EP2584301A1 - Hochtemperatur-Wärmeübertrager - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a high-temperature heat exchanger, in particular for gaseous media.
- the energy efficiency of high-temperature processes can be significantly increased by means of gas / gas heat exchangers, when the heat exchangers transfer the heat content of one gas stream as completely as possible to another gas stream.
- the gas streams may be, for example, educts and products of a chemical reaction process, for example in the form of a combustion process.
- the reaction can take place, for example, in an SOFC fuel cell or a fuel cell system, in micro gas turbines or other heat engines.
- the masses or heat capacity flows of the two gases for example, fresh air and exhaust gas
- the WO 96/20808 a heat exchanger with a closed approximately cylindrical, closed by rounded end caps vessel and arranged at opposite ends of the vessel tube sheets.
- the tube plates divide the interior into three separate rooms, namely, for example, two plenums and a tube bundle space between them.
- the connections of the collecting chambers are, for example, arranged concentrically to the longitudinal axis of the cylindrical housing at the end caps. Inflow and outflow of the tube bundle space are arranged, for example, radially on the cylindrical housing wall.
- the tubes of the tube bundle are for example straight and provided with sections of different cross section. It change round cross sections with oval cross sections.
- EP 1 995 516 B1 an open heat exchanger with only one side taken flat tubes. These are round at their ends and flat in a middle section. In the flat portion, the cross section of the tube is formed by two gap defining portions which are curved with large radius, these being connected at their ends by portions which curve with a small radius are.
- the flat tubes are arranged on concentric circles of the overall substantially rotationally symmetrical heat exchanger. The same number of tubes is provided on each circle. Corrugated spacers are arranged between the tubes.
- This flat tube heat exchanger is operated in countercurrent operation. On the side facing the combustion chamber of the flat tubes nozzles are formed, which cause a high gas outlet velocity. This is specifically a Abgas139rekuperator, which should cause a flameless oxidation due to the high gas outlet velocity in the connected combustion chamber.
- he should combine a high temperature spread, a high transfer efficiency, a high packing density and a long service life with low pressure losses and low production costs.
- three zones are formed in the tube bundle space, namely two cross-flow zones formed at the tube-bundle space connections and a longitudinal flow zone formed between these cross-flow zones.
- the transverse flow zones are preferably defined by the fact that a section is provided in each case on both sides adjacent to the tubesheets, in that the flat tubes have a round cross section (preferably circular cross section) or circular polygonal cross section and are tapered transversely to the inflow or outflow of the gas to allow the flat tubes.
- corresponding lanes are formed between the individual flat tubes. It is preferred to orient these streets in the inflow and outflow direction. In a rotationally symmetrical structure, these streets are preferably oriented radially.
- the inflow or outflow can be done radially from the inside or radially from or to the outside.
- the transverse flow direction defined by the cross-flow zone is preferably vertical to the flat sides of the flat tubes, that is oriented parallel to the surface normal direction of the flat sides. This concept can be applied to all embodiments of the heat exchanger.
- the longitudinal flow zone is defined by the fact that there is essentially no crossflow in it.
- the adjusting between the flat pipe sections flow runs anti-parallel to the flowing in the flat tubes flow.
- the flow preferably does not alternate between the various longitudinal flow paths existing between the flat tubes. This is achieved by adjacent flat tubes are arranged touching each other or nearly touching with a small gap.
- the flat tube heat exchanger can be constructed as a rectangle or as a round arrangement. In the rectangular arrangement, it has a cuboid tube bundle space. In the round arrangement, it has a cylindrical tube bundle space.
- the heat exchanger is constructed in a round arrangement as a ring heat exchanger.
- Its housing is then, for example, cylindrical or polygonal limited. Coaxially with the outer wall, the heat exchanger housing may have an inner wall. This may include other aggregates, such as, for example, a reactor in which the supplied process gas undergoes a chemical process, a burner, another heat source, or combinations thereof.
- the longitudinal flow space, in which the flat portions of the flat tubes are arranged annular (ie, hollow cylindrical) is formed.
- at least one of the two transverse flow spaces is preferably cylindrical and has a free central gas distribution space (gas collection space) from which the gas flow leads radially outwards between the round sections of the flat tubes (or vice versa).
- the tube bundle preferably has an extension that is at most twice as long as the length of the transverse inflow zone measured in the tube bundle longitudinal direction.
- the said measure also creates a good condition for being able to arrange the flat tubes in the tube bundle relatively dense, so that there is a good use of space and thus a compact design. This can also contribute that certain dimensions are met for the flat tubes.
- the flat tubes Preferably, have an inner gap width s of 1 mm to 5 mm, preferably 1 mm to 3 mm. The optimal gap width is 2mm.
- the free width of the flat tube interior is preferably 7 mm to 20 mm.
- the flat tubes are preferably arranged in a packing density p of 0.9 m 2 / dm 3 to 0.2 m 2 / dm 3 .
- spacing structures for example in the form of embossed knobs, ribs or the like, may be present on the flat tubes in order to fix the distance between the tubes.
- the distance between the flat tubes is preferably at most in the order of the gap width.
- the gap width is preferably at most a few millimeters.
- the distance of the rounded portions of the flat tubes from each other is preferably less than the gap width.
- Turbulence vortices may be formed on the inner and / or outer surfaces of the flat tubes turbulence generating elements, for example. Ribs, projections, dents or the like.
- all flat tubes have the same shape, so they are uniform, which keeps the production costs low.
- the tubes may be formed in one piece or in several parts. This can be expedient in particular with a very high temperature spread. It can pipes made of different materials butt joined to each other in particular welded. Thus, other materials can be used in the cold zone than in the warm zone.
- an expansion element can be arranged, which compensates for expansion differences between the housing and the tube bundle.
- the expansion compensation element is preferably arranged on the cold side of the heat exchanger.
- heat exchanger tubes are arranged in an annular zone which encloses a central region, a burner with a combustion chamber can be arranged there, for example in order to heat a reactor present there. Between the combustion chamber and the heat exchanger, an insulating layer is preferably arranged. This combination of heat exchanger and combustion chamber is suitable, for example, for heating the cathode air for an SOFC fuel cell.
- a catalytic reactor In the interior, in particular in the tube bundle space of the heat exchanger and a catalytic reactor may be mounted. This can be arranged, for example, as a reformer in the anode gas cycle of an SOFC fuel cell system.
- the gas to be heated in the tubes and the heat-emitting gas is passed between the tubes. It can gases with very high inlet temperatures, such as. 1000 ° C are processed.
- the heat transfer rates are based on the volume of construction in the same range as that of plate heat exchangers and regenerators at comparable gap widths.
- welded plate heat exchangers are not suitable for such high temperatures.
- the proposed flat tube heat exchanger is thus particularly suitable for decentralized power generation, e.g. in SOFC fuel cells or micro gas turbines. It does not require the changeover valves and controls required for regenerators.
