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Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Wärmetauscher kommen in zahlreichen Anwendungen zum Einsatz. So zum Beispiel auch bei der Tieftemperaturzerlegung von Luft zur Gewinnung eines gasförmigen Druckprodukts (z. B. Sauerstoff, Reinstickstoff, unreiner Stickstoff, usw.). In einem typischen Prozessablauf wird die zu zerlegende Einsatzluft dabei in einem Hauptwärmetauscher, der in der Regel als Plattenwärmetauscher ausgebildet ist, durch indirekten Wärmeaustausch mit den gewonnenen Gasströmen auf die Verfahrenstemperatur abgekühlt. Vom Hauptwärmetauscher wird die verdichtete und gekühlte Luft einer Rektifikationseinheit mit einer Drucksäule und einer Niederdrucksäule zugeführt. Der Niederdrucksäule können dann verschiedene Gasströme entnommen werden, welche dann dem Hauptwärmetauscher zugeführt und durch den indirekten Wärmeaustausch mit der Einsatzluft erwärmt werden.
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Der flüssige Sauerstoff, Stickstoff oder Argon, der der Rektifikationseinheit entnommen wird, wird vor seiner Zufuhr zum Hauptwärmetauscher in vielen Fällen innenverdichtet, zum Beispiel mit einer Innenverdichtungspumpe. Ein derartiges Luftzerlegungsverfahren ist zum Beispiel in der
DE 100 21 081 A1 der Anmelderin beschrieben.
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Bei einem solchen Hauptwärmetauscher in Form eines Plattenwärmetauschers, der mit hohen Drücken betrieben wird, besteht die Gefahr von Schäden aufgrund Undichtheiten durch den hohen Druck. Bei dem Plattenwärmetauscher kann es aufgrund der Kerbwirkung bei hohen Drücken der beteiligten Fluidströme zu hohen Spannungen an den Lötstellen der Rippen/Fins, den seitlichen Verbindungen der Platten und den Schweißnähten der Sammler/Header kommen, was wiederum zu Undichtheiten an diesen Stellen führen kann.
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Die
EP 1 406 057 A1 schlägt daher zum Beispiel die Verwendung dickerer Rippen vor, um stabilere Lötverbindungen erreichen zu können und damit die Stabilität des Plattenwärmetauschers zu erhöhen. Eine Verstärkung der Platten ist dagegen nur begrenzt möglich, da dies dem beabsichtigten Wärmeaustausch entgegenwirkt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Wärmetauscher zu schaffen, der auch bei hohen Drücken eine ausreichende Stabilität bzw. Dichtheit aufweist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Der Wärmetauscher weist wenigstens einen ersten Fluidkanal für ein erstes Fluid und wenigstens einen zweiten Fluidkanal für ein zweites Fluid; einen ersten Header, der mit den einen Enden des wenigstens einen ersten Fluidkanals in Fluidverbindung steht, und einen dritten Header, der mit den anderen Enden des wenigstens einen ersten Fluidkanals in Fluidverbindung steht; und einen zweiten Header, der mit den einen Enden des wenigstens einen zweiten Fluidkanals in Fluidverbindung steht, und einen vierten Header, der mit den anderen Enden des wenigstens einen zweiten Fluidkanals in Fluidverbindung steht, auf. Der erste Header und/oder der dritte Header sind mit wenigstens einem ersten Einlassanschluss und einem ersten Auslassanschluss zum Zu- bzw. Abführen des ersten Fluides in den bzw. aus dem wenigstens einen ersten Fluidkanal versehen; und der zweite Header und/oder der vierte Header sind mit wenigstens einem zweiten Einlassanschluss und einem zweiten Auslassanschluss zum Zu- bzw. Abführen des zweiten Fluides in den bzw. aus dem wenigstens einen zweiten Fluidkanal versehen. Erfindungsgemäß sind der wenigstens eine erste Fluidkanal und der wenigstens eine zweite Fluidkanal durch Zwischenräume zwischen mehreren, radial ineinander angeordneten (Wärmetausch-)Rohren gebildet.
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Im Gegensatz zu den herkömmlicherweise konstruierten Plattenwärmetauschern, bei denen die Druckkräfte an den Lötstellen der Platten und der Rippen aufgenommen werden müssen, werden bei dem Wärmetauscher gemäß der vorliegenden Erfindung, bei welchem die Wärmetauschpassagen bzw. Fluidkanäle durch radial ineinander angeordnete Rohre gebildet sind, die durch die Druckkräfte erzeugten Reaktionskräfte durch die Rohrform gleichmäßig über Zug- und Druckspannungen im Material der Wärmetauschrohre kompensiert. Hierdurch können die Löt- und Schweißverbindungen zwischen verschiedenen Komponenten des Wärmetauschers entlastet werden.
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Durch die Kompensation der Reaktionskräfte im Material der Rohre können diese Rohre zudem im Vergleich zur Plattenstärke bei Plattenwärmetauschern relativ dünne Rohrwände aufweisen.
