CH532236A - Wärmeaustauscher - Google Patents

Description

  
 



  Wärmeaustauscher
Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein Wärmeaustauscher für flüssige oder gasförmige Strömungsmedien oder siedende Flüssigkeiten oder kondensierende Dampfe, welcher zwei oder mehr getrennte Strömungskanäle aufweist.



   Die Vorteile des Wärmeaustauschers gemäss der Erfindung liegen in seiner Kompaktheit. Dies bedeutet, dass mit dem erfindungsgemässen Wärmeaustauscher im Vergleich zu bisher bekannten Wärmeaustauscher-Typen und -Konstruktionen bei gleicher Leistung wesentlich, d.h. mehrfach kleinere Aussendimensionen bzw. Volumina erzielbar sind. Diese kleineren Volumina bedeuten in der Regel ausserdem noch eine bessere Materialausnutzung, d.h. wichtige wirtschaftliche Vorteile.



   Möglichst kompakte Wärmeaustauscher bilden schon seit Jahrzehnten das Ziel vieler Forschungs- und Entwicklungsarbeiten, da sie nicht nur Gewichte, Dimensionen und Kosten unzähliger Apparate wesentlich beeinflussen, sondern sogar über Realisierbarkeit oder Nichtrealisierbarkeit, Erfolg oder Misserfolg bestimmter Projekte und Entwicklungen entscheiden können.



   Bezüglich der Bestrebungen, wirksame kompakte Wärmeaustauscher zu entwickeln sei hier lediglich auf einige wichtige Literaturquellen hingewiesen:  - Compact Heat Exchangers by W.M. Kays and A.L. London, Mc Graw Hill, New York, 1958  - Gregorig: Wärmeaustauscher, Sauerländer Aarau und Frankfurt a.M. 1959
Von besonderer Wichtigkeit sind kompakte Wärmeaustauscher unter anderem für folgende Gebiete:
Chemische Apparatebau, Kältetechnik, Dampf- und Gasturbinenanlagen.



   Es ist üblich, die Leistungsfähigkeit von Wärmeaustauschern durch den Ausdruck k.F anzugeben, wobei k die Wärmedurchgangszahl, z.B. in Watt/m2   C,    und F die mittlere Wärmeübertragsfläche, z.B. in m2, bezeichnet.



   Der Ausdruck k.F gilt nur bei einem bestimmten Wärmeaustauscher und nur für ein gegebenes Medium bzw. gegebene Media und gegebene Mengen bzw. Strömungsverhältnisse.



   Multipliziert man den Ausdruck k.F mit   A    t, den mittleren Temperaturunterschied zwischen den wärmeaustauschenden Medien, dann erhält man Q = k.F.A t die gesamte übertragene (ausgetauschte) Wärmemenge in der Zeiteinheit (Watt).



   Es sind im Prinzip zwei Wege bekannt, um die Leistungsdichte gewöhnlicher Wärmeaustauscher (z.B. zwei konzentrische Rohre) zu erhöhen.



   Der erste Weg besteht in der Anwendung oberflächenvergrössernder Einbauten, wie Rippen, der zweite Weg führt über die Vergrösserung der Wärmedurchgangszahl k, z.B. durch Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit oder bei gleicher Strömungsgeschwindigkeit durch die Erhöhung der Turbulenz oder Störung der (laminaren) Grenzschicht durch sog. Wirbeleinbauten.



   Um grösste Leistungsdichten, d.h. sehr kompakte Wärmeaustauscher, zu erhalten, werden in der Regel beide oben erwähnten Methoden gleichzeitig angewendet.



   Sowohl durch die oberflächenvergrössernden Einbauten wie auch durch Wirbeleinbauten und Strömungsgeschwindigkeitserhöhung wird der Druckabfall der strömenden Medien erhöht, was einen direkten Einfluss auf den Energiebedarf und somit auf die Betriebskosten ausübt.



   Ein guter Wärmeaustauscher sollte eine hohe Leistungsdichte (k.F) bei gleichzeitig niedrigem Druckabfall A p (z.B. in mm Wassersäule oder kp/m2) aufweisen. Das Verhältnis der beiden Kennzahlen   kF/A    p ist eine wichtige Information bei der Beurteilung oder dem Vergleich mehrerer Wärmeaustauscher.



   Ähnliche Kennzahlen lassen sich für die Beurteilung der Leistungsdichte in der Form kF/m3 oder kF/m bilden.



