EP3546873A1 - Radial cross-current heat transformer - Google Patents
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- EP3546873A1 EP3546873A1 EP18165093.8A EP18165093A EP3546873A1 EP 3546873 A1 EP3546873 A1 EP 3546873A1 EP 18165093 A EP18165093 A EP 18165093A EP 3546873 A1 EP3546873 A1 EP 3546873A1
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- F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
- F28D7/005—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for only one medium being tubes having bent portions or being assembled from bent tubes or being tubes having a toroidal configuration
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- F28D9/0012—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the apparatus having an annular form
Definitions
- the field of the invention relates to renewable energies, in particular the efficiency increase in the production of renewable energies by reducing the release of process heat to the environment.
- the expert WÜ are known in a variety of constructions, eg. B. Rohrbündel-WÜ, plate-WÜ, spiral-WÜ, double-pipe WÜ.
- the components of these usually made of metallic materials WÜ are structurally unevenly thermally stressed. This results in thermal stresses that limit their upper service temperature below 800 ° C, so they are not suitable for the HT range.
- WÜ ensures efficient heat transfer from the entire volume of a fluid F2 flowing in a large diameter tubular inner chamber to a fluid F1 which flows in an outer chamber surrounding the inner chamber in a cylindrically annular manner. Diameters from about 10 cm up to several meters are defined as large diameters in this application.
- the object of the present invention is to provide a HT-WÜ, which has a simple construction, efficient heat transfer (high heat flux) between two flowing in spatially separated chambers fluids F1 and F2 guaranteed, wherein at least one of the chambers has a large dimension (approx 10 cm or larger) across the flow direction, which is suitable for operation in the HT range is suitable up to 1100 ° C and thereby has a high robustness, cycle resistance (thermal shock resistance) and service life.
- the HT-WÜ should be suitable for industrial plants, especially power plants and chemical reactors. It should be constructed of materials whose costs are acceptable for the respective application.
- R-KS-WÜ radial cross-flow heat exchanger
- the R-KS-WÜ 10 according to the invention is in Fig. 1 schematically in isometric projection according to DIN ISO 5456-3 and in Fig. 2a-c shown in side view, wherein Fig. 2a the components, Fig. 2b and 2c Play the dimensions. It has an outer tube AR, which is designed in the form of a cylinder jacket and whose diameter D , as explained in Example 1, according to the geometry of a plant in which the R-KS-WÜ is installed and to be used, is selected.
- the preferred diameter D of the outer tube AR is in the range 0.3 m ⁇ D ⁇ 2.0 m, when the R-KS-WÜ is designed as a stand-alone heat exchanger (SA-WÜ), and in the range 1.5 m ⁇ D ⁇ 10 m when the R-KS-WÜ is designed as an integrated heat exchanger (I-WÜ).
- the range is preferably 2.5 m ⁇ D ⁇ 4 m.
- the height H of the outer tube AR should be selected from the range 0.4 D ⁇ H ⁇ 1.8 D.
- the outer tube AR of height H has two sections of equal height H / 2, which are referred to below as outer rings AR 1 and AR 2 .
- the openings S 1 , S 2 may in particular have the shape of an elongated rectangle or be designed as elongated holes in which the narrow sides of the rectangle are replaced by semicircles.
- a first fluid F1 can be supplied via the openings S A1 and can be discharged via the openings S A2 .
- the openings S A1 , S A2 are distributed equidistantly over the circumference of the outer rings AR 1 , AR 2 , ie have, viewed from the cylinder axis, equidistant angular distances. Variable angular distances would be possible, but complicate the structure unnecessarily and affect the operation of the R-KS-WÜ and the homogeneity of the flow profile of a flowing in the axial direction of the second fluid F2.
- both outer rings also have the same number N , shape and arrangement of the openings S A1 , S A2 , so that they are made completely identical.
- two openings S A1 and S A2 can be exactly next to each other, but they can also, as in Fig. 1 by way of example, have an arbitrary offset ⁇ ⁇ D / N relative to one another.
- Umlenkrippen ULR On the outside of the outer tube AR, as in Fig. 2a and 2b recognizable, Umlenkrippen ULR attached, which serve to the parallel to the axis A of the R-KS-WÜ incoming first fluid F1 to the openings S A1 zuzuleneken and flowing out of the openings S A2 first fluid F1 again in a direction parallel to the axis A of To redirect R-KS-WÜ.
- the Umlenkrippen ULR thus have the function of vanes.
- the R-KS-WÜ has a cylindrical, ie tubular, running deflection U with the diameter d .
- the diameter d of the deflection chamber is smaller than the diameter D of the outer tube AR. It is located, like Fig. 1 shows, inside the outer tube AR and is mounted concentrically to this, so that the arrangement an axis of symmetry, hereinafter referred to as axis A receives.
- the diameter d of the deflection chamber is to be selected from the range ( D - 0.7 m) ⁇ d ⁇ ( D - 0.2 m).
- the deflection chamber U is not designed as a cylinder jacket, but as a hollow cylinder closed on both sides with a cylinder jacket Z U and closures G U on its base surface and D U on its top surface.
- Fig. 2a is the hidden deflection U marked with the closures G U and D U by a dashed line.
- the height of this arrangement corresponds to the height H of the outer tube AR.
- the closure G U is omitted in order to look into the interior of the deflection chamber U.
- the closures may be in the form of circular plates, for. B. as blind flanges, executed.
- the cylinder jacket Z U is equipped with two rows of slot-shaped openings S U1, S U2 , the same length L and, relative to the axis A of the deflection chamber U, the same angular distances as the openings S A1 , S A2 of the outer rings AR 1 and AR 2 to have.
- the two rows of openings S U1 , S U2 are parallel to each other at a distance of 2 a . Their distance from the base or top surface of the deflection U is in each case a .
- the deflection chamber U is positioned in the interior of the arrangement with the outer rings AR 1 and AR 2 that the first row of their openings S U1 in a plane, ie at the same height, with the openings S A1 of the first outer ring AR 1 , the second Row of their openings S U2 in a plane, ie at the same height, with the openings S A2 of the second outer ring AR 2 is located.
- the openings S U1 , S U2 are distributed equidistantly in both rows over the circumference of the deflection chamber U.
- Each opening S U1 is connected via a designed as a hollow body heat exchanger element (hereinafter: WÜ element) WE 1 with an opening S A1 .
- each opening S U2 is connected via a trained as a hollow body WÜ element WE 2 with an opening S A2 .
- the WÜ element WE 1 or WE 2 is designed as a hollow body whose internal dimensions are adapted to the dimensions of the openings S A1 , S A2 , S U1 , S U2 .
- the length of the cross section of the WÜ elements is consistent with the length L of these openings.
- the width B WE of its cross section is selected from the range 3 mm ⁇ B WE ⁇ 20 mm.
- the WÜ element near the deflection chamber U should have a cross-section with a small width B WE , which can be increased with increasing distance from the deflection chamber U, ie towards the outside.
- the shape of the cross section is extended by an elongated rectangle with possibly rounded corners in an oval or a circle.
- the wall thickness of the WÜ elements is preferably in the range between 0.5 mm and 2.5 mm. The expert selects the exact value for the wall thickness from the expected during operation of the R-KS-WÜ pressure differences between the fluids F1 and F2.
- the walls of the outer tube AR and the deflection chamber are less involved in the heat transfer compared to the walls of the WÜ elements and can therefore be designed with a higher wall thickness.
- the wall thicknesses of the outer tube AR and the deflection chamber U are in the range between 1 mm and 5 mm. Again, the expert selects the exact value based on the expected operating conditions, in particular the expected pressure differences and temperatures from.
- the lowest possible wall thicknesses should be selected for the WÜ elements.
- the outer tube AR and the deflection chamber U are not so much involved in the heat transfer and can therefore be provided with a higher wall thickness.
- the band-shaped WÜ elements can be guided on the shortest path, ie in a straight line, from an opening S U1 or S U2 to the nearest opening S A1 or S A2 . Preferably, however, they are curved blade-shaped and are guided to an offset on the outer ring opening S A1 and A2 S.
- the advantages of this blade-shaped embodiment are explained in Example 1, Section 1b).
- the blade-shaped bend of the WÜ elements follows a circular arc. It describes a pitch circle whose size ⁇ is to be selected from the range 100 ° to 200 °.
- the blade diameter S defined by The diameter of the circle to which the circular arc described by the blade cross-section belongs is selected from the range 0.6 ⁇ ( D - d ) ⁇ S ⁇ 0.9 ⁇ ( D - d ).
- a circular arc it is also possible to select a geometry deviating from the circular shape, for example, a spiral bending of the WÜ elements can take place.
- the amount of heat transferred by the WÜ elements WE 1 , WE 2 can be increased if the WÜ elements are designed as fin tubes, ie, fin-like planar structures are placed outside on the WÜ elements WE 1 , WE 2 . Fin tubes are known in the art.
- Another preferred way to increase the amount of heat transferred is to use rib members, e.g. B. corrugated fins which are installed between adjacent WÜ elements WE 1 and / or WE 2 . Also suitable are so-called lamellar gratings, which have intersecting rib elements. The installation of rib elements is explained in detail in Example 1, Section 1
- FIG. 3 A front view of the outer ring AR 1 with the WÜ elements WE 1 , shows for a selected circular arcuate WÜ element WE 1 * the associated blade diameter 5 and the pitch circle ⁇ and, by way of example, a single corrugated fin WR.
- the axis A directed perpendicular to the plane of the drawing is symbolized by a dot.
- the number N of blade-shaped WÜ elements to be connected to an outer ring is limited by the diameter d of the deflection chamber U. It should be selected from the range 50 ⁇ d / [m] ⁇ N ⁇ 150 ⁇ d / [m], where d is the distance in meters. N WÜ elements WE 1 and to the outer ring AR 2 N WÜ elements WE 2 are thus connected to the outer ring AR 1 .
- the scoop-shaped WÜ elements WE 1 and WE 2 may be bent in the same direction but, in a preferred embodiment, they may also be bent in opposite directions. When bending in opposite directions, a more favorable flow guidance is achieved, since the swirl of the flow, based on the outer tube AR and the deflection chamber U, is maintained.
- the scoop-shaped design of the WÜ elements WE 1 and WE 2 has several technical advantageous effects, which are explained in detail in Example 1, Section 1b).
