EP3546873A1

EP3546873A1 - Radial-kreuzstrom-wärmeübertrager

Info

Publication number: EP3546873A1
Application number: EP18165093.8A
Authority: EP
Inventors: Falco KLAUS; Max RÜBSAM; Christoph Moos; Martin PITZER; Reinhold Altensen; Felix HOLY
Original assignee: Technische Hochshule Mittelhessen; Technische Hochschule Mittelhessen
Current assignee: Technische Hochshule Mittelhessen; Technische Hochschule Mittelhessen
Priority date: 2018-03-29
Filing date: 2018-03-29
Publication date: 2019-10-02

Abstract

Die Erfindung betrifft einen für den Hochtemperaturbereich bis 1100 °C geeigneten Wärmeübertrager, der eine effiziente Wärmeübertragung zwischen zwei in räumlich getrennten, konzentrisch angeordneten Kammern strömenden Fluiden gewährleistet, wobei zumindest die innere Kammer eine große Abmessung bis hin zu mehreren Metern quer zur Strömungsrichtung des in dieser Kammer strömenden Fluids aufweist.

Description

Gebiet der Erfindung

Das Gebiet der Erfindung betrifft die erneuerbaren Energien, insbesondere die Effizienzsteigerung bei der Gewinnung von erneuerbaren Energien durch die Verringerung der Abgabe von Prozessabwärme an die Umgebung.

Stand der Technik

Konventionelle Kraftwerke, basierend auf den fossilen Energieträgern Kohle, Erdöl, Erdgas und Kernbrennstoff, entlassen die bei ihrem Betrieb entstehende Prozessabwärme in der Regel ungenutzt über Kühltürme in die Umgebung. Sie erreichen daher nur Wirkungsgrade von unter 40 %, ältere Kohlekraftwerke sogar unter 20 %.
Der weltweit notwendige Übergang zu einer emissionsfreien Energiewirtschaft erfordert nicht nur den Übergang zu erneuerbaren Energieträgern (Solarwärme, Biogas, Stroh, Holz), sondern auch eine Effizienz-Revolution: Der Wirkungsgrad von Kraftwerken, die auf erneuerbaren Energieträgern basieren, muss im Vergleich zu konventionellen Kraftwerken drastisch gesteigert werden. Dazu müssen die Prozesse bei höheren Temperaturen, d. h. im Hochtemperatur(HT)-Bereich (> 800 °C, bevorzugt bis 1100 °C), und mit großen Temperaturdifferenzen geführt werden, entstehende Prozessabwärme muss optimal genutzt werden. Dynamische Speicher für große Mengen erneuerbarer Energie sind erforderlich, wobei neben den begrenzt verfügbaren mechanischen (z. B. Pumpspeicherwerke, Druckluftspeicher) und chemischen Speichern (kostenintensive Batterien) auch Speicher für thermische Energie benötigt werden, die zur Rückführung dieser thermischen Energie in Kraftwerksprozesse geeignet sind.
Für die dabei zu gewährleistende Energieübertragung zwischen verschiedenen Medien sind effiziente, langlebige und robuste Wärmeübertrager (WÜ), dem Fachmann auch unter dem Begriff Wärmetauscher bekannt, erforderlich.
In Wärmeübertragern strömen zwei Fluide F1, F2 mit unterschiedlicher Anfangstemperatur in direkt benachbarten Kammern, die durch eine hochwärmeleitende Trennwand, z. B. eine metallische Trennwand, getrennt sind. Dabei wird Wärmeenergie von dem Fluid höherer Temperatur über die hochwärmeleitfähige Trennwand auf das Fluid niedrigerer Temperatur übertragen. Der Begriff "Fluid" umfasst in dieser Anmeldung Gase, Flüssigkeiten und überkritische Medien.
Dem Fachmann sind WÜ in einer Vielzahl von Bauweisen bekannt, z. B. Rohrbündel-WÜ, Platten-WÜ, Spiral-WÜ, Doppelrohr-WÜ. Die Komponenten dieser in der Regel aus metallischen Werkstoffen bestehenden WÜ werden konstruktionsbedingt ungleichmäßig thermisch belastet. Daraus resultieren thermische Spannungen, die ihre obere Einsatztemperatur auf unter 800 °C begrenzen, sodass sie nicht für den HT-Bereich geeignet sind.
Für den HT-Bereich sind derzeit nur WÜ bekannt, die in komplexer Bauweise nichtmetallische Bauteile, z. B. aus keramischen und/oder Glasfaser-Werkstoffen, und metallische Bauteile kombinieren. Diese Hochtemperatur-Wärmeübertrager (HT-WÜ) weisen im Regelbetrieb eine hohe Ausfallquote aufgrund von Schäden durch thermische Spannungen auf. Zudem haben keramische und Glasfaser-Werkstoffe in der Regel eine im Vergleich zu Metallen geringe Wärmeleitfähigkeit, was für den Einsatz als Wärmeübertrager nachteilig ist. Spezialkeramiken mit hoher Wärmeleitfähigkeit, z. B. auf Basis von SiC und AIN, sind verfügbar, aber sehr teuer. Ferner ist die Bearbeitung dieser Werkstoffe im Vergleich zu Metallen wesentlich aufwendiger. Ihre Verwendung ist daher unwirtschaftlich.
Die Effizienz der Wärmeübertragung wird außerdem durch die Abmessungen der Kammern, in denen die Fluide F1 und F2 unterschiedlicher Temperaturen T ₁ und T ₂ strömen, begrenzt, insbesondere wenn eine laminare oder nahezu laminare Strömung vorliegt. Da nämlich Fluide in der Regel eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, erfolgt nur eine langsame Wärmeübertragung quer zur Strömungsrichtung. Bei bekannten Doppelrohr-WÜ, aufweisend ein Innenrohr und ein konzentrisch dazu verlaufendes Außenrohr, führt das im Fall T ₁ < T ₂ dazu, dass das im Innenrohr strömende Fluid (Fluid F2) zwar Wärmeenergie aus seinen äußeren, zur hochwärmeleitfähigen Trennwand benachbarten, Schichten effizient auf das jenseits der Trennwand strömende Fluid (Fluid F1) überträgt, dass aber nur langsam Wärmeenergie aus den Bereichen nahe der Rohrachse nachströmt. Entsprechendes gilt auch für einen umgekehrten Wärmestrom, d. h. den Fall T ₁ > T ₂. Damit ein solcher Doppelrohr-WÜ effizient arbeitet, muss er geringe Rohrdurchmesser in der Größenordnung von 1 cm aufweisen.
In industriellen Prozessen kommen jedoch Prozesskammern mit großen Durchmessern zum Einsatz, in Wärmekraftwerken z. B. Brennkammern mit einem unmittelbar damit verbundenen, darüber angeordneten Abzugsschacht, in chemischen Betrieben z. B. mit Über- oder Unterdruck beaufschlagte Reaktionskammern, die mit einem geschlossenen Rohrleitungssystem verbunden sind. Eine effiziente Übertragung von Wärmeenergie aus einem in der Prozesskammer annähernd laminar strömenden Fluid F2 an ein Fluid F1, nachfolgend wieder erläutert für T ₁ < T ₂, das in einer die Prozesskammer umgebenden, zylinderringartigen Kammer strömt, ist nicht möglich. Anstelle eines erwünschten homogenen Temperaturfeldes (annähernd konstante Temperatur auf (gedachten) Schnittflächen quer zur Strömungsrichtung) baut sich ein Temperaturgefälle auf mit maximaler Temperatur im Bereich der Achse der Prozesskammer. Entsprechend baut sich im Falle T ₁ > T ₂ ein Temperaturgefälle mit minimaler Temperatur im Bereich der Achse der Prozesskammer auf. Es wäre denkbar, die Wärmeübertragung durch Konvektion zu verstärken, indem das Fluid F2 in Turbulenz versetzt wird, jedoch wäre das energieaufwendig und damit unwirtschaftlich.
Es ist aus dem Stand der Technik kein WÜ bekannt, der eine effiziente Wärmeübertragung aus dem gesamten Volumen eines in einer rohrförmigen inneren Kammer mit großem Durchmesser strömenden Fluids F2 an ein Fluid F1, das in einer die innere Kammer zylinderringartig umgebenden äußeren Kammer strömt, gewährleistet. Als große Durchmesser werden in dieser Anmeldung Durchmesser ab ca. 10 cm bis hin zu mehreren Metern definiert.

Aufgabe der Erfindung

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen HT-WÜ bereitzustellen, der eine einfache Konstruktion aufweist, eine effiziente Wärmeübertragung (hohe Wärmestromdichte) zwischen zwei in räumlich getrennten Kammern strömenden Fluiden F1 und F2 gewährleistet, wobei mindestens eine der Kammern eine große Abmessung (ca. 10 cm oder größer) quer zur Strömungsrichtung aufweist, der für den Betrieb im HT-Bereich bis 1100 °C geeignet ist und dabei eine hohe Robustheit, Zyklenfestigkeit (Temperaturwechselbeständigkeit) und Lebensdauer aufweist. Der HT-WÜ soll für industrielle Anlagen, insb. Kraftwerksanlagen und chemische Reaktoren, geeignet sein. Er soll aus Werkstoffen aufgebaut sein, deren Kosten für den jeweiligen Anwendungsfall vertretbar sind.

Erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe

Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch einen Radial-Kreuzstrom-Wärmeübertrager (R-KS-WÜ) mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und den zugehörigen Unteransprüchen, durch seine besonderen Ausführungsformen als integrierter Wärmeübertrager und als Stand-Alone-Wärmeübertrager mit den Merkmalen der Ansprüche 7 bis 9 sowie durch eine modulare Wärmeübertrager-Einheit mit den Merkmalen des Anspruchs 10.

