DE60103026T2

DE60103026T2 - Verbesserter wärmetauscher

Info

Publication number: DE60103026T2
Application number: DE60103026T
Authority: DE
Inventors: Geoffrey Gerald Twickenham Weedon
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-03-01
Filing date: 2001-02-28
Publication date: 2005-04-07
Anticipated expiration: 2021-03-01
Also published as: GB0004935D0; ATE265663T1; WO2001065193A1; AU3579401A; EP1259773B1; GB2359881A; EP1259773A1; DE60103026D1

Description

Die Erfindung betrifft Verbesserungen an oder mit Bezug auf Wärmetauscher.
Insbesondere hat die vorliegende Erfindung das Ziel der Bereitstellung einer neuartigen Wärmetauschvorrichtung, bei welcher Wärme von einem ersten Fluid, welches in ersten Wärmeübertragungsleitungen enthalten ist, zu oder von einem zweiten Fluid transferiert werden kann, welches in zweiten Wärmeübertragungsleitungen enthalten ist, unter Verwendung eines Zwischenfluids, das außerhalb und in Strömungskommunikation sowohl mit den ersten als auch den zweiten Leitungen fließt.
Es ist aus dem US-Patent Nr. 3 153 336 von Shaw bekannt, dass ein Wärmetauscher mit lang gezogenen Rohren für den Durchgang eines Fluids mit horizontalen und vertikalen Leitungen für ein zweites Fluid, welche an den Rohren befestigt sind, um die Wärmeübertragung zu erhöhen, versehen werden kann. Daher sieht Shaw die Strömung von zwei Fluiden in Wärmetauscherverbindungen vor.
Nach der vorliegenden Erfindung ist eine Wärmetauschvorrichtung vorgesehen, bei welcher bei der Verwendung Wärme eines ersten Fluids, welches in ersten Wärmeübertragungsleitungen enthalten ist, zu oder von einem zweiten Fluid transferiert wird, welches in zweiten Wärmeübertragungsleitungen enthalten ist, wobei die Vorrichtung eine Vielzahl von parallelen ersten Wärmeübertragungsleitungen aufweist, die gleichmäßig mit einem Abstand zwischen jeder Leitung in zwei Dimensionen senkrecht zu ihrer Länge angeordnet sind, wobei die zweiten Wärmeübertragungsleitungen in aufeinanderfolgenden Reihen angeordnet sind, welche zwischen den ersten Leitungen verlaufen, wobei jede zweite Leitungsreihe senkrecht zu der nachfolgenden angeordnet ist, wobei jede zweite Leitungsreihe senkrecht zu und in unmittelbarer Nähe zu den ersten Leitungen angeordnet ist, und wobei eine Fluidströmungsbahn für ein Zwischenfluid um die ersten und zweiten Leitungen angeordnet ist und sich durch die Zwischenräume zwischen denselben erstreckt.
Ferner können die zweiten Wärmerückgewinnungsleitungen so angeordnet werden, dass zwei oder mehr benachbarte zweite Leitungsreihen in einer Richtung parallel zu den ersten Leitungen in derselben Richtung stromaufwärts von davon angeordneten, aufeinanderfolgenden Gruppen von Leitungsreihen angeordnet werden können.
Das erste Fluid fließt innerhalb der ersten Leitungen, während das Zwischenfluid außerhalb der Leitungen in eine Richtung, die parallel zu dem ersten Fluid ist, entweder in eine Gleichstrom- oder Gegenstrom-Richtung fließt.
Die Strömungsrichtung des zweiten Fluids verläuft im Wesentlichen quer zu der Strömungsrichtung des ersten und des Zwischenfluids.
Der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden senkrechten Reihen von zweiten Leitungen ist vorzugsweise minimiert, wodurch das Zwischenfluid veranlasst wird, um die zweiten Leitungen in einer gewundenen Weise zu fließen, wobei seine Turbulenzen und der lokale Wärmeaustauschkoeffizient sowohl gegen die ersten als auch die zweiten Leitungen zunimmt.
Auf diese Weise kann ein Wärmetauscher hergestellt werden, der aufgrund von hohen Wärmetauschkoeffizienten kompakter als herkömmliche Wärmetauscher gemacht werden kann, ohne übermäßigen Druckverlust des Fluids zu erleiden.
Desweiteren kann der Wärmetauscher mit Komponenten aus der Standardfertigung hergestellt werden.
Der Abstand zwischen den ersten und den zweiten Leitungen ist vorzugsweise klein, üblicherweise höchstens 0,5 Mal dem Außendurchmesser der zweiten Leitungen, um die Oberflächenausdehnung, die für das Zwischenfluid vorhanden ist, zu minimieren und dabei seine Geschwindigkeit und den entsprechenden Wärmeaustauschkoeffizienten zu maximieren.
Vorteilhafterweise sind die zweiten Leitungen in unmittelbarer Nähe zu und ohne Kontakt mit den ersten Leitungen, wobei sie die Möglichkeit von Leitungsvibrationen in den zweiten Leitungen ausschließen.
Falls notwendig werden die zweiten Leitungen alternativ aneinander oder an ein zusätzliches Bauteil befestigt, um Vibrationen zu verhindern.
Vorzugsweise ist der Abstand zwischen jeder aufeinanderfolgenden Reihe von zweiten Leitungen minimiert, um eine Bahn für das Zwischenfluid bereitzustellen, die so sehr wie möglich gewunden ist, und um die Größe des gesamten Wärmetauschers zu minimieren.
Zum Beispiel kann der Abstand zwischen den aufeinanderfolgenden Reihen im Bereich von 0 – 0,5 Mal dem Außendurchmesser der zweiten Leitungen sein.
Die ersten und zweiten Leitungen können profiliert sein, um die Wärmeübertragungscharakteristika zu ändern. Zum Beispiel können die Leitungen mit Lamellen versehen, verdrillt, verformt, von verschiedenen Durchmessern sein oder Einlagen enthalten.
Inerte Formen können zwischen die zweiten Leitungen und um die ersten Leitungen in einer gleichmäßigen oder zufälligen Art und Weise platziert werden, um Turbulenzen und Wärmeübertragung weiter zu begünstigen.
Eine weitere Variation der Erfindung kann für Wärmeübertragung von dem Zwischenfluid sowohl zu dem ersten als auch zu dem zweiten Fluid oder von sowohl dem ersten als auch dem zweiten Fluid zu dem Zwischenfluid sorgen.
Zusätzlich können die ersten und zweiten Fluids dasselbe Fluid sein, während die ersten und zweiten Leitungen auch parallel oder in Serie verbunden sein können.
Zum Beispiel könnten die ersten und zweiten Fluids Wasser und/oder Dampf sein, wobei das Zwischenfluid Verbrennungsgas zum Erwärmen derselben wäre.
Noch eine weitere Variation der Verwendung der Vorrichtung kann die Anwendung von verschiedenen Fluidströmen innerhalb der zweiten Leitungen sein, die entweder in dieselbe oder in die Gegenrichtung oder eine Querrichtung fließen. Auf diese Weise kann Wärme zu einer Vielzahl von verschiedenen Fluidströmen von demselben Strom oder Strömen innerhalb einer einzigen Vorrichtung transferiert werden.
Allgemein dient die Bildung von Leitungen in drei Dimensionen dazu, die Flächenausdehnung der Leitung pro Einheitsvolumen des Wärmetauschers zu maximieren, während die Gewundenheit des Zwischenfluids maximiert wird, wobei die Gesamtwärmeübertragungskoeffizienten in einer wirksamen Weise maximiert werden.
Dies ergibt einen potentiell kompakteren und kostengünstigeren Wärmetauscher als es bisher mit herkömmlichen rohrförmigen Wärmetauschern ausführbar war.

