EP2584301B1 - High temperature heat exchanger - Google Patents
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- EP2584301B1 EP2584301B1 EP11185815.5A EP11185815A EP2584301B1 EP 2584301 B1 EP2584301 B1 EP 2584301B1 EP 11185815 A EP11185815 A EP 11185815A EP 2584301 B1 EP2584301 B1 EP 2584301B1
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Description
Die Erfindung betrifft einen Hochtemperatur-Wärmeübertrager, insbesondere für gasförmige Medien. Ein Wärmetauscher mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruchs 1 ist z.B aus der
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.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. In many cases, the masses or heat capacity flows of the two gases (for example, fresh air and exhaust gas) are approximately equal.
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.
- high temperatures and especially for
- a high temperature spread, ie a large difference between the inlet temperatures of the two media, be suitable. For SOFC systems, this temperature spread can be up to 800K. It will be
- high efficiencies of heat transfer of as much as 80% as desired, as well
- a compact design,
- low pressure losses,
- low production costs and
- high durability. Also need
- Pressure differences between the two gas streams are sustained. Other requirements, such as.
- high thermal shock resistance, can play a role in systems that are often switched on and off and / or shut down.
Um Medien miteinander in Wärmetausch zu bringen, sind verschiedne Wärmetauscheranordnungen bekannt. Beispielsweise offenbart die
Während das vorgenannte Dokument einen geschlossenen Wärmetauscher offenbart, zeigt die
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.It is an object of the invention to provide a heat exchanger that meets the above conditions. In particular, 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.
Diese Aufgabe wird mit dem Flachrohrwärmetauscher nach Anspruch 1 gelöst:This object is achieved with the flat tube heat exchanger according to claim 1:
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.The flat tube heat exchanger according to the invention has a closed housing in which two tubesheets and a tube bundle arranged between the tubesheets and carried by the tubesheets are arranged. The tube bundle comprises at least some flat tubes extending in the tube bundle longitudinal direction. The flat tubes are round at their ends and flat in a middle section. The round in cross-section ends of the flat tubes may be circular or have a different round shape. For example, they may have an elliptical cross section, an oval cross section or even a polygonal cross section (triangular, square, rectangular, hexagonal or the like), which has a Round shape approximates. The cross section of the round section lies between preferably 50% to 70% of the cross section of the flat cross section. While the circular cross sections are circular, the flat cross sections have an oval shape, which is preferably composed of arcuate end sections of small radius and straight wall sections without curvature. For example, such flat tubes are produced by initially starting from a tube having a section of circular cross-section and larger diameter between two sections of circular cross section and smaller diameter. The section with a larger diameter can be flattened in a forming process, eg rolling process, eg between cylindrical rollers. The configuration of the flat tubes described so far is preferred for all embodiments of the heat exchanger according to the invention.
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 kreisähnlichen 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.Preferably, 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 in order to control the inflow or outflow of the gas transversely to the To allow flat tubes. Preferably, 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.
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.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. In particular, 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.
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).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. Preferably, 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. In a preferred embodiment, the longitudinal flow space, in which the flat portions of the flat tubes are arranged, annular (ie, hollow cylindrical) is formed. On the other hand, 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).
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.In the transverse flow direction, 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. Thereby, a uniform distribution of the gas can be achieved before it flows through the longitudinal flow zone between the flat tubes along. 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. Preferably, the flat tubes 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 .
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-ßigen Gasverteilung in der Querströmungszone kommt hohe Bedeutung zu.In addition, 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. Thus, the streets formed between the flat tubes are practically separated from each other. The uniform gas distribution in the cross-flow zone is of great importance.
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.Instead of the flax tubes and so-called structured tubes can be used in which the heat transfer is improved by turbulence. For the production of 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.
Vorzugsweise haben alle Flachrohre die gleiche Form, sind also einheitlich ausgebildet, was den Herstellungsaufwand niedrig hält.Preferably, all flat tubes have the same shape, so they are uniform, which keeps the production costs low.
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.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. On the housing, 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.
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.If the 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.
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.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.
