als eine Wärmepumpe. Ein Beispiel des herkömmlichen Wärmetauschers vom Platten-Typ, der als Verdampfer und Kondensator verwendet wird, ist in den 6 und 7 gezeigt. 6 ist eine perspektivische Explosionsansicht, die wesentliche Komponenten des herkömmlichen Wärmetauschers illustriert. 7 ist eine schematische, erläuternde Ansicht des herkömmlichen Wärmetauschers in einer zusammengebauten Form.
  • Der konventionelle Wärmetauscher 100 vom Platten-Typ ist, so wie in den 6 und 7 gezeigt, mit einer Vielzahl von Paaren von Platten 101, 102 ausgestattet. In jedem Paar ist die Platte 101 auf der anderen Platte 102 angeordnet. Obere und untere Führungsstangen 105, 106, die zwischen einem stationären Rahmen 103 und eine Stützstange 104 gehalten werden, stützen die Vielzahl von Paaren dieser Platten 101, 102. Die Vielzahl von Paaren von Platten 101, 102 werden zwischen dem stationären Rahmen 103 und einem bewegbaren Rahmen 107 festgehalten, der auf den Führungsstangen 105, 106 angebracht ist. Zwei Wärmetauschgänge A, B sind auf den gegenüberliegenden Oberflächen jeder der Platten 101, 102 gebildet. Eine Wärmetauschflüssigkeit 108 mit einer hohen oder niedrigen Temperatur fließt in dem Wärmetauschgang A und eine Arbeitsflüssigkeit 109 fließt in dem anderen Wärmetauschgang B, um einen Wärmetausch durchzuführen.
  • Die oben genannten Platten 101, 102 mit einer vorgegebenen Form und Oberflächeneigenschaft können durch Pressformen eines plattenförmigen Materials erhalten werden. Öffnungen "a", "b", "c" und "d", durch die die Wärmetauschflüssigkeit 108 oder die Arbeitsflüssigkeit 109 fließen können, werden an vier Ecken jeder der Platten 101, 102 gebildet. Dichtelemente 111, 112 sind auf den Flächen der Platten 101, 102 jeweils angeordnet, um zu verhindern, dass sich die Wärmetauschflüssigkeit 108 und die Arbeitsflüssigkeit 109 mischen. Die Platten 101, 102 haben die gleiche Form, jedoch ist die Platte 102 ist relativ zu der normalen Anordnung der Platte 101 kopfstehend angeordnet.
  • In dem herkömmlichen Wärmetauscher mit der oben beschriebenen Struktur verläuft die Wärmetauschflüssigkeit 108 oder die Arbeitsflüssigkeit 109, die zwischen den Platten 101, 102 in der 7 in horizontaler Richtung zugeführt wird, jedoch durch die Öffnungen "a", "b", "c" und "d" und wendet sich vertikal, um einen vertikalen Fluss zwischen den Platten 101, 102 herzustellen, wodurch sie in einer komplizierten Weise fließt und zu einem großen Druckverlust führt. Dementsprechend ist es notwendig, einen Eingangsdruck jeder der Flüssigkeiten zu steigern. Jedoch kann die Flüssigkeitsdichtheit der Wärmetauschgänge A, B nicht erreicht werden, solange die Dichtelemente 111, 112 fest gegen die Platten 101, 102 gepresst sind. Im Hinblick auf diese Tatsache ist es unmöglich, den Druck der Wärmetauschflüssigkeit 108 oder der Arbeitsflüssigkeit 109 über die vorgegebene Grenze zu erhöhen, um ein Leck aufgrund unzureichendem Anpressen der Dichtelemente 111, 112 zu verhindern. Anzahl und Größe der Platten 101, 102 sind auch eingeschränkt, was auch Probleme verursacht. Zusätzlich kann eine ausreichende Sicherheit aufgrund der Verwendung der Dichtelemente 111, 112 nicht hergestellt werden, wenn Ammoniak oder eine Mischung aus Ammoniak und Wasser als Arbeitsflüssigkeit 109 verwendet wird.
  • Um die oben genannten Probleme zu lösen, wurden zum praktischen Einsatz herkömmliche Wärmetauscher vom Platten-Typ verwendet, bei denen die Platten, die durch Pressformen der Materialplatte in eine vorgegebene Form gebracht werden, durch ein Lötverfahren miteinander verbunden sind, um einen einteiligen Körper ohne Verwendung von Dichtelementen zu bilden, während Wärmetauschgänge auf den gegenüberliegenden Flächen jeder Platte gebildet sind, und wobei es keine Notwendigkeit für einen beweglichen Rahmen und einen stationären Rahmen gibt. Jedoch wird ein spezielles Werkzeug benötigt, um die Platten miteinander zu verbinden, was zu komplizierten Herstellungsschritten führt und hohe Herstellungskosten verursacht.
  • Wenn der herkömmliche Wärmetauscher eine Wärmeübertragungsfläche hat, auf der unregelmäßige Abschnitte gebildet sind, um den Wärmeübertragungseffekt zu verbessern und Flüssigkeit, die aufgrund von Kondensation erzeugt wird, leicht abzulassen, tritt ein bemerkenswerter Druckverlust auf. Wenn die Pressgenauigkeit zur Vorbereitung der Platten 101, 102 nicht so hoch ist, kommen die Platten 101, 102 an ihren Abschnitten miteinander in Kontakt, die nicht miteinander in Kontakt kommen sollten, so dass sich die Pressbedingung der Platten 101, 102 verändert, um einen gegenteiligen Einfluss auf den engen Kontakt der Dichtelemente 111, 112 zu haben.