Claims

Wärmetauschvorrichtung, bei welcher bei der Verwendung Wärme eines ersten Fluids, welches in ersten Wärmeübertragungsleitungen enthalten ist, zu oder von einem zweiten Fluid transferiert wird, welches in zweiten Wärmeübertragungsleitungen enthalten ist, wobei die Vorrichtung ein Vielzahl von parallelen ersten Wärmeübertragungsleitungen aufweist, die gleichmäßig mit einem Abstand zwischen jeder Leitung in zwei Dimensionen senkrecht zu ihrer Länge angeordnet sind, wobei die zweiten Wärmeübertragungsleitungen in aufeinanderfolgenden Reihen angeordnet sind, welche zwischen den ersten Leitungen verlaufen, wobei jede zweite Leitungsreihe senkrecht zu der nachfolgenden angeordnet ist, wobei jede zweite Leitungsreihe senkrecht zu den ersten Leitungen angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass jede zweite Leitungsreihe in unmittelbarer Nähe zu und ohne Kontakt mit den ersten Leitungen ist, und dass eine Fluidströmungsbahn für ein Zwischenfluid um die ersten und zweiten Leitungen angeordnet ist und sich durch die Zwischenräume zwischen denselben erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, in welcher die zweiten Wärmeübertragungsleitungen derart angeordnet sind, dass zwei oder mehr benachbarte zweite Leitungsreihen in einer Richtung parallel zu den ersten Leitungen in derselben Richtung stromaufwärts von aufeinanderfolgenden Gruppen der Leitungsreihen senkrecht zu denselben angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welchem bei der Verwendung das primäre Fluid dafür vorgesehen ist, innerhalb der ersten Leitungen zu fließen, und das Zwischenfluid außerhalb der Leitungen in einer zu dem ersten Fluid im wesentlichen parallelen Richtung, in der Gleichstrom- oder der Gegenstrom-Richtung fließt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, in welcher die Strömungsrichtung des zweiten Fluids im wesentlichen quer zu der Strömungsrichtung des ersten und des Zwischenfluids verläuft.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welchem der Abstand zwischen den ersten und den zweiten Leitungen höchsten 0,5 Mal dem Außendurchmesser der zweiten Leitungen beträgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welcher der Abstand zwischen jeder nachfolgenden Reihe der zweiten Leitungen in einem Bereich zwischen 0 und 0,5 Mal dem Außendurchmesser der zweiten Leitungen liegt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welcher die zweiten Leitungen von einander gehalten sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, in welcher die zweiten Leitungen mittels zusätzlicher Elemente gehalten sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welcher die ersten und die zweiten Leitungen profiliert sind, um die Wärmeübertragung zu verbessern.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welcher die ersten und die zweiten Leitungen Einlagen oder Einrichtungen zur Verbesserung der Wärmeübertragung aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welcher die ersten und die zweiten Leitungen dasselbe Fluid beinhalten.
Vorrichtung nach Anspruch 11, in welcher die ersten und die zweiten Leitungen entweder in Serie oder parallel verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, in welcher die zweiten Leitungen unterschiedliche Fluidströme beinhalten, welche in derselben Richtung oder in Gegenrichtung oder in Querrichtung verlaufen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in welcher inerte Formen die primären und sekundären Leitungen in einer gleichmäßigen oder zufälligen Art und Weise umgeben, um die Wärmeübertragung zu verbessern.