Detaillierte Beschreibung der erfindungsgemäßen Lösung

Aufbau des R-KS-WÜ

Der erfindungsgemäße R-KS-WÜ 10 ist in Fig. 1 schematisch in isometrischer Projektion gemäß DIN ISO 5456-3 und in Fig. 2a-c in Seitenansicht dargestellt, wobei Fig. 2a die Komponenten, Fig. 2b und 2c die Bemaßungen wiedergeben. Er weist ein Außenrohr AR auf, das in Form eines Zylindermantels ausgeführt ist und dessen Durchmesser D, wie in Ausführungsbeispiel 1 erläutert wird, entsprechend der Geometrie einer Anlage, in welcher der R-KS-WÜ installiert und verwendet werden soll, gewählt wird. Der bevorzugte Durchmesser D des Außenrohrs AR liegt im Bereich 0,3 m ≤ D ≤ 2,0 m, wenn der R-KS-WÜ als Stand-Alone-Wärmeübertrager (SA-WÜ) ausgeführt ist, und im Bereich 1,5 m ≤ D ≤ 10 m, wenn der R-KS-WÜ als integrierter Wärmeübertrager (I-WÜ) ausgeführt ist. Bevorzugt ist der Bereich 2,5 m ≤ D ≤ 4 m. Die Höhe H des Außenrohrs AR ist aus dem Bereich 0,4 D ≤ H ≤ 1,8 D zu wählen.
Das Außenrohr AR der Höhe H weist zwei Abschnitte gleicher Höhe H/2 auf, die nachfolgend als Außenringe AR₁ und AR₂ bezeichnet werden. Eine Aufteilung in Abschnitte unterschiedlicher Höhen H ₁ , H ₂ mit H ₁ + H ₂ = H wäre möglich, ist jedoch unzweckmäßig und wird nicht näher beschrieben.
Die Außenringe AR₁ und AR₂ weisen jeweils eine Reihe R₁ bzw. R₂ mit mehreren schlitzförmigen Öffnungen S_A1 bzw. S_A2 der Länge L ₁ bzw. L ₂ auf, die bis in die Nähe der Oberkante und der Unterkante der Außenringe reichen. Bevorzugt sind wiederum gleiche Längen L ₁ = L ₂ = L und gleichgroße Abstände a von der Ober- und Unterkante der Außenringe. Die Öffnungen S₁, S₂ können insbesondere die Form eines langgestreckten Rechtecks haben oder aber als Langlöcher, bei denen die Schmalseiten des Rechtecks durch Halbkreise ersetzt sind, ausgeführt sein. Ein erstes Fluid F1 ist über die Öffnungen S_A1 zuführbar und über die Öffnungen S_A2 abführbar. Vorzugsweise sind die Öffnungen S_A1, S_A2 äquidistant über den Umfang der Außenringe AR₁, AR₂ verteilt, weisen also, von der Zylinderachse aus gesehen, äquidistante Winkelabstände auf. Variable Winkelabstände wären möglich, verkomplizieren den Aufbau aber unnötig und beeinträchtigen im Betrieb des R-KS-WÜ auch die Homogenität des Strömungsprofils eines in Achsrichtung strömenden zweiten Fluids F2. Vorzugsweise weisen beide Außenringe auch dieselbe Anzahl N, Form und Anordnung der Öffnungen S_A1, S_A2 auf, sodass sie komplett identisch ausgeführt sind. Dabei können zwei Öffnungen S_A1 und S_A2 genau nebeneinander stehen, sie können aber auch, wie in Fig. 1 beispielhaft dargestellt, einen beliebigen Versatz < πD/N relativ zueinander aufweisen.
Auf der Außenseite des Außenrohrs AR sind, wie in Fig. 2a und 2b erkennbar, Umlenkrippen ULR aufgesetzt, die dazu dienen, das parallel zur Achse A des R-KS-WÜ zuströmende erste Fluid F1 den Öffnungen S_A1 zuzulenken und das aus den Öffnungen S_A2 ausströmende erste Fluid F1 wieder in eine Richtung parallel zur Achse A des R-KS-WÜ zurückzulenken. Die Umlenkrippen ULR haben somit die Funktion von Leitschaufeln.
Ferner weist der R-KS-WÜ eine zylindrisch, also rohrförmig, ausgeführte Umlenkkammer U mit dem Durchmesser d auf. Der Durchmesser d der Umlenkkammer ist kleiner, als der Durchmesser D des Außenrohrs AR. Sie befindet sich, wie Fig. 1 zeigt, im Inneren des Außenrohres AR und ist konzentrisch zu diesem gelagert, sodass die Anordnung eine Symmetrieachse, nachfolgend als Achse A bezeichnet, erhält. Der Durchmesser d der Umlenkkammer ist aus dem Bereich (D - 0,7 m) ≤ d ≤ (D - 0,2 m) zu wählen.
Die Umlenkkammer U ist im Gegensatz zum Außenrohr AR nicht als Zylindermantel, sondern als beidseitig geschlossener Hohlzylinder mit einem Zylindermantel Z_U und Verschlüssen G_U an seiner Grundfläche und D_U an seiner Deckfläche ausgeführt. In Fig. 2a ist die verdeckte Umlenkkammer U mit den Verschlüssen G_U und D_U durch eine Strichpunktlinie gekennzeichnet. Die Höhe dieser Anordnung (Umlenkkammer U mit den Verschlüssen G_U und D_U) entspricht der Höhe H des Außenrohrs AR. (In Fig. 1 ist der Verschluss G_U weggelassen, um in das Innere der Umlenkkammer U blicken zu können.) Die Verschlüsse können in Form von kreisförmigen Platten, z. B. als Blindflansche, ausgeführt sein. Es ist vorteilhaft, den Verschlüssen statt einer ebenen Form eine strömungsdynamisch günstige Form zu geben, sie also statt als Platten als nach außen gewölbte Paraboloide auszuführen. Der Zylindermantel Z_U ist mit zwei Reihen von schlitzförmigen Öffnungen S_U1, S_U2 ausgestattet, die dieselbe Länge L und, bezogen auf die Achse A der Umlenkkammer U, dieselben Winkelabstände wie die Öffnungen S_A1, S_A2 der Außenringe AR₁ und AR₂ haben. Die beiden Reihen der Öffnungen S_U1, S_U2 verlaufen parallel zueinander in einem Abstand von 2a. Ihr Abstand zur Grund- bzw. Deckfläche der Umlenkkammer U beträgt jeweils a. Die Breite B _U dieser Öffnungen wird durch ihre Anzahl N und durch den Umfang πd der Umlenkkammer U bestimmt. Aus Gründen der mechanischen Stabilität soll die summierte Breite aller Öffnungen nur den halben Umfang der Umlenkkammer U erreichen. Somit ergibt sich für die Breite B _U der Öffnungen S_U1, S_U2 ein oberer Grenzwert B _U = πd/2N. Kleinere Breiten sind möglich, sollten jedoch nicht unterhalb von B _U = πd/4N liegen.
Die Umlenkkammer U ist so im Inneren der Anordnung mit den Außenringen AR₁ und AR₂ positioniert, dass sich die erste Reihe ihrer Öffnungen S_U1 in einer Ebene, d. h. auf gleicher Höhe, mit den Öffnungen S_A1 des ersten Außenrings AR₁, die zweite Reihe ihrer Öffnungen S_U2 in einer Ebene, d. h. auf gleicher Höhe, mit den Öffnungen S_A2 des zweiten Außenrings AR₂ befindet. Vorzugsweise sind die Öffnungen S_U1, S_U2 in beiden Reihen äquidistant über den Umfang der Umlenkkammer U verteilt.
Jede Öffnung S_U1 wird über ein als Hohlkörper ausgebildetes Wärmeübertrager-Element (nachfolgend: WÜ-Element) WE₁ mit einer Öffnung S_A1 verbunden. Ebenso wird jede Öffnung S_U2 über ein als Hohlkörper ausgebildetes WÜ-Element WE₂ mit einer Öffnung S_A2 verbunden. Dazu wird das WÜ-Element WE₁ bzw. WE₂ als Hohlkörper ausgeführt, dessen innere Abmessungen an die Abmessungen der Öffnungen S_A1, S_A2, S_U1, S_U2 angepasst sind. Die Länge des Querschnitts der WÜ-Elemente stimmt mit der Länge L dieser Öffnungen überein. Die Breite B _WE ihres Querschnitts wird aus dem Bereich 3 mm ≤ B _WE ≤ 20 mm gewählt. Dabei ist es möglich, die Breite B _WE des Querschnitts auf der Länge des WÜ-Elements zu verändern. Aus Platzgründen sollte das WÜ-Element nahe der Umlenkkammer U einen Querschnitt mit geringer Breite B _WE aufweisen, welcher mit wachsender Entfernung von der Umlenkkammer U, d. h. nach außen hin, vergrößert werden kann. Die Form des Querschnitts wird dabei von einem langgestreckten Rechteck mit ggf. abgerundeten Ecken in ein Oval oder einen Kreis erweitert. Die Wandstärke der WÜ-Elemente liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 0,5 mm und 2,5 mm. Den genauen Wert für die Wandstärke wählt der Fachmann anhand der im Betrieb des R-KS-WÜ zu erwartenden Druckdifferenzen zwischen den Fluiden F1 und F2 aus.
Die Wände des Außenrohrs AR und der Umlenkkammer sind gegenüber den Wänden der WÜ-Elemente weniger stark an der Wärmeübertragung beteiligt und können deshalb mit höherer Wandstärke ausgeführt werden. Vorzugsweise liegen die Wandstärken des Außenrohres AR und der Umlenkkammer U im Bereich zwischen 1 mm und 5 mm. Auch hier wählt der Fachmann den genauen Wert anhand der zu erwartenden Betriebsbedingungen, insbesondere der zu erwartenden Druckdifferenzen und Temperaturen, aus.
Für eine effiziente Wärmeübertragung sind möglichst geringe Wandstärken für die WÜ-Elemente zu wählen. Das Außenrohr AR und die Umlenkkammer U sind nicht so stark an der Wärmeübertragung beteiligt und können deshalb mit höherer Wandstärke versehen werden.
Die bandförmigen WÜ-Elemente können auf dem kürzestem Weg, also geradlinig, von einer Öffnung S_U1 bzw. S_U2 zur nächstliegenden Öffnung S_A1 bzw. S_A2 geführt werden. Bevorzugt sind sie aber schaufelförmig gebogen und werden zu einer auf dem Außenring versetzten Öffnung S_A1 bzw. S_A2 geführt. Die Vorteile dieser schaufelförmigen Ausführung werden in Ausführungsbeispiel 1, Abschnitt 1b), erläutert. Die schaufelförmige Biegung der WÜ-Elemente folgt einem Kreisbogen. Er beschreibt einen Teilkreis, dessen Größe ρ aus dem Bereich 100° bis 200° zu wählen ist. Der Schaufeldurchmesser S, definiert durch den Durchmesser des Kreises, zu dem der vom Schaufelquerschnitt beschriebene Kreisbogen gehört, wird aus dem Bereich 0,6·(D - d) ≤ S ≤ 0,9·(D - d) gewählt. Anstelle eines Kreisbogens kann auch eine von der Kreisform abweichende Geometrie gewählt werden, z.B. kann eine spiralförmige Biegung der WÜ-Elemente erfolgen. Die durch die WÜ-Elemente WE₁, WE₂ übertragene Wärmemenge kann erhöht werden, wenn die WÜ-Elemente als Flossenrohre ausgeführt werden, d. h. flossenähnliche flächige Strukturen außen auf die WÜ-Elemente WE₁, WE₂ aufgesetzt werden. Flossenrohre sind dem Fachmann bekannt. Eine weitere, bevorzugte, Möglichkeit, die übertragene Wärmemenge zu erhöhen, besteht in der Verwendung von Rippenelementen, z. B. Wellrippen, die zwischen benachbarten WÜ-Elementen WE₁ und/oder WE₂ eingebaut werden. Geeignet sind auch sogenannte Lamellengitter, die sich kreuzende Rippenelemente aufweisen. Der Einbau von Rippenelementen wird in Ausführungsbeispiel 1, Abschnitt 1b), näher erläutert.
Fig. 3, eine Frontansicht auf den Außenring AR₁ mit den WÜ-Elementen WE₁, zeigt für ein ausgewähltes kreisbogenförmiges WÜ-Element WE₁* den zugehörigen Schaufeldurchmesser 5 und den Teilkreis ρ sowie beispielhaft eine einzelne Wellrippe WR. Die senkrecht zur Zeichenebene gerichtete Achse A ist durch einen Punkt symbolisiert.
Die Anzahl N der schaufelförmigen WÜ-Elemente, die mit einem Außenring zu verbinden sind, wird durch den Durchmesser d der Umlenkkammer U begrenzt. Sie ist aus dem Bereich 50·d/[m] ≤ N ≤ 150·d/[m] zu wählen, wobei für d die Angabe in Metern einzusetzen ist. An den Außenring AR₁ werden somit N WÜ-Elemente WE₁ und an den Außenring AR₂ N WÜ-Elemente WE₂ angeschlossen. Dadurch wird ein erster Strömungsweg von den Öffnungen S_A1 des ersten Außenrings AR₁ durch die WÜ-Elemente WE₁, die erste Reihe der Öffnungen S_U1 der Umlenkkammer U, die Umlenkkammer U, die zweite Reihe der Öffnungen S_U2 der Umlenkkammer, die WÜ-Elemente WE₂ zu den Öffnungen S_A2 des zweiten Außenrings AR₂ gebildet, in welchem das erste Fluid F1 strömbar ist.
Die schaufelförmigen WÜ-Elemente WE₁ und WE₂ können in die gleiche Richtung gebogen sein, sie können aber, in einer bevorzugten Ausführungsform, auch in entgegengesetzte Richtungen gebogen sein. Bei Biegung in entgegengesetzte Richtungen wird eine günstigere Strömungsführung erzielt, da der Drall der Strömung, bezogen auf das Außenrohr AR und die Umlenkkammer U, beibehalten wird. Die schaufelförmige Ausführung der WÜ-Elemente WE₁ und WE₂ hat mehrere technische vorteilhafte Wirkungen, die in Ausführungsbeispiel 1, Abschnitt 1b), näher erläutert werden.
Durch das Außenrohr AR wird ein zweiter Strömungsweg, in welchem das zweite Fluid F2 strömbar ist, vorgegeben, welcher parallel zur gemeinsamen Achse des Außenrohrs AR und der konzentrisch positionierten Umlenkkammer U durch die Zwischenräume zwischen den WÜ-Elementen WE₁ und WE₂ verläuft und durch die Innenwand des Außenrohrs AR begrenzt ist.
Ein solcher abgegrenzter Strömungsweg muss auch für die Zuleitung und Ableitung des ersten Fluids F1 bereitgestellt werden. Dazu ist es erforderlich, ein Hüllrohr HR mit einem Durchmesser D _HR bereitzustellen, der größer ist als der Durchmesser D des Außenrohrs AR. Bevorzugt wird der Hüllrohrdurchmesser D _HR aus dem Intervall 1,05 D < D _HR < 1,3 D gewählt. Das Hüllrohr HR und das Außenrohr AR begrenzen dann einen zylinderringartigen Raum mit einem kreisringförmigen Querschnitt. Dieser zylinderringförmige Raum, nachfolgend als Außenhülle AH bezeichnet, bildet den Strömungsweg für die Zuleitung und Ableitung des ersten Fluids F1.
Zwei wesentlich verschiedene Ausführungsformen sind zu unterscheiden:

1. Der R-KS-WÜ wird mit einer technischen Anlage verbunden, die eine zylindrische Wand aufweist. Dazu wird der Durchmesser seines Außenrohres AR so gewählt, das er mit dem Durchmesser der zylindrischen Wand übereinstimmt. Das Außenrohr AR wird, z. B. über eine Flanschverbindung, dicht mit der zylindrischen Wand verbunden, sodass es diese verlängert. Der verlängerte Bereich kann mit einem R-KS-WÜ oder einer Reihenschaltung aus mehreren R-KS-WÜ ausgestattet werden. Um einen räumlich begrenzten Strömungsweg für das erste Fluid F1 zu schaffen, wird ein zur zylindrischen Wand konzentrisches Hüllrohr HR bereitgestellt, das eine gemeinsame zweite, äußere Wand für die Anlage und für den verlängerten Bereich mit dem R-KS-WÜ bzw. der Reihenschaltung aus mehreren R-KS-WÜ bildet. Solche mit einer bestehenden Anlage verbundenen R-KS-WÜ werden nachfolgend als integrierte Wärmeübertrager (I-WÜ) bezeichnet und in Ausführungsbeispiel 1 detailliert beschrieben.
2. Der R-KS-WÜ wird als anlagenunabhängiger Wärmeüberträger mit einem Außenrohr AR und einem Hüllrohr HR ausgestattet. Ein solcher R-KS-WÜ, der nicht in eine bestehende Anlage integriert ist, wird nachfolgend als Stand-Alone-Wärmeübertrager (SA-WÜ) bezeichnet und in Ausführungsbeispiel 2 detailliert beschrieben. Er kann für einen Volumenstromdurchsatz von 200 Nm³/h bis 2500 Nm³/h, bevorzugt ca. 1.000 Nm³/h (Normkubikmeter pro Stunde) ausgelegt werden.

Es ist stets möglich, eine Reihenschaltung aus mehreren R-KS-WÜ zu realisieren. Sie kann aus mehreren I-WÜ als auch aus mehreren SA-WÜ aufgebaut sein. Eine solche Reihenschaltung wird nachfolgend als modulare Wärmeübertrager-Einheit bezeichnet. Im Falle des SA-WÜ ist es auch möglich, eine modulare Wärmeübertrager-Einheit als Parallelschaltung aus mehreren SA-WÜ zu realisieren, wodurch sich der Volumenstromdurchsatz entsprechend der Anzahl der SA-WÜ vervielfacht.
Fig. 4 zeigt in einer vereinfachten schematischen Darstellung einen Schnitt durch einen R-KS-WÜ gemäß Fig. 2a, der von einer durch ein Hüllrohr HR begrenzten zylinderringartigen Außenhülle AH umgeben ist. Die nicht dargestellte Symmetrieachse A liegt in der Schnittebene und verläuft entlang der Achse der Umlenkkammer U. Grund- und Deckfläche der Umlenkkammer U sind vollständig (nicht als Schnitt) dargestellt. Eine vom Außenrohr AR bis zum Hüllrohr HR reichende Trennvorrichtung TV teilt die Außenhülle AH in einen ersten Bereich 20, in dem die Zuführung des ersten Fluids F1 zu den WÜ-Elementen WE₁ erfolgt und in einen zweiten Bereich 22, in dem die Abführung des ersten Fluids F1 von den WÜ-Elementen WE₂ erfolgt. Der Strömungsweg des ersten Fluids F1 ist durch Pfeile markiert. Die schaufelförmigen WÜ-Elemente WE₁, WE₂ sind vereinfacht durch jeweils zwei ebene Verbindungen symbolisiert. Die Trennvorrichtung TV trennt die zylinderringartige Außenhülle AH in zwei Abschnitte 20 und 22. Ein der Außenhülle zugeführtes erstes Fluid F1 strömt vom Abschnitt 20 der Außenhülle AH durch die WÜ-Elemente WE₁ zur Umlenkkammer U, durchströmt diese und strömt durch die WÜ-Elemente WE₂ zum Abschnitt 22 der Außenhülle AH. In den Bereichen 20 und 22 der Außenhülle AH wird das erste Fluid F1 mithilfe der aus Fig. 2a und 2b bekannten (in Fig. 4 aus zeichentechnischen Gründen nicht dargestellten) Umlenkrippen geführt, welche das erste Fluid F1 im Abschnitt 20 in Richtung der Öffnungen S_A1 lenken und im Abschnitt 22 von den Öffnungen S_A2 in die ursprüngliche Richtung zurücklenken. Die Umlenkrippen sind auf dem Außenrohr AR aufgesetzt und sind so hoch ausgeführt, dass sie bis in die Nähe des Hüllrohrs HR reichen. Vorzugsweise liegen sie mit ihren oberen Kanten am Hüllrohr HR an, wobei aber keine absolut dichte Verbindung zwischen dem Hüllrohr und den Umlenkrippen, die z. B. durch Verschweißen herstellbar wäre, erforderlich ist. Es kann auch ein Zwischenraum von 0,5 mm bis 5 mm zwischen den oberen Kanten der Umlenkbleche und dem Hüllrohr verbleiben.
Wie in Fig. 4 durch die waagerechten gestrichelten Linien, welche das Hüllrohr HR und das Außenrohr AR verlängern, angedeutet, ist es möglich, die Außenhülle AH über ihren gesamten kreisringförmigen Querschnitt beliebig weit fortzusetzen, um einen I-WÜ und/oder eine Reihenschaltung von I-WÜ zu realisieren. Ferner ist es möglich, ausgehend von einzelnen Abschnitten der Außenhülle AH eine oder mehrere Rohrverbindungen wegzuführen, um einen SA-WÜ oder eine Reihenschaltung von SA-WÜ zu realisieren. Die Zuführung und Abführung des ersten Fluids F1 erfolgt in beiden Fällen parallel zur Achse der Anordnung. Vor und hinter der Trennvorrichtung TV erfolgt dabei, unterstützt durch die aus Fig. 2a, b bekannten, in Fig. 4 nicht dargestellten Umlenkrippen, eine Umlenkung der Strömung um 90°, um das erste Fluid F1 den WÜ-Elementen WE₁ zuzuführen bzw. es von den WÜ-Elementen WE₂ abzuführen. Diese Umlenkungen bremsen die Strömung ab, führen zur Bildung von Wirbeln und tragen Turbulenzen in das laminare Strömungsprofil des ersten Fluids F1 ein.
Fig. 5 zeigt in schematischer Darstellung eine verbesserte Ausführungsform eines SA-WÜ, die diese nachteiligen Effekte vermeidet. Sie unterscheidet sich von der Ausführungsform in Fig. 4 dadurch, dass die Öffnungen der Außenhülle AH, welche die Zu- und Abführung des ersten Fluids F1 parallel zur Achse A der Anordnung gewährleisten, durch Verschlüsse 24 verschlossen werden. Sie werden ersetzt durch Öffnungen 26 im Hüllrohr HR, die den Anschluss von Rohren ermöglichen, über die das erste Fluid F1 senkrecht zur Achse der Anordnung zuführbar ist. Es können mehrere solche Anschlussmöglichkeiten für die Zuführung als auch für die Abführung des ersten Fluids F1 bereitgestellt werden, die über den Umfang des Hüllrohrs HR verteilt sind, vorzugsweise in gleichmäßigen Winkelabständen. Bevorzugt werden die Rohranschlüsse geneigt ausgeführt, sodass eine tangentiale Zuführung des ersten Fluids F1 in die Außenhülle AH erfolgt, wodurch eine zirkulare Strömung in der Außenhülle erzeugt wird. Die Neigungsrichtung der Rohranschlüsse, die den Drehsinn der zirkularen Strömung bestimmt, wird so gewählt, dass sie dem Drehsinn der an das Außenrohr AR angeschlossenen WÜ-Elemente WE₁ und WE₂ entspricht. Somit wird das erste Fluid F1 nahezu geradlinig in die von den WÜ-Elementen WE₁ gebildeten N Kanäle hineingeführt und nahezu geradlinig aus den von den WÜ-Elementen WE₂ gebildeten N Kanälen herausgeführt. Die in der Anordnung gemäß Fig. 4 notwendigen nachteiligen Umlenkungen der Strömung des ersten Fluids F1 um jeweils 90° bei der Zuführung zu den WÜ-Elementen WE₁ und der Abführung von den WÜ-Elementen WE₂ und deren nachteilige Wirkungen werden somit vermieden. Die Anzahl der Öffnungen 26 für Rohranschlüsse zur Zuführung und zur Abführung des ersten Fluids F1 kann jeweils zwischen 1 und N gewählt werden. Im Falle von N Öffnungen 26 wird somit jedem WÜ-Element ein Anschluss zugeordnet. Bevorzugt sind jeweils 2 bis 6 Öffnungen 26 zur Zu- und Abführung des ersten Fluids F1. Weitere Erläuterungen dazu werden in Ausführungsbeispiel 2 in Verbindung mit Fig. 11 gegeben.
Fig. 4 und 5 zeigen auch die Position eines Verbindungselements VE in der Umlenkkammer U. Dieses Verbindungselement wird in Ausführungsbeispiel 1, Abschnitt 1b), näher erläutert, ebenso werden dort die Bedingungen genannt, unter denen es erforderlich bzw. verzichtbar ist.
Alle Komponenten des R-KS-WÜ werden aus HT-festen Materialien gefertigt. Aus Kostengründen sind HT-feste Metalle bevorzugt, insbesondere hitzebeständiger Stahl. Geeignet ist z. B. Stahl der Sorte 1.4841 (gemäß Norm EN 10095), der eine hohe Oxidations- und chemische Beständigkeit bei Temperaturen bis 1100 °C aufweist (Quelle: https://www.stahl-markt.de/download/datenblatt%204841.pdf.pdf, abgerufen am 28.03.2018). Zumindest die WÜ-Elemente WE₁ und WE₂ müssen neben ihrer HT-Festigkeit auch hohe Wärmeströme leiten können. Dazu sind sie dünnwandig und/oder aus hochwärmeleitfähigem Material auszuführen. Eine dünnwandige Ausführung mit Wandstärken von ca. 0,5 mm ist möglich, wenn der R-KS-WÜ im Betrieb nur geringen Druckdifferenzen von 0 bar bis 3 bar (300 kPa) ausgesetzt wird. Sind im Betrieb größere Druckdifferenzen zu erwarten, kann es erforderlich sein, anstelle von hitzebeständigem Stahl, der eine mittlere Wärmeleitfähigkeit λ aufweist (für Stahlsorte 1.4841 It. o. g. Datenblatt:
λ = 15 W/m·K bei 20 °C, λ = 19 W/m·K bei 500 °C), ein Material hoher Wärmeleitfähigkeit zu wählen. Unter hoher Wärmeleitfähigkeit wird in dieser Anmeldung eine Wärmeleitfähigkeit λ ≥ 100 W/m·K verstanden. Geeignet sind hierfür Refraktärmetalle, insbesondere Wolfram (λ = 167 W/m·K bei 20 °C, λ = 111 W/m·K bei 1000 °C) und Molybdän (λ = 142 W/m·K bei 20 °C, λ = 105 W/m·K bei 1000 °C), die gegenüber Stahl zudem eine höhere Hitze- und Korrosionsbeständigkeit aufweisen (Quelle: WHS Sondermetalle e. K., https://www.whs-sondermetalle.de/de/werkstoffe/refraktaermetalle.html, abgerufen am 24.01.2018), ebenso auch MoW-Legierungen.
Ferner geeignet sind Nickellegierungen, Spezialkeramiken mit hoher Wärmeleitfähigkeit, z. B. auf Basis von SiC und AIN, sowie Verbundwerkstoffe.
Der Fachmann ist in der Lage, für seinen konkreten Anwendungsfall die erforderliche Wandstärke der WÜ-Elemente zu berechnen und daraus die notwendige Materialmenge und deren Kosten zu ermitteln. Er kann somit beurteilen, ob sich die Verwendung dieser im Vergleich zu Stahl teureren Materialien über die gesamte, mehrjährige, Einsatzdauer des R-KS-WÜ amortisieren wird.
Der erfindungsgemäße R-KS-WÜ erlaubt es aufgrund seiner einfachen radialsymmetrischen Konstruktion, durch welche die prozessbedingten Druck- und Temperaturbelastungen gleichmäßig auf die radialsymmetrisch angeordneten Komponenten, insbesondere die WÜ-Elemente WE₁, WE₂ verteilt werden, auch schwierige Prozessbedingungen zu beherrschen.
Die Strömungswege der eingesetzten Fluide F1 und F2 können eine räumliche Verbindung miteinander aufweisen, die einen Massenstrom des ersten Fluids F1 in den Strömungsweg des zweiten Fluids F2 und umgekehrt zulässt. Diese räumliche Verbindung darf aber nicht innerhalb eines R-KS-WÜ liegen. Sie wird an einem Ort des Strömungswegs positioniert, an dem das erste Fluid F1 die Außenhülle AH und den R-KS-WÜ, bei einer modularen Wärmeübertrager-Einheit alle dazu gehörigen R-KS-WÜ, bereits durchströmt hat. Das erste Fluid F1 kann dort in den Strömungsweg des zweiten Fluids F2 geleitet werden und, ggf. nach einer chemischen Umsetzung, als zweites Fluid F2 in einem Kreuzstrom gegenüber dem ersten Fluid F1 weiterströmen. Ein solcher Fall wird in Ausführungsbeispiel 1, Abschnitt 1c), am Beispiel einer Brennkammer erläutert.
Die eingesetzten Fluide F1, F2 können in beliebiger Kombination gasförmig oder flüssig sein. In speziellen Anwendungsfällen, d. h. bei Überschreitung ihres kritischen Drucks und ihrer kritischen Temperatur können sie sich auch im überkritischen Zustand befinden. Ebenso kann sich der Aggregatzustand der Fluide F1 und F2 bei der Wärmeübertragung zwischen ihnen ändern. Beispielsweise kann ein Fluid unter Wärmeabgabe aus dem gasförmigen in den flüssigen Zustand übergehen (Kondensation) oder unter Wärmeaufnahme vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergehen (Verdampfung).
Bei den Fluiden F1 und/oder F2 kann es sich auch um aggressive, chemisch reaktive Stoffe handeln. Diese sind beherrschbar, da der Fachmann, wie in Ausführungsbeispiel 1, Abschnitt 1b), erläutert wird, eine große Freiheit bei der Materialauswahl für den R-KS-WÜ hat. Er kann somit Materialien auswählen, die eine dauerhafte chemische Resistenz gegenüber den Fluiden F1 und/oder F2 aufweisen.

