DE102011010896A1 - Wärmetauscher - Google Patents

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Abstract

Wärmetauscher zum Wärmetausch zwischen zumindest einem ersten und einem zweiten Medium, mit: zumindest einer Passage (100), die dazu eingerichtet und vorgesehen ist, von dem ersten Medium durchströmt zu werden, zumindest einem Eintritt (101), über den das erste Medium in die mindestens eine Passage (100) einleitbar ist, zumindest einem Austritt (102), über den das erste Medium aus der mindestens einen Passage (100) heraus leitbar ist, und zumindest einem separaten Druckverlustelement (300), an dem das erste Medium zum Herabsetzen eines Druckes des ersten Mediums entlang strömen kann. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das mindestens eine Druckverlustelement (300) in dem mindestens einen Austritt (102) angeordnet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Ein derartiger Wärmetauscher zum Wärmetausch zwischen zumindest einem ersten und einem zweiten Medium weist zumindest eine Passage für das erste Medium auf, die dazu eingerichtet und vorgesehen ist, von dem ersten Medium in einer Strömungsrichtung durchströmt zu werden, zumindest einen Eintritt, über den das erste Medium in der Strömungsrichtung in die besagte Passage einleitbar ist, zumindest einem Austritt, über den das erste Medium in der Strömungsrichtung aus der Passage heraus leitbar ist sowie zumindest einen separates Druckverlustelement, an dem das erste Medium zum Herabsetzen eines Druckes des ersten Mediums in der Strömungsrichtung entlang strömen kann bzw. dieses insbesondere durchströmen kann.
  • Wärmetauscher der eingangs erwähnten Art sind insbesondere so konzipiert, dass eine Verdampfung des zweiten Mediums auf einer Mantelseite von oben nach unten erfolgt, während die Kondensation und Abkühlung des ersten Mediums im Gegenstrom in der besagten Passage (Rohrraum) von unten nach oben erfolgt. Dabei wird der Druckverlust auf der Rohrseite neben dem Phasenzustand des ersten Mediums durch den statischen Druck und den Reibungsdruckverlust in den Rohren bestimmt. Aufgrund last- und temperaturabhängiger Zustände auf der Rohrseite ist es erforderlich, zwischen diesen beiden Werten (statischem Druck und Reibungsdruckverlust) ein bestimmtes Verhältnis herzustellen.
  • Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art bereitzustellen, der eine einfache Einstellung des Druckes des ersten Mediums ermöglicht, die insbesondere die Güte des Wärmetauschers so wenig wie möglich beeinträchtigt.
  • Dieses Problem wird durch einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Danach ist vorgesehen, dass das mindestens eine Druckverlustelement in dem mindestens einen Austritt angeordnet ist.
  • Dies hat zum einen den Vorteil, dass eine etwaige Abkühlung des ersten Mediums aufgrund des Druckverlustes erst beim Austritt des ersten Mediums stattfindet, was insbesondere die Temperaturverteilung des Wärmetauschers für den Fall, dass die Verdampfung auf der Mantelseite von oben nach unten erfolgt (Fallfilmverdampfer), wie z. B. bei gewickelten Wärmetauschern für die Erdgasverflüssigung, positiv beeinflusst.
  • Weiterhin kann durch das Druckverlustelement ein Druckverlust vergleichsweise günstiger erzielt werden als durch die übliche Anpassung der Rohrdimension der Rohrseite (Rohrbündel). Bei gegebener Länge des Rohres und gegebenem Außendurchmesser des Rohres ist nämlich die offene Variable die Wanddicke des Rohres. Mit steigender Wanddicke des Rohres verringert sich der Innendurchmesser des Rohres und damit steigt der Druckverlust im Rohr und vice versa. Aufgrund gegebener Minimalwandstärken der Rohre aus konstruktiver und fertigungstechnischer Hinsicht ergeben sich somit für steigende Druckverlustanforderungen steigende Wanddicken, die somit in erhöhtem Gewicht, Fertigungsaufwand und Kosten resultieren.