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Der Wärmetauscher dient dem Wärmeaustausch zwischen wenigstens zwei Fluidströmen, wobei unter einem „Fluid sowohl Gase als auch Flüssigkeiten zu verstehen sind. Außerdem können die durch den Wärmetauscher geleiteten Fluidströme wahlweise gleiche oder unterschiedliche Fluide bzw. Fluidarten enthalten.
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Die „Rohre”, die auch als Wärmetauschrohre bezeichnet werden und zwischen denen die Fluidkanäle bzw. Wärmetauschpassagen gebildet sind, haben nicht notwendigerweise einen exakt kreisringförmigen Querschnitt. Auch wenn die Kreisringform zum Kompensieren der oben beschriebenen Reaktionskräfte im Material der Wärmetauschrohre ideal ist, so umfassen die „Rohre” des erfindungsgemäßen Wärmetauschers allgemein Rohre mit beliebigen Querschnittsformen, deren Umfänge zumindest teilweise gekrümmt sind. Insbesondere können die Rohrquerschnitte kreisförmig sein, elliptisch sein, Abschnitte mit unterschiedlichen Krümmungsradien aufweisen, gekrümmte Abschnitte und geradlinige Abschnitte enthalten, und dergleichen.
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Um die wenigstens zwei Fluidströme voneinander zu trennen, d. h. den ersten und zweiten Fluidkanälen getrennt zu- und abzuführen, ist vorzugsweise im Bereich des ersten Headers und des dritten Headers jeweils wenigstens ein zweites Verschlusselement zum Verschließen der Enden des wenigstens einen zweiten Fluidkanals vorgesehen und im Bereich des zweiten Headers und des vierten Headers jeweils wenigstens ein erstes Verschlusselement zum Verschließen der Enden des wenigstens einen ersten Fluidkanals vorgesehen ist. Im Fall eines kreisringförmigen Querschnitts der Wärmetauschrohre können diese ersten und zweiten Verschlusselemente zum Beispiel als Kreisringsegmente ausgebildet und zwischen die Rohrenden benachbarter Rohre eingesetzt und befestigt werden.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung haben der erste Header und der zweite Header einen gemeinsamen ersten Headerdeckel und sind durch wenigstens eine erste Trennplatte voneinander getrennt. Ebenso können auch der dritte Header und der vierte Header einen gemeinsamen zweiten Headerdeckel aufweisen und durch wenigstens eine zweite Trennplatte voneinander getrennt sein.
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Dieser gemeinsame erste Headerdeckel bzw. gemeinsame zweite Headerdeckel ist in einer bevorzugten Ausführungsform kugelsegmentartig ausgebildet. Eine solche Kugelsegmentform kann den Headern – im Vergleich zum Beispiel zu flachen Headerdeckeln – eine größere Druckstabilität verleihen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist in dem wenigstens einen ersten Fluidkanal und/oder dem wenigstens einen zweiten Fluidkanal wenigstens ein Rippenkörper angeordnet. Derartige Rippenkörper/Fins können in bekannter Weise das Wärmetauschvermögen zwischen den Fluiden in den beteiligten Fluidkanälen erhöhen.
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Der wenigstens eine Rippenkörper kann zum Beispiel in dem wenigstens einen ersten Fluidkanal bzw. dem wenigstens einen zweiten Fluidkanal einfach eingesetzt sein und beispielsweise durch die ersten bzw. zweiten Verschlusselemente in den Fluidkanälen fixiert werden. Alternativ kann der wenigstens eine Rippenkörper in dem wenigstens einen ersten Fluidkanal bzw. dem wenigstens einen zweiten Fluidkanal auch in herkömmlicherweise verlötet werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung grenzt an das radial äußerste Wärmetauschrohr radial ein Außenrohr an, das eine größere Wandstärke als die Rohre hat und sich wenigstens über eine Teillänge der Rohre erstreckt. Dieses Außenrohr kann die Stabilität des gesamten Wärmetauschers erhöhen. Alternativ kann an den radial äußersten Fluidkanal radial ein solches Außenrohr angrenzen, welches damit gleichzeitig die Außenwand des radial äußersten Fluidkanals bildet.
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Das Außenrohr ist vorzugsweise an beiden Endbereichen der Rohre vorgesehen und kann sich optional auch noch entlang des ersten und zweiten Headers und/oder des dritten und vierten Headers erstrecken oder eine Außenwand des jeweiligen Headers bilden. Je nach Gesamtlänge des Wärmetauschers kann es von Vorteil sein, dass sich das Außenrohr über die gesamte Länge der Rohre erstreckt.
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Weiter können die verschiedenen Einlassanschlüsse und Auslassanschlüsse zum Beispiel im Wesentlichen axial oder im Wesentlichen radial an den jeweiligen Headern vorgesehen sein. Grundsätzlich sind im Rahmen der Erfindung aber auch andere Ausrichtungen der Einlass- und Auslassanschlüsse denkbar. Außerdem müssen nicht notwendigerweise alle Anschlüsse gleich ausgerichtet sein; so können zum Beispiel die Einlass- bzw. Auslassanschlüsse auf der einen Seite der Wärmetauschrohre axial ausgerichtet sein, während die Einlass- bzw. Auslassanschlüsse auf der anderen Seite radial ausgerichtet sind, oder können die Einlassanschlüsse axial ausgerichtet sein, während die Auslassanschlüsse radial ausgerichtet sind, oder umgekehrt.
