WO1991008432A1 - Heat exchanger using sintered metal - Google Patents

Abstract

Described is a modular-design heat exchanger with at least one heat-exchange plane, each plane having a module-holder (10, 20, 30, 40, 60) which holds a multiplicity of removeable heat-exchange modules (1, 50). Each individual heat-exchange module (1, 50) has a boundary wall (2, 52) through which the heat passes from the heat-input side of the heat exchanger to the heat-output side. Located on at least one side of the boundary wall (2, 52) is porous, permeable sintered-metal material (4, 6, 54, 56). The module holder (10, 20, 30, 40, 60), together with most of the modules (1, 50), form a heat-flow channel for the heat-input and/or the heat-output side of the heat exchanger.

Description

Wärmetauscher mit Sintermetall Heat exchanger with sintered metal

Die vorliegende Erfindung betrifft Wärmetauscher mit Sinter¬ metall gemäß Anspruch 1.The present invention relates to heat exchangers with sintered metal according to claim 1.

Es sind pulvermetallurgisch gefertigte Wärmetauscher, d. h. Wärmetauscher mit Sintermetall, bekannt, bei denen die Wär- meleitung bzw. die Wärmeübertragungsleistung zwischen einer Wärme aufnehmenden Seite und einer Wärme abgebenden Seite dadurch verbessert ist, daß durch Sintern oder sinterähnli¬ che Prozesse durchströ bare porige Packungen die aktiven Wärmetauschflächen vergrößert werden. So ist beispielsweise aus der DE-GM 72 27 102 ein Wärmetauscher bekannt, bei dem ein rohrförmiger Strömungskanal mit Sintermetall verfüllt ist und wobei der rohrförmige Strömungskanal mit einem schlauchförmigen Mantel aus Sintermetall umgeben ist, der wiederum von einem Gehäuse umschlossen wird. Ähnliche Kon- struktionen sind aus der DE-OS 14 42 601, der DE- GM 80 01 502 sowie der DE-OS 34 35 319 bekannt. Bei der on- strtuktion nach der DE-OS 34 35 319 ist zusätzlich noch das Sintermetall auf einer Seite des Wärmetauschers mit einer Katalysatorsubstanz überzogen, so daß katalytische Reaktoren vorliegen.They are powder metallurgy heat exchangers, i. H. Heat exchangers with sintered metal are known in which the heat conduction or the heat transfer performance between a heat-absorbing side and a heat-emitting side is improved in that porous packings through which porous packings can flow through increase the active heat exchange surfaces by sintering or sinter-like processes. For example, DE-GM 72 27 102 discloses a heat exchanger in which a tubular flow channel is filled with sintered metal and the tubular flow channel is surrounded by a tubular jacket made of sintered metal, which in turn is enclosed by a housing. Similar constructions are known from DE-OS 14 42 601, DE-GM 80 01 502 and DE-OS 34 35 319. In the construction according to DE-OS 34 35 319, the sintered metal is additionally coated on one side of the heat exchanger with a catalyst substance, so that catalytic reactors are present.

Aufgrund der großen für den Wärmetausch aktiven inneren Oberfläche des Sintermetalls weisen diese Wärmetauscher sehr hohe α-Werte bezogen auf die Fläche der die beiden Seiten der Wärmetauscher trennenden Rohrwandung auf. Nachteilig bei derartigen Wärmetauschern ist jedoch der vergleichsweise hohe Druckverlust in dem porösen Sintermetall bezogen auf die durchströmte Strecke.Because of the large inner surface of the sintered metal that is active for heat exchange, these heat exchangers have very high α values in relation to the area of the tube wall separating the two sides of the heat exchanger. A disadvantage of such heat exchangers, however, is the comparatively high pressure loss in the porous sintered metal in relation to the section through which it flows.

Um zu hohe Druckverluste zu vermeiden ist es aus der DE-OS 19 02 229 bekannt, anstelle des feinporigen Sintermetalls gröbere Strukturen mit wesentlich größeren Porendurchmes¬ sern, insbesondere Kugelmatrix-Anordnungen zu verwenden. Bei diesem bekannten Wärmetauscher ist zwar der Druckverlust ge¬ ringer als bei den vorstehend beschriebenen jedoch ver- schlechtert sich dadurch der α-Wert.In order to avoid excessive pressure losses, it is known from DE-OS 19 02 229 instead of the fine-pored sintered metal to use coarser structures with substantially larger pore diameters, in particular spherical matrix arrangements. In this known heat exchanger, the pressure loss is lower than in the case of the ones described above, but the α value deteriorates as a result.

Ein weiterer Nachteil aller vorstehend beschriebenen Struk¬ turen besteht darin, daß jeder der bekannten Wärmetauscher für eine bestimmte Wärmetauscherleistung konzipiert sein muß. Darüberhinaus müssen die bekannten Bauteile ganz spezi¬ ell auf eine bestimmte Funktion hin, z.B. Rekuperator, Ver¬ dampfer etc., ausgelegt sein. Die Herstellungskosten der be¬ kannten Strukturen sind wegen hoher Ausschußraten ver¬ gleichsweise hoch, da beim Versintern vorkommende Formverän- derungen das gesamte Bauteil unbrauchbar machen können.Another disadvantage of all the structures described above is that each of the known heat exchangers must be designed for a specific heat exchanger output. In addition, the known components must be very specific to a specific function, e.g. Recuperator, evaporator etc. can be designed. The production costs of the known structures are comparatively high because of high reject rates, since changes in shape occurring during sintering can render the entire component unusable.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen Wärmetau¬ scher mit Sintermetall zu schaffen, der für unterschiedliche Anwendungszwecke und Funktionen preiswert herzustellen sind.The object of the present invention is to provide a heat exchanger with sintered metal which can be inexpensively manufactured for different purposes and functions.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch einen Wärmetauscher gemäß den Merkmalen von Anspruch 1.This object is achieved by a heat exchanger according to the features of claim 1.

