EP1553379A1 - Wärmetauscher für Industrieanlagen - Google Patents

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EP1553379A1
EP1553379A1 EP04000280A EP04000280A EP1553379A1 EP 1553379 A1 EP1553379 A1 EP 1553379A1 EP 04000280 A EP04000280 A EP 04000280A EP 04000280 A EP04000280 A EP 04000280A EP 1553379 A1 EP1553379 A1 EP 1553379A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat exchanger
metal foam
exchanger according
foam body
shell
Prior art date
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Granted
Application number
EP04000280A
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English (en)
French (fr)
Other versions
EP1553379B1 (de
EP1553379B8 (de
Inventor
Martin Kienböck
Dr. Miroslav Podhorsky
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SPG Dry Cooling Belgium SPRL
Original Assignee
Balcke Duerr GmbH
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Publication date
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Priority to CA2490563A priority patent/CA2490563C/en
Priority to CNB2005100001895A priority patent/CN100434855C/zh
Priority to US11/030,325 priority patent/US7086457B2/en
Priority to JP2005029721A priority patent/JP4014600B2/ja
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/003—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by using permeable mass, perforated or porous materials
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S165/00—Heat exchange
    • Y10S165/907—Porous

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger for industrial installations, in particular for power plants, with at least one distributor for a fluid medium and at least one distributor attached to the distributor Heat exchanger element.
  • the known from the power plant area heat exchanger are conventionally made a manifold whose outer surface is at least partially provided with cooling fins.
  • Heat exchangers are used, for example, as air-cooled condensers. It is also known Heat exchangers in industrial plants of the chemical and food industry as cooling device to use.
  • heat exchangers can supply or discharge energy.
  • Energy exchange in the form of heat transfer from a higher temperature fluid medium in a manifold on a fluid medium with lower temperature instead. It happens a cooling of the warmer medium with a simultaneous heating of the colder medium.
  • the energy exchange process designed such that the flowing through a steel pipe the medium to be cooled conducts its heat into the cooling fins surrounding the steel tube.
  • the Steel pipe is usually coated with a good heat-conducting metal, such as aluminum.
  • the cooling fins are usually also made of aluminum and are cooled by cooling air, Cooling gas or the like flows around, so that the heat can be released to the environment.
  • the invention is therefore based on the object, a heat exchanger for industrial plants, especially for power plants to create, which with good thermal conductivity smaller cross-sectional dimensions and allows a lower weight. It is another object of the invention, under Considering a simple manufacturability as well as assemblability designed for the power plant area To allow heat exchangers of large dimensions.
  • Heat exchanger elements is composed, wherein the manifold as a pipe or at least consist of interconnected half-tubes, and that adjacent tubes or half-tubes over the metal foam body are interconnected.
  • the stack-like sandwich profile according to the invention can be achieved with a foreseeable expense and especially in the required large dimensions for industrial plants easily produce. It proves In particular, the low weight of such a heat exchanger module is advantageous, which weighs only a fraction of the homogeneous metal. Likewise, the connection between Tube or half-pipe and metal foam body easy example, by soldering or welding produce. In addition, the metal foam can also be easily molded. Advantageous properties of Metal foams are in the high energy absorption capacity, good thermal conductivity, the flowability, the mechanical stability with low weight and a large inner Surface.
  • half pipe used here also trough- or channel-like shaped Sheet metal half shells are understood.
  • partially rounded rectangular profiles come and semi-elliptical profiles into consideration.
  • tubes rectangular, but also curved, in particular circular or elliptical hollow steel profiles are used.
  • a preferred embodiment therefore consists in that the half pipe complements a full pipe is.
  • a heat exchanger can be formed, in which between two adjacent and spaced tubes or half tubes each a metal foam body to come to rest.
  • a further preferred embodiment is that the half-tube as a sheet-half shell is designed.
  • two such sandwich profiles of half shell and metal foam body can be such a heat exchanger with one between two metal foam bodies form extending tubular manifold.
  • the metal foam can be cast on the already formed shell plate.
  • the half-shell a has approximately trapezoidal cross-section. This simplifies the stacking and connection of several Heat exchanger modules one above the other.
  • the half-shell has a predetermined cross-section Curve on.
  • a cross section with elliptical or drop-shaped is also suitable Shape.
  • each half shells is on each opposite side of the metal foam body attached a half shell.
  • each half shells at the two respective longer side surfaces of a cuboid metal foam block to be arranged symmetrically to the median plane of the metal foam block. Since the metal foam can be formed very well into a block-like body, this is suitable good for attaching half-shells or flattened steel pipes.
