DE2916104C2

DE2916104C2 - Wärmeaustauscher

Info

Publication number: DE2916104C2
Application number: DE19792916104
Authority: DE
Inventors: Yngve Ragnar Akarp Kihlberg; Johan Erik Patrik Bjärred Sjöholm
Original assignee: United Stirling AB, Malmö
Current assignee: United Stirling AB and Co
Priority date: 1979-04-20
Filing date: 1979-04-20
Publication date: 1987-04-09
Also published as: DE2916104A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus R. Gregorig "Wärmeaustausch und Wärmeaustauscher", Verlag Sauerländer, Aarau und Frankfurt/Main, 1973, Seiten 658, 755 und 768 ist ein Wärmeaustauscher mit derartigen Merkmalen bekannt, wobei im Innern der ringförmigen Zone eine weitere ringförmige Zone mit parallel laufenden Röhren vorgesehen ist. De Zuströmung des die Röhren umspülenden Fluids erfolgt zwar radial, jedoch werden bei diesem bekannten Wärmeaustauscher die Röhren im wesentlichen in Achsrichtung umströmt. Dabei ist es auch bekannt, in Abständen ebene Scheiben vorzusehen, die sich senkrecht zu den Röhren m Mantelraum erstrecken. Diese Scheiben sind mit Durchbrechungen versehen, so daß sich eine Parallelwirkung für das längs der Röhren strömende Fluid ergibt.
Ferner ist es aus der DE-AS 25 36 657 bei einem Wärmeaustauscher mit über den Querschnitt der Wärmeaustauschkammer gleichmäßig verteilten Röhren bekannt, innerhalb des äußeren Mantels ein Rohrbündel umgebendes rohrförmiges Leitblech anzuordnen, von dessen Außenumfang aus sich sternförmig mehrere radial verlaufende Leitbleche bis zum Innenumfang des Außenmantels erstrecken. Auch bei diesem Wärmeaustauscher findet zwar in einem geringen Umfang eine radiale Durchströmung statt, hauptsächlich werden die Röhren aber in Längsrichtung umströmt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeaustauscher der eingangs angegebenen Art so auszubilden, daß bei ausschließlich radialer Strömungsrichtung durch das Röhrenbündel ein guter Kontakt mit sämtlichen Röhren bei ausreichender Fließgeschwindigkeit erzielt wird, so daß der Wärmeaustauscher auch als Kühler in einem Heißgasmotor verwendet werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst. Durch die diametral gegenüberliegenden Leitbleche wird das radial zuströmende Fluid in den von der ringförmgen Zone umschlossenen röhrenfreien Raum gelenkt, der als Druckausgleichszone im Strömungsweg des quer zu den Röhren strömenden Fluids dient, worauf nach Durchströmen dieser Druckausgleichszone das Fluid wiederum radial nach außen durch die andere Hälfte der ringförmigen Zone strömt. Hierdurch ergibt sich eine gleichmäßige Verteilung des quer zu den Röhren strömenden Fluids bei gutem Wärmeaustauschkontakt, so daß bei kompakter Bauweise des Wärmeaustauschers sämtliche Röhren im wesentlichen der gleichen Wärmeaustauschwirkung ausgesetzt sind. Hierdurch eignet sich der Wärmeaustauscher insbesondere als Kühler für einen Heißgasmotor, bei dem alle Volumina, die das Gas ausfüllt, abgesehen von der Kammer mit variablem Volumen, so klein wie möglich sein sollen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist im Anspruch 2 angegeben.
Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 schematisch einen Querschnitt längs der Linie I-I in Fig. 2 und
Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1.
Der abgebildete Wärmeaustauscher ist so aufgebaut, daß er als Kühler in einem Heißgasmotor verwendet werden kann, von dem einige unvollständige Teile gezeigt sind. Bei einem solchen Kühler strömt durch die Röhren 7 Helium oder ein anderes Arbeitsgas, während quer zu den Röhren 7 Wasser oder eine andere Kühlflüssigkeit strömt.
Wenn ein Wärmeaustauscher dieser Art als Kühler in einem Heißgasmotor verwendet wird, verbinden gewöhnlich die Röhren 7 eine Regeneratoreinheit mit einer Kaltgasleitung, die zu einer Niedrigtemperaturkammer mit variablem Volumen führt, in der das Gas bei niedriger Temperatur komprimiert wird. Die Regeneratoreinheit ist zwischen dem Kühler und einem Heizkopf angeordnet, in dem das Gas erhitzt wird. Bei Betrieb des Heißgasmotors fließt das Gas durch den Kühler hin und her, um die Wärme abzuleiten, die sich während der Verdichtung in dem Gas in der Niedrigtemperaturkammer mit variablem Volumen gebildet hat.