Durch die Modulbauweise basierend auf einer Mehrzahl von Wärmetauscher-Grundmodulen mit Sintermetall, die lösbar in ein Modulaufnahmeteil eingesetzt werden, lassen sich auf einfache Weise Wärmetauscher mit unterschiedlichen Lei¬ stungsstufen realisieren. In ein und dasselbe Modulaufnahme¬ teil lassen sich eine Mehrzahl von Wärmetauscher-Grundmodu- len lösbar einsetzen, d. h. die Wärmetauscher-Grundmodule lassen sich auch nachträglich wieder aus dem bzw. den Modul¬ aufnahmeteilen wieder entfernen, ohne daß dies eine Zerstö¬ rung der Module zur Folge hätte. Durch die Lösbarkeit der Wärmetauscher-Grundmodule in den Modulaufnahmeteilen ist ge- währleistet, daß ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher in Mo¬ dulbauweise nachträglich an unterschiedliche Funktionen und/oder Leistungen angepaßt werden kann. Durch das Einset¬ zen einer unterschiedlichen Zahl von Wärmetauscher-Grundmo¬ dulen in ein Modulaufnahmeteil lassen sich Wärmetauscherebe¬ nen mit unterschiedlichen Wärmeleistungen realisieren. Durch die Kombination von mehreren Wärmetauscherebenen mit ein und demselben Wärmetauscher-Grundmodul läßt sich die Leistungs¬ bandbreite beliebig erhöhen. Die miteinander zu einem Wärme¬ tauscher kombinierten Wärmetauseherebenen können sich hin¬ sichtlich Leistung, Funktion und Baugröße voneinander unter- scheiden.Due to the modular construction based on a plurality of heat exchanger basic modules with sintered metal, which can be detachably inserted in a module receiving part, heat exchangers with different performance levels can be realized in a simple manner. A plurality of basic heat exchanger modules can be detachably inserted into one and the same module receiving part, ie the basic heat exchanger modules can also be subsequently removed from the module receiving part (s) without damaging the modules would result. The detachability of the basic heat exchanger modules in the module receiving parts ensures that a heat exchanger according to the invention in modular construction subsequently performs different functions and / or services can be adjusted. By inserting a different number of basic heat exchanger modules in a module receiving part, heat exchanger levels with different heat outputs can be realized. The performance range can be increased as desired by combining several heat exchanger levels with one and the same basic heat exchanger module. The heat exchanger levels combined with one another to form a heat exchanger can differ from one another with regard to output, function and size.

Ein besonderer Vorteil besteht darin, daß die Herstellungs¬ kosten des erfindungsgemäßen Wärmetauschers wesentlich unter der Herstellungskosten vergleichbarer konventioneller Wärme- tauscher liegen. Dies ist auf die Verwendung von standardi¬ sierten Bauteilen - Wärmetauscher-Grundmodul und Modulauf¬ nahmeteil - zurückzuführen. Zusätzlich führen bei der Ver- sinterung auftretende Verformungen nicht dazu, daß der ge¬ samte Wärmetauscher Ausschuß ist, sondern lediglich das je- weilige Grundmodul. Die hinsichtlich ihrer Baugröße ver¬ gleichsweise kleinen Wärmetauscher-Grundmodule sind ferti¬ gungstechnisch leichter beherrschbar als großvolumige Teile, d. h. die Ausschußrate ist kleiner.A particular advantage is that the manufacturing costs of the heat exchanger according to the invention are significantly lower than the manufacturing costs of comparable conventional heat exchangers. This is due to the use of standardized components - heat exchanger basic module and module receiving part. In addition, deformations occurring during sintering do not mean that the entire heat exchanger is rejected, but only the respective basic module. The heat exchanger basic modules, which are comparatively small in terms of their size, are easier to control in terms of production technology than large-volume parts, i. H. the reject rate is lower.

Ausgehend von jeweils vergleichbaren Wärmetauseherleistungen gelingt es mit dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher die Her¬ stellungskosten um mindestens 30 % zu senken. Insbesondere bei druckbelasteten Wärmetauschern mit höheren Leistungen können noch höhere Einsparungspotentiale realisiert werden, da sich die kompakte Bauform auf die Größe der druckbelaste¬ ten Mantelrohre und Druckdeckel kostengünstig auswirkt.On the basis of comparable heat exchanger performances, the heat exchanger according to the invention succeeds in reducing the production costs by at least 30%. In particular in the case of pressure-loaded heat exchangers with higher outputs, even greater savings potential can be realized, since the compact design has a cost-effective effect on the size of the pressure-loaded jacket tubes and pressure covers.

Durch die Aufteilung des Massenstroms in viele Teile und de¬ ren wärmetechnische Behandlung in den "kurzen" Wärmetau- scher-Grundmodulen können die hervorragenden wärmetechni¬ schen Eigenschaften eines versinterten Rohres genutzt wer- den, ohne daß hierfür vergleichsweise hohe Druckverluste in Kauf genommen werden müssen. Durch den Aufbau eines bestimm¬ ten Wärmetauschers aus einer Mehrzahl von Wärmetauscher- Grundmodulen ist es möglich, die bei Wärmetauscher mit Sin- termetall auftretenden hohen Druckverluste zu minimieren, da in den Wärmetauscher-Grundmodulen sehr kurze Durchström¬ strecken realisiert werden können. Durch parallele Anströ- mung der Mehrzahl von Wärmetauscher-Grundmodulen lassen sich Druckverluste erreichen, wie sie bei herkömmlichen konven- tionellen Wärmetauschern, wie z.B. Rohrbündel- oder Platten¬ wärmetauschern, üblich sind.By dividing the mass flow into many parts and treating them in the "short" basic heat exchanger modules, the excellent thermal properties of a sintered pipe can be used. that without having to accept comparatively high pressure losses. By constructing a certain heat exchanger from a plurality of basic heat exchanger modules, it is possible to minimize the high pressure losses which occur in heat exchangers with sintered metal, since very short flow paths can be achieved in the basic heat exchanger modules. By parallel flow to the plurality of heat exchanger basic modules, pressure losses can be achieved, as are common in conventional conventional heat exchangers, such as, for example, tube bundle or plate heat exchangers.

