DE19610593A1 - Wärmetauscher-Anordnung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Wärmetauscher-Anordnung mit einem von einem Medium zwangsdurchströmten geschlossenen Behälter und einem in den Behälter gehaltenen rohrförmigen Wärmeträger-Element, wobei ein Medium an der Außenfläche des Wärmeträger-Elements vorbeiströmt.

Es sind Wärmetauscher-Anordnungen bekannt, bei denen ein Wärmeträger-Element in einem geschlossenen Behälter aufgenommen ist, wobei der Zwischenraum zwischen dem Behälter und dem Wärmeträger-Element von dem Medium durchströmt wird, von dem bzw. auf das Wärme übertragen werden soll. Unter Wärmeträger-Element soll im Rahmen der vorliegenden Beschreibung jegliches röhren- oder stabförmige Bauteil gemeint sein, daß einen Transport von Wärme in die Wärmetauscher-Anordnung hinein bzw. aus dieser heraus gestattet. Das Wärmeträger-Element kann beispielsweise ein Heizrohr oder ein von einem strömungsfähigen Medium durchströmtes Rohr sein. Für einen guten Wärmeübergang zwischen dem Wärmeträger-Element und dem den Behälter durchströmenden Medium ist normalerweise eine große Grenzoberfläche nötig. Probleme treten indessen auf, wenn hohe Wärmeübertragungsraten auf kleinem Raum stattfinden sollen. Diese Probleme betreffen insbesondere den kontrollierten Ablauf der Wärmeübertragung von bzw. auf das Wärmeträger-Element. Als Beispiel für diesen Problemkreis seien feuergefährliche Wärmeträgermedien genannt, bei denen insbesondere bei einer Wärmeübertragung auf kleinem Raum bis an die physikalisch-chemische Grenze der Hitzebelastbarkeit gegangen wird. Unter diesen Umständen müssen die Parameter der Wärmeübertragung, wie beispielsweise Strömungsverhältnisse und Heizflächen­ belastungen, gut definierbar sein. Weitere Probleme bei bestehenden Wärmetauschern liegen in einer aufwendigen Fertigung, insbesondere der Montage der die Wärmetauscher- Anordnung bildenden Bauteile sowie in der unzureichenden Isolierung der Wärmetauscher- Anordnung nach außen, wodurch in unerwünschtem Maße Wärmeenergie verlorengeht.

Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine Wärmetauscher-Anordnung zu schaffen, die auf eine einfache Weise eine verbesserte Wärmeübertragung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche bilden die zentrale Idee der Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weiter.

Erfindungsgemäß ist also eine Wärmetauscher-Anordnung der eingangs genannten Art vorgesehen, wobei das Wärmeträger-Element wenigstens teilweise derart von einem zu ihm konzentrischen Rohr umgeben ist, daß zwischen dem Wärmeträger-Element und dem Rohr ein Ringspalt gebildet ist. Dieser Ringspalt wird von dem Medium durchströmt, auf das bzw. von dem Wärme übertragen werden soll.

Wenigstens am stromabseitigen Ende eines Raums, der zwischen dem Rohr und der Innenwand des Behälters gebildet ist, können Stauelemente vorgesehen sein, die den Strömungswiderstand für das Medium in diesem Raum erhöhen, so daß im Betrieb der Wärmetauscher-Anordnung der Druck des Mediums auf der Eintrittsseite höher ist als auf der Austrittsseite.

Diese Stauelemente können gleichzeitig die Halterung des Rohrs bezüglich des Behälters bilden.

Die Stauelemente können insbesondere auch als Kammertrennwände ausgeführt sein, d. h. sie können den Raum zwischen dem Rohr und der Innenwand des Behälters am stromab­ seitigen Ende vollständig abschließen, so daß sich in diesem Raum ein Staubereich für das Medium befindet.

Das Wärmeträger-Element kann U-förmig ausgebildet sein, wobei wenigstens ein Schenkel des U-förmigen Wärmeträger-Elements wenigstens teilweise von dem konzentrischen Rohr umgeben sein kann.

Das Wärmeträger-Element kann als Rohrheizstab ausgebildet sein, dessen elektrische Anschlüsse nach außerhalb des Behälters geführt sind.

Die Heizleistung des Rohrheizstabes kann in Bereichen, die nicht von dem Rohr umgeben sind, im Vergleich zu den von dem Rohr umgebenen Bereichen verringert sein.

