EP1553379B1 - Wärmetauscher für Industrieanlagen - Google Patents

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EP1553379B1
EP1553379B1 EP04000280.0A EP04000280A EP1553379B1 EP 1553379 B1 EP1553379 B1 EP 1553379B1 EP 04000280 A EP04000280 A EP 04000280A EP 1553379 B1 EP1553379 B1 EP 1553379B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat exchanger
metal foam
foam body
exchanger according
shell
Prior art date
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EP04000280.0A
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English (en)
French (fr)
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EP1553379A1 (de
EP1553379B8 (de
Inventor
Martin Kienböck
Dr. Miroslav Podhorsky
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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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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/003Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by using permeable mass, perforated or porous materials
    • YGENERAL 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
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10STECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S165/00Heat exchange
    • Y10S165/907Porous

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger for industrial plants according to the preamble of claim 1, in particular for power plants, with at least one distributor for a fluid medium and at least one, attached to the manifold heat exchanger element.
  • FR 2 738 625 discloses such a heat exchanger.
  • the known from the power plant area heat exchanger conventionally consist of a manifold whose outer surface is at least partially provided with cooling fins. Such heat exchangers are used for example as air-cooled condensers. It is also known to use heat exchangers in industrial plants of the chemical and food industry as a cooling device.
  • heat exchangers can supply or discharge energy.
  • energy exchange occurs in the form of heat transfer from a higher temperature fluid medium in a manifold to a lower temperature fluid medium. This leads to a cooling of the warmer medium with a simultaneous heating of the colder medium.
  • the energy exchange process is such that the medium to be cooled flowing through a steel pipe conducts its heat into the cooling fins surrounding the steel pipe.
  • 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 flowed around by cooling air, cooling gas or the like, so that the heat can be released to the environment.
  • heat exchangers consisting of distributor pipe and cooling fins can only be carried out up to a limited length, since otherwise the assembly becomes more difficult due to the large weight.
  • the invention is therefore based on the object to provide a heat exchanger for industrial plants, especially for power plants, which allows for a good thermal conductivity smaller cross-sectional dimensions and a lower weight. It is another object of the invention, under consideration of ease of manufacture and assembly for the power plant area designed to allow large heat exchangers.
  • the object is achieved with a heat exchanger according to claim 1.
  • the heat exchanger according to the invention is thus composed to form a sandwich-like arrangement of manifolds and heat exchanger elements consisting of metal foam bodies, wherein the manifolds consist of interconnected half-tubes, and adjacent half-tubes are connected to each other via the metal foam body.
  • the stack-like sandwich profile according to the invention can easily be produced with a foreseeable outlay and, above all, in the required large dimensions for industrial installations.
  • the low weight of such a planteos proves to be advantageous, which weighs only a fraction of the homogeneous metal.
  • the connection between pipe or half-pipe and metal foam body can be easily produced for example by means of soldering or welding.
  • the metal foam can also be easily molded.
  • Advantageous properties of the metal foam are the high energy absorption capacity, the good thermal conductivity, the flowability, the mechanical stability with low weight and a large inner surface.
  • half pipe as used herein is also understood to mean trough-shaped or channel-shaped sheet metal half shells.
  • partially rounded rectangular profiles and semi-elliptical profiles come into consideration.
  • tubes rectangular, but also curved line, in particular circular or elliptical hollow steel profiles can be used.
  • a further preferred embodiment is that the half-pipe is designed as a sheet metal half-shell.
  • the half-pipe is designed as a sheet metal half-shell.
  • two such sandwich profiles of half-shell and metal foam body can thus form a heat exchanger with a running between two metal foam bodies tubular distributor.
  • the metal foam can be cast on the already formed shell plate.
  • the half-shell has an 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 curve in cross-section.
  • a cross section with an elliptical or teardrop-shaped shape is also suitable.
  • the edges of the half-shells of adjacent heat exchanger modules are welded together at their end faces.
  • any number of heat exchanger modules can be assembled in a stack-like arrangement depending on the amount of fluid used and the requirements with regard to the energy exchange to be performed.
  • edges are formed as over the metal foam body projecting outwardly connecting flanges. Length and direction of the connection flanges can be formed depending on the type of connection. Conveniently, the connecting flanges of adjacent heat exchanger modules are welded together by means of resistance roller welding. Such a welding process enables a continuous production process, in which process the foaming of the molten metal and the casting of the metal foam body can be integrated into this continuous process.
  • connecting flanges it is furthermore advantageous that the ends of opposite connecting flanges of adjacent heat exchanger modules are connected to a cover to form a further distributor.
