DE69426016T2 - Wärmetauscher und wärmeübertragungsverfahren - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft Wärmetauscher, insbesondere Wärmetauscher in Niedrigtemperatursystemen, in denen die Wärme aus einem Fluid in einem Kreislaufsystem in ein Fluid in einem anderen System übertragen werden soll. Ein Beispiel zum Einsatz derartiger Systeme ist der zwischen einem Solarkollektorkreislauf und einem Akkumulatortank.
• Wärmetauscher sind im Stand der Technik bekannt, z. B. aus der US 4 619 317, der US 3 556 199, der US 3 447 892, der SU 958 830. Die US 4 619 317 betrifft einen Wärmetauscher, der einen Tragrahmen und eine Zufuhrleitung, eine Heizeinrichtung für den Vorlauf, Wärmetauscherröhren, eine Heizeinrichtung für den Rücklauf und eine Entladeleitung für ein Wärmetauschermedium umfaßt.
• Die Wärmetauscherröhren sind Kapillarröhren, die ineinandergreifend mittels Verbindungselementen befestigt sind, wobei die Enden der Kapillarröhren in eine Vorlaufheizeinrichtung und eine Rücklaufheüzeinrichtung des Wärmetransfermediums führen. Die Wärmetauscherkapillaren haben insbesondere einen äußeren Durchmesser zwischen 0,1 mm und 10 mm und eine Wandstärke von 40% bis 5% des äußeren Durchmessers der Wärmetauscherkapillaren. Der freie Abstand zwischen den Kapillarwindungen beträgt das Ein- bis Fünffache des äußeren Durchmessers der Wärmetauscherkapillaren. Größere und kleinere Wärmetauscherpackungen oder -blöcke jeder gewünschten Kapazität können hergestellt werden. Die einzelnen Helices der Wärmetauscherkapillaren haben stets den gleichen Druckverlust, der mit dem gleichen inneren Durchmesser und der gleichen Länge geschaffen wird. Um die Helices der Wärmetauscherkapillaren während des freien oder erzwungenen Flusses des Wärmetauschermediums vor lokalen Abweichungen, Biegevibrationen oder dergleichen zu schützen, wurden aufgrund der Turbulenz, die notwendigerweise auftritt, die Wärmetauscherkapillaren mit einem gegenseitigen Eingriff ausgerüstet und miteinander durch Verbindungselemente verbunden. Diese sind z. B. gerade Drähte oder gleichförmige Kapillaren, die zwischen den Tragrahmen befestigt sind.
• Die US 3 556 199 betrifft ein Verfahren und ein Gerät für freie Konvektionskühlung. Um die Temperatur der zirkulierenden Wärmetransportfluide abzusenken, wird ein Wärmetauscher in einem Kühlbad eingetaucht, das konstruiert und angeordnet ist, dass das größtmögliche Temperatur-Dichte-Differenzial zwischen dem zirkulierenden Transportfluid und dem umgebenden Kühlmittel mit starken natürlichen Konvektionsströmen erzielt wird. Bei dem Betrieb des Systems, das aus mehreren länglichen parallelen Platten aufgebaut ist, die in voneinander getrennter Beziehung an ihren Enden mittels Verschlusseinsätzen und länglich erstreckten Einfügeabstandshaltern gehalten werden, wird erhitztes Fluid aus einer Quelle in eine Eingangsleitung gepumpt. Die aktuelle Wärmequelle wird durch eine Maschine oder elektronische Packung oder dergleichen gebildet, durch die das Wärmetransportfluid in wärmeabsorbierender Beziehung geführt wird. Die Flüssigkeit des Bades, in dem der Wärmetauscher angeordnet ist, besitzt eine Temperatur niedriger als diejenige, bei der das Transportfluid zu dem Wärmetauscher geführt wird. Das Temperaturdifferenzial wird eingesetzt, um zu kühlen oder um überschüssige Hitze aus dem Transportfluid zu entfernen. Nirgends in dem Wärmetauscher entstehen Bedingungen, in denen ein Transportfluid von maximaler Temperatur eine Kühlung von minimaler Temperatur erfährt. Heiße Stellen oder isolierte Orte von maximalem Ternperaturdifferenzial, die schwere lokale Konvektionsströme mit wenig oder keinem Konvektionsfluss in die anderen Abschnitte des Wärmetauschers erzeugen, werden vermieden.