Gemäß der besonders bevorzugten Ausführungsform nach An¬ spruch 2 besteht das Wärmetauscher-Grundmodul aus einem kur- zen Rohrstück, daß die Begrenzungswand zwischen der Wärme aufnehmenden und der Wärme abgebenden Seite eines Wärmetau¬ schers bildet. Dies führt einerseits zu einer sehr kompakten Bauform und ist andererseits fertigungstechnisch bzw. sin¬ terungstechnisch gut zu handhaben.According to the particularly preferred embodiment according to claim 2, the basic heat exchanger module consists of a short piece of pipe that forms the boundary wall between the heat-absorbing and the heat-emitting side of a heat exchanger. On the one hand, this leads to a very compact design and, on the other hand, it is easy to handle in terms of production technology or maintenance technology.

Gemäß der bevorzugten Ausgestaltung nach Anspruch 3 ist das Rohrinnere und/oder die Außenseite des Rohrstücks mit einer Packung aus porösem, durchströmbaren Sintermetall versehen. Diese Wärmetauscher-Grundmodule in Form von kurzen Rohr- stücken mit Sintermetallfüllung und/oder Sintermetallmantel sind vergleichsweise einfach und preiswert herzustellen.According to the preferred embodiment according to claim 3, the tube interior and / or the outside of the tube piece is provided with a packing made of porous, flowable sintered metal. These basic heat exchanger modules in the form of short pipe sections with sintered metal filling and / or sintered metal jacket are comparatively simple and inexpensive to manufacture.

Durch Beschichtung einer Sinterpackung mit einer Katalysa¬ torsubstanz (Anspruch 11) lassen sich katalytische Reaktoren für unterschiedliche Zwecke und mit unterschiedlichen Lei- stungscharakteristika realisieren.By coating a sintered packing with a catalyst substance (claim 11), catalytic reactors can be realized for different purposes and with different performance characteristics.

Die weiteren Unteransprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung. Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.The further subclaims relate to advantageous refinements of the invention. Further details, aspects and advantages of the present invention will become apparent from the following description with reference to the drawing.

Es zeigt:It shows:

Fig. 1A einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform eines Wärmetauscher-Grundmoduls,1A shows a section through a first embodiment of a heat exchanger basic module,

Fig. 1B eine perspektivische Darstellung des Wärmetau¬ scher-Grundmoduls von Fig. 1A,1B is a perspective view of the basic heat exchanger module of FIG. 1A,

Fig. 2A eine Ansicht der Innenseite eines Teiles eines zweiteiligen Modul-Aufnahmeteils,2A is a view of the inside of a part of a two-part module receiving part,

Fig. 2B einen Schnitt durch das in Fig. 2A dargestellte Teil entlang der Linie A-A,2B shows a section through the part shown in Fig. 2A along the line A-A,

Fig. 3A eine analoge Ansicht zu Fig. 2A einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,3A is an analogous view to FIG. 2A of a second embodiment of the present invention,

Fig. 3B eine perspektivische Darstellung einer Ausfüh¬ rungsform einer Wärmetauscherebene,3B is a perspective view of an embodiment of a heat exchanger level,

Fig. 4 in analoger Darstellung zu Fig. 2A eine dritteFig. 4 in a similar representation to Fig. 2A, a third

Ausführungsform,Embodiment,

Fig. 5 in analoger Darstellung zu Fig. 2A eine vierte Ausführungsform,5 shows a fourth embodiment in an analogous representation to FIG. 2A,

Fig. 6 eine zweite Ausführungsform eines Wärmetauscher- Grundmoduls,6 shows a second embodiment of a basic heat exchanger module,

Fig. 7 eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausfüh- rungsform eines Modulaufnahmeteils, und Fig. 8 in analoger Darstellung zu Fig. 2A eine weitere Ausführungsform einer Hälfte eines Modulaufnah¬ meteils.7 shows a sectional illustration of a further embodiment of a module receiving part, and 8 shows, in an analogous representation to FIG. 2A, a further embodiment of one half of a module receiving part.