- a second flow path, in which the second fluid F2 is flowable, predetermined, which is parallel to the common axis of the outer tube AR and the concentrically positioned deflection U through the spaces between the WÜ elements WE 1 and WE 2 passes through and the inner wall of the outer tube AR is limited.
- Such a defined flow path must also be provided for the supply and discharge of the first fluid F1.
- a cladding tube HR with a diameter D HR which is greater than the diameter D of the outer tube AR.
- the cladding tube diameter D HR is selected from the interval 1.05 D ⁇ D HR ⁇ 1.3 D.
- the cladding tube HR and the outer tube AR then define a cylindrical ring-like space with an annular cross-section. This cylindrical space, hereinafter referred to as outer shell AH, forms the flow path for the supply and discharge of the first fluid F1.
- Fig. 4 shows in a simplified schematic representation of a section through an R-KS-WÜ according to Fig. 2a which is surrounded by a limited by a cladding HR cylindrical outer shell AH.
- the symmetry axis A lies in the cutting plane and runs along the axis of the deflection chamber U.
- the base and top surfaces of the deflection chamber U are shown completely (not as a section).
- An up to the cladding tube HR reaching from the outer tube AR separator TV divides the outer shell AH in a first region 20 in which the supply of the first fluid F1 to the WÜ elements WE 1 is carried out and in a second region 22 in which the removal of the first Fluids F1 from the WÜ elements WE 2 takes place.
- the flow path of the first fluid F1 is marked by arrows.
- the scoop-shaped WÜ elements WE 1 , WE 2 are simplified symbolized by two planar connections.
- the separating device TV separates the cylinder-ring-like outer casing AH into two sections 20 and 22.
- a first fluid F1 fed to the outer casing flows from the section 20 of the outer casing AH through the WÜ elements WE 1 to the deflection chamber U, flows through the latter and flows through the WÜ elements WE 2 to section 22 of the outer shell AH.
- the first fluid F1 using the Fig. 2a and 2b known (in Fig.
- Umlenkrippen guided which direct the first fluid F1 in the section 20 in the direction of the openings S A1 and in the section 22 of the openings S A2 back in the original direction.
- the Umlenkrippen are placed on the outer tube AR and are designed so high that they reach into the vicinity of the cladding tube HR. Preferably, they lie with their upper edges on the cladding tube HR, but no absolutely tight connection between the cladding tube and the Umlenkrippen, z. B. produced by welding, is required. It may also remain a gap of 0.5 mm to 5 mm between the upper edges of the baffles and the cladding.
- Fig. 4 indicated by the horizontal dashed lines, which extend the cladding tube HR and the outer tube AR, it is possible to continue the outer shell AH over its entire annular cross-section as far as desired in order to realize an I-WÜ and / or a series connection of I-WÜ , Furthermore, it is possible to lead away from individual sections of the outer shell AH one or more pipe connections to realize a SA-WÜ or a series circuit of SA-WÜ.
- the supply and discharge of the first fluid F1 takes place in both cases parallel to the axis of the arrangement. Before and behind the separator TV takes place, supported by the Fig. 2a, b known, in Fig.
- Deflection ribs not shown, a deflection of the flow by 90 ° in order to supply the first fluid F1 to the WÜ elements WE 1 or to remove it from the WÜ elements WE 2 . These deflections brake the flow, lead to the formation of vortices and introduce turbulence into the laminar flow profile of the first fluid F1.
- Fig. 5 shows a schematic representation of an improved embodiment of a SA-WÜ, which avoids these adverse effects. It differs from the embodiment in FIG Fig. 4 in that the openings of the outer shell AH, which ensure the supply and discharge of the first fluid F1 parallel to the axis A of the arrangement, are closed by closures 24. They are replaced by openings 26 in the cladding tube HR, which allow the connection of pipes through which the first fluid F1 can be fed perpendicular to the axis of the arrangement.
- Several such connection possibilities for the supply as well as for the discharge of the first fluid F1 can be provided, which are distributed over the circumference of the cladding tube HR, preferably at uniform angular intervals.
- the pipe connections are made inclined so that a tangential Supplying the first fluid F1 into the outer shell AH takes place, whereby a circular flow is generated in the outer shell.
- the direction of inclination of the pipe connections which determines the direction of rotation of the circular flow, is selected so that it corresponds to the direction of rotation of the WÜ elements WE 1 and WE 2 connected to the outer pipe AR.
- the first fluid F1 is almost rectilinearly guided into the N channels formed by the WÜ elements WE 1 and led out almost in a straight line from the N channels formed by the WÜ elements WE 2 .
- the number of openings 26 for pipe connections for the supply and discharge of the first fluid F1 can each be selected between 1 and N. In the case of N openings 26 thus each WÜ element is assigned a port. In each case 2 to 6 openings 26 are preferred for the supply and discharge of the first fluid F1. Further explanations are given in Example 2 in conjunction with Fig. 11 given.
- Fig. 4 and 5 also show the position of a connecting element VE in the deflection U.
- This connection element is in Example 1, Section 1b), explained in more detail, as well as the conditions are called, under which it is necessary or dispensable.
- All components of the R-KS-WÜ are made of HT-resistant materials.
- HT-solid metals are preferred, in particular heat-resistant steel.
- Suitable is z. B. grade 1.4841 steel (in accordance with standard EN 10095), which has high oxidation and chemical resistance at temperatures up to 1100 ° C (source: https://www.stahl- pro.de/download/rtzblatt%204841.pdf .pdf, retrieved on 28.03.2018).
- At least the WÜ elements WE 1 and WE 2 must be able to conduct high heat fluxes in addition to their HT strength. For this purpose, they are thin-walled and / or run from naval lockeritstationem material. A thin-walled version with wall thicknesses of approx.
- nickel alloys special ceramics with high thermal conductivity, z. Based on SiC and AlN, as well as composites.
- the skilled person is able to calculate the required wall thickness of the WÜ elements for his specific application and to determine the necessary amount of material and their costs. He can thus judge whether the use of these more expensive materials compared to steel will pay for itself over the entire, multi-year, service life of the R-KS-WÜ.
- the R-KS-WÜ makes it possible to control even difficult process conditions due to its simple radially symmetrical construction, through which the process-related pressure and temperature loads are evenly distributed to the radially symmetric components, in particular the WÜ elements WE 1 , WE 2 .
- the flow paths of the fluids F1 and F2 used can have a spatial connection with one another, which allows a mass flow of the first fluid F1 into the flow path of the second fluid F2 and vice versa.
- this spatial connection must not be within an R-KS-WÜ. It is positioned at a location of the flow path at which the first fluid F1 has already flowed through the outer casing AH and the R-KS-WÜ, in the case of a modular heat exchanger unit all the associated R-KS-WÜ.
- the first fluid F1 can be conducted there into the flow path of the second fluid F2 and, optionally after a chemical reaction, as a second fluid F2 in a cross-flow against the first fluid F1 continue to flow. Such a case is explained in Example 1, section 1c), using the example of a combustion chamber.
- the fluids F1, F2 used can be gaseous or liquid in any combination. In special applications, d. H. if their critical pressure and their critical temperature are exceeded, they can also be in the supercritical state. Likewise, the state of aggregation of the fluids F1 and F2 may change upon heat transfer between them. For example, a fluid can pass from the gaseous to the liquid state with the release of heat (condensation) or can be converted from the liquid to the gaseous state by heat absorption (evaporation).
- the fluids F1 and / or F2 may also be aggressive, chemically reactive substances. These are manageable since the person skilled in the art, as explained in Example 1, Section 1b), has a great freedom in the choice of material for the R-KS-WÜ. He can thus select materials that have a permanent chemical resistance to the fluids F1 and / or F2.
- I-WÜ R-KS-WÜ is suitable for technical systems, which have a cylindrical wall WI.
- Such combustion chambers achieve a flow rate of about 5,000 - 100,000 Nm 3 / h (standard cubic meter per hour), for which the I-WÜ must be designed.
- An envelope tube HR is provided, which surrounds the cylindrical wall WI with the attached outer tube AR in a concentric arrangement, so that a cylindrical ring-like outer envelope AH is formed between the envelope tube HR and the cylindrical wall WI with the attached outer tube AR.
- a first fluid F1 is flowable, through the cylindrical inner chamber IK of the system, which is bounded by the wall WI to the outside, a second fluid F2 is flowable. Both flows are substantially parallel to the axis of the system and may be directed parallel to one another or antiparallel.
- the first fluid F1 it is possible for the first fluid F1 to have a lower temperature than the second fluid F2, so that thermal energy is transferred from the second fluid F2 through the wall WI to the first fluid F1.
- the first fluid F1 has a higher temperature than the second fluid F2, so that thermal energy is transferred from the first fluid F1 through the wall WI to the second fluid F2.
- the heat transfer is limited to an approximately 0.5 cm to 1 cm (with laminar flow) and to about 10 cm ( in turbulent flow) thick boundary layer of the second fluid F2, which is adjacent to the wall WI.
- the design of the wall WI as a cylinder which provides only a small surface for the heat transfer, limits the heat transfer.
- WÜ the design of the wall WI as a cylinder
- Fig. 6 outlined an inventive I-WÜ 11, which is integrated in a system 30, in this case placed on this is.
- the flow path of the fluid F1 is changed as follows by the I-WÜ integrated in the system 30:
- the separating device TV closes the fluid F1 the direct path through the cylinder-ring-like outer casing AH.
- two interconnected openings S WI1 , S A1 in the region of the outer ring AR 1 and S WI2 , S A2 in the region of the outer ring AR 2 open a new flow path consisting of N channels, which flows from the outer shell AH through each of the openings S WI1 , S A1 continues through the connected WÜ element WE 1 to an opening S U1 of the deflection chamber U, continues along the axis of the deflection chamber U in the region of the openings S U2 and from each of these openings by the connected WÜ Element WE 2 leads to one of the openings S WI2 , S A2 and from there back into the outer shell AH on the original flow path of the fluid F1.
- I-WÜ 11 R-KS-WÜ The executed as I-WÜ 11 R-KS-WÜ is intended for use in plants of thermal process engineering, in which a first fluid F2 in an inner chamber IK and a second fluid F2 in a the inner chamber IK surrounding, of this by separate the wall WI, outer shell AH.
