Gebiet der Erfindung
[0001] Das Gebiet der Erfindung betrifft die erneuerbaren Energien, insbesondere die Effizienzsteigerung
bei der Gewinnung von erneuerbaren Energien durch die Verringerung der Abgabe von
Prozessabwärme an die Umgebung.
Stand der Technik
[0002] Konventionelle Kraftwerke, basierend auf den fossilen Energieträgern Kohle, Erdöl,
Erdgas und Kernbrennstoff, entlassen die bei ihrem Betrieb entstehende Prozessabwärme
in der Regel ungenutzt über Kühltürme in die Umgebung. Sie erreichen daher nur Wirkungsgrade
von unter 40 %, ältere Kohlekraftwerke sogar unter 20 %.
[0003] Der weltweit notwendige Übergang zu einer emissionsfreien Energiewirtschaft erfordert
nicht nur den Übergang zu erneuerbaren Energieträgern (Solarwärme, Biogas, Stroh,
Holz), sondern auch eine Effizienz-Revolution: Der Wirkungsgrad von Kraftwerken, die
auf erneuerbaren Energieträgern basieren, muss im Vergleich zu konventionellen Kraftwerken
drastisch gesteigert werden. Dazu müssen die Prozesse bei höheren Temperaturen, d.
h. im Hochtemperatur(HT)-Bereich (> 800 °C, bevorzugt bis 1100 °C), und mit großen
Temperaturdifferenzen geführt werden, entstehende Prozessabwärme muss optimal genutzt
werden. Dynamische Speicher für große Mengen erneuerbarer Energie sind erforderlich,
wobei neben den begrenzt verfügbaren mechanischen (z. B. Pumpspeicherwerke, Druckluftspeicher)
und chemischen Speichern (kostenintensive Batterien) auch Speicher für thermische
Energie benötigt werden, die zur Rückführung dieser thermischen Energie in Kraftwerksprozesse
geeignet sind.
[0004] Für die dabei zu gewährleistende Energieübertragung zwischen verschiedenen Medien
sind effiziente, langlebige und robuste Wärmeübertrager (WÜ), dem Fachmann auch unter
dem Begriff Wärmetauscher bekannt, erforderlich.
[0005] In Wärmeübertragern strömen zwei Fluide F1, F2 mit unterschiedlicher Anfangstemperatur
in direkt benachbarten Kammern, die durch eine hochwärmeleitende Trennwand, z. B.
eine metallische Trennwand, getrennt sind. Dabei wird Wärmeenergie von dem Fluid höherer
Temperatur über die hochwärmeleitfähige Trennwand auf das Fluid niedrigerer Temperatur
übertragen. Der Begriff "Fluid" umfasst in dieser Anmeldung Gase, Flüssigkeiten und
überkritische Medien.
[0006] Dem Fachmann sind WÜ in einer Vielzahl von Bauweisen bekannt, z. B. Rohrbündel-WÜ,
Platten-WÜ, Spiral-WÜ, Doppelrohr-WÜ. Die Komponenten dieser in der Regel aus metallischen
Werkstoffen bestehenden WÜ werden konstruktionsbedingt ungleichmäßig thermisch belastet.
Daraus resultieren thermische Spannungen, die ihre obere Einsatztemperatur auf unter
800 °C begrenzen, sodass sie nicht für den HT-Bereich geeignet sind.
[0007] Für den HT-Bereich sind derzeit nur WÜ bekannt, die in komplexer Bauweise nichtmetallische
Bauteile, z. B. aus keramischen und/oder Glasfaser-Werkstoffen, und metallische Bauteile
kombinieren. Diese Hochtemperatur-Wärmeübertrager (HT-WÜ) weisen im Regelbetrieb eine
hohe Ausfallquote aufgrund von Schäden durch thermische Spannungen auf. Zudem haben
keramische und Glasfaser-Werkstoffe in der Regel eine im Vergleich zu Metallen geringe
Wärmeleitfähigkeit, was für den Einsatz als Wärmeübertrager nachteilig ist. Spezialkeramiken
mit hoher Wärmeleitfähigkeit, z. B. auf Basis von SiC und AIN, sind verfügbar, aber
sehr teuer. Ferner ist die Bearbeitung dieser Werkstoffe im Vergleich zu Metallen
wesentlich aufwendiger. Ihre Verwendung ist daher unwirtschaftlich.
[0008] Die Effizienz der Wärmeübertragung wird außerdem durch die Abmessungen der Kammern,
in denen die Fluide F1 und F2 unterschiedlicher Temperaturen
T1 und
T2 strömen, begrenzt, insbesondere wenn eine laminare oder nahezu laminare Strömung
vorliegt. Da nämlich Fluide in der Regel eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen,
erfolgt nur eine langsame Wärmeübertragung quer zur Strömungsrichtung. Bei bekannten
Doppelrohr-WÜ, aufweisend ein Innenrohr und ein konzentrisch dazu verlaufendes Außenrohr,
führt das im Fall
T1 <
T2 dazu, dass das im Innenrohr strömende Fluid (Fluid F2) zwar Wärmeenergie aus seinen
äußeren, zur hochwärmeleitfähigen Trennwand benachbarten, Schichten effizient auf
das jenseits der Trennwand strömende Fluid (Fluid F1) überträgt, dass aber nur langsam
Wärmeenergie aus den Bereichen nahe der Rohrachse nachströmt. Entsprechendes gilt
auch für einen umgekehrten Wärmestrom, d. h. den Fall
T1 >
T2. Damit ein solcher Doppelrohr-WÜ effizient arbeitet, muss er geringe Rohrdurchmesser
in der Größenordnung von 1 cm aufweisen.
[0009] In industriellen Prozessen kommen jedoch Prozesskammern mit großen Durchmessern zum
Einsatz, in Wärmekraftwerken z. B. Brennkammern mit einem unmittelbar damit verbundenen,
darüber angeordneten Abzugsschacht, in chemischen Betrieben z. B. mit Über- oder Unterdruck
beaufschlagte Reaktionskammern, die mit einem geschlossenen Rohrleitungssystem verbunden
sind. Eine effiziente Übertragung von Wärmeenergie aus einem in der Prozesskammer
annähernd laminar strömenden Fluid F2 an ein Fluid F1, nachfolgend wieder erläutert
für
T1 <
T2, das in einer die Prozesskammer umgebenden, zylinderringartigen Kammer strömt, ist
nicht möglich. Anstelle eines erwünschten homogenen Temperaturfeldes (annähernd konstante
Temperatur auf (gedachten) Schnittflächen quer zur Strömungsrichtung) baut sich ein
Temperaturgefälle auf mit maximaler Temperatur im Bereich der Achse der Prozesskammer.
Entsprechend baut sich im Falle
T1 >
T2 ein Temperaturgefälle mit minimaler Temperatur im Bereich der Achse der Prozesskammer
auf. Es wäre denkbar, die Wärmeübertragung durch Konvektion zu verstärken, indem das
Fluid F2 in Turbulenz versetzt wird, jedoch wäre das energieaufwendig und damit unwirtschaftlich.
[0010] Es ist aus dem Stand der Technik kein WÜ bekannt, der eine effiziente Wärmeübertragung
aus dem gesamten Volumen eines in einer rohrförmigen inneren Kammer mit großem Durchmesser
strömenden Fluids F2 an ein Fluid F1, das in einer die innere Kammer zylinderringartig
umgebenden äußeren Kammer strömt, gewährleistet. Als große Durchmesser werden in dieser
Anmeldung Durchmesser ab ca. 10 cm bis hin zu mehreren Metern definiert.
Aufgabe der Erfindung
[0011] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen HT-WÜ bereitzustellen,
der eine einfache Konstruktion aufweist, eine effiziente Wärmeübertragung (hohe Wärmestromdichte)
zwischen zwei in räumlich getrennten Kammern strömenden Fluiden F1 und F2 gewährleistet,
wobei mindestens eine der Kammern eine große Abmessung (ca. 10 cm oder größer) quer
zur Strömungsrichtung aufweist, der für den Betrieb im HT-Bereich bis 1100 °C geeignet
ist und dabei eine hohe Robustheit, Zyklenfestigkeit (Temperaturwechselbeständigkeit)
und Lebensdauer aufweist. Der HT-WÜ soll für industrielle Anlagen, insb. Kraftwerksanlagen
und chemische Reaktoren, geeignet sein. Er soll aus Werkstoffen aufgebaut sein, deren
Kosten für den jeweiligen Anwendungsfall vertretbar sind.
Erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe
[0012] Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch einen Radial-Kreuzstrom-Wärmeübertrager
(R-KS-WÜ) mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und den zugehörigen Unteransprüchen, durch
seine besonderen Ausführungsformen als integrierter Wärmeübertrager und als Stand-Alone-Wärmeübertrager
mit den Merkmalen der Ansprüche 7 bis 9 sowie durch eine modulare Wärmeübertrager-Einheit
mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
Detaillierte Beschreibung der erfindungsgemäßen Lösung
Aufbau des R-KS-WÜ
[0013] Der erfindungsgemäße R-KS-WÜ 10 ist in Fig. 1 schematisch in isometrischer Projektion
gemäß DIN ISO 5456-3 und in Fig. 2a-c in Seitenansicht dargestellt, wobei Fig. 2a
die Komponenten, Fig. 2b und 2c die Bemaßungen wiedergeben. Er weist ein Außenrohr
AR auf, das in Form eines Zylindermantels ausgeführt ist und dessen Durchmesser
D, wie in Ausführungsbeispiel 1 erläutert wird, entsprechend der Geometrie einer Anlage,
in welcher der R-KS-WÜ installiert und verwendet werden soll, gewählt wird. Der bevorzugte
Durchmesser
D des Außenrohrs AR liegt im Bereich 0,3 m ≤
D ≤ 2,0 m, wenn der R-KS-WÜ als Stand-Alone-Wärmeübertrager (SA-WÜ) ausgeführt ist,
und im Bereich 1,5 m ≤
D ≤ 10 m, wenn der R-KS-WÜ als integrierter Wärmeübertrager (I-WÜ) ausgeführt ist.
Bevorzugt ist der Bereich 2,5 m ≤
D ≤ 4 m. Die Höhe
H des Außenrohrs AR ist aus dem Bereich
0,4 D ≤
H ≤ 1,8
D zu wählen.
[0014] Das Außenrohr AR der Höhe
H weist zwei Abschnitte gleicher Höhe
H/2 auf, die nachfolgend als Außenringe AR
1 und AR
2 bezeichnet werden. Eine Aufteilung in Abschnitte unterschiedlicher Höhen
H1, H2 mit
H1 +
H2 =
H wäre möglich, ist jedoch unzweckmäßig und wird nicht näher beschrieben.
[0015] Die Außenringe AR
1 und AR
2 weisen jeweils eine Reihe R
1 bzw. R
2 mit mehreren schlitzförmigen Öffnungen S
A1 bzw. S
A2 der Länge
L1 bzw.
L2 auf, die bis in die Nähe der Oberkante und der Unterkante der Außenringe reichen.
Bevorzugt sind wiederum gleiche Längen
L1 =
L2 =
L und gleichgroße Abstände
a von der Ober- und Unterkante der Außenringe. Die Öffnungen S
1, S
2 können insbesondere die Form eines langgestreckten Rechtecks haben oder aber als
Langlöcher, bei denen die Schmalseiten des Rechtecks durch Halbkreise ersetzt sind,
ausgeführt sein. Ein erstes Fluid F1 ist über die Öffnungen S
A1 zuführbar und über die Öffnungen S
A2 abführbar. Vorzugsweise sind die Öffnungen S
A1, S
A2 äquidistant über den Umfang der Außenringe AR
1, AR
2 verteilt, weisen also, von der Zylinderachse aus gesehen, äquidistante Winkelabstände
auf. Variable Winkelabstände wären möglich, verkomplizieren den Aufbau aber unnötig
und beeinträchtigen im Betrieb des R-KS-WÜ auch die Homogenität des Strömungsprofils
eines in Achsrichtung strömenden zweiten Fluids F2. Vorzugsweise weisen beide Außenringe
auch dieselbe Anzahl
N, Form und Anordnung der Öffnungen S
A1, S
A2 auf, sodass sie komplett identisch ausgeführt sind. Dabei können zwei Öffnungen S
A1 und S
A2 genau nebeneinander stehen, sie können aber auch, wie in Fig. 1 beispielhaft dargestellt,
einen beliebigen Versatz <
πD/
N relativ zueinander aufweisen.
[0016] Auf der Außenseite des Außenrohrs AR sind, wie in Fig. 2a und 2b erkennbar, Umlenkrippen
ULR aufgesetzt, die dazu dienen, das parallel zur Achse A des R-KS-WÜ zuströmende
erste Fluid F1 den Öffnungen S
A1 zuzulenken und das aus den Öffnungen S
A2 ausströmende erste Fluid F1 wieder in eine Richtung parallel zur Achse A des R-KS-WÜ
zurückzulenken. Die Umlenkrippen ULR haben somit die Funktion von Leitschaufeln.