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In einer Ausführungsform können der erste Einlassanschluss und der erste Auslassanschluss für den wenigstens einen ersten Fluidkanal und/oder der zweite Einlassanschluss und der zweite Auslassanschluss für den wenigstens einen zweiten Fluidkanal in axialer Richtung zueinander ausgerichtet positioniert sein. In einer anderen Ausführungsform können der erste Einlassanschluss und der erste Auslassanschluss und/oder der zweite Einlassanschluss und der zweite Auslassanschluss in axialer Richtung zueinander versetzt positioniert sind. Durch die versetzte Anordnung der Anschlüsse einer Fluidkanalgruppe kann die Verteilung auf alle Fluidkanäle dieser Gruppe (d. h. des wenigstens einen ersten Fluidkanals bzw. des wenigstens einen zweiten Fluidkanals) verbessert und zuverlässiger gestaltet werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung grenzt an das radial innerste Wärmetauschrohr radial ein Innenzylinder an, der als ein Vollzylinder oder als ein Hohlzylinder mit einer größeren Wandstärke als die Rohre ausgebildet ist. Dieser Innenzylinder kann die Stabilität des gesamten Wärmetauschers weiter erhöhen. Alternativ kann an den radial innersten Fluidkanal radial ein solcher Innenzylinder angrenzen, welcher damit gleichzeitig die Innenwand des radial innersten Fluidkanals bildet.
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Die axiale Länge des Innenzylinders kann zum Beispiel im Wesentlichen einer axialen Länge der Rohre entsprechen. Mit anderen Worten schließt der Innenzylinder in axialer Richtung mit den Wärmetauschrohren ab. Bei dieser Ausführungsform, können Einlass- und Auslassanschlüsse mit größeren Durchmessern benutzt werden, da mehr Platz für die jeweiligen Header bereitsteht.
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In einer anderen Ausführungsvariante kann sich der Innenzylinder in axialer Richtung über die Rohre und den ersten und zweiten Header und/oder den dritten und vierten Header erstrecken. Bei dieser Ausführungsform muss der Innenzylinder, falls er als ein Hohlzylinder ausgestaltet ist, nicht zusätzlich gegenüber den Headern verschlossen bzw. abgedichtet werden.
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Die Querschnittsflächen der mehreren Wärmetauschpassagen bzw. Fluidkanäle sind grundsätzlich variabel. Bei einer konstanten Vergrößerung der Radien der Wärmetauschrohre werden die Querschnittsflächen aufgrund der größeren Radien zum Beispiel stetig größer. Bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher können mehrere erste Fluidkanäle vorgesehen sein, deren radiale Maße gleich oder unterschiedlich sind, bzw. mehrere zweite Fluidkanäle vorgesehen sein, deren radiale Maße gleich oder unterschiedlich sind. Durch die Einstellung der Querschnittsflächen der Fluidkanäle kann gezielt Einfluss auf das Temperaturprofil im Wärmetauscher genommen werden.
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Ferner kann in dem Wärmetauscher wenigstens ein weiterer Fluidkanal für wenigstens ein weiteres Fluid mit entsprechenden Headern und Anschlüssen vorgesehen sein. Mit anderen Worten kann der Wärmetauscher der vorliegenden Erfindung nicht nur als ein Zweistrom-Wärmetauscher ausgebildet sein, sondern kann auch für drei, vier, fünf oder mehr Fluidströme konstruiert werden. Dabei werden die Zwischenräume zwischen den Wärmetauschrohren in eine entsprechende Anzahl von Segmenten unterteilt und mit einer entsprechenden Anzahl von Headern und Anschlüssen gekoppelt.
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Der erfindungsgemäße Wärmetauscher kann sowohl als Gleichstrom-Wärmetauscher als auch als Gegenstrom-Wärmetauscher konzipiert werden.
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Der oben beschriebene Wärmetauscher der Erfindung ist wegen seiner verbesserten Druckstabilität in vorteilhafter Weise als Hochdruckwärmetauscher einsetzbar. Zum Beispiel kann er als Innenverdichtungswärmetauscher bei einer Tieftemperaturzerlegung von Luft zum Einsatz kommen.
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Ferner kann der oben beschriebene Wärmetauscher der Erfindung aufgrund seiner Zylinderform in vorteilhafter Weise auch als Kondensator verwendet werden. Zum Beispiel kann er als Kondensator in einer Rektifikationssäule bei der Tieftemperaturzerlegung von Luft eingesetzt werden.
