DE1601174A1

DE1601174A1 - Waermeaustauscher

Info

Publication number: DE1601174A1
Application number: DE19671601174
Authority: DE
Inventors: Lawrence Willis Thompson
Original assignee: Comstock and Wescott Inc
Current assignee: Comstock and Wescott Inc
Priority date: 1966-11-07
Filing date: 1967-11-04
Publication date: 1970-06-18
Also published as: US3410338A; NL6714881A; NL140974B; BE706184A; GB1159136A

Description

Dipl.-Ing Egon Prinz βοοο _Mo„c.n 6o.

' Dr. Gertrud HaUSer Ernsbergerstrasse 19 1 ROI

Dipl.-Ing. Gottfried Leiser ^IQW '

Patentanwälte "

1*« U*·* München COMSTOCKaWESOOTT, INC.

Telefon: 83 15 10 ·

Postscheckkonto: Mönchen Π7078 rj^ ooncord Avenue

Cambridge, Massachusetts / V.St.A,

Betr.; 0 2457

Wärmeaustauscher

Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher, der einen Behälter aus einem wärmespeichernden Material aufweist und eine Leitung, die sich durch den Behälter und das ■wärmespeichernde Material hindurcherstreckt und durch welche hindurch leitungswasser oder eine andere Wärmeaustauschflüssigkeit zum Zwecke der Erhitzung umgewälzt wird,

Zu den am meisten wirksamen Materialien für eine Wärmespeicherung gehören Alkalihydroxyde, wie beispielsweise Hatriumhydroxyd, welches ein Korrosionsschutzmittel enthält, wie beispielsweise zusätzliche, indifferent machende Chemikalien. Alkalimetallhydroxyde weisen außerordentlich große Wärmespeicherkapazitäten über einen weiten Temperaturbereich von etwa 100⁰I¹ bis zu etwa 1200⁰F auf. Derartige Zusammensetzungen sind im höheren Teil des Temperaturbereiches flüssigkeiten, das heißt in einem Bereich über etwa 5OQ⁰I¹ und um deshalb eine leckstromung zu vernöidVÄi'iiiul der Behälter vorzugsweise an der Stel-

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le, an der die-Wärmeaustauschleitung in den Behälter eintritt, abgedichtet sein. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit und der Korrosionsverhinderung sind vorzugsweise der Behälter und die Leitung aus Stahl hergestellt, vorzugsweise aus einem Stähl mit einem geringen Kohlenstoffgehalt, um dadurch eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit , thermische leitfähigkeit und um einen guten Wirkungsgrad zu erhalten, Das Wasser oder eine andere Wärmeaustauschflüssigkeit, die durch die Leitung zum Erhitzen hindurchgeleitet wird, weist üblicherweise eine verhältnismäßig niedrige Temperatur auf, die beispielsweise im Bereich von 35⁰F bis zu 150°]? liegt, wobei diese Temperatur, verglichen mit den höchsten Temperaturen dieses wärmespeichernden Materials, des Behälters und der Leitung sehr gering ist. ■' -

Wenn Wasser mit derartig geringen Temperaturen in eine Leitung mit einer Temperatur von etwa 900⁰P eingeführt wird, so entstehen ganz erhebliche Temperaturgradienten, und entsprechende Wärmespannungen werden in der Leitung ausgebildet und dies führt zu einem sogenannten thermischen Schock, wodurch Ermüdungserscheinungen auftreten können und wodurch letztlich das Metall zerstört oder beschädigt werden kann. Die Verwendung eines wärmespeichernden Materials mit geringer Wärmeleitfähigkeit, wie beispielsweise die Verwendung von Alkalihydroxyden trägt dazu bei, diese Spannungen in den Leitungen auf eine annehmbare Größe

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zu verringern. Es treten jedoch Probleme an der Stelle auf, an der die Leitung in den Wärmespeichertehalter eintritt und - ebenfalls an der Stelle, an der die Leitung mit der Behälterwandung verbunden ist* Der Behälter, der aus einem relativ hochwärmeleitfähigen Material, wie beispielsweise Stähl, besteht, -weist die Eigenschaft auf, daß die Warme, die der Behälter enthält, aus dem Bereich um die Leitung herum sehr schnell abgezogen wird. Es werden dadurch sehr größe Spannungen erzeugt und, falls die Leitung starr oder unmittelbar mit dem Behälter verbun... ist, kann die Leitung, die Beliälterwandung oder die Befestigung beschädigt oder zerstört -werden;· ,

