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Die Erfindung betrifft eine Wärmetauscheranordnung mit wenigstens zwei Rohrbündelwärmetauschern, insbesondere wenigstens zwei horizontal angeordneten, übereinander gestapelten Rohrbündelwärmetauschern.
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Derartige Wärmetauscheranordnungen bzw. -verbünde werden zum Beispiel in Wasserstoff- und Synthesegasanlagen eingesetzt und können dabei dem Wärmeaustausch zwischen einem heißen Synthesegas und einem kühleren Kesselspeisewasser (BFW) dienen.
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Eine beispielhafte herkömmliche Wärmetauscheranordnung dieser Art ist in 3 dargestellt. Die Wärmetauscheranordnung umfasst zwei horizontal verlaufende, übereinander angeordnete Rohrbündelwärmetauscher 10 und 12. Beide Rohrbündelwärmetauscher 10, 12 haben jeweils ein Gehäuse 16, 30, das von einem ersten Medium A durchströmt werden kann und einen Mantelraum bildet, sowie wenigstens ein Rohrbündel innerhalb des Gehäuses 16, 30, das von einem zweiten Medium B in Wärmeaustausch mit dem ersten Medium A durchströmt werden kann und einen Rohrraum bildet, aufweist.
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Die Längsachsen beider Rohrbündelwärmetauscher 10, 12 verlaufen im Wesentlichen horizontal und im Wesentlichen parallel zueinander. Außerdem sind die Mantelräume der beiden Rohrbündelwärmetauscher 10, 12 über Mantelanschlussstutzen 18, 32 direkt miteinander verbunden und sind die Rohrräume der beiden Rohrbündelwärmetauscher 10, 12 über Rohranschlussstutzen 28, 42 direkt miteinander verbunden. Diese Mantelanschlussstutzen 18, 32 und Rohranschlussstutzen 28, 42 sind jeweils im Wesentlichen senkrecht zu den Längsachsen der Rohrbündelwärmetauscher am jeweiligen Gehäuse 16, 30 angeordnet und fest bzw. starr ameinander gekoppelt.
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Des Weiteren ist der untere Rohrbündelwärmetauscher 10 auf zwei unteren Sattellagern 46 gehalten, die sich auf einer Basis 14 abstützen. Von diesen unteren Sattellagern 46 können zum Beispiel eines als mit dem unteren Rohrbündelwärmetauscher 10 verschweißtes Festlager und eines als mit dem unteren Rohrbündelwärmetauscher 10 verschweißtes Loslager, das eine horizontale Verschiebung des ersten Rohrbündelwärmetauschers 10 relativ zur Basis 14 erlaubt, ausgebildet sein.
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Der obere Rohrbündelwärmetauscher 12 ist ebenfalls auf zwei Sattellagern 48 gehalten, die sich jeweils auf dem unteren Rohrbündelwärmetauscher 10 abstützen. Diese beiden oberen Sattellager 48 sind dabei üblicherweise mit dem oberen Rohrbündelwärmetauscher 12 fest verschweißt, um jeweils ein Festlager für den oberen Rohrbündelwärmetauscher und damit einen stabilen Verbund zu bilden.
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Die beschriebenen verschweißten Sattellager 46, 48 und Verbindungen 18–32, 28–42 der Rohrbündelwärmetauscher 10, 12 führen zu einem stabilen Verbund. Aufgrund der zum Teil hohen Temperaturunterschiede zwischen den beiden Medien A und B kommt es jedoch zu Spannungen in bzw. zwischen den verschiedenen Komponenten des Verbundes. Weitere Spannungen und Belastungen können durch von außen angreifende Kräfte und Momente (zum Beispiel über die angeschlossenen Rohrleitungen) auftreten. Des Weiteren sind zum Beispiel Störfälle und kritische Zustände im Betrieb der Wärmetauscher zu nennen, die ebenfalls zu Spannungen in und zwischen den Bauteilen führen können.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Wärmetauscheranordnung mit wenigstens zwei im Wesentlichen horizontal verlaufenden, übereinander gestapelten Rohrbündelwärmetauschern zu schaffen. Die Wärmetauscheranordnung soll insbesondere weniger Spannungen in und zwischen ihren Komponenten erfahren und dadurch eine dauerhaft dichte Funktionsweise gewährleisten.