- the flow direction of the two fluids is usually antiparallel (countercurrent principle).
- a heat transfer between the two fluids takes place outside of the I-WÜ substantially by heat conduction through the wall WI and is limited by the thickness, the thermal conductivity of the material of the wall WI and their small area.
- the heat transfer coefficients of the fluids determine the thermal resistance.
- Fig. 6 shows in a schematic representation in addition to the installation of an I-WÜ in a plant also changed with his help flow pattern.
- the scoop-shaped WÜ elements WE 1 , WE 2 are simplified symbolized by two planar connections.
- I-WÜ 11 provides an additional area for heat transfer by conduction.
- This additional surface is formed by the wall surfaces of the scoop-shaped WÜ elements WE 1 , WE 2 , which are also advantageously distributed over the entire cross section of the inner chamber IK, in which the fluid F 2 flows.
- the additional area for the heat transfer can be set arbitrarily large by the number N, width and length of the blade-shaped WÜ elements WE 1 and WE 2 are adjusted so that the required area is obtained. If the area provided by a single I-WÜ 11 is not sufficient for the required heat recovery, then, as in Fig. 7 shown schematically, a series connection of several I-WÜ 11 can be realized. The distance between the individual I-WÜ can be reduced so far that the tubes of the deflection chambers U are brought together. In this case, the deflection chambers but by at least one closure G U or D U (see Fig. 2a ) stay disconnected.
- Fig. 8 schematically shows the flow through the WÜ elements:
- the first fluid F1 flows, as in Fig. 8a shown, from the outer shell AH through the openings S A1 of the outer ring AR 1 in the WÜ elements WE 1 , centripetal through this through the openings S U1 in the deflection U, flows through this in the direction of its axis and then flows, as in Fig. 8b shown, via the openings S U2 in the WÜ elements WE 2 , centrifugally through this through the openings S A2 of the outer ring AR 2 in the outer shell AH back.
- the WÜ elements WE 1 , WE 2 take place by heat conduction an intense heat transfer between the two fluids F1 and F2 (assuming a temperature difference between the two), which is ensured by the following structural features:
- the WÜ elements WE 1 , WE 2 have a large specific surface (given by the quotient of their surface area and their volume) due to their cross-section in the form of an elongated rectangle, which may be rounded at the ends.
- the WÜ elements are made thin-walled, whereby their thermal resistance is minimized.
- the centripetal and centrifugal flow of the first fluid F1 can be summarized by the term radial flow .
- the second fluid F2 flows in the inner chamber through the intermediate spaces between the respective N WÜ elements WE 1 and WE 2 , thus crosses the flow path of the first fluid F1 divided into 2 N channels. This also explains the term radial cross-flow heat exchanger R-KS-WÜ.
- a second advantageous technical effect of the blade-shaped WÜ elements consists in the substantial avoidance of thermal stresses in the arrangement of the R-KS-WÜ.
- Thermal stresses are to be understood here as thermally induced mechanical stresses which are based on the different thermal expansion of the materials used.
- a temperature difference occurs between the WÜ elements WE 1 at the level of the outer ring AR 1 and the WÜ elements WE 2 at the level of the outer ring AR 2 , so that the WÜ elements WE 1 and WE 2 expand to different degrees, resulting in a Twisting (torsion) of the deflection U leads.
- This twisting causes thermal stresses in the deflection chamber U, which are particularly large when the WÜ elements WE 1 and the WÜ elements WE 2 are bent in opposite directions, which can lead to material fatigue.
- the deflection chamber U is divided at half its height into two sections and at this position a fluid-tight connecting element VE used (see Fig. 6 ).
- This connecting element VE ensures that both sections of the deflection chamber U are freely rotatable relative to each other, but the tightness of the deflection chamber U with respect to the fluids F1 and F2 is still ensured, ie, a mass flow between the fluids F1 and F2 is prevented.
- the execution of the connecting element VE is at the end of the application based on Fig. 15 explained.
- the components of the R-KS-WÜ can also be made of different materials whose coefficients of thermal expansion differ considerably, can be made without previously extensive simulations or experiments on the long-term stability and thermal shock resistance of the R-KS-WÜ must be performed. Different materials can thus be used flexibly. These materials can also be taken from different classes of materials. There are z. As metallic components, ceramic components and / or composite materials can be combined.
- a third advantageous technical effect of the blade-shaped WÜ elements is the optimization of the flow behavior of the second fluid F2, which flows through the spaces between the WÜ elements in the axial direction of the R-KS-WÜ.
- the blades of the WÜ elements WE 1 and the WÜ elements WE 2 are bent in different directions.
- Such an optimized flow profile, ie a homogeneous, preferably laminar, flow of the second fluid F2 is aimed at, for example, for a combustion chamber with an exhaust duct arranged above it.
- the R-KS-WÜ not only allows the heat energy of hot combustion gases to be used effectively, but also causes a low-turbulence flow of the second fluid F2 when it successively flows through the two rows of oppositely bent WT elements WE 1 and WE 2 , As a result, flow pressure losses of the second fluid F2 are kept low.
- Fig. 9 shows a view in the direction of the axis of an R-KS-WÜ, in which the WÜ elements WE 1 are bent to the left, the underlying WÜ elements WE 2 to the right. In the center is the deflection chamber U, whose interior is covered by the shutter Gu.
- rib elements are installed in the spaces between each two adjacent WÜ elements WE 1 and / or in the spaces between each two adjacent WÜ elements WE 2 , so that the spaces receive an additional grid structure with flow channels parallel to the axis of the R-KS-WÜ.
- Suitable as rib elements are sheet-like structures known to the person skilled in the art as corrugated ribs, made of highly heat-conductive, HT-solid material, eg. B. metal bands.
- the corrugated fins should have the same width as the WÜ elements WE 1 , WE 2 , so that they wave each two adjacent WÜ elements on their entire width, in Fig. 9 So their dimension perpendicular to the plane, connect with each other.
- corrugated fins in Fig. 9 were a single corrugated rib WR in Fig. 3 located.
- all adjacent WÜ elements WE 1 and WE 2 are connected by such corrugated fins, so that the entire cross section of the inner chamber IK is crossed by corrugated fins.
- the corrugated fins effectively remove thermal energy from the second fluid F 2 flowing through the grid structure, and on the other hand, they laminarize the flow of the second fluid F 2, so that an advantageous low-turbulence flow behavior is impressed on it.
- the connecting regions between the WÜ elements and the corrugated fins are preferably designed flat with a height of a few millimeters, so that a sufficiently large contact surface for the heat transfer from the corrugated fins to the WÜ elements is provided.
- the grid formed by the corrugated ribs thereby receives a distorted honeycomb-like shape. If only the flow profile is to be optimized, the corrugated ribs can also be made of any HT-solid material. They should have a smooth surface.
- the interior of the WÜ elements WE 1 , WE 2 with rib elements R (recognizable in Fig. 1 ) to enhance heat transfer to the first fluid F1 flowing therein. This is particularly useful when the width B WE of its cross-section, as described above, is increased to the outside.
- Fig. 10a shows a schematic representation of a combustion chamber BK, on the wall WI a series circuit of three I-WÜ is placed, which form a take-off shaft K.
- This arrangement is surrounded by an outer shell AH.
- the outer shell AH is bounded on the inside by the wall WI and the outer tubes AR of the I-WÜ and on the outside by the jacket tube HR.
- the separation device TV every I-WÜ interrupts the direct flow of a flowing from above into the outer shell AH first fluid F1, so this in a known manner by the WÜ elements WE 1 to the deflection chamber U and after flowing through the same via the WÜ elements WE 2 flows back into the outer shell AH.
- the first fluid F1 After flowing through all three I-WÜ the first fluid F1 is supplied via one or more supply lines Z of the combustion chamber BK.
- the first fluid F1, in which it is z. B. may be air, with a fuel that may be solid, liquid or gaseous, brought into contact and reacted in a chemical combustion process with heat generation in a second fluid F2, here in hot combustion exhaust air with high CO 2 content.
- the second fluid F2 flowing transversely (cross-flow) through the interstices between the WÜ elements of I-WS, makes thermal contact with the first fluid F1 flowing in the WÜ elements, passing over the high heat-conductive walls the WÜ elements heat energy from the second fluid F2 is transferred to the first fluid F1.
- the residual heat contained in the second fluid F2, ie the combustion exhaust air is thus effectively utilized by being used to preheat the first fluid F1 flowing to the combustion process. The efficiency of the combustion process is thereby increased.
- the plant in operation uses the known chimney effect, wherein the outflowing second fluid F2 generates a negative pressure, so that the first fluid F1 (air to atmospheric pressure) is continuously sucked.
- air could be supplied as the first fluid F1 and oxygen or a combustible gas mixture, including but further technical measures (pipe feeds) are necessary.
- Each N 90 WÜ elements WE 1 and WE 2 connect the outer rings AR 1 , AR 2 with the deflection chamber U.
- the outer tube and the deflection chamber receive a wall thickness of 1 mm
- the WÜ elements WE 1 , WE 2 has a wall thickness of 0.5 mm.
- the WÜ elements WE 1 and WE 2 are in opposite Directions bent.
- the resulting twisting (torsion) of the deflection chamber U during operation is compensated by a connecting element VE built into it.
- the width B WE of the cross section of the WÜ elements, which is available for the flowing first fluid F1 is 10 mm.
- the cladding HR has a diameter of 2.4 m.
- the disc-shaped separating device TV therefore has an outer diameter of 2.4 m and an inner diameter of 2.0 m. All components are made of high-temperature resistant steel.
- Fig. 10b schematically shows in half side view (bottom) and in section along the plane X - X (top) an embodiment in which a series circuit of I-WÜ 11 is installed at the same level with a combustion chamber BK and thus surrounds. Compared to the previously described arrangement in Fig. 10a the total height of the arrangement can be reduced here to the height of the combustion chamber BK.
- the cylindrical combustion chamber BK is closed at its top by a HT-solid top De and surrounded by a cylindrical ring-like recirculation chamber RK.
- a cylindrical ring-like recirculation chamber RK In the area immediately below the ceiling De there is an annular connection between the combustion chamber BK and the return chamber RK.
- the return chamber RK is surrounded by the likewise cylindrical ring-shaped deflecting chambers U of the series connection of I-WÜ 11.