Es ist ein Siel der Erfindung, i^ne Kupplung für die Leitung und die Bohälterwandung zu schaffen, die es ermöglicht, das Wasser oder eine'ändere Flüssigkeit mit einer, verglichen mit der Temperatur des Wärmespeieh^rmaterials geringen Temperatur, eingeführt wird ,.""ohne daß unzulässige thermische Spannungen in der Leitung, in der Behälterwandung oder an der Befestigmigastelle erzeugt werden, wobei diese Kupplung einfach, und in wirtschaftlicher V/eise herstellbar sein coil und vo'oei diese Kupplung dauerhaft und zuverlässig ir,» Be'trieb sein soll*

Gesäß der Erfindung ist ein Wärmeaustauscher vorgesehen, der eine si Behälter aus eineia Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit aufv;eist, wobei in diesem Behälter ein Wariaespeichermaterial mit einer verhältnismäSig geringen Wärmeleit-0 098 25/047 1 BAD ORiGiNAL

fühigkeit angeordnet ist, welches hoch Temperaturfest ist und v/obei eine Leitung 'aus einen hochwärmeleitfähigen Material sich durch diesen Behälter und das Wärmespeichermaterial hindurch erstreckt, wobei in diese Leitung eine i'lüfjiigkeit mit verhältnismäßig geringer Temperatur, verglichen mit der Temperatur des Wärmespeichermaterials eingeführt wird, um erhitzt zu v/erden und wobei eine Kupplung vorgesehen ist, um diese Leitung an der Wandung dea Behälters zu befestigen, wobei diese Kupplung eine Hülse auf v/eist, die diese Leitung umgibt, und wobei Einriehtunje:i vor_;;ese;.er. oind, u:.; ein Eir.;e der Hülse an der Leitung zv. tei'e'"· ti go η und abzudichten und um dac andere Ende der Hülse an der Beliälterv/auüung zu befestigen und abzudichten, wobei diese Hülse einen Raum um die Leitung bildet, wobei IcolationanaV.rialien in diesem Raum angeordnet sein körne:·: und v/obei diese ΓΓ,ΙΙπο den Kontraktionen und Expansionen der Leitung arr> beiv-ntigen Ende folgt und wobei in die Leitung und in den Behälter.eingeführte thermische Spannungen vermindert werden. .

Vorzugsweise erstreckt sich di.ti.ie Hülse nach außen aus dem Behälter hinaue und der Raum, der' mit dem Innern des Behälters verbunden ist anthält γ/ärmespeichoraaterial mit geringerer Wärmeleitfähigkeit, wobei dieses Material als Isolationsraaterial dienen kann. In gleicher Weise kann sich die Hülse.in das Innere des Behälters hineinerstrecken, wobei der besagte Raum mit dem Äußeren des Behälters in

f BAD OBIG(NAL 0098 2 5/047 1 Yerbindung

YerMndung steht und wobei das WärmeisOlationsmaterial luft sein kann oder ein geeignetes anderes Isolationsmaterial.

Zum Zwecke der Erläuterung der Erfindung sollen in der folgenden Beschreibung typische Auslührungsformen unter . " Bezugnahme auf die figuren der Zeichnung erläutert werden. Es zeigen:

3?ig. 1 eine Schnittansicht einer bevorzugten Aus führung s- '" form der Erfindung und

Eig» 2 eine Schnittansicht einer anderen Ausführungsform.

Materialien, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit haben, sind beispielsweise Metalle und Legierungen, wie beispielsweise Stahl, wohingegen Materialien,'die eine geringe thermische Leitfähigkeit haben, in fester Form durch die meisten anorganischen Salze gebildet werden.