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Diese Aufgabe wird durch eine Wärmetauscheranordnung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Wärmetauscheranordnung umfasst einen ersten Rohrbündelwärmetauscher, dessen Längsachse im Wesentlichen horizontal verläuft und der ein Gehäuse, das von einem ersten Medium durchströmt werden kann und einen ersten Mantelraum bildet, sowie wenigstens ein Rohrbündel, das zumindest teilweise innerhalb des Gehäuses verläuft und von einem zweiten Medium in Wärmeaustausch mit dem ersten Medium durchströmt werden kann und einen ersten Rohrraum bildet, aufweist; und einen zweiten Rohrbündelwärmetauscher, dessen Längsachse im Wesentlichen horizontal und im Wesentlichen parallel zur Längsachse des ersten Rohrbündelwärmetauschers verläuft und der ein Gehäuse, das von dem ersten Medium durchströmt werden kann und einen zweiten Mantelraum bildet, sowie wenigstens ein Rohrbündel, das zumindest teilweise innerhalb des Gehäuses verläuft und von dem zweiten Medium in Wärmeaustausch mit dem ersten Medium durchströmt werden kann und einen zweiten Rohrraum bildet, aufweist. Der erste und der zweite Rohrbündelwärmetauscher weisen jeweils wenigstens einen ersten Mantelanschlussstutzen zur Fluidverbindung des ersten Mantelraums des ersten Rohrbündelwärmetauschers mit dem zweiten Mantelraum des zweiten Rohrbündelwärmetauschers sowie jeweils wenigstens einen ersten Rohranschlussstutzen zur Fluidverbindung des ersten Rohrraums des ersten Rohrbündelwärmetauschers mit dem zweiten Rohrraum des zweiten Rohrbündelwärmetauschers auf. Der zweite Rohrbündelwärmetauscher ist dabei im Wesentlichen vertikal über dem ersten Rohrbündelwärmetauscher angeordnet.
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Diese Wärmetauscheranordnung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Rohrbündelwärmetauscher auf wenigstens zwei oberen Lagervorrichtungen über dem ersten Rohrbündelwärmetauscher gehalten ist, von denen eine erste obere Lagervorrichtung fest mit dem zweiten Rohrbündelwärmetauscher verbunden ist und eine zweite obere Lagervorrichtung den zweiten Rohrbündelwärmetauscher in horizontaler und vertikaler Richtung schwimmend hält; und die ersten Mantelanschlussstutzen des ersten und des zweiten Rohrbündelwärmetauschers fest miteinander verbunden sind.
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Bei dieser Wärmetauscheranordnung ist der zweite Rohrbündelwärmetauscher auf zwei Festlagern gehalten, welche einerseits durch eine der beiden oberen Lagervorrichtungen und andererseits durch die feste Verbindung der Mantelanschlussstutzen gebildet werden. Die andere der beiden oberen Lagervorrichtungen ist dagegen als Loslager derart ausgebildet, dass sie den oberen Rohrbündelwärmetauscher in horizontaler und vertikaler Richtung schwimmend, d. h. weich bzw. flexibel hält. Auf diesem Loslager liegt der obere Rohrbündelwärmetauscher daher in erster Linie nur während der Montage und zu Betriebsbeginn auf. Während des Betriebs der Wärmetauscheranordnung hebt jedoch der obere Rohrbündelwärmetauscher aufgrund der thermischen Verhältnisse von dem Loslager ab und wird auf den beiden vorstehend erläuterten Festlagern gehalten.
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Die Verwendung der Mantelanschlussstutzenverbindung zwischen den beiden Rohrbündelwärmetauschern als ein Festlager hat den Vorteil, dass die Mantelanschlussstutzen auf einfache Weise fester miteinander verbunden werden können und diese Verbindung auch bei den gegebenenfalls auftretenden hohen Temperaturunterschiede innerhalb der Anordnung und großen Temperaturänderungen daher eine Dichtheit gewährleisten kann.
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Bei dem eingangs beschriebenen herkömmlichen Verbund, bei dem die beiden oberen Lagervorrichtungen zum Halten des oberen Rohrbündelwärmetauschers dienten, konnte es dagegen zu einem Abheben des oberen Rohrbündelwärmetauschers von den Lagervorrichtungen und einem Abreißen der Verbindungen kommen.
