DE3486440T2 - Wärmetauscher - Google Patents

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG GEBIET DER ERFINDUNG
• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit einer Wärme-Leitungsvorrichtung wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschrieben ist. Solch ein Wärmetauscher ist aus der US-A-4 314 601 bekannt.
BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
• Bisher sind verschiedene Arten von Wärmetauschern verwendet worden, um zwei oder mehrere zu erwärmende Fluids (Fluids einer niedrigen Temperatur) mit Hilfe eines Erwärmungsfluids/Heizfluids (Fluid einer höheren Temperatur) zu erwärmen. Ein herkömmlicher Wärmetauscher, beispielsweise ein wärmespeichernder Rotationswärmetauscher, ein Mehrrohr- Wärmetauscher oder ein Platten-Wärmetauscher, macht in jedem Fall eine Unterteilung des Wärme- bzw. Heizfluids in Zweigströme, entsprechend der Anzahl der zu erwärmenden Fluids, erforderlich, wobei Wärmeaustausch zwischen den Wärmefluidzweigströmen und dem entsprechenden zu erwärmenden Fluid erfolgt, oder aber in dem Wärmefluid Wärmetauscher erforderlich sind, die jeweils das entsprechende zu erwärmende Fluid erwärmen bzw. aufheizen.
• Unter den obigen Bedingungen ist ein Wärmetauscher mit einer Wärme-Leitungsvorrichtung vorgeschlagen worden, die einen Verdampfungsleitungsteil in einem Strom eines Heizfluids aufweist. In dem Strom eines zu heizenden Fluids ist ein Kondensierungsleitungsabschnitt vorgesehen, der dem Verdampfungsleitungsteil, von diesem beabstandet, nachgeschaltet ist. Ferner ist ein Kanal oder Durchlaß vorgesehen, um beide Leitungsabschnitte miteinander zu verbinden. Bei dieser Art Wärme- Leitungsvorrichtung, die als sogenannte getrennte Wärme- Leitungsvorrichtung bekannt ist, ist es im allgemeinen erforderlich, Entspannungsventile sowie nicht-kondensierende Gasabscheider vorzusehen. Mit zunehmender Zahl der Kondensierungsleitungsabschnitte nimmt jedoch auch die Zahl der Entspannungsventile und nicht-kondensierenden Gasabscheider proportional zu. Dadurch steigt die Zahl der erforderlichen Bauteile, was zu einer Kostenerhöhung für den Wärmetauscher führt.
• Weiter wird bei der obigen Konstruktion, bei der die beiden Leitungsabschnitte hintereinander angeordnet sind, die Differenz zwischen den Temperaturen des Heizfluids und dem erwärmten Fluid, das aus dem Kondensierungsleitungsabschnitt zugeführt wird, kleiner, so daß die stromaufwärts des Fluids ausgetauschte Wärmemenge erhöht werden muß.
• Aus der US-A-4 314 601 ist ein Wärmetauscher mit einer Wärme-Leitungsvorrichtung bekannt, die folgendes aufweist: Verdampfungsleitungsgruppen, die in einem Strom eines Heizfluids vorgesehen sind; erste in einem Strom eines zu erwärmenden Fluids angeordnete Kondensierungsleitungsgruppen, die von den Verdampfungsleitungsgruppen beabstandet sind; erste Kanäle, um die Verdampfungsleitungsgruppen mit den ersten Kondensierungsleitungsgruppen zu verbinden und durch diese ein Arbeitsmedium zu leiten, sowie zweite, von den ersten Kondensierungsleitungsgruppen getrennte Kondensierungsleitungsgruppen:
• Dieses Dokument offenbart ein EIN/AUS-Ventil in einem Auslaß-Kühlkanal, das nicht dazu dient, das nicht-kondensierbare Gas während des Betriebs des Systems aus diesem zu entfernen. Ist dieses Ventil während des Betriebs des Systems geöffnet, so wird nicht nur nicht-kondensierbares Gas sondem auch das Arbeitsmedium nach außen abgeführt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Wärmetauschers mit einer Wärme-Leitungsvorrichtung, die die oben beschriebenen Nachteile nicht aufweist und die so ausgelegt ist, daß nicht-kondensierbares Gas in wirksamer Weise aus dem Arbeitsmedium entfernt werden kann.
• Diese Aufgabe wird mit dem beanspruchten Wärmetauscher gelöst. Abhängige Ansprüche sind auf Merkmale bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Wärmetauschers gerichtet.
• Die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnungen ersichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN:
• Fig. 1 zeigt den Aufbau einer herkömmlichen getrennten Wärme-Leitungsvorrichtung.
• Fig. 2 ist eine schematische Darstellung der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung.
• Fig. 3 ist eine schematische Darstellung der herkömmlichen getrennten Wärme-Leitungsvorrichtung, die zur Erwärmung von zwei Fluids vorgesehen ist.
• Fig. 4 ist ein Diagramm, aus dem die Temperaturveränderungen der Fluids bei der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung hervorgehen.
• Fig. 5 zeigt den Aufbau einer Wärme-Leitungsvorrichtung nach einer ersten Ausführungsforrn der vorliegenden Erfindung.
• Fig. 6 ist eine schematische Darstellung der in Fig. 5 gezeigten Vorrichtung.
• Fig. 7 ist ein Diagramm der Temperaturveränderungen der Fluids bei der in Fig. 6 gezeigten Vorrichtung.
• Fig. 8 zeigt den Aufbau der Wärme-Leitungsvorrichtung nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
• Fig. 8A zeigt eine modifizierte Ausführungsform der in Fig. 8 gezeigten Wärme-Leitungsvorrichtung.