- FIG. 1 a flat tube heat exchanger 10 is illustrated, which is housed here in a cylindrical housing 11. At both ends of the housing 11 preferably curved closure cap 12, 13 are attached, which belong to the housing 11 and may be part of the same, for example.
- the housing 11 encloses, together with the covers 12, 13, an interior which, through two tube sheets 14, 15 in a total of three spaces, namely an input-side collecting space 16 (FIG. FIG. 1 below), a tube bundle space 17 and an output-side collecting space 18 are divided.
- the collecting chambers 16, 18 are each provided with a connection 19, 20.
- the connection 19 is, for example, subjected to cold air. For example, hot air is to be delivered to the connection 20.
- a tube bundle 21 is arranged between the tube sheets 14, 15, a tube bundle 21 is arranged.
- This consists of numerous mutually preferably equal flat tubes 22.
- the cross sections of the flat tubes 22 have straight flanks which define the inner gap cross-section between each other.
- the flat flanks are interconnected by small radius bent sections.
- Each flat tube 22 is preferably formed straight and arranged parallel to an imaginary central axis 23 of the housing 11.
- the flat tubes 22 are anchored with their ends 24, 25 to the tube sheets 14, 15. For example, they are welded to the respective tubesheet 14, 15, brazed, pressed, crimped or connected in any other suitable manner.
- the compound is fluid-tight and temperature-resistant.
- Each flat tube 22 has a comparatively long central section A with a flat cross section and at its two ends 24, 25 a shorter section B with a circular cross section.
- FIG. 2 illustrates the tube bundle 21 in the region of its section A in a sectional view.
- each flat tube 22 has an inner gap cross-section whose width is 1 mm to 4 mm, preferably 2 mm to 3 mm. The circumference of this cross section is preferably between 20 mm and 40 mm.
- the flat tubes 22 are each arranged in an annularly closed row, each row being circular (strictly speaking polygonal) and concentric with the central axis 23.
- the flat tubes 22 are at least preferably arranged such that the individual flat tubes 22 just do not touch with their strongly curved sections. However, the remaining gaps between the flat tubes 22 within a row are small.
- the flat tubes can alternatively also touch each other at any temperature or only at certain temperatures.
- the flat sides of the flat tubes are oriented in the circumferential direction, that is tangent to the respective circle on which they are arranged.
- annular spaces formed between the rows or boundaries of different flat tubes 22 are relatively narrow. It is largely free of other internals held annular flow channels.
- the individual annular flow channels are largely separated from one another by the flat tube rings in terms of flow.
- the flat tubes may be arranged in a single spiral wound row. Also, they can be slightly inclined against the circumferential direction, so be rotated slightly about their respective longitudinal axis. With the tangential direction they then enclose an acute angle.
- the above statements regarding cross-sectional shape and tube spacing apply accordingly.
- each of FIG. 2 illustrated annular array of tubes arranged in number so as to give a closed as possible row.
- the number of flat tubes 22 in the rows do not match each other.
- the number of tubes preferably increases radially from the inside to the outside.
- the numbers of tubes of adjacent annular rows differ by 1 to 3, preferably 2.
- FIG. 3 it can be seen, form the flat tubes 22 with their sections B, an arrangement which is radially flow-permeable, at least permeable than the arrangement of the sections A according to FIG. 2 , It forms flow paths 26 to 28, which allow a radial flow.
- a cross-flow zone 29 is formed in the round sections B of the flat tubes 22 . This applies both to the ends 24 of the flat tubes adjacent to the upper tube bottom 14 and to the ends 25 of the flat tubes 22 which adjoin the lower base 15.
- the tube bundle 21 has a thickness C in the transverse inflow direction, which is preferably at most twice as great the length of section B, ie the transverse inflow zone.
- the flat portions A of the flat tubes 22 may extend into the lateral inflow zone 29. This is especially true if the transverse inflow, as it is also possible, is parallel or at an acute angle to the flat sides of the flat sections. This applies to all embodiments.
- the lying between the two transverse flow zones 29 sections A of the flat tubes 22 form a longitudinal flow zone 30, which serves the actual heat exchange.
- tube bundle space connections 31, 32 which may be arranged coaxially to the central axis 23, for example may be arranged coaxially to the central axis 23 and in this case, the closure cover 12, 13 and the tube sheets 14, 15 prevail.
- the tube bundle connections 32, 33 can also be arranged elsewhere. For example, they may be formed by the housing 11 passing through in the areas B radially or tangentially to the housing 11 attaching. Further, concentric with the central axis 23, an inner housing wall 33 may be arranged. This can be formed by a solid body or a hollow body. It can surround other parts of the plant, a heat storage or the like, or it can be empty.
- the housing 11 may be provided at a suitable location with a strain compensation element 34. Preferably, this is in the cylindrical portion of the housing 11 between the tubesheets 14, 15, preferably in the vicinity of the colder tube bottom, i. attached to the input-side terminal 19.
- the expansion compensation element may allow, within certain limits, an axial expansion and compression of the housing 11, so that the distance between the tube sheets 14, 15 is determined by the temperature and thus the length of the tube bundle 21.
- the housing 11 adapts accordingly.
- cold gas for example air at ambient temperature
- inlet-side connection 19 cold gas
- the supplied cool air absorbs a large part of the heat and can reach in the collecting space, for example. 800 ° or 900 °. It then flows via the output-side terminal 20.
- the flat tube heat exchanger 10 Due to the illustrated flow structure, the flat tube heat exchanger 10 has only a small differential pressure requirement both for the hot gas stream and for the cold gas stream. The resulting pressure loss is low. Due to the narrow gap width of the flat tubes 22 and the dense arrangement thereof, a high heat utilization is achieved.
- the exhaust gas leaving the tube bundle space 17 via the tube bundle connection 32 is, for example, cooled to low temperatures of a few 100.degree. C., for example 200.degree. C. or 300.degree.
- FIGS. 4 to 6 illustrate optional details of the flat tube 22. Preferably, it has different circumferences in the sections A and B, as already explained above with reference to the cross sections.
- each flat tube 22 with projections 35, for example. Be provided in the form of knobs or ribs, fins or the like. These projections 35 may serve as spacers to prevent flat tubes 22 of different rows from approaching too much and obstructing the flow channel therebetween. It is also possible to use these projections 35 as turbulence-generating elements in order to improve the heat transfer from the hot gases flowing between the flat tubes 22 to the flat tubes 22.
- FIG. 7 illustrates a modified embodiment of the flat tube heat exchanger 10. This is here combined with a burner 36 for generating hot gas and structurally unified.
- the tube bundle space connection 31 is designed or used as a supply air duct for combustion air.
- a fuel channel 37 is arranged concentrically.
- anode residual gas or another fuel can be conducted into the combustion chamber 38 via this.
- the combustion chamber 38 may be arranged in the interior of the container enclosed by the inner housing wall 33.
