DE1201856B

DE1201856B - Vorrichtung zum UEbertragen der Waerme eines Gases auf das Arbeitsmittel eines Waerme verbrauchenden Prozesses

Info

Publication number: DE1201856B
Application number: DES59329A
Authority: DE
Inventors: Manfred Siebker
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1958-08-07
Filing date: 1958-08-07
Publication date: 1965-09-30

Description

Vorrichtung zum übertragen der Wärme eines Gases auf das Arbeitsmittel eines Wärme verbrauchenden Prozesses Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Übertragen der Wärme eines Gases auf das Arbeitsmittel eines Wärme verbrauchenden Prozesses, z. B. eines chemischen Prozesses oder eines Dampfkraft-Prozesses.
Bekannt ist die direkte Wärineabgabe des Gases an Heizflächen chemischer Anlagen sowie an die Vorwäriner-, Verdampfer- und überhitzerheizflächen von Dampfkraftanlagen. Nachteilig sind dabei vor allem die großen Abmessungen und Gewichte der Wärmetauscher infolge des schlechten Wärmeübergangs vom Gas auf die Heizflächen (besonders bei Kernkraftwerken mit gasgekühlten Reaktoren niedriger Austrittstemperatur). Vergrößerung der spezifischen Oberfläche, z. B. durch Berippung, verbessert diese Situation zwar, bringt jedoch hohe Fertigungskosten mit sich.
Es ist daher bereits vorgeschlagen worden, den Wärmeinhalt von heißen Gasen durch direkten Wärineaustausch in Rieselvorrichtungen an eine Flüssigkeit niedrigen Partialdruckes zu übertragen und diese dann durch indirekt wirkende Wärmetauscher ihre Wärme an das endgültige Arbeitsmittel abgeben zu lassen. Die direkte Berührung des Gases mit den Flüssigkeitspartikeln bedeutet eine große Wärmeübergangsfläche je Volumeneinheit. Da die Wärmeübergangszahl von Flüssigkeiten an eine Wand praktisch um Größenordnungen höher liegt als die von Gasen (zumindest bei niedrigen Drücken und vergleichbaren Druckabfällen), ist der Wärinetauscher für das Arbeitsmittel relativ klein, vorausgesetzt, daß die Wärmeübergangszahl des eigentlichen Arbeitsmittels mindestens in der gleichen Größenordnung liegt wie die der Wärmeübertragungsflüssigkeit (was durchweg der Fall ist).
Großtechnisch ausgeführt wurden solche Anlagen jedoch nicht, da die erhofften Vorteile durch die Komplizierung des Gesamtsysterns praktisch aufgehoben wurden.
Gemäß der Erfindung wird die Möglichkeit geschaffen, das Prinzip der Kombination von direktem und indirektem Wärmeaustausch durch eine Reihe von Maßnahmen wirtschaftlich anzuwenden. Die vorgeschlagenen Maßnahmen bewirken eine drastische Verringerung des Kraftverbrauches und führen zu einfachen und kompakten Anordnungen.
Erfindungsgemäß wird eine Verringerung der Heizflächen dadurch erreicht, daß das Gas seine Wärme durch Hindurchperlen an eine Wärmeübertragungsflüssigkeit abgibt, die sie ihrerseits an die Heizflächen der Wärme verbrauchenden Anlage überträgt. Bei hinreichend feiner Verteilung des in die Flüssigkeit eintretenden Gases mittels poröser oder gelochter Böden ergibt sich eine große spezifische Oberfläche des Gases und damit ein ausgezeichneter Wärmeübergang auf die Flüssigkeit.
Ein weiterer Gedanke der Erfindung ist es, das Hindurchperlen des Gases durch die Wärmeübertragungsflüssigkeit (z. B. flüssiges Metall, Salzschmelze, Diphenyl) gleichzeitig dazu zu benutzen, einen Umlauf der Flüssigkeit hervorzurufen oder diesen zu verbessern. Letzteres wird dadurch erreicht, daß durch geeignete Anordnung der Gasverteilerböden das Gas nur in einem Teil des Querschnittes der übertragungsflüssigkeit hochperlt und dieser Teil durch eine Lenkwand gegen das Fallgebiet der Flüssigkeit abgegrenzt wird. Das Fallgebiet kann auch die Form von Fallrohren od. ä. aufweisen. Die Bewegung der Wärmeübertragungsflüssigkeit kann durch Umpumpen verstärkt werden.
Eine zusätzliche Idee der Erfindung betrifft das Ausnutzen der Turbulenzerhöhung in der Hilfsflüssigkeit durch die Rührwirkung der Gasblasen zum Erhöhen des Wärmeübergangs an den Heizflächen zwischen Hilfsflüssigkeit und Arbeitsmittel.
Um den Vordruck des Gases niedrig zu halten, ist erfindungsgemäß die Möglichkeit vorgesehen, die Perlstrecke kürzer zu halten als die Umlaufhöhe der Flüssigkeit. Ferner wird es oft zweckmäßig sein, mehrere erfindungsgemäße Wärmeübergangseinrichtungen hinsichtlich der Gasführung parallel und/oder in Serie zu schalten, letzteres vor allem dann, wenn ein großer Temperaturabfall des Gases erreicht werden soll und wenn sich organisch eine Aufteilung in verschiedene Helzflächengebiete, wie Vorwärmer, Verdampfer und überhitzer, ergibt. Auch eine Serienschaltung hinsichtlich der Wärmeübertragungsflüssigkeit ist möglich.
Um auch beim Ausfallen der Gebläse eine wenigstens teilweise Kühlung des Gases zu ermöglichen, ist vorgesehen, die Wärmeübertragungsflüssigkeit in diesem Fall schnell abzulassen und die Gasvertei-Jungsböden zu entfernen oder durch Umgehungsleitungen kurzzuschließen. Ist außerdem die Voraussetzung erfüllt, daß der Strömungswiderstand für das Gas (bei abgelassener Flüssigkeit) innerhalb der Wärmeübertragungseinrichtungen über den Strömungsquerschnitt annähernd gleich ist, so bewirkt der Thermosiphonumlauf des Gases eine, wenn auch geringe, Wärmeabgabe an die Heizfläche. Sie sollte im Falle der Kernreaktorkühlung so bemessen sein, daß beim Ausfall der Gebläse und gleichzeitigem Abschalten des Reaktors die in diesem entstehende Restwärme keine unzulässig hohen Temperaturwerte auftreten läßt.
Die A b b. 1, 2, 3 und 4 zeigen schematisch einige Ausführungsbeispiele. Dabei bezeichnet 1 die Wärmeübertragungsgefäße, t2 2 die Gaseintritte, 3 die gasdurchlässigen Verteilerböden, 4 die aufstelaenden Gasblasen, 5 die freie Oberfläche der Wärmeübertragungsflüssigkeit, 6 das Fallgebiet bzw. die Fallrohre, 7 die Wärme aufnehmenden Heizflächen, 8 die Gasaustritte, 9 die Lenkwände, 10 Verbindungskanäle für die Wärmeübertragungsflüssigkeit.
Ab b. 1 gibt den Fall eines erfindungsgemäßen Naturumlauf-Wänneübertragers mit heizflächenlosem FalIgebiet wieder. Dabei bewirkt das durch die Flüssigkeit perlende Gas außer der Abgabe seiner Wärme den Umlauf der Flüssigkeit und das Induzieren einer zusätzlichen Turbulenz der Flüssiakeit im Gebiet der Wärme aufnehmenden Heizflächen.
A b b. 2 zeigt eine Anordnung mit heizflächenlosem Steiggebiet und mit gegenüber der Umlaufhöhe verminderter Gassäule.
Ab b. 3 gibt ein Beispiel mit gasseitiger Hintereinanderschaltung mehrerer Einheiten an. Die einfachgestrichenen Zahlen beziehen sich auf die Vorwärmereinheit, die zweigestrichenen auf die Verdampfereinheit und die dreigestrichenen auf die überhitzereinheit.
A b b. 4 schließlich zeigt eine Gruppe von hinsichtlich des Gasstromes parallel- und hinsichtlich des Flüssigkeitsstromes in Serie geschalteten Einheiten.