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Obige sowie weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Darin zeigen:
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1 eine schematische Querschnittsansicht entlang Linie I-I in 2 und 3 eines Wärmetauschers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
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2 eine schematische Längsschnittansicht entlang Linie II-II in 1 eines Wärmetauschers gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
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3 eine schematische Längsschnittansicht entlang Linie III-III in 1 eines Wärmetauschers gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
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4 eine schematische Querschnittsansicht eines Wärmetauschers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in einer Ansicht analog 1;
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5 eine schematische Querschnittsansicht eines Wärmetauschers gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel in einer vereinfachten Ansicht;
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6 eine schematische Längsschnittansicht eines Wärmetauschers gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel in einer Ansicht analog 2; und
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7 eine schematische Längsschnittansicht eines Wärmetauschers gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel in einer Ansicht analog 2.
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Bezug nehmend auf 1 bis 3 wird nun zunächst ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers im Detail beschrieben.
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Der Wärmetauscher weist einen im Wesentlichen zylindrisch geformten Wärmetauschabschnitt 10, einen ersten Headerabschnitt 12 an dem einen Längsende (links in 2 und 3) des Wärmetauschabschnitts 10 und einen zweiten Headerabschnitt 14 an dem anderen Längsende (rechts in 2 und 3) des Wärmetauschabschnitts 10 auf. Der Wärmetauschabschnitt 10 dient dem Wärmeaustausch zwischen wenigstens zwei, im Allgemeinen mehreren Fluidströmen, und die beiden Headerabschnitte 12, 14 dienen dem Verteilen der Fluide auf die Wärmetauschpassagen im Wärmetauschabschnitt 10 bzw. dem Sammeln der Fluide aus den Wärmetauschpassagen im Wärmetauschabschnitt 10.
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Der Wärmetauschabschnitt 10 ist aus mehreren, radial ineinander angeordneten (Wärmetausch-)Rohren 16 aufgebaut. Die Wärmetauschrohre 16 sind aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit gefertigt, zum Beispiel aus Aluminium. Die radialen Zwischenräume zwischen den Rohren 16 bilden die Fluidkanäle bzw. Wärmetauschpassagen. Die jeweiligen Fluide durchströmen diese Wärmetauschpassagen im Wesentlichen in der Längsrichtung der Rohre 16 (Links/Rechts-Richtung in 2 und 3).
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Wie in 1 dargestellt, haben die Rohre 16 jeweils einen im Wesentlichen kreisringförmigen Querschnitt. Auch wenn die Kreisringform zum Erhöhen der Druckstabilität des Wärmetauschers wie oben beschrieben ideal ist, können die Rohre 16 auch andere Querschnittsformen haben, deren Umfänge zumindest teilweise gekrümmt sind. Beispielsweise können die Rohrquerschnitte auch elliptisch sein, Abschnitte mit unterschiedlichen Krümmungsradien aufweisen, sowohl gekrümmte als auch geradlinige Abschnitte enthalten, und dergleichen.
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In diesem Ausführungsbeispiel sind die mehreren Rohre 16 gleich voneinander beabstandet. Mit anderen Worten sind die radialen Maße der Wärmetauschpassagen zwischen den Rohren konstant. Dies hat zur Folge, dass die Querschnittsflächen der radial weiter außen liegenden Wärmetauschpassagen größer werden. Zur Beeinflussung des Temperaturprofils (in radialer Richtung) können die Rohre 16 aber auch in unterschiedlichen radialen Abständen zueinander angeordnet werden, sodass sich die radialen Maße der Wärmetauschpassagen verändern. Es ist hierbei allerdings darauf zu achten, dass der Strömungswiderstand bei zu schmalen Wärmetauschpassagen zunimmt.
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In dem Ausführungsbeispiel von 1 bis 3 sind mehrere erste Fluidkanäle 18 für ein erstes Fluid und mehrere zweite Fluidkanäle 20 für ein zweites Fluid vorgesehen. Diese ersten und zweiten Fluidkanäle 18, 20 sind in radialer Richtung abwechselnd angeordnet, sodass ein Wärmeaustausch zwischen dem ersten Fluidstrom durch die ersten Fluidkanäle 18 und dem zweiten Fluidstrom durch die zweiten Fluidkanäle 20 stattfinden kann.
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Im ersten Headerabschnitt 12 (links in 2 und 3) sind ein erster Header 22 zum Verteilen eines ersten Fluids auf die ersten Fluidkanäle 18 und ein zweiter Header 24 zum Sammeln eines zweiten Fluids aus den zweiten Fluidkanälen 20 vorgesehen. Der erste Header 22 steht dabei mit den einen Enden der ersten Fluidkanäle 18 in Fluidverbindung, und der zweite Header 24 steht mit den einen Enden der zweiten Fluidkanäle 20 in Fluidverbindung.
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Die einen Enden der ersten Fluidkanäle 18 sind im Bereich des zweiten Headers 24 mit ersten Verschlusselementen 26 fluiddicht verschlossen. Analog sind die einen Enden der zweiten Fluidkanäle 20 im Bereich des ersten Headers 22 mit zweiten Verschlusselementen 28 fluiddicht verschlossen. Die ersten und zweiten Verschlusselemente 26, 28 sind mit den einen Enden der Rohre 16 zum Beispiel verlötet oder verschweißt.