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Bei dem in I¹Ig* 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Behältorwandung 1 vorgesehen, die aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit hergestellt ist wie beispielsweise aus einem Stahl mit geringem. Kohlenstoffgehalt, wobei diese Wandung durch eine Isolation 2 bedeckt ist. Im Behälter befindet sich ein Wärmespeichermaterial 3,Welches eine relativ geringe thermische Leitfähigkeit, verglichen mit der Leitfähigkeit

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BAD ORiGlISIAL —

der "Behälterwandung 1 hat,-wie beispielsweise Natriumhydroxyd, welches ein Korrosionsschutzmitfcel oder ein an sich bekanntes anderes Mittel zur Verhinderung von Korrosionen enthält, Ein Rohr 4, welches ebenfalls aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit hergestellt sein kann, wie beispielsweise aus Stahl mit geringem Kohlenstoffgehalt, erstreckt sich durch eine Öffnung in der Wandung des Behälters 1 in das Material 3 hinein, wobei dieses Rohr in diesem Material beispielsweise schlangenförmig ausgebildet sein kann oder eine andere Form haben kann, wie sie bei Wärmeaustauschern bekannt ist. Wasser oder eine andere Wärmeaustauseherflüssigkeit wird mit einer verhältnismäßig geringen Temperatur verglichen, mit der Temperatur des Wärmespeichermateriala, beispielsweise mit einer Temperatur von etwa 35⁰F bis zu etwa 15O⁰F in die Leitung 4 eingeleitet, um, . erhitzt zuverden. Die erfindungsgeiuäße Kupplung svprriph-. tung weist eine Hülse 5 auf, die ebenfalls aus einem. ._;._; Stahl mit geringem Kohlenstoffgehalt bestehen kann_e Diese Hülse umgibt die Leitung 4 und zwisehen der Leitung 4 und der Hülse wird ein Raum 6 gebildet. Am Ende 7 der Hülse sina Einrichtungen vorgesehen, um diese mit der Behälterwandung 1 zu verbinden und gegenüber dieser abzudichtenο Beim dargestellten Ausführungsbeispiel kann es sich beispielsweise um eine Verschweißung handeln. Eine ähnliche Befestigung verbindet die Leitung mit dem anderen Ende 8 der Hülse.

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Beim dargestellten Ausfüiirüngsbeispiel erstreckt, sieh die Hülse 5 aus dem Behälter durch die Isolationsschicht 2 hinduroh und zwar in die Luft außerhalb des Behälters hinein. Auf diese Weise wird das äußere Ende der Hülse "bei einer tieferen Temperatur gehalten als die Behälterwandung 1. ♦ Dadurch wird die!.Möglichkeit herabgesetzt',-.'.daß aich große Temperaturgradienten und Wärme spannungen in der Leitung und im Behälter ausdehnen können und zwar dadurch, daß die Temperaturänderung über eine größere Strecke verteilt wird.

Der Raum 6_S der 'am die - lieitun/r durch die Hülse -und "-die Behälterwandun>; ausgebildet v^iri, stellt mit den Innenraum des Behälters in -Verhinduiif* unu dadurch.'ist dor Rauin mit dem Material 5 "mit geringer Üäriiieleitf ^hijk-it gefüllt. Dieses material wirkt als Isolationast off und verhin.verx,. daß Warne sehr schnell von der Behälterwandung auf die . Leitung übertragen wird. An dem Ende der Hülse, welches mit der Behälterwandung verbunden ist, werden-keine thermischen Spannungen entwickelt, die zu einer IiÖsung der Hülse von der Behält ε rwendung füiiren könnten,

Sie Hülse 5 karji, ohne dai unsul'ässi-ie Spannungen erzeugt werden-ν den Konzentrationen und Expansionen der Leixxing an der Stelle folgen, an der sie --isit der Leitung über die Verbindung 8 verbunden ist* Dies ist der Fall, weil dieses Ende der Hülse etwa die Temperatur der leitung hat und sich frei mit der Leitung zusammenziehen und ausdehnen kann, wenn Temperaturänderungen auftreten« Dieses Sr-

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BADORIGfNAt

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gebnis wird erreicht, weil die Eigenschaften- der Hülse *■■

eine gewisse Flexibilität am Ende ergeben, welches mit der Leitung verbunden ist. Erzeugte Spannungen werden "bis zu einem gewissen Ausmaß von der Länge der Hülse aufgenommen und statt daß diese von der Leitung oder von der Behälterwandung aufgenommen werden, und dadurch werden die Spannungen in diesen Teilen stark herabgesetzt. Obwohl die Abmessungen oder Proportionen der Hülste nicht kritisch sind, sei bemerkt, daß, falls die Hülse zu kurz und zu dick ist, die meisten wünschenswerten Ergebnisse nicht erreicht werden können-