  • Das Verhältnis der Flächen der Öffnungen "a", "b", "c" und "d" zu den Platten 101, 102 ist relativ hoch und diese Öffnungen werden durch einen Beseitigungsprozess gebildet, wie zum Beispiel durch einen Stanzschritt. Dementsprechend wird für die Platten 101, 102 ein Schneidprozess durchgeführt, um Ausschnitte zu bilden, wie zum Beispiel Abfallabschnitte. Wenn die Platten insbesondere zur Elektrizitätserzeugung durch Temperaturunterschiede in Seewasser verwendet werden sollen, werden sie aus Material wie zum Beispiel teurem Titan oder einer speziellen Legierung im Hinblick auf einen Korrosionswiderstand gebildet, was zum Auftreten von unwirtschaftlichen Problemen bei den Materialkosten führt. Die vorläufige japanische Patentschrift Nr. S60-80082 offenbart einen Wärmetauscher vom anderem Platten-Typ, bei dem die oben beschriebenen Probleme berücksichtigt werden. Ein Wärmetauscher vom anderen Platten-Typ hat eine Struktur, in der eine Anzahl von Gangabschnitte, die durch Bilden von Öffnungen auf den Platten erhalten werden, auf zwei auf den oberen und unteren Seiten beschränkt ist, um die unwirtschaftlichen Probleme bei den Materialkosten zu lösen und das Verhältnis der Fläche der Wärmeübertragungsseite zu der Platte extrem zu vergrößern. Jedoch hat ein Wärmetauscher vom anderen Platten-Typ die Gangabschnitte, was in dem Auftreten der unwirtschaftlichen Probleme bei den Kosten der verwendeten Materialien führt. Zusätzlich tragen die Gangabschnitte der Platte nicht zu dem Wärmetausch bei, und es ist deshalb notwendig, die Platte zu verwenden, die größer ist, als die wesentliche Fläche der Wärmeübertragungsfläche.
  • US 3,106,241 beschreibt eine Hilfseinheit, die in Verbindung mit einem herkömmlichen Heizsystem verwendet wird, welches einen herkömmlichen Ofen umfasst. Die Hilfseinheit besteht aus einem Blechgehäuse, das eine Wärmeübertragungseinheit umfasst. Die Wärmeübertragungseinheit umfasst eine Bodenwand, eine obere Wand und eine Vielzahl von röhrenförmigen Gängen, die voneinander beabstandet sind und im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind. Die Gänge werden gestützt durch, verbunden mit und geöffnet durch die obere Wand und die Bodenwand und sind jeweils aus einer gestreckten, rechtwinkligen Bauweise im Querschnitt und sind quer zu dem Gehäuse angeordnet. Die Bodenwand des Wärmetauschers ist von dem Gehäuseboden beabstandet, um eine Bodenkammer zu bilden, in welche sich die unteren Enden der Röhren öffnen. Die obere Wand des Tauschers ist von der Abdeckung beabstandet, um eine obere Kammer bereitzustellen, in welche sich die oberen Enden der Röhren öffnen.
  • Das UK-Patent 782,135 beschäftigt sich mit dem Bereitstellen einer Wärmefläche zur Verwendung bei Verdampfungs- und Destillationsanlagen, die zum Austausch oder zur Reparatur leicht eingesetzt und entfernt werden kann. Die Erfindung besteht aus einem Wärmetauschelement, das ein Gehäuse oder einen Mantel und eine Vielzahl von Röhren umfasst, die sich dadurch erstrecken. Die Röhren haben einen gestreckten Querschnitt, der flache Seiten umfasst. Das Wärmetauschelement ist angepasst, um an einen Wärmetauscher zu passen und von ihm rechtwinklig zu der Längsachse der Destillations- oder Verdampfungsanlage entfernt zu werden. Das Gehäuse hat eine zylinderförmige oder rechteckige Form, die einen Mantel für die Röhren bildet, die sich von der Basis zu dem Kopf erstrecken. Der Mantel ist mit Dampf- oder Abgaseinlass- oder -auslassrohren und mit externen Rollen oder Stützen ausgestattet, wobei das Wärmetauschelement aus der Hülle des Wärmetauschers oder der Anlage herausgezogen werden kann.
  • FR-A-685 208 offenbart einen Wärmetauscher, der in einer Kammer enthalten ist. Die Röhren des Wärmetauschers sind so angeordnet, dass ein Ende der Röhren an der linken Wand und das andere Ende an der rechten Wand befestigt ist. Die Enden der Röhren öffnen sich in Kammern auf jeder Seite des Wärmetauschers, die das Einlassen und Auslassen von Gas ermöglichen.