- Eie ignition electrode 39 which can extend through the fuel channel 37, for example, completes the burner.
- the inner housing wall 33 may be internally provided with a thermally insulating lining 40.
- Air is passed in countercurrent through the flat tubes 22 and thereby strongly heated to be discharged through the plenum 18 and the port 20 at high temperature, for example.
- the flat tube heat exchanger 10 forms a heat exchanger with an internal heat source.
- the heat source is a burner.
- other heat sources can also be integrated into the heat exchanger 10 with an otherwise identical design.
- FIG. 8 illustrates such a flat tube heat exchanger 10.
- the tube bundle 21 formed by the flat tubes 22 is enclosed by a rectangular in cross-section or square housing 11.
- the flat tubes 22 are arranged in mutually parallel rows and formed as described above. Their round sections B form cross-flow zones.
- the tube bundle space 17 can be supplied with hot gas via one or more connections 31. Cooled hot gas can be discharged via one or more ports 32 from the tube bundle space 17.
- the collecting chambers 16, 18 may be box-shaped.
- the tube bundle formed by the flat tubes 22 in the transverse inflow direction has a thickness which is preferably at most twice as long as the length of the section B, ie the transverse inflow zone. This serves to achieve a uniform gas distribution between the flat tubes 22.
- the direction of the transverse inflow in the embodiment of the flat tube heat exchanger 10 after FIG. 8 is determined by the longitudinal direction of the terminals 31, 32 (in FIG. 8 perpendicular to the plane of the drawing) in the above embodiments, this direction is the radial direction.
- the thickness C of the tube bundle 21 in the exemplary embodiment Figure 1 to 3 determined by the distance of the outer wall of the housing 11 with the inner housing wall 33. This distance C is preferably at most 1.5 to 2 times as long as the length B.
- a flat tube heat exchanger 10 which is suitable for high temperatures, tolerates a high temperature spread and reaches countercurrent operation transmission efficiencies of over 80%. In addition, it has a high packing density, low pressure drops and eg less than 50 mbar, a high durability and robustness and low production costs.
- the flat tube heat exchanger has flat tubes, which have flat heat exchanger sections and round ends. The rounded ends define transverse inflow zones which provide a uniform gas distribution of hot gas between the flat sections of the flat tubes 22 at low pressure drops. The efficiency of such a flat tube heat exchanger is comparable to that of a plate heat exchanger, but a much higher robustness is given.
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft einen Hochtemperatur-Wärmeübertrager, insbesondere für gasförmige Medien.
- Die Energieeffizienz von Hochtemperatur-Prozessen kann mit Hilfe von Gas/Gas-Wärmeübertragern erheblich gesteigert werden, wenn die Wärmeübertrager den Wärmeinhalt eines Gasstroms möglichst vollständig auf einen anderen Gasstrom übertragen. Bei den Gasströmen kann es sich bspw. um Edukte und Produkte eines chemischen Reaktionsprozesses bspw. in Form eines Verbrennungsprozesses handeln. Die Reaktion kann bspw. in einer SOFC-Brennstoffzelle oder einem Brennstoffzellensystem, in Mikrogasturbinen oder anderen Wärmekraftmaschinen ablaufen. In vielen Fällen sind dabei die Massen bzw. Wärmekapazitätsströme der beiden Gase (z.B. Frischluft und Abgas) ungefähr gleich.
- Entsprechende Wärmetauscher müssen verschiedene Anforderungen genügen, die untereinander teilweise nur schwer vereinbart sind. Die Wärmeübertrager müssen für:
- hohe Temperaturen und dabei insbesondere für
- eine hohe Temperaturspreizung, d.h. eine große Differenz zwischen den Eintrittstemperaturen der beiden Medien, geeignet sein. Bei SOFC-Systemen kann diese Temperaturspreizung bis zu 800 K betragen. Dabei werden
- hohe Wirkungsgrade der Wärmeübertragung von möglichst über 80% ebenso angestrebt, wie
- eine kompakte Bauart,
- niedrige Druckverluste,
- niedrige Herstellkosten und
- hohe Dauerhaftigkeit. Auch müssen
- Druckdifferenzen zwischen den beiden Gasströmen ausgehalten werden. Weitere Anforderungen, wie bspw.
- hohe Temperaturwechselbeständigkeit, kann bei Systemen eine Rolle spielen, die häufig ein- und ausgeschaltet bzw. hoch- und heruntergefahren werden.
- Um Medien miteinander in Wärmetausch zu bringen, sind verschiedne Wärmetauscheranordnungen bekannt. Beispielsweise offenbart die
WO 96/20808 - Während das vorgenannte Dokument einen geschlossenen Wärmetauscher offenbart, zeigt die
EP 1 995 516 B1 einen offenen Wärmetauscher mit nur einseitig gefassten Flachrohren. Diese sind an ihren Enden rund und in einem mittleren Abschnitt flach ausgebildet. In dem flachen Abschnitt wird der Querschnitt des Rohres durch zwei einen Spalt begrenzende Abschnitte gebildet, die mit großem Radius gekrümmt sind, wobei diese an ihren Enden durch Abschnitte untereinander verbunden sind, die mit einem geringen Radius gekrümmt sind. Die Flachrohre sind auf konzentrischen Kreisen des insgesamt im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildeten Wärmetauschers angeordnet. Auf jedem Kreis ist dabei die gleiche Rohrzahl vorgesehen. Zwischen den Rohren sind gewellte Abstandshalter angeordnet. Dieser Flachrohrwärmeübertrager wird im Gegenstrombetrieb betrieben. Auf der einem Brennraum zugewandten Seite der Flachrohre sind Düsen ausgebildet, die eine hohe Gasaustrittsgeschwindigkeit bewirken. Es handelt sich hier speziell um einen Abgaswärmerekuperator, der aufgrund der hohen Gasaustrittsgeschwindigkeit in dem angeschlossenen Brennraum eine flammenlose Oxidation bewirken soll. - Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Wärmeübertrager anzugeben, der die oben genannten Bedingungen erfüllt. Insbesondere soll er eine hohe Temperaturspreizung, einen hohen Übertragungswirkungsgrad, eine hohe Packungsdichte und eine hohe Lebensdauer mit niedrigen Druckverlusten und niedrigen Herstellkosten verbinden.