  • edges of the half shells of adjacent heat exchanger modules are on their end faces welded together. This allows any number of heat exchanger modules to be stacked Arrangement depending on the amount of fluid used and the requirements of the energy exchange to be made up.
  • the edges than over the metal foam body to the outside protruding connecting flanges are formed.
  • Length and direction of the connection flanges can be formed depending on the type of connection.
  • the connecting flanges are adjacent Heat exchanger modules welded together by means of resistance roller welding.
  • connection flanges In the formation of connection flanges, it is also advantageous that the ends of opposite Connecting flanges adjacent heat exchanger modules with a cover for training another distributor are connected.
  • This distributor serves to receive from the metal foam body exiting fluid or for feeding a fluid into the metal foam body. Thereby the metal foam can be cooled easily. Furthermore, the resulting in the evaporation Drip water to be dissipated via the other distributor.
  • the at least one shell with the at least soldered a metal foam body can be applied to the joining portion of the shell braze (e.g., as a cladding), which has a lower melting point than the material of the shell (e.g., steel) and the metal foam body (e.g., aluminum).
  • the package thus held by a soldering channel sent and heated in this to the melting point temperature of the solder, so that by means of Melting Lots a metallurgical connection between the shells and the metal foam body arises.
  • the at least one metal foam body made of open-pored metal foam. This has a good thermal conductivity and flowability on.
  • the metal foam body expediently consists of aluminum foam. Its weight is only about 1/10 of the weight of homogeneous aluminum. aluminum foam Can also be easily connected by soldering, welding or pouring with the shells. alternative However, closed-cell metal foam can also be used.
  • the metal foam body can be flowed through by a fluid medium is.
  • the metal foam body could also be a liquid medium, for example water, be flowed through.
  • the production of the metal foam is carried out by the known methods by means of foaming of molten metals or by means of powder metallurgical processes.
  • Fig. 1 shows in a cross section two stacked heat exchanger modules arranged in a stack 5 of a first embodiment, each consisting of a distributor 1 and a Assemble heat exchanger element 3.
  • the distributor 1 is in each case by a full tube 2 of a formed with aluminum coating, flattened hollow steel profile formed. This thin-walled Steel hollow profile has a thickness of a few millimeters.
  • As the heat exchanger element 3 is respectively a metal foam body 4 made of open-pored aluminum foam provided.
  • the metal foam body 4 and full tubes 2 are arranged in a stack-shaped arrangement alternately one above the other and soldered or welded together. Alternatively, the components of the heat exchanger modules 5 also be glued.
  • the rounded side regions of the solid tubes 2 protrude each beyond the metal foam body 4 addition.
  • This provides sufficient space for connection the adjacent heat exchanger modules 5 present and the metal foam body 4 can be a simple have geometric shape.
  • those located at the upper and lower half pipe 2 could Metal foam body 4 also annular and completely around the half tubes 2 around. It is also possible to subsequently attach correspondingly shaped moldings made of metal foam.
  • the heat exchanger modules 5, which have been developed especially for use in the power station sector 1 have a length (perpendicular to the plane) of up to 10 m to 12 m. Altitudes Depending on the quantity throughput and the energy to be converted, this will be the required number of similar heat exchanger modules 5 stacked arranged one above the other.
  • the upper and lower Termination of the heat exchanger is usually carried out by a metal foam body 4, so that each half tube 2 comes to rest between two metal foam bodies 4 respectively.
  • the metal foam body 4 is traversed by air in the direction of the arrow 15, so that over the Sheet steel of the shell 2 to the respective metal foam body 4 transmitted heat due to the air flow laterally outward (in Fig. 1 to the right) can be derived.
  • Fig. 2 shows a cross section of a stacked arrangement of three sandwich-type heat exchanger modules 6 of a second embodiment, each consisting of a metal foam body 4th and two, arranged on the opposite longitudinal sides of the metal foam body 4 half shells 2 'consist of sheet steel.
  • the Metal foam to the two shell-shaped half-shells 2 'cast.
  • the two half-shells 2 ' stand laterally over the metal foam body 4 as in Fig. 1.
  • the formation of the stack are the three heat exchanger modules 6 at the opposite lateral edges 8 of the half-shells 2 'via a butt weld 13 extending in the longitudinal direction (perpendicular to the plane of the drawing) over the entire length soldered together.
  • the heat exchanger module 6 may alternatively have only one shell 2 '. Relating to This embodiment would also be conceivable concave half shells.
  • Fig. 3 are two sandwich-type heat exchanger modules 7 of a third embodiment in a stack-like arrangement shown in a cross section.