- This series connection can be formed from a freely selectable number ⁇ 1 of I-WÜ (ie also by only one I-WÜ 11).
- Fig. 10b For example, a series connection of four I-WÜ 11 is shown.
- the deflection chambers U are surrounded in a known manner with outer tubes AR having sections AR 1 and AR 2 , which are connected by WÜ elements WE 1 and WE 2 with the deflection chambers.
- the WÜ elements WE 1 , WE 2 are curved like a blade.
- the entire assembly is surrounded by a cladding tube HR, so that an outer shell AH between the cladding tube HR and the outer tubes AR is formed.
- annular connection VB 2 from the return chamber RK to the cylindrical annular space in which the WÜ elements WE 1 , WE 2 extend.
- At the top of this cylindrical ring-like space is an outlet opening AO.
- the cladding tube HR has an inlet opening EO at the level of the first outer ring AR 1 of the uppermost I-WÜ.
- the deflection chambers U are separated from each other by their closures G U , D U , wherein the immediately adjacent closures G U , D U can be combined to form a single closure G U + D U.
- Each I-WÜ 11 has a separator TV, which is placed on its outer tube AR between the outer rings AR 1 , AR 2 and the cladding tube HR separates at this position.
- the combustion chamber BK, the recirculation chamber RK, the deflection chambers U and the cladding tube HR are arranged concentrically.
- a first fluid F1 (dashed arrows), which generally ambient temperature is supplied via the inlet opening EO the uppermost portion of the cladding tube HR, centripetally flows through the WÜ elements WE 1 of the uppermost I WÜ 11 to the deflection chamber U, flows through this, then flows centrifugally through the WÜ elements WE 2 of the uppermost I-WÜ 11 back to the lying below the uppermost portion of the cladding tube HR. Starting from there, the described flow pattern is repeated until all I-WÜ 11 have passed. From the lowermost portion of the cladding tube HR, the first fluid F1 is then supplied via the connection VB 1 of the combustion chamber BK.
- Fig. 11 shows a concrete embodiment of the in Fig. 5 schematically represented SA-WÜ.
- the SA-WÜ 11 is mounted on a holder comprising a base plate GP and a plurality of holding plates HP (partly hidden) with its axis directed horizontally. He has the known structure with an outer tube AR and a deflection U, which are connected by partially hidden WÜ elements WE 1 and by WÜ elements WE 2 . In addition, it is equipped with its own outer shell AH, which is limited by a cladding HR. The outer shell is divided in a known manner by a hidden separator.
- the cladding tube HR is provided with three evenly distributed over its circumference, ie offset here by 120 °, tangential ports T1, T2, via which a first fluid F1 fed and can be derived again after flowing through the SA-WÜ.
- the tangential ports T1, T2 are formed by pipe sockets, which are inclined so that they continue the curvature of the outer shell AH straight outward. They are oriented so that they point in the direction of the blade-shaped bend of the WÜ elements WE 1 and WE 2 , so that the first fluid F1 without abrupt deflections at large angles (eg 90 °, 180 °) from the terminals T1 in the WÜ elements WE 1 flow in and can flow out of the WÜ elements WE 2 to the connections T2.
- large angles eg 90 °, 180 °
- a second fluid F2 is parallel to the axis of the assembly, which in Fig. 11 is illustrated by two arrows.
- a series connection of several SA-WÜ 12 can be realized in a simple manner. As Fig.
- Fig. 13 shows a further embodiment of a SA-WÜ 12, which causes an improved flow behavior.
- tangential ports T1, T2 are used with an elongated cross section, the length of the length L of the slot-shaped openings in the (hidden) outer tube AR, for the supply and discharge of the first fluid F1.
- the first fluid F1 can thereby flow with reduced flow resistance into the WÜ elements WE 1 and out of the WÜ elements WE 2 .
- To the terminals T1, T2 lines are connected, which supply the first fluid F1 of remotely located equipment to the SA-WÜ and lead away from it.
- SA-WÜ shown has in each case 4 ports T1 and T2 (2 of which visible, two concealed on the back), which extend over in each case over a 90 ° angle region of the circumference of the SA-WÜ.
- the terminals T1 and T2 assume also the function of a separator, thereby ensuring that the first fluid F1 to the predetermined flow path (covered) by the WÜ elements WE 1, the deflection chamber U and the WÜ elements WE 2 follows.
- Via the outer flanges AF 1 , AF 2 further SA-WÜ can be connected to form a series connection.
- Fig. 14 shows an embodiment of a series connection of two SA-WÜ, which also have the advantageous tangential ports T1, T2 with elongated cross-section.
- a first fluid F1 is fed via the connections T1 to the first SA-WÜ, passed in a known manner through its (covered) deflection chamber and exits via (unrecognizable) connections T2, which are covered by a deflecting tube UR 1 .
- the deflection tube thus has the function of a cladding tube.
- Umlenkrippen below the deflection tube UR 1 are hidden Umlenkrippen, as they are made
- Fig. 2 are known which extend into the region of the deflection tube UR 2 , which is part of the second SA-WÜ.
- the deflecting ribs are placed on the concealed outer tube and are designed so high that they reach into the vicinity of the deflection tubes UR 1 , UR 2 . Preferably, they are with their upper edges on the deflection tubes UR 1 , UR 2 , but no absolutely tight connection between the deflection tubes and the Umlenkrippen, z. B. produced by welding, is required. It may also remain a gap of 0.5 mm to 5 mm between the upper edges of the baffles and the deflection tubes.
- the first fluid F1 is directed by these deflecting ribs in the direction of the second SA-WÜ, which in Fig.
- the graphite belts GB allow sliding of the sections of the deflection chamber, that is to say a rotation of the sections, but enclose the sections in a fluid-tight manner. So that the sections can be safely positioned, a minimum width B VE of the connecting element VE between 2 cm and 5 cm is to be selected, depending on the diameter d of the deflection chamber.
- the illustrated invention is not limited to the presented embodiments. These can be combined in an advantageous manner.
- the in Fig. 10 imagined combustion chamber to be converted into a chemical reactor.
- the flow paths of the fluids F1 and F2 are to be separated and to close the combustion chamber pressure-tight with arranged above the exhaust duct.
- the feed for the fluid F1 are to be closed parallel to the axis of the arrangement and the discharge of the first fluid F1 to the combustion chamber. They are due to tangential inflows and outflows of the fluid F1 as in the Fig. 11 and 12 replaced SA-WÜ.
- Both fluids can be supplied and removed via pressure-resistant pipelines, it being possible for process heat from the second fluid F2, which flows through the combustion chamber, which has been converted into a chemical reactor, to be transmitted to the first fluid F1 via the I-WS. This can be done both a heat and a heat dissipation.
- the R-KS-WÜ described in this application are oriented horizontally or vertically by way of example. It is of course possible to align the arrangements as desired, that is, to choose any inclination angle for the flow path of the fluid F2.
- individual components of the R-KS-WÜ can be produced by additive manufacturing, also known as 3D printing.
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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.The invention relates to a suitable for the high temperature range up to 1100 ° C heat exchanger, which ensures efficient heat transfer between two flowing in spatially separated, concentrically arranged chambers fluids, wherein at least the inner chamber has a large dimension up to several meters transverse to the flow direction of in this Chamber having flowing fluid.
Description
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.The field of the invention relates to renewable energies, in particular the efficiency increase in the production of renewable energies by reducing the release of process heat to the environment.
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 %.Conventional power plants, based on the fossil fuels coal, oil, natural gas and nuclear fuel, discharge the process waste heat generated during their operation usually unused via cooling towers in the environment. They therefore only achieve efficiencies of less than 40%, older coal plants even under 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.The transition to a zero-emission energy industry that is needed worldwide requires not only the transition to renewable energy sources (solar heat, biogas, straw, wood), but also an efficiency revolution: the efficiency of power plants based on renewable energy sources must be higher than that of conventional power plants drastically increased. For this, the processes at higher temperatures, d. H. in the high temperature (HT) range (> 800 ° C, preferably up to 1100 ° C), and with large temperature differences, resulting process waste heat must be used optimally. Dynamic storage for large volumes of renewable energy is required, which in addition to the limited available mechanical (eg pumped storage, compressed air storage) and chemical storage (costly batteries) and thermal energy storage are required, which are suitable for returning this thermal energy in power plant processes ,
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.Efficient, durable and robust heat exchangers (WÜ), which are also known to the person skilled in the art as heat exchangers, are required for the energy transfer between different media to be ensured.
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.In heat exchangers flow two fluids F1, F2 with different initial temperature in directly adjacent chambers, which are separated by a highly heat-conducting partition, z. B. a metallic partition, are separated. In this case, heat energy is transferred from the fluid of higher temperature via the highly heat-conductive partition to the fluid of lower temperature. The term "fluid" in this application includes gases, liquids and supercritical media.
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.The expert WÜ are known in a variety of constructions, eg. B. Rohrbündel-WÜ, plate-WÜ, spiral-WÜ, double-pipe WÜ. The components of these usually made of metallic materials WÜ are structurally unevenly thermally stressed. This results in thermal stresses that limit their upper service temperature below 800 ° C, so they are not suitable for the HT range.
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.For the HT range currently only WÜ are known that non-metallic components in a complex design, eg. As of ceramic and / or glass fiber materials, and metallic components combine. These high-temperature heat exchangers (HT-WÜ) have a high failure rate in normal operation due to damage caused by thermal stresses. In addition, ceramic and glass-fiber materials generally have a low thermal conductivity compared to metals, which is disadvantageous for use as a heat exchanger. Special ceramics with high thermal conductivity, z. Based on SiC and AlN are available but very expensive. Furthermore, the processing of these materials is much more expensive compared to metals. Their use is therefore uneconomical.
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.The efficiency of heat transfer is also limited by the dimensions of the chambers in which the fluids F1 and F2 of different temperatures T 1 and T 2 flow, in particular when there is a laminar or near-laminar flow. Since fluids usually have a low thermal conductivity, only a slow heat transfer takes place transversely to the flow direction. In known double-tube WÜ, comprising an inner tube and concentrically extending outer tube, this leads in the case T 1 < T 2 that the flowing fluid in the inner tube (fluid F2), although efficient heat energy from its outer, adjacent to the highly heat-conductive partition layers on the other side of the partition wall flowing fluid (fluid F1) transmits, but that only slowly heat energy flows from the areas near the tube axis. The same applies to a reverse heat flow, ie the case T 1 > T 2 . In order to such a double-pipe WÜ works efficiently, it must have small pipe diameters in the order of 1 cm.