  • Vorzugsweise ist das mindestens eine Druckverlustelement lösbar in dem mindestens einen Austritt des Wärmetauschers bzw. der besagten Passage festgelegt, so dass es entlang der Strömungsrichtung nicht verrutschen kann. Zum lösbaren Festlegen des mindestens einen Druckverlustelements ist hierbei bevorzugt ein Spannelement vorgesehen, das dazu ausgebildet ist, gegen eine das Druckverlustelement umgebende Innenseite des mindestens einen Austritts vorgespannt zu werden, so dass jenes Spannelement des Druckverlustelementes gegen jene Innenseite drückt.
  • Zum Vorspannen des Spannelementes weist das Druckverlustelement dabei vorzugsweise einen vom Spannelement umgriffenen Spanndorn auf, der dazu ausgebildet ist, das Spannelement zum Vorspannen gegen jene Innenseite des Austritts aufzuspreizen.
  • Zum Bewirken eines Druckverlustes des ersten Mediums weist das mindestens eine Druckverlustelement (neben dem durchströmbaren Spanndorn) einen Rohrabschnitt mit einem Innendurchmesser bzw. einem durchströmbaren Querschnitt auf, der kleiner ist als ein entsprechender Innendurchmesser bzw. durchströmbarer Querschnitt des mindestens einen Austritts der besagten Passage.
  • Vorzugsweise ist der Spanndorn mit dem Rohrabschnitt verbunden, wobei der Spanndorn insbesondere einstückig an den Rohrabschnitt angeformt ist oder insbesondere mit diesem über eine Schweißverbindung verbunden ist. Dabei sind der Spanndorn und der besagte Rohrabschnitt des Druckverlustelementes vorzugsweise koaxial bezüglich ihrer jeweiligen Längsachse zueinander angeordnet.
  • Um den Austritt der Passage (Rohrraum) vor abrasiven Einwirkungen durch den ggf. vergleichsweise härteren Rohrabschnitt des Druckverlustelementes zu schützen, weist das Druckverlustelement des Weiteren vorzugsweise eine den Rohrabschnitt umgreifende Schutzhülle (Schutzummantelung) auf, die vorzugsweise eng an dem besagten Rohrabschnitt sowie ggf. an der Innenseite des zugeordneten Austritts anliegt, wobei die Schutzhülle insbesondere über einen umlaufenden Fixierring am Rohrabschnitt festgelegt ist.
  • Bevorzugt ist der mindestens eine Eintritt der Passage entlang der Vertikalen unterhalb des mindestens einen Austritts jener Passage angeordnet. Dies gilt auch für mögliche weitere Passagen des Wärmetauschers, die ein Medium zum Abkühlen von unten nach oben (bezogen auf einen bestimmungsgemäß angeordneten Zustand des Wärmetauschers) durch den Wärmetauscher leiten.
  • Vorzugsweise ist die mindestens eine Passage als ein Rohrbündel ausgebildet. Dieses weist z. B. eine Vielzahl an parallelen Rohren auf, die in zwei einander gegenüberliegenden Rohrböden verankert sein können, wobei die Rohre einerseits mit dem besagten Eintritt und andererseits mit dem besagten Austritt strömungsverbunden sind. Das Rohrbündel kann alternativ auch durch ein schraubenförmig auf ein Kernrohr gewickeltes Rohr gebildet sein, das mit dem Ein- bzw. Austritt strömungsverbunden ist. Insbesondere sind auch die Ein- und Austritte rohrförmig ausgeformt.
  • Bevorzugt ist die Passage bzw. das Rohrbündel dazu ausgebildet – bezogen auf einen bestimmungsgemäß angeordneten Zustand des Wärmetauschers – zur Kondensation bzw. Abkühlung des ersten Mediums entlang der Vertikalen von unten nach oben vom ersten Medium durchströmt zu werden (d. h. vom Eintritt zum darüber liegenden Austritt).