   Der Wärmeaustauscher gemäss der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens zwei der Strömungskanäle, zur Oberflächenvergrösserung und Turbulenzerzeugung, Stifte vorgesehen sind, welche im wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung der Strömungskanäle angeordnet sind.



   Anschliessend wird anhand der Zeichnung die Erfindung beispielsweise erläutert.



   Fig. 1 stellt eine typische Ausführungsform eines erfindungsgemässen Wärmeaustauschers dar. Fig. 2 ist eine Ansicht von oben des Wärmeaustauschers gemäss Fig. 1. Dieser weist drei konzentrische Rohre 10, 11 und 12 auf. Die Rohre 10  und 11 resp. 11 und 12 bilden zwei ringförmige Zwischenräume 13 und 14 durch welche die wärmeaustauschenden Medien (gas- oder flüssigkeitsförmig) hindurchströmen. Das innerste Rohr 12 ist ein sog. blindes Rohr, kann aber im Prinzip auch zur Durchleitung eines dritten Gas- bzw. Flüssigkeitstromes dienen.



   Durch das Rohr 11 gehen mehrere Reihen von radialen zylindrischen Stiften 15. Im vorliegenden Beispiel weist jede Reihe acht Stifte auf, jeweils in dem gleichen auf die Rohrachsen senkrechten Querschnitt. Die Stifte 15 durchqueren beide Zwischenräume 13 und 14. Jede zweite Stiftreihe ist gegen über der vorhergehenden um einen halben Stiftabstand versetzt.



   Mit solchen Wärmeaustauschern sind in zahlreichen Versuchsmessungen unter bestimmten gleichbleibenden Bedingungen, etwa fünf mal grössere Leistungsdichten (kF/m, kF/m3 Werte) erreicht worden als bei den besten bisher bekannten Typen. Was dabei insbesondere als aufsehenerregend gilt, ist, dass diese Verbesserung der Leistungsdichte bei optimaler Auslegung, wovon später noch ausführlicher die Rede sein wird, nicht durch eine Verschlechterung des   kF/d    p-Verhältnisses erkauft werden musste.



   Folgende Überlegungen begründen die Überlegenheit des fraglichen Wärmeaustauschers: a) Stifte, insbesondere zylindrische Stifte, haben das höchste und somit für die Wärmeübertragung günstigste Oberflächen/ Volumen-Verhältnis von allen geometrischen Formen, die oberflächenvergrössernden Elementen zugrundegelegt werden können. Betrachten wir beispielsweise ein 1 cm langes Stück eines Rohres mit dem Innendurchmesser di cm. Die Oberfläche ist 3,14.di cm2. Durch eine diametrale 0,1 cm dicke Rippe erhält man zusätzlich 2.di cm2 Fläche. Durch zehn Stück Stifte mit 0,1 cm Durchmesser anstelle der obigen Rippe hingegen   10.3,14.0,1.di    =   3,14.di    cm2 Fläche. Dabei ist das Volumen der Rippe erst 1,27 mal grösser als die der zehn Stifte. Ähnlich verhält es sich mit mehreren Rippen bzw. Stiften.



   b) Es ist allgemein bekannt, dass der Wärmeübergang einer berippten Fläche, auf die Flächeneinheit bezogen, schlechter ist als an der unberippten Fläche. Ähnliches galt bis jetzt ganz allgemein für oberflächenvergrössernde Einbauten. Das heisst, dass k.F in der Regel bloss um einen kleineren Faktor sich erhöhte als das Verhältnis: ursprüngliche Oberfläche zu vergrösserte Oberfläche.



   Es ist ebenfalls bekannt, dass an (zylindrischen) Stiften der Wärmeübergang im Vergleich zu Rippen und ähnliches besser ist, da sich keine so dicke Grenzschicht ausbilden kann, welche den hauptsächlichen Wärmeübertragungswiderstand bildet.



   Bei den erfindungsgemässen Wärmeaustauschern wurde in dem untersuchten Bereich niedriger Reynoldszahlen im Gegensatz zum oben Gesagten sogar eine wesentliche Verbesserung des auf die vergrösserte Oberfläche bezogenen Wärme überganges festgestellt.



   c) Bei den bisher bekannten kompakten Wärmeaustauschern dieser Art bildeten oft verlängerte Wärmeleitungsdistanzen in den oberflächenvergrössernden Teilen einerseits, und mangelhafter Wärmekontakt zwischen Rohrwand und oberflächenvergrössernden Elementen beidseits der Rohrwand andererseits, leistungsvermindernde Faktoren.