Ausführungsbeispiel 1: R-KS-WÜ, ausgeführt als integrierter Wärmeübertrager (I-WÜ)

Ein als I-WÜ ausgeführter R-KS-WÜ ist für technische Anlagen geeignet, die eine zylindrische Wand WI aufweisen. Geeignet sind z. B. Anlagen der thermischen Verfahrenstechnik, z. B. zylindrische Brennkammern mit daran angeschlossenem Abzugsschacht, die durch eine Wand WI begrenzt sind und in der Regel einen großen Durchmesser D _An (mehrere Meter) aufweisen. Solche Brennkammern erreichen einen Volumenstromdurchsatz von ca. 5.000 - 100.000 Nm³/h (Normkubikmeter pro Stunde), für den auch der I-WÜ ausgelegt sein muss.

1a) Integration eines I-WÜ in eine Anlage der thermischen Verfahrenstechnik)

Nachfolgend wird die Integration eines I-WÜ in eine rohrförmige Anlage der thermischen Verfahrenstechnik (nachfolgend kurz: Anlage) beschrieben. Es wird von einer Anlage ausgegangen, die durch eine zylindrische Wand WI begrenzt ist, welche eine innere Kammer IK umgibt. Der Durchmesser D _An einer solchen Anlage, gegeben durch den Durchmesser der zylindrischen Wand WI, liegt üblicherweise im Bereich 1,5 m ≤ D _An ≤ 10 m.
Es wird ein I-WÜ bereitgestellt, dessen Außenrohr AR denselben Durchmesser D wie die Anlage aufweist, also D = D _An. Der I-WÜ wird auf die zylindrische Wand WI aufgesetzt.
Es wird ein Hüllrohr HR bereitgestellt, das die zylindrische Wand WI mit dem aufgesetzten Außenrohr AR in einer konzentrischen Anordnung umgibt, sodass zwischen dem Hüllrohr HR und der zylindrischen Wand WI mit dem aufgesetzten Außenrohr AR eine zylinderringartige Außenhülle AH gebildet wird. Die Außenhülle AH ist somit innen durch die Wand WI der Anlage und das Außenrohr AR mit dem Durchmesser D = D _An und außen durch das Hüllrohr HR mit dem Durchmesser D _HR begrenzt. Durch das Volumen der Außenhülle AH ist ein erstes Fluid F1 strömbar, durch die zylindrische innere Kammer IK der Anlage, die von der Wand WI nach außen begrenzt ist, ist ein zweites Fluid F2 strömbar. Beide Strömungen verlaufen im Wesentlichen parallel zur Achse der Anlage und können zueinander parallel als auch antiparallel gerichtet sein. Es ist einerseits möglich, dass das erste Fluid F1 eine niedrigere Temperatur als das zweite Fluid F2 aufweist, sodass Wärmeenergie vom zweiten Fluid F2 durch die Wand WI an das erste Fluid F1 übertragen wird. Andererseits ist es auch möglich, dass das erste Fluid F1 eine höhere Temperatur als das zweite Fluid F2 aufweist, sodass Wärmeenergie vom ersten Fluid F1 durch die Wand WI an das zweite Fluid F2 übertragen wird. Somit stellt eine solche Anordnung bereits ohne den I-WÜ einen Wärmeübertrager, nämlich einen Doppelrohr-WÜ, dar. Die Wärmeübertragung beschränkt sich jedoch auf eine ca. 0,5 cm bis 1 cm (bei laminarer Strömung) und bis ca. 10 cm (bei turbulenter Strömung) dicke Randschicht des zweiten Fluids F2, die der Wand WI benachbart ist. Auch die Ausführung der Wand WI als Zylinder, der nur eine geringe Oberfläche für die Wärmeübertragung bereitstellt, begrenzt die Wärmeübertragung. Somit handelt es sich um einen sehr ineffizienten WÜ, denn es kann nur eine geringe Wärmemenge zwischen dem Fluid F2 im zentralen Bereich der inneren Kammer IK der Anlage, der sich in der Umgebung ihrer Achse befindet, und der wandnahen Randschicht des Fluids F2 übertragen werden.
Dieser Nachteil wird hier durch den in die Anlage integrierten I-WÜ 11 überwunden. Eine weiter verbesserte Wärmeübertragung wird erzielt, indem mehrere erfindungsgemäße I-WÜ 11 in Form einer Reihenschaltung in die Anlage integriert werden.
Fig. 6 skizziert einen erfindungsgemäßen I-WÜ 11, der in eine Anlage 30 integriert, in diesem Fall auf diese aufgesetzt, ist.
Durch den in die Anlage 30 integrierten I-WÜ wird der Strömungsweg des Fluids F1 wie folgt verändert: Die Trennvorrichtung TV verschließt dem Fluid F1 den direkten Weg durch die zylinderringartige Außenhülle AH. Jeweils zwei miteinander verbundene Öffnungen S_WI1, S_A1 im Bereich des Außenrings AR₁ und S_WI2, S_A2 im Bereich des Außenrings AR₂ öffnen dem Fluid F1 einen aus N Kanälen bestehenden neuen Strömungsweg, der von der Außenhülle AH durch jede der Öffnungen S_WI1, S_A1 weiter durch das daran angeschlossene WÜ-Element WE₁ zu einer Öffnung S_U1 der Umlenkkammer U führt, weiter entlang der Achse der Umlenkkammer U in den Bereich der Öffnungen S_U2 verläuft und von jeder dieser Öffnungen durch das daran angeschlossene WÜ-Element WE₂ zu einer der Öffnungen S_WI2, S_A2 und von dort zurück in die Außenhülle AH auf den ursprünglichen Strömungsweg des Fluids F1 führt.