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.In industrial processes, however, process chambers with large diameters are used, in thermal power plants z. B. combustion chambers with an immediately associated, arranged above exhaust shaft, in chemical plants z. B. with positive or negative pressure acted upon reaction chambers, which are connected to a closed piping system. An efficient transfer of heat energy from a fluid laminar fluid F2 flowing approximately laminarly in the process chamber to a fluid F1, again explained below for T 1 < T 2 , which flows in a cylinder-ring-like chamber surrounding the process chamber, is not possible. Instead of a desired homogeneous temperature field (approximately constant temperature on (imaginary) sectional areas transverse to the flow direction), a temperature gradient builds up with maximum temperature in the region of the axis of the process chamber. Accordingly, in the case of T 1 > T 2, a temperature gradient of minimum temperature builds up in the region of the axis of the process chamber. It would be conceivable to enhance the heat transfer by convection by the fluid F2 is put into turbulence, but that would be energy consuming and thus uneconomical.
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.It is not known from the prior art that WÜ ensures efficient heat transfer from the entire volume of a fluid F2 flowing in a large diameter tubular inner chamber to a fluid F1 which flows in an outer chamber surrounding the inner chamber in a cylindrically annular manner. Diameters from about 10 cm up to several meters are defined as large diameters in this application.
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.The object of the present invention is to provide a HT-WÜ, which has a simple construction, efficient heat transfer (high heat flux) between two flowing in spatially separated chambers fluids F1 and F2 guaranteed, wherein at least one of the chambers has a large dimension (approx 10 cm or larger) across the flow direction, which is suitable for operation in the HT range is suitable up to 1100 ° C and thereby has a high robustness, cycle resistance (thermal shock resistance) and service life. The HT-WÜ should be suitable for industrial plants, especially power plants and chemical reactors. It should be constructed of materials whose costs are acceptable for the respective application.
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.The object of the invention is achieved by a radial cross-flow heat exchanger (R-KS-WÜ) with the features of claim 1 and the associated dependent claims, by its particular embodiments as an integrated heat exchanger and as a stand-alone heat exchanger with the features of the claims 7 to 9 and by a modular heat exchanger unit with the features of
Der erfindungsgemäße R-KS-WÜ 10 ist in
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.The outer tube AR of height H has two sections of equal height H / 2, which are referred to below as outer rings AR 1 and AR 2 . A division into sections of different heights H 1 , H 2 with H 1 + H 2 = H would be possible, but is impractical and will not be described in detail.
Die Außenringe AR1 und AR2 weisen jeweils eine Reihe R1 bzw. R2 mit mehreren schlitzförmigen Öffnungen SA1 bzw. SA2 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 SA1 zuführbar und über die Öffnungen SA2 abführbar. Vorzugsweise sind die Öffnungen SA1, SA2 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 SA1, SA2 auf, sodass sie komplett identisch ausgeführt sind. Dabei können zwei Öffnungen SA1 und SA2 genau nebeneinander stehen, sie können aber auch, wie in
Auf der Außenseite des Außenrohrs AR sind, wie in
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
Die Umlenkkammer U ist im Gegensatz zum Außenrohr AR nicht als Zylindermantel, sondern als beidseitig geschlossener Hohlzylinder mit einem Zylindermantel ZU und Verschlüssen GU an seiner Grundfläche und DU an seiner Deckfläche ausgeführt. In
Die Umlenkkammer U ist so im Inneren der Anordnung mit den Außenringen AR1 und AR2 positioniert, dass sich die erste Reihe ihrer Öffnungen SU1 in einer Ebene, d. h. auf gleicher Höhe, mit den Öffnungen SA1 des ersten Außenrings AR1, die zweite Reihe ihrer Öffnungen SU2 in einer Ebene, d. h. auf gleicher Höhe, mit den Öffnungen SA2 des zweiten Außenrings AR2 befindet. Vorzugsweise sind die Öffnungen SU1, SU2 in beiden Reihen äquidistant über den Umfang der Umlenkkammer U verteilt.The deflection chamber U is positioned in the interior of the arrangement with the outer rings AR 1 and AR 2 that the first row of their openings S U1 in a plane, ie at the same height, with the openings S A1 of the first outer ring AR 1 , the second Row of their openings S U2 in a plane, ie at the same height, with the openings S A2 of the second outer ring AR 2 is located. Preferably, the openings S U1 , S U2 are distributed equidistantly in both rows over the circumference of the deflection chamber U.
Jede Öffnung SU1 wird über ein als Hohlkörper ausgebildetes Wärmeübertrager-Element (nachfolgend: WÜ-Element) WE1 mit einer Öffnung SA1 verbunden. Ebenso wird jede Öffnung SU2 über ein als Hohlkörper ausgebildetes WÜ-Element WE2 mit einer Öffnung SA2 verbunden. Dazu wird das WÜ-Element WE1 bzw. WE2 als Hohlkörper ausgeführt, dessen innere Abmessungen an die Abmessungen der Öffnungen SA1, SA2, SU1, SU2 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.Each opening S U1 is connected via a designed as a hollow body heat exchanger element (hereinafter: WÜ element) WE 1 with an opening S A1 . Likewise, each opening S U2 is connected via a trained as a hollow body WÜ element WE 2 with an opening S A2 . For this purpose, the WÜ element WE 1 or WE 2 is designed as a hollow body whose internal dimensions are adapted to the dimensions of the openings S A1 , S A2 , S U1 , S U2 . The length of the cross section of the WÜ elements is consistent with the length L of these openings. The width B WE of its cross section is selected from the range 3 mm ≤ B WE ≤ 20 mm. It is possible to change the width B WE of the cross section on the length of the WÜ element. For space reasons, the WÜ element near the deflection chamber U should have a cross-section with a small width B WE , which can be increased with increasing distance from the deflection chamber U, ie towards the outside. The shape of the cross section is extended by an elongated rectangle with possibly rounded corners in an oval or a circle. The wall thickness of the WÜ elements is preferably in the range between 0.5 mm and 2.5 mm. The expert selects the exact value for the wall thickness from the expected during operation of the R-KS-WÜ pressure differences between the fluids F1 and F2.
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.The walls of the outer tube AR and the deflection chamber are less involved in the heat transfer compared to the walls of the WÜ elements and can therefore be designed with a higher wall thickness. Preferably, the wall thicknesses of the outer tube AR and the deflection chamber U are in the range between 1 mm and 5 mm. Again, the expert selects the exact value based on the expected operating conditions, in particular the expected pressure differences and temperatures from.
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.For efficient heat transfer, the lowest possible wall thicknesses should be selected for the WÜ elements. The outer tube AR and the deflection chamber U are not so much involved in the heat transfer and can therefore be provided with a higher wall thickness.
Die bandförmigen WÜ-Elemente können auf dem kürzestem Weg, also geradlinig, von einer Öffnung SU1 bzw. SU2 zur nächstliegenden Öffnung SA1 bzw. SA2 geführt werden. Bevorzugt sind sie aber schaufelförmig gebogen und werden zu einer auf dem Außenring versetzten Öffnung SA1 bzw. SA2 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.The band-shaped WÜ elements can be guided on the shortest path, ie in a straight line, from an opening S U1 or S U2 to the nearest opening S A1 or S A2 . Preferably, however, they are curved blade-shaped and are guided to an offset on the outer ring opening S A1 and A2 S. The advantages of this blade-shaped embodiment are explained in Example 1, Section 1b). The blade-shaped bend of the WÜ elements follows a circular arc. It describes a pitch circle whose size ρ is to be selected from the range 100 ° to 200 °. The blade diameter S , defined by The diameter of the circle to which the circular arc described by the blade cross-section belongs is selected from the range 0.6 · ( D - d ) ≦ S ≦ 0.9 · ( D - d ). Instead of a circular arc, it is also possible to select a geometry deviating from the circular shape, for example, a spiral bending of the WÜ elements can take place. The amount of heat transferred by the WÜ elements WE 1 , WE 2 can be increased if the WÜ elements are designed as fin tubes, ie, fin-like planar structures are placed outside on the WÜ elements WE 1 , WE 2 . Fin tubes are known in the art. Another preferred way to increase the amount of heat transferred is to use rib members, e.g. B. corrugated fins which are installed between adjacent WÜ elements WE 1 and / or WE 2 . Also suitable are so-called lamellar gratings, which have intersecting rib elements. The installation of rib elements is explained in detail in Example 1, Section 1b).
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 SA1 des ersten Außenrings AR1 durch die WÜ-Elemente WE1, die erste Reihe der Öffnungen SU1 der Umlenkkammer U, die Umlenkkammer U, die zweite Reihe der Öffnungen SU2 der Umlenkkammer, die WÜ-Elemente WE2 zu den Öffnungen SA2 des zweiten Außenrings AR2 gebildet, in welchem das erste Fluid F1 strömbar ist.The number N of blade-shaped WÜ elements to be connected to an outer ring is limited by the diameter d of the deflection chamber U. It should be selected from the range 50 · d / [m] ≤ N ≤ 150 · d / [m], where d is the distance in meters. N WÜ elements WE 1 and to the outer ring AR 2 N WÜ elements WE 2 are thus connected to the outer ring AR 1 . This results in a first flow path from the openings S A1 of the first outer ring AR 1 through the WÜ elements WE 1 , the first row of the openings S U1 of the deflection chamber U, the deflection chamber U, the second row of openings S U2 of the deflection chamber, the WÜ Elements WE 2 to the openings S A2 of the second outer ring AR 2 formed, in which the first fluid F1 is flowable.
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.The scoop-shaped WÜ elements WE 1 and WE 2 may be bent in the same direction but, in a preferred embodiment, they may also be bent in opposite directions. When bending in opposite directions, a more favorable flow guidance is achieved, since the swirl of the flow, based on the outer tube AR and the deflection chamber U, is maintained. The scoop-shaped design of the WÜ elements WE 1 and WE 2 has several technical advantageous effects, which are explained in detail in Example 1, Section 1b).