   Bei dem erfindungsgemässen Wärmeaustauscher gemäss Fig. 1 und 2 ist auch diese Frage optimal gelöst. Durch die radiale Richtung der Stifte ergibt sich der kürzeste Wärmeleitweg und dadurch, dass die Stifte durchgehend sind, ergeben sich überhaupt keine Wärmekontaktprobleme.



   Die Optimierung von Wärmeaustauschern gemäss vorliegender Erfindung muss jeweils individuell auf Grund der zu lösenden Aufgabe erfolgen. Stark vereinfacht kann man sagen, dass der Wärmedurchgang durch drei Teilvorgänge hauptsächlich bestimmt wird:
1) Wärmeübergang vom wärmeabgebenden Medium an die Stifte
2) Wärmeleitung durch die Stifte
3) Wärmeübergang von den Stiften an das wärmeaufnehmende Medium.



   Normalerweise wird die Optimierung darin bestehen, diese drei Faktoren gegenseitig auszubalancieren bzw. danach zu trachten, dass keiner einen Engpass bildet. Dies umfasst nebst Strömungsgeschwindigkeiten und Oberflächen auch die Anzahl, Durchmesser, Länge, Material der Stifte und die zu übertragende Wärmemenge.



   Auch die Ermittlung des optimalen   kF/A    p-Verhältnisses gehört in diesen Bereich. Dazu wird jedoch in der Regel ziemlich umfangreiches experimentelles Material benötigt.



   Obwohl die in Fig. 1 und 2 gezeigte Ausführungsform des erfindungsgemässen Wärmeaustauschers vermutlich die günstigste ist, erstreckt sich die Erfindungsidee auch auf andere wesensverwandte Formen.



   Als Beispiel zeigt Fig. 3 den Querschnitt eines zylindrischen Rohres 20, das durch eine Scheidewand 21 in zwei Hälften geteilt ist, welche die jeweiligen Strömungskanäle 22 und 23 bilden. Die Stifte 24 gehen in diesem Fall durch die Scheidewand 21 hindurch von der einen zur anderen Kanalhälfte. Sie weisen dabei jedoch zwangsläufigerweise unterschiedliche Längen auf.



   Fig. 4 zeigt eine ähnliche Ausführungsform wie Fig. 3, hingegen ist hier das äussere Rohr 30 nicht mehr zylindrisch, sondern rechteckig. Ebenso die zwei Strömungskanäle 32 und 33. Die Scheidewand 31 ist wiederum eben. Die Stifte 34, welche die Scheidewand durchstossen weisen in diesem Fall eine unter sich uniforme Länge auf und sind zwecks Erleichterung des Einpressens in die Scheidewand am einen Ende konisch verjüngt.



   Wie dicht der Kontakt zwischen den Stiften und der durch sie durchstossenen Wand sein muss, ist von Fall zu Fall verschieden. In den meisten Fällen lässt sich durch Hineinpressen der Stifte in die entsprechend vorbereiteten Löcher eine befriedigende Dichtheit erzielen. Stifte, die eine konische Spitze aufweisen oder sogar auf ihrer gesamten Länge konisch sind, können diesbezüglich Vorteile bieten.



   Andererseits ist eine zusätzliche Abdichtung der Durchstosstellen ebenfalls oft möglich, sei es durch Harze oder niedriger schmelzende Metalle, Widerstandsschweissung etc. Für den Fall extremer Ansprüche an die Dichtheit ist beispielsweise folgendes Herstellungsverfahren anwendbar, ohne dass dadurch der Rahmen der vorliegenden Erfindung gesprengt wird (Fig. 5).



   In Fig. 5 wurden zuerst auf das innerste Rohr 40 die inneren Stifte 41 beispielsweise durch Widerstandsschweissen befestigt, danach diese Gebilde in das mittlere Rohr 42 eingeführt.



  Nächster Herstellungsschritt ist die Reduktion des Durchmessers durch geeignete Mittel zwecks Erzielung eines guten wärmeleitenden Kontaktes zwischen dem mittleren Rohr 42 und den Stiften 41. Als Alternativlösung käme hier z.B. auch eine Ausweitung des innersten Rohres 40 ebenfalls in Frage.