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Entsprechend der Kreisringform des Querschnitts der Rohre 16 sind die ersten und zweiten Verschlusselemente 26, 28 als Kreisringsegmente ausgebildet, wie am besten in 1 zu erkennen. Je nach Querschnittsform der Rohre 16 und gegenseitigem Abstand der Rohre 16 sind für die Verschlusselemente 26, 28 natürlich auch andere Formen denkbar.
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Der erste Header 22 ist mit einem ersten Einlassanschluss 30 zum Zuführen des ersten Fluids in den ersten Header 24 versehen und der zweite Header 24 ist mit einem zweiten Auslassanschluss 32 zum Abführen des zweiten Fluids aus dem zweiten Header 24 versehen. Aufgrund der ersten und zweiten Verschlusselemente 26, 28 an den einen Rohrenden strömt das erste Fluid von dem ersten Einlassanschluss 30 durch den ersten Header 22 nur in die ersten Fluidkanäle 18 und strömt das zweite Fluid nur aus den zweiten Fluidkanälen 20 durch den zweiten Header 24 zum zweiten Auslassanschluss 32.
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In diesem Ausführungsbeispiel haben der erste und der zweite Header 22, 24 einen gemeinsamen Headerdeckel 34. Dieser gemeinsame Headerdeckel 34 ist in 2 und 3 als im Wesentlichen flacher Deckel dargestellt, er kann aber auch in Form eines Kugelsegments ausgebildet sein, um die Druckstabilität der Header 22, 24 zu erhöhen.
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Der erste und der zweite Header 22, 24 im ersten Headerabschnitt 12 sind voneinander durch eine erste Trennplatte 36 getrennt, welche sich im Wesentlichen diametral durch den ersten Headerabschnitt 12 erstreckt. Auf diese Weise sind der erste und der zweite Header 22, 24 im Wesentlichen gleich groß ausgebildet. Alternativ kann die erste Trennplatte 36 auch anders durch den ersten Headerabschnitt 12 verlaufen, um zwei unterschiedlich geformte und dimensionierte Header 22, 24 vorzusehen. Auch kann die erste Trennplatte 36 wahlweise geradlinige und/oder gekrümmte Abschnitte aufweisen.
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Wie in 1 bis 3 dargestellt, sind die ersten und zweiten Verschlusselemente 26, 28 vorzugsweise jeweils mit Haltezapfen 38 versehen, welche von den Verschlusselementen 26, 28 in den Innenraum des jeweiligen Headers 22, 24 hinein ragen. An diesen Haltezapfen 38 kann sich die erste Trennplatte 36 abstützen und auch befestigt (z. B. verlötet, verschweißt) werden.
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Der zweite Headerabschnitt 14 ist in ähnlicher Weise wie der erste Headerabschnitt 12 ausgestaltet.
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So sind im zweiten Headerabschnitt 14 (rechts in 2 und 3) ein dritter Header 40 zum Sammeln des ersten Fluids aus den ersten Fluidkanälen 18 und ein vierter Header 42 zum Verteilen des zweiten Fluids auf die zweiten Fluidkanälen 20 vorgesehen. Der dritte Header 40 und der vierte Header 42 stehen dabei mit den anderen Enden der ersten bzw. zweiten Fluidkanäle 18, 20 in Fluidverbindung.
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Die anderen Enden der ersten Fluidkanäle 18 sind im Bereich des vierten Headers 42 mit ersten Verschlusselementen 26 fluiddicht verschlossen und die anderen Enden der zweiten Fluidkanäle 20 sind im Bereich des dritten Headers 40 mit zweiten Verschlusselementen 28 fluiddicht verschlossen. Die ersten und zweiten Verschlusselemente 26, 28 sind mit den Rohrenden zum Beispiel verlötet oder verschweißt.
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Der dritte Header 40 ist mit einem ersten Auslassanschluss 44 zum Abführendes ersten Fluids aus dem dritten Header 24 versehen und der vierte Header 42 ist mit einem zweiten Einlassanschluss 46 zum Zuführen des zweiten Fluids in den vierten Header 42 versehen. Aufgrund der ersten und zweiten Verschlusselemente 26, 28 an den beiden Rohrenden strömt das erste Fluid von dem ersten Einlassanschluss 30 durch den ersten Header 22 nur in die ersten Fluidkanäle 18 und dann nach Durchströmen der ersten Fluidkanäle 18 nur aus diesen durch den dritten Header 40 zum ersten Auslassanschluss 44. Analog strömt das zweite Fluid von dem zweiten Einlassanschluss 46 durch den vierten Header 42 nur in die zweiten Fluidkanäle 20 und dann nach Durchströmen dieser zweiten Fluidkanäle 20 zwischen den Wärmetauschrohren 16 nur aus diesen durch den zweiten Header 24 zum zweiten Auslassanschluss 32.
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Auch der dritte und der vierte Header 40, 42 haben einen gemeinsamen zweiten Headerdeckel 48. Dieser gemeinsame zweite Headerdeckel 48 kann wahlweise im Wesentlichen flach ausgebildet sein, wie in diesem Ausführungsbeispiel, oder aber auch in Form eines Kugelsegments ausgebildet sein, um die Druckstabilität der Header 40, 42 zu erhöhen.