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.Through the outer tube AR, a second flow path, in which the second fluid F2 is flowable, predetermined, which is parallel to the common axis of the outer tube AR and the concentrically positioned deflection U through the spaces between the WÜ elements WE 1 and WE 2 passes through and the inner wall of the outer tube AR is limited.
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.Such a defined flow path must also be provided for the supply and discharge of the first fluid F1. For this purpose, it is necessary to provide a cladding tube HR with a diameter D HR which is greater than the diameter D of the outer tube AR. Preferably, the cladding tube diameter D HR is selected from the interval 1.05 D <D HR <1.3 D. The cladding tube HR and the outer tube AR then define a cylindrical ring-like space with an annular cross-section. This cylindrical space, hereinafter referred to as outer shell AH, forms the flow path for the supply and discharge of the first fluid 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.
- 1. The R-KS-WÜ is connected to a technical system, which has a cylindrical wall. For this purpose, the diameter of its outer tube AR is chosen so that it coincides with the diameter of the cylindrical wall. The outer tube AR is, for. B. via a flange, tightly connected to the cylindrical wall, so that it extends. The extended range can be equipped with an R-KS-WÜ or a series connection of several R-KS-WÜ. In order to provide a spatially limited flow path for the first fluid F1, a concentric to the cylindrical wall envelope tube HR is provided, which has a common second outer wall for the plant and for the extended area with the R-KS-WÜ or the series circuit several R-KS-WÜ forms. Such connected to an existing system R-KS-WÜ are hereinafter referred to as integrated heat exchanger (I-WÜ) and described in detail in Example 1.
- 2. The R-KS-WÜ is equipped as an installation-independent heat exchanger with an outer tube AR and a cladding tube HR. Such an R-KS-WÜ, which is not integrated into an existing system, is hereinafter referred to as a stand-alone heat exchanger (SA-WÜ) and described in detail in Example 2. It can be designed for a volume flow rate of 200 Nm 3 / h to 2500 Nm 3 / h, preferably about 1,000 Nm 3 / h (standard cubic meter per hour).
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.It is always possible to realize a series connection of several R-KS-WÜ. It can be made up of several I-WÜ as well as several SA-WÜ. Such a series connection is referred to below as a modular heat exchanger unit. In the case of SA-WÜ, it is also possible to realize a modular heat exchanger unit as a parallel connection of several SA-WÜ, whereby the volume flow rate multiplied according to the number of SA-WÜ.
Wie in
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.All components of the R-KS-WÜ are made of HT-resistant materials. For reasons of cost, HT-solid metals are preferred, in particular heat-resistant steel. Suitable is z. B. grade 1.4841 steel (in accordance with standard EN 10095), which has high oxidation and chemical resistance at temperatures up to 1100 ° C (source: https://www.stahl-markt.de/download/datenblatt%204841.pdf .pdf, retrieved on 28.03.2018). At least the WÜ elements WE 1 and WE 2 must be able to conduct high heat fluxes in addition to their HT strength. For this purpose, they are thin-walled and / or run from hochwärmeleitfähigem material. A thin-walled version with wall thicknesses of approx. 0.5 mm is possible if the R-KS-WÜ is only exposed during operation to low pressure differences of 0 bar to 3 bar (300 kPa). Are in operation larger pressure differences it may be necessary, instead of heat-resistant steel, which has a mean thermal conductivity λ (for steel grade 1.4841 It. og data sheet:
λ = 15 W / m · K at 20 ° C, λ = 19 W / m · K at 500 ° C), to select a material of high thermal conductivity. High thermal conductivity in this application is understood to mean a thermal conductivity λ ≥ 100 W / m · K. Suitable for this purpose are refractory metals, in particular tungsten (λ = 167 W / mK at 20 ° C., λ = 111 W / mK at 1000 ° C.) and molybdenum (λ = 142 W / mK at 20 ° C., λ = 105 W / m · K at 1000 ° C), which also have a higher heat and corrosion resistance compared to steel (Source: WHS Sondermetalle e. K., https://www.whs-sondermetalle.de/de/werkstoffe /refraktaermetalle.html , retrieved on 24.01.2018), as well as MoW alloys.
Ferner geeignet sind Nickellegierungen, Spezialkeramiken mit hoher Wärmeleitfähigkeit, z. B. auf Basis von SiC und AIN, sowie Verbundwerkstoffe.Also suitable are nickel alloys, special ceramics with high thermal conductivity, z. Based on SiC and AlN, as well as composites.
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.The skilled person is able to calculate the required wall thickness of the WÜ elements for his specific application and to determine the necessary amount of material and their costs. He can thus judge whether the use of these more expensive materials compared to steel will pay for itself over the entire, multi-year, service life of the R-KS-WÜ.
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.The R-KS-WÜ according to the invention makes it possible to control even difficult process conditions due to its simple radially symmetrical construction, through which the process-related pressure and temperature loads are evenly distributed to the radially symmetric components, in particular the WÜ elements WE 1 , WE 2 .
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.The flow paths of the fluids F1 and F2 used can have a spatial connection with one another, which allows a mass flow of the first fluid F1 into the flow path of the second fluid F2 and vice versa. However, this spatial connection must not be within an R-KS-WÜ. It is positioned at a location of the flow path at which the first fluid F1 has already flowed through the outer casing AH and the R-KS-WÜ, in the case of a modular heat exchanger unit all the associated R-KS-WÜ. The first fluid F1 can be conducted there into the flow path of the second fluid F2 and, optionally after a chemical reaction, as a second fluid F2 in a cross-flow against the first fluid F1 continue to flow. Such a case is explained in Example 1, section 1c), using the example of a combustion chamber.
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).The fluids F1, F2 used can be gaseous or liquid in any combination. In special applications, d. H. if their critical pressure and their critical temperature are exceeded, they can also be in the supercritical state. Likewise, the state of aggregation of the fluids F1 and F2 may change upon heat transfer between them. For example, a fluid can pass from the gaseous to the liquid state with the release of heat (condensation) or can be converted from the liquid to the gaseous state by heat absorption (evaporation).
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.The fluids F1 and / or F2 may also be aggressive, chemically reactive substances. These are manageable since the person skilled in the art, as explained in Example 1, Section 1b), has a great freedom in the choice of material for the R-KS-WÜ. He can thus select materials that have a permanent chemical resistance to the fluids F1 and / or F2.
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.An executed as I-WÜ R-KS-WÜ is suitable for technical systems, which have a cylindrical wall WI. Suitable z. B. plants of thermal process engineering, z. B. cylindrical combustion chambers with attached exhaust duct, which are limited by a wall WI and usually have a large diameter D An (several meters). Such combustion chambers achieve a flow rate of about 5,000 - 100,000 Nm 3 / h (standard cubic meter per hour), for which the I-WÜ must be designed.
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.In the following, the integration of an I-WÜ in a tubular system of thermal process engineering (hereafter briefly: Appendix) will be described. It is assumed that a plant is limited by a cylindrical wall WI, which is an inner chamber IK surrounds. The diameter D at such a plant, given by the diameter of the cylindrical wall WI, is usually in the range 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.It is provided an I-WÜ whose outer tube AR has the same diameter D as the system, so D = D An . The I-WÜ is placed on the cylindrical wall WI.
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.An envelope tube HR is provided, which surrounds the cylindrical wall WI with the attached outer tube AR in a concentric arrangement, so that a cylindrical ring-like outer envelope AH is formed between the envelope tube HR and the cylindrical wall WI with the attached outer tube AR. The outer shell AH is thus bounded on the inside by the wall WI of the plant and the outer tube AR with the diameter D = D An and outside by the cladding tube HR with the diameter D HR . By the volume of the outer shell AH, a first fluid F1 is flowable, through the cylindrical inner chamber IK of the system, which is bounded by the wall WI to the outside, a second fluid F2 is flowable. Both flows are substantially parallel to the axis of the system and may be directed parallel to one another or antiparallel. On the one hand, it is possible for the first fluid F1 to have a lower temperature than the second fluid F2, so that thermal energy is transferred from the second fluid F2 through the wall WI to the first fluid F1. On the other hand, it is also possible that the first fluid F1 has a higher temperature than the second fluid F2, so that thermal energy is transferred from the first fluid F1 through the wall WI to the second fluid F2. Thus, such an arrangement already without the I-WÜ a heat exchanger, namely a double-pipe WÜ, dar. The heat transfer is limited to an approximately 0.5 cm to 1 cm (with laminar flow) and to about 10 cm ( in turbulent flow) thick boundary layer of the second fluid F2, which is adjacent to the wall WI. Also, the design of the wall WI as a cylinder, which provides only a small surface for the heat transfer, limits the heat transfer. Thus, it is a very inefficient WÜ, because it can only a small amount of heat between the fluid F2 in the central region of the inner chamber IK of the system, which is located in the vicinity of its axis, and the near wall surface layer of the fluid F2 be transferred.
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.This disadvantage is overcome here by the integrated into the system I-
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 SWI1, SA1 im Bereich des Außenrings AR1 und SWI2, SA2 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 SWI1, SA1 weiter durch das daran angeschlossene WÜ-Element WE1 zu einer Öffnung SU1 der Umlenkkammer U führt, weiter entlang der Achse der Umlenkkammer U in den Bereich der Öffnungen SU2 verläuft und von jeder dieser Öffnungen durch das daran angeschlossene WÜ-Element WE2 zu einer der Öffnungen SWI2, SA2 und von dort zurück in die Außenhülle AH auf den ursprünglichen Strömungsweg des Fluids F1 führt.The flow path of the fluid F1 is changed as follows by the I-WÜ integrated in the system 30: The separating device TV closes the fluid F1 the direct path through the cylinder-ring-like outer casing AH. In each case, two interconnected openings S WI1 , S A1 in the region of the outer ring AR 1 and S WI2 , S A2 in the region of the outer ring AR 2 open a new flow path consisting of N channels, which flows from the outer shell AH through each of the openings S WI1 , S A1 continues through the connected WÜ element WE 1 to an opening S U1 of the deflection chamber U, continues along the axis of the deflection chamber U in the region of the openings S U2 and from each of these openings by the connected WÜ Element WE 2 leads to one of the openings S WI2 , S A2 and from there back into the outer shell AH on the original flow path of the fluid F1.