• Die US 3 448 792 betrifft einen Formalkonvektüonskondensierer und ein Verfahren zu dessen Verwendung. Ein schneller Wärmetausch aus einem Wärmetauscherfluid zu einem Kühlfluid wird bewirkt durch die Anordnung des Kondensierers in der Kühlflüssigkeit. Der Wärmekondensierer weist wenigstens zwei Spulen auf, wobei eine kleinere Spule innerhalb einer größeren Spule positioniert wird. Die Spulen werden in einer beabstandeten Beziehung zueinander und zu einem inneren und ein äußeren Schild mittels Abstandselementen gehalten. Die Abstandselemente schaffen eine vertikale Lücke zwischen den Spulen und den Abschirmeinrichtungen. Das Kondensiergerät wird in einem Flüssigkeitsbehälter oder Tank angeordnet, der eine Flüssigkeit wie beispielsweise Wässer hält. Das Gerät ist vorzugsweise nahe dem Boden des Behälters positioniert. Durch das offenendige Design des Wärmetauschers ent steht ein Kamineffekt, der den Fluss des Wassers längs der Wärmetauscherspulen beschleunigt und dadurch schneller die Wärme - wie beschrieben - abzieht. Vorzugsweise ist das Wärmetauscherfluid ein überhitzter Dampf bei einer Temperatur von ungefähr 212º bis über 900ºFahrenheit oder mehr.
• Der überhitzte Dampf wird z. B. durch das Hindurchführen von Wasser bei einer Temperatur von ungefähr 70ºFahrenheit durch eine Wärmespeicheranordnung erreicht, die bei einer Temperatur von über 900ºFahrenheit gehalten wird. Anschließend wird der überhitzte Dampf in den Kondensierer hineingeführt, der in einen Wassertank hineingeführt. Das Wasser mit einer Ursprungstemperatur von ungefähr 70ºFahrenheit wird danach rasch erhitzt auf eine Temperatur von ungefähr 140ºFahrenheit. Dadurch werden starke Konvektionsströme durch die Wärmedifferenz erzeugt. Dies führt zu einer raschen Zirkulation des Wassers durch den Wassertank, der erhitzt wird.
• Ein Problem in Verbindung mit fluidbetriebenen Solarkollektorsystemen ist ein einfacher und ein kostengünstiger Weg, um es zu ermöglichen, das Zirkulationssystem des Solarkollektors aus einem fluidbetriebenen Energiespeichersystem zu trennen, ohne einen nennenswerten Teil der zugeführten Energie zu verlieren. Dieses Problem wird gelöst durch einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher wie beansprucht, wobei der Wärmetauscher zwischen den Systemen vorgesehen wird.
• Die Wärmespeicherstruktur nach der Erfindung ist insbesondere vorgesehen zum Optimieren des Wärmeaustausches für die Verwendung, in welchem
• - das Fluid auf einer Primärseite gepumpt wird, d. h., dass ein relativ großer Druckabfall hingenommen und für einen guten Wärmeaustausch verwendet wird,
• - das Fluid auf der Sekundärseite durch einen Wärmetauscher mittels Selbstzirkulation fließt, d. h., dass die Struktur-optimiert ist, um einen hohen Wär metauscherkoeffizienten auf der Außenseite trotz eines extrem niedrigen Druckabfalls zu erhalten,
• eine relativ hohe Temperaturdifferenz zwischen den niedrigen Strömen auf beiden Seiten des Wärmetauschers gewünscht wird.