  • the metal foam body 4 is provided with an upper and a lower half shell 2 " connected to form a heat exchanger module 7.
  • This connection is as in Fig. 2 via a Casting the metal foam to the half-shells 2 "enables.”
  • the edges of the half-shells 2 are as Angled connecting flanges 9 formed.
  • the two heat exchanger modules 7 are so one above the other stacked and welded together by means of resistance roller welding that the rectilinear Ends 10 of the connection flanges 9 are each flush with each other.
  • resistance roller welding the stack of superposed heat exchanger modules 7 passes through a Welding channel in which the abutting ends 10 of the connecting flanges 9 via rollers be guided and welded together flat.
  • a Cover 11 is present, which the opposite ends 10 of the connecting flanges 9 of the two Half shells 2 "of the upper heat exchanger module 7 connects Forming a further distributor 12 which extends in the longitudinal direction (perpendicular to the plane).
  • the cover is on the one hand provided for the case that a cooling fluid through the metal foam body 4 flows (arrow 15) and is discharged through the other distributor.
  • Analog is on the left side edge of the upper heat exchanger module 6 also has a cover 11 to form a Distributor 12 possible, which supplies the cooling liquid.
  • the heat exchanger modules 7 shown in Fig. 3 are provided with covers 11.
  • a groove may be formed on one of the flanges or both be designed for the discharge of so-called dripping water. It falls at a flow through the metal foam body 4 with air (arrow 15) due to the air cooling in the metal foam body 4 at.
  • heat exchanger modules are used to form a complete heat exchanger in each case by an upper and a lower termination module, consisting of a half-shell 2 'and 2 "and a metal foam body 4, completed.
  • the metal foam bodies 4 shown in FIGS. 1 to 3 can also have different heights be formed.
  • the stacking of a plurality of heat exchanger modules 5, 6, 7 can in fact also be such take place that the metal foam body 4 different heat exchanger modules 5, 6, 7 to each other come lie.
  • the resulting from the adjacent position of two metal foam body 4 height can be determined by the height of the individual metal foam body 4.
  • a compensation layer at least partially between the metal foam body 4 and shell 2, 2 ', 2 "arranged become. This is capable of due to the different thermal expansion coefficients of steel and aluminum and due to the high pressures within the shell 2, 2 ', 2 " to reduce or compensate for occurring voltages.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für Industrieanlagen, insbesondere für Kraftwerke, mit mindestens einem Verteiler für ein fluides Medium und mindestens einem an dem Verteiler befestigten Wärmetauscherelement. Der Wärmetauscher ist unter Ausbildung einer sandwichartigen Anordnung aus Verteilern und aus Metallschaumkörpern bestehenden Wärmetauscherelementen zusammengesetzt. Die Verteiler sind als Rohr oder zumindest aus miteinander verbundenen Halbrohren ausgebildet. Benachbarte Rohre bzw. Halbrohre sind über den Metallschaumkörper miteinander verbunden. Das erfindungsgemäße Sandwichprofil lässt sich in den benötigten großen Abmessungen für Industrieanlagen leicht herstellen. Dabei erweist sich insbesondere das geringe Gewicht eines derartigen Wärmeaustauschermoduls und die einfach beispielsweise mittels Löten oder Schweißen herzustellende Verbindung zwischen Schale und Metallschaumkörper als vorteilhaft. Der Metallschaum kann auch an die Schalen angegossen werden. Vorzugsweise besteht der Metallschaumkörper aus offenporigem Metallschaum und insbesondere aus Aluminiumschaum. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für Industrieanlagen, insbesondere für Kraftwerke, mit mindestens einem Verteiler für ein fluides Medium und mindestens einem,an dem Verteiler befestigten Wärmetauscherelement.
Die aus dem Kraftwerksbereich bekannten Wärmetauscher bestehen herkömmlicherweise aus einem Verteilerrohr, dessen äußere Oberfläche zumindest teilweise mit Kühlrippen versehen ist. Derartige Wärmetauscher werden beispielsweise als luftgekühlte Kondensatoren eingesetzt. Es ist auch bekannt, Wärmetauscher in Industrieanlagen der Chemie- und Lebensmittelindustrie als Kühlvorrichtung zu verwenden.