Claims

Patentansprüche: 1. Vorrichtung zum übertragen der Wärme eines Gases auf das Arbeitsmittel eines Wärme verbrauchenden Prozesses mit direktem Wärmeaustausch an eine Hilfsflüssigkeit, welche einen niedrigen Partialdruck bei der Austrittstemperatur des Gases aufweist, und indirektem Wärineaustausch zwischen der Hilfsflüssigkeit und dem Arbeitsmittel des Wärme verbrauchenden Prozesses, gekennzeichnet durch die gleichzeitige Anwendung folgender Maßnahmen: a) der von der Hilfsflüssigkeit beim normalen Betrieb erfüllte Raum ist durch eine Wand (9) in ein Steiggebiet (x) und ein Fallgebiet (6) unterteilt, b) im Steiggebiet sind Vorrichtungen zum Einführen des Heizgases in die Hilfsflüssigkeit und zum gleichmäßigen Verteilen des Heizgases angeordnet (Gasverteilerboden 3), e) die Heizflächen (7) für den indirekten Wärmeaustausch zwischen Hilfsflüssigkeit und Arbeitsmittel des Wärme verbrauchenden Prozesses liegen beim normalen Betrieb unter der freien Oberfläche (5) der Hilfsflüssiakeit.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Perlstrecke, d. h. der Ab- stand des Gasverteilerbodens von der Flüssigkeitsoberfläche, kürzer ist als die Umlaufhöhe der Flüssigkeit. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasverteilerboden (3) derart zur Heizfläche (7) oder einem Teil derselben angeordnet ist, daß das Gas in deren umnittelbarer Nähe in der Flüssigkeit hochperlt. 4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die wärineaufnehmenden Heizflächen (7) derart angeordnet und ausgebildet sind, daß bei abgelassener Flüssigkeit und entferntem bzw. kurzgeschlossenem Gasverteilerboden (3) eine gleichmäßige Durchströmung der Heizflächen (7) durch das Gas gewährleistet ist. 5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasverteilerboden (3) während des Betriebes entfernbar ist bzw. durch eine Umgehungsleitung kurzgeschlossen werden kann. 6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Wärmeübertragungseinrichtungen hinsichtlich der Gasführung parallel und/oder in Serie geschaltet sind. In Betracht gezogene Druckschriften: 0 Deutsche Patentschriften Nr. 663 506, 834 795; österreichische Patentschrift Nr. 187 124; Buch »Atomkraft« von Dr. F. M ü n z i n g e r, Berlin 1955, S. 20, Abb, 17.