1b) Funktionsweise eines I-WÜ in einer Anlage der thermischen Verfahrenstechnik

Der als I-WÜ 11 ausgeführte R-KS-WÜ ist für den Einsatz in Anlagen der thermischen Verfahrenstechnik vorgesehen, bei denen ein erstes Fluid F2 in einer inneren Kammer IK und ein zweites Fluid F2 in einer die innere Kammer IK umgebenden, von dieser durch die Wand WI getrennten, Außenhülle AH strömen. Außerhalb des I-WÜ verläuft die Strömungsrichtung der beiden Fluide in der Regel antiparallel (Gegenstromprinzip). Eine Wärmeübertragung zwischen den beiden Fluiden erfolgt außerhalb des I-WÜ im Wesentlichen durch Wärmeleitung über die Wand WI und wird durch deren Dicke, die Wärmeleitfähigkeit des Materials der Wand WI und deren geringe Fläche beschränkt. Außerdem bestimmen die Wärmeübergangskoeffizienten der Fluide den Wärmewiderstand.
Fig. 6 zeigt in einer schematischen Darstellung neben dem Einbau eines I-WÜ in eine Anlage auch das mit seiner Hilfe veränderte Strömungsbild. Die schaufelförmigen WÜ-Elemente WE₁, WE₂ sind vereinfacht durch jeweils zwei ebene Verbindungen symbolisiert.
Der I-WÜ 11 stellt eine zusätzliche Fläche für die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung bereit. Diese zusätzliche Fläche wird gebildet durch die Wandflächen der schaufelförmigen WÜ-Elemente WE₁, WE₂, die zudem in vorteilhafter Weise über den gesamten Querschnitt der inneren Kammer IK, in welcher das Fluid F2 strömt, verteilt sind. Die zusätzliche Fläche für die Wärmeübertragung kann beliebig groß eingestellt werden, indem die Anzahl N, Breite und Länge der schaufelförmigen WÜ-Elemente WE₁ und WE₂ so eingestellt werden, dass die benötigte Fläche erhalten wird. Sollte die von einem einzelnen I-WÜ 11 bereitgestellte Fläche für die geforderte Wärmerückgewinnung nicht ausreichen, so kann, wie in Fig. 7 schematisch dargestellt, eine Reihenschaltung von mehreren I-WÜ 11 realisiert werden. Der Abstand der einzelnen I-WÜ kann so weit verringert werden, dass die Rohre der Umlenkkammern U zusammengeführt werden. Dabei müssen die Umlenkkammern aber durch mindestens einen Verschluss G_U oder D_U (siehe Fig. 2a) getrennt bleiben.
Fig. 8 zeigt schematisch die Strömung durch die WÜ-Elemente: Das erste Fluid F1 strömt, wie in Fig. 8a gezeigt, von der Außenhülle AH durch die Öffnungen S_A1 des Außenrings AR₁ in die WÜ-Elemente WE₁, zentripetal durch diese über die Öffnungen S_U1 in die Umlenkkammer U, durchströmt diese in Richtung ihrer Achse und strömt dann, wie in Fig. 8b gezeigt, über die Öffnungen S_U2 in die WÜ-Elemente WE₂, zentrifugal durch diese über die Öffnungen S_A2 des Außenrings AR₂ in die Außenhülle AH zurück. Über die Wandflächen der schaufelförmigen WÜ-Elemente WE₁, WE₂ erfolgt durch Wärmeleitung eine intensive Wärmeübertragung zwischen den beiden Fluiden F1 und F2 (eine Temperaturdifferenz zwischen beiden vorausgesetzt), die durch folgende konstruktive Merkmale gewährleistet wird: Die WÜ-Elemente WE₁, WE₂ weisen infolge ihres Querschnitts in Form eines langgestreckten Rechtecks, das an den Enden abgerundet sein kann, eine große spezifische Oberfläche (gegeben durch den Quotienten aus ihrer Oberfläche und ihrem Volumen) auf. Ferner sind die WÜ-Elemente dünnwandig ausgeführt, wodurch ihr Wärmewiderstand minimiert wird.
Die zentripetale und die zentrifugale Strömung des ersten Fluids F1 können unter dem Begriff radiale Strömung zusammengefasst werden. Das zweite Fluid F2 strömt in der inneren Kammer durch die Zwischenräume zwischen den jeweils N WÜ-Elementen WE₁ und WE₂, kreuzt also den in 2N Kanäle geteilten Strömungsweg des ersten Fluids F1. Damit wird auch die Bezeichnung Radial-Kreuzstrom-Wärmeübertrager R-KS-WÜ erklärt.
Aus der erfindungsgemäßen schaufelförmigen Ausführung der WÜ-Elemente WE₁, WE₂ resultieren mehrere vorteilhafte technische Wirkungen, die für alle Ausführungsformen des R-KS-WÜ gelten, also sowohl für einen I-WÜ als auch für einen weiter unten in Ausführungsbeispiel 2 beschriebenen Stand-Alone-WÜ (SA-WÜ):
Eine erste vorteilhafte technische Wirkung der schaufelförmigen WÜ-Elemente besteht in der Vergrößerung der für die Wärmeübertragung zwischen den Fluiden F1 und F2 verfügbaren Gesamtfläche, was bereits erklärt wurde.
Eine zweite vorteilhafte technische Wirkung der schaufelförmigen WÜ-Elemente besteht in der weitgehenden Vermeidung thermischer Spannungen in der Anordnung des R-KS-WÜ. Unter thermischen Spannungen sind hier thermisch induzierte mechanische Spannungen zu verstehen, die auf der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung der verwendeten Materialien beruhen.
Beispielsweise beträgt der thermische Ausdehnungskoeffizient Δl/l des oben vorgeschlagenen HT-festen Stahls 1.4841, gemittelt über den Temperaturbereich 20 °C bis 1000 °C, Δl/l = 19 · 10^-6 K^-1. Wird ein erfindungsgemäßer R-KS-WÜ, dessen Komponenten aus dieser Stahlsorte gefertigt sind, von seiner Temperatur im abgeschalteten Zustand (ca. 20 °C) auf eine Betriebstemperatur von 1000 °C gebracht, so ist somit mit einer absoluten Längenausdehnung der verwendeten Komponenten von ca. 1,9 % zu rechnen.
Bei Verwendung von WÜ-Elementen WE₁, WE₂, die geradlinig auf kürzestem Weg zwischen der Umlenkkammer U und dem Außenrohr AR verlaufen, würden hohe, nicht kompensierbare, thermische Spannungen in der Anordnung induziert, was zur baldigen Materialermüdung und zum Abreißen der WÜ-Elemente WE₁, WE₂ an den Verbindungsstellen zum Außenrohr AR und/oder zur Umlenkkammer U führen würde.
Durch die schaufelförmige Ausführung der WÜ-Elemente WE₁ und WE₂ wird, wenn ihre Schaufeln in die gleiche Richtung gebogen sind, eine thermisch bedingte Ausdehnung oder Kontraktion der WÜ-Elemente wie auch der anderen Komponenten unmittelbar in eine Verdrehung der Umlenkkammer U umgesetzt, wodurch der Aufbau thermischer Spannungen minimiert wird. Im Gegensatz zu bekannten Wärmeübertragern sind die WÜ-Elemente WE₁ und WE₂ nur an einem Ende, nämlich an den Außenringen AR₁, AR₂, starr fixiert, während ihr anderes Ende zusammen mit der Umlenkkammer U beweglich ist, sodass sie sich ungehindert ausdehnen können. Durch die radialsymmetrische Anordnung erhalten alle WÜ-Elemente derselben Reihe, also alle WÜ-Elemente WE₁ auf Höhe des Außenrings AR₁, identische thermische Belastungen, zeigen also dieselbe Ausdehnung. Gleiches gilt für die WÜ-Elemente WE₂ im Bereich des Außenrings AR₂. Dadurch wird die Umlenkkammer U im Bereich jedes Außenrings gleichmäßig verdreht, sodass keine Zug- und Druckspannungen entlang ihres Umfangs entstehen.
Jedoch tritt eine Temperaturdifferenz zwischen den WÜ-Elementen WE₁ auf Höhe des Außenrings AR₁ und den WÜ-Elementen WE₂ auf Höhe des Außenrings AR₂ ein, sodass sich die WÜ-Elemente WE₁ und WE₂ unterschiedlich stark ausdehnen, was zu einer Verdrillung (Torsion) der Umlenkkammer U führt. Diese Verdrillung bedingt thermische Spannungen in der Umlenkkammer U, die besonders groß sind, wenn die WÜ-Elemente WE₁ und die WÜ-Elemente WE₂ in entgegengesetzte Richtungen gebogen sind, was zu einer Materialermüdung führen kann. Um diese thermischen Spannungen zu kompensieren, wird die Umlenkkammer U auf ihrer halben Höhe in zwei Abschnitte geteilt und an dieser Position ein fluiddichtes Verbindungselement VE eingesetzt (siehe Fig. 6). Dieses Verbindungselement VE stellt sicher, dass beide Abschnitte der Umlenkkammer U frei gegeneinander verdrehbar sind, wobei aber die Dichtheit der Umlenkkammer U gegenüber den Fluiden F1 und F2 weiterhin gewährleistet ist, d. h. ein Massenstrom zwischen den Fluiden F1 und F2 wird verhindert. Die Ausführung des Verbindungselements VE wird am Schluss der Anmeldung anhand von Fig. 15 erläutert.
Durch die schaufelförmige Ausführung der WÜ-Elemente WE₁ und WE₂ und die Ausstattung der Umlenkkammer U mit einem Verbindungselement VE ist es somit möglich, eine frühzeitige Materialalterung und ein Versagen der Komponenten des R-KS-WÜ zuverlässig zu verhindern, wodurch seine Lebensdauer gesteigert wird. Da thermische Spannungen, die durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten bedingt sind, nahezu vollständig kompensiert werden, können die Komponenten des R-KS-WÜ auch aus unterschiedlichen Materialien, deren Wärmeausdehnungskoeffizienten sich erheblich unterscheiden, gefertigt werden, ohne dass vorab umfangreiche Simulationen oder Experimente zur Langzeitstabilität und Temperaturwechselbeständigkeit des R-KS-WÜ durchgeführt werden müssen. Verschiedene Materialien können somit flexibel verwendet werden. Dabei können diese Materialien auch aus unterschiedlichen Materialklassen entnommen werden. Es sind z. B. metallische Komponenten, keramische Komponenten und/oder Verbundwerkstoffe kombinierbar.
Eine dritte vorteilhafte technische Wirkung der schaufelförmigen WÜ-Elemente ist die Optimierung des Strömungsverhaltens des zweiten Fluids F2, welches in Achsrichtung des R-KS-WÜ die Zwischenräume zwischen den WÜ-Elementen durchströmt. Dazu werden die Schaufeln der WÜ-Elemente WE₁ und der WÜ-Elemente WE₂ in unterschiedliche Richtungen gebogen. Ein solches optimiertes Strömungsprofil, d. h. eine homogene, bevorzugt laminare, Strömung des zweiten Fluids F2 wird beispielsweise für eine Brennkammer mit darüber angeordnetem Abzugsschacht angestrebt. Der erfindungsgemäße R-KS-WÜ erlaubt es hier nicht nur, die Wärmeenergie heißer Brenngase effektiv zu nutzen, sondern bewirkt auch eine turbulenzarme Strömung des zweiten Fluids F2, wenn dieses die beiden Reihen der entgegengesetzt gebogenen WÜ-Elemente WE₁ und WE₂ nacheinander durchströmt. Dadurch werden Strömungsdruckverluste des zweiten Fluids F2 geringgehalten. Fig. 9 zeigt einen Blick in Richtung der Achse eines R-KS-WÜ, bei dem die WÜ-Elemente WE₁ nach links, die dahinterliegenden WÜ-Elemente WE₂ nach rechts gebogen sind. Im Zentrum befindet sich die Umlenkkammer U, deren Inneres durch den Verschluss Gu verdeckt ist.
Sowohl die Wärmeübertragung als auch die Optimierung des Strömungsprofils können noch dadurch unterstützt werden, dass Rippenelemente in die Zwischenräume zwischen jeweils zwei benachbarten WÜ-Elementen WE₁ und/oder in die Zwischenräume zwischen jeweils zwei benachbarten WÜ-Elementen WE₂ eingebaut werden, sodass die Zwischenräume eine zusätzliche Gitterstruktur mit Strömungskanälen parallel zur Achse des R-KS-WÜ erhalten. Als Rippenelemente geeignet sind blattförmige, dem Fachmann als Wellrippen bekannte, Strukturen aus hochwärmeleitfähigem, HT-festem Material, z. B. Metallbänder. Die Wellrippen sollten dieselbe Breite aufweisen wie die WÜ-Elemente WE₁, WE₂, sodass sie jeweils zwei benachbarte WÜ-Elemente wellenförmig über deren gesamte Breite, in Fig. 9 also deren Abmessung senkrecht zur Zeichenebene, miteinander verbinden. Da solche Wellrippen in Fig. 9 nicht sinnvoll darstellbar sind, wurde eine einzelne Wellrippe WR in Fig. 3 eingezeichnet. In der Praxis werden alle benachbarten WÜ-Elemente WE₁ und WE₂ durch solche Wellrippen verbunden, sodass der gesamte Querschnitt der inneren Kammer IK von Wellrippen durchzogen ist. Die Wellrippen entziehen dem die Gitterstruktur durchströmenden zweiten Fluid F2 einerseits effektiv Wärmeenergie, andererseits laminarisieren sie die Strömung des zweiten Fluids F2, sodass diesem ein vorteilhaftes turbulenzarmes Strömungsverhalten aufgeprägt wird. Die Verbindungsbereiche zwischen den WÜ-Elementen und den Wellrippen sind bevorzugt flächig mit einer Höhe von wenigen Millimetern ausgeführt, sodass eine ausreichend große Kontaktfläche für die Wärmeübertragung von den Wellrippen auf die WÜ-Elemente bereitgestellt wird. Das von den Wellrippen gebildete Gitter erhält dadurch eine verzerrte wabenartige Form. Soll lediglich das Strömungsprofil optimiert werden, so können die Wellrippen auch aus einem beliebigen HT-festen Material ausgeführt sein. Sie sollten eine glatte Oberfläche aufweisen.
Es ist auch möglich, das Innere der WÜ-Elemente WE₁, WE₂ mit Rippenelementen R (erkennbar in Fig. 1) auszustatten, um die Wärmeübertragung auf das darin strömende erste Fluid F1 zu verstärken. Das ist besonders sinnvoll, wenn die Breite B _WE ihres Querschnitts, wie oben beschrieben, nach außen hin vergrößert wird.

1c) Besondere Ausführungsform: Brennkammer, ausgestattet mit einer Reihenschaltung von drei I-WÜ

Fig. 10a zeigt in einer schematischen Darstellung eine Brennkammer BK, auf deren Wand WI eine Reihenschaltung von drei I-WÜ aufgesetzt ist, die einen Abzugsschacht K bilden. Diese Anordnung ist von einer Außenhülle AH umgeben. Die Außenhülle AH wird innen durch die Wand WI und die Außenrohre AR der I-WÜ und außen durch das Hüllrohr HR begrenzt. Die Trennvorrichtung TV jedes I-WÜ unterbricht den direkten Strom eines von oben in die Außenhülle AH einströmenden ersten Fluids F1, sodass dieses in bekannter Weise durch die WÜ-Elemente WE₁ zur Umlenkkammer U und nach Durchströmen derselben über die WÜ-Elemente WE₂ zurück in die Außenhülle AH strömt. Nach Durchströmen aller drei I-WÜ wird das erste Fluid F1 über eine oder mehrere Zuleitungen Z der Brennkammer BK zugeführt. In der Brennkammer BK wird das erste Fluid F1, bei dem es sich z. B. um Luft handeln kann, mit einem Brennstoff, der fest, flüssig oder gasförmig sein kann, in Kontakt gebracht und in einem chemischen Verbrennungsprozess unter Wärmeentwicklung in ein zweites Fluid F2, hier in heiße Verbrennungsabluft mit hohem CO₂-Anteil, umgesetzt. Da der Prozess kontinuierlich geführt wird, tritt das quer (als Kreuzstrom) durch die Zwischenräume zwischen den WÜ-Elementen der I-WS strömende zweite Fluid F2 in thermischen Kontakt mit dem in den WÜ-Elementen strömenden ersten Fluid F1, wobei über die hochwärmeleitfähigen Wände der WÜ-Elemente Wärmeenergie vom zweiten Fluid F2 auf das erste Fluid F1 übertragen wird. Die im zweiten Fluid F2, d. h. der Verbrennungsabluft, enthaltene Restwärme wird also effektiv genutzt, indem sie zur Vorwärmung des dem Verbrennungsprozess zufließenden ersten Fluids F1 verwendet wird. Der Wirkungsgrad des Verbrennungsprozesses wird dadurch erhöht.
Die im Betrieb befindliche Anlage nutzt den bekannten Kamineffekt, wobei das abströmende zweite Fluid F2 einen Unterdruck erzeugt, sodass das erste Fluid F1 (Luft auf Atmosphärendruck) kontinuierlich angesaugt wird. Anstelle von Luft könnte als erstes Fluid F1 auch Sauerstoff oder ein brennbares Gasgemisch zugeführt werden, wozu aber weitere technische Maßnahmen (Rohrzuführungen) nötig sind.
Für jeden der drei I-WÜ 11 werden folgende Parameter gewählt:
Das auf die Wand WI der Brennkammer BK dichtschließend aufgesetzte Außenrohr AR hat einen Durchmesser D = 2,0 m und eine Höhe H = 1,0 m. Die Umlenkkammer U hat einen Durchmesser d = 1,3 m. Jeweils N = 90 WÜ-Elemente WE₁ bzw. WE₂ verbinden die Außenringe AR₁, AR₂ mit der Umlenkkammer U. Die WÜ-Elemente weisen einen Schaufeldurchmesser S = 0,5 m auf und beschreiben einen Teilkreis ρ = 150°.
Da die Anlage mit geringen Druckdifferenzen (< 20 kPa) betrieben wird, können alle Komponenten mit minimaler Wandstärke ausgeführt werden. Somit erhalten das Außenrohr und die Umlenkkammer eine Wandstärke von 1 mm, die WÜ-Elemente WE₁, WE₂ eine Wandstärke von 0,5 mm. Um den Drall der Strömung des zweiten Fluids F2 im Abzugsschacht K zu kompensieren, werden die WÜ-Elemente WE₁ und WE₂ in entgegengesetzte Richtungen gebogen. Die dadurch im Betrieb entstehende Verdrillung (Torsion) der Umlenkkammer U wird durch ein in dieselbe eingebautes Verbindungselement VE kompensiert. Die Breite B _WE des Querschnitts der WÜ-Elemente, der für das strömende erste Fluid F1 zur Verfügung steht, beträgt 10 mm. Seine Länge, die mit der Länge L der Öffnungen S_A1, S_A2, S_U1, S_U2 übereinstimmt, beträgt 40 cm. Das Hüllrohr HR hat einen Durchmesser von 2,4 m. Die scheibenförmige Trennvorrichtung TV weist daher einen äußeren Durchmesser von 2,4 m und einen inneren Durchmesser von 2,0 m auf. Alle Komponenten sind aus hochtemperaturfestem Stahl gefertigt.