[0017] Ferner weist der R-KS-WÜ eine zylindrisch, also rohrförmig, ausgeführte Umlenkkammer
U mit dem Durchmesser
d auf. Der Durchmesser
d der Umlenkkammer ist kleiner, als der Durchmesser
D des Außenrohrs AR. Sie befindet sich, wie Fig. 1 zeigt, im Inneren des Außenrohres
AR und ist konzentrisch zu diesem gelagert, sodass die Anordnung eine Symmetrieachse,
nachfolgend als Achse A bezeichnet, erhält. Der Durchmesser
d der Umlenkkammer ist aus dem Bereich (
D - 0,7 m) ≤
d ≤ (
D - 0,2 m) zu wählen.
[0018] Die Umlenkkammer U ist im Gegensatz zum Außenrohr AR nicht als Zylindermantel, sondern
als beidseitig geschlossener Hohlzylinder mit einem Zylindermantel Z
U und Verschlüssen G
U an seiner Grundfläche und D
U an seiner Deckfläche ausgeführt. In Fig. 2a ist die verdeckte Umlenkkammer U mit
den Verschlüssen G
U und D
U durch eine Strichpunktlinie gekennzeichnet. Die Höhe dieser Anordnung (Umlenkkammer
U mit den Verschlüssen G
U und D
U) entspricht der Höhe
H des Außenrohrs AR. (In Fig. 1 ist der Verschluss G
U weggelassen, um in das Innere der Umlenkkammer U blicken zu können.) Die Verschlüsse
können in Form von kreisförmigen Platten, z. B. als Blindflansche, ausgeführt sein.
Es ist vorteilhaft, den Verschlüssen statt einer ebenen Form eine strömungsdynamisch
günstige Form zu geben, sie also statt als Platten als nach außen gewölbte Paraboloide
auszuführen. Der Zylindermantel Z
U ist mit zwei Reihen von schlitzförmigen Öffnungen S
U1, S
U2 ausgestattet, die dieselbe Länge
L und, bezogen auf die Achse A der Umlenkkammer U, dieselben Winkelabstände wie die
Öffnungen S
A1, S
A2 der Außenringe AR
1 und AR
2 haben. Die beiden Reihen der Öffnungen S
U1, S
U2 verlaufen parallel zueinander in einem Abstand von 2
a. Ihr Abstand zur Grund- bzw. Deckfläche der Umlenkkammer U beträgt jeweils
a. Die Breite
BU dieser Öffnungen wird durch ihre Anzahl
N und durch den Umfang
πd der Umlenkkammer U bestimmt. Aus Gründen der mechanischen Stabilität soll die summierte
Breite aller Öffnungen nur den halben Umfang der Umlenkkammer U erreichen. Somit ergibt
sich für die Breite
BU der Öffnungen S
U1, S
U2 ein oberer Grenzwert
BU =
πd/2
N. Kleinere Breiten sind möglich, sollten jedoch nicht unterhalb von
BU =
πd/4
N liegen.
[0019] Die Umlenkkammer U ist so im Inneren der Anordnung mit den Außenringen AR
1 und AR
2 positioniert, dass sich die erste Reihe ihrer Öffnungen S
U1 in einer Ebene, d. h. auf gleicher Höhe, mit den Öffnungen S
A1 des ersten Außenrings AR
1, die zweite Reihe ihrer Öffnungen S
U2 in einer Ebene, d. h. auf gleicher Höhe, mit den Öffnungen S
A2 des zweiten Außenrings AR
2 befindet. Vorzugsweise sind die Öffnungen S
U1, S
U2 in beiden Reihen äquidistant über den Umfang der Umlenkkammer U verteilt.
[0020] Jede Öffnung S
U1 wird über ein als Hohlkörper ausgebildetes Wärmeübertrager-Element (nachfolgend:
WÜ-Element) WE
1 mit einer Öffnung S
A1 verbunden. Ebenso wird jede Öffnung S
U2 über ein als Hohlkörper ausgebildetes WÜ-Element WE
2 mit einer Öffnung S
A2 verbunden. Dazu wird das WÜ-Element WE
1 bzw. WE
2 als Hohlkörper ausgeführt, dessen innere Abmessungen an die Abmessungen der Öffnungen
S
A1, S
A2, S
U1, S
U2 angepasst sind. Die Länge des Querschnitts der WÜ-Elemente stimmt mit der Länge
L dieser Öffnungen überein. Die Breite
BWE ihres Querschnitts wird aus dem Bereich 3 mm ≤
BWE ≤ 20 mm gewählt. Dabei ist es möglich, die Breite
BWE des Querschnitts auf der Länge des WÜ-Elements zu verändern. Aus Platzgründen sollte
das WÜ-Element nahe der Umlenkkammer U einen Querschnitt mit geringer Breite
BWE aufweisen, welcher mit wachsender Entfernung von der Umlenkkammer U, d. h. nach außen
hin, vergrößert werden kann. Die Form des Querschnitts wird dabei von einem langgestreckten
Rechteck mit ggf. abgerundeten Ecken in ein Oval oder einen Kreis erweitert. Die Wandstärke
der WÜ-Elemente liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 0,5 mm und 2,5 mm. Den genauen
Wert für die Wandstärke wählt der Fachmann anhand der im Betrieb des R-KS-WÜ zu erwartenden
Druckdifferenzen zwischen den Fluiden F1 und F2 aus.
[0021] Die Wände des Außenrohrs AR und der Umlenkkammer sind gegenüber den Wänden der WÜ-Elemente
weniger stark an der Wärmeübertragung beteiligt und können deshalb mit höherer Wandstärke
ausgeführt werden. Vorzugsweise liegen die Wandstärken des Außenrohres AR und der
Umlenkkammer U im Bereich zwischen 1 mm und 5 mm. Auch hier wählt der Fachmann den
genauen Wert anhand der zu erwartenden Betriebsbedingungen, insbesondere der zu erwartenden
Druckdifferenzen und Temperaturen, aus.
[0022] Für eine effiziente Wärmeübertragung sind möglichst geringe Wandstärken für die WÜ-Elemente
zu wählen. Das Außenrohr AR und die Umlenkkammer U sind nicht so stark an der Wärmeübertragung
beteiligt und können deshalb mit höherer Wandstärke versehen werden.
[0023] Die bandförmigen WÜ-Elemente können auf dem kürzestem Weg, also geradlinig, von einer
Öffnung S
U1 bzw. S
U2 zur nächstliegenden Öffnung S
A1 bzw. S
A2 geführt werden. Bevorzugt sind sie aber schaufelförmig gebogen und werden zu einer
auf dem Außenring versetzten Öffnung S
A1 bzw. S
A2 geführt. Die Vorteile dieser schaufelförmigen Ausführung werden in Ausführungsbeispiel
1, Abschnitt 1b), erläutert. Die schaufelförmige Biegung der WÜ-Elemente folgt einem
Kreisbogen. Er beschreibt einen Teilkreis, dessen Größe ρ aus dem Bereich 100° bis
200° zu wählen ist. Der Schaufeldurchmesser
S, definiert durch den Durchmesser des Kreises, zu dem der vom Schaufelquerschnitt
beschriebene Kreisbogen gehört, wird aus dem Bereich 0,6·(
D -
d) ≤
S ≤ 0,9·(
D -
d) gewählt. Anstelle eines Kreisbogens kann auch eine von der Kreisform abweichende
Geometrie gewählt werden, z.B. kann eine spiralförmige Biegung der WÜ-Elemente erfolgen.
Die durch die WÜ-Elemente WE
1, WE
2 übertragene Wärmemenge kann erhöht werden, wenn die WÜ-Elemente als Flossenrohre
ausgeführt werden, d. h. flossenähnliche flächige Strukturen außen auf die WÜ-Elemente
WE
1, WE
2 aufgesetzt werden. Flossenrohre sind dem Fachmann bekannt. Eine weitere, bevorzugte,
Möglichkeit, die übertragene Wärmemenge zu erhöhen, besteht in der Verwendung von
Rippenelementen, z. B. Wellrippen, die zwischen benachbarten WÜ-Elementen WE
1 und/oder WE
2 eingebaut werden. Geeignet sind auch sogenannte Lamellengitter, die sich kreuzende
Rippenelemente aufweisen. Der Einbau von Rippenelementen wird in Ausführungsbeispiel
1, Abschnitt 1b), näher erläutert.
[0024] Fig. 3, eine Frontansicht auf den Außenring AR
1 mit den WÜ-Elementen WE
1, zeigt für ein ausgewähltes kreisbogenförmiges WÜ-Element WE
1* den zugehörigen Schaufeldurchmesser 5 und den Teilkreis ρ sowie beispielhaft eine
einzelne Wellrippe WR. Die senkrecht zur Zeichenebene gerichtete Achse A ist durch
einen Punkt symbolisiert.
[0025] Die Anzahl
N der schaufelförmigen WÜ-Elemente, die mit einem Außenring zu verbinden sind, wird
durch den Durchmesser
d der Umlenkkammer U begrenzt. Sie ist aus dem Bereich 50·
d/[m] ≤
N ≤ 150·
d/[m] zu wählen, wobei für
d die Angabe in Metern einzusetzen ist. An den Außenring AR
1 werden somit
N WÜ-Elemente WE
1 und an den Außenring AR
2 N WÜ-Elemente WE
2 angeschlossen. Dadurch wird ein erster Strömungsweg von den Öffnungen S
A1 des ersten Außenrings AR
1 durch die WÜ-Elemente WE
1, die erste Reihe der Öffnungen S
U1 der Umlenkkammer U, die Umlenkkammer U, die zweite Reihe der Öffnungen S
U2 der Umlenkkammer, die WÜ-Elemente WE
2 zu den Öffnungen S
A2 des zweiten Außenrings AR
2 gebildet, in welchem das erste Fluid F1 strömbar ist.
[0026] Die schaufelförmigen WÜ-Elemente WE
1 und WE
2 können in die gleiche Richtung gebogen sein, sie können aber, in einer bevorzugten
Ausführungsform, auch in entgegengesetzte Richtungen gebogen sein. Bei Biegung in
entgegengesetzte Richtungen wird eine günstigere Strömungsführung erzielt, da der
Drall der Strömung, bezogen auf das Außenrohr AR und die Umlenkkammer U, beibehalten
wird. Die schaufelförmige Ausführung der WÜ-Elemente WE
1 und WE
2 hat mehrere technische vorteilhafte Wirkungen, die in Ausführungsbeispiel 1, Abschnitt
1b), näher erläutert werden.
[0027] Durch das Außenrohr AR wird ein zweiter Strömungsweg, in welchem das zweite Fluid
F2 strömbar ist, vorgegeben, welcher parallel zur gemeinsamen Achse des Außenrohrs
AR und der konzentrisch positionierten Umlenkkammer U durch die Zwischenräume zwischen
den WÜ-Elementen WE
1 und WE
2 verläuft und durch die Innenwand des Außenrohrs AR begrenzt ist.
[0028] Ein solcher abgegrenzter Strömungsweg muss auch für die Zuleitung und Ableitung des
ersten Fluids F1 bereitgestellt werden. Dazu ist es erforderlich, ein Hüllrohr HR
mit einem Durchmesser
DHR bereitzustellen, der größer ist als der Durchmesser
D des Außenrohrs AR. Bevorzugt wird der Hüllrohrdurchmesser
DHR aus dem Intervall 1,05
D < DHR < 1,3
D gewählt. Das Hüllrohr HR und das Außenrohr AR begrenzen dann einen zylinderringartigen
Raum mit einem kreisringförmigen Querschnitt. Dieser zylinderringförmige Raum, nachfolgend
als Außenhülle AH bezeichnet, bildet den Strömungsweg für die Zuleitung und Ableitung
des ersten Fluids F1.
[0029] Zwei wesentlich verschiedene Ausführungsformen sind zu unterscheiden:
- 1. Der R-KS-WÜ wird mit einer technischen Anlage verbunden, die eine zylindrische
Wand aufweist. Dazu wird der Durchmesser seines Außenrohres AR so gewählt, das er
mit dem Durchmesser der zylindrischen Wand übereinstimmt. Das Außenrohr AR wird, z.
