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Hochtemperatur-Wärmetauscher für gasförmige Medien Die Erfindung betrifft einen Hochtemperatur- Wärmetauscher für gasförmige Medien, die durch eine Wand voneinander getrennt sind, mit Verwendung eines Zwischenmediums für den Wärmetransport.
Das Bestreben, bei manchen thermischen Prozessen die Temperatur möglichst hoch zu halten, bringt es mit sich, dass Wärmetauscher für immer höhere Temperaturen notwendig werden. Es treten dabei Dichtungs- und Konstruktionsprobleme auf, die oft nur durch unbefriedigende Kompromisslösungen umgangen werden können. Vielfach werden auch bewegte Teile dazu benötigt, die aus naheliegenden Gründen störanfällig sind. Die für hohe Temperaturen geeigneten Werkstoffe wie z. B. Keramik, Graphit usw. erfordern andere Konstruktionen als die konventionellen Wärmetauscher, auch sind diese Werkstoffe oft sehr unelastisch.
Es müssen daher spezielle Bauprinzipien angewendet werden, wenn die insbesondere beim Anfahren oder Abstellen zufolge der Volumen- oder Längenänderungen von Konstruktionselementen auftretenden Spannungen nicht zu Brüchen führen sollen. Diesen Forderungen entspricht der erfindungsgemässe Wärmetauscher, der durch Wärmetauschelemente ausgezeichnet ist, die mit einem gut wärmeleitenden, bei der Betriebstemperatur des Wärmetauschers flüssigen Zwischenmedium gefüllt sind und beidseitig der Trennwand in. den Strömungsweg der beiden wärmetauschenden Medien hineinragen. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt.
Es zeigen: Fig. 1 eine Gesamtansicht des Hochtemperatur- Wärmetauschers, Fig.2 und 3 verschiedene Ausführungen von Wärmetauschelementen in Axialschnitt, Fig.4 einen Radialschnitt durch ein Wärme- tauschelement in grösserem Massstab, Fig. 5 einen Füllkörper in perspektivischer Ansicht.
Aus Fig. 1 ist der Aufbau des Hochtemperatur- Wärmetauschers ersichtlich. Das Gehäuse 1 umschliesst den Strömungsweg der Gase, den eine durchgehende Trennwand 2 unterteilt. Die beiden so entstandenen Kanäle werden von den beiden wärmetauschenden Medien durchströmt, was üblicherweise im Gegenstrom erfolgt, wie die Pfeile andeuten.
Beide Kanäle sind nochmals durch Querwände 3 in Felder unterteilt, was einerseits aus Festigkeitsgründen zweckmässig ist, anderseits den Vorteil hat, dass je nach Bedarf einzelne Felder zu- und abgeschaltet werden können. Stabähnliche Wärmetauschelemente 4 ragen beidseitig der Trennwand 2 in den Strömungsweg der beiden Medien hinein und bewirken den Wärmetransport vom heissen zum kälteren Medium.
Den Aufbau eines solchen Wärmetauschelements zeigt Fig. 2. Der rohrförmige Mantel 5, der bei dieser Ausführung unten geschlossen ist, besteht aus einem hochhitzebeständigen Werkstoff, beispielsweise aus Keramik oder Graphit, soll aber möglichst gut wärmeleitend sein. Der Mantel stützt sich nahe der Mitte mit dem Bund 6 auf der Trennwand 2 auf. Durch diese zweckentsprechende Halterung an nur einer Stelle kann sich der Mantel nach beiden Seiten hin frei dehnen und gleichzeitig ist dadurch eine hinreichende Abdichtung zwischen den beiden wärmetauschenden Medien erreicht.
Es wäre auch möglich, den Mantel nur an der oberen Gehäusewand 1 zu befestigen, so dass er sich nach unten ausdehnen könnte, doch wäre damit das Dichtungsproblem beim Durchtritt durch die Trennwand noch
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nicht gelöst. Es ist zwar an dieser Stelle keine absolute Dichtheit notwendig, aber doch eine weitgehende Dichthit erwünscht.