Figs. 1A und 1B zeigen eine bevorzugte Ausführungsform eines Wärmetauscher-Grundmoduls 1, das Teil der nachfolgend be¬ schriebener erfindungsgemäßer Wärmetauscher ist. Das Wärme¬ tauscher-Grundmodul 1 weist eine rohrformige Begrenzungswand 2 mit kreisförmigem Querschnitt auf. Die rohrformige Begren- zungswand 2 bzw. das Rohrstück 2 ist von einer schlauchför- migen äußeren Packung 4 aus porösem, durchströmbaren Sinter¬ metall umgeben, das ebenfalls einen kreisförmigen Quer¬ schnitt aufweist. Die Packung 4 umschließt dabei nicht die gesamte Länge der rohrförmigen Begrenzungswand 2. Das Innere des Rohrstücks 2 ist mit einer inneren Packung 6 aus porö¬ sem, durchströmbaren Sintermetall ausgefüllt. Wiederum ist nicht die gesamte Länge des Rohrstücks 2 sondern nur ein Teil davon mit Sintermetall ausgefüllt. In der in Fig. 1 ge¬ zeigten Ausführungsform sind die Länge der Ausfüllung bzw. der Umhüllung des Rohrstücks 2 durch die äußere bzw. innere Packung aus Sintermetall gleich. Die von den Packungen 4 bzw. 6 nicht umhüllten bzw. ausgefüllten Teile des Rohr¬ stückes 2 bilden Anschlußstücke 5 bzw. 7. Vorzugsweise ist sowohl in dem Rohrstück 2 als auch außen eine Packung 4 bzw. 6 aus Sintermetall vorgesehen, die mit dem Rohrstück bzw. der Begrenzungswand versintert ist. Durch die Versinterung der Packungen 4 bzw. 6 mit der Begrenzungswand bzw. dem Rohrstück 2 wird ein optimaler Wärmeübergang gewährleistet. Das Innere des Rohrstücks 2 bildet einen inneren Strömungs- kanal 8 für die Wärme abgebende bzw. Wärme aufnehmende Seite. Die Lage der äußerne Packung 4 definiert einen äuße¬ ren Strömungskanal 9.Figs. 1A and 1B show a preferred embodiment of a heat exchanger basic module 1 which is part of the heat exchangers according to the invention described below. The basic heat exchanger module 1 has a tubular boundary wall 2 with a circular cross section. The tubular boundary wall 2 or the pipe section 2 is surrounded by a tubular outer packing 4 made of porous, flowable sintered metal, which likewise has a circular cross section. The packing 4 does not enclose the entire length of the tubular boundary wall 2. The interior of the pipe section 2 is filled with an inner packing 6 made of porous, flowable sintered metal. Again, not the entire length of the pipe section 2 but only part of it is filled with sintered metal. In the embodiment shown in FIG. 1, the length of the filling or the covering of the pipe section 2 by the outer or inner packing made of sintered metal is the same. The parts of the pipe section 2 which are not enveloped or filled by the packs 4 and 6 form connecting pieces 5 and 7. A pack 4 and 6 made of sintered metal is preferably provided both in the pipe section 2 and on the outside, which is connected to the pipe section or the boundary wall is sintered. The sintering of the packs 4 and 6 with the boundary wall or the pipe section 2 ensures an optimal heat transfer. The inside of the pipe section 2 forms an inner flow channel 8 for the heat-emitting or heat-absorbing side. The position of the outer packing 4 defines an outer flow channel 9.

Fig. 2A und 2B zeigen eine erste Ausführungsform eines Modulaufnahmeteils eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers in2A and 2B show a first embodiment of a module receiving part of a heat exchanger according to the invention in FIG

Modulbauweise. Fig. 2A zeigt eine Hälfte eines Modulaufnah- meteils 10 von innen und Fig. 2B zeigt das gesamte aus zwei Teilen gemäß Fig. 2A bestehende Modulaufnahmeteil 10 im Schnitt entlang der Linie A-A von Fig. 2A. Das Modulaufnah¬ meteil 10 weist eine Modulhalterung 12 auf, in die bei- spielsweise zwei Wärmetauscher-Grundmodule 1 lösbar eingesetzt werden, die hintereinanderliegend mit aneinanderliegenden Anschlußstücken 5 bzw. 7 in das Modulaufnahmeteil eingelegt werden. Die beiden Grundmodule sind so gegeneinander abgedichtet bzw. verschweißt, daß das Innere der Rohrstücke 2 zusammen einen durchgehenden Strömungskanal bilden. Aus Fig. 2A sind die verschiedenen Strömungskanäle für das Wärme aufnehmende bzw. Wärme abnehmende Medium zu erkennen. Die Anschlußstücke 5 bzw. 7 des Wärmetauscher-Grundmoduls 1 münden in Bereiche 14 bzw. 15, in die das im inneren Strömungskanal 8 geführte Medium zugeführt wird bzw. aus dem dieses Medium abgeführt wird. In ringförmigen Bereichen 16 bzw. 17 wird das die äußere Packung 4 aus Sintermetall durchströmende Medium zu- bzw. abgeführt. Die zwei Grundmodule 1 werden in eine Hälfte des Modulaufnahmeteils 10 eingelegt und die beiden Teile bzw. Hälften des Modulaufnahmeteils 10 werden wie aus Fig. 2B ersichtlich zusammengesetzt und mittels Schrauben 18 verschraubt. Die zwei Teile des Modulaufnahmeteiles 10 bzw. die Strömungskanäle für das Wärme aufnehmende bzw. Wärme abgebende Medium werden durch Dichtungen 19 abgedichtet. Alternativ können bei besonderen Anforderungen hinsichtlich Dichtheit die beiden Teile auch verschweißt werden.Modular construction. 2A shows one half of a module holder part 10 from the inside and FIG. 2B shows the entire module receiving part 10 consisting of two parts according to FIG. 2A in a section along the line AA of FIG. 2A. The module receptacle part 10 has a module holder 12 into which, for example, two heat exchanger basic modules 1 are releasably inserted, which are inserted one behind the other with adjoining connecting pieces 5 and 7 in the module receptacle part. The two basic modules are sealed or welded to one another in such a way that the interior of the tube pieces 2 together form a continuous flow channel. The various flow channels for the heat-absorbing or heat-absorbing medium can be seen from FIG. 2A. The connecting pieces 5 and 7 of the heat exchanger basic module 1 open into areas 14 and 15, into which the medium guided in the inner flow channel 8 is supplied or from which this medium is removed. The medium flowing through the outer packing 4 of sintered metal is supplied or discharged in annular regions 16 and 17. The two basic modules 1 are inserted into one half of the module receiving part 10 and the two parts or halves of the module receiving part 10 are assembled as shown in FIG. 2B and screwed together by means of screws 18. The two parts of the module receiving part 10 or the flow channels for the heat-absorbing or heat-dissipating medium are sealed by seals 19. Alternatively, the two parts can also be welded if there are special tightness requirements.