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.The executed as I-WÜ 11 R-KS-WÜ is intended for use in plants of thermal process engineering, in which a first fluid F2 in an inner chamber IK and a second fluid F2 in a the inner chamber IK surrounding, of this by separate the wall WI, outer shell AH. Outside the I-WÜ the flow direction of the two fluids is usually antiparallel (countercurrent principle). A heat transfer between the two fluids takes place outside of the I-WÜ substantially by heat conduction through the wall WI and is limited by the thickness, the thermal conductivity of the material of the wall WI and their small area. In addition, the heat transfer coefficients of the fluids determine the thermal resistance.
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
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.The centripetal and centrifugal flow of the first fluid F1 can be summarized by the term radial flow . The second fluid F2 flows in the inner chamber through the intermediate spaces between the respective N WÜ elements WE 1 and WE 2 , thus crosses the flow path of the first fluid F1 divided into 2 N channels. This also explains the term radial cross-flow heat exchanger R-KS-WÜ.
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.From the inventive paddle-shaped embodiment of the WÜ elements WE 1 , WE 2 result in several advantageous technical effects that apply to all embodiments of the R-KS-WÜ, ie both for an I-WÜ and for a further described in Example 2 below -Alone-WÜ (SA-WÜ):
A first advantageous technical effect of the scoop-shaped WÜ elements is to increase the total area available for the heat transfer between the fluids F1 and F2, which has already been explained.
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.A second advantageous technical effect of the blade-shaped WÜ elements consists in the substantial avoidance of thermal stresses in the arrangement of the R-KS-WÜ. Thermal stresses are to be understood here as thermally induced mechanical stresses which are based on the different thermal expansion of the materials used.
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.For example, is the thermal coefficient of expansion Δ l / l of the above proposed HT-strength steel 1.4841, averaged over the
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.When using WÜ elements WE 1 , WE 2 , which run in a straight line on the shortest path between the deflection chamber U and the outer tube AR, high, non-compensable, thermal stresses induced in the arrangement, leading to early material fatigue and tearing the WU Elements WE 1 , WE 2 would lead to the connection points to the outer tube AR and / or to the deflection chamber U.
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.Due to the blade-shaped design of the WÜ elements WE 1 and WE 2 , if their blades are bent in the same direction, a thermally induced expansion or contraction of the WÜ elements as well as the other components is converted directly into a rotation of the deflection U, whereby the buildup of thermal stresses is minimized. In contrast to known heat exchangers are WÜ elements WE 1 and WE 2 rigidly fixed only at one end, namely on the outer rings AR 1 , AR 2 , while their other end is movable together with the deflection U, so that they can expand unhindered. Due to the radially symmetrical arrangement, all WÜ elements of the same row, ie all WT elements WE 1 at the level of the outer ring AR 1 , receive identical thermal loads, ie show the same extent. The same applies to the WÜ elements WE 2 in the region of the outer ring AR 2 . As a result, the deflection chamber U is uniformly rotated in the region of each outer ring, so that no tensile and compressive stresses arise along its circumference.
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
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.Due to the paddle-shaped design of the WÜ elements WE 1 and WE 2 and the equipment of the deflection U with a connecting element VE, it is thus possible to reliably prevent premature material aging and failure of the components of the R-KS-WÜ, thereby increasing its life becomes. Since thermal stresses that are caused by different coefficients of thermal expansion are almost completely compensated, the components of the R-KS-WÜ can also be made of different materials whose coefficients of thermal expansion differ considerably, can be made without previously extensive simulations or experiments on the long-term stability and thermal shock resistance of the R-KS-WÜ must be performed. Different materials can thus be used flexibly. These materials can also be taken from different classes of materials. There are z. As metallic components, ceramic components and / or composite materials can be combined.
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.
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
Es ist auch möglich, das Innere der WÜ-Elemente WE1, WE2 mit Rippenelementen R (erkennbar in
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.The plant in operation uses the known chimney effect, wherein the outflowing second fluid F2 generates a negative pressure, so that the first fluid F1 (air to atmospheric pressure) is continuously sucked. Instead of air could be supplied as the first fluid F1 and oxygen or a combustible gas mixture, including but further technical measures (pipe feeds) are necessary.
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°.For each of the three I-
The outer tube AR sealingly attached to the wall WI of the combustion chamber BK has a diameter D = 2.0 m and a height H = 1.0 m. The deflection chamber U has a diameter d = 1.3 m. Each N = 90 WÜ elements WE 1 and WE 2 connect the outer rings AR 1 , AR 2 with the deflection chamber U. The WÜ elements have a blade diameter S = 0.5 m and describe a partial circle 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 SA1, SA2, SU1, SU2 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.Since the system is operated with low pressure differences (<20 kPa), all components can be designed with minimal wall thickness. Thus, the outer tube and the deflection chamber receive a wall thickness of 1 mm, the WÜ elements WE 1 , WE 2 has a wall thickness of 0.5 mm. To compensate for the swirl of the flow of the second fluid F2 in the exhaust duct K, the WÜ elements WE 1 and WE 2 are in opposite Directions bent. The resulting twisting (torsion) of the deflection chamber U during operation is compensated by a connecting element VE built into it. The width B WE of the cross section of the WÜ elements, which is available for the flowing first fluid F1, is 10 mm. Its length, which coincides with the length L of the openings S A1 , S A2 , S U1 , S U2 , is 40 cm. The cladding HR has a diameter of 2.4 m. The disc-shaped separating device TV therefore has an outer diameter of 2.4 m and an inner diameter of 2.0 m. All components are made of high-temperature resistant steel.
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
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 this arrangement, the following flow profile is realized: A first fluid F1 (dashed arrows), which generally ambient temperature is supplied via the inlet opening EO the uppermost portion of the cladding tube HR, centripetally flows through the WÜ elements WE 1 of the uppermost I WÜ 11 to the deflection chamber U, flows through this, then flows centrifugally through the WÜ elements WE 2 of the uppermost I-
In der Schnittdarstellung (
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.The SA-
Die Zuführung und Abführung eines zweiten Fluids F2 erfolgt parallel zur Achse der Anordnung, was in
Die übrigen Funktionen, entsprechen den vorangehend dargestellten Ausführungsformen.The remaining functions correspond to the embodiments presented above.
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.
- a) collecting the process waste heat of several technical installations
For this purpose, the process waste heat stored in a first fluid F1 of an arbitrarily large number of plants is supplied to the SA-WÜ by means of pipelines which are connected to the connections T1 and from there to a second fluid F2. In the second fluid F2 may be, for. B. to act in a district heating pipe flowing water. Via pipes which are connected to the connections T2, the first fluid F1 can be supplied to a further process or, if unobjectionable, discharged into the environment. - b) Heat recovery from a heat storage
In an analogous manner, a SA-WÜ for heat recovery from a heat storage, preferably a high-temperature heat storage (HT-WS), can be used. In this case, the first fluid F1, in which it is z. B. can be air, heated in HT-WS, is then supplied to the SA-WÜ, where it transfers heat energy to a second fluid F2, and then cooled discharged into the environment (open circuit) or in a closed circuit again the HT-WS are supplied. The second fluid F2 may, for. As water vapor, the at Run through the SA-WÜ heated and fed to a steam turbine process. - c) supporting a chemical reaction
In the second fluid F2, which flows in a pipe connected to the outer pipe AR, it may also be a reactive mixture in which a chemical reaction, for. B. an equilibrium reaction proceeds. The pipeline then acts as a continuous flow chemical reactor.
If this is an exothermic reaction, then the released heat of reaction in the SA-WÜ can be transferred from the second fluid F2 to a first fluid F1, so that the chemical equilibrium is influenced in the desired manner, ie shifted in the direction of the reaction products.
If this is an endothermic reaction, the required heat of reaction can be supplied to the second fluid F2 in the SA-WÜ by a fluid F1, so that the chemical equilibrium is also shifted in the direction of the reaction products in this case.
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.All applications can also be realized with a series connection of several SA-WÜ. In order to achieve a particularly high throughput, several SA-WÜ can be connected in parallel.
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.If the applications described are operated with fluids F1, F2, which have only a small pressure difference (<300 kPa), all components of SA-
Die dargestellte Erfindung ist nicht auf die vorgestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Diese können in vorteilhafter Weise kombiniert werden. Z. B. kann die in
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.The R-KS-WÜ described in this application are oriented horizontally or vertically by way of example. It is of course possible to align the arrangements as desired, that is, to choose any inclination angle for the flow path of the fluid F2.
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.The described R-KS-WÜ have a cylindrical shape. Deviations from the cylindrical shape would be possible, but would lead to an uneven material load, an unfavorable flow behavior and a more complex construction. They are therefore technically meaningless.
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.In the production of the various embodiments of the R-KS-WÜ according to the invention, the skilled worker is not restricted in terms of the production of the individual components of the known manufacturing processes of primary forming and forming. Based on the joining technique of the individual components, the person skilled in the known cohesive connections such as welding and soldering are available.
Ebenso können einzelne Komponenten des R-KS-WÜ durch additive Fertigung, auch bekannt als 3D-Druck, hergestellt werden.Likewise, individual components of the R-KS-WÜ can be produced by additive manufacturing, also known as 3D printing.
Der Inhalt der in dieser Anmeldung zitierten und verlinkten Dokumente ist Teil der Offenbarung.The content of the documents cited and linked in this application is part of the disclosure.
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- - Radial-Kreuzstrom-Wärmeübertrager (R-KS-WÜ)- Radial Crossflow Heat Exchanger (R-KS-WÜ)
- 1111
- - integrierter Wärmeübertrager (I-WÜ)- integrated heat exchanger (I-WÜ)
- 1212
- - Stand-Alone-Wärmeübertrager (SA-WÜ)- Stand-alone heat exchanger (SA-WÜ)
- 2424
- - Verschlüsse der Zu- und Abführungen des ersten Fluids F1 parallel zur Achse A- Closures of the inlets and outlets of the first fluid F1 parallel to the axis A.
- 2626
- - Öffnungen zur Zu- und Abführung des ersten Fluids F1 senkrecht zur Achse A- Openings for supply and discharge of the first fluid F1 perpendicular to the axis A.