B. über eine Flanschverbindung, dicht mit der zylindrischen Wand verbunden, sodass
es diese verlängert. Der verlängerte Bereich kann mit einem R-KS-WÜ oder einer Reihenschaltung
aus mehreren R-KS-WÜ ausgestattet werden. Um einen räumlich begrenzten Strömungsweg
für das erste Fluid F1 zu schaffen, wird ein zur zylindrischen Wand konzentrisches
Hüllrohr HR bereitgestellt, das eine gemeinsame zweite, äußere Wand für die Anlage
und für den verlängerten Bereich mit dem R-KS-WÜ bzw. der Reihenschaltung aus mehreren
R-KS-WÜ bildet. Solche mit einer bestehenden Anlage verbundenen R-KS-WÜ werden nachfolgend
als integrierte Wärmeübertrager (I-WÜ) bezeichnet und in Ausführungsbeispiel 1 detailliert
beschrieben.
- 2. Der R-KS-WÜ wird als anlagenunabhängiger Wärmeüberträger mit einem Außenrohr AR
und einem Hüllrohr HR ausgestattet. Ein solcher R-KS-WÜ, der nicht in eine bestehende
Anlage integriert ist, wird nachfolgend als Stand-Alone-Wärmeübertrager (SA-WÜ) bezeichnet
und in Ausführungsbeispiel 2 detailliert beschrieben. Er kann für einen Volumenstromdurchsatz
von 200 Nm3/h bis 2500 Nm3/h, bevorzugt ca. 1.000 Nm3/h (Normkubikmeter pro Stunde) ausgelegt werden.
[0030] Es ist stets möglich, eine Reihenschaltung aus mehreren R-KS-WÜ zu realisieren. Sie
kann aus mehreren I-WÜ als auch aus mehreren SA-WÜ aufgebaut sein. Eine solche Reihenschaltung
wird nachfolgend als modulare Wärmeübertrager-Einheit bezeichnet. Im Falle des SA-WÜ
ist es auch möglich, eine modulare Wärmeübertrager-Einheit als Parallelschaltung aus
mehreren SA-WÜ zu realisieren, wodurch sich der Volumenstromdurchsatz entsprechend
der Anzahl der SA-WÜ vervielfacht.
[0031] Fig. 4 zeigt in einer vereinfachten schematischen Darstellung einen Schnitt durch
einen R-KS-WÜ gemäß Fig. 2a, der von einer durch ein Hüllrohr HR begrenzten zylinderringartigen
Außenhülle AH umgeben ist. Die nicht dargestellte Symmetrieachse A liegt in der Schnittebene
und verläuft entlang der Achse der Umlenkkammer U. Grund- und Deckfläche der Umlenkkammer
U sind vollständig (nicht als Schnitt) dargestellt. Eine vom Außenrohr AR bis zum
Hüllrohr HR reichende Trennvorrichtung TV teilt die Außenhülle AH in einen ersten
Bereich 20, in dem die Zuführung des ersten Fluids F1 zu den WÜ-Elementen WE
1 erfolgt und in einen zweiten Bereich 22, in dem die Abführung des ersten Fluids F1
von den WÜ-Elementen WE
2 erfolgt. Der Strömungsweg des ersten Fluids F1 ist durch Pfeile markiert. Die schaufelförmigen
WÜ-Elemente WE
1, WE
2 sind vereinfacht durch jeweils zwei ebene Verbindungen symbolisiert. Die Trennvorrichtung
TV trennt die zylinderringartige Außenhülle AH in zwei Abschnitte 20 und 22. Ein der
Außenhülle zugeführtes erstes Fluid F1 strömt vom Abschnitt 20 der Außenhülle AH durch
die WÜ-Elemente WE
1 zur Umlenkkammer U, durchströmt diese und strömt durch die WÜ-Elemente WE
2 zum Abschnitt 22 der Außenhülle AH. In den Bereichen 20 und 22 der Außenhülle AH
wird das erste Fluid F1 mithilfe der aus Fig. 2a und 2b bekannten (in Fig. 4 aus zeichentechnischen
Gründen nicht dargestellten) Umlenkrippen geführt, welche das erste Fluid F1 im Abschnitt
20 in Richtung der Öffnungen S
A1 lenken und im Abschnitt 22 von den Öffnungen S
A2 in die ursprüngliche Richtung zurücklenken. Die Umlenkrippen sind auf dem Außenrohr
AR aufgesetzt und sind so hoch ausgeführt, dass sie bis in die Nähe des Hüllrohrs
HR reichen. Vorzugsweise liegen sie mit ihren oberen Kanten am Hüllrohr HR an, wobei
aber keine absolut dichte Verbindung zwischen dem Hüllrohr und den Umlenkrippen, die
z. B. durch Verschweißen herstellbar wäre, erforderlich ist. Es kann auch ein Zwischenraum
von 0,5 mm bis 5 mm zwischen den oberen Kanten der Umlenkbleche und dem Hüllrohr verbleiben.
[0032] Wie in Fig. 4 durch die waagerechten gestrichelten Linien, welche das Hüllrohr HR
und das Außenrohr AR verlängern, angedeutet, ist es möglich, die Außenhülle AH über
ihren gesamten kreisringförmigen Querschnitt beliebig weit fortzusetzen, um einen
I-WÜ und/oder eine Reihenschaltung von I-WÜ zu realisieren. Ferner ist es möglich,
ausgehend von einzelnen Abschnitten der Außenhülle AH eine oder mehrere Rohrverbindungen
wegzuführen, um einen SA-WÜ oder eine Reihenschaltung von SA-WÜ zu realisieren. Die
Zuführung und Abführung des ersten Fluids F1 erfolgt in beiden Fällen parallel zur
Achse der Anordnung. Vor und hinter der Trennvorrichtung TV erfolgt dabei, unterstützt
durch die aus Fig. 2a, b bekannten, in Fig. 4 nicht dargestellten Umlenkrippen, eine
Umlenkung der Strömung um 90°, um das erste Fluid F1 den WÜ-Elementen WE
1 zuzuführen bzw. es von den WÜ-Elementen WE
2 abzuführen. Diese Umlenkungen bremsen die Strömung ab, führen zur Bildung von Wirbeln
und tragen Turbulenzen in das laminare Strömungsprofil des ersten Fluids F1 ein.
[0033] Fig. 5 zeigt in schematischer Darstellung eine verbesserte Ausführungsform eines
SA-WÜ, die diese nachteiligen Effekte vermeidet. Sie unterscheidet sich von der Ausführungsform
in Fig. 4 dadurch, dass die Öffnungen der Außenhülle AH, welche die Zu- und Abführung
des ersten Fluids F1 parallel zur Achse A der Anordnung gewährleisten, durch Verschlüsse
24 verschlossen werden. Sie werden ersetzt durch Öffnungen 26 im Hüllrohr HR, die
den Anschluss von Rohren ermöglichen, über die das erste Fluid F1 senkrecht zur Achse
der Anordnung zuführbar ist. Es können mehrere solche Anschlussmöglichkeiten für die
Zuführung als auch für die Abführung des ersten Fluids F1 bereitgestellt werden, die
über den Umfang des Hüllrohrs HR verteilt sind, vorzugsweise in gleichmäßigen Winkelabständen.
Bevorzugt werden die Rohranschlüsse geneigt ausgeführt, sodass eine tangentiale Zuführung
des ersten Fluids F1 in die Außenhülle AH erfolgt, wodurch eine zirkulare Strömung
in der Außenhülle erzeugt wird. Die Neigungsrichtung der Rohranschlüsse, die den Drehsinn
der zirkularen Strömung bestimmt, wird so gewählt, dass sie dem Drehsinn der an das
Außenrohr AR angeschlossenen WÜ-Elemente WE
1 und WE
2 entspricht. Somit wird das erste Fluid F1 nahezu geradlinig in die von den WÜ-Elementen
WE
1 gebildeten
N Kanäle hineingeführt und nahezu geradlinig aus den von den WÜ-Elementen WE
2 gebildeten N Kanälen herausgeführt. Die in der Anordnung gemäß Fig. 4 notwendigen
nachteiligen Umlenkungen der Strömung des ersten Fluids F1 um jeweils 90° bei der
Zuführung zu den WÜ-Elementen WE
1 und der Abführung von den WÜ-Elementen WE
2 und deren nachteilige Wirkungen werden somit vermieden. Die Anzahl der Öffnungen
26 für Rohranschlüsse zur Zuführung und zur Abführung des ersten Fluids F1 kann jeweils
zwischen 1 und
N gewählt werden. Im Falle von
N Öffnungen 26 wird somit jedem WÜ-Element ein Anschluss zugeordnet. Bevorzugt sind
jeweils 2 bis 6 Öffnungen 26 zur Zu- und Abführung des ersten Fluids F1. Weitere Erläuterungen
dazu werden in Ausführungsbeispiel 2 in Verbindung mit Fig. 11 gegeben.
[0034] Fig. 4 und 5 zeigen auch die Position eines Verbindungselements VE in der Umlenkkammer
U. Dieses Verbindungselement wird in Ausführungsbeispiel 1, Abschnitt 1b), näher erläutert,
ebenso werden dort die Bedingungen genannt, unter denen es erforderlich bzw. verzichtbar
ist.
[0035] Alle Komponenten des R-KS-WÜ werden aus HT-festen Materialien gefertigt. Aus Kostengründen
sind HT-feste Metalle bevorzugt, insbesondere hitzebeständiger Stahl. Geeignet ist
z. B. Stahl der Sorte 1.4841 (gemäß Norm EN 10095), der eine hohe Oxidations- und
chemische Beständigkeit bei Temperaturen bis 1100 °C aufweist (Quelle:
https://www.stahl-markt.de/download/datenblatt%204841.pdf.pdf, abgerufen am 28.03.2018). Zumindest die WÜ-Elemente WE
1 und WE
2 müssen neben ihrer HT-Festigkeit auch hohe Wärmeströme leiten können. Dazu sind sie
dünnwandig und/oder aus hochwärmeleitfähigem Material auszuführen. Eine dünnwandige
Ausführung mit Wandstärken von ca. 0,5 mm ist möglich, wenn der R-KS-WÜ im Betrieb
nur geringen Druckdifferenzen von 0 bar bis 3 bar (300 kPa) ausgesetzt wird. Sind
im Betrieb größere Druckdifferenzen zu erwarten, kann es erforderlich sein, anstelle
von hitzebeständigem Stahl, der eine mittlere Wärmeleitfähigkeit λ aufweist (für Stahlsorte
1.4841 It. o. g. Datenblatt:
λ = 15 W/m·K bei 20 °C, λ = 19 W/m·K bei 500 °C), ein Material hoher Wärmeleitfähigkeit
zu wählen. Unter hoher Wärmeleitfähigkeit wird in dieser Anmeldung eine Wärmeleitfähigkeit
λ ≥ 100 W/m·K verstanden. Geeignet sind hierfür Refraktärmetalle, insbesondere Wolfram
(λ = 167 W/m·K bei 20 °C, λ = 111 W/m·K bei 1000 °C) und Molybdän (λ = 142 W/m·K bei
20 °C, λ = 105 W/m·K bei 1000 °C), die gegenüber Stahl zudem eine höhere Hitze- und
Korrosionsbeständigkeit aufweisen (Quelle: WHS Sondermetalle e. K.,
https://www.whs-sondermetalle.de/de/werkstoffe/refraktaermetalle.html, abgerufen am 24.01.2018), ebenso auch MoW-Legierungen.
[0036] Ferner geeignet sind Nickellegierungen, Spezialkeramiken mit hoher Wärmeleitfähigkeit,
z. B. auf Basis von SiC und AIN, sowie Verbundwerkstoffe.
[0037] Der Fachmann ist in der Lage, für seinen konkreten Anwendungsfall die erforderliche
Wandstärke der WÜ-Elemente zu berechnen und daraus die notwendige Materialmenge und
deren Kosten zu ermitteln. Er kann somit beurteilen, ob sich die Verwendung dieser
im Vergleich zu Stahl teureren Materialien über die gesamte, mehrjährige, Einsatzdauer
des R-KS-WÜ amortisieren wird.
[0038] Der erfindungsgemäße R-KS-WÜ erlaubt es aufgrund seiner einfachen radialsymmetrischen
Konstruktion, durch welche die prozessbedingten Druck- und Temperaturbelastungen gleichmäßig
auf die radialsymmetrisch angeordneten Komponenten, insbesondere die WÜ-Elemente WE
1, WE
2 verteilt werden, auch schwierige Prozessbedingungen zu beherrschen.
[0039] Die Strömungswege der eingesetzten Fluide F1 und F2 können eine räumliche Verbindung
miteinander aufweisen, die einen Massenstrom des ersten Fluids F1 in den Strömungsweg
des zweiten Fluids F2 und umgekehrt zulässt. Diese räumliche Verbindung darf aber
nicht innerhalb eines R-KS-WÜ liegen. Sie wird an einem Ort des Strömungswegs positioniert,
an dem das erste Fluid F1 die Außenhülle AH und den R-KS-WÜ, bei einer modularen Wärmeübertrager-Einheit
alle dazu gehörigen R-KS-WÜ, bereits durchströmt hat. Das erste Fluid F1 kann dort
in den Strömungsweg des zweiten Fluids F2 geleitet werden und, ggf. nach einer chemischen
Umsetzung, als zweites Fluid F2 in einem Kreuzstrom gegenüber dem ersten Fluid F1
weiterströmen. Ein solcher Fall wird in Ausführungsbeispiel 1, Abschnitt 1c), am Beispiel
einer Brennkammer erläutert.