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Der dritte und der vierte Header 40, 42 des zweiten Headerabschnitt 14 sind voneinander durch eine zweite Trennplatte 50 getrennt, welche sich im Wesentlichen diametral durch den zweiten Headerabschnitt 12 erstreckt. Auf diese Weise sind der dritte und der vierte Header 40, 42 im Wesentlichen gleich groß ausgebildet. Alternativ kann die zweite Trennplatte 50 auch anders durch den zweiten Headerabschnitt 14 verlaufen, um zum Beispiel zwei unterschiedlich geformte und dimensionierte Header 40, 42 vorzusehen.
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Die ersten und zweiten Verschlusselemente 26, 28 sind auch im Bereich des zweiten Headerabschnitts 14 vorzugsweise jeweils mit Haltezapfen 38 versehen, welche von den Verschlusselementen 26, 28 in den Innenraum der Header 40, 42 hinein ragen. Diese Haltezapfen 38 dienen dem Abstützen und ggf. Fixieren (z. B. Verlöten, Verschweißen) der zweiten Trennplatte 50.
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Wie in 2 und 3 angedeutet, sind in die ersten und die zweiten Fluidkanäle 18, 20 zwischen den Wärmetauschrohren 16 vorzugsweise Rippenkörper/Fins 52 eingesetzt. Diese Rippenkörper 52 können zum Beispiel einfach in die Zwischenräume zwischen den Rohren 16 eingelegt und dann durch die ersten bzw. zweiten Verschlusselemente 26, 28 an den Rohrenden fixiert werden. Zusätzlich oder alternativ können die Rippenkörper 52 auch mit den Rohren 16 verlötet oder verschweißt werden. Derartige Rippenkörper 52 dienen in bekannter Weise dem Verbessern der Wärmetauschkapazität zwischen den Fluidströmen.
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In diesem Ausführungsbeispiel sind die Einlass- und Auslassanschlüsse 30, 32, 44, 46 jeweils im Bereich der Wärmetauschpassagen 18, 20 im Wesentlichen axial ausgerichtet an dem jeweiligen Header 22, 24, 40, 42 positioniert. Außerdem sind der erste Einlassanschluss 30 und der erste Auslassanschluss 44 und auch der zweite Einlassanschluss 46 und der zweite Auslassanschluss 32 im Wesentlichen koaxial zueinander ausgerichtet.
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In einer vorteilhaften Abwandlung können der erste Einlassanschluss 30 und der erste Auslassanschluss 44 ebenso wie der zweite Einlassanschluss 46 und der zweite Auslassanschluss 32 auch in Bezug auf die axiale Richtung zueinander versetzt angeordnet sein. Dies kann die Verteilung der ersten und zweiten Fluide auf die ersten und zweiten Fluidkanäle 18, 20 verbessern und gleichmäßiger gestalten. In einer möglichen Ausführungsform ist zum Beispiel der erste Einlassanschluss 30 für das erste Fluid gegenüber dem zweiten Einlassanschluss 46 für das zweite Fluid angeordnet und ist auch der erste Auslassanschluss 44 des ersten Fluids gegenüber dem zweiten Auslassanschluss 32 des zweiten Fluids angeordnet.
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Des Weiteren besteht auch die Möglichkeit, die Einlass- und Auslassanschlüsse 30, 32, 44, 46 im Wesentlichen radial ausgerichtet an den jeweiligen Headern 22, 24, 40, 42 zu positionieren. So ist zum Beispiel in dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel der erste Einlassanschluss 30 am ersten Header 22 im Wesentlichen axial ausgerichtet, während der erste Auslassanschluss 44 am dritten Header 40 im Wesentlichen radial ausgerichtet ist.
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Die zuletzt genannten Ausführungsformen können natürlich in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden. So können zum Beispiel alle Anschlüsse 30, 32, 44, 46 axial ausgerichtet positioniert werden (wie in 1 bis 3), alle Anschlüsse radial ausgerichtet positioniert werden, die Einlassanschlüsse 30, 46 axial und die Auslassanschlüsse 32, 44 radial ausgerichtet positioniert werden, die Einlassanschlüsse 30, 46 radial und die Auslassanschlüsse 32, 44 axial ausgerichtet positioniert werden, die Anschlüsse 30, 32 am ersten Headerabschnitt 12 axial und die Anschlüsse 44, 46 am zweiten Headerabschnitt radial ausgerichtet positioniert werden, die Anschlüsse 30, 32 am ersten Headerabschnitt 12 radial und die Anschlüsse 44, 46 am zweiten Headerabschnitt axial ausgerichtet positioniert werden, und dergleichen. Des Weiteren sind nicht nur axiale und radiale Ausrichtungen der Anschlüsse 30, 32, 44, 46 möglich, sondern auch beliebige andere Winkelorientierungen dieser Anschlüsse denkbar.