• Die Erfindung wird nun in näheren Einzelheiten unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, in welcher:
• Fig. 1 schematisch einen Energiespeichertank mit zwei alternativen Positionen eines Wärmetauschers nach der Erfindung zeigt,
• Fig. 2 schematisch die Herstellung einer Kapillarröhre zeigt, die in einem Wärmetauscher nach der Erfindung eingeschlossen werden soll, und Fig. 3
• und Fig. 4 schematisch den strukturellen Aufbau eines Wärmetauschers zeigen.
• Fig. 1 zeigt eine typische Anwendungsform für den erfindungsgemässen Wärmetauscher in der Solarheiztechnik. Die Inhalte eines Akkumulatortanks 1 werden durch Wärmeaustausch aus einem Solarkollektorfluid erwärmt. Um die Kosten für Installation, Pumpen und Steuereinrichtung zu minimieren, sollte der Wärmetauscher entweder im Tank (2a) eingebaut oder ausserhalb des Tanks (2b) als Selbstzirkulation verbunden sein. In der Alternative mit eingebautem Wärmetauscher 2a wird das Solarkollektorfluid bei 3a zugeführt und bei 4a rückgeführt, während Selbstzirkulation 5a, 6a im Tank 1 durch den Wärmetauscher 2a stattfindet. In der anderen Alternative zirkuliert das Solarkollektorfluid durch den Pfad 3b, 2b, 4b, während das Fluid im Tank 1 dem Wärmetauscher 2b bei 5b zugeführt wird und durch Röhren 7 zurück in den Tank bei 6b geführt wird.
• Im Gegensatz zu den existierenden Systemen führt der erfindungsgemässe Wärmetauscher einen Temperaturanstieg bei kaltem Wasser am Boden des Tanks von z. B. 30ºCelsius bis zu 60º bis 70ºCelsius bei Durchfluss durch. Dies erfolgt bei einer logarithmischen Temperaturdifferenz zwischen der primären und der sekundären Seite von nur 5º. Ein derartiger Wärmetauscher fördert die Schichtung des Tanks, ermöglicht es, niedrige Fliesswerte in dem Solarkollektorkreislauf zu haben und führt insgesamt zu einem besser funktionierenden System. Dies kann erreicht werden bei geringerem Materialverbrauch in Form von dünneren Rohren im Solarkreislauf und wesentlich weniger Material im Wärmetauscher, was das System wesentlich kosteneffizienter macht.
• Der Wärmetauscher ist aus Kapillarröhren aufgebaut, die parallel verbunden sind. Durch Verwendung einer Anzahl von schlanken Röhren mit dünnen Wänden mit einem inneren Durchmesser von weniger als 3 rüm und einem äußeren Durchmesser von weniger als 5 mm wird eine im Wesentlichen laminare Strömung in den Röhren erzielt, wodurch der Wärmetausch zwischen dem Fluid, das durch die Röhren gepumpt wird, und dem umgebenden Fluid beträchtlich verbessert wird, verglichen mit Röhren von größeren Dimensionen. Der Wärmetauscher wird bevorzugt gut dimensioniert bei einem inneren Durchmesser von 1-2 mm, vorzugsweise 1,5 mm, und einer Wanddicke von weniger als 0,5 mm, vorzugsweise von ungefähr 0,25 mm. Die Länge einer jeden Röhre sollte einen Meter oder mehr betragen und die Zahl der Röhren hängt ab von der Leistung, die übertragen werden soll. Die Größen basieren auf Kupferröhren und dem Pumpen von Wasser mit Gefrierschutzmitteln im Primärkreislauf. Die Kapillarröhren können auf verschiedene Weise angeordnet werden, um einen guten Wärmeaustausch zu erzielen, wodurch an sich bekannte Anordnungen verwendet werden können.