- Diese Aufgabe wird mit dem Flachrohrwärmetauscher nach Anspruch 1 gelöst:
- Der erfindungsgemäße Flachrohrwärmetauscher weist ein geschlossenes Gehäuse auf, in dem zwei Rohrböden und ein zwischen den Rohrböden angeordnetes und von den Rohrböden getragenes Rohrbündel angeordnet ist. Das Rohrbündel umfasst mindestens einige sich in Rohrbündellängsrichtung erstreckende Flachrohre. Die Flachrohre sind an ihren Enden rund und in einem mittleren Abschnitt flach. Die im Querschnitt runden Enden der Flachrohre können kreisrund sein oder eine abweichende Rundform aufweisen. Z.B. können sie einen elliptischen Querschnitt, einen Ovalquerschnitt oder auch einen Polygonalquerschnitt (dreieckig, quadratisch, rechteckig, sechseckig oder dergleichen) aufweisen, der eine Rundform annähert. Der Querschnitt des Rundabschnitts liegt zwischen vorzugsweise 50% bis 70% des Querschnitts des Flachquerschnitts. Während die Rundquerschnitte kreisförmig sind, haben die Flachquerschnitte eine Ovalgestalt, die sich vorzugsweise aus bogenförmigen Endabschnitten mit geringem Radius und geraden Wandabschnitten ohne Krümmung zusammensetzt. Zum Beispiel werden derartige Flachrohre erzeugt, indem zunächst von einem Rohr ausgegangen wird, das zwischen zwei Abschnitten mit Kreisquerschnitt und geringerem Durchmesser einen Abschnitt mit Kreisquerschnitt und größerem Durchmesser aufweist. Der Abschnitt mit größerem Durchmesser kann in einem Umformprozess, z.B. Walzprozess, z.B. zwischen Zylinderwalzen, flachgedrückt werden. Die insoweit beschriebene Konfiguration der Flachrohre wird für alle Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Wärmetauschers bevorzugt.
- Vorzugsweise sind in dem Rohrbündelraum drei Zonen ausgebildet, nämlich zwei bei den Rohrbündelraumanschlüssen ausgebildete Querströmungszonen und eine zwischen diesen Querströmungszonen ausgebildete Längsströmungszone. Die Querströmungszonen werden vorzugsweise dadurch definiert, dass auf beiden an die Rohrböden grenzenden Seiten jeweils ein Abschnitt vorgesehen wird, indem die Flachrohre einen Rundquerschnitt (vorzugsweise Kreisquerschnitt) oder kreis-ähnlichen Polygonalquerschnitt aufweisen und verjüngt sind, um die Ein- bzw. Ausströmung des Gases quer zu den Flachrohren zu ermöglichen. Vorzugsweise sind dazu zwischen den einzelnen Flachrohren entsprechende Gassen ausgebildet. Es wird bevorzugt, diese Gassen in Ein- bzw. Ausströmungsrichtung zu orientieren. Bei einem rotationssymmetrischen Aufbau sind diese Gassen vorzugsweise radial orientiert. Der Zu- oder Abstrom kann radial von innen oder auch radial von oder nach außen erfolgen. Die von der Querströmungszone festgelegte Querströmungsrichtung ist vorzugsweise senkrecht zu den Flachseiten der Flachrohre, d.h. parallel zu der Flächennormalenrichtung der Flachseiten orientiert. Dieses Konzept kann bei allen Ausführungsformen des Wärmetauschers angewandt werden.
- Die Längsströmungszone ist dadurch definiert, dass in ihr im wesentlichen keine Querströmung existiert. Die sich zwischen den Flachrohrabschnitten einstellende Strömung verläuft antiparallel zu der in den Flachrohren fließenden Strömung. Insbesondere wechselt die Strömung vorzugsweise nicht zwischen den verschiedenen zwischen den Flachrohren vorhandenen Längsströmungsgassen. Dies wird erreicht, indem benachbarte Flachrohre einander berührend oder mit geringem Spalt fast berührend angeordnet sind.
- Der Flachrohrwärmetauscher kann als Rechteck oder auch als Rundanordnung aufgebaut sein. In der Rechteckanordnung weist er einen quaderförmigen Rohrbündelraum auf. In der Rundanordnung weist er einen zylindrischen Rohrbündelraum auf. Bevorzugterweise ist der Wärmetauscher in Rundanordnung als Ringwärmetauscher aufgebaut. Sein Gehäuse ist dann bspw. zylindrisch oder auch polygonal begrenzt. Koaxial zu der Außenwand kann das Wärmetauschergehäuse eine Innenwand aufweisen. Diese kann weitere Aggregate umschließen, wie bspw. einen Reaktor, in dem das zugeführte Prozessgas einen chemischen Prozess durchläuft, einen Brenner, eine sonstige Wärmequelle oder Kombinationen davon. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Längsströmungsraum, in dem die Flachabschnitte der Flachrohre angeordnet sind, ringförmig (d.h. hohlzylindrisch) ausgebildet. Mindestens einer der beiden Querströmungsräume ist hingegen vorzugsweise zylindrisch ausgebildet und weist einen freien zentralen Gasverteilungsraum (Gassammelraum) auf, von dem ausgehend die Gaströmung radial nach außen zwischen die runden Abschnitte der Flachrohre führt (oder umgekehrt).
- Das Rohrbündel weist in Querströmungsrichtung vorzugsweise eine Ausdehnung auf, die höchstens doppelt so groß ist wie die in Rohrbündellängsrichtung gemessene Länge der Quereinströmzone. Dadurch kann eine gleichmäßige Verteilung des Gases erreicht werden, bevor es durch die Längsströmungszone zwischen den Flachrohren entlang strömt. Die genannte Maßnahem schafft auch eine gute Voraussetzung dafür, die Flachrohre in dem Rohrbündel relativ dicht anordnen zu können, so dass sich eine gute Raumausnutzung und damit eine kompakte Bauform ergeben. Dazu kann auch beitragen, dass für die Flachrohre bestimmte Maße eingehalten werden. Vorzugsweise haben die Flachrohre eine innere Spaltweite s von 1 mm bis 5 mm, vorzugsweise 1mm bis 3mm. Optimal beträgt die Spaltweite 2mm. Die freie Breite des Flachrohrinnenraums beträgt vorzugsweise 7 mm bis 20 mm. Die Flachrohre sind vorzugsweise in einer Packungsdichte p von 0,9 m2/dm3 bis 0,2 m2/dm3 angeordnet.
- An den Flachrohren können außerdem abstandshaltende Strukturen, bspw. in Gestalt aufgeprägter Noppen, Rippen oder dergleichen vorhanden sein, um den Abstand zwischen den Rohren zu fixieren. Der Abstand zwischen den Flachrohren liegt vorzugsweise höchstens in der Größenordnung der Spaltweite. Die Spaltweite beträgt vorzugsweise allenfalls wenige Millimeter. Der Abstand der gerundeten Bereiche der Flachrohre voneinander ist vorzugsweise geringer als die Spaltweite. Damit sind die zwischen den Flachrohren gebildeten Gassen praktisch voneinander separiert. Der gleichmä-βigen Gasverteilung in der Querströmungszone kommt hohe Bedeutung zu.
- Anstelle der Flachsrohre können auch sogenannte strukturierte Rohre genutzt werden, bei denen der Wärmeübergang durch Turbulenzwirbel verbessert wird. Zur Erzeugung von Turbulenzwirbeln können an den inneren und/oder äußeren Oberflächen der Flachrohre turbulenzerzeugende Elemente, bspw. Rippen, Vorsprünge, Dellen oder dergleichen, ausgebildet sein.