Das Wärmetauschelement ist mit einem Zwischenmedium gefüllt, das gut wärmeleitend sein soll und bei der Betriebstemperatur des Wärmetauschers flüssig sein muss. Auch darf es bei den vorkommenden Temperaturen weder mit dem Werkstoff des Mantels noch mit jenem wärmetauschenden Medium, mit dem es bei oben offenem Mantel in Berührung kommt, reagieren. Das Zwischenmedium kann ein beliebiger, bei Zimmertemperatur fester oder flüssiger Stoff sein; vorzugsweise kommen dafür geschmolzene Metalle wie Zinn, Aluminium, Kupfer usw. in Frage. Aus Gründen, die später noch dargelegt werden, ist es vorteilhaft, wenn die Volumen- änderung des Zwischenmediums beim Schmelzen praktisch Null ist. Dieser Forderung entspricht z.
B. eine Legierung, die aus 44,5 Gewichtsprozent Blei und 55,5 Gewichtsprozent Wismut besteht.
Der Wärmetransport im Wärmetauschelement erfolgt durch Ausnützung der natürlichen Konvek- tionsströmung des Zwischenmediums oder durch eine künstliche Strömung, die durch mechanische Mittel hervorgerufen wird, Das Zwischenmedium nimmt dabei durch den Mantel 5 Wärme aus dem heissen Gasstrom auf und gibt sie - wieder durch den Mantel hindurch - an den kühleren Gasstrom ab. Zur besseren Trennung der gegenläufigen Strömung im Zwischenmedium kann ein Innenrohr 7 vorgesehen werden, das aus möglichst gut wärmeisolierendem Werkstoff hergestellt ist und in bekannter Weise im Mantel 5 gehalten wird.
Um eine Konvektionsströmung aufgrund der Dichteunterschiede im Zwischenmedium herbeizuführen, muss der heisse Gasstrom unten und der kältere oben angeordnet sein. Das im unteren Mantelteil erhitzte Zwischenmedium kann dann zwischen Mantel 5 und Innenrohr 7 aufsteigen, gibt einen Teil seiner Wärme im oberen Mantelteil ab und strömt im Innenrohr wieder nach unten. Das Durchmesserverhältnis vom Innenrohr zum Mantel wird aufgrund der bestehenden Temperaturverteilung und der physikalischen Eigenschaften des Zwischenmediums so gewählt, dass sich die grösstmögliche Geschwindigkeit der Konvektionsströmung ausbildet.
Die Länge des wärmeaufnehmenden im Verhältnis zur Länge des wärmeabgegebenden Mantelteils wird so berechnet, dass die mittlere Temperatur des Zwischenmediums etwa in der Mitte zwischen der Temperatur des heissen und des kälteren Gasstroms liegt.
Durch mechanische Mittel kann die natürliche Konvektionsströmung unterstützt werden; erstere können aber auch dazu dienen, eine künstliche Strömung hervorzurufen. Letzteres bietet die Möglichkeit, nach Belieben auch den heissen Gasstrom oben und den kälteren unten anzuordnen oder die Wärmetauschelemente bei senkrechter Trennwand horizontal einzubauen, nur müssen in diesem Fall die Mäntel beidseitig abgeschlossen sein, um ein Auslaufen des Zwischenmediums zu verhindern.
Als Beispiel eines solchen mechanischen Mittels zeigt Fig.2 ein Rührwerk 8, das von aussen her über den Antrieb 9 betätigt wird. Als weiteres Beispiel wäre eine elektromagnetische Pumpe zu nennen, was allerdings voraussetzt, dass das Zwischenmedium elektrisch leitend ist. Die dazu notwendige Energie kann von Thermoelementen geliefert werden, zu deren Betrieb die Temperaturdifferenz zwischen den beiden wärmetauschenden Medien oder zwischen dem heissen Gasstrom und einem geeigneten tiefen Temperaturniveau ausgenützt wird.
Die für den Mantel in Frage kommenden Werkstoffe haben oft nur eine verhältnismässig geringe Zug-, jedoch eine wesentlich bessere Druckfestigkeit. Wenn zur Erzeugung einer natürlichen Konvektions- strömung der heisse Gasstrom unten ist und, wie normalerweise der Fall, der Druck im kälteren Gasstrom grösser ist als im heissen, dann entsteht im Mantel eine hohe Zugbeanspruchung, solange über dem Flüssigkeitsspiegel des Zwischenmediums derselbe Druck wie im kälteren Gasstrom herrscht. Dieser Nachteil der hohen Werkstoffbeanspruchung kann durch Erniedrigung des Druckes über dem Flüssigkeitsspiegel vermieden werden.