  • DE-A-38 15 070 offenbart einen Kühler, der ein Gehäuse umfasst, das in drei isolierte Abschnitte unterteilt ist, einen Flüssigkeitseinlassabschnitt für eine Kühlflüssigkeit, einen Flüssigkeitsauslassabschnitt für die Kühlflüssigkeit und einen Zwischenabschnitt. Röhrenförmige Elemente, die parallel angeordnet sind und den Einlassabschnitt mit dem Auslassabschnitt verbinden, durchlaufen den Zwischenabschnitt. Eine zu kühlende Flüssigkeit fließt um die röhrenförmigen Elemente in dem Zwischenabschnitt. Eine Trennwand ist in jedem der Einlass- und Auslassabschnitte bereitgestellt, so dass die Kühlflüssigkeit zunächst von dem Einlassabschnitt zu dem Auslassabschnitt fließt, sie dann von dem Auslassabschnitt durch die röhrenförmigen Elemente zu dem Einlassabschnitt zurückgeführt wird, und sie danach wieder durch die röhrenförmigen Elemente zurück zu dem Auslassabschnitt zurückgeführt wird, bevor die Kühlflüssigkeit durch einen Auslassanschluss abgelassen wird.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die getätigt wurde, um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, ist es deshalb, einen Wärmetauscher bereitzustellen, in dem die Stützstruktur der Wärmeübertragungsflächen verbessert ist, um die Nicht-Verwendung von Dichtelementen zu erlauben und von den aufgrund ihrer Verwendung bestehenden Einschränkungen zu entlasten, wobei die Wärmeübertragungsfläche eine einfache Form hat, um Herstellungskosten zu reduzieren und Zuverlässigkeit und Sicherheit zu verbessern.
  • Um das vorgenannte Ziel zu erreichen, umfasst der Wärmetauscher der vorliegenden Erfindung zum Durchführen eines Wärmetauschs zwischen einer Hochtemperatur-Flüssigkeit und einer Niedertemperatur-Flüssigkeit:
    eine Hülle in Kastenform, wobei ihr Inneres durch wenigstens zwei parallele Trennwände in wenigstens drei in einer vorgeschriebenen Richtung angeordnete Zonen aufgeteilt ist, und
    eine Vielzahl von röhrenförmigen Wärmeübertragungselementen, wobei die Wärmeübertragungselemente eine Vielzahl von röhrenförmigen Körpern umfassen; die jeder sich gegenüberliegende offene Enden und zwei Flächen haben, die sich mit einem vorgegebenen Abstand parallel zueinander gegenüberliegen, wobei die röhrenförmigen Körper parallel zueinander in einer Zwischenzone der Zonen der Hülle angeordnet sind, die sich zwischen zwei benachbarten Zonen befindet, die von der Zwischenzone verschieden sind, so dass eine zentrale Achse jedes der röhrenförmigen Körper mit einer vorgeschriebenen Richtung übereinstimmt und sich die Flächen der röhrenförmigen Körper parallel zueinander gegenüberliegen, wobei die röhrenförmigen Körper durch die wenigstens zwei parallelen Trennwände verlaufen, so dass sich die gegenüberliegenden offenen Enden jedes der röhrenförmigen Körper jeweils in den beiden der Zwischenzone benachbarten Zonen befinden, und ein Inneres jedes der röhrenförmigen Körper von der Zwischenzone isoliert ist,
    einen Zuleitungsanschluss, der auf einer Seitenfläche der Hülle angeordnet ist, die der Zwischenzone zugewandt ist,
    eine Führungsplatte, die in einer vorgegebenen Position zwischen dem Zuleitungsanschluss und den röhrenförmigen Wärmeübertragungselementen angeordnet ist,
    wobei ein Wärmetausch durch die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente durchgeführt wird, die als Wärmeübertragungsflächen dienen, indem eine der Hochtemperatur-Flüssigkeit oder der Niedrigtemperatur-Flüssigkeit einer der beiden, der Zwischenzone der Hülle benachbarten Zonen unter einem vorgegebenen Druck zugeführt wird, um zu bewirken, dass die eine der Hochtemperatur-Flüssigkeit oder der Niedrigtemperatur-Flüssigkeit durch die röhrenför migen Wärmeübertragungselemente läuft, und die eine der Hochtemperatur-Flüssigkeit oder der Niedrigtemperatur-Flüssigkeit aus der anderen der beiden, der Zwischenzone benachbarten Zonen ausgelassen wird, während die andere der Hochtemperatur-Flüssigkeit oder der Niedrigtemperatur-Flüssigkeit von dem Zuleitungsanschluss der Zwischenzone zugeführt wird, um zu bewirken, dass sie zwischen den röhrenförmigen Wärmeübertragungselementen in eine Richtung fließt, die senkrecht zu einer axialen Richtung der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente ist.