Fig. 3A und 3B zeigen eine zweite und eine dritte Ausfüh- rungsform einer Wärmetauscherebene gemäß der vorliegenden Erfindung. Fig. 3A zeigt in analoger Darstellung zu Fig. 2A eine Hälfte 20a eines Modulaufnahmeteils 20 für neun spei- chenförmig angeordneten Wärmetauscher-Grundmodulen 1, wobei lediglich ein Wärmetauscher-Grundmodul 1 eingezeichnet ist. Fig. 3B zeigt eine perspektivische Darstellung einer ausein¬ andergenommenen Wärmetauscherebene mit den zwei Hälften 20a und 20b eines Modulaufnahmeteils 20 in der sich acht Wärme¬ tauscher-Grundmodule 1 nach Art der Speichen eines Rades in Modulhalterungen 22 einlegen lassen. Das Modulaufnahmeteil 20 weist in zusammengesetztem Zustand eine ringzylindrische Form mit einer inneren Zylinderwand 24 und einer äußeren Zy¬ linderwand 25 auf. Die Anschlußstücke 5 bzw. 7 der Wärmetau¬ scher-Grundmodule 1 durchsetzen die innere Zylinderwand 24 bzw. die äußere Zylinderwand 25. Das in den inneren Strö¬ mungskanälen 8 strömende Wärmetransportmedium wird im Be- reich der inneren Zylinderwand 24 zugeführt und strömt über die Anschlußstücke 5 in die inneren Strömungskanäle 8. Über die Anschlußstücke 7 strömt das Wärmetransportmedium aus der Wärmetauscherebene wieder heraus. Das die äußere Packung 4 aus Sintermetall durchströmende Wärmetransportmedium wird in Bereichen 26 bzw. 27 zugeführt bzw. abgeführt. Die Ausfüh¬ rungsformen der Wärmetauscherebenen gemäß Fig. 3A bzw. 3B sind besonders vorteilhaft einzusetzen, wenn ein besonders guter Druckabgleich zwischen den einzelnen Modulen gewünscht wird, da die Anströmstrecken der einzelnen Wärmetauscher- Grundmodule völlig identisch sind. Wie in Fig. 3A angedeutet läßt sich die Wärmetauscherebene in einen rohrförmigen bzw. zylindrischen Druckmantel 28 einsetzen.3A and 3B show a second and a third embodiment of a heat exchanger level according to the present invention. FIG. 3A shows, in an analogous representation to FIG. 2A, one half 20a of a module receiving part 20 for nine basic heat exchanger modules 1 arranged in the form of a spoke, only one basic heat exchanger module 1 being shown. 3B shows a perspective illustration of a disassembled heat exchanger plane with the two halves 20a and 20b of a module receiving part 20 in which eight heat exchanger basic modules 1 can be inserted into module holders 22 in the manner of the spokes of a wheel. In the assembled state, the module receiving part 20 has an annular cylindrical shape with an inner cylinder wall 24 and an outer cylinder wall 25. The connectors 5 and 7 of the basic heat exchanger modules 1 pass through the inner cylinder wall 24 and the outer cylinder wall 25. The heat transport medium flowing in the inner flow channels 8 is supplied in the area of the inner cylinder wall 24 and flows over the connectors 5 into the inner flow channels 8. The heat transfer medium flows out of the heat exchanger level again via the connection pieces 7. The heat transport medium flowing through the outer packing 4 of sintered metal is supplied or discharged in regions 26 and 27. 3A or 3B can be used particularly advantageously if a particularly good pressure balance between the individual modules is desired, since the flow paths of the individual basic heat exchanger modules are completely identical. As indicated in FIG. 3A, the heat exchanger level can be inserted into a tubular or cylindrical pressure jacket 28.

Fig. 4 zeigt eine eine vierte Ausführungsform einer Wärme- tauscherebene mit einem Modulaufnahmeteil 30 bestehend aus zwei Hälften 30a und 30b. Bei dieser Wärmetauseherebene sind in das Modulaufnahmeteil 30 vier Wärmetauscher-Grundmo¬ dule 1 in Modulhalterungen 32 eingesetzt. Die Achsen der in¬ neren Strömungskanäle 8 der einzelnen Wärmetauscher-Grundmo- dule 1 liegen in dem Modulaufnahmeteil 30 mit kreisförmigem Querschnitt parallel zu den Seiten eines einbeschriebenen Quadrats. Die Anschlußstücke 5 der Wärmetauscher-Grundmodule 1 münden in einen Bereich 33a eines ersten Einlaßkanales und in einen Bereich 35a eines zweiten Einlaßkanales für das im inneren Strömungskanal 8 strömenden Wärmetransportmedium. Die Anschlußstücke 7 der Wärmetauscher-Grundmodule 1 münden in einen Bereich 33b eines ersten Auslaßkanales und in einen Bereich 35b eines zweiten Auslaßkanaleε. Das in dem äußeren Strömungskanal 9 strömende Wärmetransportmedium wird in ei¬ nem Bereich 36 bzw. 37 zugeführt und aus einem Sammelbereich 38 wieder dem Wärmetauscher bzw. der Wärmetauscherebene ent¬ zogen. Das Wärmetransportmedium wird dabei in den Wärmetau¬ scher-Grundmodulen 1 im Gegenstrom geführt.4 shows a fourth embodiment of a heat exchanger level with a module receiving part 30 consisting of two halves 30a and 30b. At this heat exchanger level, four basic heat exchanger modules 1 are inserted into module holders 32 in the module receiving part 30. The axes of the inner flow channels 8 of the individual heat exchanger basic modules 1 lie in the module receiving part 30 with a circular cross section parallel to the sides of an inscribed square. The connecting pieces 5 of the heat exchanger basic modules 1 open into a region 33a of a first inlet duct and into a region 35a of a second inlet duct for the heat transport medium flowing in the inner flow duct 8. The connectors 7 of the heat exchanger basic modules 1 open out in an area 33b of a first outlet channel and in an area 35b of a second outlet channel. The heat transport medium flowing in the outer flow channel 9 is supplied in a region 36 or 37 and withdrawn from the collecting region 38 again from the heat exchanger or the heat exchanger level. The heat transport medium is guided in counter-current in the basic heat exchanger modules 1.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Hälfte 40a eines Modulaufnahmeteils 40 einer Wärmetauscherebene, die wie die Wärmetauscherebene von Fig. 3B Platz für acht Wärme¬ tauscher-Grundmodule 1 bietet. Der Außendurchmesser des Mo¬ dulaufnahmeteils 20 ist jedoch dabei kleiner als der Außen¬ durchmesser des Modulaufnahmeteils 20. Die Anschlußstücke 5 der Wärmetauscher-Grundmodule 1 münden in einen Bereich 42, über den das im inneren Strömungskanal 8 fließende Wärme¬ transportmedium zugeführt wird. Die Anschlußstücke 7 der Wärmetauscher-Grundmodule 1 münden in einem Bereich 44 bzw.FIG. 5 shows a further embodiment of a half 40a of a module receiving part 40 of a heat exchanger level, which like the heat exchanger level from FIG. 3B offers space for eight basic heat exchanger modules 1. However, the outside diameter of the module receiving part 20 is smaller than the outside diameter of the module receiving part 20. The connecting pieces 5 of the heat exchanger basic modules 1 open into an area 42, via which the heat transport medium flowing in the inner flow channel 8 is supplied. The connection pieces 7 of the heat exchanger basic modules 1 open in an area 44 or