Allgemein können Wärmetauscher Energie ab- oder auch zuführen. In der Regel findet ein Energieaustausch in Form einer Wärmeübertragung von einem fluiden Medium mit höherer Temperatur in einem Verteilerrohr auf ein fluides Medium mit niedrigerer Temperatur statt. Dabei kommt es zu einer Abkühlung des wärmeren Mediums bei einer gleichzeitigen Erwärmung des kälteren Mediums. Im Kraftwerksbereich gestaltet sich der Energieaustauschprozess derart, dass das durch ein Stahlrohr strömende abzukühlende Medium seine Wärme in die das Stahlrohr umgebenden Kühlrippen leitet. Das Stahlrohr ist üblicherweise mit einem gut wärmeleitenden Metall, wie beispielsweise Aluminium, beschichtet. Die Kühlrippen bestehen üblicherweise ebenso aus Aluminium und werden von Kühlluft, Kühlgas oder dergleichen umströmt, so dass die Wärme an die Umgebung abgegeben werden kann.
Ferner ist es auf dem Gebiet der Halbleiterbauelemente und Elektronikmodule bekannt, Miniatur-Metallschaumblöcke auf Mikrobauteile aufzubringen, um diese zu kühlen. Hierzu wird auf die Offenlegungsschriften DE 10207671 A1 und DE 10123456 A1 verwiesen.
Im Kraftwerksbereich hat es sich in der Praxis jedoch als nachteilig erwiesen, dass aus Verteilerrohr und Kühlrippen bestehende Wärmetauscher nur bis zu einer begrenzten Länge ausführbar sind, da ansonsten die Montage aufgrund des großen Gewichts erschwert wird. Zudem benötigen die Kühlrippen einen großen Platzbedarf, um eine ausreichende Vergrößerung der Oberfläche zu erreichen und ausreichend luftdurchströmbare Zwischenräume zum Ableiten der Wärme bereit zu stellen. Dieser Effekt verstärkt sich noch mehr bei einer Anordnung mehrerer Verteilerrohre nebeneinander.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher für Industrieanlagen, insbesondere für Kraftwerke, zu schaffen, welcher bei einer guten Wärmeleitfähigkeit geringere Querschnittsabmessungen und ein geringeres Gewicht ermöglicht. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, unter Berücksichtigung einer einfachen Herstellbarkeit sowie Montierbarkeit für den Kraftwerksbereich konzipierte Wärmetauscher großer Abmessungen zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird für einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass er unter Ausbildung einer sandwichartigen Anordnung aus Verteilern und aus Metallschaumkörpern bestehenden Wärmetauscherelementen zusammengesetzt ist, wobei die Verteiler als Rohr oder zumindest aus miteinander verbundenen Halbrohren bestehen, und dass benachbarte Rohre bzw. Halbrohre über den Metallschaumkörper miteinander verbunden sind.
Das erfindungsgemäße stapelartige Sandwichprofil lässt sich mit einem absehbaren Aufwand und vor allem in den benötigten großen Abmessungen für Industrieanlagen leicht herstellen. Dabei erweist sich insbesondere das geringe Gewicht eines derartigen Wärmeaustauschermoduls als vorteilhaft, welcher nur einen Bruchteil des homogenen Metalls wiegt. Ebenso lässt sich die Verbindung zwischen Rohr bzw. Halbrohr und Metallschaumkörper einfach beispielsweise mittels Löten oder Schweißen herstellen. Zudem kann der Metallschaum auch einfach angegossen werden. Vorteilhafte Eigenschaften des Metallschaums liegen in dem hohen Energieabsorptionsvermögen, der guten thermischen Leitfähigkeit, der Durchströmbarkeit, der mechanischen Stabilität bei geringem Gewicht und einer großen inneren Oberfläche.
Unter den hier verwendeten Begriff "Halbrohr" sollen auch wannen- bzw. kanalartig geformte Blech-Halbschalen verstanden werden. Beispielsweise kommen hierfür teilweise abgerundete Rechteckprofile und halbellipsenförmige Profile in Betracht. Als Rohre können rechteckige, aber auch kurvenlinienförmige, insbesondere kreis- oder ellipsenförmige Stahlhohlprofile verwendet werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform besteht also darin, dass das Halbrohr zu einem Vollrohr ergänzt ist. Bei einer stapelartigen Anordnung lässt sich ein Wärmetauscher ausbilden, bei welchem zwischen zwei benachbarten und beabstandeten Rohren oder Halbrohren jeweils ein Metallschaumkörper zu liegen kommt.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform besteht darin, dass das Halbrohr als Blech-Halbschale ausgestaltet ist. Bei einer spiegelbildlichen Anordnung zweier derartiger Sandwichprofile aus Halbschale und Metallschaumkörper lässt sich so ein Wärmetauscher mit einem zwischen zwei Metallschaumkörpern verlaufenden rohrartigen Verteiler ausbilden. Zur Herstellung des Halbschalen-Metallschaum-Profiles kann der Metallschaum an das bereits ausgeformte Schalenblech angegossen werden.