  • Der Wärmetauscher der vorliegenden Erfindung hat eine Struktur, so dass die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente, die als die Wärmeübertragungsflächen zum Durchführen eines Wärmetauschs dienen, in der kastenförmigen Hülle angeordnet sind, wobei eine beliebige der Hochtemperatur-Flüssigkeit und der Niedrigtemperatur-Flüssigkeit durch das Innere der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente fließt und die andere der Hochtemperatur-Flüssigkeit und der Niedrigtemperatur-Flüssigkeit durch die Region fließt, die die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente umgibt, in einer zu der oben erwähnten beliebigen Flüssigkeit senkrechten Richtung, so dass der Wärmeaustausch zwischen der Hochtemperatur-Flüssigkeit und der Niedrigtemperatur-Flüssigkeit durch die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente durchgeführt wird. Als Ergebnis ist es nicht notwendig, irgendein Dichtelement zu verwenden, um die Lücke zwischen den Wärmeübertragungsflächen zu sichern. Zusätzlich ist es möglich, die Einschränkung des auf die Flüssigkeit angewandten Drucks zu lockern, so dass die Flüssigkeit mit hoher Temperatur und niedrigem Druck verwendet werden kann. Es ist ebenfalls möglich, eine große Anzahl von Wärmeübertragungsflächen anzuordnen und ihre Größe zu erhöhen, um die Wärmetauscheffizienz zu verbessern. Es treten keine undichten Stellen an den Dichtelementen auf, wodurch die Zuverlässigkeit bemerkenswert erhöht wird. Die gegenüberliegenden Endabschnitte der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente dienen als Einlass in das Innere der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente und Auslass daraus, und in dem Zwischenabschnitt der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente ist ohne Verschwendung von Material in einem Schneideprozess für die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente keine Öffnung gebildet. Es ist deshalb möglich, wirtschaftliche Effekte zu bieten und den Fließweg der Flüssigkeit zu vereinfachen, um Druckverlust zu reduzieren.
  • In dem Wärmetauscher der vorliegenden Erfindung können die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente als gelegentliche Anforderung auf ihren Oberflächen ein vorgegebenes, unregelmäßiges Muster haben. Wenn die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente das vorgegebene unregelmäßige Muster in dieser Weise in der vorliegenden Erfindung haben, ist es möglich, einen großen Bereich der Wärmeübertragungsflächen zu sichern. Zusätzlich ist es möglich, Verdampfung und Kondensation effizienter zu bewirken, wenn der Wärmetauscher als ein Verdampfer oder ein Kondensator verwendet wird.
  • In dem Wärmetauscher der vorliegenden Erfindung können die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente als gelegentliche Anforderung eine poröse innere Fläche haben. Wenn die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente eine poröse innere Fläche haben, um bei der Verwendung des Wärmetauschers als ein Verdampfer Blasenentstehungskerne der Flüssigkeit zu entfernen, die mit der inneren Oberfläche der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente in Kontakt kommt, um erwärmt zu werden und um ein Entfernen der Blasenentstehungskerne, die zu einer vorgegebenen Größe herangewachsen sind, von der inneren Oberfläche der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente zu entfernen, ist es möglich, die Entstehung von Blasen zu vereinfachen, um eine Verdampfung effizienter zu bewirken, wodurch die Wärmetauscheffizienz verbessert wird. Wenn der Wärmetauscher als Kondensator verwendet wird, ermöglicht die poröse innere Oberfläche der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente zusätzlich, den Bereich für den Wärmetausch zu vergrößern, wodurch die Kondensationseffizienz vergrößert wird.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine Seitenansicht, die einen Wärmetauscher der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in installiertem Zustand zeigt;
  • 2 ist eine längsgerichtete Querschnittsansicht des Wärmetauschers der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 3 ist eine perspektivische Ansicht des wesentlichen Teils des Wärmetauschers der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die einen Querschnittsabschnitt hat;
  • 4 ist eine Seitenansicht, die den Wärmetauscher einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in installiertem Zustand zeigt;
  • 5 ist eine Seitenansicht, die den Wärmetauscher einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in installiertem Zustand illustriert;
  • 6 ist eine perspektivische Explosionsansicht des wesentlichen Teils des herkömmlichen Wärmetauschers; und
  • 7 ist eine schematische, beschreibende Ansicht des herkömmlichen Wärmetauschers in zusammengesetztem Zustand.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Nachfolgend wird nun eine Ausführungsform des Wärmetauschers der vorliegenden Erfindung im Detail mit Bezug auf die 1 bis 3 beschrieben. 1 ist eine Seitenansicht, die den Wärmetauscher der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in seinem installierten Zustand zeigt, 2 ist eine längsgerichtete Querschnittsansicht des Wärmetauschers der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und 3 ist eine perspektivische Ansicht des wesentlichen Teils des Wärmetauschers der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der einen Querschnitts-Abschnitt hat.
  • Wie die 1 bis 3 zeigen, ist der Wärmetauscher 1 der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aus einer Hülle 2 mit einer Kastenform und aus einer Vielzahl von röhrenförmigen Wärmeübertragungselementen 3 aufgebaut. Das Innere der Hülle 2 ist in drei Zonen unterteilt, die durch zwei parallele Trennwände 2a, 2b in vertikaler Richtung angeordnet sind. Die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 umfassen eine Vielzahl von röhrenförmigen Körpern, die jeder gegenüberliegende offene Enden und zwei Oberflächen haben, die mit einem vorgegebenen Abstand einander parallel gegenüberliegen. Die röhrenförmigen Körper sind parallel zueinander in einer Zwischenzone 4 der drei Zonen der Hülle 2 angeordnet, so dass die zentrale Achse jedes der röhrenförmigen Körper mit der vertikalen Richtung übereinstimmt und die Oberflächen der röhrenförmigen Körper einander parallel gegenüberliegen. Die röhrenförmigen Körper verlaufen durch die parallelen Trennwände 2a, 2b, so dass sich die gegenüberliegenden offenen Enden jedes der röhrenförmigen Körper in der oberen Zone 5 und der unteren Zone 6 befinden, die jeweils der Zwischenzone 4 benachbart sind, und das Innere jedes röhrenförmigen Körpers von der Zwischenzone 4 isoliert ist.
