Wärmetauscher

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit zwischen zwei Kammern (2,4) verlaufenden Wärmetauscherrohren (3), die von einem Fluid (F₁) durchströmt und von einem anderen Fluid (F₂) angeströmt werden, sowie mit einem Überströmrohr (5), durch das ein veränderlicher Teilstrom des Fluids (F₁) unter Ver­meidung des Wärmeaustauschs hindurchführbar ist. Das Über­strömrohr (5) ist zur Veränderung seines Strömungsquer­schnitts mit einer Ventilanordnung versehen. Diese umfaßt einen das Überströmrohr (5) in der einen Endstellung der Ventilanordnung verschließenden Ventilteller (6) und einen Ventilring (8), der von dem das Überströmrohr (5) verlassenden Fluid (F₁) durchströmt wird und der in der anderen Endstellung der Ventilanordnung eine Austrittsöffnung (9) für das aus den Wärmetauscherrohren (3) austretende Fluid (F₁) verschließt. Um eine verlustarme und intensive Ver­mischung der Teilströme des Fluids (F₁) bei erheblich ver­ringertem Raumbedarf für die Mischstrecke zu garantieren, ist die Austrittsöffnung (9) in einem Sammelkonus (10) ausge­bildet, der mit dem Ventilring (8) zusammenwirkt. Der Ventil­ring (8) ist mit einer kegelförmigen, mit einer Vielzahl von Durchtrittsöffnungen (8b) versehenen Austrittsfläche (8a) versehen, deren Neigung zur Wärmetauscherlängsachse etwa der Neigung des Sammelkonus (10) entspricht.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere Abhitze-Dampferzeuger, mit zwischen zwei endseitigen Kammern verlaufenden Wärmetauscherrohren, die von einem am Wärmeaus­tausch beteiligten Fluid durchströmt und von einem anderen, dem die Wärmetauscherrohre umgebenden Gehäuse zugeführten Fluid angeströmt werden, sowie mit einem die Kammern parallel zu den Wärmetauscherrohren verbindenden Überströmrohr, durch das insbesondere zur Aufrechterhaltung einer vorgebbaren Austrittstemperatur eines der beiden Fluids ein veränder­licher Teilstrom des zwischen den Kammern strömenden Fluids unter wesentlicher Vermeidung des Wärmeaustauschs mit dem anderen Fluid hindurchführbar ist und das zur Veränderung seines Strömungsquerschnitts mit einer Ventilanordnung ver­sehen ist, die einen den Strömungsquerschnitt des Über­strömrohres in der einen Endstellung der Ventilanordnung ver­schließenden Ventilteller und einen mit dem Ventilteller über eine Ventilstange verbundenen Ventilring umfaßt, der von dem das Überströmrohr verlassenden Fluid durchströmt wird und in der anderen Endstellung der Ventilanordnung eine in der austrittsseitigen Kammer ausgebildete Öffnung für das aus den Wärmetauscherrohren austretende Fluid verschließt.

[0002] Ein Wärmetauscher der voranstehend beschriebenen Art ist aus der DE-PS 28 46 455 bekannt. Bei dieser bekannten Ausführung wird die austrittsseitige Kammer des Wärmetauschers durch eine senkrecht zu den Wärmetauscherrohren verlaufende Trenn­ wand in einen Ausströmraum und einen Mischraum unterteilt. In diesem Mischraum wird der aus den Wärmetauscherrohren aus­tretende Teilstrom mit dem das Überströmrohr passierenden Teilstrom desselben Fluids gemischt, wobei die jeweiligen Anteile der beiden Teilströme durch die Stellung der Ventil­anordnung eingestellt werden.

[0003] Diese bekannte Ausführung hat den Nachteil, daß die Ver­mischung der beiden Teilströme mit einem hohen Druckverlust verbunden ist und daß ein verhältnismäßig großer Mischraum vorgesehen werden muß, um eine einigermaßen zufrieden­stellende Vermischung der beiden Teilströme zu erzielen, ohne daß hierbei sichergestellt werden kann, daß der aus dem Aus­trittstutzen des Wärmetauschers austretende Fluidstrom nicht aus einer heißen Kernströmung und einer kälteren Randströmung besteht.

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, dessen am austrittsseitigen Ende des Überströmrohres ausgebildete Mischeinrichtung eine verlustarme und intensive Vermischung der Teilströme bei erheblich verringertem Raumbedarf für die Mischstrecke garantiert.