Bei einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Halbschale einen etwa trapezförmigen Querschnitt aufweist. Dies vereinfacht die Stapelung und Verbindung von mehreren Wärmetauschermodulen übereinander.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Halbschale im Querschnitt einen vorbestimmten Kurvenverlauf auf. Insbesondere eignet sich auch ein Querschnitt mit ellipsen- oder tropfenförmiger Form. ein Durch Angießen des Metallschaums an die Schale kann dieser auf einfache Weise an den Wölbungsverlauf der Schale angepasst werden.
Zur Ausbildung eines besonders geeigneten sandwichartigen Wärmetauschermoduls ist auf den gegenüberliegenden Seiten des Metallschaumkörpers jeweils eine Halbschale befestigt. Besonders zweckmäßig ist es dabei, an den beiden jeweils längeren Seitenflächen eines quaderförmigen Metallschaumblockes jeweils Halbschalen symmetrisch zur Mittelebene des Metallschaumblockes anzuordnen. Da sich der Metallschaum sehr gut zu einem blockartigen Körper formen lässt, eignet sich dieser gut, um Halbschalen oder auch abgeflachte Stahlrohre daran zu befestigen. Bei der Verwendung von offenen Schalen, ist es vorteilhaft, die Ränder der Schale über den Metallschaumkörper hervorstehen zu lassen, um so die Schalenränder eines weiteres gleichartiges Wärmetauschermodul an die Schalenränder des anderen Schalenelementes anschweißen bzw. anlöten zu können. Dadurch wird auch die Steifigkeit des Gesamtwärmetauschers erhöht.
Besonders zweckmäßig ist es hinsichtlich aller vorgenannten Wärmetauschermodule diese stapelartig übereinander anzuordnen. Aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit von Metallschäumen sind Wärmetauscherelemente und somit Wärmetauscher geringerer Abmessungen möglich, wodurch eine bessere Raumausnutzung erzielt werden kann.
Zweckmäßigerweise sind die Ränder der Halbschalen benachbarter Wärmetauschermodule an deren Stirnseiten miteinander verschweißt. So lassen sich beliebig viele Wärmetauschermodule in stapelartiger Anordnung je nach anfallender Menge des Fluids und je nach den Erfordernissen hinsichtlich des zu leistenden Energieaustausches zusammensetzen.
Dazu erweist es sich als vorteilhaft, dass die Ränder als über den Metallschaumkörper nach außen überstehende Anschlussflansche ausgebildet sind. Länge und Richtung der Anschlussflansche können je nach Verbindungsart ausgebildet werden. Zweckmäßigerweise sind die Anschlussflansche benachbarter Wärmetauschermodule mittels Widerstands-Rollenschweißen miteinander verschweißt. Ein derartiges Schweißverfahren ermöglicht einen kontinuierlich fortlaufenden Herstellungsprozess, wobei in dieses Durchlaufverfahren auch das Aufschäumen der Metallschmelze und das Angießen des Metallschaumkörpers eingebunden werden kann.
Bei der Ausbildung von Anschlussflanschen ist es weiterhin vorteilhaft, dass die Enden gegenüberliegender Anschlussflansche benachbarter Wärmetauschermodule mit einer Abdeckung zur Ausbildung eines weiteren Verteilers verbunden sind. Dieser Verteiler dient zur Aufnahme von aus dem Metallschaumkörper austretenden Fluid oder zur Einspeisung eines Fluids in den Metallschaumkörper. Dadurch lässt sich der Metallschaum leicht kühlen. Ferner kann auch das bei der Verdunstung entstehende Tropfwasser über den weiteren Verteiler abgeführt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die mindestens eine Schale mit dem mindestens einen Metallschaumkörper verlötet. Dazu kann beispielsweise auf dem mit dem Metallschaum in Verbindung zu bringendenden Abschnitt der Schale Hartlot (z.B. als Plattierung) aufgebracht sein, welches einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Material der Schale (z.B. Stahl) und des Metallschaumkörpers (z.B. Aluminium) aufweist. Nach Stapelung und Verspannen beispielweise zweier derartiger Schalen mit dazwischen liegendem Metallschaumkörper wird das so gehaltene Paket durch einen Lötkanal geschickt und in diesem auf die Schmelzpunkttemperatur des Lots erwärmt, so dass mittels des schmelzenden Lots eine metallurgische Verbindung zwischen den Schalen und dem Metallschaumkörper entsteht.