Eine Verwirklichung dieses Gedankens zeigt Fig. 3. Der Mantel 10 ist durch einen dicht sitzenden Stopfen 11 abgeschlossen, durch den ein Absaugrohr 12 vom Hohlraum 13 über dem Flüssigkeitsspiegel zu einem (nicht gezeichneten) Unterdrucksystem führt. Der Druck in diesem System muss der Dampfdruckkurve des Zwischenmediums angepasst werden, um dessen Sieden zu vermeiden. Ein Teil des Absaugrohres besteht aus einem Faltenrohr 14, um Wärmedehnungen des Mantels ausgleichen zu können. Der Durchbruch durch die Gehäusewand 1 ist mit einer gasdichten Abdeckung 15 verschlossen. Der Stopfen 11 kann auch zur Halterung des Innenrohrs 16 dienen, das mit Durchbrüchen 17 versehen ist.
Um das während des Betriebes durch den Mantel herausdiffundierende Zwischenmedium ersetzen zu können, ist bei 18 eine Zufuhrmöglichkeit vorgesehen, die auch zum ersten Einfüllen verwendet werden kann.
Beim praktischen Einsatz des Wärmetauschers können sich Schwierigkeiten ergeben, wenn er ausser Betrieb gesetzt wird und das Zwischenmedium während der Abkühlung erstarrt. Durch die Wärmedehnungen beim Wiederaufheizen können der Mantel und das Innenrohr gesprengt werden. Um dies zu vermeiden, können verschiedene Mittel angewendet werden.
Eines davon wurde bereits genannt. Es besteht darin, ein solches Zwischenmedium auszuwählen, das beim Schmelzen eine möglichst geringe Volumen- änderung aufweist. Ein anderes Mittel besteht darin, die Wärmetauschelemente zu entleeren, solange das Zwischenmedium noch flüssig ist. Eine Einrichtung dafür zeigt Fig. 3. Der Mantel 10 weist auch unten
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eine Öffnung auf, die von einem trichterförmigen Einsatzstück 19 abgeschlossen ist, welches auch als zusätzliche Halterung für das Innenrohr 16 verwendet werden kann. Durch Entfernen des Stopfens 20 fliesst das Zwischenmedium aus und wird ausserhalb des Gehäuses 1 aufgefangen.
Es ist vorteilhaft, das ausfliessende Zwischenmedium zu Körpern zu vergiessen, die zum neuerlichen Gebrauch des Zwischenmediums in die Wärmetauschelemente eingesetzt werden. Es können das z. B. ringförmige Scheiben sein, deren Aussendurchmesser etwas kleiner als der Innendurchmesser des Mantels ist und in deren Hohlraum das Innenrohr Platz findet.
Das Sprengen des Mantels kann auch durch elastische Füllkörper 21 verhindert werden, welche die Wärmedehnungen des schmelzenden Zwischenmediums aufnehmen. Ein Beispiel für ihren Einbau zeigt Fig.4, welche einen Querschnitt durch ein Wärmetauschelement darstellt. In Fig. 5 ist ein einzelner Füllkörper veranschaulicht. Sie bestehen aus korrosionsfreiem, hitzebeständigem Blech und sind innen hohl. Ihre Anzahl pro Wärmetauschelement wird so bestimmt, dass sie die Wärmedehnungen des Zwischenmediums ohne bleibende Formänderung aufnehmen können.
Bei dieser Ausführung ist aber auch das Innenrohr durch die Wärmedehnungen beim Schmelzen des in seinem Inneren erstarrten Zwischenmediums gefährdet. Eine Abhilfe besteht darin, dass das Innenrohr aus zwei oder mehreren, zweckmässigerweise gleichen, längs Mantellinien einander berührenden Teilen zusammengesetzt ist. Eine besondere Dichtung zwischen diesen Teilen ist nicht nötig, da die Trennung der gegenläufigen Strömungen ausserhalb und innerhalb des Innenrohres nicht vollkommen sein muss.
Der beschriebene Wärmetauscher eignet sich insbesonders für hohe und höchste Temperaturen, wie sie beispielsweise bei magnetohydrodynamischen Generatoren vorkommen. Durch die Halterung der dabei verwendeten Wärmetauschelemente ,an nur einer Stelle und ihre freie Ausdehnungsmöglichkeit entfallen die sonst üblichen und gefürchteten Dichtungsprobleme, die oft nur schwer oder ungenügend zu lösen sind. Ein weiterer Vorteil bei der Ausführung mit natürlicher Konvektionsströmung liegt darin, dass keine bewegten Teile vorkommen. Die Schwierigkeiten, die sich sonst bei der Verwendung geschmolzener Metalle für den Wärmetransport ergeben, sind vermieden bzw. durch geeignete Mittel umgangen.