[0005] Die Lösung dieser Aufgabenstellung durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnung der aus­trittsseitigen Wärmetauscherkammer an einem Sammelkonus ausgebildet ist, der mit dem Ventilring zusammenwirkt, und daß der Ventilring mit einer kegelförmigen, mit einer Viel­zahl von Durchtrittsöffnungen versehenen Austrittsfläche ver­sehen ist, deren Neigung zur Wärmetauscherlängsachse etwa der Neigung des Sammelkonus entspricht.

[0006] Mit dieser erfindungsgemäßen Ausbildung wird eine Mischein­richtung geschaffen, bei der der aus den Wärmetauscherrohren austretende Teilstrom durch den Sammelkonus gezielt der Aus­trittsöffnung der endseitigen Kammer zugeführt wird, wobei dieser Teilstrom einen ringförmigen Strömungsquerschnitt passiert, der einerseits durch die Wand des Sammelkonus und andererseits durch den Ventilring gebildet wird. In diesen durch die Neigung des Sammelkonus gezielt zur Austritts­öffnung gerichteten Teilstrom wird derjenige Teilstrom desselben Fluids eingeleitet, der aus dem Überströmrohr aus­tritt. Da dieser Austritt aus einer kegelförmigen Austritts­fläche des Ventilringes erfolgt, deren Neigung zur Wärme­tauscherlängsachse etwa der Neigung des Sammelkonus ent­spricht, ergibt sich eine intensive Vermischung der beiden Teilströme innerhalb einer kurzen Mischstrecke. Zu diesem Zweck ist die kegelförmige Austrittsfläche mit einer Vielzahl von Durchtrittsöffnungen versehen, die das aus dem Überström­rohr austretende Fluid in eine Vielzahl kleiner Strömungs­fäden aufteilt, die verteilt über den ringförmigen Strömungs­querschnitt zwischen Sammelkonus und kegelförmiger Austritts­fläche in den aus den Wärmetauscherrohren kommenden Teilstrom eingemischt werden. Es erfolgt somit sowohl eine intensive als auch eine verlustarme Durchmischung der beiden Teilströme innerhalb einer sehr kurzen Mischstrecke, so daß für den Mischvorgang nur ein geringer Raumbedarf besteht.

[0007] Die mengenmäßige Veränderung der beiden Teilströme kann - wie bekannt - durch eine Verstellung einerseits des Ventilringes gegenüber dem Sammelkonus und andererseits des Ventiltellers gegenüber dem Überströmrohr erfolgen, so daß eine vorgegebene Austrittstemperatur eines der beiden am Wärmeaustausch teil­nehmenden Fluids innerhalb enger Grenzen konstant gehalten werden kann.

[0008] Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird die austrittseitige Kammer durch den Sammelkonus gebildet, dessen Austrittsöffnung zugleich als Austrittstutzen des Wärme­tauschers ausgeführt ist. Sofern ein ausreichend großer Raum zur Verfügung steht und/oder nach der Mischstrecke eine Art Beruhigungszone ausgebildet werden soll, kann der Sammelkonus gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung auch innerhalb der austrittseitigen Kammer angeordnet sein, die ihrerseits mit einem Austrittstutzen versehen ist.

[0009] Auf der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele des er­findungsgemäßen Wärmetauschers dargestellt, und zwar zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines schematisch dargestellten Wärmetauschers,

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung der Ventilanordnung nach Fig.1 und

Fig. 3 eine der Fig.2 entsprechende Darstellung einer zweiten Ausführungsform.

[0010] Der in Fig.1 verkürzt dargestellte Wärmetauscher hat ein zylindrisches Gehäuse 1, an dessen einem Ende eine mit einer Isolierung 2a versehene Eintrittskammer 2 für das wärmeab­gebende Fluid F₁ angeordnet ist. Dieses Fluid F₁ wird durch Wärmetauscherrohre 3 geführt, die sich zwischen der Eintrittskammer 2 und einer austrittseitigen Kammer 4 er­strecken. Das abgekühlte Fluid F₁ verläßt die austrittseitige Kammer 4 durch einen Austrittstutzen 4a. Das wärmeaufnehmende Fluid F₂ wird dem die Wärmetauscherrohre 3 umgebenden Gehäuse 1 durch einen Stutzen 1a zugeführt. Es beaufschlagt die Wärmetauscherrohre von außen und verläßt nach seiner Auf­heizung das Gehäuse 1 durch einen Stutzen 1b.