Eine verbesserte Energieaustauschleistung wird dadurch erreicht, dass der mindestens eine Metallschaumkörper aus offenporigem Metallschaum besteht. Dieser weist eine gute Wärmeleitfähigkeit und Durchströmbarkeit auf. Zweckmäßigerweise besteht der Metallschaumkörper aus Aluminiumschaum. Dessen Gewicht beträgt nur ca. 1/10 des Gewichts von homogenen Aluminium. Aluminiumschaum lässt sich auch einfach mittels Löten, Schweißen oder Gießen mit den Schalen verbinden. Alternativ kann jedoch auch geschlossenporiger Metallschaum zur Anwendung kommen.
Vorteilhaft ist es ferner, wenn der Metallschaumkörper von einem fluiden Medium durchströmbar ist. So könnte der Metallschaumkörper auch von einem flüssigen Medium, beispielsweise von Wasser, durchströmt werden.
Die Herstellung des Metallschaums erfolgt durch die bekannten Verfahren mittels Aufschäumen von Metallschmelzen oder mittels pulvermetallurgischen Verfahren.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand mehrerer bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigen schematisch:
Fig. 1
einen Querschnitt durch eine stapelartige Anordnung zweier sandwichartiger Wärmetauschermodule einer ersten Ausführungsform; und
Fig. 2
einen Querschnitt durch eine stapelartige Anordnung dreier sandwichartiger Wärmetauschermodule einer zweiten Ausführungsform; und
Fig. 3
einen Querschnitt durch eine stapelartige Anordnung zweier sandwichartiger Wärmetauschermodule einer dritten Ausführungsform.
In den folgenden Figuren sind drei Ausführungsformen von Wärmetauschermodulen zur Ausbildung eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers dargestellt. Dabei sind gleiche Bestandteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt in einem Querschnitt zwei zu einem Stapel angeordnete sandwichartige Wärmetauschermodule 5 einer ersten Ausführungsform, welche sich jeweils aus einem Verteiler 1 und einem Wärmetauscherelement 3 zusammensetzen. Der Verteiler 1 wird jeweils durch ein Vollrohr 2 aus einem mit Aluminiumbeschichtung versehenen, abgeflachtem Stahlhohlprofil gebildet. Dieses dünnwandige Stahlhohlprofil weist eine Dicke von wenigen Millimetern auf. Als Wärmetauscherelement 3 ist jeweils ein Metallschaumkörper 4 aus offenporigem Aluminiumschaum vorgesehen. Die Metallschaumkörper 4 und Vollrohre 2 sind in einer stapelförmigen Anordnung abwechselnd übereinander angeordnet und miteinander verlötet oder verschweißt. Alternativ können die Bestandteile der Wärmetauschermodule 5 auch verklebt werden.
Wie aus Fig. 1 weiter zu entnehmen ist, ragen die ausgerundeten Seitenbereiche der Vollrohre 2 jeweils über die Metallschaumkörper 4 hinaus. Dadurch ist ein ausreichender Freiraum zur Anbindung der benachbarten Wärmetauschermodule 5 vorhanden und der Metallschaumkörper 4 kann eine einfache geometrische Form aufweisen. Allerdings könnten die am oberen und unteren Halbrohr 2 befindlichen Metallschaumkörper 4 auch ringförmig und vollständig um die Halbrohre 2 herum verlaufen. Möglich ist auch ein nachträgliches Anbringen entsprechend geformter Formteile aus Metallschaum.
Die insbesondere für den Einsatz im Kraftwerksbereich entwickelten Wärmetauschermodule 5 gemäß Fig. 1 weisen eine Länge (senkrecht zur Zeichenebene) von bis zu 10 m bis 12 m auf. Höhenmäßig werden je nach mengenmäßigem Durchsatz und umzusetzender Energie die erforderliche Anzahl von gleichartigen Wärmetauschermodulen 5 stapelartig übereinander angeordnet. Der obere und untere Abschluss des Wärmetauschers erfolgt in der Regel durch einen Metallschaumkörper 4, so dass jedes Halbrohr 2 jeweils zwischen zwei Metallschaumkörpern 4 zu liegen kommt.
Zur Kühlung des in den Vollrohren 2 geförderten Wassers oder Dampfs während des Betriebs werden die Metallschaumkörper 4 von Luft in Richtung des Pfeils 15 durchströmt, so dass die über das Stahlblech der Schale 2 an den jeweiligen Metallschaumkörper 4 übertragene Wärme infolge der Luftströmung seitlich nach außen (in Fig. 1 nach rechts) abgeleitet werden kann.