Jedes Wärmetauschelement stellt eine in sich geschlossene Einheit dar, ist gut zugänglich und kann im Falle einer Beschädigung oder natürlichen Abnützung rasch ausgewechselt werden. Der Wärmetauscher ist einfach im Aufbau und kann leicht kontrolliert werden.
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High-temperature heat exchanger for gaseous media The invention relates to a high-temperature heat exchanger for gaseous media, which are separated from one another by a wall, with the use of an intermediate medium for heat transport.
The endeavor to keep the temperature as high as possible in some thermal processes means that heat exchangers are necessary for ever higher temperatures. Sealing and construction problems arise that can often only be circumvented by unsatisfactory compromise solutions. Moving parts, which are prone to failure for obvious reasons, are often required. The materials suitable for high temperatures such as B. ceramics, graphite, etc. require different constructions than conventional heat exchangers, and these materials are often very inelastic.
Special construction principles must therefore be applied if the stresses that occur in particular when starting or stopping as a result of changes in volume or length of construction elements should not lead to breaks. These requirements are met by the heat exchanger according to the invention, which is characterized by heat exchange elements which are filled with an intermediate medium that conducts heat well at the operating temperature of the heat exchanger and protrude into the flow path of the two heat exchange media on both sides of the partition. Embodiments of the invention are shown schematically in the drawing.
1 shows an overall view of the high-temperature heat exchanger, FIGS. 2 and 3 different designs of heat exchange elements in axial section, FIG. 4 shows a radial section through a heat exchange element on a larger scale, FIG. 5 shows a filler body in perspective view.
From Fig. 1, the structure of the high-temperature heat exchanger can be seen. The housing 1 encloses the flow path of the gases, which is divided by a continuous partition 2. The two channels that are created in this way are flowed through by the two heat-exchanging media, which usually takes place in countercurrent, as the arrows indicate.
Both channels are again divided into fields by transverse walls 3, which on the one hand is useful for reasons of strength and on the other hand has the advantage that individual fields can be switched on and off as required. Rod-like heat exchange elements 4 protrude on both sides of the partition 2 into the flow path of the two media and effect the transport of heat from the hot to the colder medium.
The structure of such a heat exchange element is shown in FIG. 2. The tubular jacket 5, which is closed at the bottom in this embodiment, consists of a highly heat-resistant material, for example ceramic or graphite, but should be as thermally conductive as possible. The jacket is supported near the center with the collar 6 on the partition 2. By means of this appropriate mounting at only one point, the jacket can expand freely on both sides and, at the same time, an adequate seal between the two heat-exchanging media is achieved.
It would also be possible to fasten the jacket only to the upper housing wall 1 so that it could expand downwards, but this would still cause the sealing problem when it passes through the partition
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unsolved. Absolutely no impermeability is necessary at this point, but an extensive seal is desired.
The heat exchange element is filled with an intermediate medium, which should have good thermal conductivity and must be liquid at the operating temperature of the heat exchanger. Also, at the temperatures that occur, it must not react either with the material of the jacket or with the heat-exchanging medium with which it comes into contact when the jacket is open at the top. The intermediate medium can be any substance that is solid or liquid at room temperature; molten metals such as tin, aluminum, copper, etc. are preferred. For reasons that will be explained later, it is advantageous if the change in volume of the intermediate medium during melting is practically zero. This requirement corresponds z.
B. an alloy consisting of 44.5 percent by weight lead and 55.5 percent by weight bismuth.
The heat is transported in the heat exchange element by utilizing the natural convection flow of the intermediate medium or by an artificial flow that is caused by mechanical means. The intermediate medium absorbs heat from the hot gas flow through the jacket 5 and passes it back through the jacket - to the cooler gas flow. For better separation of the opposing flow in the intermediate medium, an inner tube 7 can be provided, which is made of a material that is as heat-insulating as possible and is held in the jacket 5 in a known manner.
In order to induce a convection flow due to the density differences in the intermediate medium, the hot gas flow must be arranged at the bottom and the colder one at the top. The intermediate medium heated in the lower jacket part can then rise between jacket 5 and inner tube 7, gives off part of its heat in the upper jacket part and flows back down in the inner tube. The diameter ratio of the inner tube to the jacket is selected based on the existing temperature distribution and the physical properties of the intermediate medium in such a way that the highest possible speed of the convection flow develops.