- Vorzugsweise haben alle Flachrohre die gleiche Form, sind also einheitlich ausgebildet, was den Herstellungsaufwand niedrig hält.
- Die Rohre können einstückig oder mehrteilig ausgebildet sein. Dies kann insbesondere bei einer sehr hohen Temperaturspreizung zweckmäßig sein. Es können Rohre aus unterschiedlichen Materialien stumpf aneinander gefügt insbesondere geschweißt werden. Somit können in der kalten Zone andere Materialien angewendet werden als in der warmen Zone. An dem Gehäuse kann ein Dehnungselement angeordnet sein, das Ausdehnungsunterschiede zwischen dem Gehäuse und dem Rohrbündel kompensiert. Das Dehnungsausgleichselement wird vorzugsweise auf der kalten Seite des Wärmeübertragers angeordnet.
- Sind die Wärmetauscherrohre in einer Ringzone angeordnet, die einen zentralen Bereich umschließt, kann dort ein Brenner mit einer Brennkammer angeordnet sein, bspw. um einen dort vorhandenen Reaktor zu beheizen. Zwischen der Brennkammer und dem Wärmeübertrager wird vorzugsweise eine Isolierschicht angeordnet. Diese Kombination aus Wärmeübertrager und Brennkammer eignet sich beispielsweise für die Erwärmung der Katodenluft für eine SOFC-Brennstoffzelle.
- In dem Innenraum, insbesondere in dem Rohrbündelraum des Wärmeübertragers kann auch ein katalytischer Reaktor angebracht sein. Dieser kann bspw. als Reformer in dem Anodengaskreislauf eines SOFC-Brennstoffzellensystems angeordnet werden.
- Mit dem erfindungsgemäßen Flachrohrwärmetauscher können im Gegenstrombetrieb Wirkungsgrade über 80% erreicht werden. Vorzugsweise wird das zu erwärmende Gas in den Rohren und das wärmeabgebende Gas zwischen den Rohren geführt. Es können Gase mit sehr hohen Eintrittstemperaturen, wie bspw. 1000°C verarbeitet werden. Die Wärmeübertragungsraten liegen bezogen auf das Bauvolumen im gleichen Bereich wie die von Plattenwärmeübertragern und Regeneratoren bei vergleichbaren Spaltweiten. Allerdings sind geschweißte Plattenwärmeübertrager für derart hohe Temperaturen nicht geeignet. Der vorgeschlagene Flachrohrwärmetauscher eignet sich somit insbesondere bei der dezentralen Energieerzeugung z.B. bei SOFC-Brennstoffzellen oder Mikrogasturbinen. Er kommt ohne die bei Regeneratoren erforderlichen Umschaltventile und Steuerungen aus.
- Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen der Zeichnung und der Beschreibung. In der Beschreibung sind einige wenige Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung veranschaulicht. Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die konkreten Ausführungsformen und Beispiel beschränkt ist. Es zeigen:
-
Figur 1 einen erfindungsgemäßen Flachrohrwärmetauscher im schematisierten Längsschnitt, -
Figur 2 den Flachrohrwärmetauscher nachFigur 1 , geschnitten entlang der Linie A-A inFigur 1 , -
Figur 3 den Flachrohrwärmetauscher nachFigur 1 , geschnitten entlang der Line B-B inFigur 1 , -
Figur 4 ein Flachrohr des Flachrohrwärmetauschers, in Draufsicht, in schematisierter Darstellung, -
Figur 5 das Flachrohr nachFigur 4 , in einer abschnittsweisen Seitenansicht, -
Figur 6 das Flachrohr nachFigur 4 und 5 , in einer Perspektivansicht, -
Figur 7 den Flachrohrwärmetauscher mit eingebautem Brenner, in einer längs geschnittenen Prinzipansicht, -
Figur 8 eine abgewandelte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Flachrohrwärmetauschers, im Vertikalschnitt, -
Figur 9 eine weitere abgewandelte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Flachrohrwärmetauschers, in vertikal geschnittener Seitenansicht, -
Figur 10 den Flachrohrwärmetauscher nachFigur 9 , geschnitten an der Linie X-X inFig. 9 und mit einer Schnittlinie IX-IX zur Veranschaulichung der Schnittführung inFig. 9 , und -
Figur 11 den Flachrohrwärmetauscher nachFigur 9 , geschnitten entlang der Linie XI-XI inFigur 9 . - In
Figur 1 ist ein Flachrohrwärmetauscher 10 veranschaulicht, der hier in einem zylindrischen Gehäuse 11 untergebracht ist. An beiden Enden des Gehäuses 11 sind vorzugsweise gewölbte Verschlussdeckel 12, 13 angebracht, die zu dem Gehäuse 11 gehören und z.B. Teil desselben sein können. Das Gehäuse 11 umschließt zusammen mit den Deckeln 12, 13 einen Innenraum, der durch zwei Rohrböden 14, 15 in insgesamt drei Räume nämlich einen eingangsseitigen Sammelraum 16 (Figur 1 unten), einen Rohrbündelraum 17 und einen ausgangsseitigen Sammelraum 18 unterteilt. Die Sammelräume 16, 18 sind jeweils mit einem Anschluss 19, 20 versehen. Der Anschluss 19 wird bspw. mit kalter Luft beaufschlagt. An dem Anschluss 20 soll bspw. heiße Luft abgegeben werden. - Zwischen den Rohrböden 14, 15 ist ein Rohrbündel 21 angeordnet. Dieses besteht aus zahlreichen untereinander vorzugsweise gleich ausgebildeten Flachrohren 22. Die Querschnitte der Flachrohre 22 weisen gerade Flanken auf, die zwischen einander den inneren Spaltquerschnitt begrenzen. Die flachen Flanken sind untereinander durch mit geringem Radius gebogener Abschnitte verbunden. Jedes Flachrohr 22 ist vorzugsweise gerade ausgebildet und parallel zu einer gedachten Zentralachse 23 des Gehäuses 11 angeordnet. Die Flachrohre 22 sind mit ihren Enden 24, 25 an den Rohrböden 14, 15 verankert. Beispielsweise sind sie mit dem jeweiligen Rohrboden 14, 15 verschweißt, hart verlötet, verpresst, vercrimpt oder auf andere geeignete Weise verbunden. Vorzugsweise ist die Verbindung fluiddicht und temperaturfest.
- Jedes Flachrohr 22 weist einen vergleichsweise langen mittleren Abschnitt A mit Flachquerschnitt und an seinen beiden Enden 24, 25 einen kürzeren Abschnitt B mit Rundquerschnitt auf.
