DE2146869A1 - Waermetauscher - Google Patents

Description

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ENERGIAGAZDALKODASI INTEZET, Budapest II, Bern rakpart 33# Ungarn

Wärmetauscher

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zur Wärme übertragung zwischen zwei gasförmigen Medien, die durch in wärmeleitender Verbindung miteinander stehende Kanäle geführt sind.

Derartige Wärmetauscher finden vornehmlich bei Gas-

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turbinen geschlossenen Kreislaufs von Atomkraftwerken Verwendung, worauf jedoch die Erfindung nicht beschränkt ist. Dabei ist es bekannt, daß der Entwicklung solcher Wärmetauscher sehr große Bedeutung zukommt, um den Wärmeaustausch billig und wirtschaftlich zu gestalten. Nun bedarf der Wärmeaustausch bei gasförmigen Medien verhältnismäßig großer Oberflächen zur Wärmeübertragung, weshalb die Oberflächen der Kanäle durch Rippen etc erweitert werden, um die Kosten der Wärmetauscher hinsichtlich Platzbedarf möglichst gering zu halten. Soll auf diese Weise jedoch der Wärmeaustausch zwischen zwei gasförmigen Medien stattfinden, so wird die beschriebene Gestaltung der wärmeübertragenden Oberflächen auf beiden Gasseiten benötigt, was jedoch dadurch, daß die Wärmeaustauschflächen miteinander verbunden sind, auf große technische, insbesondere technologische Schwierigkeiten stößt, wenn sehr gute Wirkungsgrade erreicht werden sollen. Diese Schwierigkeiten werden bezüglich der Einleitung des Gases in die Kanäle sowie infolge weiterer Anordnungsgesichtspunkte noch mehr gesteigert, je größer die zu übertragende Wärmemenge ist. Dies ist bei dem erwähnten Beispiel von Rekuperatoren der Gasturbinen geschlossenen Kreislaufes mit nuklearer Wärmequelle der Fall, wo sehr große Wärmemengen (1000 bis 2500 MW_t) zu übertragen sind. Außerdem führen die beschriebenen Kanäle mit vergrößerter Ober-

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fläche zu einem erheblichen Druckabfall, also zu Strömungsverlusten des hindurchgeleiteten Gases.

Deshalb sieht man bei Gasturbinenkraftwerken mit geschlossenem Kreislauf und nuklearer Wärmequelle von der Verwendung von Kanälen mit vergrößerter Oberfläche ab und nimmt Rohre mit glatter Oberfläche. Diese Lösung hat jedoch den Nachteil, daß sich außerordentlich große Abmessungen des Wärmetauschers ergeben. Dadurch werden nicht nur die Kosten des Wärmetauschers an sich, sondern auch die Kosten der die Anlage enthaltenden Gebäudeteile vergrößert, was insbesondere bei halbintegrierten und integrierten Bauarten der Fall ist. Wie außerdem bekannt ist, kann in einem Wärmetauscher mit glatten Rohren die Wärmeleistungsdichte (kcal/h/nr) bei einem gegebenen Temperaturunterschied nur unter Erhöhung des Druckabfalles der Gas· vergrößert werden. Da eine Erhöhung des verhältnismäßigen Druckabfalles um 1 # mit einer Verminderung des Wirkungsgrades um 0,5 $> verbunden ist und der Gesamtwert der Druckabfälle in der Anlage ohnehin sehr groß ist, namentlich etwa 3_f5 $> beträgt, bietet eine weitere Erhöhung des Druckabfalles keine brauchbare Lösung des anstehenden Problems.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen.Wärmetauschtr anzugeben, mit dem die beschriebenen Mängel bekannter Wärmetauscher behoben werden, wobei nach Möglichkeit gleichzeitig noch eine Herabsetzung des Druckabfalles der am Wärmeaustausch teilnehmenden

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Gase erreicht werden soll. Dabei liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, daß durch Unabhängigmachen der beiden gasseitigen Wärmeaustauschflächen voneinander die Möglichkeit eröffnet werden kann, diese Austausohfläohen "bezogen auf die Wand eines glatten Rohrea zu vergrößern. Dies allein würde jedoch für den Idealfall, daß bei einem Temperaturunterschied von einem halben Grad Celsius und weniger noch dieselbe Wärmemenge übertragen werden soll, ebenfalls noch hohe apparative Kosten verursachen, da die theoretisch notwendige Oberfläche vier- bis fünfmal so groß sefn müßte, wie sie sonst erforderlich wäre.