• Vorzugsweise sind die Kapillarröhren 8 auf der Außenseite mit wenigen Windungen eines Drahtes 9 versehen, vergleiche Fig. 2. Der Draht 9, der vorzugsweise aus einem weichen Kupferdraht aufgebaut ist, dient in dem fertiggestellten Wärmetauscher für die Funktion, dass er teilweise eine definierte Distanz zwischen konzentrischen Helices von Kapillarröhren erzeugt, die mit dem Draht versehen werden, und teilweise erhöht er den Wärmeaustausch auf der Außenseite durch die Verwendung von Flanscheffekten und einer verwirbelten Form des Drahtes.
• Die Kapillarröhren 8 können auch durch einen Draht aus einem anderen Metall umwunden werden oder dadurch, dass der Draht aus mehreren miteinander verwundenen dünneren Drähten aufgebaut ist. Normalerweise muss die Windung des Drahtes lediglich an der Kapillarröhre an deren Enden verbunden werden, aber es ist ebenso möglich, den Draht in gleichmässig beabstandeten Intervallen oder längs der gesamten Länge desselben zu befestigen. Geeignete Mittel hierfür können löten, bonding, auflösen in flüssigem Zinn oder dergleichen sein. Da der Wärmetauscher aus helikalgewundenen Kapillarröhren aufgebaut ist, können alle oder wenigstens einige der Kapillarröhren mit Draht umwunden sein. Es ist auch möglich, Kapillarröhren zu verwenden ohne einen gewundenen Draht für den Wärmeaustausch gemäss der Erfindung, wodurch andere Einrichtungen angeordnet werden können, um eine geeignete Distanz zwischen den Spiralröhren zu erhalten.
• Um einen Wärmetauscher nach der Erfindung herzustellen, wird zunächst eine Anzahl von Kapillarröhren in etwa gleiche Länge geschnitten. Alle Kapillarröhren werden parallel miteinander verbunden und sie besitzen etwa die gleiche Länge, um den gleichen Druckabfall zu erzielen und auf diese Weise den gleichen Temperaturabfall beim Durchfluss auf der Innenseite.
• Die Kapillarröhren werden dann in Spiralform mit verschiedenen Durchmessern derart gestaltet, dass der Steigungswinkel für jede Helix gleich ist. Auf diese Weise wird es erreicht, dass die verschiedenen Helices im Wesentlichen die gleiche Länge erzielen. Für die verschiedenen Durchmesser wird eine unterschiedliche Anzahl von Kapillaren in der entsprechenden Helix vorgesehen, derart, dass die Zahl der Kapillaren im Wesentlichen proportional zum Durchmesser ist.
• In der Ausführungsform nach den Fig. 3 und 4 enthält die Helix 12 mit dem kleinsten Durchmesser zwei Kapillarröhren 12a und 12b, die in Spiralform mit dem Durchmesser 20 mm gewunden sind, wodurch die Zahl der Drehungen pro Röhre etwa 40 mm und die Länge der Helix ungefähr 400 mm beträgt. Die nächste Helix 13 mit dem Durchmesser 30 mm enthält drei Kapillarröhren (13a - 13c), die jede ungefähr 27 Drehungen bilden, um die gleiche Länge zu erreichen. Der dritte Anlauf 14 mit ungefähr 40 mm Durchmesser enthält vier Kapillarröhren (14a - 14d), welche jede ungefähr 20 Drehungen erreicht, und die vierte Helix 15 mit 40 mm Durchmesser enthält fünf Kapillarröhren (15a-15e), was ungefähr 16 Drehungen für die gleiche Länge ergibt. Falls der ringförmige Raum zwischen dem zentralen zylinderförmigen Körper 11 und der äußeren Röhre 10, der mit den Helices 12 bis 15 aufgefüllt ist, die Durchmesser 15 mm und 55 mm besitzt, füllen 14 Kapillarröhren in dem Beispiel gleichmässig diesen Raum und der Wärmetausch von dem Primärfluss zum sekundären wird etwa über den gesamten Röhrensatz gleich. Der äußere Durchmesser der Kapillarröhre betrug 2,8 mm und der des Drahtes 1 mm.