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Mit anderen Worten werden Spannungen, die durch Temperaturunterschiede zwischen einzelnen Bauteilen oder durch äußere Kräfte und Momente (z. B. von angeschlossenen Rohrleitungen für die Medien) erzeugt werden, in den beiden Festlagern aufgenommen bzw. abgebaut. Hierdurch kann eine im Wesentlichen spannungsfreie und damit auch dichte Funktionsweise der Wärmetauscheranordnung gewährleistet werden.
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Die Wärmetauscheranordnung der Erfindung umfasst wenigstens zwei im Wesentlichen horizontal und im Wesentlichen parallel zueinander verlaufende Rohrbündelwärmetauscher, d. h. es können insbesondere zwei Rohrbündelwärmetauscher vorhanden sein, der Verbund kann aber ebenso auf mehr als zwei, z. B. auf drei oder vier Rohrbündelwärmetauscher erweitert werden.
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Ebenso dient die Wärmetauscheranordnung der Erfindung dem Wärmeaustausch zwischen zwei Medien, welche die wenigstens zwei Rohrbündelwärmetauscher durchströmen. Grundsätzlich können die Rohrbündelwärmetauscher aber auch so konstruiert werden, dass sie von mehr als zwei, zum Beispiel von drei oder vier Medien durchströmt werden können. Ferner kann auch die Wärmetauscheranordnung insgesamt so aufgebaut werden, dass sie einen Wärmeaustausch zwischen mehr als zwei Medien ermöglicht. Dies gilt insbesondere für den Fall, dass die Anordnung mehr als zwei Rohrbündelwärmetauscher enthält.
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Das „schwimmende” Halten des oberen Rohrbündelwärmetauschers durch die eine der oberen Lagervorrichtungen bedeutet allgemein ein Halten bzw. Stützen des oberen Rohrbündelwärmetauschers ohne eine starre Verbindung, was eine Bewegung des Rohrbündelwärmetauschers relativ zur Lagervorrichtung erlaubt. Der obere Rohrbündelwärmetauscher kann dabei im Wesentlichen lose bzw. frei auf dieser Lagervorrichtung aufliegen.
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Die „Lagervorrichtungen” dienen dabei ganz allgemein dem Lagern der Rohrbündelwärmetauscher, d. h. dem Halten der Rohrbündelwärmetauscher an vorbestimmten Positionen bzw. innerhalb vorbestimmter Positionszonen. Dies betrifft sowohl die vertikale Richtung als auch die horizontale Ebene.
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Der Aufbau und die Funktionsweise der „Rohrbündelwärmetauscher” selbst sind nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Es können grundsätzlich alle bekannten und auch neu zu entwickelnde Konstruktionen von Rohrbündelwärmetauschern bei der erfindungsgemäßen Wärmetauscheranordnung eingesetzt werden. In diesem Zusammenhang sollen die „Rohrbündel” der Rohrbündelwärmetauscher ganz allgemein wenigstens ein Rohr umfassen, d. h. es kann auch nur ein Rohr im Innern des Gehäuses verlaufen und es können mehrere Rohre in Form eines Rohrbündels oder von wenigstens zwei Rohrbündeln im Gehäuseinnern des Rohrbündelwärmetauschers angeordnet sein.
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Die „Medien”, welche durch die Mantelräume bzw. die Rohrräume der wenigstens zwei Rohrbündelwärmetauscher strömen können, sind grundsätzlich beliebig. Insbesondere kann es sich sowohl um flüssige als auch um gasförmige Medien sowie um Medien mit flüssigen und gasförmigen Anteilen handeln. Das erste und das zweite Medium können zwei unterschiedliche Stoffe sein oder es kann sich auch um den gleichen Stoff mit unterschiedlichen Temperaturen handeln.