The length of the heat-absorbing in relation to the length of the heat-emitting jacket part is calculated so that the mean temperature of the intermediate medium lies approximately in the middle between the temperature of the hot and the colder gas flow.
The natural convection flow can be supported by mechanical means; but the former can also serve to create an artificial current. The latter offers the option of arranging the hot gas flow at the top and the colder gas flow at the bottom or installing the heat exchange elements horizontally with a vertical partition, only in this case the jackets must be closed on both sides to prevent the intermediate medium from leaking.
As an example of such a mechanical means, FIG. 2 shows an agitator 8 which is actuated from the outside via the drive 9. Another example would be an electromagnetic pump, which, however, requires that the intermediate medium is electrically conductive. The energy required for this can be supplied by thermocouples, for whose operation the temperature difference between the two heat-exchanging media or between the hot gas flow and a suitable low temperature level is used.
The materials in question for the jacket often only have a relatively low tensile strength, but a significantly better compressive strength. If the hot gas flow is at the bottom to generate a natural convection flow and, as is normally the case, the pressure in the colder gas flow is greater than in the hot one, then a high tensile load arises in the jacket as long as the same pressure above the liquid level of the intermediate medium as in the colder one Gas flow prevails. This disadvantage of the high material stress can be avoided by lowering the pressure above the liquid level.
An implementation of this idea is shown in FIG. 3. The jacket 10 is closed by a tightly fitting plug 11 through which a suction pipe 12 leads from the cavity 13 above the liquid level to a vacuum system (not shown). The pressure in this system must be adapted to the vapor pressure curve of the intermediate medium in order to prevent it from boiling. Part of the suction tube consists of a folded tube 14 in order to be able to compensate for thermal expansion of the jacket. The opening through the housing wall 1 is closed with a gas-tight cover 15. The plug 11 can also serve to hold the inner tube 16, which is provided with openings 17.
In order to be able to replace the intermediate medium that diffuses out through the jacket during operation, a feed option is provided at 18 which can also be used for the first filling.
In practical use of the heat exchanger, difficulties can arise if it is put out of operation and the intermediate medium solidifies during cooling. The jacket and the inner tube can be burst due to the thermal expansion during reheating. Various means can be used to avoid this.
One of them has already been mentioned. It consists in selecting an intermediate medium that has the smallest possible change in volume when it melts. Another means is to empty the heat exchange elements while the intermediate medium is still liquid. A device for this is shown in FIG. 3. The jacket 10 also points below
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an opening that is closed by a funnel-shaped insert 19, which can also be used as an additional holder for the inner tube 16. By removing the plug 20, the intermediate medium flows out and is caught outside the housing 1.
It is advantageous to cast the outflowing intermediate medium into bodies which are inserted into the heat exchange elements for the renewed use of the intermediate medium. It can z. B. be ring-shaped disks, the outer diameter of which is slightly smaller than the inner diameter of the shell and in the cavity of which the inner tube finds space.
The sheath can also be prevented from bursting by means of elastic filling bodies 21 which absorb the thermal expansion of the melting intermediate medium. An example of their installation is shown in FIG. 4, which shows a cross section through a heat exchange element. In Fig. 5, a single packing is illustrated. They are made of corrosion-free, heat-resistant sheet metal and are hollow on the inside. Their number per heat exchange element is determined in such a way that they can absorb the thermal expansion of the intermediate medium without permanent change in shape.
In this embodiment, however, the inner tube is also endangered by the thermal expansion when the intermediate medium solidified in its interior melts. A remedy is that the inner tube is composed of two or more, expediently the same, parts that touch one another along surface lines. A special seal between these parts is not necessary, since the separation of the opposing currents outside and inside the inner tube does not have to be complete.
The heat exchanger described is particularly suitable for high and extremely high temperatures, such as occur, for example, in magnetohydrodynamic generators. By holding the heat exchange elements used at one point and allowing them to expand freely, the otherwise common and dreaded sealing problems, which are often difficult or insufficient to solve, are eliminated. Another advantage of the version with natural convection flow is that there are no moving parts. The difficulties that otherwise arise when using molten metals for heat transport are avoided or circumvented by suitable means.
Each heat exchange element is a self-contained unit, is easily accessible and can be quickly replaced in the event of damage or natural wear and tear. The heat exchanger is simple in construction and can be easily controlled.