• Die umgebende Röhre 10 erstreckt sich länger als der eigentliche Wärmetauscherteil 2 mit den Kapillarröhren, um die Selbstzirkulation zu verbessern. Die Röhre 10 soll außerdem in der Lage sein, Kupplungen (nicht dargestellt) zwischen den Kapillarröhren und dem äußeren Solarkollektorkreislauf aufzunehmen, in einer Ausführungsform realisiert werden kann, die eine im Wesentlichen gleichmäßige Röhrenlänge und geringfügige Umbauten im Selbstzirkulationskreislauf erlaubt.
• Die Kupplung mit den Enden der Kapillarröhren kann vorzugsweise mit folgenden Verfahren vorgenommen werden: Alle Röhren werden in einer Hülle zusammengebracht, wodurch die Hülle mit Lot angefüllt wird. Danach wird die Hülle abgeschnitten, so dass alle Röhrenöffnungen in der Schnittfläche erscheinen, die dann einfach mit dem Eingang und dem Ausgang gekoppelt werden kann. Dieses Verfahren hat sich als eine sehr kosteneffektive Methode zur Verbindung der Röhren herausgestellt, ohne welche ein Wärmetauscher mit vielen Kapillarröhren nach der Erfindung nicht ohne Probleme hergestellt werden konnte.
• Die Röhren 12a - 15e, enthalten in den Helices 12-15, sind in der Fig. 4 aus Vereinfachungsgründen als Kreise dargestellt, um die ungefähre Verteilung der Röhren in einem imaginären Querschnitt irgendwo in dem Wärmetauscherteil 2 in Fig. 3 zu symbolisieren. Bei einer korrekten Querschnittsfigur hätte jedes der geschnittenen Röhrenenden eine längliche gekrümmte elliptische Form längs der Helix.
• Wie vorstehend er wähnt, sollen alle Kapillarröhren in dem Wärmetauscher im Wesentlichen die gleiche Länge besitzen. Da der Druckabfall etwas mit dem abnehmenden Durchmesser der Röhrenhelix ansteigt, kann dies kompensiert werden, in dem den Röhren eine etwas kleinere Länge mit abnehmendem Helixdurchmesser gegeben wird.
• Um eine Selbstzirkulation in den sekundären Kreislauf zu erlauben, braucht der Wärmetauscher 2 außerdem eine Dimensionierung derart, dass der sekundäre Fluidfluss nicht zu sehr durch die Packung der spiralförmig gewundenen Kapillarröhren behindert wird. Dies wird erreicht dadurch, dass das Fluidvolumen umgebend die Kapillarröhren in dem Wärmetauscherteil 2 bezüglich des Fluidvolumens innerhalb der Kapillarröhren ein Verhältnis von wenigstens 2 : 1 und vorzugsweise mehr als 5 : 1 aufweist. Es gibt natürlich eine obere Grenze oberhalb der der Wärmetausch sich verschlechtert.
• Die Flussrichtung des Fluids in dem selbstzirkulierenden Kreislauf ist im Wesentlich senkrecht zu den Kapillarröhren, wodurch die spezifische Wärmetauschkapazität erhöht wird. In dem Wärmetauscher wird eine Kombination aus Wärmetausch von einer Röhre in ungestörtem Fluid und einem überlagerten aktiven Fluss benutzt und ergibt sich aus der Dichtedifferenz zwischen dem kalten und heißen Wasser an Eingang und Ausgang der sekundären Seite des Wärmetauschers sowie durch die Gesamthöhe der Röhre 10.