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Der Wärmetauscher von 1 bis 3 ist als so genannter Gegenstrom-Wärmetauscher konzipiert. Das heißt, das erste Fluid durchströmt die ersten Fluidkanäle 18 zum Beispiel in der Richtung vom ersten Headerabschnitt 12 zum zweiten Headerabschnitt 14 (von links nach rechts in 2) und das zweite Fluid durchströmt die zweiten Fluidkanäle 20 in der Gegenrichtung zum Beispiel in der Richtung vom zweiten Headerabschnitt 14 zum ersten Headerabschnitt 12 (von rechts nach links in 3). Die Erfindung ist aber nicht nur auf die Konstruktion des Wärmetauschers als Gegenstrom-Wärmetauscher beschränkt; der Wärmetauscher kann ebenso als so genannter Gleichstrom-Wärmetauscher konzipiert werden, in dem das erste Fluid und das zweite Fluid den Wärmetauschabschnitt 10 in der gleichen Richtung zum Beispiel vom ersten Headerabschnitt 12 zum zweiten Headerabschnitt 14 durchströmen. Diese Wahlmöglichkeit zwischen Gegenstrom- und Gleichstrom-Wärmetauscher gilt gleichermaßen für alle hier beschriebenen Ausführungsbeispiele.
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Zur Verstärkung bzw. zur Erhöhung der Druckstabilität ist der Wärmetauscher ferner mit einem Außenrohr 54 versehen. Dieses Außenrohr 54 hat vorzugsweise eine größere Wandstärke als die Wärmetauschrohre 16, sodass es eine größere Eigenstabilität besitzt.
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Das Außenrohr 54 grenzt zum Beispiel in den beiden Endbereichen des Wärmetauschabschnitts 10 radial an das äußerste der Wärmetauschrohre 16 an. Es kann wahlweise einfach an dem radial äußersten Rohr 16 anliegen oder mit diesem verlötet oder verschweißt sein.
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In dem Ausführungsbeispiel von 1 bis 3 erstreckt sich das Außenrohr 54 von den Endbereichen des Wärmetauschabschnitts 10 auch über die beiden Headerabschnitte 12, 14. Mit anderen Worten umfasst das Außenrohr 54 auch die ersten bis vierten Header 22, 24, 40, 42 bzw. bildet deren Außenwände.
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Die gemeinsamen Headerdeckel 34, 48 und/oder die Trennplatten 36, 50 können ebenfalls mit den Außenrohrabschnitten 54 verbunden, zum Beispiel verlötet oder verschweißt werden.
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Je nach der Gesamtlänge des Wärmetauschabschnitts 10 bzw. des Wärmetauschers kann sich das Außenrohr 54 wahlweise auch über die gesamte Länge der Wärmetauschrohre 16 erstrecken, wie in 7 veranschaulicht. In diesem Fall ist das Außenrohr 54 einstückig ausgebildet. Diese Variante gilt analog für alle Ausführungsbeispiele. Bei dieser Ausführungsform kann das Außenrohr 54 mit der größeren Wandstärke alternativ ferner zugleich das radial äußerste Wärmetauschrohr 16 bilden.
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Wie in 1 bis 3 dargestellt, grenzt an das radial innerste Rohr 16 der Wärmetauschrohre 16 radial in Innenzylinder 56 an. Dieser Innenzylinder 56 ist zum Beispiel als ein Vollzylinder oder als ein Hohlzylinder, dessen Wandstärke größer als jene der Wärmetauschrohre 16 bemessen ist, ausgebildet. Der stabile Innenzylinder 56 kann alternativ zugleich das radial innerste Wärmetauschrohr 16 bilden.
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Der Innenzylinder 56 erstreckt sich über die gesamte Länge der Rohre 16. In diesem Ausführungsbeispiel erstreckt sich der Innenzylinder 56 auch durch die beiden Headerabschnitte 12, 14 hindurch und schließt mit den gemeinsamen Headerdeckeln 34, 48 ab. Der Innenzylinder 56 ist zum Beispiel mit den gemeinsamen Headerdeckeln 34, 48 verlötet oder verschweißt.
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Wie das Außenrohr 54 so verstärkt auch der Innenzylinder 56 den Aufbau des Wärmetauschers. Der Innenzylinder 56 erhöht dabei insbesondere die Druckstabilität im Bereich des Wärmetauschabschnitts 10 bzw. der Rohre 16.
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Im Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 erstreckt sich der Innenzylinder 56 über den Wärmetauschabschnitt 10 und auch die beiden stirnseitigen Headerabschnitte 12, 14. Wie in 4 veranschaulicht, ist es alternativ aber auch möglich, dass der Innenzylinder 56 sich nur über den Wärmetauschabschnitt 10 erstreckt.
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Mit anderen Worten entspricht die axiale Länge des Innenzylinders 56 (Vollzylinder oder Hohlzylinder) im Wesentlichen der axialen Länge der Wärmetauschrohre 16. Im Fall eines als Hohlzylinder ausgebildeten Innenzylinders 56 sind seine beiden Ende mit entsprechenden Verschlussplatten verschlossen, bei einem als Vollzylinder ausgebildeten Innenzylinder 56 erübrigt sich diese Maßnahme.