[0040] Die eingesetzten Fluide F1, F2 können in beliebiger Kombination gasförmig oder flüssig
sein. In speziellen Anwendungsfällen, d. h. bei Überschreitung ihres kritischen Drucks
und ihrer kritischen Temperatur können sie sich auch im überkritischen Zustand befinden.
Ebenso kann sich der Aggregatzustand der Fluide F1 und F2 bei der Wärmeübertragung
zwischen ihnen ändern. Beispielsweise kann ein Fluid unter Wärmeabgabe aus dem gasförmigen
in den flüssigen Zustand übergehen (Kondensation) oder unter Wärmeaufnahme vom flüssigen
in den gasförmigen Zustand übergehen (Verdampfung).
[0041] Bei den Fluiden F1 und/oder F2 kann es sich auch um aggressive, chemisch reaktive
Stoffe handeln. Diese sind beherrschbar, da der Fachmann, wie in Ausführungsbeispiel
1, Abschnitt 1b), erläutert wird, eine große Freiheit bei der Materialauswahl für
den R-KS-WÜ hat. Er kann somit Materialien auswählen, die eine dauerhafte chemische
Resistenz gegenüber den Fluiden F1 und/oder F2 aufweisen.
Ausführungsbeispiel 1: R-KS-WÜ, ausgeführt als integrierter Wärmeübertrager (I-WÜ)
[0042] Ein als I-WÜ ausgeführter R-KS-WÜ ist für technische Anlagen geeignet, die eine zylindrische
Wand WI aufweisen. Geeignet sind z. B. Anlagen der thermischen Verfahrenstechnik,
z. B. zylindrische Brennkammern mit daran angeschlossenem Abzugsschacht, die durch
eine Wand WI begrenzt sind und in der Regel einen großen Durchmesser
DAn (mehrere Meter) aufweisen. Solche Brennkammern erreichen einen Volumenstromdurchsatz
von ca. 5.000 - 100.000 Nm
3/h (Normkubikmeter pro Stunde), für den auch der I-WÜ ausgelegt sein muss.
1a) Integration eines I-WÜ in eine Anlage der thermischen Verfahrenstechnik)
[0043] Nachfolgend wird die Integration eines I-WÜ in eine rohrförmige Anlage der thermischen
Verfahrenstechnik (nachfolgend kurz: Anlage) beschrieben. Es wird von einer Anlage
ausgegangen, die durch eine zylindrische Wand WI begrenzt ist, welche eine innere
Kammer IK umgibt. Der Durchmesser
DAn einer solchen Anlage, gegeben durch den Durchmesser der zylindrischen Wand WI, liegt
üblicherweise im Bereich 1,5 m ≤
DAn ≤ 10 m.
[0044] Es wird ein I-WÜ bereitgestellt, dessen Außenrohr AR denselben Durchmesser
D wie die Anlage aufweist, also
D =
DAn. Der I-WÜ wird auf die zylindrische Wand WI aufgesetzt.
[0045] Es wird ein Hüllrohr HR bereitgestellt, das die zylindrische Wand WI mit dem aufgesetzten
Außenrohr AR in einer konzentrischen Anordnung umgibt, sodass zwischen dem Hüllrohr
HR und der zylindrischen Wand WI mit dem aufgesetzten Außenrohr AR eine zylinderringartige
Außenhülle AH gebildet wird. Die Außenhülle AH ist somit innen durch die Wand WI der
Anlage und das Außenrohr AR mit dem Durchmesser
D =
DAn und außen durch das Hüllrohr HR mit dem Durchmesser
DHR begrenzt. Durch das Volumen der Außenhülle AH ist ein erstes Fluid F1 strömbar, durch
die zylindrische innere Kammer IK der Anlage, die von der Wand WI nach außen begrenzt
ist, ist ein zweites Fluid F2 strömbar. Beide Strömungen verlaufen im Wesentlichen
parallel zur Achse der Anlage und können zueinander parallel als auch antiparallel
gerichtet sein. Es ist einerseits möglich, dass das erste Fluid F1 eine niedrigere
Temperatur als das zweite Fluid F2 aufweist, sodass Wärmeenergie vom zweiten Fluid
F2 durch die Wand WI an das erste Fluid F1 übertragen wird. Andererseits ist es auch
möglich, dass das erste Fluid F1 eine höhere Temperatur als das zweite Fluid F2 aufweist,
sodass Wärmeenergie vom ersten Fluid F1 durch die Wand WI an das zweite Fluid F2 übertragen
wird. Somit stellt eine solche Anordnung bereits ohne den I-WÜ einen Wärmeübertrager,
nämlich einen Doppelrohr-WÜ, dar. Die Wärmeübertragung beschränkt sich jedoch auf
eine ca. 0,5 cm bis 1 cm (bei laminarer Strömung) und bis ca. 10 cm (bei turbulenter
Strömung) dicke Randschicht des zweiten Fluids F2, die der Wand WI benachbart ist.
Auch die Ausführung der Wand WI als Zylinder, der nur eine geringe Oberfläche für
die Wärmeübertragung bereitstellt, begrenzt die Wärmeübertragung. Somit handelt es
sich um einen sehr ineffizienten WÜ, denn es kann nur eine geringe Wärmemenge zwischen
dem Fluid F2 im zentralen Bereich der inneren Kammer IK der Anlage, der sich in der
Umgebung ihrer Achse befindet, und der wandnahen Randschicht des Fluids F2 übertragen
werden.
[0046] Dieser Nachteil wird hier durch den in die Anlage integrierten I-WÜ 11 überwunden.
Eine weiter verbesserte Wärmeübertragung wird erzielt, indem mehrere erfindungsgemäße
I-WÜ 11 in Form einer Reihenschaltung in die Anlage integriert werden.
[0047] Fig. 6 skizziert einen erfindungsgemäßen I-WÜ 11, der in eine Anlage 30 integriert,
in diesem Fall auf diese aufgesetzt, ist.
[0048] Durch den in die Anlage 30 integrierten I-WÜ wird der Strömungsweg des Fluids F1
wie folgt verändert: Die Trennvorrichtung TV verschließt dem Fluid F1 den direkten
Weg durch die zylinderringartige Außenhülle AH. Jeweils zwei miteinander verbundene
Öffnungen S
WI1, S
A1 im Bereich des Außenrings AR
1 und S
WI2, S
A2 im Bereich des Außenrings AR
2 öffnen dem Fluid F1 einen aus
N Kanälen bestehenden neuen Strömungsweg, der von der Außenhülle AH durch jede der
Öffnungen S
WI1, S
A1 weiter durch das daran angeschlossene WÜ-Element WE
1 zu einer Öffnung S
U1 der Umlenkkammer U führt, weiter entlang der Achse der Umlenkkammer U in den Bereich
der Öffnungen S
U2 verläuft und von jeder dieser Öffnungen durch das daran angeschlossene WÜ-Element
WE
2 zu einer der Öffnungen S
WI2, S
A2 und von dort zurück in die Außenhülle AH auf den ursprünglichen Strömungsweg des
Fluids F1 führt.
1b) Funktionsweise eines I-WÜ in einer Anlage der thermischen Verfahrenstechnik
[0049] Der als I-WÜ 11 ausgeführte R-KS-WÜ ist für den Einsatz in Anlagen der thermischen
Verfahrenstechnik vorgesehen, bei denen ein erstes Fluid F2 in einer inneren Kammer
IK und ein zweites Fluid F2 in einer die innere Kammer IK umgebenden, von dieser durch
die Wand WI getrennten, Außenhülle AH strömen. Außerhalb des I-WÜ verläuft die Strömungsrichtung
der beiden Fluide in der Regel antiparallel (Gegenstromprinzip). Eine Wärmeübertragung
zwischen den beiden Fluiden erfolgt außerhalb des I-WÜ im Wesentlichen durch Wärmeleitung
über die Wand WI und wird durch deren Dicke, die Wärmeleitfähigkeit des Materials
der Wand WI und deren geringe Fläche beschränkt. Außerdem bestimmen die Wärmeübergangskoeffizienten
der Fluide den Wärmewiderstand.
[0050] Fig. 6 zeigt in einer schematischen Darstellung neben dem Einbau eines I-WÜ in eine
Anlage auch das mit seiner Hilfe veränderte Strömungsbild. Die schaufelförmigen WÜ-Elemente
WE
1, WE
2 sind vereinfacht durch jeweils zwei ebene Verbindungen symbolisiert.
[0051] Der I-WÜ 11 stellt eine zusätzliche Fläche für die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung
bereit. Diese zusätzliche Fläche wird gebildet durch die Wandflächen der schaufelförmigen
WÜ-Elemente WE
1, WE
2, die zudem in vorteilhafter Weise über den gesamten Querschnitt der inneren Kammer
IK, in welcher das Fluid F2 strömt, verteilt sind. Die zusätzliche Fläche für die
Wärmeübertragung kann beliebig groß eingestellt werden, indem die Anzahl N, Breite
und Länge der schaufelförmigen WÜ-Elemente WE
1 und WE
2 so eingestellt werden, dass die benötigte Fläche erhalten wird. Sollte die von einem
einzelnen I-WÜ 11 bereitgestellte Fläche für die geforderte Wärmerückgewinnung nicht
ausreichen, so kann, wie in Fig. 7 schematisch dargestellt, eine Reihenschaltung von
mehreren I-WÜ 11 realisiert werden. Der Abstand der einzelnen I-WÜ kann so weit verringert
werden, dass die Rohre der Umlenkkammern U zusammengeführt werden. Dabei müssen die
Umlenkkammern aber durch mindestens einen Verschluss G
U oder D
U (siehe Fig. 2a) getrennt bleiben.
[0052] Fig. 8 zeigt schematisch die Strömung durch die WÜ-Elemente: Das erste Fluid F1 strömt,
wie in Fig. 8a gezeigt, von der Außenhülle AH durch die Öffnungen S
A1 des Außenrings AR
1 in die WÜ-Elemente WE
1, zentripetal durch diese über die Öffnungen S
U1 in die Umlenkkammer U, durchströmt diese in Richtung ihrer Achse und strömt dann,
wie in Fig. 8b gezeigt, über die Öffnungen S
U2 in die WÜ-Elemente WE
2, zentrifugal durch diese über die Öffnungen S
A2 des Außenrings AR
2 in die Außenhülle AH zurück. Über die Wandflächen der schaufelförmigen WÜ-Elemente
WE
1, WE
2 erfolgt durch Wärmeleitung eine intensive Wärmeübertragung zwischen den beiden Fluiden
F1 und F2 (eine Temperaturdifferenz zwischen beiden vorausgesetzt), die durch folgende
konstruktive Merkmale gewährleistet wird: Die WÜ-Elemente WE
1, WE
2 weisen infolge ihres Querschnitts in Form eines langgestreckten Rechtecks, das an
den Enden abgerundet sein kann, eine große spezifische Oberfläche (gegeben durch den
Quotienten aus ihrer Oberfläche und ihrem Volumen) auf. Ferner sind die WÜ-Elemente
dünnwandig ausgeführt, wodurch ihr Wärmewiderstand minimiert wird.
[0053] Die zentripetale und die zentrifugale Strömung des ersten Fluids F1 können unter
dem Begriff
radiale Strömung zusammengefasst werden. Das zweite Fluid F2 strömt in der inneren Kammer durch die
Zwischenräume zwischen den jeweils
N WÜ-Elementen WE
1 und WE
2,
kreuzt also den in 2
N Kanäle geteilten Strömungsweg des ersten Fluids F1. Damit wird auch die Bezeichnung
Radial-Kreuzstrom-Wärmeübertrager R-KS-WÜ erklärt.
[0054] Aus der erfindungsgemäßen schaufelförmigen Ausführung der WÜ-Elemente WE
1, WE
2 resultieren mehrere vorteilhafte technische Wirkungen, die für alle Ausführungsformen
des R-KS-WÜ gelten, also sowohl für einen I-WÜ als auch für einen weiter unten in
Ausführungsbeispiel 2 beschriebenen Stand-Alone-WÜ (SA-WÜ):
Eine erste vorteilhafte technische Wirkung der schaufelförmigen WÜ-Elemente besteht
in der Vergrößerung der für die Wärmeübertragung zwischen den Fluiden F1 und F2 verfügbaren
Gesamtfläche, was bereits erklärt wurde.