 

   Letzter Schritt ist die Befestigung der äusseren Stifte 43 auf dem mittleren Rohr 42 ähnlich wie weiter oben die inneren Stifte 41 auf dem inneren Rohr 40. Bei dieser Methode ist es nicht wichtig, ob die entsprechenden inneren Stifte und äusseren Stifte eine gerade Linie bilden. Vielmehr können sie zueinander mehr oder weniger versetzt sein, ohne dass dies in diesem Fall eine Leistungseinbusse zur Folge hat. Es ist dabei sogar möglich, die Anzahl und die Teilung der inneren und der äusseren Stifte verschieden zu wählen, was bei der Optimierung eine zusätzliche Freiheit bietet. Das äussere Rohr ist mit 44 bezeichnet, die zwei kreisringförmigen Strömungskanäle mit 45 resp. 46. Das innerste Rohr 40 ist wiederum entweder  geschlossen (blind) oder kann auch einen dritten Strömungskanal 47 bilden.

 

   Rohre bzw. unter deren Anwendung gebaute Wärmeaustauscher, welche mit beidseitigen Stiften in einem Arbeitsgang produziert werden, wie z.B. durch Giessen oder Spritzgiessen, gehören ebenfalls in den Rahmen der vorliegenden Erfindung.



   Wiederum in anderen Anwendungsfällen kann eine gewisse Undichtheit sogar von Vorteil sein. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn aus einem Gasstrom in einem Strömungskanal des Wärmeaustauschers laufend eine Flüssigkeit auskondensiert, welche durch die Undichtigkeiten kontinuierlich auf die andere Seite, d.h. in den anderen Strömungskanal, hinübergeleitet wird und dort z.B. wieder verdunstet. Dies bedingt natürlich eine gegenüber dem Vertikalen mehr oder weniger geneigte Aufstellung des Wärmeaustauschers. 

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH

   Wärmeaustauscher für flüssige oder gasförmige Strömungsmedien oder siedende Flüssigkeiten oder kondensierende Dämpfe, welcher zwei oder mehr getrennte Strömungskanäle (13, 14, 22, 23, 32, 33, 45, 46, 47) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens zwei von diesen Strömungskanälen, zur Oberflächenvergrösserung und Turbulenzerzeugung, Stifte (15, 24, 34, 41, 43) vorgesehen sind, welche im wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung der Strömungskanäle angeordnet sind.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Wärmeaustauscher gemäss Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Stifte (15, 24, 34) zur Oberflächenvergrösserung und Turbulenzerzeugung die Trennwand (11, 21, 31) zwischen den wärmeaustauschenden Medien bzw. den Strömungskanälen durchstossen.

   2. Wärmeaustauscher nach Patentanspruch und Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (13, 14, 45, 46, 47) von zwei oder drei, im wesentlichen koaxial ineinander liegenden Rohren (10, 11, 12, 40, 42, 44) gebildet sind und dass die in diesen Strömungskanälen zur Oberflächenvergrösserung und zur Turbulenzerzeugung vorgesehenen Stifte (15, 41, 43) im wesentlichen in den Rohren in radialer Richtung angeordnet sind.

   3. Wärmeaustauscher nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Stifte (15, 24, 34, 41, 43), welche in den Strömungskanälen (13, 14, 22, 23, 32, 33, 45, 46) zur Oberflächenvergrösserung und Turbulenzerzeugung vorgesehen sind, eine zylindrische Form aufweisen.

   4. Wärmeaustauscher nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Stifte (34), welche in den Strömungskanälen (32, 33) zur Oberflächenvergrösserung und Turbulenzerzeugung vorgesehen sind, sich am einen Ende konisch verjüngen.

   5. Wärmeaustauscher nach Patentanspruch und Unteranspruch 1 oder 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein zylindrisches Rohr durch eine axiale Wand (21) in zwei im Querschnitt im wesentlichen halbkreisförmige, voneinander getrennte Strömungskanäle (22, 23) unterteilt ist, in welcher Trennwand im wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung der Strömungskanäle angeordnete Stifte (24) mit unterschied ]ichen Längen befestigt sind.

   6. Wärmeaustauscher nach Patentanspruch und Unteranspruch 1 oder 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei im wesentlichen im Querschnitt rechteckige Strömungskanäle (32, 33) mittels einer gemeinsamen Wand (31) getrennt sind, an oder in welcher Trennwand im wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung der Strömungskanäle angeordnete Stifte (34) im wesentlichen von gleicher Länge befestigt sind, wobei die Stiftlänge in jedem Kanal im wesentlichen dem Abstand zwischen der Trennwand und der dieser gegenüberliegenden Kanalwand entspricht.