Ausgehend von einem Wärmetauscher der eingangs beschriebenen Art gelingt die Lösung dieses Problems erfindungsgemäß dadurch, daß die wärmeleitende Verbindung über mindestens ein flüssiges bzw. dampfförmiges Zwischenmedium in wenigstens einer geschlossenen Kammer zwischen den Kanälen erfolgt und daß wenigstens einige der Kanäle eine Breite von maximal etwa 0,7 mm aufweisen.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Kanäle ist erreicht, daß in diesen laminare Strömungsverhältnisse herrschen, was zu einer erheblichen Erhöhung der Wärmeübergängezahl bei andererseits geringem Druckverlust des durch die Kanäle geleiteten Gases führt.

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Durch die Verwendung eines Zwischenmediums zur Wärmeübertragung sind die Kanäle der beiden Gasströme, zwischen denen der Wärmeaustausch stattfinden soll, derart voneinander unabhängig, daß sie sich ohne technische Schwierigkeiten gestalten lassen.

Es besteht aber auch keine Gefahr der Verschmutzung der außerordentlich engen Kanäle, weil namentlich bei den beispielhalber erwähnten Gasturbinen mit geschlossenem Kreislauf eine solche Verschmutzung nicht auftreten kann.

Die Temperatur des Zwischenmediums wird sich zwischen den Temperaturen des heißen und des kalten Gases einstellen. Ebenso, wie sich die Temperatur der Gase von ihrem Eintritt in den Wärmetauscher bis zu ihrem Austritt ändert, ändert sich mit dieser auch die Temperatur des Zwischenmediums. Der zuletzt genannte Umstand führt jedoch auch zu einer Änderung der die 'Wärmetransportfähigkeit und die Festigkeitsbeanspruchung bestimmenden physikalischen Größen wie Sättigungsdruck, Dichte, Zähigkeit, Verdampfungs- und Kondensationswärme des Zwischenmediums.

Demzufolge kann es nach der Erfindung zweckmäßig sein, daß zwischen den Kanälen mehrere geschlossene Kammern zur wärmeleitenden Verbindung vorgesehen sind und daß die Kammern unterschiedliche Zwischenmedien enthalten. Auf diese Weise läßt sich erreichen, daß das Zwischen-'

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medium für einzelne Temperaturbereiche des Wärmetauschers den dort wünschenswerten optimalen Bedingungen angepaßt wird. Dabei kann in dem Bereich mit hohen Temperaturen Quecksilber als Zwischenmedium verwendet werden, während im Bereich niedrigerer Temperaturen beispielsweise Wasser gebraucht werden kann.

Schließlich ist es besonders vorteilhaft, daß die Kanäle aus übereinander angeordneten Spalten länglichen Querschnittes bestehende Säulen bilden, daß in den oberen Kanälen das zu erwärmende und in den unteren Kanälen das wärmeabgebende Medium geführt ist und daß die Kammern parallel zu den Säulen und senk- W recht zu den Kanälen angeordnet sind. Eine solche Ausbildung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers ermöglicht eine sehr kompakte und wirtschaftliche Ausführung.

Die Erfindung ist nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert, das auf der Zeichnung dargestellt ist. In der Zeichnung zeigen: f-

Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch einen Wärmetauscher und . *J$

Fig. 2 einen Schnitt gemäß der Schnittlinie II-II in Fig. 1.

Gemäß Fig. 1 und 2 weist der Wärmetauscher Kanäle 1 für den kalten Gasstrom und Kanäle 2 für den warmen

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Gasstrom auf, die über mihdestens ein Zwischenmedium 4 miteinander in wärmeleitende Verblndungvgebraoht sind, -welches in Kammern 3 enthalten ist.