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.With the flat tube heat exchanger according to the invention, efficiencies of more than 80% can be achieved in countercurrent operation. Preferably, 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. However, 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.
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, -
den Flachrohrwärmetauscher nachFigur 10Figur 9 , geschnitten an der Linie X-X inFig. 9 und mit einer Schnittlinie IX-IX zur Veranschaulichung der Schnittführung inFig. 9 , und -
den Flachrohrwärmetauscher nachFigur 11Figur 9 , geschnitten entlang der Linie XI-XI inFigur 9 .
-
FIG. 1 a flat tube heat exchanger according to the invention in a schematic longitudinal section, -
FIG. 2 the flat tube heat exchanger afterFIG. 1 , cut along the line AA inFIG. 1 . -
FIG. 3 the flat tube heat exchanger afterFIG. 1 , cut along the line BB inFIG. 1 . -
FIG. 4 a flat tube of the flat tube heat exchanger, in plan view, in a schematic representation, -
FIG. 5 the flat tube afterFIG. 4 in a sectionwise side view, -
FIG. 6 the flat tube afterFIGS. 4 and 5 in a perspective view, -
FIG. 7 the flat tube heat exchanger with built-in burner, in a longitudinal sectional view, -
FIG. 8 a modified embodiment of the flat tube heat exchanger according to the invention, in vertical section, -
FIG. 9 a further modified embodiment of the flat tube heat exchanger according to the invention, in a vertically sectioned side view, -
FIG. 10 the flat tube heat exchanger afterFIG. 9 , cut along the line XX inFig. 9 and with a section line IX-IX illustrating the incision inFig. 9 , and -
FIG. 11 the flat tube heat exchanger afterFIG. 9 , cut along the line XI-XI inFIG. 9 ,
In
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.Between the
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.
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.Within the row, the
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.The annular spaces formed between the rows or boundaries of different
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.It should be noted that other flat tube configurations are applicable. For example, 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. However, the above statements regarding cross-sectional shape and tube spacing apply accordingly.
Vorzugsweise sind die in jeder in
Wie aus
Die zwischen den beiden Querströmungszonen 29 liegenden Abschnitte A der Flachrohre 22 bilden eine Längsströmungszone 30, die dem eigentlichen Wärmetausch dient.The lying between the two
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.For introducing and discharging fluid into the
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.The
Der insoweit beschriebene Flachrohrwärmetauscher 10 arbeitet wie folgt:The flat
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
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.At the same time, cold gas, for example air at ambient temperature, is conducted into the collecting
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.Due to the illustrated flow structure, the flat
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.Further optionally, in particular the flat sides of the portion A of each
Die vorstehend beschriebenen Prinzipien lassen sich auch an nicht ringförmigen bzw. nicht zylindrischen Wärmetauschern verwirklichen.
Einen weiter abgewandelten Wärmetauscher 10 veranschaulichen
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.To improve the energy efficiency of high temperature processes, a flat
- 1010
- FlachrohrwärmetauscherFlat tube heat exchanger
- 1111
- Gehäusecasing
- 12, 1312, 13
- Verschlussdeckelcap
- 14, 1514, 15
- Rohrbödentube sheets
- 1616
- eingangsseitiger Sammelrauminput-side collecting space
- 1717
- RohrbündelraumTube bundle space
- 1818
- ausgangsseitiger Sammelraumoutput collecting space
- 1919
- eingangsseitiger Anschlussinput side connection
- 2020
- ausgangsseitiger Anschlussoutput side connection
- 2121
- Rohrbündeltube bundle
- 2222
- Flachrohrflat tube
- 2323
- Zentralachsecentral axis
- AA
- flacher Abschnitt des Flachrohrs 22flat portion of the flat tube 22nd
- BB
- runder Abschnitt des Flachrohrs 22Round portion of the flat tube 22nd
- CC
- RohbündeldickeRohbündeldicke
- 24, 2524, 25
-
Ende des Flachrohrs 22End of the
flat tube 22 - 26 - 2826 - 28
- Gassenstreets
- 2929
- QuerströmungszoneCross-flow zone
- 3030
- LängsströmungszoneLongitudinal flow zone