Die Leitung und die Hülse haben vorzugsweise einen dünn-, wandigen Aufbau, obowhl dickere Wandungen zu entsprechend guten Ergebnissen führen können» Bei einer bevorzugten Aunführungsform ist dia.. Verrichtung derart aufgebaut, daß eine lillse verwendet wird ^Έ4-β... ein Verhältnis von Durch— meαser zu Wandungsstärke von 9,5 zu 1 hat. Verhältniese im 3ereich von etwa 7 : 1 bis zu 12 : 1 können verwendet werden, wobei entsprechend gute Ergebnisse erzielt werden.

Zur Erzielung 3ehr guter Ergebnisse beträgt das Verhältnis von Länge der Hülse zum Durchmesser der Leitung mehr als 1 : 1 und vorzugsweise wird ein Verhältnis von 4- ί 1 "bis zu etwa \0 : 1 verwendet. Der Haum für das Isolationsmaterial zwischen der Leitung und der Hülse kann unter Hinblick auf den Verw endungs zv; eck verändert werden, jedoch

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wird ein derartiger Abstand voi-gesehen, der gloich dein Mehrfachen der Leitungawandungsdicke ist«, 'Ein Abstand von etwa dem Eineinhalbfacuen der Lei tungswaiidimcsdicke ergibt sehr gute Ergebnisse„ . - .

Bei deü in Pig. 2 dargestellten Aus führung? s form ist eine Behälterwandmig 1^! vorgesehen, ein Viaruiispei-jh-rinaterial: 3' und ein Rohr 4', wie bei... zuerst beschriebenen Auaführungsbeispiel. Bei diese;:i Aun führungsbeispiel umfaßt die Kupplung eine Hülse 5* , welche die Leitung 4' umgibt, wobei zv.'iochen Hülse und Leitung ein Zwischenraum 6' ver-bleibt, im Ende 7¹ der Hülse ist beispielsweise eine Schweißstelle vorgesehen, .uiu die Hülae mit der Behält.erwandung zu verbinden und gegenüber diooer abzudichten«, Eine ähnliche Einrichtung befestigt das Rohr am anderen Ende 8' der Hülse. Bei diesem Ausflüirungsbeispiel erstreckt sich die Hülse in den. Behälter hinein und der -Raum,, der um die Rohrleitung durch die Hülse und die Behälterv;an-. dung gebildet wird,, steht, mit der Au-3enaeite des Behälters in Verbindung und in diesen Raum tritt Luft von außen ein und diese Luft wirkt als Isolationsmaterial·, um zu verhindern, daß V/.arme sehr schnell, von der Behälterwandung auf die Leitun. übertrafen wird. Auf die;;e Vfeise werden keine großen thermischen opannimgen am EnJo der Hülse erzeugt, das mit tier Behälterwanuung verotin.i'jn Is t und iVrner werden in der Behalterwr.iidiin.^ se Loot keitie i-roiJun thormiochön Spaiiriungen erzeu.;t. Ber Raum d.¹ Jcarai :u.u;h ,wife einein anderen Ij ilationsmatufiM.! gel'üllt joilci, L'al.-l-i" die-

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aes gewünscht ist, v/obei beispielsweise das Iaolationsmaterial 2' verwendet v/erden kann, welches den Behälter umgibt» Wie bereits dargelegt, folgt auch hier die Hül3e 5' ohne Erzeugung unzulässiger Spannungen den Kontraktionen und Expansionen der Leitung 4' an dem Ende, an dem die Hülse init der Leitung verbunden ist*

In folgenden Beispiel sollen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Hrfindung erläutert werden» Wenn keine anderen Angaben gemachten werden, bedeuten die Prozentangaben Gewichtsprozente und alle Temperaturen sind in Grad Fahrenheit angegeben. -