Die Breite wenigstens einiger, vorzugsweise aller Kanäle 1 und 2 ist sehr klein, namentlich maximal etwa 0,7 mm. Bei dem dargestellten Ausführungebeispiel sind die Kanäle 1 und 2 Spalten länglichen Querschnittes, die zu Säulen 5 übereinander angeordnet sind, zwischen denen die Kammern 3 parallel zu den Säulen und senkrecht zu den Kanälen 1 und 2 so angeordnet sind, daß ihr unterer Teil, in dem sich im Außerbetriebe zustand die Pltissigkeitsphase des ZwischenmediuDiB 4 befindet, mit den Kanälen 2 des heißen Gases in Verbindung steht, während ihr oberer Teil, der im Außerbetriebezustand im wesentlichen mit der Dampfphase des Zwischenmediums 4 gefüllt ist, mit den Kanälen 1 für das kalte Gas verbunden ist.

Der dargestellte Wärmetauscher arbeitet folgendermaßen:

Der Wärmetauscher ist dann in betriebsbereitem Zustand, wenn die das heiße Gas führenden Kanäle 2 unter den das kalte Gas führenden Kanälen 1,liegen. Dadurch ist erreicht, daß die mit den das heiße Gas führenden Kanälen 2 in Berührung stehenden Teile der Kauern 3 die Plüssigkeitsphase des Zwischenmediums enthalten«

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Wenn nun das heiße Gas zu strömen beginnt, beginnt der flüssige Teil des Zwischenmediums 4 zu sieden, das Zwischenmedium verdampft also und der Dampf sammelt sich im oberen Teil der Kammern 3. '

Strömt nun auch das kalte Gas, dann kondensiert der im oberen Teil der Kammern 3 enthaltene Dampf und das Kondensat strömt in den unteren Teil der Kammern 3 zurück, wo es in der beschriebenen Weise wieder verdampft wird.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich, sind zwischen den Säulen 5 jeweils mehrere Kammern 3 nebeneinander angeordnet. In einigen dieser Kammern kann ein anderes Zwischenmedium 4 enthalten sein als in den übrigen Kammern. Dies hat den Vorteil, daß die Parameter, xles Zwischenmediums 4 mit der an der gegebenen Stelle des Wärmetauschers meßbaren Temperatur in Einklang gebracht werden können.

Wie sich in der Praxis gezeigt hat, hat der erfindungsgemäße Wärmetauscher nur etwa ein Drittel des Raumbedarfes bekannter Wärmetauscher, wobei außerdem noch der_#Druckabfall nur etwa 15 % des Druckabfalles bekannter Wärmetauscher ausmacht. >

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Claims (3)

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   Patentansprüche

   (1. Wärmetauscher zur Wärmeübertragung zwischen

   zwei gasförmigen Medien, die durch in wärmeleitender Verbindung miteinander stehende Kanäle geführt sind, dadurch gekennzeichnet,

   daß die wärmeleitende Verbindung über mindestens ein flüssiges bzw. dampfförmiges Zwischenmedium (4) in

   wenigstens einer geschlossenen Kammer (3) zwischen

   den Kanälen (1, 2) erfolgt und daß wenigstens einige der Kanäle (1, 2) eine Breite von maximal etwa 0,7 mm aufweisen.
2. 2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Kanälen (1, 2) mehrere geschlossene Kammern (3) zur wärmeleitenden Verbindung vorgesehen sind und daß die Kammern (3) unterschiedliche Zwischenmedien (4) enthalten.
3. 3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (1, 2) aus übereinander angeordneten Spalten länglichen Querschnittes bestehende Säulen (5) bilden, daß in den oberen Kanälen (1) das zu erwärmende und in den unteren Kanälen (2) das wärmeabgebende Medium geführt ist und daß die Kammern (3) parallel zu den Säulen (5) und senkrecht zu den Kanälen (1, 2) angeordnet sind.

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