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Die beiden Rohrbündelwärmetauscher werden jeweils nacheinander von dem ersten und dem zweiten Medium durchströmt. Dies kann in der Form von Gleichstrom-Wärmetauschern, vorzugsweise jedoch in der Art eines Gegenstrom-Wärmetauschers erfolgen.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung sind die ersten Mantelanschlussstutzen des ersten und des zweiten Rohrbündelwärmetauschers im Wesentlichen senkrecht zu den Längsachsen der Rohrbündelwärmetauscher, vorzugsweise im Wesentlichen vertikal angeordnet.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die ersten Rohranschlussstutzen des ersten und des zweiten Rohrbündelwärmetauschers über eine Verbindungsleitung miteinander verbunden sind. Aufgrund der indirekten Verbindung der beiden Rohranschlussstutzen kann auch an dieser Stelle ein nicht starrer bzw. weicher oder flexibler Lagerpunkt ausgebildet werden, der Relativbewegungen zwischen den beiden Rohrbündelwärmetauschern erlaubt.
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Die ersten Rohranschlussstutzen des ersten und des zweiten Rohrbündelwärmetauschers sind dabei vorzugsweise jeweils an einer Stirnseite des jeweiligen Rohrbündelwärmetauschers angeordnet. Auf diese Weise kann zum Beispiel – je nach Art und Beschaffenheit der Verbindungsleitung zwischen den beiden Rohranschlussstutzen – eine besonders flexible Verbindung geschaffen werden.
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In einer noch weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der erste und/oder der zweite Rohrbündelwärmetauscher wenigstens eine Kompensationsvorrichtung zum Kompensieren einer Längenänderung des jeweiligen Rohrbündelwärmetauschers auf. Diese wenigstens eine Kompensationsvorrichtung umfasst vorzugsweise wenigstens ein in das Gehäuse des jeweiligen Rohrbündelwärmetauschers integriertes, in Längsrichtung des Rohrbündelwärmetauschers wirkendes Balgelement.
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Mit Hilfe eines solchen Balgelements kann insbesondere das Gehäuse, in dessen Mantelraum das wärmere der beiden Fluide einströmt, thermische Längenänderungen ausgleichen und so die Spannungen in und zwischen den Bauteilen des Rohrbündelwärmetauschers vermeiden.
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Ferner kann das Gehäuse des zweiten Rohrbündelwärmetauschers im Wesentlichen zylindrisch geformt und wenigstens eine der oberen Lagervorrichtungen als ein Sattellager ausgebildet sein. Alternativ oder in Kombination kann wenigstens einer der oberen Lagervorrichtungen auch als Aufhängungen des zweiten Rohrbündelwärmetauschers konzipiert sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt das in die Mantelräume des ersten und des zweiten Rohrbündelwärmetauschers strömende erste Medium eine höhere Temperatur als das in die Rohrräume des ersten und des zweiten Rohrbündelwärmetauschers strömende zweite Medium. Die erfindungsgemäße Wärmetauscheranordnung kann alternativ aber auch so benutzt werden, dass das wärmere Medium durch die Rohrräume strömt und das kühlere Medium durch die Mantelräume der beiden Rohrbündelwärmetauscher strömt.
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Obige sowie weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten, nicht-einschränkenden Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Darin zeigen:
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1 eine schematische Seitenansicht einer Wärmetauscheranordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 eine schematische Seitenansicht einer Wärmetauscheranordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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3 eine schematische Seitenansicht einer herkömmlichen Wärmetauscheranordnung.
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In den beiden Ausführungsbeispielen der 1 und 2 sind gleiche bzw. entsprechende Komponenten und Bauteile mit den gleichen Bezugsziffern wie bei der in 3 gezeigten herkömmlichen Wärmetauscheranordnung gekennzeichnet.
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Bezug nehmend auf 1 wird nun zunächst ein erstes Ausführungsbeispiel einer Wärmetauscheranordnung in mehr Einzelheiten beschrieben.
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Die Wärmetauscheranordnung umfasst einen ersten unteren Rohrbündelwärmetauscher 10 und einen zweiten oberen Rohrbündelwärmetauscher 12. Die Längsachsen dieser beiden Rohrbündelwärmetauscher 10, 12 verlaufen im Wesentlichen horizontal (Links/Rechts-Richtung in 1). Die Rohrbündelwärmetauscher 10, 12 sind ferner im Wesentlichen vertikal übereinander (Oben/Unten-Richtung in 1) auf einer Basis 14 (z. B. Fundament, Rahmen, Träger, etc.) angeordnet.
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Der erste Rohrbündelwärmetauscher 10 besitzt ein im Wesentlichen zylindrisches Gehäuse 16, das einen ersten Mantelraum bildet und in dem wenigstens ein Rohrbündel zum Bilden eines ersten Rohrraums angeordnet ist.