EINGEHENDE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN:
• Fig. 1 zeigt die Konstruktion der bekannten getrennten Wärme-Leitungsvorrichtung. In dieser Figur ist mit dem Bezugszeichen 1 eine Verdampfungsleitungsgruppe bezeichnet, die in einem Kanal 2 vorgesehen ist, durch den ein Wärmefluid (beispielsweise ein Gas) G1 strömt. Ein in der Verdampfungsleitungsgruppe 1 befindliches Medium wird durch das Wärmefluid G1 aufgeheizt, so daß es verdampft. Das Medium Dampf wird von einem oberen Sammler 3 der Verdampfungsleitungsgruppe 1 über einen Leitungsteil 4A einer Leitung 4 einem oberen Sammler 7 einer Kondensierungsleitungsgruppe 6 zugeführt, die in einem Kanal 5 vorgesehen ist, um das Hindurchströmen eines zu erwärmenden bzw. aufzuheizenden Fluids durch diesen (beispielsweise eines Gases) G2 zu ermöglichen. Das Medium Dampf aus der Verdampfungsleitungsgruppe 1 wird in der Verdampfungsleitungsgruppe 6 kondensiert und strömt von einem unteren Sammler 8 derselben über einen Leitungsteil 4B der Leitung 4 in einen unteren Sammler 9 der Verdampfungsleitungsgruppe 1. Nachdem der untere Sammler 8 der Verdampfungsleitungsgruppe 6 auf einer höheren Ebene angeordnet ist als der untere Sammler 9 der Verdampfungsleitungsgruppe 1, zirkuliert das Medium auf natürliche Weise. Ein Entspannungsventil 10 und ein Gasabscheider 11 für nicht-kondensierbares Gas sind in dem Leitungsabschnitt 4A der Leitung 4 angeordnet.
• Fig. 2 zeigt diese Konstruktion.
• Fig. 3 zeigt eine Wärme-Leitungsvorrichtung, die so vorgesehen ist, daß sie die Wärme eines Gases G1 hoher Temperatur (beispielsweise eines Verbrennungsgases eines Ofens), das durch den Kanal 2 strömt, zwei Fluids G2 (beispielsweise einer für die Verbrennung vorgesehenen Luftmenge) und G3 (beispielsweise einem Brenngas) zuführt. In dem Kanal 2 befinden sich jeweils zwei verschiedene Verdampfungsleitungsgruppen 1 und 12. Im Innern der Kanäle 5 und 13, durch die jeweils die Fluids G2 und G3 hindurchströmen, sind jeweils die den Verdampfungsleitungsgruppen 1 und 12 zugeordneten Kondensierungsleitungsgruppen 6 und 14 vorgesehen. Hierzu sind sechs Entspannungsventile erforderlich, deren Anzahl die gleiche wie die der Kondensierungsleitungsgruppen ist. Ferner sind sechs Gasabscheider für nicht-kondensierbares Gas nötig. Dadurch erhöht sich die Anzahl der erforderlichen Bauteile, was mit einem entsprechenden Kostenanstieg verbunden ist.
• Ferner wird bei der vorstehend beschriebenen seriellen Anordnung der Leitungsgruppen der Temperaturunterschied zwischen dem Fluid hoher Temperatur und jedem Fluid, das eine niedrigere Temperatur aufweist, am Auslaß unvorteilhaft gering; siehe Fig. 4. Infolgedessen muß die auszutauschende Wärmemenge stromaufwärts groß gehalten werden.
• Fig. 5 zeigt die Konstruktion einer Wärme-Leitungsvorrichtung nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
• Bei der ersten Ausführungsform wird von dem Leitungsteil 18B eine Nebenleitung 29 abgezweigt, durch die das verflüssigte Arbeitsmedium in den unteren Sammler 23 der Verdampfungsleitungsgruppe 16 zurückströmt, und ist mit dem unteren Sammler 30 der Kondensierungsleitungsgruppe 26 verbunden, die in dem Kanal 25 vorgesehen ist, durch den das dritte Fluid G3 strömt. Der Dampf und das nicht-kondensierbare Gas in dem Leitungsabschnitt 18B werden aus diesem abgezogen und einer weiteren Kondensierungsleitungsgruppe 26 zugeführt, wodurch nur Dampf des Mediums kondensiert wird und das nicht-kondensierbare Gas erforderlichenfalls über den Gasabscheider 28 abziehbar ist, so daß eine Verringerung des Wärmeübertragungseffekts vermieden werden kann.
• Liegt die Wärme-Leitungsvorrichtung in der vorstehend genannten Form vor, d.h. als Verbundkonstruktion, so ist die Temperaturveränderung wie in Fig. 7 dargestellt, und der Temperaturunterschied zwischen dem Heizfluid und den jeweiligen zu erwärmenden Fluids kann am Ausgang größer gehalten werden. Daher ist es bei dieser Ausführungsform möglich, eine Wärmeübertragungsfläche zu verringern. Fig. 6 ist eine schematische Darstellung der Konstruktion der in Fig. 5 gezeigten Vorrichtung.
• Fig. 8 zeigt die Wärme-Leitungsvorrichtung nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese zweite Ausführungsform ist im wesentlichen die gleiche wie die in Fig. 5 gezeigte, was die Nebenleitung 29 anbetrifft, die von dem Leitungsteil 188 abgezweigt ist, durch den das verflüssigte Arbeitsmedium zurück in den unteren Sammler 23 der Verdampfungsleitungsgruppe 16 strömt. Sie unterscheidet sich jedoch von der in Fig. 5 gezeigten Vorrichtung insoweit, als eine weitere Kondensierungsleitungsgruppe 26, die mit einem Gasabscheider 28 für den Abzug von nicht-kondensierbarem Gas versehen ist, in demselben Kanal 19 bzw. 25 zusammen mit der Kondensierungsleitungsgruppe 20 vorgesehen ist.
• Die vorstehenden Beschreibungen beziehen sich auf die Ausführungsform mit getrennter Wärme-Leitungsvorrichtung, bei der zwei Fluids, d.h. ein zweites und ein drittes Fluid, erwärmt bzw. aufgeheizt werden.