45 aus denen das im inneren Strömungskanal 8 strömende Wär- metransportmedium abgezogen wird. Das im äußeren Strömungs¬ kanal 9 strömende Wärmetransportmedium wird in einem Bereich45 from which the heat transport medium flowing in the inner flow channel 8 is drawn off. The heat transport medium flowing in the outer flow channel 9 becomes in one area

46 zugeführt und aus Bereichen 48 bzw. 49 abgezogen.46 fed and deducted from areas 48 and 49, respectively.

Fig. 6 zeigt einen Schnitt durch ein Wärmetauscher-Grundmo- dul 50 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Das Wärmetau¬ scher-Grundmodul 50 weist eine rohrformige Begrenzungswand 52 auf. Die rohrformige Begrenzungswand 52 bzw. das Rohr¬ stück 52 ist von einer schlauchförmigen äußeren Packung 54 aus porösem, durchströmbaren Sintermetall umgeben, die leicht konisch geformt ist. Die Packung 54 umschließt dabei nicht die gesamte Länge der rohrförmigen Begrenzungswand 52. Das Innere des RohrStücks 52 ist mit einer inneren Packung 56 aus porösem, durchströmbaren Sintermetall ausgefüllt. Die Packungen 54 und 56 sind mit der Begrenzungswand bzw. dem Rohrstück 52 versintert, um wie bei dem Grundmodul 1 einen optimalen Wärmeübergang zwischen den beiden Packungen 54 und se aus prösem Sintermetall über die Begrenzungswand 52 zu ermöglichen. Die von den Packungen 54 bzw. 56 nicht umhüll¬ ten bzw. ausgefüllten Teile des Rohrstückes 52 bilden An¬ schlußstücke 55 bzw. 57. Das Innere des Rohrstücks 52 bildet einen inneren Strömungskanal 58 für die Wärme abgebende bzw. Wärme aufnehmende Seite. Die Lage der äußeren Packung 54 de¬ finiert einen äußeren Strömungskanal 59. Abgesehen von der konisch geformten äußeren Sinterpackung 54 stimmt das Wärme¬ tauscher-Grundmodul 50 mit dem Grundmodul 1 überein.6 shows a section through a heat exchanger basic module 50 according to a second embodiment. The basic heat exchanger module 50 has a tubular boundary wall 52. The tubular boundary wall 52 or the tube piece 52 is surrounded by a tubular outer packing 54 made of porous, flowable sintered metal, which is slightly conical in shape. The pack 54 does not enclose the entire length of the tubular boundary wall 52. The inside of the pipe piece 52 is filled with an inner pack 56 made of porous, flowable sintered metal. The packs 54 and 56 are sintered to the boundary wall or the pipe section 52, in order to ensure optimal heat transfer between the two packs 54 and to allow se from sintered metal over the boundary wall 52. The parts of the pipe section 52 which are not enveloped or filled by the packs 54 and 56 form connecting pieces 55 and 57. The interior of the pipe section 52 forms an inner flow channel 58 for the heat-emitting or heat-absorbing side. The position of the outer packing 54 defines an outer flow channel 59. Apart from the conically shaped outer sinter packing 54, the basic heat exchanger module 50 corresponds to the basic module 1.

Fig. 7 zeigt einen Schnitt durch eine weitere Ausführungs¬ form einer Wärmetauscherebene bestehend aus einem einteili¬ gen Modulaufnahmeteil 60 in das ein konisch geformtes Wärme¬ tauscher-Grundmodul 50 eingesetzt werden kann. Die Wärme- transportmedien werden im Gegenstrom oder im Gleichstrom durch die Strömungskanälen 58 bzw. 59 geführt.7 shows a section through a further embodiment of a heat exchanger level consisting of a one-piece module receiving part 60 into which a conically shaped basic heat exchanger module 50 can be inserted. The heat transport media are conducted in countercurrent or in cocurrent through the flow channels 58 and 59, respectively.

Werden mehrere unterschiedliche Wärmetauscherebenen mit un¬ terschiedlichen Funktionen miteinander verbunden, kann es unter Umständen notwendig sein, ein oder mehrere Ebenen blind zu schalten. Zu diesem. Zweck sind Strömungskanäle 62 vorgesehen.If several different heat exchanger levels with different functions are connected to one another, it may be necessary to switch one or more levels blind. To this. Flow channels 62 are provided for this purpose.