[0055] Eine zweite vorteilhafte technische Wirkung der schaufelförmigen WÜ-Elemente besteht
in der weitgehenden Vermeidung thermischer Spannungen in der Anordnung des R-KS-WÜ.
Unter thermischen Spannungen sind hier thermisch induzierte mechanische Spannungen
zu verstehen, die auf der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung der verwendeten
Materialien beruhen.
[0056] Beispielsweise beträgt der thermische Ausdehnungskoeffizient Δ
l/
l des oben vorgeschlagenen HT-festen Stahls 1.4841, gemittelt über den Temperaturbereich
20 °C bis 1000 °C, Δ
l/
l = 19 · 10
-6 K
-1. Wird ein erfindungsgemäßer R-KS-WÜ, dessen Komponenten aus dieser Stahlsorte gefertigt
sind, von seiner Temperatur im abgeschalteten Zustand (ca. 20 °C) auf eine Betriebstemperatur
von 1000 °C gebracht, so ist somit mit einer absoluten Längenausdehnung der verwendeten
Komponenten von ca. 1,9 % zu rechnen.
[0057] Bei Verwendung von WÜ-Elementen WE
1, WE
2, die geradlinig auf kürzestem Weg zwischen der Umlenkkammer U und dem Außenrohr AR
verlaufen, würden hohe, nicht kompensierbare, thermische Spannungen in der Anordnung
induziert, was zur baldigen Materialermüdung und zum Abreißen der WÜ-Elemente WE
1, WE
2 an den Verbindungsstellen zum Außenrohr AR und/oder zur Umlenkkammer U führen würde.
[0058] Durch die schaufelförmige Ausführung der WÜ-Elemente WE
1 und WE
2 wird, wenn ihre Schaufeln in die gleiche Richtung gebogen sind, eine thermisch bedingte
Ausdehnung oder Kontraktion der WÜ-Elemente wie auch der anderen Komponenten unmittelbar
in eine Verdrehung der Umlenkkammer U umgesetzt, wodurch der Aufbau thermischer Spannungen
minimiert wird. Im Gegensatz zu bekannten Wärmeübertragern sind die WÜ-Elemente WE
1 und WE
2 nur an einem Ende, nämlich an den Außenringen AR
1, AR
2, starr fixiert, während ihr anderes Ende zusammen mit der Umlenkkammer U beweglich
ist, sodass sie sich ungehindert ausdehnen können. Durch die radialsymmetrische Anordnung
erhalten alle WÜ-Elemente derselben Reihe, also alle WÜ-Elemente WE
1 auf Höhe des Außenrings AR
1, identische thermische Belastungen, zeigen also dieselbe Ausdehnung. Gleiches gilt
für die WÜ-Elemente WE
2 im Bereich des Außenrings AR
2. Dadurch wird die Umlenkkammer U im Bereich jedes Außenrings gleichmäßig verdreht,
sodass keine Zug- und Druckspannungen entlang ihres Umfangs entstehen.
[0059] Jedoch tritt eine Temperaturdifferenz zwischen den WÜ-Elementen WE
1 auf Höhe des Außenrings AR
1 und den WÜ-Elementen WE
2 auf Höhe des Außenrings AR
2 ein, sodass sich die WÜ-Elemente WE
1 und WE
2 unterschiedlich stark ausdehnen, was zu einer Verdrillung (Torsion) der Umlenkkammer
U führt. Diese Verdrillung bedingt thermische Spannungen in der Umlenkkammer U, die
besonders groß sind, wenn die WÜ-Elemente WE
1 und die WÜ-Elemente WE
2 in entgegengesetzte Richtungen gebogen sind, was zu einer Materialermüdung führen
kann. Um diese thermischen Spannungen zu kompensieren, wird die Umlenkkammer U auf
ihrer halben Höhe in zwei Abschnitte geteilt und an dieser Position ein fluiddichtes
Verbindungselement VE eingesetzt (siehe Fig. 6). Dieses Verbindungselement VE stellt
sicher, dass beide Abschnitte der Umlenkkammer U frei gegeneinander verdrehbar sind,
wobei aber die Dichtheit der Umlenkkammer U gegenüber den Fluiden F1 und F2 weiterhin
gewährleistet ist, d. h. ein Massenstrom zwischen den Fluiden F1 und F2 wird verhindert.
Die Ausführung des Verbindungselements VE wird am Schluss der Anmeldung anhand von
Fig. 15 erläutert.
[0060] Durch die schaufelförmige Ausführung der WÜ-Elemente WE
1 und WE
2 und die Ausstattung der Umlenkkammer U mit einem Verbindungselement VE ist es somit
möglich, eine frühzeitige Materialalterung und ein Versagen der Komponenten des R-KS-WÜ
zuverlässig zu verhindern, wodurch seine Lebensdauer gesteigert wird. Da thermische
Spannungen, die durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten bedingt
sind, nahezu vollständig kompensiert werden, können die Komponenten des R-KS-WÜ auch
aus unterschiedlichen Materialien, deren Wärmeausdehnungskoeffizienten sich erheblich
unterscheiden, gefertigt werden, ohne dass vorab umfangreiche Simulationen oder Experimente
zur Langzeitstabilität und Temperaturwechselbeständigkeit des R-KS-WÜ durchgeführt
werden müssen. Verschiedene Materialien können somit flexibel verwendet werden. Dabei
können diese Materialien auch aus unterschiedlichen Materialklassen entnommen werden.
Es sind z. B. metallische Komponenten, keramische Komponenten und/oder Verbundwerkstoffe
kombinierbar.
[0061] Eine dritte vorteilhafte technische Wirkung der schaufelförmigen WÜ-Elemente ist
die Optimierung des Strömungsverhaltens des zweiten Fluids F2, welches in Achsrichtung
des R-KS-WÜ die Zwischenräume zwischen den WÜ-Elementen durchströmt. Dazu werden die
Schaufeln der WÜ-Elemente WE
1 und der WÜ-Elemente WE
2 in unterschiedliche Richtungen gebogen. Ein solches optimiertes Strömungsprofil,
d. h. eine homogene, bevorzugt laminare, Strömung des zweiten Fluids F2 wird beispielsweise
für eine Brennkammer mit darüber angeordnetem Abzugsschacht angestrebt. Der erfindungsgemäße
R-KS-WÜ erlaubt es hier nicht nur, die Wärmeenergie heißer Brenngase effektiv zu nutzen,
sondern bewirkt auch eine turbulenzarme Strömung des zweiten Fluids F2, wenn dieses
die beiden Reihen der entgegengesetzt gebogenen WÜ-Elemente WE
1 und WE
2 nacheinander durchströmt. Dadurch werden Strömungsdruckverluste des zweiten Fluids
F2 geringgehalten. Fig. 9 zeigt einen Blick in Richtung der Achse eines R-KS-WÜ, bei
dem die WÜ-Elemente WE
1 nach links, die dahinterliegenden WÜ-Elemente WE
2 nach rechts gebogen sind. Im Zentrum befindet sich die Umlenkkammer U, deren Inneres
durch den Verschluss Gu verdeckt ist.
[0062] Sowohl die Wärmeübertragung als auch die Optimierung des Strömungsprofils können
noch dadurch unterstützt werden, dass Rippenelemente in die Zwischenräume zwischen
jeweils zwei benachbarten WÜ-Elementen WE
1 und/oder in die Zwischenräume zwischen jeweils zwei benachbarten WÜ-Elementen WE
2 eingebaut werden, sodass die Zwischenräume eine zusätzliche Gitterstruktur mit Strömungskanälen
parallel zur Achse des R-KS-WÜ erhalten. Als Rippenelemente geeignet sind blattförmige,
dem Fachmann als Wellrippen bekannte, Strukturen aus hochwärmeleitfähigem, HT-festem
Material, z. B. Metallbänder. Die Wellrippen sollten dieselbe Breite aufweisen wie
die WÜ-Elemente WE
1, WE
2, sodass sie jeweils zwei benachbarte WÜ-Elemente wellenförmig über deren gesamte
Breite, in Fig. 9 also deren Abmessung senkrecht zur Zeichenebene, miteinander verbinden.
Da solche Wellrippen in Fig. 9 nicht sinnvoll darstellbar sind, wurde eine einzelne
Wellrippe WR in Fig. 3 eingezeichnet. In der Praxis werden alle benachbarten WÜ-Elemente
WE
1 und WE
2 durch solche Wellrippen verbunden, sodass der gesamte Querschnitt der inneren Kammer
IK von Wellrippen durchzogen ist. Die Wellrippen entziehen dem die Gitterstruktur
durchströmenden zweiten Fluid F2 einerseits effektiv Wärmeenergie, andererseits laminarisieren
sie die Strömung des zweiten Fluids F2, sodass diesem ein vorteilhaftes turbulenzarmes
Strömungsverhalten aufgeprägt wird. Die Verbindungsbereiche zwischen den WÜ-Elementen
und den Wellrippen sind bevorzugt flächig mit einer Höhe von wenigen Millimetern ausgeführt,
sodass eine ausreichend große Kontaktfläche für die Wärmeübertragung von den Wellrippen
auf die WÜ-Elemente bereitgestellt wird. Das von den Wellrippen gebildete Gitter erhält
dadurch eine verzerrte wabenartige Form. Soll lediglich das Strömungsprofil optimiert
werden, so können die Wellrippen auch aus einem beliebigen HT-festen Material ausgeführt
sein. Sie sollten eine glatte Oberfläche aufweisen.
[0063] Es ist auch möglich, das Innere der WÜ-Elemente WE
1, WE
2 mit Rippenelementen R (erkennbar in Fig. 1) auszustatten, um die Wärmeübertragung
auf das darin strömende erste Fluid F1 zu verstärken. Das ist besonders sinnvoll,
wenn die Breite
BWE ihres Querschnitts, wie oben beschrieben, nach außen hin vergrößert wird.
1c) Besondere Ausführungsform: Brennkammer, ausgestattet mit einer Reihenschaltung
von drei I-WÜ
[0064] Fig. 10a zeigt in einer schematischen Darstellung eine Brennkammer BK, auf deren
Wand WI eine Reihenschaltung von drei I-WÜ aufgesetzt ist, die einen Abzugsschacht
K bilden. Diese Anordnung ist von einer Außenhülle AH umgeben. Die Außenhülle AH wird
innen durch die Wand WI und die Außenrohre AR der I-WÜ und außen durch das Hüllrohr
HR begrenzt. Die Trennvorrichtung TV jedes I-WÜ unterbricht den direkten Strom eines
von oben in die Außenhülle AH einströmenden ersten Fluids F1, sodass dieses in bekannter
Weise durch die WÜ-Elemente WE
1 zur Umlenkkammer U und nach Durchströmen derselben über die WÜ-Elemente WE
2 zurück in die Außenhülle AH strömt. Nach Durchströmen aller drei I-WÜ wird das erste
Fluid F1 über eine oder mehrere Zuleitungen Z der Brennkammer BK zugeführt. In der
Brennkammer BK wird das erste Fluid F1, bei dem es sich z. B. um Luft handeln kann,
mit einem Brennstoff, der fest, flüssig oder gasförmig sein kann, in Kontakt gebracht
und in einem chemischen Verbrennungsprozess unter Wärmeentwicklung in ein zweites
Fluid F2, hier in heiße Verbrennungsabluft mit hohem CO
2-Anteil, umgesetzt. Da der Prozess kontinuierlich geführt wird, tritt das quer (als
Kreuzstrom) durch die Zwischenräume zwischen den WÜ-Elementen der I-WS strömende zweite
Fluid F2 in thermischen Kontakt mit dem in den WÜ-Elementen strömenden ersten Fluid
F1, wobei über die hochwärmeleitfähigen Wände der WÜ-Elemente Wärmeenergie vom zweiten
Fluid F2 auf das erste Fluid F1 übertragen wird. Die im zweiten Fluid F2, d. h. der
Verbrennungsabluft, enthaltene Restwärme wird also effektiv genutzt, indem sie zur
Vorwärmung des dem Verbrennungsprozess zufließenden ersten Fluids F1 verwendet wird.
Der Wirkungsgrad des Verbrennungsprozesses wird dadurch erhöht.
[0065] Die im Betrieb befindliche Anlage nutzt den bekannten Kamineffekt, wobei das abströmende
zweite Fluid F2 einen Unterdruck erzeugt, sodass das erste Fluid F1 (Luft auf Atmosphärendruck)
kontinuierlich angesaugt wird. Anstelle von Luft könnte als erstes Fluid F1 auch Sauerstoff
oder ein brennbares Gasgemisch zugeführt werden, wozu aber weitere technische Maßnahmen
(Rohrzuführungen) nötig sind.