- 3030
- - Anlage der thermischen Verfahrenstechnik- Plant of thermal process engineering
- AA
- - Symmetrieachse des R-KS-WÜ- Symmetry axis of the R-KS-WÜ
- AF1, AF2 AF 1 , AF 2
- - Außenflansche- external flanges
- AHAH
- - Außenhülle- outer shell
- AOAO
- - Auslassöffnung- outlet opening
- ARAR
- - Außenrohr- outer tube
- AR1, AR2 AR 1 , AR 2
- - Außenringe- outer rings
- BKBK
- - Brennkammer- combustion chamber
- Dede
- - Decke der Brennkammer- ceiling of the combustion chamber
- DU D U
- - Verschluss an der Deckfläche der Umlenkkammer U- Closure on the top surface of the deflection U
- EOEO
- - Einlassöffnung- inlet opening
- F1F1
- - erstes Fluid, die WÜ-Elemente des R-KS-WÜ radial durchströmend- First fluid, the WÜ elements of the R-KS-WÜ radially flowing through
- F2F2
- - zweites Fluid, die Zwischenräume der WÜ-Elemente des R-KS-WÜ senkrecht durchströmend- Second fluid, the interstices of the WÜ elements of the R-KS-WÜ flowing vertically
- GBGB
- - Graphitband- graphite tape
- GPGP
- - Grundplatte- Base plate
- GU G U
- - Verschluss an der Grundfläche der Umlenkkammer U- Closure at the base of the deflection U
- HPHP
- - Halteplatte- Retaining plate
- HRMR
- - Hüllrohr- Cladding tube
- IKIK
-
- innere Kammer einer Anlage 30- Inner chamber of a
plant 30 - KK
- - Abzugsschacht- Discharge shaft
- RR
- - Rippenelemente- Rib elements
- RKRK
- - Rückführkammer- return chamber
- R1, R2 R 1 , R 2
- - Reihen mit schlitzförmigen Öffnungen SA1 bzw. SA2 - Rows with slot-shaped openings S A1 and S A2
- SA1, SA2 S A1 , S A2
- - schlitzförmige Öffnungen der Außenringe AR1, AR2 - Slit-shaped openings of the outer rings AR 1 , AR 2
- SU1, SU2 S U1 , S U2
- - schlitzförmige Öffnungen im Zylindermantel ZU der Umlenkkammer U, angeordnet in zwei Reihen- Slot-shaped openings in the cylinder jacket Z U of the deflection U, arranged in two rows
- T1, T2T1, T2
- - tangentiale Anschlüsse- tangential connections
- TVTV
- -Trennvorrichtungdividing device
- UU
- - Umlenkkammer- deflection chamber
- UR1, UR2-UR 1 , UR 2 -
- Umlenkrohrechange pipes
- ULRULR
- - Umlenkrippen- deflecting ribs
- VV
- - Verbindungsrohr- Connecting pipe
- VB1 VB 1
- - Verbindung von der Außenhülle AH zur Brennkammer BK.- Connection from the outer shell AH to the combustion chamber BK.
- VB2 VB 2
- - Verbindung von der Rückführkammer RK zu dem zylinderringförmigen Raum, in dem die WÜ-Elemente WE1, WE2 verlaufen- Connection of the return chamber RK to the cylindrical annular space in which the WÜ elements WE 1 , WE 2 run
- VEVE
- - optionales Verbindungselement (erforderlich, wenn die Umlenkkammer in zwei Abschnitte geteilt ist)- optional connection element (required if the deflection chamber is divided into two sections)
- WE1 WE 1
- - WÜ-Element, das eine Öffnung SU1 mit einer Öffnung SA1 verbindetWÜ element, which connects an opening S U1 with an opening S A1
- WE1*WE 1 *
-
- WÜ-Element, das in
Fig. 3 zur Erläuterung der Parameter S und ρ hervorgehoben ist- WÜ element that inFig. 3 to explain the parameters S and ρ is highlighted - WE2 WE 2
- - WÜ-Element, das eine Öffnung SU2 mit einer Öffnung SA2 verbindetWÜ element, which connects an opening S U2 with an opening S A2
- WIWI
- - Wand einer technischen Anlage, in welche ein I-WÜ integriert wird- Wall of a technical system in which an I-WÜ is integrated
- WRWR
- - Wellrippe- corrugated rib
- ZZ
- - Zuleitung zur Brennkammer- Supply to the combustion chamber
- ZU Z U
- - Zylindermantel der Umlenkkammer U- Cylinder jacket of the deflection U
- aa
- - Abstand der Öffnungen SU1, SU2 zur Grund- bzw. Deckfläche der Umlenkkammer- Distance between the openings S U1 , S U2 to the base or top surface of the deflection chamber
- aa VEVE
- - Spalt zwischen zwei Graphitbändern für einen Abschnitt des Umlenkrohrs U- Gap between two graphite bands for a portion of the deflection tube U
- BB UU
- - Breite der Öffnungen SU1, SU2 - Width of the openings S U1 , S U2
- BB VEVE
- - Breite des Verbindungselements VE- Width of the connecting element VE
- hH VEVE
- - Spalt ohne Graphitband- Gap without graphite tape
- BB WEWE
- - Breite des Querschnitts der WÜ-Elemente WE1, WE2 - Width of the cross section of the WÜ elements WE 1 , WE 2
- dd
- - Durchmesser der Umlenkkammer U- Diameter of the deflection U
- DD
- - Durchmesser des Außenrohrs AR- Diameter of the outer tube AR
- DD AnAt
- - Durchmesser einer Anlage, in die ein I-WÜ integriert wird- Diameter of a system into which an I-WÜ is integrated
- DD HRMR
- - Durchmesser des Hüllrohrs HR- Diameter of the duct HR
- D VE, d VE D VE , d VE
- - Außen- und Innendurchmesser des Verbindungselements VE- Outer and inner diameter of the connecting element VE
- HH
- - Höhe des Außenrohrs AR- Height of outer tube AR
- LL
- - Länge der schlitzförmigen Öffnungen SA1, SA2 im Falle gleicher Länge (L = L 1 = L 2)Length of the slot-shaped openings S A1 , S A2 in the case of the same length ( L = L 1 = L 2 )
- LL 11 , L, L 22
- - Länge der schlitzförmigen Öffnungen SA1, SA2 - Length of the slot-shaped openings S A1 , S A2
- NN
- - Anzahl der schlitzförmigen Öffnungen SA1, SA2 je Außenring AR1, AR2, der Öffnungen SU1, SU2 der Umlenkkammer U und der WÜ-Elemente WE1 und WE2 Number of slot-shaped openings S A1 , S A2 per outer ring AR 1 , AR 2 , the openings S U1 , S U2 of the deflection chamber U and the WÜ elements WE 1 and WE 2
- SS
- - Durchmesser schaufelförmig gebogenen WÜ-Elemente WE1, WE2 (Schaufeldurchmesser)- Diameter blade-shaped curved WÜ elements WE 1 , WE 2 (blade diameter)
- TT 11
- - Temperatur des ersten Fluids F1- Temperature of the first fluid F1
- TT 22
- - Temperatur des zweiten Fluids F2- Temperature of the second fluid F2
- ρρ
- - Teilkreis der einem Kreisbogen folgenden schaufelförmig gebogenen WÜ-Elemente WE1, WE2 - Subcircuit of a circular arc following blade-shaped curved WÜ elements WE 1 , WE 2
Claims (15)
dadurch gekennzeichnet, dass
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 cross-flow heat exchanger (10, 11, 12), comprising an outer tube (AR) and a concentrically mounted, located on both sides in its interior deflecting chamber (U),
characterized in that
and a second flow path, which runs parallel to the common axis (A) of the outer tube (AR) and the concentrically positioned deflection chamber (U) through gaps between the heat exchanger elements (WE 1 , WE 2 ) and is bounded by the inner wall of the outer tube AR, in which a second fluid (F2) is flowable.
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 (SWI1, SWI2) ausgestattet wird, die deckungsgleich zu den Öffnungen (SA1, SA2) 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 cross-flow heat exchanger according to one of claims 1 to 6, designed as an integrated heat exchanger (11), characterized
that it is installed in a system that provides an inner wall (WI) by the outer tube (AR) is placed in a fluid-tight manner on the inner wall (WI) and an outer wall serving as a cladding tube (HR), so that between the cladding tube (HR) and the wall (WI) with the outer tube (AR) mounted on an outer shell (AH) is formed, which is separated by the cladding tube (HR) reaching separator (TV) in two spatially separated areas (20, 22) in that the wall (WI) is provided with openings (S WI1 , S WI2 ) which are positioned congruently with the openings (S A1 , S A2 ) of the outer rings (AR 1 , AR 2 ),
so that a fluid (F1) which can be supplied to the outer shell (AH) in the first region (20) can be discharged into and out of the second region (22) of the outer shell (AH) via the first flow path,
and that a second fluid (F2) is flowable through the space enclosed by the inner wall (WI) and the outer tube (AR), traversing the integrated heat exchanger (11) along the second flow path.
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 cross-flow heat exchanger according to one of claims 1 to 6, designed as a stand-alone heat exchanger (12), characterized in that it is equipped with a cladding tube (HR), so that between the cladding tube (HR) and the outer tube (AR ) an outer shell (AH) is formed, which is separated by a reaching to the cladding tube (HR) separating device (TV) in two spatially separated areas (20, 22),
so that a first fluid (F1) fed into the first region (20) of the outer casing (AH) can be discharged into and out of the second region (22) of the outer casing (AH) via the first flow path,
and that a conduit for supplying and discharging a second fluid (F2) is connected to the outer tube (AR) such that the second fluid (F2) is flowable along the second flow path through the radial cross-flow heat exchanger (12).
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EP18165093.8A EP3546873A1 (en) | 2018-03-29 | 2018-03-29 | Radial cross-current heat transformer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EP18165093.8A EP3546873A1 (en) | 2018-03-29 | 2018-03-29 | Radial cross-current heat transformer |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
EP3546873A1 true EP3546873A1 (en) | 2019-10-02 |
Family
ID=61868276
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
EP18165093.8A Withdrawn EP3546873A1 (en) | 2018-03-29 | 2018-03-29 | Radial cross-current heat transformer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP3546873A1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
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- 2018-03-29 EP EP18165093.8A patent/EP3546873A1/en not_active Withdrawn
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