Insbesondere kann die Heizleistung im Bereich des U-Bogens des U-förmigen Rohrheizstabs reduziert sein.

Es können mehrere Wärmeträger-Elemente in den Behälter parallel zueinander aufgenommen sein.

Die stromabseitigen Enden des oder der Rohre können in Abhängigkeit von der Form des U-Bogens des U-förmigen Wärmeträger-Elements mit die Strömung begünstigenden Anordnungen ausgebildet bzw. versehen sein.

Der Raum zwischen dem Rohr und der Innenwand des Behälters kann einen Isolationsraum bilden, der insbesondere Wärmestrahlung aus dem Ringspalt und von dem Rohr aufnimmt.

Die Wirkung der Erfindung läßt sich noch verbessern, wenn mehrere Rohr konzentrisch zueinander um das Wärmeträger-Element herum angeordnet sind.

In diesem Fall können die Stauelemente jeweils wenigstens am stromabseitigen Ende der konzentrischen Rohre so vorgesehen und/oder ausgebildet sein, daß die dadurch geschaffenen Strömungsverhältnisse zwischen den konzentrischen Rohren eine maximale Isolationswirkung schaffen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen bezugnehmend auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Längsschnitt-Ansicht einer Wärmetauscher-Anordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine Stirnansicht der Anschlußseite der erfindungsgemäßen Wärmetauscher- Anordnung;

Fig. 3 eine besonders vorteilhafte Ausführung eines Wärmeträger-Elementes zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Wärmetauscher-Anordnung; und

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wärmetauscher- Anordnung.

Bezugnehmend zuerst auf Fig. 1 ist eine Wärmetauscher-Anordnung zu sehen, bei der ein geschlossener Behälter 1 von einem Medium unter Druck zwangsdurchströmt wird. Das Medium tritt an einem Eingang 2 in den geschlossenen Behälter 1 ein und an einem Ausgang 3 aus diesem aus. In dem geschlossenen Behälter 1 ist ein Wärmeträger-Element 16 angeordnet, das an seiner Außenseite von dem Medium 2 angeströmt wird. Die Wärmeübertragung findet also über die Wandung des Wärmeträger-Elementes 16 statt. In dem dargestellten Beispiel ist das Wärmeträger-Element 16 als U-förmiger Rohrheizstab 10 ausgebildet. Indessen sind auch andere geläufige Ausführungen für Wärmeträger- Elemente verwendbar, beispielsweise wie sie bezugnehmend auf Fig. 4 erklärt werden. Die Anschlüsse 4 des Rohrheizstabes 10 sind wie gezeigt nach außerhalb des Behälters 1 herausgeführt.

Die Abschlußdeckel auf beiden Seiten des Behälters 1 können in bekannter Weise befestigt werden, beispielsweise durch Verschweißen oder Verschrauben.

In dem in Fig. 1 und 3 dargestellten Rohrheizstab 10 ist ein Heizdraht 12 vorgesehen, dessen Heizleistung an den entsprechenden Abschnitten des Rohrheizstabs 10 durch die Dichte der Drahtwindungen bestimmt ist. Wie in Fig. 1 und 3 zu sehen ist, ist der Heizdraht 12 im Bereich der Anschlüsse 4 sowie im Bereich des U-Bogens 19 im wesentlichen gestreckt ausgeführt, so daß die Heizleistung in diesem Bereich im Vergleich zu dem der Schenkel 13 verringert ist, in denen der Heizdraht 12 stark gewendelt ist.

Wie in Fig. 1 weiterhin zu sehen ist, ist ein Temperatursensor 14 vorgesehen, der insbesondere die Temperatur an der Ausgangsseite der Wärmetauscher-Anordnung erfaßt.

Die Schenkel 13 des U-förmigen Rohrheizstabes 10 sind von einem jeweiligen Hüllrohr 8 umgeben, wobei zwischen dem Hüllrohr 8 und dem Rohrheizstab 10 ein Ringspalt 9 gebildet ist, durch den das Medium von dem Eingang 2 her zu dem Ausgang 3 strömen kann. Im Bereich des stromabseitigen Endes 17 ist das Hüllrohr 8 durch Halterungen 7 fest mit der Wand des Behälters 1 verbunden. In dem in Fig. 1 dargestellten Aus­ führungsbeispiel der Erfindung sind diese Halterungen 7 so ausgebildet, daß sie den Raum 5 zwischen dem Hüllrohr 8 und der Wand des Behälters 1 dicht verschließen. Somit staut sich das Medium 2 in diesem Raum 5.