[0011] Die Eintrittskammer 2 und die austrittseitige Kammer 4 sind miteinander parallel zu den Wärmetauscherrohren 3 durch ein Überströmrohr 5 verbunden, das mit einer Isolierung 5a ver­sehen ist. Am austrittseitigen Ende dieses Überströmrohres 5 ist eine Ventilanordnung ausgebildet, die vergrößert in den Figuren 2 und 3 dargestellt ist.

[0012] Diese Ventilanordnung umfaßt einen Ventilteller 6, mit dem in der einen Endstellung der Strömungsquerschnitt des Überström­rohres 5 vollständig verschlossen werden kann und der an einer Ventilstange 7 angeordnet ist. An dieser Ventilstange 7 ist weiterhin ein Ventilring 8 befestigt, der von dem das Überströmrohr 5 verlassenden Fluid F₁ durchströmt wird und der in der anderen Endstellung der Ventilanordnung eine Austrittsöffnung 9 verschließt, die in einem Sammelkonus 10 ausgebildet ist. Dieser Sammelkonus 10 ist derart in der aus­trittseitigen Kammer 4 angeordnet, daß die Austrittsöffnungen sämtlicher Wärmetauscherrohre 3 innerhalb des Sammelkonus 10 münden. Auf diese Weise wird der Sammelkonus 10 und seine Austrittsöffnung 9 von der Gesamtheit desjenigen Anteils des Fluids F₁ durchströmt, das aus den Wärmetauscherrohren 3 aus­tritt.

[0013] Die Ventilstange 7 wird von einem Stellmotor 11 betätigt, der auf der Außenseite der austrittseitigen Kammer 4 angeordnet ist. Mittels dieses Stellmotors 11 kann die Ventilstange 7 in zwei Endstellungen und sämtliche Zwischenstellungen überführt werden. In der einen Endstellung verschließt der Ventilteller 6 den gesamten Querschnitt des Überströmrohres 5. In dieser Endstellung strömt das wärmeabgebende Fluid F₁ insgesamt durch die Wärmetauscherrohre 3; es gelangt in den Sammelkonus 10 und verläßt diesen durch die Austrittsöffnung 9. In der anderen Endstellung gibt der Ventilteller 6 den Strömungs­querschnitt des Überströmrohres 5 frei, wogegen der Ventil­ ring 8 am Sammelkonus 10 in einem Bereich anliegt, der die Austrittsöffnung 9 umgibt. Auf diese Weise werden die Wärme­tauscherrohre 3 auf ihrer Austrittsseite durch den Rückstau verschlossen; das wärmeabgebende Fluid F₁ strömt vollständig durch das Überströmrohr 5 und gelangt durch das Innere des Ventilringes 8 in die Austrittsöffnung 9. Da das Überström­rohr 5 mit einer Isolierung 5a versehen ist, wird in dieser Endstellung ein Wärmeaustausch zwischen dem wärmeabgebenden Fluid F₁ und dem wärmeaufnehmenden Fluid F₂ nahezu ver­hindert.

[0014] Durch die Zwischenstellungen, die stufenlos zwischen diesen beiden voranstehend beschriebenen Endstellungen mittels des Stellmotors 11 über die Ventilstange 7 eingestellt werden können, kann diejenige Teilmenge vorbestimmt werden, die am Wärmeaustausch teilnimmt, wogegen die andere Teilmenge nahezu vom Wärmeaustausch ausgeschlossen wird. Die voranstehend be­schriebene Ventilanordnung kann demzufolge dazu benutzt werden, entweder die Austrittstemperatur des Fluids F₁ oder des Fluids F₂ in engen Grenzen zu regeln.