  • This distributor is used to receive emerging from the metal foam body fluid or for feeding a fluid into the metal foam body. This allows the metal foam to cool easily. Furthermore, the dripping water produced during the evaporation can also be removed via the further distributor.
  • the at least one shell is soldered to the at least one metal foam body.
  • brazing material for example as a cladding
  • the metal foam body for example aluminum
  • the package thus held is sent through a solder channel and heated in this to the melting point temperature of the solder, so that by means of the melting solder a metallurgical bond between the shells and the metal foam body is formed.
  • the at least one metal foam body consists of open-pored metal foam. This has a good thermal conductivity and flowability.
  • 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 to the shells by means of soldering, welding or pouring. Alternatively, however, closed-cell metal foam can also be used.
  • the metal foam body can be flowed through by a fluid medium.
  • the metal foam body could also be flowed through by a liquid medium, for example water.
  • the production of the metal foam is carried out by the known methods by means of foaming of metal melts or by means of powder metallurgical processes.
  • Fig. 1 shows in a cross section two stacked sandwich-type heat exchanger modules 5 of a first embodiment, which is not part of the invention, each composed of a manifold 1 and a heat exchanger element 3.
  • the distributor 1 is formed in each case by a full tube 2 from a flattened hollow steel profile provided with aluminum coating. This thin-walled hollow steel profile has a thickness of a few millimeters.
  • a metal foam body 4 made of open-pore aluminum foam is provided in each case.
  • the metal foam body 4 and the full tubes 2 are alternately arranged one above the other in a stack-shaped arrangement and soldered or welded together.
  • the components of the heat exchanger modules 5 can also be glued.
  • Fig. 1 protrude the rounded side portions of the full tubes 2 each on the metal foam body 4 also.
  • the metal foam body 4 can have a simple geometric shape.
  • the metal foam bodies 4 located on the upper and lower half-tubes 2 could also extend annularly and completely around the half-tubes 2. It is also possible to subsequently attach correspondingly shaped moldings made of metal foam.
  • the heat exchanger modules 5 according to, in particular, developed for use in the power station sector Fig. 1 have a length (perpendicular to the plane of the drawing) of up to 10 m to 12 m. In terms of volume, depending on the quantity throughput and energy to be converted, the required number of similar heat exchanger modules 5 stacked arranged one above the other.
  • the upper and lower end of the heat exchanger is usually carried out by a metal foam body 4, so that each half pipe 2 comes to rest between two metal foam bodies 4 respectively.
  • the metal foam body 4 For cooling the conveyed in the solid tubes 2 water or steam during operation, the metal foam body 4 is traversed by air in the direction of arrow 15, so that the transmitted via the steel sheet of the shell 2 to the respective metal foam body 4 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-like heat exchanger modules 6 of a second embodiment, which does not belong to the invention, each consisting of a metal foam body 4 and two, arranged on the opposite longitudinal sides of the metal foam body 4 half shells 2 'made of sheet steel.
  • the metal foam is cast onto the two shell-shaped half-shells 2 '.
  • the two half shells 2 ' stand as at Fig. 1 laterally beyond the metal foam body 4.
  • the heat exchanger module 6 according to the invention has only one shell 2 '. In connection with this embodiment, concave-shaped half-shells would also be conceivable.
  • Fig. 3 are two sandwich-type heat exchanger modules 7 of a third embodiment, which does not belong to the subject invention in a stack-like arrangement shown in a cross section.
  • the half shells 2 "are trapezoidal in shape.
  • the metal foam body 4 is connected to an upper and a lower half shell 2" to form a heat exchanger module 7.
  • This connection will be like at Fig. 2 via an injection of the metal foam to the half shells 2 ".
  • the edges of the half shells 2" are designed as angled connecting flanges 9.
  • the two heat exchanger modules 7 are stacked on top of each other and welded together by means of resistance roller welding, that the rectilinear ends 10 of the connecting flanges 9 are each flush with each other.
  • resistance roller welding the stack of superposed heat exchanger modules 7 passes through Welding channel, in which the abutting ends 10 of the connecting flanges 9 are guided over rollers and flat welded together.
  • This closure makes it possible to form a further distributor 12 which extends in the longitudinal direction (perpendicular to the plane of the drawing).
  • the cover is provided for the case in which a cooling liquid flows through the metal foam body 4 (arrow 15) and is discharged through the further distributor 13.
  • a cover 11 for forming a distributor 12 which supplies the cooling fluid, could be used
  • Fig. 3 shown heat exchanger modules 7 are provided with covers 11.
  • a groove may be formed on one of the flanges or on both for the removal of so-called dripping water. It falls in a flow through the metal foam body 4 with air (arrow 15) due to the air cooling in the metal foam body 4.
  • FIGS. 2 and 3 indicated heat exchanger modules are 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.