  • Die Hülle 2 ist aus einem metallischen Körper mit einer rechteckigen Kastenform gefertigt. Die Hülle 2 hat die Trennwand 2a in einer Position bereitgestellt, die durch einen vorgeschriebenen Abstand von dem oberen Ende beabstandet ist, so wie auch die Trennwand 2b, die in der anderen Position bereitgestellt ist, durch einen vorgeschriebenen Abstand von dem unteren Ende beabstandet ist. Das Innere der Hülle 2 ist in drei Zonen unterteilt, das heißt, die obere Zone, die Zwischenzone 4 und die untere Zone 6. Der kastenförmige Körper hat an seinem oberen Abschnitt eine obere Einlass-Auslass-Öffnung 5a, durch die der oberen Zone 5 eine Arbeitsflüssigkeit mit einem vorgegebenen Druck zugeführt wird oder aus ihr ausgelassen wird. Der kastenförmige Körper hat an seinem unteren Abschnitt eine untere Einlass-Auslass-Öffnung 6a, aus der die Arbeitsflüssigkeit aus der unteren Zone ausgelassen wird oder ihr zugeführt wird. Die Hülle 2 hat auf der einen Seitenfläche der Hülle 2, die der Zwischenzone 4 zugewandt ist, einen Zuleitungsanschluss 4a, durch den eine Wärmetauscherflüssigkeit zugeführt wird. Die Hülle 2 hat auf der gegenüberliegenden Seitenfläche der Hülle 2, die der Zwischenzone 4 zugewandt ist, auch einen Auslassanschluss 4b, durch den die Wärmetauscherflüssigkeit ausgelassen wird.
  • Die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 sind aus metallischen Röhrenkörpern gefertigt, die ein großes Seitenverhältnis (Aspect Ratio) und einen rechteckigen Querschnitt haben. Die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 sind vertikal in der Zwischenzone 4 angeordnet, so dass ihre gegenüberliegenden Endabschnitte jeweils durch die Trennwände 2a, 2b hindurch verlaufen. Die röhrenförmigen Übertragungselemente 3 sind an ihren Abschnitten, die durch die Trennwände 2a, 2b hindurch verlaufen, an den Trennwänden 2a, 2b befestigt, um in einen engen Kontakt mit den Trennwänden 2a, 2b zu gelangen, ohne eine Lücke zu bilden. Der enge Kontakt der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 mit den Trennwänden 2a, 2b bewirkt, dass die obere Zone 5 und die untere Zone 6 von der Zwischenzone 4 isoliert sind. Die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 haben auf ihren Oberflächen ein vorgegebenes unregelmäßiges Muster, um die Gesamtfläche der Wärmeübertragungsflächen zu vergrößern und die Festigkeit zu verbessern.
  • Es wird nachfolgend eine Beschreibung eines Wärmetauschvorgangs des Wärmetauschers mit der oben beschriebenen Struktur gegeben, der als ein Kondensator verwendet wird.
  • Wenn der Wärmetauscher als Kondensator verwendet wird, wird eine Gasphasen-Arbeitsflüssigkeit mit einem vorgegebenen Druck durch die obere Einlass-Auslass-Öffnung 5a in die obere Zone 5 der Hülle 2 zugeführt, um zu bewirken, dass die Arbeitsflüssigkeit in absteigender Richtung in die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 fließt. Eine Niedrigtemperatur-Flüssigkeit wird durch den Zuleitungsanschluss 4a kontinuierlich zugeführt, der auf der einen Seitenfläche der Hülle 2 zu der Zwischenzone 4 gebildet ist, während die Niedrigtemperatur-Flüssigkeit aus dem Auslassanschluss 4b ausgelassen wird, der auf der gegenüberliegenden Seitenfläche der Hülle 2 gebildet ist. Die Niedrigtemperatur-Flüssigkeit fließt zwischen den röhrenförmigen Wärmeübertragungselementen 3 in die zu der Fließrichtung der Arbeitsflüssigkeit senkrechten Richtung in die Wärmeübertragungselemente 3, um einen Wärmetausch durchzuführen, indem sie als Wärmeübertragungsflächen verwendet werden. Die Arbeitsflüssigkeit kommt mit dem Inneren der inneren Oberfläche der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 in Kontakt, um Wärme durch die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente an die außerhalb von ihnen fließende Niedrigtemperatur-Flüssigkeit abzugeben, um auf der inneren Oberfläche der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 zu kondensieren, um eine Flüssigphase zu werden. Die in dieser Weise verflüssigte Arbeitsflüssigkeit fließt unverzüglich entlang der inneren Fläche der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 abwärts. Die Arbeitsflüssigkeit gelangt von den röhrenförmigen Wärmeübertragungselementen 3 in die untere Zone 6 und wird aus der unteren Einlass-Auslass-Öffnung 6a ausgelassen.