[0015] Um eine gute Durchmischung derjenigen Teilmenge des wärmeab­gebenden Fluids F₁, die aus den Wärmetauscherrohren 3 aus­tritt, mit der Teilmenge zu bewirken, die das Überströmrohr 5 verläßt, ist der Ventilring 8 mit einer kegelförmigen, mit einer Vielzahl von Durchtrittsöffnungen 8b versehenen Aus­trittsfläche 8a versehen, deren Neigung zur Wärmetauscher­längsachse etwa der Neigung des Sammelkonus 10 zu dieser Wärmetauscherlängsachse entspricht. Auf diese Weise wird - wie in den Figuren 2 und 3 zu erkennen - eine gute Durch­mischung der beiden Teilströme erzeugt, bevor diese die Aus­trittsöffnung 9 des Sammelkonus 10 verlassen. Die aus dem Überströmrohr 5 austretende Teilmenge wird durch die Durch­trittsöffnungen 8b in der Art einer Dusche in den gebündelten Teilstrom eingedüst, der aus dem Sammelkonus 10 austritt. Auf diese Weise wird verhindert, daß aus der Austrittsöffnung 9 Strähnen des wärmeabgebenden Fluids F₁ mit sehr unterschied­licher Temperatur austreten. Beim Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 und 2 ist die austrittseitige Kammer 4 deshalb lediglich zur Vergleichmäßigung der Strömung vorgesehen, ohne daß in dieser austrittseitigen Kammer 4 eine Vermischung der beiden Teilströme des wärmeabgebenden Fluids F₁ stattfindet.

[0016] Durch die intensive Vermischung der beiden Teilströme des Fluids F₁ im Bereich der Austrittsöffnung 9 ist es möglich, gemäß der Ausführungsform nach Fig.3 vollständig auf die aus­trittseitige Kammer 4 zu verzichten und den Austrittstutzen 4a unmittelbar an die Austrittsöffnung 9 anzuschließen, wie dies Fig.3 zeigt. Ansonsten entspricht die Ventilanordnung beim Ausführungsbeispiel nach Fig.3 der Ventilanordnung des ersten Ausführungsbeispiels gemäß den Figuren 1 und 2.

Bezugszeichenliste:

[0017] 

F₁ wärmeabgebendes Fluid

F₂ wärmeaufnehmendes Fluid

1 Gehäuse

1a Stutzen

1b Stutzen

2 Eintrittskammer

2a Isolierung

3 Wärmetauscherrohr

4 austrittseitige Kammer

4a Austrittstutzen

5 Überströmrohr

5a Isolierung

6 Ventilteller

7 Ventilstange

8 Ventilring

8a Austrittsfläche

8b Durchtrittsöffnung

9 Austrittsöffnung

10 Sammelkonus

11 Stellmotor

Ansprüche

1. Wärmetauscher, insbesondere Abhitze-Dampferzeuger, mit zwischen zwei endseitigen Kammern verlaufenden Wärme­tauscherrohren, die von einem am Wärmeaustausch be­teiligten Fluid durchströmt und von einem anderen, dem die Wärmetauscherrohre umgebenden Gehäuse zugeführten Fluid angeströmt werden, sowie mit einem die Kammern parallel zu den Wärmetauscherrohren verbindenden Überströmrohr, durch das insbesondere zur Aufrechterhaltung einer vorgebbaren Ausstrittstemperatur eines der beiden Fluids ein veränder­licher Teilstrom des zwischen den Kammern strömenden Fluids unter wesentlicher Vermeidung des Wärmeaustauschs mit dem anderen Fluid hindurchführbar ist und das zur Ver­änderung seines Strömungsquerschnitts mit einer Ventil­anordnung versehen ist, die einen den Strömungsquerschnitt des Überströmrohres in der einen Endstellung der Ventil­anordnung verschließenden Ventilteller und einen mit dem Ventilteller über eine Ventilstange verbundenen Ventilring umfaßt, der von dem das Überströmrohr verlassenden Fluid durchströmt wird und in der anderen Endstellung der Ventilanordnung eine in der austrittseitigen Kammer ausge­bildete Öffnung für das aus den Wärmetauscherrohren aus­tretende Fluid verschließt,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Austrittsöffnung (9) an einem Sammelkonus (10) ausgebildet ist, der mit dem Ventilring (8) zusammenwirkt, und daß der Ventilring (8) mit einer kegelförmigen, mit einer Vielzahl von Durchtrittsöffnungen (8b) versehenen Austrittsfläche (8a) versehen ist, deren Neigung zur Wärmetauscherlängsachse etwa der Neigung des Sammelkonus (10) entspricht.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die austrittseitige Kammer (4) durch den Sammelkonus (10) gebildet ist, dessen Austrittsöffnung (9) zugleich als Austrittstutzen (4a) des Wärmetauschers ausgeführt ist.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sammelkonus (10) innerhalb der austrittseitigen Kammer (4) angeordnet ist, die ihrerseits mit einem Austritt­stutzen (4a) versehen ist.

Zeichnung