Wenn in den Luftstrom Wasser eingesprüht wird, wird damit das Wasser in die Metallschaumkörper 4 transportiert, und die Kühlwirkung wird verstärkt.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt einer stapelartige Anordnung von drei sandwichartigen Wärmetauschermodulen 6 einer zweiten Ausführungsform, welche jeweils aus einem Metallschaumkörper 4 und zwei, auf den gegenüberliegenden Längsseiten des Metallschaumkörpers 4 angeordneten Halbschalen 2' aus Stahlblech bestehen. Im Unterschied zu der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist der Metallschaum an die beiden schalenförmigen Halbschalen 2' angegossen. Die beiden Halbschalen 2' stehen wie bei Fig. 1 seitlich über den Metallschaumkörper 4 hervor. Dabei sind die jeweils gegenüberliegenden seitlichen Ränder 8 der oberen und unteren Halbschale 2' von einander weg gerichtet. Dies ermöglicht eine bessere Befestigung der Wärmetauschermodule 6. Zur Ausbildung des Stapels sind die drei Wärmetauschermodule 6 an den gegenüberliegenden seitlichen Ränder 8 der Halbschalen 2' über eine in Längsrichtung (senkrecht zur Zeichenebene) über die gesamte Länge verlaufende Stumpfnaht 13 miteinander verlötet. Im übrigen bestehen die Metallschaumkörper 4 und die Halbschalen 2' aus den gleichen Materialien wie bei Fig. 1 und weisen in etwa die gleichen geometrischen Abmessungen auf. Das Wärmetauschermodul 6 kann alternativ auch nur eine Schale 2' aufweisen. In Zusammenhang mit diesem Ausführungsbeispiel wären auch konkav geformte Halbschalen denkbar.
In Fig. 3 sind zwei sandwichartige Wärmetauschermodule 7 einer dritten Ausführungsform in einer stapelartigen Anordnung in einem Querschnitt dargestellt. Hierbei sind die Halbschalen 2" trapezförmig ausgestaltet. Der Metallschaumkörper 4 ist mit einer oberen und einer unteren Halbschale 2" zur Bildung eines Wärmetauschermoduls 7 verbunden. Diese Verbindung wird wie bei Fig. 2 über ein Angießen des Metallschaums an die Halbschalen 2" ermöglicht. Die Ränder der Halbschalen 2" sind als abgewinkelte Anschlussflansche 9 ausgebildet. Die beiden Wärmetauschermodule 7 sind so übereinander gestapelt und mittels Widerstands-Rollenschweißen miteinander verschweißt, dass die geradlinigen Enden 10 der Anschlussflansche 9 jeweils bündig aufeinander liegen. Beim Widerstands-Rollenschweißen durchläuft der Stapel aus übereinander angeordneten Wärmetauschermodulen 7 einen Schweißkanal, in welchem die aneinanderliegenden Enden 10 der Anschlussflansche 9 über Rollen geführt und flächig miteinander verschweißt werden.
Ferner ist in Fig. 3 beispielhaft am rechten Seitenrand des oberen Wärmetauschermoduls 6 eine Abdeckung 11 vorhanden, welche die gegenüberliegenden Enden 10 der Anschlussflansche 9 der beiden Halbschalen 2" des oberen Wärmetauschermoduls 7 verbindet. Dieser Abschluss ermöglicht die Ausbildung eines weiteren Verteilers 12, der sich in Längsrichtung (senkrecht zur Zeichenebene) erstreckt. Die Abdeckung ist einerseits für den Fall vorgesehen, dass eine Kühlflüssigkeit durch den Metallschaumkörper 4 strömt (Pfeil 15) und durch den weiteren Verteiler abgeführt wird. Analog ist an dem linken Seitenrand des oberen Wärmetauschermoduls 6 ebenfalls eine Abdeckung 11 zur Bildung eines Verteilers 12 möglich, welcher die Kühlflüssigkeit zuführt. Dementsprechendes könnten alle Seitenränder der in Fig. 3 gezeigten Wärmetauschermodule 7 mit Abdeckungen 11 versehen werden.
Alternativ kann an einem der Flansche oder an beiden eine Rinne ( nicht dargestellt) ausgebildet zur Abführung von sog. Tropfwasser ausgebildet werden. Es fällt bei einer Durchströmung des Metallschaumkörper 4 mit Luft (Pfeil 15) infolge der Luftabkühlung im Metallschaumkörper 4 an.
Die in den Figuren 2 und 3 angedeuteten Wärmetauschermodule werden zur Ausbildung eines kompletten Wärmetauschers jeweils durch ein oberes und ein unteres Abschlussmodul, bestehend aus einer Halbschale 2' bzw. 2" und einem Metallschaumkörper 4, vervollständigt.