Diese Konstruktion ermöglicht es, daß beim Betrieb der Wärmetauscher-Anordnung der Druck im Bereich des Eingangs 2 höher liegt als im Bereich des Ausgangs 3. Die Parameter der Wärmeübertragung von dem Medium auf das Wärmeträger-Element 16 bzw. umgekehrt, sind durch eine geeignete Wahl des Durchmessers der Rohre 8 bezüglich dem Durchmesser des Wärmeträger-Elements 16, hier des Rohrheizstabs 10, bzw. des Behälters 1 sowie die Anordnung und Ausbildung der Halterungen 7 bestimmt. Durch eine geeignete Wahl lassen sich somit zufriedenstellend definierte Strömungsverhältnisse und Heizflächenbelastungen erreichen. Beispielsweise kann die Strömung so beeinflußt werden, daß die Strömung in dem Ringspalt 9 turbulent ist. Insbesondere die Art der Halterungen 7 ermöglicht weiterhin eine Rationalisierung und Verbilligung der Fertigung der Wärmetauscher-Anordnung durch die Möglichkeit der Verwendung von vorgefertigten Teilen in dem Behälter 1. Als Mittel zur Begünstigung einer turbulenten Strömung im Ringspalt 9 sind wendelförmige Rippen oder Prägungen des Rohrs 8 denkbar, die sich am Wärmeträger-Element 16 abstützen, oder Noppen und/oder Vorsprünge; hierdurch wird ferner die konzentrische Lage begünstigt.

Alternativ ist es möglich, wenigstens teilweise zusätzlich zu dem Hüllrohr 8 weiter Rohre konzentrisch um dieses herum anzuordnen. In den zwischen diesen Rohren gebildeten weiteren Ringspalten können Strömungshindernisse, beispielsweise in der Art der Halterungen 7 vorgesehen sein. Diese können dahingehend optimiert werden, daß die Strömungs- und Wärmeübergangsverhältnisse sich so einstellen, daß die Summe der Temperaturgradienten an den Wärmeübergangsflächen minimiert wird. Somit kann ein geringstmöglicher Wärmeverlust durch Wärmestrahlung erreicht werden.

Wenn alternativ zu dem dargestellten Fall das Wärmeträger-Element als von einem Medium durchströmtes Rohr ausgebildet ist, erlaubt dessen U-förmige Ausbildung, daß an einem Schenkel des "U" ein Wärmeübergang im Gegenstrom und an dem anderen Schenkel eine Wärmeübertragung im Gleichstrom erfolgen kann. Das Medium kann auch zum Abkühlen des durch den Behälter 1 strömenden Mediums dienen.

Wie in Fig. 2 in einer schematischen Stirnsicht dargestellt ist, können auch mehrere der Wärmeträger-Elemente 16 radial zueinander ausgerichtet und parallel zueinander verlaufend in dem Behälter 1 vorgesehen sein. Alternativ können mehrere Wämeträger- Elemente seriell in dem Behälter 1 angeordnet sein.

Fig. 3 zeigt in einer Detailansicht den Rohrheizstab 10. Wie dabei gut zu sehen ist, ist dabei die Heizleistung durch eine entsprechende Wendelung des Heizdrahts 12 so ausgelegt, daß sie in Bereichen, die nicht von dem Rohr 8 umgeben sind, niedriger ist als in den Bereichen 13, die von dem Rohr 8 umgeben sind.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist es, daß der Stauraum 11 des eingangsseitigen Raums 5 einen Isolationsraum darstellt, der eine unerwünschte Wärmeabstrahlung von den Hüllrohren 8 bzw. von dem Ringspalt 9 her aufnimmt.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. In diesem Fall ist das Wärmeträger-Element 16 als gerades Rohr 21 ausgebildet, durch das ein Medium im Gegen- oder Gleichstrom zum Fluß des Mediums außerhalb des Rohrs 21 strömen kann. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind zwischen dem Rohr 8 und dem Behälter 1 an dem stromabseitigen Ende 17 Stauelemente 15 vorgesehen, die gezielt die Strömungsverhältnisse in dem Ringspalt 9 bzw. durch den Zwischenraum 11 zwischen dem Rohr 8 und dem Behälter 1 beeinflussen. Indessen können auch stromaufseitig zu den Stauelementen 15 weitere Stauelemente 20 vorgesehen sein.