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Im Bereich der beiden Längsenden des ersten Rohrbündelwärmetauschers 10 sind an dem Gehäuse 16 ein erster Mantelanschlussstutzen 18 und ein zweiter Mantelanschlussstutzen 20 angebracht, welche jeweils mit dem Mantelraum in Fluidverbindung stehen. Die beiden Mantelanschlussstutzen 18, 20 sind jeweils im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse des ersten Rohrbündelwärmetauschers 10 ausgerichtet, wobei der erste Mantelanschlussstutzen 18 vorzugsweise im Wesentlichen vertikal ausgerichtet ist und die Ausrichtung des zweiten Mantelanschlussstutzens 20 an ein entsprechendes Anschlussrohr angepasst werden kann.
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An beiden Stirnseiten des ersten Rohrbündelwärmetauschers 10 sind ferner ein erster Header 26 und ein zweiter Header 22 vorgesehen, welche jeweils mit dem Rohrraum in Fluidverbindung stehen. An dem ersten Header 26 ist ein erster Rohranschlussstutzen 28 angebracht und an dem zweiten Header 22 ist ein zweiter Rohranschlussstutzen 24 angebracht.
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Der erste Rohranschlussstutzen 28 ist in diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen parallel zur Längsachse des ersten Rohrbündelwärmetauschers 10, zum Beispiel in Verlängerung seiner Mittellängsachse, ausgerichtet. Der zweite Rohranschlussstutzen 24 des ersten Rohrbündelwärmetauschers 10 ist dagegen senkrecht zur Längsachse des ersten Rohrbündelwärmetauschers 10 ausgerichtet und kann an ein entsprechendes Anschlussrohr angepasst werden. Wahlweise kann der zweite Rohranschlussstutzen 24 aber ebenfalls parallel zur Längsachse des ersten Rohrbündelwärmetauschers 10 oder auch schräg angeordnet werden.
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Der zweite Rohrbündelwärmetauscher 12 ist im Wesentlichen analog zum ersten Rohrbündelwärmetauscher 10 konstruiert. Insbesondere besitzt auch der zweite Rohrbündelwärmetauscher 12 ein im Wesentlichen zylindrisches Gehäuse 30, das einen zweiten Mantelraum bildet und in dem wenigstens ein Rohrbündel zum Bilden eines zweiten Rohrraums angeordnet ist.
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Im Bereich der beiden Längsenden des zweiten Rohrbündelwärmetauschers 12 sind an dem Gehäuse 30 ein erster Mantelanschlussstutzen 32 und ein zweiter Mantelanschlussstutzen 34 angebracht, welche jeweils mit dem Mantelraum in Fluidverbindung stehen. Die beiden Mantelanschlussstutzen 32, 34 sind jeweils im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse des zweiten Rohrbündelwärmetauschers 12 ausgerichtet, wobei der erste Mantelanschlussstutzen 32 vorzugsweise im Wesentlichen vertikal ausgerichtet ist. Die Ausrichtung des zweiten Mantelanschlussstutzens 34 ist an ein entsprechendes Anschlussrohr anpassbar.
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Die Position und die Ausrichtung des ersten Mantelanschlussstutzens 18 des oberen Rohrbündelwärmetauschers 12 sind auf den ersten Mantelanschlussstutzen 18 des unteren Rohrbündelwärmetauschers 10 abgestimmt. Die beiden ersten Mantelanschlussstutzen 18, 32 können daher direkt und fest miteinander verbunden werden.
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An beiden Stirnseiten des zweiten Rohrbündelwärmetauschers 12 sind ferner ein erster Header 40 und ein zweiter Header 36 vorgesehen, welche jeweils mit dem Rohrraum in Fluidverbindung stehen. An dem ersten Header 40 ist ein erster Rohranschlussstutzen 42 angebracht und an dem zweiten Header 36 ist ein zweiter Rohranschlussstutzen 38 angebracht.
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Der erste Rohranschlussstutzen 42 ist in diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen parallel zur Längsachse des zweiten Rohrbündelwärmetauschers 12, zum Beispiel in Verlängerung seiner Mittellängsachse, ausgerichtet. Der zweite Rohranschlussstutzen 38 des zweiten Rohrbündelwärmetauschers 12 kann dagegen beliebig ausgerichtet und an ein entsprechendes Anschlussrohr angepasst werden.