Die in den Figuren 1 bis 3 gezeigten Metallschaumkörper 4 können auch unterschiedlich hoch ausgebildet werden. Die Stapelung mehrerer Wärmetauschermodule 5, 6, 7 kann nämlich auch derart erfolgen, dass die Metallschaumkörper 4 verschiedener Wärmetauschermodule 5, 6, 7 übereinander zu liegen kommen. Die sich aus der benachbarten Lage zweier Metallschaumkörper 4 ergebende Höhe kann so durch die Höhe der einzelnen Metallschaumkörper 4 bestimmt werden.
Um ein Aufreißen der Verbindungen zwischen den Metallschaumkörpern 4 und den Schalen 2, 2', 2" bei Wärmetauschermodulen großer Längen (z.B. 10 bis 12 m) zu vermeiden, kann gegebenenfalls eine Ausgleichsschicht zumindest teilweise zwischen Metallschaumkörper 4 und Schale 2, 2', 2" angeordnet werden. Diese ist in der Lage, die aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Stahl und Aluminium und die in Folge der hohen Drücke innerhalb der Schale 2, 2', 2" auftretenden Spannungen zu reduzieren oder zu kompensieren.

Claims (17)

  1. Wärmetauscher für Industrieanlagen, insbesondere für Kraftwerke, mit mindestens einem Verteiler für ein fluides Medium und mindestens einem an dem Verteiler befestigten Wärmetauscherelement,
    dadurch gekennzeichnet, dass er unter Ausbildung einer sandwichartigen Anordnung aus Verteilern (1) und aus Metallschaumkörpern (4) bestehenden Wärmetauscherelementen (3) zusammengesetzt ist, wobei
    die Verteiler (1) als Rohr (2) oder zumindest aus miteinander verbundenen Halbrohren (2', 2") bestehen, und dass benachbarte Rohre (2) bzw. Halbrohre (2', 2") über den Metallschaumkörper (4) miteinander verbunden sind.
  2. Wärmetauscher nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr als Vollrohr (2) ausgestaltet ist.
  3. Wärmetauscher nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Vollrohr (2) aus zwei Halbrohren zusammengesetzt ist.
  4. Wärmetauscher nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Halbrohre als Halbschalen (2') aus Blech ausgebildet sind.
  5. Wärmetauscher nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Halbschale (2') einen etwa trapezförmigen Querschnitt aufweist.
  6. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Schale (2, 2', 2") im Querschnitt einen vorbestimmten Kurvenverlauf aufweist.
  7. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass auf den gegenüberliegenden Seiten des Metallschaumkörpers (4) jeweils ein Rohr (2) oder eine Halbschale (2', 2") zur Ausbildung eines sandwichartigen Wärmetauschermoduls (5, 6, 7) befestigt ist.
  8. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Wärmetauschermodule (5, 6, 7) stapel artig übereinander angeordnet sind.
  9. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 4 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Ränder (8) der Halbschalen (2, 2', 2") zweier Wärmetauschermodule (5, 6, 7) an deren Stirnseiten miteinander verschweißt sind.
  10. Wärmetauscher nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Ränder (8) als über den Metallschaumkörper (4) nach außen überstehende Flansche (9) ausgebildet sind.
  11. Wärmetauscher nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Flansche (9) benachbarter Wärmetauschermodule (5, 6, 7) mittels Widerstands-Rollenschweißen miteinander verschweißt sind.
  12. Wärmetauscher nach Anspruch 10 oder 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Enden (10) gegenüberliegender Anschlussflansche (9) benachbarter Wärmetauschermodule (5, 6, 7) mit einer Abdeckung (11) zur Ausbildung eines weiteren Verteilers (12) verbunden sind, welcher zur Aufnahme von aus dem Metallschaumkörper (4) austretenden Fluids oder zur Einspeisung eines Fluids in den Metallschaumkörper (4) dient.
  13. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr oder die Halbschale (2, 2', 2") mit dem mindestens einen Metallschaumkörper (4) verlötet ist.
  14. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
       dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Metallschaumkörper (4) aus offenporigem Metallschaum besteht.
  15. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Metallschaumkörper (4) aus Aluminiumschaum besteht.
  16. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschaumkörper (4) von einem fluiden Medium durchströmbar ist.
  17. Wärmetauscher nach Anspruch 16,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Metallschaumkörper (4) von Luft durchströmt ist, in welche Wasser eingesprüht ist.
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