[0066] Für jeden der drei I-WÜ 11 werden folgende Parameter gewählt:
Das auf die Wand WI der Brennkammer BK dichtschließend aufgesetzte Außenrohr AR hat
einen Durchmesser
D = 2,0 m und eine Höhe
H = 1,0 m. Die Umlenkkammer U hat einen Durchmesser
d = 1,3 m. Jeweils
N = 90 WÜ-Elemente WE
1 bzw. WE
2 verbinden die Außenringe AR
1, AR
2 mit der Umlenkkammer U. Die WÜ-Elemente weisen einen Schaufeldurchmesser
S = 0,5 m auf und beschreiben einen Teilkreis ρ = 150°.
[0067] Da die Anlage mit geringen Druckdifferenzen (< 20 kPa) betrieben wird, können alle
Komponenten mit minimaler Wandstärke ausgeführt werden. Somit erhalten das Außenrohr
und die Umlenkkammer eine Wandstärke von 1 mm, die WÜ-Elemente WE
1, WE
2 eine Wandstärke von 0,5 mm. Um den Drall der Strömung des zweiten Fluids F2 im Abzugsschacht
K zu kompensieren, werden die WÜ-Elemente WE
1 und WE
2 in entgegengesetzte Richtungen gebogen. Die dadurch im Betrieb entstehende Verdrillung
(Torsion) der Umlenkkammer U wird durch ein in dieselbe eingebautes Verbindungselement
VE kompensiert. Die Breite
BWE des Querschnitts der WÜ-Elemente, der für das strömende erste Fluid F1 zur Verfügung
steht, beträgt 10 mm. Seine Länge, die mit der Länge
L der Öffnungen S
A1, S
A2, S
U1, S
U2 übereinstimmt, beträgt 40 cm. Das Hüllrohr HR hat einen Durchmesser von 2,4 m. Die
scheibenförmige Trennvorrichtung TV weist daher einen äußeren Durchmesser von 2,4
m und einen inneren Durchmesser von 2,0 m auf. Alle Komponenten sind aus hochtemperaturfestem
Stahl gefertigt.
1d) Besondere Ausführungsform: Brennkammer, die von einer Reihenschaltung aus I-WÜ
umgeben ist
[0068] Fig. 10b zeigt schematisch in halber Seitenansicht (unten) und in Schnittdarstellung
entlang der Ebene X - X (oben) eine Ausführungsform, bei der eine Reihenschaltung
von I-WÜ 11 auf gleicher Höhe mit einer Brennkammer BK installiert ist und diese somit
umgibt. Im Vergleich zur vorab beschriebenen Anordnung in Fig. 10a kann die Gesamthöhe
der Anordnung hier auf die Höhe der Brennkammer BK reduziert werden.
[0069] Die zylindrische Brennkammer BK ist an ihrer Oberseite durch eine HT-feste Decke
De verschlossen und von einer zylinderringartigen Rückführkammer RK umgeben. Im Bereich
unmittelbar unterhalb der Decke De besteht eine ringförmige Verbindung zwischen der
Brennkammer BK und der Rückführkammer RK. Die Rückführkammer RK ist von den ebenfalls
zylinderringartig ausgeführten Umlenkkammern U der Reihenschaltung aus I-WÜ 11 umgeben.
Diese Reihenschaltung kann aus einer frei wählbaren Anzahl ≥ 1 von I-WÜ gebildet werden
(also auch durch nur einen I-WÜ 11). In Fig. 10b ist beispielhaft eine Reihenschaltung
aus vier I-WÜ 11 dargestellt. Die Umlenkkammern U sind in bekannter Weise mit Außenrohren
AR umgeben, die Abschnitte AR
1 und AR
2 aufweisen, welche durch WÜ-Elemente WE
1 und WE
2 mit den Umlenkkammern verbunden sind. Die WÜ-Elemente WE
1, WE
2 sind schaufelförmig gebogen. Die gesamte Anordnung ist von einem Hüllrohr HR umgeben,
sodass eine Außenhülle AH zwischen dem Hüllrohr HR und den Außenrohren AR gebildet
wird. Unmittelbar über dem Boden der Brennkammer BK besteht eine ringförmige Verbindung
VB
2 von der Rückführkammer RK zu dem zylinderringförmigen Raum, in dem die WÜ-Elemente
WE
1, WE
2 verlaufen. An der Oberseite dieses zylinderringartigen Raums befindet sich eine Auslassöffnung
AO. Das Hüllrohr HR weist auf Höhe des ersten Außenrings AR
1 des obersten I-WÜ eine Einlassöffnung EO auf. Die Umlenkkammern U sind durch ihre
Verschlüsse G
U, D
U voneinander separiert, wobei die unmittelbar benachbarten Verschlüsse G
U, D
U zu einem einzigen Verschluss G
U+D
U zusammengeführt werden können. Jeder I-WÜ 11 weist eine Trennvorrichtung TV auf,
die auf seinem Außenrohr AR zwischen den Außenringen AR
1, AR
2 aufgesetzt ist und das Hüllrohr HR an dieser Position trennt. Am unteren Ende des
Hüllrohrs HR besteht eine Verbindung VB
1 von der Außenhülle AH zur Brennkammer BK. Die Brennkammer BK, die Rückführkammer
RK, die Umlenkkammern U und das Hüllrohr HR sind konzentrisch angeordnet.
[0070] In dieser Anordnung wird folgender Strömungsverlauf realisiert: Ein erstes Fluid
F1 (gestrichelte Pfeile), das in der Regel Umgebungstemperatur aufweist, wird über
die Einlassöffnung EO dem obersten Abschnitt des Hüllrohrs HR zugeführt, strömt zentripetal
durch die WÜ-Elemente WE
1 des obersten I-WÜ 11 zu dessen Umlenkkammer U, durchströmt diese, strömt dann zentrifugal
durch die WÜ-Elemente WE
2 des obersten I-WÜ 11 zurück zu dem unterhalb des obersten Abschnitts liegenden Abschnitt
des Hüllrohrs HR. Von dort ausgehend wiederholt sich der beschriebene Strömungsverlauf
bis alle I-WÜ 11 durchlaufen sind. Vom untersten Abschnitt des Hüllrohrs HR wird das
erste Fluid F1 dann über die Verbindung VB
1 der Brennkammer BK zugeführt. Dort wird es in einem Verbrennungsprozess in ein zweites
Fluid F2 (durchgezogene Pfeile) mit hoher Temperatur umgesetzt, welches in Richtung
der HT-festen Decke der Brennkammer strömt und dort in die Rückführkammer RK geleitet
wird. Durch die Rückführkammer RK strömt das zweite Fluid F2 abwärts bis auf die Höhe
des Bodens der Anordnung zurück und wird dann in den zylinderringförmigen Raum, in
dem die WÜ-Elemente WE
1, WE
2 verlaufen, geleitet und durchströmt aufwärts die Zwischenräume der WÜ-Elemente WE
1, WE
2 aller I-WÜ. Beim Durchströmen dieser Zwischenräume erfolgt eine effiziente Wärmeübertragung
zwischen dem zweiten Fluid F2 hoher Temperatur und dem radial (abwechselnd zentripetal
und zentrifugal) durch die WÜ-Elemente WE
1, WE
2 strömenden ersten Fluid F1. Durch die Auslassöffnung AO wird das abgekühlte zweite
Fluid F2 dann in die Umgebung entlassen oder einem anderen Prozess zugeführt.
[0071] In der Schnittdarstellung (Fig. 10b oben) kennzeichnen die Kreise mit Punkt das aufwärts
strömende Fluid F2, die Kreise mit Kreuz das abwärts strömende Fluid F2.
Ausführungsbeispiel 2: R-KS-WÜ, ausgeführt als Stand-Alone-WÜ (SA-WÜ)
[0072] Fig. 11 zeigt eine konkrete Ausführungsform des in Fig. 5 schematisch dargestellten
SA-WÜ.
[0073] Der SA-WÜ 11 ist auf einer Halterung, umfassend eine Grundplatte GP und mehrere Halteplatten
HP (zum Teil verdeckt) aufgebaut, wobei seine Achse waagerecht gerichtet ist. Er weist
den bekannten Aufbau mit einem Außenrohr AR und einer Umlenkkammer U auf, die durch
teilweise verdeckte WÜ-Elemente WE
1 und durch WÜ-Elemente WE
2 verbunden sind. Zudem ist er mit einer eigenen Außenhülle AH ausgestattet, die durch
ein Hüllrohr HR begrenzt wird. Die Außenhülle ist in bekannter Weise durch eine verdeckte
Trennvorrichtung geteilt. Das Hüllrohr HR ist mit jeweils drei gleichmäßig über dessen
Umfang verteilten, d. h. hier um 120° versetzten, tangentialen Anschlüssen T1, T2
versehen, über die ein erstes Fluid F1 zugeleitet und nach Durchströmen des SA-WÜ
wieder abgeleitet werden kann. Die tangentialen Anschlüsse T1, T2 werden durch Rohranschlussstutzen
gebildet, die so geneigt sind, dass sie die Krümmung der Außenhülle AH geradlinig
nach außen fortsetzen. Sie sind so ausgerichtet, dass sie in Richtung der schaufelförmigen
Biegung der WÜ-Elemente WE
1 und WE
2 zeigen, sodass das erste Fluid F1 ohne abrupte Umlenkungen um große Winkel (z. B.
90°, 180°) von den Anschlüssen T1 in die WÜ-Elemente WE
1 einströmen und von den WÜ-Elementen WE
2 zu den Anschlüssen T2 ausströmen kann.
[0074] Die Zuführung und Abführung eines zweiten Fluids F2 erfolgt parallel zur Achse der
Anordnung, was in Fig. 11 durch jeweils zwei Pfeile veranschaulicht ist. Dazu wird
eine nicht dargestellte Leitung, z. B. eine Rohrleitung, deren Durchmesser dem Durchmesser
D des Außenrohrs entspricht, auf der Vorderseite und der (in Fig. 11 verdeckten) Rückseite
des SA-WÜ 12 an das Außenrohr AR angeschlossen. Es wird ein Durchmesser
D = 1 m gewählt. Eine Reihenschaltung mehrerer SA-WÜ 12 ist in einfacher Weise realisierbar.
Wie Fig. 12 am Beispiel von drei SA-WÜ zeigt, sind diese hintereinander entlang einer
gemeinsamen Achse anzuordnen und über die Verbindungsrohre V jeweils Verbindungen
zwischen dem das erste Fluid F1 abführenden Anschluss T2 des zuerst durchlaufenen
SA-WÜ und dem das erste Fluid F1 zuführenden Anschluss T1 des nachfolgend durchlaufenen
SA-WÜ herzustellen.
[0075] Fig. 13 zeigt eine weitere Ausführungsform eines SA-WÜ 12, die ein verbessertes Strömungsverhalten
bewirkt. Anstelle tangentialer rohrförmiger Anschlüsse werden tangentiale Anschlüsse
T1, T2 mit einem langgestreckten Querschnitt, dessen Länge der Länge
L der schlitzförmigen Öffnungen im (verdeckten) Außenrohr AR entspricht, für die Zu-
und Abführung des ersten Fluids F1 verwendet. Das erste Fluid F1 kann dadurch mit
verringertem Strömungswiderstand in die WÜ-Elemente WE
1 ein- und aus den WÜ-Elementen WE
2 ausströmen. An die Anschlüsse T1, T2 werden Leitungen angeschlossen, die das erste
Fluid F1 von entfernt positionierten Anlagen dem SA-WÜ zuführen und von diesem wegführen.
Der in Fig. 13 dargestellte SA-WÜ weist jeweils 4 Anschlüsse T1 und T2 auf (2 davon
sichtbar, zwei verdeckt auf der Rückseite), die sich über jeweils über einen 90°-Winkelbereich
des Umfangs des SA-WÜ erstrecken. Durch diese gestreckte Ausführung übernehmen die
Anschlüsse T1 und T2 hier auch die Funktion einer Trennvorrichtung, wodurch sichergestellt
wird, dass das erste Fluid F1 dem vorgegebenen Strömungsweg durch die WÜ-Elemente
WE
1 (verdeckt), die Umlenkkammer U und die WÜ-Elemente WE
2 folgt. Über die Außenflansche AF
1, AF
2 können weitere SA-WÜ angeschlossen werden, um eine Reihenschaltung zu bilden.
[0076] Fig. 14 zeigt eine Ausführungsform einer Reihenschaltung zweier SA-WÜ, die ebenfalls
die vorteilhaften tangentialen Anschlüsse T1, T2 mit langgestreckten Querschnitt aufweisen.