  • Weiterhin weist der erfindungsgemäße Wärmetauscher insbesondere einen das Rohrbündel umgebenden Mantel auf, der eine das Rohrbündel umgebende weitere Passage in Form eines Mantelraumes für ein zweites Medium definiert, wobei der Mantelraum bevorzugt dazu eingerichtet und vorgesehen ist, zur Erwärmung bzw. Verdampfung des zweiten Mediums vom zweiten Medium von oben nach unten (im Gegenstrom zum ersten Medium) durchströmt zu werden. Hierzu weist der Mantel vorzugsweise an einem oberen freien Ende einen Einlass zum Einlassen des zweiten Mediums in den Mantelraum sowie einen Auslass an einem unteren freien Ende des Mantels des Wärmetauschers auf, über den das zweite Medium aus dem Mantelraum ausströmen kann.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sollen bei den nachfolgenden Figurenbeschreibungen eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren erläutert werden.
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers mit Druckverlustelementen; und
  • 2 eine Schnittansicht eines Druckverlustelementes des Wärmetauschers gemäß 1.
  • 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers 1. Der Wärmetauscher 1 weist einen Mantel 10 auf, der insbesondere zylinderförmig ausgebildet ist, wobei sich die Längsachse (Zylinderachse) des Mantels 10 – bezogen auf einen bestimmungsgemäß angeordneten Zustand des Wärmetauschers 1 – entlang der Vertikalen Z erstreckt. Entsprechend weist der Mantel 10 einen unteren Abschnitt und einen sich daran anschließenden oberen Abschnitt auf.
  • Hierbei sind am unteren Abschnitt zwei Eintritte 101, 201 für je ein Rohrbündel 100, 200 vorgesehen, die Passagen für zumindest ein erstes Medium bilden, das in Wärmeaustausch mit einem zweiten Medium gebracht werden soll. Die Rohrbündel 100, 200 erstrecken sich jeweils ausgehend vom jeweils zugeordneten Eintritt 101, 201 innerhalb des Mantels 10 in einem vom Mantel 10 umgebenden Mantelraum 11 entlang der Vertikalen Z zu je einem Austritt 102, 202 im oberen Abschnitt des Mantels 10. Hierbei bildet der Mantelraum 11 eine Passage für das zweite Medium. Der Wärmetauscher 1 kann eine beliebige Anzahl an Rohrbündel 100, 200 aufweisen, ggf. auch lediglich ein Rohrbündel. Bei den Rohrbündeln 100, 200 kann es sich jeweils insbesondere um eine Rohrwicklung handeln, bei der eine oder mehrere Lagen eines Rohres auf ein Kernrohr aufgewickelt ist bzw. sind (gewickelter Wärmetauscher).
  • Der Wärmetauscher 1 der in der 1 gezeigten Art kann beispielsweise zur Erdgasverflüssigung verwendet werden. Hierbei wird das zu verflüssigende Erdgas (erstes Medium) über die Eintritte 101, 201 in die Rohrbündel 100, 200 geleitet und in Wärmeaustausch mit einem Kältemittel (zweites Medium) gebracht, das im Gegenstrom von oben nach unten durch den Mantelraum 11 strömt. Der Mantel 10 weist zum Einleiten des Kältemittels an einem freien Ende des oberen Abschnitts einen entsprechenden Einlass 12 sowie einen Auslass 13 an einem freien Ende des unteren Abschnitts auf, über den das Kältemittel aus dem Mantelraum 11 heraus geleitet wird.
  • Der Druckverlust auf der Rohrseite, d. h., in dem durch die Rohrbündel 100, 200 gebildeten Rohrraum, ist neben dem Phasenzustand des ersten Mediums (Erdgas) durch den statischen Druck des ersten Mediums und den Reibungsdruckverlust im Rohrraum bestimmt. Um zwischen diesen beiden Werten ein bestimmtes Verhältnis einstellen zu können, ist in den insbesondere rohrförmig ausgebildeten Austritten 102, 202 der Rohrbündel 100, 200 bzw. der Passagen für das erste Medium je ein Druckverlustelement 300 gemäß 2 angeordnet.