1d) Besondere Ausführungsform: Brennkammer, die von einer Reihenschaltung aus I-WÜ umgeben ist

Fig. 10b zeigt schematisch in halber Seitenansicht (unten) und in Schnittdarstellung entlang der Ebene X - X (oben) eine Ausführungsform, bei der eine Reihenschaltung von I-WÜ 11 auf gleicher Höhe mit einer Brennkammer BK installiert ist und diese somit umgibt. Im Vergleich zur vorab beschriebenen Anordnung in Fig. 10a kann die Gesamthöhe der Anordnung hier auf die Höhe der Brennkammer BK reduziert werden.
Die zylindrische Brennkammer BK ist an ihrer Oberseite durch eine HT-feste Decke De verschlossen und von einer zylinderringartigen Rückführkammer RK umgeben. Im Bereich unmittelbar unterhalb der Decke De besteht eine ringförmige Verbindung zwischen der Brennkammer BK und der Rückführkammer RK. Die Rückführkammer RK ist von den ebenfalls zylinderringartig ausgeführten Umlenkkammern U der Reihenschaltung aus I-WÜ 11 umgeben. Diese Reihenschaltung kann aus einer frei wählbaren Anzahl ≥ 1 von I-WÜ gebildet werden (also auch durch nur einen I-WÜ 11). In Fig. 10b ist beispielhaft eine Reihenschaltung aus vier I-WÜ 11 dargestellt. Die Umlenkkammern U sind in bekannter Weise mit Außenrohren AR umgeben, die Abschnitte AR₁ und AR₂ aufweisen, welche durch WÜ-Elemente WE₁ und WE₂ mit den Umlenkkammern verbunden sind. Die WÜ-Elemente WE₁, WE₂ sind schaufelförmig gebogen. Die gesamte Anordnung ist von einem Hüllrohr HR umgeben, sodass eine Außenhülle AH zwischen dem Hüllrohr HR und den Außenrohren AR gebildet wird. Unmittelbar über dem Boden der Brennkammer BK besteht eine ringförmige Verbindung VB₂ von der Rückführkammer RK zu dem zylinderringförmigen Raum, in dem die WÜ-Elemente WE₁, WE₂ verlaufen. An der Oberseite dieses zylinderringartigen Raums befindet sich eine Auslassöffnung AO. Das Hüllrohr HR weist auf Höhe des ersten Außenrings AR₁ des obersten I-WÜ eine Einlassöffnung EO auf. Die Umlenkkammern U sind durch ihre Verschlüsse G_U, D_U voneinander separiert, wobei die unmittelbar benachbarten Verschlüsse G_U, D_U zu einem einzigen Verschluss G_U+D_U zusammengeführt werden können. Jeder I-WÜ 11 weist eine Trennvorrichtung TV auf, die auf seinem Außenrohr AR zwischen den Außenringen AR₁, AR₂ aufgesetzt ist und das Hüllrohr HR an dieser Position trennt. Am unteren Ende des Hüllrohrs HR besteht eine Verbindung VB₁ von der Außenhülle AH zur Brennkammer BK. Die Brennkammer BK, die Rückführkammer RK, die Umlenkkammern U und das Hüllrohr HR sind konzentrisch angeordnet.
In dieser Anordnung wird folgender Strömungsverlauf realisiert: Ein erstes Fluid F1 (gestrichelte Pfeile), das in der Regel Umgebungstemperatur aufweist, wird über die Einlassöffnung EO dem obersten Abschnitt des Hüllrohrs HR zugeführt, strömt zentripetal durch die WÜ-Elemente WE₁ des obersten I-WÜ 11 zu dessen Umlenkkammer U, durchströmt diese, strömt dann zentrifugal durch die WÜ-Elemente WE₂ des obersten I-WÜ 11 zurück zu dem unterhalb des obersten Abschnitts liegenden Abschnitt des Hüllrohrs HR. Von dort ausgehend wiederholt sich der beschriebene Strömungsverlauf bis alle I-WÜ 11 durchlaufen sind. Vom untersten Abschnitt des Hüllrohrs HR wird das erste Fluid F1 dann über die Verbindung VB₁ der Brennkammer BK zugeführt. Dort wird es in einem Verbrennungsprozess in ein zweites Fluid F2 (durchgezogene Pfeile) mit hoher Temperatur umgesetzt, welches in Richtung der HT-festen Decke der Brennkammer strömt und dort in die Rückführkammer RK geleitet wird. Durch die Rückführkammer RK strömt das zweite Fluid F2 abwärts bis auf die Höhe des Bodens der Anordnung zurück und wird dann in den zylinderringförmigen Raum, in dem die WÜ-Elemente WE₁, WE₂ verlaufen, geleitet und durchströmt aufwärts die Zwischenräume der WÜ-Elemente WE₁, WE₂ aller I-WÜ. Beim Durchströmen dieser Zwischenräume erfolgt eine effiziente Wärmeübertragung zwischen dem zweiten Fluid F2 hoher Temperatur und dem radial (abwechselnd zentripetal und zentrifugal) durch die WÜ-Elemente WE₁, WE₂ strömenden ersten Fluid F1. Durch die Auslassöffnung AO wird das abgekühlte zweite Fluid F2 dann in die Umgebung entlassen oder einem anderen Prozess zugeführt.
In der Schnittdarstellung (Fig. 10b oben) kennzeichnen die Kreise mit Punkt das aufwärts strömende Fluid F2, die Kreise mit Kreuz das abwärts strömende Fluid F2.

Ausführungsbeispiel 2: R-KS-WÜ, ausgeführt als Stand-Alone-WÜ (SA-WÜ)

Fig. 11 zeigt eine konkrete Ausführungsform des in Fig. 5 schematisch dargestellten SA-WÜ.
Der SA-WÜ 11 ist auf einer Halterung, umfassend eine Grundplatte GP und mehrere Halteplatten HP (zum Teil verdeckt) aufgebaut, wobei seine Achse waagerecht gerichtet ist. Er weist den bekannten Aufbau mit einem Außenrohr AR und einer Umlenkkammer U auf, die durch teilweise verdeckte WÜ-Elemente WE₁ und durch WÜ-Elemente WE₂ verbunden sind. Zudem ist er mit einer eigenen Außenhülle AH ausgestattet, die durch ein Hüllrohr HR begrenzt wird. Die Außenhülle ist in bekannter Weise durch eine verdeckte Trennvorrichtung geteilt. Das Hüllrohr HR ist mit jeweils drei gleichmäßig über dessen Umfang verteilten, d. h. hier um 120° versetzten, tangentialen Anschlüssen T1, T2 versehen, über die ein erstes Fluid F1 zugeleitet und nach Durchströmen des SA-WÜ wieder abgeleitet werden kann. Die tangentialen Anschlüsse T1, T2 werden durch Rohranschlussstutzen gebildet, die so geneigt sind, dass sie die Krümmung der Außenhülle AH geradlinig nach außen fortsetzen. Sie sind so ausgerichtet, dass sie in Richtung der schaufelförmigen Biegung der WÜ-Elemente WE₁ und WE₂ zeigen, sodass das erste Fluid F1 ohne abrupte Umlenkungen um große Winkel (z. B. 90°, 180°) von den Anschlüssen T1 in die WÜ-Elemente WE₁ einströmen und von den WÜ-Elementen WE₂ zu den Anschlüssen T2 ausströmen kann.
Die Zuführung und Abführung eines zweiten Fluids F2 erfolgt parallel zur Achse der Anordnung, was in Fig. 11 durch jeweils zwei Pfeile veranschaulicht ist. Dazu wird eine nicht dargestellte Leitung, z. B. eine Rohrleitung, deren Durchmesser dem Durchmesser D des Außenrohrs entspricht, auf der Vorderseite und der (in Fig. 11 verdeckten) Rückseite des SA-WÜ 12 an das Außenrohr AR angeschlossen. Es wird ein Durchmesser D = 1 m gewählt. Eine Reihenschaltung mehrerer SA-WÜ 12 ist in einfacher Weise realisierbar. Wie Fig. 12 am Beispiel von drei SA-WÜ zeigt, sind diese hintereinander entlang einer gemeinsamen Achse anzuordnen und über die Verbindungsrohre V jeweils Verbindungen zwischen dem das erste Fluid F1 abführenden Anschluss T2 des zuerst durchlaufenen SA-WÜ und dem das erste Fluid F1 zuführenden Anschluss T1 des nachfolgend durchlaufenen SA-WÜ herzustellen.
Fig. 13 zeigt eine weitere Ausführungsform eines SA-WÜ 12, die ein verbessertes Strömungsverhalten bewirkt. Anstelle tangentialer rohrförmiger Anschlüsse werden tangentiale Anschlüsse T1, T2 mit einem langgestreckten Querschnitt, dessen Länge der Länge L der schlitzförmigen Öffnungen im (verdeckten) Außenrohr AR entspricht, für die Zu- und Abführung des ersten Fluids F1 verwendet. Das erste Fluid F1 kann dadurch mit verringertem Strömungswiderstand in die WÜ-Elemente WE₁ ein- und aus den WÜ-Elementen WE₂ ausströmen. An die Anschlüsse T1, T2 werden Leitungen angeschlossen, die das erste Fluid F1 von entfernt positionierten Anlagen dem SA-WÜ zuführen und von diesem wegführen. Der in Fig. 13 dargestellte SA-WÜ weist jeweils 4 Anschlüsse T1 und T2 auf (2 davon sichtbar, zwei verdeckt auf der Rückseite), die sich über jeweils über einen 90°-Winkelbereich des Umfangs des SA-WÜ erstrecken. Durch diese gestreckte Ausführung übernehmen die Anschlüsse T1 und T2 hier auch die Funktion einer Trennvorrichtung, wodurch sichergestellt wird, dass das erste Fluid F1 dem vorgegebenen Strömungsweg durch die WÜ-Elemente WE₁ (verdeckt), die Umlenkkammer U und die WÜ-Elemente WE₂ folgt. Über die Außenflansche AF₁, AF₂ können weitere SA-WÜ angeschlossen werden, um eine Reihenschaltung zu bilden.
Fig. 14 zeigt eine Ausführungsform einer Reihenschaltung zweier SA-WÜ, die ebenfalls die vorteilhaften tangentialen Anschlüsse T1, T2 mit langgestreckten Querschnitt aufweisen. Ein erstes Fluid F1 wird über die Anschlüsse T1 dem ersten SA-WÜ zugeführt, in bekannter Weise durch dessen (verdeckte) Umlenkkammer geleitet und tritt über (nicht erkennbare) Anschlüsse T2, die durch ein Umlenkrohr UR₁ abgedeckt sind wieder aus. Das Umlenkrohr hat somit die Funktion eines Hüllrohres. Unterhalb des Umlenkrohrs UR₁ befinden sich verdeckte Umlenkrippen, wie sie aus Fig. 2 bekannt sind, die bis in den Bereich des Umlenkrohrs UR₂, welches Teil des zweiten SA-WÜ ist, reichen. Die Umlenkrippen sind auf dem verdeckten Außenrohr aufgesetzt und sind so hoch ausgeführt, dass sie bis in die Nähe der Umlenkrohre UR₁, UR₂ reichen. Vorzugsweise liegen sie mit ihren oberen Kanten an den Umlenkrohren UR₁, UR₂ an, wobei aber keine absolut dichte Verbindung zwischen den Umlenkrohren und den Umlenkrippen, die z. B. durch Verschweißen herstellbar wäre, erforderlich ist. Es kann auch ein Zwischenraum von 0,5 mm bis 5 mm zwischen den oberen Kanten der Umlenkbleche und den Umlenkrohren verbleiben. Das erste Fluid F1 wird durch diese Umlenkrippen in Richtung des zweiten SA-WÜ gelenkt, was in Fig. 14 durch drei gekrümmte Pfeile symbolisiert ist, und wird über vom Umlenkrohr UR₂ abgedeckte (nicht erkennbare) Anschlüsse T1 dem zweiten SA-WÜ zugeführt, durchströmt in bekannter Weise dessen Umlenkkammer und strömt dann über den sichtbaren Anschluss T2 und weitere verdeckte Anschlüsse T2 wieder aus.
Die übrigen Funktionen, entsprechen den vorangehend dargestellten Ausführungsformen.
Der SA-WÜ ermöglicht folgende technisch vorteilhafte Anwendungen:

a) Sammeln der Prozessabwärme mehrerer technischer Anlagen
Dazu wird die in einem ersten Fluid F1 gespeicherte Prozessabwärme einer beliebig großen Anzahl von Anlagen mithilfe von Rohrleitungen, die an die Anschlüsse T1 angeschlossen sind, dem SA-WÜ zugeführt und von dort auf ein zweites Fluid F2 übertragen. Bei dem zweiten Fluid F2 kann es sich z. B. um in einer Fernwärmeleitung strömendes Wasser handeln. Über Rohrleitungen, die an die Anschlüsse T2 angeschlossen sind, kann das erste Fluid F1 einem weiteren Prozess zugeführt oder, falls unbedenklich, in die Umgebung entlassen werden.
b) Wärmerückgewinnung aus einem Wärmespeicher
In analoger Weise kann ein SA-WÜ zur Wärmerückgewinnung aus einem Wärmespeicher, vorzugsweise einem Hochtemperatur-Wärmespeicher (HT-WS), genutzt werden. Dabei wird das erste Fluid F1, bei dem es sich z. B. um Luft handeln kann, im HT-WS aufgeheizt, wird dann dem SA-WÜ zugeführt, wo es Wärmeenergie auf ein zweites Fluid F2 überträgt, und kann dann abgekühlt in die Umgebung entlassen (offener Kreislauf) oder in einem geschlossenen Kreislauf erneut dem HT-WS zugeführt werden. Das zweite Fluid F2 kann z. B. Wasserdampf sein, der bei Durchlaufen des SA-WÜ aufgeheizt und einem Dampfturbinenprozess zugeführt wird.
c) Unterstützung einer chemischen Reaktion
Bei dem zweiten Fluid F2, das in einer an das Außenrohr AR angeschlossenen Rohrleitung strömt, kann es sich auch um ein reaktives Gemisch handeln, in welchem eine chemische Reaktion, z. B. eine Gleichgewichtsreaktion, abläuft. Die Rohrleitung fungiert dann somit als kontinuierlich durchströmter chemischer Reaktor.
Handelt es sich dabei um eine exotherme Reaktion, so kann die freigesetzte Reaktionswärme im SA-WÜ vom zweiten Fluid F2 an ein erstes Fluid F1 übertragen werden, sodass das chemische Gleichgewicht in gewünschter Weise beeinflusst, d. h. in Richtung der Reaktionsprodukte verschoben wird.
Handelt es sich dabei um eine endotherme Reaktion, so kann die benötigte Reaktionswärme dem zweiten Fluid F2 im SA-WÜ durch ein Fluid F1 zugeführt werden, sodass das chemische Gleichgewicht auch in diesem Fall in Richtung der Reaktionsprodukte verschoben wird.

Alle Anwendungen sind auch mit einer Reihenschaltung aus mehreren SA-WÜ realisierbar. Um einen besonders hohen Durchsatz zu erzielen, können auch mehrere SA-WÜ parallel geschaltet werden.
Sofern die beschriebenen Anwendungen mit Fluiden F1, F2 betrieben werden, die nur einen geringen Druckunterschied aufweisen (< 300 kPa), so können alle Komponenten des SA-WÜ 12 dünnwandig ausgeführt werden. Es können die in Ausführungsbeispiel 1, Abschnitt 1c), genannten Parameter verwendet werden. Da bei einem SA-WÜ kein Massenstrom, d. h. kein Stoffaustausch, zwischen den Fluiden F1 und F2 erfolgt, können ihre Zusammensetzung und ihre Funktion in den oben beschriebenen Anwendungen auch vertauscht werden. Beispielsweise kann in der Anwendung c) auch das erste Fluid F1 das reaktive Gemisch bilden, während die Zuführung oder Abführung der Reaktionswärme über das zweite Fluid F2 erfolgt.

Ausführung des Verbindungselements VE

Fig. 15 zeigt in einer Schnittdarstellung (links) und in einer isometrischen Darstellung (rechts) das Verbindungselement VE zur fluiddichten Verbindung von zwei Abschnitten einer Umlenkkammer U. Es weist zwei konzentrisch angeordnete metallische Ringe auf, wobei einer der Ringe einen etwas größeren Durchmesser D _VE, der andere einen etwas kleineren Durchmesser d _VE als die Umlenkkammer U (Durchmesser d) hat. Die beiden Ringe sind durch Abstandshalter miteinander verbunden, sodass sie auf beiden Seiten einen Ringspalt der Breite h _VE = (D _VE - d _VE)/2 ausbilden. In die beiden Ringspalte werden jeweils zwei Graphitbänder GB so eingelegt, dass das eine Band am inneren Ring, das andere Band am äußeren Ring anliegt. Zwischen den beiden Graphitbändern GB verbleibt auf beiden Seiten ein Spalt der Breite a _VE, in den jeweils ein Abschnitt der geteilten Umlenkkammer U eingesteckt wird. Die Graphitbänder GB lassen ein Gleiten der Abschnitte der Umlenkkammer, also eine Drehung der Abschnitte zu, umschließen die Abschnitte aber fluiddicht. Damit die Abschnitte sicher positioniert werden können, ist, abhängig vom Durchmesser d der Umlenkkammer, eine Mindestbreite B _VE des Verbindungselements VE zwischen 2 cm und 5 cm zu wählen.

Schlussbemerkungen

Die dargestellte Erfindung ist nicht auf die vorgestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Diese können in vorteilhafter Weise kombiniert werden. Z. B. kann die in Fig. 10 vorgestellte Brennkammer in einen chemischen Reaktor umgebaut werden. Dazu sind die Strömungswege der Fluide F1 und F2 zu trennen und die Brennkammer mit darüber angeordnetem Abzugsschacht druckfest zu verschließen. Dabei sind die Zuführung für das Fluid F1 parallel zur Achse der Anordnung und die Abführung des ersten Fluids F1 zur Brennkammer zu verschließen. Sie sind durch tangentiale Zu- und Abführungen des Fluids F1 wie bei dem in Fig. 11 und 12 dargestellten SA-WÜ zu ersetzen. Über druckfeste Rohrleitungen können beide Fluide zu- und abgeführt werden, wobei Prozesswärme vom zweiten Fluid F2, das die in einen chemischen Reaktor umgebaute Brennkammer durchströmt, über die I-WS an das erste Fluid F1 übertragen werden kann. Dabei kann sowohl eine Wärmezufuhr als auch eine Wärmeabfuhr erfolgen.
Die in dieser Anmeldung beschriebenen R-KS-WÜ sind beispielhaft horizontal oder vertikal ausgerichtet. Es ist natürlich möglich, die Anordnungen beliebig auszurichten, also einen beliebigen Neigungswinkel für den Strömungsweg des Fluids F2 zu wählen.
Die beschriebenen R-KS-WÜ weisen eine Zylinderform auf. Abweichungen von der Zylinderform wären möglich, würden aber zu einer ungleichmäßigen Materialbelastung, einem ungünstigen Strömungsverhalten und einer aufwendigeren Konstruktion führen. Sie sind daher technisch nicht sinnvoll.
Bei der Fertigung der verschiedenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen R-KS-WÜ werden dem Fachmann in Hinsicht auf die Herstellung der einzelnen Komponenten keine Einschränkungen der bekannten Fertigungsverfahren des Urformens und Umformens gemacht. Bezogen auf die Fügetechnik der einzelnen Komponenten stehen dem Fachmann die bekannten stoffschlüssigen Verbindungen wie Schweißen und Löten zur Verfügung.
Ebenso können einzelne Komponenten des R-KS-WÜ durch additive Fertigung, auch bekannt als 3D-Druck, hergestellt werden.
Der Inhalt der in dieser Anmeldung zitierten und verlinkten Dokumente ist Teil der Offenbarung.

Liste der Bezugszeichen

10: - Radial-Kreuzstrom-Wärmeübertrager (R-KS-WÜ)
11: - integrierter Wärmeübertrager (I-WÜ)
12: - Stand-Alone-Wärmeübertrager (SA-WÜ)
24: - Verschlüsse der Zu- und Abführungen des ersten Fluids F1 parallel zur Achse A
26: - Öffnungen zur Zu- und Abführung des ersten Fluids F1 senkrecht zur Achse A
30: - Anlage der thermischen Verfahrenstechnik
A: - Symmetrieachse des R-KS-WÜ
AF₁, AF₂: - Außenflansche
AH: - Außenhülle
AO: - Auslassöffnung
AR: - Außenrohr
AR₁, AR₂: - Außenringe
BK: - Brennkammer
De: - Decke der Brennkammer
D_U: - Verschluss an der Deckfläche der Umlenkkammer U
EO: - Einlassöffnung
F1: - erstes Fluid, die WÜ-Elemente des R-KS-WÜ radial durchströmend
F2: - zweites Fluid, die Zwischenräume der WÜ-Elemente des R-KS-WÜ senkrecht durchströmend
GB: - Graphitband
GP: - Grundplatte
G_U: - Verschluss an der Grundfläche der Umlenkkammer U
HP: - Halteplatte
HR: - Hüllrohr
IK: - innere Kammer einer Anlage 30
K: - Abzugsschacht
R: - Rippenelemente
RK: - Rückführkammer
R₁, R₂: - Reihen mit schlitzförmigen Öffnungen S_A1 bzw. S_A2
S_A1, S_A2: - schlitzförmige Öffnungen der Außenringe AR₁, AR₂
S_U1, S_U2: - schlitzförmige Öffnungen im Zylindermantel Z_U der Umlenkkammer U, angeordnet in zwei Reihen
T1, T2: - tangentiale Anschlüsse
TV: -Trennvorrichtung
U: - Umlenkkammer
UR₁, UR₂-: Umlenkrohre
ULR: - Umlenkrippen
V: - Verbindungsrohr
VB₁: - Verbindung von der Außenhülle AH zur Brennkammer BK.
VB₂: - Verbindung von der Rückführkammer RK zu dem zylinderringförmigen Raum, in dem die WÜ-Elemente WE₁, WE₂ verlaufen
VE: - optionales Verbindungselement (erforderlich, wenn die Umlenkkammer in zwei Abschnitte geteilt ist)
WE₁: - WÜ-Element, das eine Öffnung S_U1 mit einer Öffnung S_A1 verbindet
WE₁*: - WÜ-Element, das in Fig. 3 zur Erläuterung der Parameter S und ρ hervorgehoben ist
WE₂: - WÜ-Element, das eine Öffnung S_U2 mit einer Öffnung S_A2 verbindet
WI: - Wand einer technischen Anlage, in welche ein I-WÜ integriert wird
WR: - Wellrippe
Z: - Zuleitung zur Brennkammer
Z_U: - Zylindermantel der Umlenkkammer U