  • metal foam body 4 can also be formed differently high.
  • the stacking of a plurality of heat exchanger modules 5, 6, 7 can in fact also take place in such a way that the metal foam bodies 4 of different heat exchanger modules 5, 6, 7 come to lie one above the other.
  • 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 compensating layer may at least partially be placed between metal foam body 4 and shell 2, 2', 2 " to be ordered. This is able to reduce or compensate for the stresses that occur due to the different thermal expansion coefficients of steel and aluminum and the high pressures within the shell 2, 2 ', 2 ".

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für Industrieanlagen nach der Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere für Kraftwerke, mit mindestens einem Verteiler für ein fluides Medium und mindestens einem,an dem Verteiler befestigten Wärmetauscherelement. FR 2 738 625 offenbart einen solchen wärmetauscher.
  • 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 mit einem Wärmetauscher gemäß Anspruch 1 gelöst. Der erfindungsgemäße Wärmetauscher ist also unter Ausbildung einer sandwichartigen Anordnung aus Verteilern und aus Metallschaumkörpern bestehenden Wärmetauscherelementen zusammengesetzt, wobei die Verteiler zumindest aus miteinander verbundenen Halbrohren bestehen, und benachbarte 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 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.
  • 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 Wärmetauschernodulen 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, die nicht zum Gegenstand der Erfindung gehärt, 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, die nicht zum Gegenstand der Erfindung gehört, 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 erfindungsgemäß Wärmetauschermodul 6 weist nur eine Schale 2' auf. In Zusammenhang mit diesem Ausführungsbeispiel wären auch konkav geformte Halbschalen denkbar.
  • In Fig. 3 sind zwei sandwichartige Wärmetauschermodule 7 einer dritten Ausführungsform, die nicht zum Gegenstand der Erfindung gehört 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 (15)

  1. Wärmetauscher für Industrieanlagen, insbesondere für Kraftwerke, der eine sandwichartige Anordnung aus mindestens einem Verteiler (1) für ein fluides Medium und mindestens einem an dem Verteiler (1) befestigten Wärmetauscherelement (3) aus einem Metallschaumkörper (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet,
    dass er zumindest teilweise aus Wärmetauschermodulen (5, 6, 7) zusammengesetzt ist, die aus jeweils einem Wärmetauscherelement (3, 4) und wenigstens einem darauf befestigten Halbrohr (2', 2") bestehen, die stapelartig so angeordnet sind, dass der Verteiler (1) aus miteinander verbundenen Halbrohren (2', 2") zweier angrenzender Wärmetauschermodule (5, 6, 7) gebildet ist.
  2. Wärmetauscher nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Halbrohre als Halbschalen (2') aus Blech ausgebildet sind.
  3. Wärmetauscher nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Halbschale (2') einen etwa trapezförmigen Querschnitt aufweist.
  4. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Schale (2, 2', 2") im Querschnitt einen vorbestimmten Kurvenverlauf aufweist.
  5. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurchgekennzeichnet,
    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.
  6. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurchgekennzeichnet,
    dass mehrere Wärmetauschermodule (5, 6, 7) stapelartig übereinander angeordnet sind.
  7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 2 bis 6,
    dadurchgekennzeichnet,
    dass die Ränder (8) der Halbschalen (2, 2', 2") zweier Wärmetauschermodule (5, 6, 7) an deren Stirnseiten miteinander verschweißt sind.
  8. Wärmetauscher nach Anspruch 7,
    dadurchgekennzeichnet,
    dass die Ränder (8) als über den Metallschaumkörper (4) nach außen überstehende Flansche (9) ausgebildet sind.
  9. Wärmetauscher nach Anspruch 8,
    dadurchgekennzeichnet,
    dass die Flansche (9) benachbarter Wärmetauschermodule (5, 6, 7) mittels Widerstands-Rollenschweißen miteinander verschweißt sind.
  10. Wärmetauscher nach Anspruch 8 oder 9,
    dadurchgekennzeichnet,
    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.
  11. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurchgekennzeichnet,
    dass das Rohr oder die Halbschale (2, 2', 2") mit dem mindestens einen Metallschaumkörper (4) verlötet ist.
  12. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der mindestens eine Metallschaumkörper (4) aus offenporigem Metallschaum besteht.
  13. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der mindestens eine Metallschaumkörper (4) aus Aluminiumschaum besteht.
  14. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurchgekennzeichnet,
    dass der Metallschaumkörper (4) von einem fluiden Medium durchströmbar ist.
  15. Wärmetauscher nach Anspruch 14,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Metallschaumkörper (4) von Luft durchströmt ist, in welche Wasser eingesprüht ist.
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