EP0025881A2

EP0025881A2 - Vorrichtung für den Wärmetausch

Info

Publication number: EP0025881A2
Application number: EP80104972A
Authority: EP
Inventors: Dietmar Gocht; Hubert Lerch; Klaus Teuber; Jochen Kern
Original assignee: Balcke Duerr AG
Current assignee: Balcke Duerr AG
Priority date: 1979-09-20
Filing date: 1980-08-21
Publication date: 1981-04-01
Also published as: EP0025881A3; ES495205A1; ZA805761B; DE2938055A1

Abstract

Die Vorrichtung dient zum Wärmetausch zwischen zwei Fluidströmen unterschiedlicher Temperatur. Die Fluidströme sind durch voneinander getrennte Fuhrungskanale (1, 2) geführt, die senkrecht von einer mehrreihigen Matrix (8) aus Wärmerohren (7) durchdrungen sind. Die Matrix (8) ist auf einem Polygon angeordnet und in bezug auf dieses Polygon radial von den Fluidströmen umströmt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für den Wärmetausch zwischen zwei Fluidströmen unterschiedlicher Temperatur, die durch voneinander getrennte Führungskanäle geführt sind, wobei die Führungskanäle senkrecht von einer mehrreihigen Matrix aus Wärmerohren durchdrungen sind.
Bei Wärmetauschern dieeer bekannten Bauart mit einer gemeinsamen Trennwand zwischen den beiden Strömungskanälen müssen die ursprünglichen räumlich voneinander getrennten und möglicherweise in verschiedenen Richtungen verlaufenden Strömungskanäle unter Verwendung von Umlenkungen in einen parallelen Verlauf mit unmittelbarer Berührung gebracht werden. Diese Art der Gestaltung der Strömungskanäle erfordert sowohl einen hohen Materialaufwand als auch einen großen Platzbedarf für die räumliche Führung der Strömungskanäle.
Eine derartige Vorrichtung ist zum Beispiel aus der GB-PS 1 409 872 bekannt. Hierbei sind zwei parallele in Längsrichtung durchströmte Strömungskanäle vorgesehen, die eine gemeinsamte Trennwand haben, die von den Wärmerohren durchsetzt wird. Die Zusammenführung zweier Strömungskanäle zu einer solchen Konstruktionseinheit erfordert erhebliche konstruktive Maßnahmen wie z.B. Umlenkungen und Anlaufstrecken, die dazu führen, daß der Platzbedarf für eine derartige Konstruktionseinheit sehr groß wird.
Bei kleinen Temperaturunterschieden zwischen den beiden Fluidströmen können nur wenige Rohrreihen in Richtung der Fluidströme hintereinander angeordnet werden. Wenn große Wärmemengen von einem Fluidstrom auf den anderen Fluidstrom übertragen werden müssen, müssen die erforderlichen Wärmerohre in entsprechend breiten Strömungskanälen nebeneinander angeordnet werden.
Hierdurch ergeben sich sowohl für die Dynamik der Fluidströme als auch für den Materialaufwand der Strömungskanäle ungünstige Verhältnisse von Strömungskanalquerschnitt zu Strömungskanalumfang. Durch diesen Umstand wird auch der Platzbedarf für die Konstruktionseinheit eines derartigen Wärmetauschers unverhältnismäßig stark vergrößert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung für den Wärmetausch zwischen zwei Fluidströmen zu schaffen, die bei kompakter Bauweise einen möglichst geringen Raumbedarf hat und dabei für die Beaufschlagung der Wärmetauschfläche optimale Zuströmverhältnisse der Fluidströme sicherstellt.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Matrix auf einem Polygon, auf einem Kreis oder auf einem Stern angeordnet ist und radial von den Fluidströmen umströmt ist.
Durch diese erfindungsgemäße Anordnung ergibt sich bei einer definierten Tiefe der Matrix eine Baubreite der Matrix von etwa einem Drittel der Baubreite einer Matrix mit geradliniger Quererstreckung. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Wärmetausch besteht darin, daß die Art der Kreuzung der beiden Führungskanäle für die Fluidströme völlig frei gewählt werden kann. Die Führungskanäle können sich in einer Ebene, die jede beliebige Lage zwischen horizontal und vertikal haben kann, unter jedem beliebigen Winkel kreuzen. Insgesamt hat also die erfindungsgemäße Vorrichtung den Vorteil, daß sich ein vergleichsweise geringes Bauvolumen mit entsprechend verringertem Materialaufwand ergibt und bei der Führung der Führungskanäle keine Rücksicht auf konstruktive Beschränkung genommen zu werden braucht.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Matrix innerhalb der Führungskanäle exzentrisch angeordnet, wobei der Querschnitt der Führungskanäle sich entsprechend dem abnehmenden Volumen der Fluidströme verringert. Auf diese Weise bleibt bei der Zu- bzw. Abströmung die Strömungsgeschwindigkeit der in Bezug auf die Matrix radial gerichteten Fluidströme angenähert gleich. Dadurch ist eine volle Austauschleistung bei kleinsten Druckverlust gewährleistet.
Mehrere1Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert:
Es zeigen:

Figur 1 den Längsschnitt durch eine Vorrichtung gemäß der Erfindung, .
Figur 2 den Schnitt II - II nach Figur 1,
Figur 3 den Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 4 die Draufsicht gemäß Figur 3,
Figur 5 den Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung und
Figur 6 die Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß Fig. 5.

Die Vorrichtung besteht aus zwei voneinander getrennten Führungskanälen 1 und 2 zur Führung der im Wärmetausch stehenden flüssigen oder gasförmigen Fluidströme. Der Führungskanal 1 für das Wärme abgebende Medium ist mit einem ringförmigen Eintrittskanal 3 an einen nicht dargestellten Strömungskanal angeschlossen. Der Ausgang des Führungskanals 1 mündet in einen Austrittsstutzen 4, der mit dem nicht dargestellten weiterführenden Teil des Strömungskanales verbunden ist. Mit einen nicht dargestellten Strömungskanal für das Wärme aufnehmende Medium ist der Führungskanal 2 über einen Eintrittsstutzen 5 verbunden. Der Ausgang des Führungskanals 2 mündet in den konzentrisch in dem Eintrittskanal 3 des Führungskanals 1 angeordneten Austrittskanal 6, der mit dem nicht dargestellten weiterführenden Teil des Strömungskanales für das Wärme aufnehmende Medium verbunden ist. Hieraus ergibt sich die in den Figuren 1 und 3 durch Pfeile dargestellte Strömungsrichtung der Fluidströme.
Bei der Wärmetauschvorrichtung nach den Figuren 1 und 2 befinden sich der Eintritts- bzw. Austrittskanal 3, 6 des jeweiligen Führungskanales 1, 2 mit dem entsprechenden, nicht dargestellten Strömungskanal auf einer Seite der aus den Führungskanälen 1 und 2 bestehenden Konstruktionseinheit.
Die beiden Führungskanäle 1 und 2 sind senkrecht zur Strömungsrichtung der Fluidströme von Wärmerohren 7 durchdrungen. Solche Wärmerohre sind an sich bekannt. Der Wärmetransport erfolgt durch ein geschlossenes Kreislaufsystem, in welchem die Wärme von einem Ende des Wärmerohres zu dem anderen geführt wird, indem eine in dem Wärmerohr enthaltene Flüssigkeit verdampft und kondensiert. Der Dampf wird an dem erhitzten Ende des Wärmerohres 7 innerhalb des Führungskanales 1 erzeugt und strömt zu dem innerhalb des Führungskanales 2 gelegenen Ende des Wärmerohres 7. Hier kondensiert der Dampf und die kondensierte Flüssigkeit wird aufgrund der Schwerkraft oder aufgrund der in der Randzone des Wärmerohres, z.B. durch ein Drahtgeflecht erzeugten Kapillarkraft zu dem erhitzten Ende des Wärmerohres 7 zurückgeführt. Zur Erhöhung des Wärmeübergangs zwischen dem jeweiligen Fluidstrom und dem rohrseitigen Medium können die Wärmerohre 7 außen berippt werden.
Die Wärmerohre 7 sind zu einer mehrreihigen, im vorliegenden Falle zu einer dreireihigen Matrix 8 zusammengefaßt. Je nach der Höhe der zu übertragenden Wärmeleistung können mehr oder weniger Reihen an Wärmerohren 7 vorgesehen werden.