Fig. 8 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform einer Wärmetauscherebene mit einem aus zwei Hälften 70a und 70b bestehenden Modulaufnahmeteil 70, bei der sieben Wärmetau¬ scher-Grundmodule 50 senkrecht in Modulhalterungen 72 ange¬ ordnet sind. D. h. die Achsen der inneren Strömungskanäle sind senkrecht zu der Ebene angeordnet, in der die beiden Hälften 70a und 70b der Modulaufnahme 70 zusammengeklappt werden. Das Wärmetransportmedium durchströmt den äußeren Strömungskanal der Wärmetauscher-Grundmodule 50 und wird im Bereich 52 gesammelt und können einem nicht dargestellten Abscheidemechanismus zugeführt werden. Das im inneren Strö- mungskanal strömende Wärmetransportmedium kann auch durch Kanäle 74 und 75 geführt werden. Im Randbereich des Modul- auf ahmeteils 70 sind umlaufenden Strömungskanäle vorgese¬ hen, die in ihrer Funktion den Kanälen 62 entsprechen. Ein senkrechter Schnitt durch die Modulhalterungen 72 entspricht der Schnittdarstellung gemäß Fig. 7.8 schematically shows a further embodiment of a heat exchanger level with a module receiving part 70 consisting of two halves 70a and 70b, in which seven basic heat exchanger modules 50 are arranged vertically in module holders 72. That is, the axes of the inner flow channels are arranged perpendicular to the plane in which the two halves 70a and 70b of the module receptacle 70 are folded together. The heat transport medium flows through the outer flow channel of the heat exchanger basic modules 50 and is collected in the area 52 and can be fed to a separation mechanism, not shown. The heat transport medium flowing in the inner flow channel can also be passed through channels 74 and 75. In the edge area of the module Circulating flow channels are provided on part 70, the function of which corresponds to the channels 62. A vertical section through the module holders 72 corresponds to the sectional illustration according to FIG. 7.

Die Ausführungsformen gemäß Fig. 8 ist besonders für Kalt¬ verdampfer geeignet. Es konnte empirisch ermittelt werden, daß ein ansonsten unverändertes Wärmetausscher-Grundmodul 50 zur Kaltverdampfung von R12 für die Kühlung von Druckluft etwa 20 % höhere K-Werte erbrachte, wenn es gemäß der Aus- führungsform von Figs. 7A, 7B und 8 senkrecht mit einer Dampfführung von unten nach oben angeordnet wurde und nicht waagrecht. Gleichzeitig konnte der Dampf hierbei bis zu 5°C überhitzt werden, ohne daß hieraus eine meßbare Verschlech- terung der Luftaustrittstemperatur resultierte.The embodiment according to FIG. 8 is particularly suitable for cold evaporators. It could be determined empirically that an otherwise unchanged basic heat exchanger module 50 for the cold evaporation of R12 for the cooling of compressed air produced approximately 20% higher K values if, according to the embodiment of FIGS. 7A, 7B and 8 was arranged vertically with a steam guide from bottom to top and not horizontally. At the same time, the steam could be overheated up to 5 ° C without resulting in a measurable deterioration in the air outlet temperature.

Mit den vorstehend beschriebenen Wärmetauschern gelang es beispielsweise, Module zur Drucklufttrocknung zu konzipie¬ ren, die im Rekuperationsteil bei einer Durchströmlänge von 65 mm eine Temperaturabsenkung von 18,5°C bei einer Ein¬ trittstemperatur von 35°C bewältigen und im Kaltverdampfer eine Verdampfungstemperatur von 0°C bei einer Durchström¬ strecke von lediglich 45 mm zeigten. Bei gleichen Randpara¬ metern beträgt die abgewickelte Länge eines Koaxialwärmetau- schers (Rekuperator + Kaltverdampfer) ca. 6 m. Beide Wärme¬ tauscher erfüllen das Kriterium, eine Gesamtdruckdifferenz von ca. 160 mbar nicht zu überschreiten.With the heat exchangers described above, it was possible, for example, to design modules for drying compressed air which, in the recuperation section, with a flow length of 65 mm, manage a temperature drop of 18.5 ° C. at an inlet temperature of 35 ° C. and an evaporation temperature in the cold evaporator 0 ° C with a throughflow distance of only 45 mm. With the same edge parameters, the developed length of a coaxial heat exchanger (recuperator + cold evaporator) is approximately 6 m. Both heat exchangers meet the criterion of not exceeding a total pressure difference of approximately 160 mbar.

Aus diesem Beispiel kann abgeleitet werden, daß die Durch- strömstrecken von Wärmetauschern in Modulbausweise gemäß der vorliegenden Erfindung mit Sintermetall größenordnungsgemäß bei 2 % konventioneller Systeme liegen. Die K-Werte können unabhängig von Stoff und Phase um den Faktor 10 verbessert werden, so daß größenordnungsmäßig etwa 10 % der Rohrwand- fläche eines konventionellen Wärmetauschers benötigt werden. From this example it can be deduced that the flow distances of heat exchangers in modular construction according to the present invention with sintered metal are of the order of magnitude at 2% of conventional systems. The K values can be improved by a factor of 10 regardless of substance and phase, so that about 10% of the pipe wall area of a conventional heat exchanger is required.