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Außerdem ist der erste Rohranschlussstutzen 42 des zweiten Rohrbündelwärmetauschers 12 auf der gleichen Stirnseite der Wärmetauscheranordnung angeordnet wie der erste Rohranschlussstutzen 28 des ersten Rohrbündelwärmetauschers 10. Die beiden ersten Rohranschlussstutzen 28, 42 des oberen und des unteren Rohrbündelwärmetauschers 10, 12 können daher auf einfache Weise durch eine Verbindungsleitung 44 miteinander verbunden werden. Diese Verbindungsleitung 44 ist zum Beispiel eine Rohrleitung oder eine flexible Schlauchverbindung oder dergleichen.
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Wie durch die Strömungspfeile in 1 angedeutet, strömt ein erstes Medium A über den zweiten Mantelanschlussstutzen 34 des zweiten Rohrbündelwärmetauschers 12 zunächst in dessen Mantelraum. Dann strömt dieses erste Medium A durch die beiden miteinander verbundenen ersten Mantelanschlussstutzen 32, 18 in den Mantelraum des ersten Rohrbündelwärmetauschers 10. Schließlich verlässt das erste Medium den ersten Rohrbündelwärmetauscher 10 durch den zweiten Mantelanschlussstutzen 20.
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Ein zweites Medium B strömt zunächst durch den zweiten Rohranschlussstutzen 24 in den zweiten Header 22 des ersten Rohrbündelwärmetauschers 10. Von diesem zweiten Header 22 wird das zweite Medium B auf das wenigstens eine Rohrbündel verteilt und am anderen Ende des Rohrraums im ersten Header 26 wieder gesammelt. Vom ersten Header 26 des ersten Rohrbündelwärmetauschers 10 strömt das zweite Medium B dann durch den ersten Rohranschlussstutzen 28 über die Verbindungsleitung 44 zum ersten Rohranschlussstutzen 42 und in den ersten Header 40 des zweiten Rohrbündelwärmetauschers 12. Das zweite Medium B wird dann auf das wenigstens eine Rohrbündel des zweiten Rohrbündelwärmetauschers 12 verteilt, um am anderen Ende des Rohrbündelwärmetauschers 12 im zweiten Header 36 wieder gesammelt zu werden, bevor es über den zweiten Rohranschlussstutzen 38 des zweiten Rohrbündelwärmetauschers 12 ausgegeben wird.
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Zwischen dem Rohrbündel und der Gehäusewand können in beiden Rohrbündelwärmetauschern 10, 12 auch jeweils mehrere Umlenkbleche vorgesehen sein, sodass das erste Medium A die Mantelräume der beiden Rohrbündelwärmetauscher 10, 12 möglichst quer zu dem Rohrbündel durchströmt, um den Wärmeaustausch zwischen den beiden Medien A und B effizienter zu gestalten.
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Bei den beschriebenen Strömungsrichtungen der beiden Medien A und B funktioniert die Wärmetauscheranordnung von 1 als ein Gegenstrom-Wärmetauscher. Alternativ kann diese Wärmetauscheranordnung aber auch als ein Gleichstrom-Wärmetauscher benutzt werden, wenn die Strömungsrichtung des ersten Mediums A oder des zweiten Mediums B gegenüber der oben beschriebenen umgekehrt wird.
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Das erste Medium A hat beim Eintritt in den zweiten Mantelanschlussstutzen 34 des zweiten Rohrbündelwärmetauschers 12 vorzugsweise eine höhere Temperatur als das zweite Medium B beim Eintritt in den zweiten Rohranschlussstutzen 24 des ersten Rohrbündelwärmetauschers.
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Beim Einsatz der Wärmetauscheranordnung in einer Synthesegasanlage handelt es sich bei dem ersten Medium zum Beispiel um ein heißes Synthesegas, welches zum Beispiel eine Temperatur von etwa 300°C haben kann. Das zweite Medium kann frisches Wasser (Kesselspeisewasser, BFW) mit einer Temperatur im Bereich von etwa 150°C sein.