- 31, 3231, 32
- RohrbündelraumanschlüsseTube bundle Utilities
- 3333
- innere Gehäusewandinner housing wall
- 3434
- DehnungsausgleichselementExpansion compensating element
- 3535
- Vorsprüngeprojections
- 3636
- Brennerburner
- 3737
- Brennstoffkanalfuel channel
- 3838
- Brennraumcombustion chamber
- 3939
- Zündelektrodeignition electrode
- 4040
- Auskleidunglining
- 4141
- Ringkanalannular channel
- QuerströmungsrichtungCross-flow direction
Claims (15)
- Tubular heat exchanger (10), in particular for gaseous media,
with a closed housing (11, 12, 13), which on two opposing sides has two tube bottoms (14, 15), which in the housing (11, 12, 13) divide off a collecting chamber (16) on the inlet side, a tube bank chamber (17) and a collecting chamber (IS) on the outlet side, with a tube bank (21), which defines a tube bank longitudinal direction (23) and consists of tubes, which are arranged parallel to the tube bank longitudinal direction (23) and are fastened to the tube bottoms (14, 15) at corresponding openings, so that the tubes (22) communicate with the collecting chambers (16, 18),
wherein each collecting chamber (16, 18) is provided with at least one collecting chamber connection (19, 20) and the tube bank chamber (17) is provided with at least two tube bank chamber connections (31, 32) spaced from one another in tube bank longitudinal direction (23),
wherein the tube bank chamber (17) has three zones, namely two cross flow zones (29) configured at the tube bank chamber connections (31, 32) and a longitudinal flow zone (30) configured between these cross flow zones (29),
characterised in that the tube bank at least predominantly consists of straight flat tubes (22) with round or polygonal ends (B). - Tubular heat exchanger according to claim 1, characterised in that the cross flow zones (29) directly adjoin the two tube bottoms (14, 15).
- Tubular heat exchanger according to claim 1 or 2, characterised in that the flat tubes (22) respectively have a round, circular or polygonal cross-section in the cross flow zones (29) and a flat cross-section in the longitudinal flow zone (30).
- Tubular heat exchanger according to claim 3, characterised in that in the longitudinal flow zone (30) the flat tubes (22) have a flat cross-section with plane flanks.
- Tubular heat exchanger according to one or more of the preceding claims, characterised in that when the tube bank (21) has a cross dimension (C) in cross flow direction (Q) in the cross flow zone (29) and when the cross flow zone (29) has a length (B) in tube bank longitudinal direction (23), the length (B) amounts to at least 0.5-times the cross dimension (C).
- Tubular heat exchanger according to one or more of the preceding claims, characterised in that the housing (11, 12, 13) has an inside wall (33) closed in a ring shape in cross-section and an outside wall (11) likewise closed in a ring shape on cross-section.
- Tubular heat exchanger according to claim 6, characterised in that the inside wall (33) encloses a heat source (36).
- Tubular heat exchanger according to claim 6, characterised in that the flat tubes (22) are arranged in concentric circles.
- Tubular heat exchanger according to claim 8, characterised in that distances to be measured in circumferential direction are smaller than the gap width of the flat tube sections (A).
- Tubular heat exchanger according to one or more of the preceding claims, characterised in that cross flow channels (26, 27, 28) are configured between the round ends of the flat tubes.
- Tubular heat exchanger according to claim 6, characterised in that the tube bank chamber connections (31, 32) are arranged to pass through the tube bottom (1.4, 15).
- Tubular heat exchanger according to one or more of the preceding claims, characterised in that the flat tubes (22) are provided with spacer structures (35).
- Tubular heat exchanger according to one or more of the preceding claims, characterised in that at least some of the flat tubes (22) are provided with turbulence-generating structures (35).
- Tubular heat exchanger according to one or more of the preceding claims, characterised in that the housing (11, 12, 13) is provided with at least one extension compensating element (34).
- Tubular heat exchanger according to one or more of the preceding claims, characterised in that a catalyst is arranged in the tube bank chamber (17).
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