Claims

Patentansprüche Claims

1. Wärmetauscher in Modulbauweise mit1. Modular heat exchanger with

wenigstens einer Wärmetauscherebene, die jeweils ein Modulaufnahmeteil (10; 20; 30; 40; 60) mit einer Mehr¬ zahl von darin lösbar eingebauten Wärmetauscher-Grund¬ modulen (1; 50) aufweist,at least one heat exchanger level, each having a module receiving part (10; 20; 30; 40; 60) with a plurality of basic heat exchanger modules (1; 50) detachably installed therein,

wobei die einzelnen Wärmetauscher-Grundmodule (1; 50) jeweils eine Begrenzungswand (2; 52) aufweisen, durch die der Wärmeübergang von Wärme abgebender Seite des Wärmetauschers zu Wärme aufnehmender Seite des Wärme- tauschers erfolgt,The individual basic heat exchanger modules (1; 50) each have a boundary wall (2; 52) through which the heat is transferred from the heat-emitting side of the heat exchanger to the heat-absorbing side of the heat exchanger.

wobei auf zumindest einer Seite der Begrenzungswand (2; 52) eine Packung (4, 6; 54, 56) aus porösem, durch¬ strömbaren Sintermetall vorgesehen ist, undwherein a packing (4, 6; 54, 56) made of porous, flowable sintered metal is provided on at least one side of the boundary wall (2; 52), and

wobei das Modulaufnahmeteil (10; 20; 30; 40; 60) zusam¬ men mit der Mehrzahl der Grundmodule (1; 50) einen Strömungskanal für die Wärme abgebende und/oder Wärme aufnehmende Seite des Wärmetauschers festlegt.wherein the module receiving part (10; 20; 30; 40; 60) together with the plurality of basic modules (1; 50) defines a flow channel for the heat-emitting and / or heat-absorbing side of the heat exchanger.

2. Wärmetauscher in Modulbauweise nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungswand (2; 52) des Wärmetauscher-Grundmoduls einen rohrförmigen Strömungs- kanal, insbesondere mit kreisförmigem Querschnitt, für die Wärme abgebende oder Wärme aufnehmende Seite fest¬ legt.2. Heat exchanger in modular design according to claim 1, characterized in that the boundary wall (2; 52) of the heat exchanger basic module defines a tubular flow channel, in particular with a circular cross-section, for the heat-emitting or heat-absorbing side.

3. Wärmetauscher in Modulbauweise nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Packung (4, 6; 54, 56) aus po- rösem, durchströmbaren Sintermetall einen Teil der Län¬ generstreckung des rohrförmigen Strömungskanal schlauchartig umschließt und/oder im Inneren des rohr¬ förmigen Strömungskanales einen Teil seiner Längener¬ streckung den Querschnitt vollständig ausfüllt.3. Heat exchanger in modular design according to claim 2, characterized in that the packing (4, 6; 54, 56) made of porous, flowable sintered metal part of the Län¬ generextension of the tubular flow channel encloses like a hose and / or in the interior of the tubular flow channel, part of its length extends completely to fill the cross section.

4. Wärmetauscher in Modulbauweise nach einem der vorherge¬ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Modulaufnahmeteil (10; 20; 30; 40; 60) zweiteilig ist und die einzelnen Wärmetauscher-Grundmodule nach Art von zwei Halbschalen einschließt.4. Heat exchanger in modular design according to one of the preceding claims, characterized in that the module receiving part (10; 20; 30; 40; 60) is in two parts and includes the individual heat exchanger basic modules in the manner of two half-shells.

5. Wärmetauscher in Modulbauweise nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Wär¬ metauscher-Grundmodule nach Art eines Rohrbündelwärme¬ tauschers senkrecht nebeneinander in dem Modulaufnahme- teil (10; 20; 30; 40; 60) angeordnet sind.5. A modular heat exchanger according to one of claims 2 to 4, characterized in that the individual basic heat exchanger modules are arranged vertically next to one another in the module receiving part (10; 20; 30; 40; 60) in the manner of a tube bundle heat exchanger .

6. Wärmetauscher in Modulbauweise nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundmodule konkav geformt sind.6. Heat exchanger in modular design according to claim 5, characterized in that the basic modules are concave.

7. Wärmetauscher in Modulbauweise nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Grundmodule in einer Ebene nebeneinander liegend in dem Modulaufnahmeteil (10; 20; 30; 40; 60) angeordnet sind.7. A modular heat exchanger according to one of claims 2 to 4, characterized in that the individual basic modules are arranged in a plane lying side by side in the module receiving part (10; 20; 30; 40; 60).

8. Wärmetauscher in Modulbauweise nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundmodule nach Art der Spei¬ chen eines Rades in dem Modulaufnahmeteil (10; 20; 30; 40; 60) angeordnet sind.8. A modular heat exchanger according to claim 7, characterized in that the basic modules are arranged in the manner of the spoke of a wheel in the module receiving part (10; 20; 30; 40; 60).

9. Wärmetauscher in Modulbauweise nach einem der vorherge¬ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Be¬ grenzungswand (2; 52) aus Aluminium besteht und die Packung (4, 6; 54, 56) bzw. die Packungen aus Sinterme- tall aus porös gesintertem Aluminiumpulver oder -granu- lat besteht bzw. bestehen. 9. A modular heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that the boundary wall (2; 52) consists of aluminum and the packing (4, 6; 54, 56) or the packing is made of sintered metal porous sintered aluminum powder or granules.

10. Wärmetauscher in Modulbauweise nach einem der vorherge¬ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Modulaufnahmeteil (10; 20; 30; 40; 60) einen kreisför- migen Querschnitt aufweist.10. Heat exchanger in modular design according to one of the preceding claims, characterized in that the module receiving part (10; 20; 30; 40; 60) has a circular cross section.

11. Wärmetauscher in Modulbauweise nach einem der vorherge¬ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Packungen aus Sintermetall mit einer Katalysatorsub- stanz beschichtet sind.11. A modular heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that the sintered metal packings are coated with a catalyst substance.

12. Wärmetauscher in Modulbauweise nach einem der vorherge¬ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ein¬ zelnen Wärmetauseherebenen hinsichtlich Aufbau und Lei- stungscharakteristik unterschiedliche sind.12. Modular heat exchanger according to one of the preceding claims, characterized in that the individual heat exchanger levels are different in terms of structure and performance characteristics.

13. Wärmetauscher in Modulbauweise nach einem der vorherge¬ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ein¬ zelnen Wärmetauscherebenen innerhalb eines gemeinsamen Druckmantels angeordnet sind. 13. Heat exchanger in modular design according to one of the preceding claims, characterized in that the individual heat exchanger levels are arranged within a common pressure jacket.