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In einem alternativen Anwendungsfall kann die Wärmetauscheranordnung aber auch so angeschlossen werden, dass das heißere Medium durch die Rohrräume der beiden Rohrbündelwärmetauscher 10, 12 strömt.
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Wie in 1 dargestellt, ist der untere Rohrbündelwärmetauscher 10 mittels zweier unterer Lagervorrichtungen 46/1, 46/2 auf der Basis 14 positioniert. Die beiden unteren Lagervorrichtungen 46/1, 46/2 sind vorzugsweise als Sattellager ausgebildet, um das zylindrisch geformten Gehäuse 16 des unteren Rohrbündelwärmetauschers 10 halten zu können.
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Das Gehäuse 16 des ersten Rohrbündelwärmetauschers 10 ist mit den beiden unteren Sattellagern 46/1, 46/2 verschweißt. In bekannter Weise können dabei ein erstes unteres Sattellager 46/1 als ein Festlager und ein zweites unteres Sattellager 46/2 als ein Loslager konzipiert sein.
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Ferner ist der obere Rohrbündelwärmetauscher 12 mittels zweiter oberer Lagervorrichtungen 48/1 und 48/2 über dem ersten Rohrbündelwärmetauscher 10 positioniert. Die beiden oberen Lagervorrichtungen 48/1, 48/2 sind dabei als Sattellager, insbesondere als Doppelsattellager zum Aufnehmen des ersten und des zweiten Rohrbündelwärmetauschers 10, 12 ausgebildet.
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Die beiden oberen Lagervorrichtungen 48/1, 48/2 sind vorzugsweise in vertikaler Richtung zu den beiden unteren Lagervorrichtungen 46/1, 46/2 ausgerichtet. Das Gehäuse 30 des zweiten oberen Rohrbündelwärmetauschers 12 ist nur mit dem ersten oberen Sattellager 48/1 verschweißt, um ein Loslager zu bilden, in dem sich der zweite Rohrbündelwärmetauscher 12 in horizontaler Richtung bewegen kann. In dem zweiten oberen Sattellager 48/2 kann sich dagegen zweite Rohrbündelwärmetauscher 12 sowohl in vertikaler Richtung als auch in horizontaler Richtung frei bewegen. Mit dem unteren Rohrbündelwärmetauscher 10 sind die beiden oberen Sattellager 48/1, 48/2 vorzugsweise fest verschweißt.
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Die Verbindung der beiden ersten Mantelanschlussstutzen 18, 32 des ersten und des zweiten Rohrbündelwärmetauschers 10, 12 ist derart ausgebildet, dass diese in allen Betriebszuständen der Wärmetauscheranordnung ein Festlager für den oberen Rohrbündelwärmetauscher 12 bildet. Die Dichtheit der Verbindung muss dabei zu jeder Zeit gewährleistet sein.
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Der obere Rohrbündelwärmetauscher 12 ist somit während der Montage und außerhalb der Betriebszeiten (d. h. bei geringen Temperaturänderungen und -unterschieden) sowohl auf den beiden oberen Sattellagern 48/1, 48/2 als auch auf den ersten Mantelanschlussstutzen 18, 32 gelagert. Während des Betriebs der Wärmetauscheranordnung hebt jedoch der obere Rohrbündelwärmetauscher 12 aufgrund der großen Temperaturänderungen und -unterschiede von dem zweiten oberen Sattellager 48/2 ab, sodass er nur noch auf den beiden Festlagern gehalten ist, welche durch das erste obere Sattellager 48/1 und die ersten Mantelanschlussstutzen 18, 32 gebildet werden.
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Da das erste obere Sattellager 48/1 ein Loslager für den oberen Rohrbündelwärmetauscher 12 bildet, ist der obere Rohrbündelwärmetauscher 12 nur an dem Festlager der ersten Mantelanschlussstutzen 18, 32 fest gehalten und kann sich im Übrigen relativ zu den beiden oberen Sattellagern 48/1 und 48/2 und damit auch zum unteren Rohrbündelwärmetauscher 10 in Längsrichtung frei bewegen bzw. ausdehnen.
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Jenes obere Sattellager 48/2, das den oberen Rohrbündelwärmetauscher 12 nur schwimmend halten soll, ist vorzugsweise auf der Seite der ersten Mantelanschlussstutzen 18, 32 vorgesehen, sodass die beiden oben beschriebenen Festlager für den oberen Rohrbündelwärmetauscher 12 in Längsrichtung möglichst weit auseinander liegen.