Figur 2 veranschaulicht das Rohrbündel 21 im Bereich seines Abschnitts A in Schnittdarstellung. Wie ersichtlich, weist jedes Flachrohr 22 einen inneren Spaltquerschnitt auf, dessen Weite 1 mm bis 4 mm, vorzugsweise 2 mm bis 3 mm beträgt. Der Umfang dieses Querschnitts liegt vorzugsweise zwischen 20 mm und 40 mm. Wie ersichtlich, sind die Flachrohre 22 jeweils in einer ringförmig geschlossenen Reihe angeordnet, wobei jede Reihe kreisförmig (genau genommen polygonal) ist und konzentrisch zu der Zentralachse 23 angeordnet ist. - Innerhalb der Reihe sind die Flachrohre 22 zumindest vorzugsweise so angeordnet, dass sich die einzelnen Flachrohre 22 mit ihren stark gekrümmten Abschnitten gerade eben nicht berühren. Die verbleibenden Spalte zwischen den Flachrohren 22 innerhalb einer Reihe sind jedoch gering. Die Flachrohre können sich alternativ auch bei jeder Temperatur oder nur bei bestimmten Temperaturen gegenseitig berühren. Die Flachseiten der Flachrohre sind in Umfangsrichtung orientiert, also tangential zu dem jeweiligen Kreis, auf dem sie angeordnet sind.
- Die zwischen den Reihen oder Grenzen verschiedener Flachrohre 22 gebildeten ringförmigen Zwischenräume sind relativ eng. Es handelt sich um weitgehend frei von anderen Einbauten gehaltene ringförmige Strömungskanäle. Die einzelnen ringförmigen Strömungskanäle sind voneinander durch die Flachrohrkränze strömungsmäßig weitgehend getrennt.
- Es wird darauf hingewiesen, dass andere Flachrohrkonfigurationen anwendbar sind. Beispielsweise können die Flachrohre in einer einzigen zu einer Spirale gewundenen Reihe angeordnet sein. Auch können sie gegen die Umfangsrichtung etwas geneigt, also um ihre jeweilige Längsachse etwas gedreht sein. Mit der Tangentialrichtung schließen sie dann einen spitzen Winkel ein. Die obigen Ausführungen hinsichtlich Querschnittsform und Rohrabstand gelten aber entsprechend.
- Vorzugsweise sind die in jeder in
Figur 2 dargestellten ringförmigen Reihe angeordneten Rohre in ihrer Anzahl so bemessen, dass sich eine möglichst geschlossene Reihe ergibt. Vorzugsweise stimmen die Anzahl der Flachrohre 22 in den Reihen miteinander nicht überein. Die Rohrzahl nimmt vorzugsweise radial gesehen von innen nach außen zu. Vorzugsweise unterscheiden sich die Anzahlen der Rohre benachbarter ringförmiger Reihen um 1 bis 3, vorzugsweise 2. - Wie aus
Figur 3 ersichtlich ist, bilden die Flachrohre 22 mit ihren Abschnitten B eine Anordnung, die radial strömungsdurchlässig ist, jedenfalls durchlässiger als die Anordnung der Abschnitte A gemäßFigur 2 . Es bilden sich Strömungsgassen 26 bis 28, die eine radiale Strömung ermöglichen. Somit ist bei den runden Abschnitte B der Flachrohre 22 eine Querströmungszone 29 gebildet. Dies gilt sowohl für die an den oberen Rohrboden 14 grenzenden Enden 24 der Flachrohre wie auch für die an den unteren Boden 15 grenzenden Enden 25 der Flachrohre 22. Das Rohrbündel 21 weist in Quereinströmungsrichtung eine Dicke C auf, die vorzugsweise höchstens doppelt so groß ist wie die Länge des Abschnitts B, d.h. der Quereinströmungszone. Die Flachabschnitte A der Flachrohre 22 können sich in die Quereinströmungszone 29 erstrecken. Dies insbesondere, wenn die Quereinströmung, wie es auch möglich ist, parallel oder im spitzen Winkel zu den Flachseiten der Flachabschnitte erfolgt. Dies gilt für alle Ausführungsformen. - Die zwischen den beiden Querströmungszonen 29 liegenden Abschnitte A der Flachrohre 22 bilden eine Längsströmungszone 30, die dem eigentlichen Wärmetausch dient.
- Zum Einleiten und Ausleiten von Fluid in den Rohrbündelraum 17 dienen Rohrbündelraumanschlüsse 31, 32, die z.B. koaxial zu der Zentralachse 23 angeordnet sein koaxial zu der Zentralachse 23 angeordnet sein können und in diesem Fall die Verschlussdeckel 12, 13 und die Rohrböden 14, 15 durchsetzen. Es wird darauf hingewiesen, dass die Rohrbündelanschlüsse 32, 33 auch anderweitig angeordnet sein können. Beispielsweise können sie das Gehäuse 11 durchsetzend in den Bereichen B radial oder tangential an das Gehäuse 11 ansetzend ausgebildet sein. Weiter kann konzentrisch zu der Zentralachse 23 eine innere Gehäusewand 33 angeordnet sein. Diese kann durch einen Vollkörper oder einen Hohlkörper gebildet sein. Sie kann weitere Anlagenteile, einen Wärmespeicher oder Ähnliches umschließen oder auch leer sein.
- Das Gehäuse 11 kann an geeigneter Stelle mit einem Dehnungsausgleichselement 34 versehen sein. Vorzugsweise ist dieses in dem zylindrischen Bereich des Gehäuses 11 zwischen den Rohrböden 14, 15, vorzugsweise in der Nähe des kälteren Rohrbodens, d.h. hie des eingangsseitigen Anschlusses 19 angebracht. Das Dehnungsausgleichselement kann in gewissen Grenzen eine axiale Dehnung und Stauchung des Gehäuses 11 gestatten, so dass der Abstand zwischen den Rohrböden 14, 15 von der Temperatur und somit der Länge des Rohrbündels 21 festgelegt ist. Das Gehäuse 11 passt sich entsprechend an.
- Der insoweit beschriebene Flachrohrwärmetauscher 10 arbeitet wie folgt:
- In Betrieb wird dem Flachrohrwärmetauscher 10 über den Rohrbündelraumanschluss 31 heißes, vorzugsweise gasförmiges Fluid, bspw. Abgas einer Mikrogasturbine oder dergleichen zugeleitet. Oberhalb des ungefähr zylindrischen, durch die innere Gehäusewand 33 umschlossenen Mittelkörpers wird diese Strömung im Wesentlichen in Radialrichtung umgelenkt. Sie erreicht die in
Figur 3 ersichtlichen Gassen 26 bis 28 und verteilt sich radial und in Umfangsrichtung in dem Rohrbündel 21. Von der Querreinströmungszone 29 ausgehend verläuft der Heißgasstrom dann in Längsrichtung im Wesentlichen parallel zu der Zentralachse 23 durch die ringförmigen Zonen zwischen den Flachrohren 22, die inFigur 2 zu erkennen sind. Die in dem Heißgasstrom enthaltene Wärme überträgt sich auf die Wandung der Flachrohre 22. - Gleichzeitig wird über den eingangsseitigen Anschluss 19 kaltes Gas, bspw. Luft mit Umgebungstemperatur in den Sammelraum 16 geleitet. Sie tritt von dort aus in die runden unteren Enden der Flachrohre 22 ein und strömt durch die inneren Spaltvolumina der Flachrohre 22 in den gegenüber liegenden Sammelraum 18 ab. Dabei fließt sie im Gegenstrom zu dem Heißgas, dessen Eingangstemperatur, bspw. um 1000° C betragen kann. Die zugeführte kühle Luft nimmt einen großen Teil der Wärme auf und kann in dem Sammelraum, bspw. 800° oder 900° erreichen. Sie fließt dann über den ausgangsseitigen Anschluss 20 ab.