  • Der Wärmetauscher der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat eine Struktur, so dass die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3, die aus den röhrenförmigen Körpern aufgebaut sind, die als die Wärmeübertragungsflächen für den Wärmetausch dienen, in der Hülle 2 angeordnet sind, und die Arbeitsflüssigkeit in die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 fließt, während die Niedrigtemperatur-Wärmetauscher-Flüssigkeit oder die Hochtemperatur-Wärmetauscher-Flüssigkeit in die Zwischenzone 4 fließt, die die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 umschließt, um einen Wärmetausch durch die Wärmeübertragungselemente 3 durchzuführen. Dementsprechend ist es möglich, den großen Bereich der Wärmeübertragungsflächen in der gleichen Weise si cherzustellen, wie bei dem herkömmlichen Wärmetauscher vom Platten-Typ. Es ist nicht notwendig, irgendein Element zum Sichern von Lücken zwischen den Wärmeübertragungsflächen zu verwenden und die Einschränkungen des Drucks abzubauen, der auf die Flüssigkeit wirkt, wodurch es möglich wird, die Flüssigkeit mit einer hohen Temperatur und einem hohen Druck zu verwenden (zum Beispiel einem Druck von bis zu ungefähr 200-fachem Luftdruck). Zusätzlich ist es möglich, die Wärmeübertragungsflächen in einer größeren Anzahl parallel anzuordnen als der herkömmliche Wärmetauscher, und die vergrößerten Wärmeübertragungsflächen zu verwenden, wodurch die Wärmetauscheffizienz verbessert wird. Es ist auch möglich, ein Leckproblem zu lösen, das an einem Ort auftreten kann, wo Dichtelemente verwendet werden, wodurch Zuverlässigkeit und Sicherheit bemerkenswert verbessert werden. Die gegenüberliegenden Enden jedes der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 dienen als Einlass und Auslass, die jeweils mit ihrem Inneren in Wechselwirkung stehen. Als Ergebnis ist es möglich, jedes der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 in der einfachsten röhrenförmigen Form zu bilden, um die Produktion von Abfallabschnitten in dem Schneidschritt für die röhrenförmige Wärmeübertragungselemente 3 zu verhindern. Dementsprechend können die Herstellungskosten reduziert werden. Die Flusslinie der Flüssigkeit kann auch vereinfacht werden, wodurch Druckverlust reduziert wird.
  • In der Ausführungsform des Wärmetauschers der vorliegenden Erfindung sind die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 aus röhrenförmigen Körpern aufgebaut, die jeweils aus einer einzelnen metallischen Platte gefertigt sind, um den einfachen rechteckigen Querschnitt zu bilden. Es kann eine Struktur eingerichtet werden, dass zwei Platten durch einen Abstandshalter zu einem einteiligen Körper miteinander verbunden werden, um den röhrenförmigen Körper mit dem rechteckigen Querschnitt zu bilden. In Bezug auf die Struktur zum Stützen der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 parallel zueinander, wird ein Abstandshalter zwischen den beiden benachbarten, parallel zueinander angeordneten röhrenförmigen Wärmeübertragungselementen 3 angeordnet, und der Abstandhalter und die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 werden miteinander verklebt oder verschweißt, um einen einteiligen Körper zu bilden, außer der Einrichtung der Stützstruktur, die die Trennwände 2a, 2b verwendet. Gemäß einer solchen Struktur ist es möglich, die Lücke zwischen den parallelen, sich gegenüberliegenden Flächen jedes der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3, sowie die Lücke zwischen den benachbarten beiden röhrenförmigen Wärmeübertragungselementen 3 genau beizubehalten, um einen ausreichenden Wärmeübertragungsbereich relativ zu einer Volumeneinheit in der gleichen Weise sicherzustellen, wie der herkömmliche Wärmetauscher vom Platten-Typ.
  • In dem Wärmetauscher der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung haben die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 auf ihren Oberflächen ein vorgegebenes unregelmäßiges Muster. Zusätzlich zu einer solchen Struktur können die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 über ihre Gesamtheit eine poröse innere Fläche haben. In diesem Fall ist es möglich, bei der Verwendung des Wärmetauschers als Verdampfer Blasenerzeugungskerne der Arbeitsflüssigkeit zu vergrößern, die auf der inneren Oberfläche der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 in der Flüssigphase ist, und ein Entfernen der Blasenerzeugungskerne, die zu einer vorgegebenen Größe herangewachsen sind, von der inneren Fläche des röhrenförmigen Wärmeübertragungselements 3 zu vereinfachen. Es ist deshalb möglich, die Erzeugung von Blasen zu vereinfachen, um eine effizientere Verdampfung zu bewirken, wodurch die Wärmetauscheffizienz verbessert wird.
  • In dem Wärmetauscher der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 in der Hülle 2 mit dem einfachen rechteckigen Querschnitt parallel zueinander angeordnet. Die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 können in der Hülle 2 in der Flussrichtung der Wärmetauscherflüssigkeit seriell oder in Zickzack-Form angeordnet sein. In diesem Fall ist es möglich, die durch die Hülle 2 verlaufende Wärmetauschflüssigkeit effizienter mit der Oberfläche der röhrenförmigen Wärmeübertragungs elemente 3 in Kontakt zu bringen, um einen stabilen Wärmetausch zwischen der Wärmetauscherflüssigkeit und der Arbeitsflüssigkeit herzustellen, wodurch die Wärmetauscheffizienz verbessert wird.