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Die Bewegungen bzw. Relativbewegungen des oberen Rohrbündelwärmetauschers 12 in den oberen Lagervorrichtungen 48/1, 48/2 erlauben es, in der Wärmetauscheranordnung Spannungen durch Temperaturunterschiede sowie Kräfte und Momente von außen aufzunehmen, ohne dass diese durch einzelne Komponenten und Bauteile der Anordnung selbst aufgenommen werden müssen. Es kann daher eine weitestgehend spannungsarme und dauerhaft dichte Funktionsfähigkeit der gesamten Wärmetauscheranordnung gewährleistet werden.
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Es wird nun unter Bezug auf 2 ein zweites Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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Die in 2 dargestellte Wärmetauscheranordnung unterscheidet sich von dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel durch die Konstruktion des oberen Rohrbündelwärmetauschers 12. Wie in 2 angedeutet, weist der obere Rohrbündelwärmetauscher 12 zusätzlich eine Kompensationsvorrichtung 50 auf, welche Längenänderung, insbesondere thermisch bedingte Längenänderungen dieses Rohrbündelwärmetauschers 12 ausgleichen kann.
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In einer speziellen Ausführungsform ist diese Kompensationsvorrichtung 50 durch wenigstens ein Balgelement oder dergleichen gebildet, welches in Längsrichtung des oberen Rohrbündelwärmetauschers 12 in dessen Gehäuse 30 integriert ist. Dies ist insbesondere für den Fall vorteilhaft, wenn das heißere Medium als erstes Medium A zuerst den Mantelraum des oberen Rohrbündelwärmetauschers 12 durchströmt.
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Die Kompensationsvorrichtung 50 ist bevorzugt an einer Position in Längsrichtung des oberen Rohrbündelwärmetauschers 12 vorgesehen, welche zwischen den beiden oberen Sattellagern 48/1 und 48/2 liegt.
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Alternativ oder zusätzlich kann auch an dem unteren Rohrbündelwärmetauscher 10 eine derartige Kompensationsvorrichtung 50 vorgesehen sein. Ebenso können an einem Rohrbündelwärmetauscher 10, 12 mehrere Kompensationsvorrichtungen und/oder eine Kompensationsvorrichtung mit mehreren Balgelementen vorgesehen sein.
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Die übrigen Merkmale und Varianten dieser Wärmetauscheranordnung entsprechen jenen des ersten Ausführungsbeispiels von 1, weshalb auf eine wiederholte Erläuterung verzichtet wird.
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In weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung können in Abwandlung der obigen Ausführungsformen von 1 und 2 auch die Lagervorrichtungen 46/1, 46/2, 48/1, 48/2 in anderer Weise ausgebildet werden.
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Insbesondere die weiche Lagerung des oberen Rohrbündelwärmetauschers 12 kann nicht nur durch die Verwendung des nicht verschweißten zweiten oberen Sattellagers 48/2 erzielt werden, sondern zum Beispiel auch durch eine Aufhängung als obere Lagervorrichtung. So kann die Aufhängung beispielsweise direkt an dem Gehäuse 30 des zweiten Rohrbündelwärmetauschers 12 oder an Unterschlingungen (Bänder, Riemen, Ketten, o. dgl.) desselben angreifen und der Rohrbündelwärmetauscher so frei schwingend aufgehängt werden.
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In einer weiteren Variante der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele müsen nicht alle der vorhandenen unteren Lagervorrichtungen 46/1, 46/2 mit dem unteren Rohrbündelwärmetauscher 10 verschweißt sein. Die unteren Sattellager 46/1, 46/2 können wahlweise als Festlager, als Loslager oder als frei schwimmende Halterung ausgebildet sein.
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Auch sind die unteren und die oberen Lagervorrichtungen jeweils nicht auf die Anzahl von zwei Lagervorrichtungen beschränkt. So können zum Beispiel auch drei oder mehr untere Lagervorrichtungen 46 und/oder obere Lagervorrichtungen 48 vorgesehen sein.
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Alle oben beschriebenen Merkmale der Wärmetauscheranordnung können in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden, um auf diese Weise weitere Ausführungsformen zu erzeugen.