Ein erstes Fluid F1 wird über die Anschlüsse T1 dem ersten SA-WÜ zugeführt, in bekannter
Weise durch dessen (verdeckte) Umlenkkammer geleitet und tritt über (nicht erkennbare)
Anschlüsse T2, die durch ein Umlenkrohr UR
1 abgedeckt sind wieder aus. Das Umlenkrohr hat somit die Funktion eines Hüllrohres.
Unterhalb des Umlenkrohrs UR
1 befinden sich verdeckte Umlenkrippen, wie sie aus Fig. 2 bekannt sind, die bis in
den Bereich des Umlenkrohrs UR
2, welches Teil des zweiten SA-WÜ ist, reichen. Die Umlenkrippen sind auf dem verdeckten
Außenrohr aufgesetzt und sind so hoch ausgeführt, dass sie bis in die Nähe der Umlenkrohre
UR
1, UR
2 reichen. Vorzugsweise liegen sie mit ihren oberen Kanten an den Umlenkrohren UR
1, UR
2 an, wobei aber keine absolut dichte Verbindung zwischen den Umlenkrohren und den
Umlenkrippen, die z. B. durch Verschweißen herstellbar wäre, erforderlich ist. Es
kann auch ein Zwischenraum von 0,5 mm bis 5 mm zwischen den oberen Kanten der Umlenkbleche
und den Umlenkrohren verbleiben. Das erste Fluid F1 wird durch diese Umlenkrippen
in Richtung des zweiten SA-WÜ gelenkt, was in Fig. 14 durch drei gekrümmte Pfeile
symbolisiert ist, und wird über vom Umlenkrohr UR
2 abgedeckte (nicht erkennbare) Anschlüsse T1 dem zweiten SA-WÜ zugeführt, durchströmt
in bekannter Weise dessen Umlenkkammer und strömt dann über den sichtbaren Anschluss
T2 und weitere verdeckte Anschlüsse T2 wieder aus.
[0077] Die übrigen Funktionen, entsprechen den vorangehend dargestellten Ausführungsformen.
[0078] Der SA-WÜ ermöglicht folgende technisch vorteilhafte Anwendungen:
- a) Sammeln der Prozessabwärme mehrerer technischer Anlagen
Dazu wird die in einem ersten Fluid F1 gespeicherte Prozessabwärme einer beliebig
großen Anzahl von Anlagen mithilfe von Rohrleitungen, die an die Anschlüsse T1 angeschlossen
sind, dem SA-WÜ zugeführt und von dort auf ein zweites Fluid F2 übertragen. Bei dem
zweiten Fluid F2 kann es sich z. B. um in einer Fernwärmeleitung strömendes Wasser
handeln. Über Rohrleitungen, die an die Anschlüsse T2 angeschlossen sind, kann das
erste Fluid F1 einem weiteren Prozess zugeführt oder, falls unbedenklich, in die Umgebung
entlassen werden.
- b) Wärmerückgewinnung aus einem Wärmespeicher
In analoger Weise kann ein SA-WÜ zur Wärmerückgewinnung aus einem Wärmespeicher, vorzugsweise
einem Hochtemperatur-Wärmespeicher (HT-WS), genutzt werden. Dabei wird das erste Fluid
F1, bei dem es sich z. B. um Luft handeln kann, im HT-WS aufgeheizt, wird dann dem
SA-WÜ zugeführt, wo es Wärmeenergie auf ein zweites Fluid F2 überträgt, und kann dann
abgekühlt in die Umgebung entlassen (offener Kreislauf) oder in einem geschlossenen
Kreislauf erneut dem HT-WS zugeführt werden. Das zweite Fluid F2 kann z. B. Wasserdampf
sein, der bei Durchlaufen des SA-WÜ aufgeheizt und einem Dampfturbinenprozess zugeführt
wird.
- c) Unterstützung einer chemischen Reaktion
Bei dem zweiten Fluid F2, das in einer an das Außenrohr AR angeschlossenen Rohrleitung
strömt, kann es sich auch um ein reaktives Gemisch handeln, in welchem eine chemische
Reaktion, z. B. eine Gleichgewichtsreaktion, abläuft. Die Rohrleitung fungiert dann
somit als kontinuierlich durchströmter chemischer Reaktor.
Handelt es sich dabei um eine exotherme Reaktion, so kann die freigesetzte Reaktionswärme
im SA-WÜ vom zweiten Fluid F2 an ein erstes Fluid F1 übertragen werden, sodass das
chemische Gleichgewicht in gewünschter Weise beeinflusst, d. h. in Richtung der Reaktionsprodukte
verschoben wird.
Handelt es sich dabei um eine endotherme Reaktion, so kann die benötigte Reaktionswärme
dem zweiten Fluid F2 im SA-WÜ durch ein Fluid F1 zugeführt werden, sodass das chemische
Gleichgewicht auch in diesem Fall in Richtung der Reaktionsprodukte verschoben wird.
[0079] Alle Anwendungen sind auch mit einer Reihenschaltung aus mehreren SA-WÜ realisierbar.
Um einen besonders hohen Durchsatz zu erzielen, können auch mehrere SA-WÜ parallel
geschaltet werden.
[0080] Sofern die beschriebenen Anwendungen mit Fluiden F1, F2 betrieben werden, die nur
einen geringen Druckunterschied aufweisen (< 300 kPa), so können alle Komponenten
des SA-WÜ 12 dünnwandig ausgeführt werden. Es können die in Ausführungsbeispiel 1,
Abschnitt 1c), genannten Parameter verwendet werden. Da bei einem SA-WÜ kein Massenstrom,
d. h. kein Stoffaustausch, zwischen den Fluiden F1 und F2 erfolgt, können ihre Zusammensetzung
und ihre Funktion in den oben beschriebenen Anwendungen auch vertauscht werden. Beispielsweise
kann in der Anwendung c) auch das erste Fluid F1 das reaktive Gemisch bilden, während
die Zuführung oder Abführung der Reaktionswärme über das zweite Fluid F2 erfolgt.
Ausführung des Verbindungselements VE
[0081] Fig. 15 zeigt in einer Schnittdarstellung (links) und in einer isometrischen Darstellung
(rechts) das Verbindungselement VE zur fluiddichten Verbindung von zwei Abschnitten
einer Umlenkkammer U. Es weist zwei konzentrisch angeordnete metallische Ringe auf,
wobei einer der Ringe einen etwas größeren Durchmesser
DVE, der andere einen etwas kleineren Durchmesser
dVE als die Umlenkkammer U (Durchmesser
d) hat. Die beiden Ringe sind durch Abstandshalter miteinander verbunden, sodass sie
auf beiden Seiten einen Ringspalt der Breite
hVE = (
DVE -
dVE)/2 ausbilden. In die beiden Ringspalte werden jeweils zwei Graphitbänder GB so eingelegt,
dass das eine Band am inneren Ring, das andere Band am äußeren Ring anliegt. Zwischen
den beiden Graphitbändern GB verbleibt auf beiden Seiten ein Spalt der Breite
aVE, in den jeweils ein Abschnitt der geteilten Umlenkkammer U eingesteckt wird. Die
Graphitbänder GB lassen ein Gleiten der Abschnitte der Umlenkkammer, also eine Drehung
der Abschnitte zu, umschließen die Abschnitte aber fluiddicht. Damit die Abschnitte
sicher positioniert werden können, ist, abhängig vom Durchmesser
d der Umlenkkammer, eine Mindestbreite
BVE des Verbindungselements VE zwischen 2 cm und 5 cm zu wählen.
Schlussbemerkungen
[0082] Die dargestellte Erfindung ist nicht auf die vorgestellten Ausführungsbeispiele beschränkt.
Diese können in vorteilhafter Weise kombiniert werden. Z. B. kann die in Fig. 10 vorgestellte
Brennkammer in einen chemischen Reaktor umgebaut werden. Dazu sind die Strömungswege
der Fluide F1 und F2 zu trennen und die Brennkammer mit darüber angeordnetem Abzugsschacht
druckfest zu verschließen. Dabei sind die Zuführung für das Fluid F1 parallel zur
Achse der Anordnung und die Abführung des ersten Fluids F1 zur Brennkammer zu verschließen.
Sie sind durch tangentiale Zu- und Abführungen des Fluids F1 wie bei dem in Fig. 11
und 12 dargestellten SA-WÜ zu ersetzen. Über druckfeste Rohrleitungen können beide
Fluide zu- und abgeführt werden, wobei Prozesswärme vom zweiten Fluid F2, das die
in einen chemischen Reaktor umgebaute Brennkammer durchströmt, über die I-WS an das
erste Fluid F1 übertragen werden kann. Dabei kann sowohl eine Wärmezufuhr als auch
eine Wärmeabfuhr erfolgen.
[0083] Die in dieser Anmeldung beschriebenen R-KS-WÜ sind beispielhaft horizontal oder vertikal
ausgerichtet. Es ist natürlich möglich, die Anordnungen beliebig auszurichten, also
einen beliebigen Neigungswinkel für den Strömungsweg des Fluids F2 zu wählen.
[0084] Die beschriebenen R-KS-WÜ weisen eine Zylinderform auf. Abweichungen von der Zylinderform
wären möglich, würden aber zu einer ungleichmäßigen Materialbelastung, einem ungünstigen
Strömungsverhalten und einer aufwendigeren Konstruktion führen. Sie sind daher technisch
nicht sinnvoll.
[0085] Bei der Fertigung der verschiedenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen R-KS-WÜ
werden dem Fachmann in Hinsicht auf die Herstellung der einzelnen Komponenten keine
Einschränkungen der bekannten Fertigungsverfahren des Urformens und Umformens gemacht.
Bezogen auf die Fügetechnik der einzelnen Komponenten stehen dem Fachmann die bekannten
stoffschlüssigen Verbindungen wie Schweißen und Löten zur Verfügung.
[0086] Ebenso können einzelne Komponenten des R-KS-WÜ durch additive Fertigung, auch bekannt
als 3D-Druck, hergestellt werden.
[0087] Der Inhalt der in dieser Anmeldung zitierten und verlinkten Dokumente ist Teil der
Offenbarung.
Liste der Bezugszeichen
[0088]
- 10
- - Radial-Kreuzstrom-Wärmeübertrager (R-KS-WÜ)
- 11
- - integrierter Wärmeübertrager (I-WÜ)
- 12
- - Stand-Alone-Wärmeübertrager (SA-WÜ)
- 24
- - Verschlüsse der Zu- und Abführungen des ersten Fluids F1 parallel zur Achse A
- 26
- - Öffnungen zur Zu- und Abführung des ersten Fluids F1 senkrecht zur Achse A
- 30
- - Anlage der thermischen Verfahrenstechnik
- A
- - Symmetrieachse des R-KS-WÜ
- AF1, AF2
- - Außenflansche
- AH
- - Außenhülle
- AO
- - Auslassöffnung
- AR
- - Außenrohr
- AR1, AR2
- - Außenringe
- BK
- - Brennkammer
- De
- - Decke der Brennkammer
- DU
- - Verschluss an der Deckfläche der Umlenkkammer U
- EO
- - Einlassöffnung
- F1
- - erstes Fluid, die WÜ-Elemente des R-KS-WÜ radial durchströmend
- F2
- - zweites Fluid, die Zwischenräume der WÜ-Elemente des R-KS-WÜ senkrecht durchströmend
- GB
- - Graphitband
- GP
- - Grundplatte
- GU
- - Verschluss an der Grundfläche der Umlenkkammer U
- HP
- - Halteplatte
- HR
- - Hüllrohr
- IK
- - innere Kammer einer Anlage 30
- K
- - Abzugsschacht
- R
- - Rippenelemente
- RK
- - Rückführkammer
- R1, R2
- - Reihen mit schlitzförmigen Öffnungen SA1 bzw. SA2
- SA1, SA2
- - schlitzförmige Öffnungen der Außenringe AR1, AR2
- SU1, SU2
- - schlitzförmige Öffnungen im Zylindermantel ZU der Umlenkkammer U, angeordnet in zwei Reihen
- T1, T2
- - tangentiale Anschlüsse
- TV
- -Trennvorrichtung
- U
- - Umlenkkammer
- UR1, UR2-
- Umlenkrohre
- ULR
- - Umlenkrippen
- V
- - Verbindungsrohr
- VB1
- - Verbindung von der Außenhülle AH zur Brennkammer BK.