  • Bei dem Wärmetauscher der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat die Hülle 2 den Zuleitungsanschluss 4a, durch den die Wärmetauscherflüssigkeit zugeführt wird, auf der einen Seitenfläche der Hülle 2, die der Zwischenzone 4 zugewandt ist, und den Auslassanschluss 4b, durch den die Wärmetauscherflüssigkeit ausgelassen wird, auf einem vorgegebenen Abschnitt der gegenüberliegenden Seitenflächen der Hülle 2, die der Zwischenzone 4 zugewandt ist. Der Zuleitungsanschluss 4a und der Auslassanschluss 4b können auf jeder der Seitenflächen der Hülle 2 gebildet sein, solange die Fließrichtung der Flüssigkeit von dem Zuleitungsanschluss 4a zu dem Auslassanschluss 4b rechtwinklig zu der axialen Richtung der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 ist. Zum Beispiel können der Zuleitungsanschluss 4a und der Auslassanschluss 4b jeweils auf dem oberen und unteren Abschnitt der gleichen Seitenfläche gebildet sein, die der Zwischenzone 4 zugewandt ist.
  • In dem Wärmeetauscher der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gibt es kein Hindernis zwischen dem Zuleitungsanschluss 4a, der auf der Seitenfläche der Hülle 2 gebildet ist, und jedem der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3, so dass die Wärmetauschflüssigkeit, die von dem Zuleitungsanschluss 4a in die Zwischenzone 4 zugeführt wird, sich sanft durch die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 bewegen kann. Eine Führungsplatte 7 ist an einer vorgegebenen Position zwischen dem Zuleitungsanschluss 4a und dem röhrenförmigen Wärmeübertragungselement 3 in der Zwischenzone 4 wie in 4 gezeigt bereitgestellt, um den Fluss der Wärmetausch-Flüssigkeit, die von dem Zuleitungsanschluss 4a zugeführt wird, in die obere und untere Richtung aufzuteilen. In diesem Fall ist es möglich, die Wärmetauschflüssigkeit gleichmäßig in die obere und untere Richtung zwischen dem Zuleitungsanschluss 4a und dem röh renförmigen Wärmeübertragungselement 3 zu führen, ohne eine Strömung zu bewirken.
  • In dem Wärmetauscher der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat die Hülle 2 die einzelne obere Einlass-Auslass-Öffnung 5a, die einzelne untere Einlass-Auslass-Öffnung 6a, den einzelnen Zuleitungsanschluss 4a und den einzelnen Auslassanschluss 4b. Jede dieser Komponenten kann in der Hülle 2 in größerer Anzahl gebildet sein, wie 5 zeigt. In diesem Fall ist es möglich, zu bewirken, dass die Arbeitsflüssigkeit und die Wärmetauscherflüssigkeit gleichmäßig in jedes der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 und jeweils zwischen ihnen in die Zwischenzone 4 fließt.
  • In dem Wärmetauscher der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann bei der Verwendung des Wärmetauschers als Verdampfer ein Ultraschallvibrator zum Vibrieren der Arbeitsflüssigkeit durch eine Ultraschallwelle auf der stromaufwärts gelegenen Seite der unteren Einlass-Auslass-Öffnung 6a bereitgestellt werden, durch die die Arbeitsflüssigkeit zu der unteren Zone 6 in der Flüssigphase zugeführt wird. In diesem Fall erzeugt die Ultraschallwelle feine Blasen in der Arbeitsflüssigkeit. Wenn die Arbeitsflüssigkeit einschließlich der feinen Blasen die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 von der unteren Zone 6 erreicht, steigen die Blasen entlang der inneren Oberfläche der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 zur Oberfläche der Arbeitsflüssigkeit, um die Arbeitsflüssigkeit aufzurühren, die in der Nähe der inneren Oberfläche der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 in der Flüssigphase existiert. Es ist deshalb möglich, einen angemessenen Kontakt der Arbeitsflüssigkeit mit der inneren Oberfläche der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente 3 zu vereinfachen, wodurch die Verdampfungseffizienz verbessert wird.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung, so wie sie im Detail beschrieben wurde, hat der Wärmetauscher eine Struktur, dass die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente, die als die Wärmeübertragungsflächen zum Durchführen eines Wärme tauschs dienen, in der kastenförmigen Hülle angeordnet sind, wobei eine beliebige der Hochtemperatur-Flüssigkeit und der Niedrigtemperatur-Flüssigkeit durch das Innere der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente verläuft, und die andere der Hochtemperatur-Flüssigkeit und der Niedrigtemperatur-Flüssigkeit durch die Region verläuft, die die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente in einer Richtung umgibt, die senkrecht zu der oben erwähnten beliebigen Flüssigkeit ist, so dass der Wärmetausch zwischen der Hochtemperatur-Flüssigkeit und der Niedrigtemperatur-Flüssigkeit durch die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente durchgeführt werden kann. Als Ergebnis ist es nicht notwendig, Dichtelemente zu verwenden, um die Lücke zwischen den Wärmeübertragungsflächen zu sichern. Zusätzlich ist es möglich, eine Einschränkung des auf die Flüssigkeit angewandten Drucks zu lockern, so dass die Flüssigkeit mit einer hohen Temperatur und einem hohen Druck verwendet werden kann. Es ist auch möglich, eine große Anzahl von Wärmeübertragungsflächen anzuordnen und deren Größe zu vergrößern, um die Wärmeübertragungseffizienz zu verbessern. Es gibt kein Auftreten von Lecks an den Dichtelementen, wodurch die Zuverlässigkeit und Sicherheit bemerkenswert verbessert wird. Die gegenüberliegenden Endabschnitte der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente dienen als ein Einlass zu dem Inneren der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente und ein Auslass daraus, und es gibt keine Öffnung, die in dem Zwischenabschnitt der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente ohne Verschwenden von Material in einem Schneidprozess für die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente gebildet ist. Es ist deshalb möglich, wirtschaftliche Effekte bereitzustellen und die Flusslinie der Flüssigkeit zu vereinfachen, um Druckverlust zu reduzieren.