  • Die austrittseitige Anordnung der Druckverlustelemente 300 hat dabei den Vorteil, dass ein durch den erzeugten Druckverlust bedingter Temperaturabfall des ersten Mediums jeweils am Austritt 102, 202 – also auf der kalten Seite – auftritt. Da durch das mindestens eine Druckverlustelement 300 der erforderliche Druckverlust einstellbar ist, ist weiterhin eine Optimierung der Wanddicken der Rohre der Rohrbündel 100, 200 bzw. des Rohrraumes möglich, so dass der Wärmetauscher 1 weitgehend mit einer einheitlichen Rohrdimension gefertigt werden kann, was Gewicht und Kosten spart, eine Gefahr des Verwechselns von Komponenten beim Aufbau eines Wärmetauschers reduziert und fertigungstechnisch effizienter ist (weniger Materialwechsel).
  • 2 zeigt ein Druckverlustelement 300 der bei dem Wärmetauscher 1 gemäß 1 verwendeten Art. Das Druckverlustelement 300 ist entlang einer Erstreckungsrichtung E längs erstreckt ausgebildet, wobei das jeweilige Druckverlustelement 300 entlang der Erstreckungsrichtung E in den zugeordneten Austritt 102, 202 gemäß 1 eingeführt wird (die Strömungsrichtung des ersten Mediums verläuft also entlang der Erstreckungsrichtung E).
  • Das Druckverlustelement 300 weist ein hülsenförmiges entlang der Erstreckungsrichtung E erstrecktes Spannelement 310 auf, das einen ebenfalls hülsenförmigen Spanndorn 320 umgreift, der koaxial bezüglich des Spannelementes 310 angeordnet ist. Der Spanndorn 320 weist ein freies Ende 321 und einen einstückig daran angeformten konischen Abschnitt 322 auf, der zwei einander gegenüberliegende, durch einen Spalt 313 voneinander getrennte freie Enden 311, 312 des Spannelementes 310 voneinander weg drückt, wenn der Spanndorn 320 axial gegen das Spannelement 310 bewegt wird (entlang der Erstreckungsrichtung E). Hierdurch wird das Spannelement 310 gegen eine Innenseite des jeweiligen Austritts 102, 202 vorgespannt, wodurch das Druckverlustelement 300 in dem jeweiligen Austritt 102, 202 festgelegt wird.
  • Der Spanndorn 320 ist weiterhin mit einem Rohrabschnitt 330 des Druckverlustelementes 300 verbunden, der mit dem Spanndorn 320 fluchtet, wobei der Spanndorn 320 insbesondere an den Rohrabschnitt 330 einstückig angeformt ist oder mit diesem verschweißt ist. Der Rohrabschnitt 330 weist dabei einen zylinderförmigen Mantel 331 auf, der eine entsprechende Ausnehmung (Innenraum) 332 des Rohrabschnittes 330 umgibt, die in eine entsprechende Ausnehmung des Spanndorns 320 übergeht, so dass der Spanndorn 320 und der Rohrabschnitt 340 entlang der Erstreckungsrichtung E vom ersten Medium durchströmbar sind.
  • Um einen vordefinierbaren Druckverlust des ersten Mediums zu bewirken, weisen der Spanndorn 320 und der Rohrabschnitt 330 einen einheitlichen Innendurchmesser auf, der kleiner ist als der Innendurchmesser des jeweiligen Austritts 102, 202 bzw. des Rohrraumes, in dem das jeweils zugeordnete Druckverlustelement 300 angeordnet ist, so dass sich beim Durchströmen ein entsprechender Druckverlust des ersten Mediums einstellt.