In dem Motor befindet sich ein Regeneratorgehäuse 1 am Motorblock 2, das an einem weiteren Motorteil 10 montiert ist. Das Regeneratorgehäuse 1 enthält ein zylindrisch ausgebildetes Regeneratorelement 3, das aus einer porösen Masse eines wärmeabsorbierenden Materials besteht, üblicherweise aufgeschichtete Scheiben oder Lagen aus Metalldrahtgaze. Unter dem Regeneratorelement 3 ist der Kühler in einem Raum oder einer Kammer 4 im Metallblock 2 angebracht. Der Kühler umfaßt Metallscheiben, die als Endabdeckungen 5 und 6 dienen und durch mehrere (z. B. etwa 200) Röhren 7, die vorzugsweise aus Aluminium oder einer Leichtmetallegierung gefertigt sind, miteinander verbunden sind. Nur einige wenige dieser Röhren 7 sind in der Zeichnung abgebildet. Die Röhren 7 erstrecken sich durch die Endabdeckungen 5, 6, die durch Stangen oder Schrauben oder andere Verstrebungen 8 miteinander verbunden sind. Sie befinden sich in gleichem Abstand von einem Verstrebungselement, das als Mittelstrebe 9 gezeigt ist. Die Stangen und/oder die Verstrebungen 8 können auch entfallen, wenn die Röhren 7 über ausreichende mechanische Festigkeit verfügen.
Wie in Fig. 1 zu sehen ist, sind zwei Leitbleche 11 in radial angeordneten Ebenen angebracht und sie erstrecken sich axial zwischen den Endabdeckungen 5, 6 und trennen damit den Einlaß der Kühlflüssigkeit von dem Auslaß ab und leiten das Fluid durch eine zentrale Zone mit dem Innendurchmesser d.
Die Röhren 7 sind symmetrisch und gleichmäßig in der ringförmigen Zone mit einem gedachten zylindrischen Umfang P angeordnet und nehmen einen Querschnittsbereich mit dem Innendurchmesser d und dem Außendurchmesser D ein. Der Innendurchmesser d beträgt wenigstens 25% des Außendurchmessers D. In der abgebildeten Ausführung beträgt der Innendurchmesser d 50% des Durchmessers D. Jedes der Leitbleche 11 erstreckt sich durch die ringförmige Zone, die die Röhren 7 enthält, und endet am Innendurchmesser d. Nach der Abbildung erstrecken sich die Leitbleche 11 radial von den Wänden nach innen, die durch den Motorblock 2 gebildet sind und den Raum oder die Kammer 4 begrenzen. Die Leitbleche 11 sind planar und koplanar und diametral einander gegenüberliegend angeordnet.
Die Fig. 2 zeigt zwei ebene Scheiben 12, die als Verstrebung oder Abstützung der Röhren 7 dienen. Die Scheiben 12 sind senkrecht zu den Röhren 7 angebracht und befinden sich im Abstand voneinander und von den Enden der Röhren 7.
Dichtungen 13 aus Gummi oder Kunststoff sollen das Entweichen von Gas und der Kühlflüssigkeit verhindern.
Der beschriebene Kühler arbeitet wie folgt:
Die Röhren 7 enthalten Arbeitsgas, das zu kühlen ist, und sie sind von einem Strom Kühlfluid umgeben, der in Richtung der Pfeile in der Fig. 1 fließt. Der Raum oder die Kammer 4 enthält Kühlflüssigkeit verschiedener Drücke in verschiedenen Zonen. So ist der Druck in der Zone 4 a im oberen Teil der Fig. 1 höher. Mittlerer Druck herrscht in der mittleren Zone 4 b in der Mitte des Kühlers, während ein niedrigerer Druck in der Zone 4 c im unteren Teil der Fig. 1 vorherrscht.
Es ist daher verständlich, daß die Hauptfließrichtung der Kühlflüssigkeit zwischen den Röhren 7 in Richtung von der Zone 4 a zur Zone 4 b in der Hauptsache radial in alle Teile des Querschnitts verläuft, da dieser radiale Verlauf einen gleichmäßigen und geringsten Widerstand für eine solche Strömung ermöglicht.
Auch die allgemeine Fließrichtung der Kühlflüssigkeit erfolgt hauptsächlich radial von der Zone 4 b zur Zone 4 c aus dem gleichen Grund.
Daher ist es verständlich, daß die Kühlwirkung, die mit einem allgemeinen zylindrischen Röhrenkühler ermöglicht wird, auch bei einer Querströmung des Kühlfluids im wesentlichen gleichmäßig transversal zu den Röhren sein kann.
In der Praxis kann die Temperatur des Kühlwassers in einem typischen Heißmotor etwa 50°C betragen, bevor das Wasser in den Wärmeaustauscher gelangt, während das Wasser 55°C betragen kann, wenn es den Wärmeaustauscher wieder verläßt. Die Temperatur des Gases kann etwa 70°C nach der Kühlung betragen. Der Druckabfall im Kühlwasser kann etwa 200 mm Wassersäule über den Wärmeaustauscher betragen.
Die Röhren 7 sind vorzugsweise von gleicher Größe und weisen einen gleichmäßigen Zwischenraum zwischen den Röhren 7 auf, wie dies abgebildet ist. Es sind jedoch auch andere Ausführungen möglich, vorausgesetzt daß die Röhren 7 gleichmäßig in der ringförmigen Zone verteilt sind, so daß im wesentlichen ein gleichmäßiger Widerstand gegen den Radialfluß der Flüssigkeit zwischen den Röhren 7 rundherum in der ringförmigen Zone vorherrscht.