Die stromabseitigen Enden der Rohre 8 können mit die Strömung begünstigenden Anordnungen 18 versehen bzw. selbst strömungsgünstig ausgeformt sein. Die Form der strömungsbegünstigenden Anordnungen 18 kann insbesondere abhängig von der Form des Wärmeträger-Elements 16 beispielsweise abhängig von dem Radius der Biegung 19 des Rohrheizstabs 10 von Fig. 1 ausgestaltet sein.

Wie oben ausgeführt, ermöglicht somit die Erfindung in einfacher und kostengünstiger Weise eine Optimierung der Strömungs- und Wärmeübertragungsverhältnisse in einer Wärmetauscher-Anordnung durch eine geeignete Wahl des Rohres 8 sowie der Stauelemente 15 bzw. trennenden Halterungen 7.

Claims (13)

1. Wärmetauscher-Anordnung mit einem zwangsdurchströmten geschlossenen Behälter (1) und einem in dem Behälter (1) gehaltenen rohrförmigen Wärmeträger-Element (16), wobei ein Medium an der Außenfläche des Wärmeträger-Elements (16) vorbeiströmt, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeträger-Element (16) wenigstens teilweise derart von einem zu ihm konzentrischen Rohr (8) umgeben ist, daß zwischen dem Wärmeträger-Element (16) und dem Rohr (8) ein Ringspalt (9) gebildet ist, der von dem Medium durchströmt wird.

2. Wärmetauscher-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens am stromabseitigigen Ende (17) eines Raums (11), der zwischen dem Rohr (8) und der Innenwand des Behälters (1) gebildet ist, Stauelemente (15) vorgesehen sind, die den Strömungswiderstand für das Medium in diesem Raum (11) erhöhen, so daß im Betrieb der Druck des Mediums auf der Eintrittsseite (2, 5) höher ist als auf der Austrittsseite (3, 6).

3. Wärmetauscher-Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stauelemente (15) gleichzeitig die Halterung des Rohrs (8) bezüglich des Behälters (1) bilden.

4. Wärmetauscher-Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stauelemente als Kammertrennwände (7) ausgeführt sind, die den Raum (11) am stromabseitigen Ende (17) vollständig abschließen.

5. Wärmetauscher-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeträger-Element (16) U-förmig ausgebildet ist und wenigstens ein Schenkel des U-förmigen Wärmeträger-Elementes (16) wenigstens teilweise von dem konzentrischen Rohr (8) umgeben ist.

6. Wärmetauscher-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeträger-Element ein Rohrheizstab (10) ist, dessen elektrische Anschlüsse (4) nach außerhalb des Behälters (1) geführt sind.

7. Wärmetauscher-Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleistung des Rohrheizstabs (10) in Bereichen, die nicht von dem Rohr (8) umgeben sind, im Vergleich zu den von dem Rohr (8) umgebenen Bereichen (13) reduziert ist.

8. Wärmetauscher-Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleistung im Bereich des U-Bogens (19) des U-förmigen Rohrheizstabs (10) reduziert ist.

9. Wärmetauscher-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Wärmeträger-Elemente (16) in dem Behälter (1) parallel zueinander geführt sind.

10. Wärmetauscher-Anordnung nach Anspruch 5 und einem der Ansprüche 6 bis 9, wenn rückbezogen auf Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die stromabseitigen Enden des/der Rohre (8), beispielsweise in Abhängigkeit von der Form des U-Bogens des U-förmigen Wärmeträger-Elementes (16), mit die Strömung begünstigenden Anordnungen (18) ausgebildet sind.

11. Wärmetauscher-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum (11) zwischen dem Rohr (8) und der Innenwand des Behälters (1) einen Isolationsraum bildet, der insbesondere Wärmestrahlung aus dem Ringspalt (9) und von dem Rohr (8) aufnimmt.

12. Wärmetauscher-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Rohre (8) konzentrisch zueinander um das Wärmeträger-Element (16) herum angeordnet sind.

13. Wärmetauscher-Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Stauelemente (15) wenigstens am stromabseitigen Ende der konzentrischen Rohre (8) so vorgesehen sind, daß die dadurch geschaffenen Strömungsverhältnisse eine maximale Isolationswirkung schaffen.