Die Matrix 8 ist nach den Figuren 1 und 2 auf einem Kreis angeordnet. Die Fluidströme werden in Bezug auf den Mittelpunkt dieses Kreises radial geführt. Die Umfassungswände 9 bzw. 10 der Führungskanäle 1 bzw. 2 sind in Bezug auf die Matrix 8 der Wärmerohre 7 in der Weise exzentrisch angeordnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit der Fluidströme in Richtung auf die Stutzen 4 bzw. 5 der Führungskanäle 1, 2 konstant bleibt. Dadurch ist eine gleichmäßige Durchströmung der Matrix 8 gewährleistet. Beim Durchtritt der Fluidströme durch die Matrix 8 ist die Strömungsrichtung in den beiden Führungskanälen 1 und 2 einander entgegengesetzt. Durch die Umkehrung der Zuführung eines der Fluidströme kann erreicht werden, daß die Fluidströme die Matrix 8 innerhalb der Führungskanäle 1 und 2 i gleicher Richtung durchströmen.
Bei der in,den Figuren 3 und 4 dargestellten Ausführungsform ist die Matrix 8 auf einem regelmäßigen Sechseck angeordnet. Der Führungskanal 1 bzw. 2 verläuft derart exzentrisch zu der auf dem Sechseck angeordneten Matrix 8, daß der Querschnitt des Führungskanales 1 bzw. 2 zwischen der Matrix 8 und .der Umfassungswand 9, 10 sich im Verhältnis der zu- bzw. abnehmenden Volumina der Fluidströme vergrößert bzw. verringert. Auf diese Weise wird eine gleichmäßige Beaufschlagung der Wärmerohre 7 der Matrix 8 erreicht. In der Figur 4 sind an jedem Führungskanal 1, 2 je zwei Eintritts- bzw. Austrittsstutzen 4, 5 dargestellt. Es können auch mehr als zwei Stutzen vorgesehen werden. Anstelle eines Kreises oder eines Sechseckes kann auch jedes andere Polygon oder auch - ein regelmäßiger Stern vorgesehen werden.
Die in den Figuren 5 und 6 dargestellte Aüsführungsform stimmt in ihrem grundsätzlichen Aufbau mit der Vorrichtung nach den Figuren 1 und 2 überein. Abweichend sind jedoch der Eintrittskanal 3 und der Austrittskanal 6 auf den zwei gegenüberliegenden Seiten der die Führungskanäle 1 und 2 umfassenden Konstruktionseinheit angeordnet.
Aus den in der Zeichnung dargestellten Beispielen für den konstruktiven Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung für den Wärmetausch zwischen zwei Fluidströmen ist zu ersehen, daß das Zusammenführen der Führungskanäle aus jeder beliebigen räumlichen Anordnung der Führungskanäle ohne besonderen Konstruktionsaufwand möglich ist und sich dabei eine sehr kompakte Bauweise der Wärmetauschvorrichtung ergibt.

Claims

1. Vorrichtung für den Wärmetausch zwischen zwei Fluidströmen unterschiedlicher Temperatur, die durch voneinander getrennte Führungskanäle geführt sind, wobei die Führungskanäle senkrecht von einer mehrreihigen Matrix aus Wärmerohren durchdrungen sind, dadurch gekennzeichnet , daß die Matrix (8) auf einem Polygon angeordnet und in Bezug auf dieses Polygon radial von den Fluidströmen umströmt ist.

2.Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Matrix (8) innerhalb der Führungskanäle (1, 2) exzentrisch angeordnet ist, wobei der Querschnitt der Führungskanäle (1, 2) sich entsprechend dem abnehmenden Volumen der Fluidströme verringert.

3.Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Matrix (8) auf einem Kreis angeordnet ist.

4.Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Matrix (8) auf einem Stern angeordnet ist.

5.Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die auf den Mittelpunkt der Matrix (8) bezogene axiale Richtung der Fluidströme gleichgerichtet ist.

6.Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die auf den Mittelpunkt der Matrix (8) bezogene axiale Richtung der Fluidströme entgegengesetzt gerichtet ist.