Claims (3)

1. Wärmetauscher mit einer Wärme-Leitungsvorrichtung, wobei die Wärme-Leitungsvorrichtung folgendes umfaßt:

- Verdampfungsleitungsgruppen (16) im Innern eines Kanals (15), durch den ein Wärmefluid (G1) strömt,

- erste, von den Verdampfungsleitungsgruppen beabstandete Kondensierungsleitungsgruppen (20) im Innern eines Kanals (19), durch den ein zu erhitzendes Fluid (G2) strömt,

- erste Kanäle (18), um die Verdampfungsleitungsgruppen (16) mit den ersten Kondsensierungsleitungsgruppen (20) zu verbinden und durch diese ein Arbeitsmedium zu leiten, sowie

- zweite von den ersten Kondensierungsleitungsgruppen (20) getrennte Kondensierungsleitungsgruppen (26) im Innern eines Kanals, durch den ein zweites zu erwärmendes Fluid (G3) strömt,

- einen Nebenkanal (29), um einen unteren Sammler (30) einer weiteren Kondensierungsleitungsgruppe (26) mit den ersten und zweiten Kondensierungsleitungsgruppen (20) zu verbinden, und

- eine Gasabscheidungseinrichtung (28) in einem oberen Teil der ersten bzw. zweiten Kondensierungsleitungsgruppen (20), um nicht-kondensierbares Gas nach außen abzuleiten (Fig. 8).

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, bei welchem die zweite Kanaleinrichtung (29) drei Strömungsabschnitte (Fig. 5) aufweist.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, bei welchem die Strömungsabschnitte der zweiten Kanal einrichtung (29) von einem Strömungsabschnitt der ersten Kanaleinrichtung (18) abzweigen, die einen Sammler (23) der Verdampfungsleitungsgruppen (16) stromaufwärts von dem Strom des Arbeitsmediums mit einem Sammler (22) der ersten Kondensierungsleitungsgruppen (20) stromabwärts von dem Strom des Arbeitsmediums verbindet, und die mit dem unteren Sammler (30) der zweiten Kondensierungsleitungsgruppen (26) (Fig. 5) verbunden sind.