  • Wenn die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente in der vorliegenden Erfindung das vorgegebene unregelmäßige Muster haben, ist es möglich, einen großen Bereich der Wärmeübertragungsflächen sicherzustellen. Zusätzlich ist es möglich, Verdampfung oder Kondensation effizienter zu bewirken, wenn der Wärmetauscher als ein Verdampfer oder ein Kondensator verwendet wird.
  • Wenn die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente eine poröse innere Oberfläche haben, um bei einer Verwendung des Wärmetauschers als Verdampfer Blasenerzeugungskerne der Flüssigkeit zu vergrößern, die mit der inneren Oberfläche der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente in Kontakt kommt, um erwärmt zu werden und um ein Entfernen der Blasenerzeugungskerne, die zu einer vorgegebenen Größe herangewachsen sind, von der inneren Fläche der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente zu vereinfachen, ist es möglich, die Erzeugung von Blasen zu erleichtern, um ein Verdampfen effektiver zu bewirken, wodurch die Wärmetauscheffizienz verbessert wird. Zusätzlich ermöglicht es die poröse innere Oberfläche der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente bei Verwendung des Wärmetauschers als Kondensator, den Bereich zum Wärmetausch zu vergrößern, wodurch die Kondensationseffizienz verbessert wird.

Claims (3)

  1. Ein Wärmetauscher (1) zum Durchführen eines Wärmetauschs zwischen einer Hochtemperatur-Flüssigkeit und einer Niedrigtemperatur-Flüssigkeit, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Hülle (2, 2a, 2b) in Kastenform, wobei ihr Inneres durch wenigstens zwei parallele Trennwände (2a, 2b) in wenigstens drei in einer vorgeschriebenen Richtung angeordnete Zonen aufgeteilt ist, und eine Vielzahl von röhrenförmigen Wärmeübertragungselementen (3), wobei die Wärmeübertragungselemente eine Vielzahl von röhrenförmigen Körpern umfassen, die jeder sich gegenüberliegende offene Enden und zwei Flächen haben, die sich mit einem vorgegebenen Abstand parallel zueinander gegenüberliegen, wobei die röhrenförmigen Körper parallel zueinander in einer Zwischenzone (4) der Zonen der Hülle (2) angeordnet sind, die sich zwischen zwei benachbarten Zonen (5, 6) befindet, die von der Zwischenzone (4) verschieden sind, so dass eine zentrale Achse jedes der röhrenförmigen Körper mit einer vorgeschriebenen Richtung übereinstimmt und sich die Flächen der röhrenförmigen Körper parallel zueinander gegenüberliegen, wobei die röhrenförmigen Körper durch die wenigstens zwei parallelen Trennwände (2a, 2b) verlaufen, so dass sich die gegenüberliegenden offenen Enden jedes der röhrenförmigen Körper jeweils in den beiden der Zwischenzone (4) benachbarten Zonen (5, 6) befinden, und ein Inneres jedes der röhrenförmigen Körper von der Zwischenzone isoliert ist, ein Zuleitungsanschluss (5a), der auf einer Seitenfläche der Hülle (2) angeordnet ist, die der Zwischenzone (4) zugewandt ist, eine Führungsplatte (7), die in einer vorgegebenen Position zwischen dem Zuleitungsanschluss (5a) und den röhrenförmigen Wärmeübertragungselementen (3) angeordnet ist, wobei ein Wärmetausch durch die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente (3) durchgeführt wird, die als Wärmeübertragungsflächen dienen, indem eine der Hochtemperatur-Flüssigkeit oder der Niedrigtemperatur-Flüssigkeit einer der beiden, der Zwischenzone (4) der Hülle benachbarten Zonen (5, 6) unter einem vorgegebenen Druck zugeführt wird, um zu bewirken, dass die eine der Hochtemperatur-Flüssigkeit oder der Niedrigtemperatur-Flüssigkeit durch die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente (3) läuft, und die eine der Hochtemperatur-Flüssigkeit oder der Niedrigtemperatur-Flüssigkeit aus der anderen der beiden, der Zwischenzone (4) benachbarten Zonen (5, 6) ausgelassen wird, während die andere der Hochtemperatur-Flüssigkeit oder der Niedrigtemperatur-Flüssigkeit von dem Zuleitungsanschluss (5a) der Zwischenzone (4) zugeführt wird, um zu bewirken, dass sie zwischen den röhrenförmigen Wärmeübertragungselementen (3) in eine Richtung fließt, die senkrecht zu einer axialen Richtung der röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente (3) ist.
  2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente auf ihren Flächen ein vorgegebenes, unregelmäßiges Muster haben.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die röhrenförmigen Wärmeübertragungselemente eine poröse Innenfläche haben.
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