- Aufgrund der dargestellten Strömungsstruktur weist der Flachrohrwärmetauscher 10 sowohl für den Heißgasstrom wie auch für den Kaltgasstrom nur einen geringen Differenzdruckbedarf auf. Der entstehende Druckverlust ist gering. Aufgrund der engen Spaltweite der Flachrohre 22 und der dichten Anordnung derselben wird eine hohe Wärmeausnutzung erreicht. Das den Rohrbündelraum 17 über den Rohrbündelraumanschluss 32 verlassende Abgas ist bspw. auf geringe Temperaturen von wenigen 100°C, bspw. 200°C oder 300°C abgekühlt.
-
Figur 4 bis 6 veranschaulichen optionale Einzelheiten des Flachrohrs 22. Vorzugsweise weist es in den Abschnitten A und B unterschiedliche Umfänge auf, wie oben schon anhand der Querschnitte erläutert. - Weiter optional können insbesondere die Flachseiten des Abschnitts A jedes Flachrohrs 22 mit Vorsprüngen 35 bspw. in Form von Noppen oder Rippen, Flossen oder dergleichen versehen sein. Diese Vorsprünge 35 können als Abstandshalter dienen, um zu verhindern, dass sich Flachrohre 22 verschiedener Reihen zu sehr annähern und den dazwischen vorhandenen Strömungskanal versperren. Es ist auch möglich, diese Vorsprünge 35 als turbulenzerzeugende Elemente zu nutzen, um den Wärmeübergang von dem zwischen den Flachrohren 22 strömenden Heißgasen auf die Flachrohre 22 zu verbessern.
-
Figur 7 veranschaulicht eine abgewandelte Ausführungsform des Flachrohrwärmetauschers 10. Dieser ist hier mit einem Brenner 36 zur Erzeugung von Heißgas kombiniert un baulich vereinigt. Dazu ist der Rohrbündelraumanschluss 31 als Zuluftkanal für Verbrennungsluft ausgebildet bzw. genutzt. In diesem Kanal ist z.B. konzentrisch ein Brennstoffkanal 37 angeordnet. Über diesen kann bspw. Anodenrestgas oder ein sonstiger Brennstoff in den Brennraum 38 geführt werden. Der Brennraum 38 kann in dem Innenraum des von der inneren Gehäusewand 33 umschlossenen Behälters angeordnet sein. Eie Zündelektrode 39, die sich z.B. durch den Brennstoffkanal 37 erstrecken kann, komplettiert den Brenner. Die innere Gehäusewand 33 kann innen mit einer thermisch isolierenden Auskleidung 40 versehen sein. Sie bildet mit einem den Brennraum 38 eingrenzenden Rohr einen Ringkanal 41, der zu dem Querströmungsraum 29 hin offen ist. Von dort strömt das von dem Brenner 36 abgegebene Heißgas durch die Längsströmungszone 30 (Rohrabschnitte A), um dort die vorhandene Wärme abzugeben. Das abgekühlte Abgas verlässt den Flachrohrwärmetauscher 10 wieder durch die Querströmungszone 29 (inFigur 7 links) und den Rohrbündelraumanschluss 32. Die über den Anschluss 19 zugeleitete - Luft wird im Gegenstrom durch die Flachrohre 22 geführt und dabei stark erhitzt, um durch den Sammelraum 18 und den Anschluss 20 mit hoher Temperatur bspw. deutlich höher als 700° oder 800° abgegeben zu werden. In dieser Anordnung bildet der Flachrohrwärmetauscher 10 einen Wärmetauscher mit interner Wärmequelle. Als Wärmequelle dient ein Brenner. Es können aber bei ansonsten gleicher Ausführung auch andere Wärmequellen in den Wärmetauscher 10 integriert werden.
- Die vorstehend beschriebenen Prinzipien lassen sich auch an nicht ringförmigen bzw. nicht zylindrischen Wärmetauschern verwirklichen.
Figur 8 veranschaulicht einen solchen Flachrohrwärmetauscher 10. Das von den Flachrohren 22 gebildete Rohrbündel 21 ist von einem im Querschnitt recheckigen oder quadratischen Gehäuse 11 umschlossen. Die Flachrohre 22 sind in zueinander parallelen Reihen angeordnet und wie vorstehend beschrieben ausgebildet. Ihre runden Abschnitte B bilden Querströmungszonen. Beispielsweise kann dem Rohrbündelraum 17 Heißgas über einen oder mehrere Anschlüsse 31 zugeleitet werden. Abgekühltes Heißgas kann über einen oder mehrere Anschlüsse 32 aus dem Rohrbündelraum 17 ausgeleitet werden. Die Sammelräume 16, 18 können kastenförmig ausgebildet sein. Bei dieser wie bei den vorbeschriebenen Ausführungsformen weist das von den Flachrohren 22 gebildete Rohrbündel in Quereinströmungsrichtung eine Dicke auf, die vorzugsweise höchstens doppelt so groß ist wie die Länge des Abschnitts B, d.h. der Quereinströmungszone. Dies dient der Erzielung einer gleichmäßigen Gasverteilung zwischen den Flachrohren 22. Während die Richtung der Quereinströmung bei der Ausführungsform des Flachrohrwärmetauschers 10 nachFigur 8 durch die Längsrichtung der Anschlüsse 31, 32 bestimmt wird (inFigur 8 senkrecht zur Zeichenebene) ist diese Richtung bei den vorstehenden Ausführungsformen die Radialrichtung. Somit ist die Dicke C des Rohrbündels 21 im Ausführungsbeispiel nachFigur 1 bis 3 durch den Abstand der äußeren Wand des Gehäuses 11 mit der inneren Gehäusewand 33 bestimmt. Dieser Abstand C ist vorzugsweise höchstens 1,5 bis 2 mal so groß wie die Länge B. - Einen weiter abgewandelten Wärmetauscher 10 veranschaulichen
Figur 9 bis Figur 11 . Soweit strukturelle und/oder funktionelle Übereinstimmung mit dem Wärmetauscher 10 nachFigur 8 und im weiteren Sinne mit dem Wärmetauscher 10 nachFigur 1 - 7 besteht, wird unter Zugrundelegung der bereits eingeführten Bezugszeichen auf die vorige Beschreibung verwiesen. Ergänzend wird auf die Vorsprünge 35 hingewisen, die hier als Verdickungen der Flachabschnitte A der Flachrohre 22 ausgebildet sind. Die Verdickungen dienen als Abstandshalter. Die z.B. zwischen 0,5 und 1 m Flachrohre 22 können solche Verdickungen 35 im Abstand von mehreren dm, z.B. 2 dm aufweisen. Sie stabilisieren die Abstände zwischen den Flachrohren 22 und machen den Wärmetauscher 10 unempfindlich gege thermischen Versug, z.B. infolge von Temperaturdifferenzen. - Zur Verbesserung der Energieeffizienz von Hochtemperaturprozessen wird ein Flachrohrwärmetauscher 10 vorgeschlagen, der für hohe Temperaturen geeignet ist, eine hohe Temperaturspreizung verträgt und im Gegenstrombetrieb Übertragungswirkungsgrade von über 80% erreicht. Außerdem weist er eine hohe Packungsdichte, niedrige Druckverluste und z.B. weniger als 50 mbar, eine hohe Dauerhaftigkeit und Robustheit sowie niedrige Herstellungskosten auf. Der Flachrohrwärmetauscher weist Flachrohre auf, die flache Wärmetauscherabschnitte und runde Enden aufweisen. Die runden Enden definieren Quereinströmungszonen, die eine gleichmäßige Gasverteilung eines Heißgases zwischen den Flachabschnitten der Flachrohre 22 bei niedrigen Druckverlusten erbringen. Der Wirkungsgrad eines solchen Flachrohrwärmetauschers ist mit dem eines Plattenwärmetauschers vergleichbar, wobei jedoch eine wesentlich höhere Robustheit gegeben ist.