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Wie in 4 dargestellt, verlaufen die Trennplatten 36, 50 der Headerabschnitte 12, 14 bei dieser Ausführungsform diametral über die Bereiche der Rohre 16 und den Bereich des Innenzylinders 56 hinweg. Die jeweiligen Header 22, 24 bzw. 40, 42 können auf diese Weise größer ausgebildet werden, sodass auch die jeweiligen Anschlüsse 30, 32 bzw. 44, 46 größer dimensioniert werden können, um größere Fluidströme bzw. Fluidströme mit einem geringeren Strömungswiderstand zu den Wärmetauschpassagen 18, 20 des Wärmetauschabschnitts 10 zu leiten.
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Die übrigen Merkmale des zweiten Ausführungsbeispiels von 4 entsprechen den Merkmalen und deren Abwandlungen des anhand von 1 bis 3 beschriebenen Ausführungsbeispiels.
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Die bisher beschriebenen Wärmetauscher der Erfindung sind jeweils als Zweistrom-Wärmetauscher konzipiert gewesen. Das heißt, sie enthalten wenigstens einen ersten Fluidkanal 18 und wenigstens einen zweiten Fluidkanal 20, um einen Wärmeaustausch zwischen einem ersten und einem zweiten Fluid durchführen zu können.
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Der erfindungsgemäße Wärmetauscher mit zylindrischer Grundform kann aber ebenso als beliebiger Mehrstrom-Wärmetauscher ausgestaltet werden. Mit anderen Worten kann der Wärmetauscher zum Wärmeaustausch für zwei, drei, vier, fünf oder mehr Fluide bzw. Fluidströme geeignet sein.
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In 5 ist beispielhaft ein Dreistrom-Wärmetauscher gemäß der Erfindung stark vereinfacht dargestellt. Dabei sind gleiche bzw. entsprechende Komponenten mit den gleichen Bezugsziffern wie in 1 gekennzeichnet.
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Bei dem Dreistrom-Wärmetauscher sind wenigstens ein erster Fluidkanal 18, wenigstens ein zweiter Fluidkanal 20 und wenigstens ein dritter Fluidkanal 58 zwischen den Rohren 16 des Wärmetauschabschnitts 10 vorgesehen. In den beiden Headerabschnitten 12, 14 sind entsprechend jeweils drei Header vorgesehen, die durch entsprechende Trennplatten 36, 50 voneinander separiert und durch gemeinsame Headerdeckel 34, 48 abgeschlossen sind.
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Im ersten Headerabschnitt 12 sind ein erster Header 22 ausgebildet, in dessen Bereich die zweiten und die dritten Fluidkanäle 20, 58 durch zweite bzw. dritte Verschlusselemente 28, 60 verschlossen sind, ein zweiter Header 24 ausgebildet, in dessen Bereich die ersten und die dritten Fluidkanäle 18, 58 durch erste bzw. dritte Verschlusselemente 26, 60 verschlossen sind, und ein fünfter Header 62 ausgebildet, in dessen Bereich die ersten und die zweiten Fluidkanäle 18, 20 durch erste bzw. zweite Verschlusselemente 26, 28 verschlossen sind.
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Außerdem sind insgesamt drei Einlassanschlüsse und drei Auslassanschlüsse an den beiden Headerabschnitten 12, 14 vorgesehen. Dabei kann der Wärmetauscher wahlweise als Gegenstrom-Wärmetauscher oder als Gleichstrom-Wärmetauscher konzipiert sein.
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Im Fall von mehr als zwei Fluidströmen durch den Wärmetauscher können die entsprechenden Fluidkanäle grundsätzlich in beliebiger Reihenfolge und in beliebigen gleichen oder unterschiedlichen Anzahlen vorgesehen sein. Die Auswahl hängt unter anderem von den beteiligten Fluiden, deren Temperaturen und deren Strömungsraten ab.
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Die übrigen Merkmale des dritten Ausführungsbeispiels von 5 entsprechen den Merkmalen und deren Abwandlungen der anhand von 1 bis 4 beschriebenen Ausführungsbeispiele.
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Es sei vorsorglich darauf hingewiesen, dass die dargestellten Anzahlen der Rohre 16 und der Fluidkanäle 18, 20, 58 in dem Wärmetauschabschnitt 10 der besseren Übersichtlichkeit halber stark reduziert worden sind. Außerdem sind die Darstellungen der 1 bis 7 zumeist nicht maßstabsgetreu, um die Merkmale der Erfinder deutlicher zeigen zu können.
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Die oben beschriebenen Wärmetauscher können in vorteilhafter Weise insbesondere als Hochdruckwärmetauscher eingesetzt werden. Zum Beispiel können sie als Innen verdichtungswärmetauscher bei einer Tieftemperaturzerlegung von Luft zum Einsatz kommen.
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Außerdem können die oben beschriebenen Wärmetauscher aufgrund ihrer Zylinderform in vorteilhafter Weise auch als Kondensator verwendet werden. Zum Beispiel können sie als Kondensator in einer Rektifikationssäule bei der Tieftemperaturzerlegung von Luft eingesetzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10021081 A1 [0003]
- EP 1406057 A1 [0005]