Liste der Formelzeichen

a: - Abstand der Öffnungen S_U1, S_U2 zur Grund- bzw. Deckfläche der Umlenkkammer
a _VE: - Spalt zwischen zwei Graphitbändern für einen Abschnitt des Umlenkrohrs U
B _U: - Breite der Öffnungen S_U1, S_U2
B _VE: - Breite des Verbindungselements VE
h _VE: - Spalt ohne Graphitband
B _WE: - Breite des Querschnitts der WÜ-Elemente WE₁, WE₂
d: - Durchmesser der Umlenkkammer U
D: - Durchmesser des Außenrohrs AR
D _An: - Durchmesser einer Anlage, in die ein I-WÜ integriert wird
D _HR: - Durchmesser des Hüllrohrs HR
D _VE, d _VE: - Außen- und Innendurchmesser des Verbindungselements VE
H: - Höhe des Außenrohrs AR
L: - Länge der schlitzförmigen Öffnungen S_A1, S_A2 im Falle gleicher Länge (L = L ₁ = L ₂)
L ₁ , L ₂: - Länge der schlitzförmigen Öffnungen S_A1, S_A2
N: - Anzahl der schlitzförmigen Öffnungen S_A1, S_A2 je Außenring AR₁, AR₂, der Öffnungen S_U1, S_U2 der Umlenkkammer U und der WÜ-Elemente WE₁ und WE₂
S: - Durchmesser schaufelförmig gebogenen WÜ-Elemente WE₁, WE₂ (Schaufeldurchmesser)
T ₁: - Temperatur des ersten Fluids F1
T ₂: - Temperatur des zweiten Fluids F2
ρ: - Teilkreis der einem Kreisbogen folgenden schaufelförmig gebogenen WÜ-Elemente WE₁, WE₂

Claims

Radial-Kreuzstrom-Wärmeübertrager (10, 11, 12), aufweisend ein Außenrohr (AR) und eine in seinem Inneren befindliche konzentrisch gelagerte, beidseitig verschlossene Umlenkkammer (U),
dadurch gekennzeichnet, dass
- sich auf der Außenseite des Außenrohrs (AR) eine Trennvorrichtung (TV) befindet, die das Außenrohr in zwei Außenringe (AR₁, AR₂) aufteilt,

- die Außenringe (AR₁, AR₂) jeweils mit mehreren Öffnungen (S_A1, S_A2) versehen sind,

- die Umlenkkammer (U) zwei Reihen von Öffnungen (S_U1, S_U2) aufweist, deren Anzahl der Anzahl der Öffnungen (S_A1, S_A2) in den Außenringen (AR₁, AR₂) entspricht, wobei sich die erste Reihe der Öffnungen (S_U1) auf gleicher Höhe mit den Öffnungen (S_A1) des ersten Außenrings (AR₁) befindet und sich die zweite Reihe der Öffnungen (S_U2) auf gleicher Höhe mit den Öffnungen (S_A2) des zweiten Außenrings (AR₂) befindet,

- jede Öffnung (S_U1) der ersten Reihe über ein als Hohlkörper ausgebildetes Wärmeübertrager-Element (WE₁) mit einer Öffnung (S_A1) des ersten Außenrings (AR₁) verbunden ist und jede Öffnung (S_U1) der zweiten Reihe über ein als Hohlkörper ausgebildetes Wärmeübertrager-Element (WE₂) mit einer Öffnung (S_A2) des zweiten Außenrings (AR₂) verbunden ist,
sodass ein erster Strömungsweg von den Öffnungen (S_A1) des ersten Außenrings (AR₁) zentripetal durch die Wärmeübertrager-Elemente (WE₁), die erste Reihe der Öffnungen (S_U1) der Umlenkkammer (U), die Umlenkkammer (U), die zweite Reihe der Öffnungen (S_U2) der Umlenkkammer (U), die Wärmeübertrager-Elemente (WE₂) zentrifugal zu den Öffnungen (S_A2) des zweiten Außenrings (AR₂) gebildet wird, in welchem ein erstes Fluid (F1) strömbar ist,
und ein zweiter Strömungsweg, welcher parallel zur gemeinsamen Achse (A) des Außenrohrs (AR) und der konzentrisch positionierten Umlenkkammer (U) durch Zwischenräume zwischen den Wärmeübertrager-Elementen (WE₁, WE₂) verläuft und durch die Innenwand des Außenrohrs AR begrenzt ist, gebildet wird, in welchem ein zweites Fluid (F2) strömbar ist.
Radial-Kreuzstrom-Wärmeübertrager (10, 11, 12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkkammer (U) in zwei Abschnitte geteilt ist, die durch ein Verbindungselement (VE) miteinander verbunden sind, sodass beide Abschnitte der Umlenkkammer (U) frei gegeneinander verdrehbar sind, wobei die Dichtheit der Umlenkkammer (U) gegenüber den Fluiden F1 und F2 gewährleistet ist und ein Massenstrom zwischen den Fluiden F1 und F2 verhindert wird.
Radial-Kreuzstrom-Wärmeübertrager (10, 11, 12) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertrager-Elemente (WE₁, WE₂) schaufelförmig gebogen sind, wobei die Wärmeübertrager-Elemente (WE₁), die mit den Öffnungen (S_U1) der ersten Reihe verbunden sind, in die gleiche Richtung wie die Wärmeübertrager-Elemente (WE₂), die mit den Öffnungen (S_U2) der zweiten Reihe verbunden sind, gebogen sind oder die Wärmeübertrager-Elemente (WE₁), die mit den Öffnungen (S_U1) der ersten Reihe verbunden sind, in die entgegengesetzte Richtung wie die Wärmeübertrager-Elemente (WE₂), die mit den Öffnungen (S_U2) der zweiten Reihe verbunden sind, gebogen sind.
Radial-Kreuzstrom-Wärmeübertrager (10, 11, 12) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (S_A1, S_A2) der Außenringe (AR₁, AR₂) äquidistant über den Umfang der Außenringe (AR₁, AR₂) und die Öffnungen (S_U1, S_U2) der Umlenkkammer (U) in beiden Reihen äquidistant über den Umfang der Umlenkkammer (U) verteilt sind.
Radial-Kreuzstrom-Wärmeübertrager (10, 11, 12) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die als Hohlkörper ausgebildeten Wärmeübertrager-Elemente (WE₁, WE₂) nahe der Umlenkkammer (U) einen Querschnitt in Form eines langgestreckten Rechtecks, dessen Ecken abgerundet sein können, aufweisen, der über ihre Länge gleich bleibt oder sich nach außen hin zu einem Oval oder einem Kreis erweitert.
Radial-Kreuzstrom-Wärmeübertrager (10, 11, 12) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die als Hohlkörper ausgebildeten Wärmeübertrager-Elemente (WE₁, WE₂) als Flossenrohre ausgeführt sind und/oder dass Rippenelemente zwischen benachbarten Wärmeübertrager-Elementen (WE₁, WE₂) und/oder in das Innere der Wärmeübertrager-Elemente (WE₁, WE₂) eingebaut sind.
Radial-Kreuzstrom-Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ausgeführt als integrierter Wärmeübertrager (11), dadurch gekennzeichnet,
dass er in eine Anlage eingebaut wird, die eine innere Wand (WI) bereitstellt, indem das Außenrohr (AR) fluiddicht auf die innere Wand (WI) aufgesetzt wird und ein als äußere Wand dienendes Hüllrohr (HR) bereitgestellt wird, sodass zwischen dem Hüllrohr (HR) und der Wand (WI) mit dem aufgesetzten Außenrohr (AR) eine Außenhülle (AH) gebildet wird, welche durch die bis zum Hüllrohr (HR) reichende Trennvorrichtung (TV) in zwei räumlich getrennte Bereiche (20, 22) getrennt wird, und dass die Wand (WI) mit Öffnungen (S_WI1, S_WI2) ausgestattet wird, die deckungsgleich zu den Öffnungen (S_A1, S_A2) der Außenringe (AR₁, AR₂) positioniert sind,
sodass ein in den ersten Bereich (20) der Außenhülle (AH) zuführbares Fluid (F1) über den ersten Strömungsweg in den zweiten Bereich (22) der Außenhülle (AH) strömbar und aus diesem abführbar ist,
und dass ein zweites Fluid (F2) durch den von der inneren Wand (WI) und das Außenrohr (AR) umschlossenen Raum strömbar ist, wobei es den integrierten Wärmeübertrager (11) entlang des zweiten Strömungswegs durchquert.
Radial-Kreuzstrom-Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ausgeführt als Stand-Alone-Wärmeübertrager (12), dadurch gekennzeichnet, dass er mit einem Hüllrohr (HR) ausgestattet ist, sodass zwischen dem Hüllrohr (HR) und dem Außenrohr (AR) eine Außenhülle (AH) gebildet wird, welche durch eine bis zum Hüllrohr (HR) reichende Trennvorrichtung (TV) in zwei räumlich getrennte Bereiche (20, 22) getrennt ist,
sodass ein in den ersten Bereich (20) der Außenhülle (AH) zugeführtes erstes Fluid (F1) über den ersten Strömungsweg in den zweiten Bereich (22) der Außenhülle (AH) strömbar und aus diesem abführbar ist,
und dass an das Außenrohr (AR) eine Leitung zur Zu- und Abführung eines zweiten Fluids (F2) angeschlossen ist, sodass das zweite Fluid (F2) entlang des zweiten Strömungswegs durch den Radial-Kreuzstrom-Wärmeübertrager (12) strömbar ist.
Radial-Kreuzstrom-Wärmeübertrager (12) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass seine Außenhülle (AH) mit mindestens einem tangentialen Anschluss (T₁), über den das erste Fluid (F1) in den ersten Bereich (20) der Außenhülle (AH) zuführbar ist, und mit mindestens einem tangentialen Anschluss (T₂), über den das erste Fluid (F1) aus dem zweiten Bereich (22) der Außenhülle (AH) abführbar ist, ausgestattet ist.
Modulare Wärmeübertrager-Einheit, aufweisend eine Reihenschaltung aus mehreren Radial-Kreuzstrom-Wärmeübertragern, die als integrierte Wärmeübertrager (11) ausgebildet sind oder aufweisend eine Reihenschaltung oder eine Parallelschaltung aus mehreren Radial-Kreuzstrom-Wärmeübertragern, die als Stand-Alone-Wärmeübertrager (12) ausgebildet sind.
Verwendung eines Radial-Kreuzstrom-Wärmeübertragers, ausgeführt als integrierter Wärmeübertrager (11) gemäß Anspruch 7 oder einer modularen Wärmeübertrager-Einheit gemäß Anspruch 10 in Verbindung mit einer Brennkammer (BK) zur Wärmeübertragung zwischen einem durch die Außenhülle (AH) und über den ersten Strömungsweg strömenden ersten Fluid (F1) und einem durch den von der inneren Wand (WI) der Brennkammer (BK) mit dem aufgesetzten integrierten Wärmeübertrager (11) umschlossenen Raum entlang des zweiten Strömungswegs strömenden zweiten Fluid (F2).
Verwendung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Fluid (F1) nach Durchlaufen der Außenhülle (AH) der Brennkammer (BK) zugeführt und in das zweite Fluid (F2) umgesetzt wird.
Verwendung eines Radial-Kreuzstrom-Wärmeübertragers, ausgeführt als Stand-Alone-Wärmeübertrager (12) gemäß Anspruch 8 oder 9 oder einer modularen Wärmeübertrager-Einheit gemäß Anspruch 10 zur Wärmeübertragung zwischen einem in der Außenhülle (AH) und über den ersten Strömungsweg strömenden ersten Fluid (F1) und einem durch eine beidseitig an das Außenrohr (AR) angeschlossene Leitung und über den zweiten Strömungsweg strömenden zweiten Fluid (F2).
Verwendung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Fluid (F1) Prozessabwärme oder Wärme aus einem Wärmespeicher an das zweite Fluid (F2) überträgt, wobei die Zusammensetzung und die Funktion beider Fluide vertauscht werden können.
Verwendung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Fluid (F2) ein reaktives Gemisch ist, in dem eine Gleichgewichtsreaktion abläuft, und dass durch das erste Fluid (F1) dem zweiten Fluid (F2) Reaktionswärme zugeführt oder von ihm abgeführt wird, wobei die Zusammensetzung und die Funktion beider Fluide auch vertauscht werden können.