-
- 10
- Flachrohrwärmetauscher
- 11
- Gehäuse
- 12, 13
- Verschlussdeckel
- 14, 15
- Rohrböden
- 16
- eingangsseitiger Sammelraum
- 17
- Rohrbündelraum
- 18
- ausgangsseitiger Sammelraum
- 19
- eingangsseitiger Anschluss
- 20
- ausgangsseitiger Anschluss
- 21
- Rohrbündel
- 22
- Flachrohr
- 23
- Zentralachse
- A
- flacher Abschnitt des Flachrohrs 22
- B
- runder Abschnitt des Flachrohrs 22
- C
- Rohbündeldicke
- 24, 25
- Ende des Flachrohrs 22
- 26 - 28
- Gassen
- 29
- Querströmungszone
- 30
- Längsströmungszone
- 31, 32
- Rohrbündelraumanschlüsse
- 33
- innere Gehäusewand
- 34
- Dehnungsausgleichselement
- 35
- Vorsprünge
- 36
- Brenner
- 37
- Brennstoffkanal
- 38
- Brennraum
- 39
- Zündelektrode
- 40
- Auskleidung
- 41
- Ringkanal
- Q
- Querströmungsrichtung
Claims (15)
- Flachrohrwärmetauscher (10), insbesondere für gasförmige Medien,
mit einem geschlossenen Gehäuse (11, 12, 13), das an zwei einander gegenüberliegenden Seiten zwei Rohrböden (14, 15) aufweist, die in dem Gehäuse (11, 12, 13) einen eingangsseitigen Sammelraum (16), einen Rohrbündelraum (17) und einen ausgangsseitigen Sammelraum (18) abteilen,
mit einem Rohrbündel (21), das eine Rohrbündellängsrichtung (23) festlegt und zumindest vorwiegend aus gerade ausgebildeten Flachrohren (22) mit runden oder polygonalen Enden (B) besteht, die parallel zu der Rohrbündellängsrichtung (23) angeordnet und an den Rohrböden (14, 15) bei entsprechenden Öffnungen befestigt sind, so dass die Flachrohre (22) mit den Sammelräumen (16, 18) kommunizieren,
wobei jeder Sammelraum (16, 18) mit zumindest einem Sammelraumanschluss (19, 20) und der Rohrbündelraum (17) mit zumindest zwei in Rohrbündellängsrichtung (23) voneinander im Abstand angeordneten Rohrbündelraumanschlüssen (31, 32) versehen ist,
wobei der Rohrbündelraum (17) drei Zonen aufweist, nämlich zwei bei den Rohrbündelraumanschlüssen (31, 32) ausgebildete Querströmungszonen (29) und eine zwischen diesen Querströmungszonen (29) ausgebildete Längsströmungszone (30). - Flachrohrwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querströmungszonen (29) unmittelbar an die beiden Rohrböden (14, 15) grenzen.
- Flachrohrwärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachrohre (22) in den Querströmungszonen (29) jeweils einen Rund-, Kreis- oder Polygonalquerschnitt und in der Längsströmungszone (30) einen Flachquerschnitt aufweisen.
- Flachrohrwärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachrohre (22) in der Längsströmungszone (30) einen Flachquerschnitt mit ebenen Flanken aufweisen.
- Flachrohrwärmetauscher nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn das Rohrbündel (21) in der Querströmungszone (29) in Querströmungsrichtung (Q) eine Querausdehnung (C) aufweist und wenn die Querströmungszone (29) in Rohrbündellängsrichtung (23) eine Länge (B) aufweist, die Länge (B) mindestens das 0,5-fache der Querausdehnung (C) beträgt.
- Flachrohrwärmetauscher nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (11, 12, 13) eine im Querschnitt ringförmig geschlossene Innenwand (33) und eine im Querschnitt ebenfalls ringförmig geschlossene Außenwand (11) aufweist.
- Flachrohrwärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand (33) eine Wärmequelle (36) umschließt.
- Flachrohrwärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachrohre (22) auf zueinander konzentrischen Kreisen angeordnet sind.
- Flachrohrwärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Umfangsrichtung zu messenden Abstände geringer sind als die Spaltweite der Flachrohrabschnitte (A).
- Flachrohrwärmetauscher nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den runden Enden der Flachrohre Querströmungsgassen (26, 27, 28) ausgebildet sind.
- Flachrohrwärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrbündelraumanschlüsse (31, 32) den Rohrboden (14, 15) durchsetzend angeordnet sind.
- Flachrohrwärmetauscher nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachrohre (22) mit Abstandshaltestrukturen (35) versehen sind.
- Flachrohrwärmetauscher nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einige der Flachrohre (22) mit Turbulenz erzeugenden Strukturen (35) versehen sind.
- Flachrohrwärmetauscher nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (11, 12, 13) mit zumindest einem Dehnungsausgleichselement (34) versehen ist.
- Flachrohrwärmetauscher nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Rohrbündelraum (17) ein Katalysator angeordnet ist.
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