- VB2
- - Verbindung von der Rückführkammer RK zu dem zylinderringförmigen Raum, in dem die
WÜ-Elemente WE1, WE2 verlaufen
- VE
- - optionales Verbindungselement (erforderlich, wenn die Umlenkkammer in zwei Abschnitte
geteilt ist)
- WE1
- - WÜ-Element, das eine Öffnung SU1 mit einer Öffnung SA1 verbindet
- WE1*
- - WÜ-Element, das in Fig. 3 zur Erläuterung der Parameter S und ρ hervorgehoben ist
- WE2
- - WÜ-Element, das eine Öffnung SU2 mit einer Öffnung SA2 verbindet
- WI
- - Wand einer technischen Anlage, in welche ein I-WÜ integriert wird
- WR
- - Wellrippe
- Z
- - Zuleitung zur Brennkammer
- ZU
- - Zylindermantel der Umlenkkammer U
Liste der Formelzeichen
[0089]
- a
- - Abstand der Öffnungen SU1, SU2 zur Grund- bzw. Deckfläche der Umlenkkammer
- aVE
- - Spalt zwischen zwei Graphitbändern für einen Abschnitt des Umlenkrohrs U
- BU
- - Breite der Öffnungen SU1, SU2
- BVE
- - Breite des Verbindungselements VE
- hVE
- - Spalt ohne Graphitband
- BWE
- - Breite des Querschnitts der WÜ-Elemente WE1, WE2
- d
- - Durchmesser der Umlenkkammer U
- D
- - Durchmesser des Außenrohrs AR
- DAn
- - Durchmesser einer Anlage, in die ein I-WÜ integriert wird
- DHR
- - Durchmesser des Hüllrohrs HR
- DVE, dVE
- - Außen- und Innendurchmesser des Verbindungselements VE
- H
- - Höhe des Außenrohrs AR
- L
- - Länge der schlitzförmigen Öffnungen SA1, SA2 im Falle gleicher Länge (L = L1 = L2)
- L1, L2
- - Länge der schlitzförmigen Öffnungen SA1, SA2
- N
- - Anzahl der schlitzförmigen Öffnungen SA1, SA2 je Außenring AR1, AR2, der Öffnungen SU1, SU2 der Umlenkkammer U und der WÜ-Elemente WE1 und WE2
- S
- - Durchmesser schaufelförmig gebogenen WÜ-Elemente WE1, WE2 (Schaufeldurchmesser)
- T1
- - Temperatur des ersten Fluids F1
- T2
- - Temperatur des zweiten Fluids F2
- ρ
- - Teilkreis der einem Kreisbogen folgenden schaufelförmig gebogenen WÜ-Elemente WE1, WE2
1. Radial-Kreuzstrom-Wärmeübertrager (10, 11, 12), aufweisend ein Außenrohr (AR) und
eine in seinem Inneren befindliche konzentrisch gelagerte, beidseitig verschlossene
Umlenkkammer (U),
dadurch gekennzeichnet, dass
- sich auf der Außenseite des Außenrohrs (AR) eine Trennvorrichtung (TV) befindet,
die das Außenrohr in zwei Außenringe (AR1, AR2) aufteilt,
- die Außenringe (AR1, AR2) jeweils mit mehreren Öffnungen (SA1, SA2) versehen sind,
- die Umlenkkammer (U) zwei Reihen von Öffnungen (SU1, SU2) aufweist, deren Anzahl der Anzahl der Öffnungen (SA1, SA2) in den Außenringen (AR1, AR2) entspricht, wobei sich die erste Reihe der Öffnungen (SU1) auf gleicher Höhe mit den Öffnungen (SA1) des ersten Außenrings (AR1) befindet und sich die zweite Reihe der Öffnungen (SU2) auf gleicher Höhe mit den Öffnungen (SA2) des zweiten Außenrings (AR2) befindet,
- jede Öffnung (SU1) der ersten Reihe über ein als Hohlkörper ausgebildetes Wärmeübertrager-Element (WE1) mit einer Öffnung (SA1) des ersten Außenrings (AR1) verbunden ist und jede Öffnung (SU1) der zweiten Reihe über ein als Hohlkörper ausgebildetes Wärmeübertrager-Element
(WE2) mit einer Öffnung (SA2) des zweiten Außenrings (AR2) verbunden ist,
sodass ein erster Strömungsweg von den Öffnungen (S
A1) des ersten Außenrings (AR
1) zentripetal durch die Wärmeübertrager-Elemente (WE
1), die erste Reihe der Öffnungen (S
U1) der Umlenkkammer (U), die Umlenkkammer (U), die zweite Reihe der Öffnungen (S
U2) der Umlenkkammer (U), die Wärmeübertrager-Elemente (WE
2) zentrifugal zu den Öffnungen (S
A2) des zweiten Außenrings (AR
2) gebildet wird, in welchem ein erstes Fluid (F1) strömbar ist,
und ein zweiter Strömungsweg, welcher parallel zur gemeinsamen Achse (A) des Außenrohrs
(AR) und der konzentrisch positionierten Umlenkkammer (U) durch Zwischenräume zwischen
den Wärmeübertrager-Elementen (WE
1, WE
2) verläuft und durch die Innenwand des Außenrohrs AR begrenzt ist, gebildet wird,
in welchem ein zweites Fluid (F2) strömbar ist.
2. Radial-Kreuzstrom-Wärmeübertrager (10, 11, 12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkkammer (U) in zwei Abschnitte geteilt ist, die durch ein Verbindungselement
(VE) miteinander verbunden sind, sodass beide Abschnitte der Umlenkkammer (U) frei
gegeneinander verdrehbar sind, wobei die Dichtheit der Umlenkkammer (U) gegenüber
den Fluiden F1 und F2 gewährleistet ist und ein Massenstrom zwischen den Fluiden F1
und F2 verhindert wird.
3. Radial-Kreuzstrom-Wärmeübertrager (10, 11, 12) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertrager-Elemente (WE1, WE2) schaufelförmig gebogen sind, wobei die Wärmeübertrager-Elemente (WE1), die mit den Öffnungen (SU1) der ersten Reihe verbunden sind, in die gleiche Richtung wie die Wärmeübertrager-Elemente
(WE2), die mit den Öffnungen (SU2) der zweiten Reihe verbunden sind, gebogen sind oder die Wärmeübertrager-Elemente
(WE1), die mit den Öffnungen (SU1) der ersten Reihe verbunden sind, in die entgegengesetzte Richtung wie die Wärmeübertrager-Elemente
(WE2), die mit den Öffnungen (SU2) der zweiten Reihe verbunden sind, gebogen sind.
4. Radial-Kreuzstrom-Wärmeübertrager (10, 11, 12) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (SA1, SA2) der Außenringe (AR1, AR2) äquidistant über den Umfang der Außenringe (AR1, AR2) und die Öffnungen (SU1, SU2) der Umlenkkammer (U) in beiden Reihen äquidistant über den Umfang der Umlenkkammer
(U) verteilt sind.
5. Radial-Kreuzstrom-Wärmeübertrager (10, 11, 12) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die als Hohlkörper ausgebildeten Wärmeübertrager-Elemente (WE1, WE2) nahe der Umlenkkammer (U) einen Querschnitt in Form eines langgestreckten Rechtecks,
dessen Ecken abgerundet sein können, aufweisen, der über ihre Länge gleich bleibt
oder sich nach außen hin zu einem Oval oder einem Kreis erweitert.
6. Radial-Kreuzstrom-Wärmeübertrager (10, 11, 12) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die als Hohlkörper ausgebildeten Wärmeübertrager-Elemente (WE1, WE2) als Flossenrohre ausgeführt sind und/oder dass Rippenelemente zwischen benachbarten
Wärmeübertrager-Elementen (WE1, WE2) und/oder in das Innere der Wärmeübertrager-Elemente (WE1, WE2) eingebaut sind.
7. Radial-Kreuzstrom-Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ausgeführt als
integrierter Wärmeübertrager (11), dadurch gekennzeichnet,
dass er in eine Anlage eingebaut wird, die eine innere Wand (WI) bereitstellt, indem das
Außenrohr (AR) fluiddicht auf die innere Wand (WI) aufgesetzt wird und ein als äußere
Wand dienendes Hüllrohr (HR) bereitgestellt wird, sodass zwischen dem Hüllrohr (HR)
und der Wand (WI) mit dem aufgesetzten Außenrohr (AR) eine Außenhülle (AH) gebildet
wird, welche durch die bis zum Hüllrohr (HR) reichende Trennvorrichtung (TV) in zwei
räumlich getrennte Bereiche (20, 22) getrennt wird, und dass die Wand (WI) mit Öffnungen
(SWI1, SWI2) ausgestattet wird, die deckungsgleich zu den Öffnungen (SA1, SA2) der Außenringe (AR1, AR2) positioniert sind,
sodass ein in den ersten Bereich (20) der Außenhülle (AH) zuführbares Fluid (F1) über
den ersten Strömungsweg in den zweiten Bereich (22) der Außenhülle (AH) strömbar und
aus diesem abführbar ist,
und dass ein zweites Fluid (F2) durch den von der inneren Wand (WI) und das Außenrohr (AR)
umschlossenen Raum strömbar ist, wobei es den integrierten Wärmeübertrager (11) entlang
des zweiten Strömungswegs durchquert.
8. Radial-Kreuzstrom-Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ausgeführt als
Stand-Alone-Wärmeübertrager (12), dadurch gekennzeichnet, dass er mit einem Hüllrohr (HR) ausgestattet ist, sodass zwischen dem Hüllrohr (HR) und
dem Außenrohr (AR) eine Außenhülle (AH) gebildet wird, welche durch eine bis zum Hüllrohr
(HR) reichende Trennvorrichtung (TV) in zwei räumlich getrennte Bereiche (20, 22)
getrennt ist,
sodass ein in den ersten Bereich (20) der Außenhülle (AH) zugeführtes erstes Fluid
(F1) über den ersten Strömungsweg in den zweiten Bereich (22) der Außenhülle (AH)
strömbar und aus diesem abführbar ist,
und dass an das Außenrohr (AR) eine Leitung zur Zu- und Abführung eines zweiten Fluids
(F2) angeschlossen ist, sodass das zweite Fluid (F2) entlang des zweiten Strömungswegs
durch den Radial-Kreuzstrom-Wärmeübertrager (12) strömbar ist.
9. Radial-Kreuzstrom-Wärmeübertrager (12) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass seine Außenhülle (AH) mit mindestens einem tangentialen Anschluss (T1), über den das erste Fluid (F1) in den ersten Bereich (20) der Außenhülle (AH) zuführbar
ist, und mit mindestens einem tangentialen Anschluss (T2), über den das erste Fluid (F1) aus dem zweiten Bereich (22) der Außenhülle (AH)
abführbar ist, ausgestattet ist.
10. Modulare Wärmeübertrager-Einheit, aufweisend eine Reihenschaltung aus mehreren Radial-Kreuzstrom-Wärmeübertragern,
die als integrierte Wärmeübertrager (11) ausgebildet sind oder aufweisend eine Reihenschaltung
oder eine Parallelschaltung aus mehreren Radial-Kreuzstrom-Wärmeübertragern, die als
Stand-Alone-Wärmeübertrager (12) ausgebildet sind.
11. Verwendung eines Radial-Kreuzstrom-Wärmeübertragers, ausgeführt als integrierter Wärmeübertrager
(11) gemäß Anspruch 7 oder einer modularen Wärmeübertrager-Einheit gemäß Anspruch
10 in Verbindung mit einer Brennkammer (BK) zur Wärmeübertragung zwischen einem durch
die Außenhülle (AH) und über den ersten Strömungsweg strömenden ersten Fluid (F1)
und einem durch den von der inneren Wand (WI) der Brennkammer (BK) mit dem aufgesetzten
integrierten Wärmeübertrager (11) umschlossenen Raum entlang des zweiten Strömungswegs
strömenden zweiten Fluid (F2).
12. Verwendung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Fluid (F1) nach Durchlaufen der Außenhülle (AH) der Brennkammer (BK) zugeführt
und in das zweite Fluid (F2) umgesetzt wird.
13. Verwendung eines Radial-Kreuzstrom-Wärmeübertragers, ausgeführt als Stand-Alone-Wärmeübertrager
(12) gemäß Anspruch 8 oder 9 oder einer modularen Wärmeübertrager-Einheit gemäß Anspruch
10 zur Wärmeübertragung zwischen einem in der Außenhülle (AH) und über den ersten
Strömungsweg strömenden ersten Fluid (F1) und einem durch eine beidseitig an das Außenrohr
(AR) angeschlossene Leitung und über den zweiten Strömungsweg strömenden zweiten Fluid
(F2).
14. Verwendung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Fluid (F1) Prozessabwärme oder Wärme aus einem Wärmespeicher an das zweite
Fluid (F2) überträgt, wobei die Zusammensetzung und die Funktion beider Fluide vertauscht
werden können.
15. Verwendung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Fluid (F2) ein reaktives Gemisch ist, in dem eine Gleichgewichtsreaktion
abläuft, und dass durch das erste Fluid (F1) dem zweiten Fluid (F2) Reaktionswärme
zugeführt oder von ihm abgeführt wird, wobei die Zusammensetzung und die Funktion
beider Fluide auch vertauscht werden können.