• In einem geeignet dimensionierten Wärmetauscher nach der Erfindung liegt der Druckabfall auf der selbstzirkulierenden Seite innerhalb des Intervalls von 30 bis 100 Pa. Der innere Druckverlust durch das Pumpen sollte wenigstens 100fach größer, vorzugsweise ungefähr 1000fach größer oder mehr sein und kann in dem Intervall von etwa 10 bis 100 kPa liegen.

Claims (10)

1. Wärmetauschereinrichtung zur Übertragung von Wärme zwischen einem ersten Fluid, das innerhalb eines Röhrensystems zirkuliert, auf ein zweites Fluid, das das Röhrensystem umgibt, in welchem Röhrensystem (2) wenigsten zwei konzentrische Schichten (12-15) von spiralförmig gewundenen Röhren (12a - 15e) in einem Raum eingeschlossen sind, der von im Wesentlichen zylindrischen Oberflächen (10-11) umgeben ist,

wobei die Röhren (12a - 15e) von kapillarem Typ sind mit einem kleinen inneren Durchmesser von weniger als 3 mm,

wobei das erste Fluid durch das Röhrensystem (2, 2a, 2b) gepumpt werden soll (3a - 4a, 3b - 4b), und

wobei der Raum so in oder in Verbindung mit einem Tank (1) angeordnet werden soll, dass das zweite Fluid durch die Wärmetauschereinrichtung durch Selbstzirkulation fließen (5a - 6a, 5b - 6b) kann.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zylindrische Oberfläche (10), die das Röhrensystem (2, 2a, 2b) umgibt, erstreckt ist, um die Selbstzirkulation zu verbessern.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Schicht von spiralförmig gewundenen Röhren (12-15) wenigstens zwei Röhren (12 a- 15e) enthält, dass alle Röhren (12a - 15e) von im Wesentlichen der gleichen Länge sind und dass die Zahl der Röhren in der entsprechenden Schicht im Durchschnitt proportional zum Durchmesser der Helix ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Fluid durch das Röhrensystem enthaltend kapillare Röhren gepumpt wird, so dass der Druckverlust längs des Röhrensystems ungefähr 10 bis 100 kPa beträgt und dass das andere Fluid selbstzirkulierend ist, so dass der Druckabfall in diesem in der Größenordnung von höchstens 100 Pa ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Durchmesser der Kapillarröhren (12a - 15e) kleiner als 5 mm ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidvolumen in dem Raum, der das Röhrensystem (2, 2a, 2b) umgibt, wenigstens doppelt und vorzugsweise fünfmal so groß ist wie das gesamte Fluidvolumen innerhalb der Röhren.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Röhrensystem (2, 2a, 2b) verbunden ist dadurch, dass alle Kapillarröhren an einem Ende des Röhrenssystems miteinander in eine Hülle gebracht werden, dass die Hülle mit Lötmittel gefüllt wird, dass die Hülle abgeschnitten wird, so dass alle Röhrenöffnungen in der Schnittfläche erscheinen, welche dann einfach mit dem Zufluss und dem Abfluss verbunden werden kann.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Schicht von spiralförmig gewundenen Röhren (12 bis 15) wenigstens eine aus einer Röhre besteht, die von einem Flansch umgeben wird und das der Flansch aus einem Draht (g) besteht, der um die Röhre (8) gewunden ist.

9. Verfahren zur Übertragung von Wärme zwischen einem ersten Fluid, das durch ein Röhrensystem zirkuliert, und einem zweiten Fluid, das das Röhrenssystem umgibt, in welchem das erste Fluid durch ein Kapillarröhrensystem gepumpt wird mit kleinem inneren Durchmesser von weniger als 3 mm, mit einem Druckabfall längs des Röhrensystems, der wenigstens 100fach größer ist als der Druckabfall längs des Röhrensystems in dem zweiten Fluid, welches selbstzirkulierend ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckfall längs des Röhrensystems in dem ersten Fluid von 10 bis 100 kPa beträgt.