Claims

1. Wärmeaustauscher, insbesondere Kühler für einen Heißgasmotor, mit einer Anzahl von parallelen Röhren, die von einem ersten Fluid durchströmt und in einer zylindrischen Kammer angeordnet sind, durch die ein zweites Fluid im wesentlichen senkrecht zu den Röhren strömt, wobei die Röhren um eine Mittelachse, die parallel zu der Richtung der Röhren verläuft, in der durch Endabdeckungen begrenzten Kammer angeordnet sind, wobei die Röhren gleichmäßig verteilt in einer ringförmgen Zone angeordnet sind, deren Innendurchmesser wenigstens 25% des Außendurchmessers beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß der von der ringförmigen Zone umschlossene Raum der Kammer (4) frei von Röhren ( 7) ist, daß zwei diametral gegenüberliegende Leitbleche (11) vorgesehen sind, die sich von der Begrenzungswand der Kammer (4) radial nach innen erstrecken und am Innendurchmesser (d) der ringförmigen Zone enden, und daß jedes Leitblech (11) sich von der einen Endabdeckung (5) zur anderen Endabdeckung (6) erstreckt.

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Röhren (7) durch ebene Scheiben (12) erstrecken, die senkrecht zu den Röhren (7) im Abstand voneinander und von den Enden der Röhren (7) angeordnet sind und als Verstrebung für die Röhren ( 7) dienen.