Beispiel

Es wurde eine 7/ärmespeichervorrichtung aufgebaut und es vurde eine Wärmeaustauschleitung vorgesehen, wobei der Aufbau so erfolgte, wie es bei dem in Pig'* 1" dargestellten Auafuhrungsbeispiel der .Fall ist» Die verwendete Leitung bestand aus Stahl und "hatte einen Außen-.urclimeaser von I "oll. Eine 5 Zoll Stahlhülse wurde an Wslriiespeicherbehälter befestigt, wobei diese Hülse einen Innendurch-Liesser von 1 1/Ί-5 Zoll und einen Außendurdme33er von 1 5/1 β Zoll hat» Die Hülse war an dem Ende, -,/eichen ü frei vom Behälter f orterstreck be, mit der· Leitung verbunden» Der Aufbau war derart, aaiJ das Verhüibnia von Durcni,if):-.H>r : .,·.· ,/ariuungastärke 9,5 ί 1 bebruf-;*-

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- it -

Der Wärmeapeicherbehälter wurde mit einer Mischung gefüllt, die etwa 89ji Natriumhydroxyd -enthielt, Qfi Natriumnitrat und etwa 2?ί Nateriumohlorid«, Diese Mischung wurde auf etwa 900⁰P erhitzt und die Wärme vmrde anschließend dadurch abgeführt« daß Wasser mit einer Temperatur von 50 bis zu 7O⁰I?- durch die Leitung hindurch geführt wurde. Dabei wurde Dampf erzeugt und anschließend wurde dieser Dampf kondensiert« Die in Pig. 1 ddrgestellte Vorrichtung wurde etwa 20 000 thermischen Stoßen ausgesetzt und die in Fig.2 * dargestellte Vorrichtung wurde etwa 30 000 therwjchen Stößen ausgesetzt* Eine anschließende Überprüfung er^ab, daß keine der beiden Vorrichtungen Fehler, Risse oder dergleichen aufwies.

In der vorstehenden Besehreiuim^ wur-ae ein beispiel der Erfindung "beschrieben und es können Abänderungen und Veränderungen uurchgeführt werden, die-im Haii- xaen der Erfindung liegen. '

Patentanaprüohe

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Claims

- 12 Patentansprüche ■ 1 Ου Μ /H

^ Wärmeaustauscher mit.einem Behälter aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit, wobei in den Behälter ein Hochtemperaturwärmespeichermaterial angeordnet ist, welches eine verhältnismäßig geringe thermische Leitfähigkeit hat, wobei eine Leitung aus gut wärme leitfälligem Material sich durch den Behälter und ■dieses Wärmespeichermaterial hindurch erstreckt» wobei in diese Leitung eine Wärmeaustauschflüssigkeit eingegehen wird, die verglichen mit der Temperatur des ßpeich^rmaterials eine verhältnismäßig geringe Temperatur aufweist,, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kupplung (5) vorgesehen ist, um die Leitung (4) an der Wandung : (1) des Behälters zu "befestigen, daß diese Kupplung eine Hülse aufweist, welche die Leitung umgibt, daß Befestigungseinrichtun-gen vorgesehen sind, um ein Ende der Hülse mit der Leitung und das andere Ende der Hülse iriit dem 3ehäl.ter derart zu befestigen, daß diese Hülse einen Raum um die Leitung herum bildet, in den Isolationsnaterialien eingebbar sind, sodaß die Hülse! den »Zontraktionen und Expansionen der Leitung an dem Ende folgen kann, das mit der Leitung verbunden ist, wodurch in die Leit .mg ±m& in die Wandung eingeführte thermische Spannungen auf ein Minimum herabgesetzt werden.

2·-"Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Hülse aus dem Behälter hinais erstreckt und .dai übt Ik um ir.it den Inneren des Behälters verbunden

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ist ιιηά daß das isolationsmaterial avis dem Wärmespei-. chermaterial mit geringer WärmeIeitfähigkeit gebildet wird.

3„ Verrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Hülse in den Behälter hinein ei-streckt, und daß der Raum mit der Außenseite des Behälters ver~ bunden ist und daß das Isolationsmäterial durch die luft- gebildet wird»

4. Torrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse und die Leitung aus Stahl /bestehen«

5» Vorrichtung nach Anspruch 1^ dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Länge der Hülse zum Durchmesser der Leitung größer ist als 1:1,

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Länge der Hülse zu Durchmesser der Leitung etwa 4- : 1 "bis Λ0 : 1 beträgt«,

7, Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,, daß das Verhältnis von Leitungsdurchmesser zu Wandungsdicke etwa 7 ί 1 Ms 12 : 1 "beträgt. .

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