  • Um das jeweilige Rohr (Austritt) 102, 202 vor abrasiven Einwirkungen des Druckverlustelementes 300, insbesondere beim Einführen des jeweiligen Druckverlustelementes 300 in den jeweils zugeordneten Austritt 102, 202, zu schützen, weist das jeweilige Druckverlustelement 300 eine den Rohrabschnitt 330 umgebende Schutzhülle 340 auf. Diese ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Rohrabschnitt 330 aus einem Metall besteht, das härter ist als das des umgebenden Rohres 102, 202. Die Schutzhülle 340 wird über einen den Rohrabschnitt 330 umlaufenden, eng umgreifenden Fixierring 350 am Rohrabschnitt 330 befestigt. Bezugszeichenliste
    1 Wärmetauscher
    10 Mantel
    11 Mantelraum
    12 Einlass
    13 Auslass
    100 Rohrbündel
    101 Eintritt
    102 Austritt
    200 Rohrbündel
    201 Eintritt
    202 Austritt
    300 Druckverlustelement
    310 Spannelement
    311 Freies Ende
    312 Freies Ende
    313 Spalt
    320 Spanndorn
    321 Freies Ende
    322 Konischer Abschnitt
    330 Rohrabschnitt
    331 Mantel
    332 Ausnehmung
    340 Schutzhülle
    350 Fixierring
    E Erstreckungsrichtung
    Z Vertikale

Claims (10)

  1. Wärmetauscher zum Wärmetausch zwischen zumindest einem ersten und einem zweiten Medium, mit: – zumindest einer Passage (100), die dazu eingerichtet und vorgesehen ist, von dem ersten Medium durchströmt zu werden, – zumindest einem Eintritt (101), über den das erste Medium in die mindestens eine Passage (100) einleitbar ist, – zumindest einem Austritt (102), über den das erste Medium aus der mindestens einen Passage (100) heraus leitbar ist, und – zumindest einem separaten Druckverlustelement (300), an dem das erste Medium zum Herabsetzen eines Druckes des ersten Mediums entlang strömen kann, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Druckverlustelement (300) in dem mindestens einen Austritt (102) angeordnet ist.
  2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Druckverlustelement (300) lösbar in dem mindestens einen Austritt (102) festgelegt ist.
  3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Druckverlustelement (300) ein Spannelement (310) aufweist, das dazu eingerichtet und vorgesehen ist, zum lösbaren Festlegen des Druckverlustelementes (300) in dem mindestens einen Austritt (102) gegen eine das Druckverlustelement (300) umgebende Innenseite des mindestens einen Austritts (102) vorgespannt zu werden.
  4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckverlustelement (300) zum Vorspannen des Spannelementes (310) einen vom Spannelement (310) umgriffenen Spanndorn (320) aufweist, wobei der Spanndorn (320) dazu ausgebildet ist, das Spannelement (310) zum Vorspannen gegen jene Innenseite des Austritts (102) aufzuspreizen.
  5. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckverlustelement (300) zum Herabsetzen des Druckes des ersten Mediums einen Rohrabschnitt (330) aufweist, wobei das Druckverlustelement (300) insbesondere so in dem mindestens einen Austritt (102) angeordnet ist, dass der Rohrabschnitt (330) zum Herabsetzen des Druckes des ersten Mediums vom ersten Medium durchströmt wird.
  6. Wärmetauscher nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Spanndorn (320) mit dem Rohrabschnitt (330) verbunden ist, wobei der Spanndorn (320) insbesondere einstückig an den Rohrabschnitt (330) angeformt ist oder insbesondere mit diesem über eine Schweißverbindung verbunden ist.
  7. Wärmetauscher nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckverlustelement (300) eine den Rohrabschnitt (330) umgreifende Schutzhülle (340) aufweist, wobei die Schutzhülle (340) insbesondere über einen den Rohrabschnitt (330) umgreifenden Fixierring (350) am Rohrabschnitt (330) festgelegt ist.
  8. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Eintritt (101) entlang der Vertikalen (Z) unterhalb des mindestens einen Austritts (102) angeordnet ist.
  9. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Passage (100) als ein Rohrbündel ausgebildet ist, wobei insbesondere das Rohrbündel (100) dazu ausgebildet ist – bezogen auf einen bestimmungsgemäß angeordneten Zustand des Wärmetauschers (1) – zur Abkühlung des ersten Mediums entlang der Vertikalen (Z) von unten nach oben vom ersten Medium durchströmt zu werden.
  10. Wärmetauscher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (1) einen das mindestens eine Rohrbündel (100) umgebenden Mantel (10) aufweist, der eine das mindestens eine Rohrbündel (100) umgebende weitere Passage (11) in Form eines Mantelraumes (11) für ein zweites Medium definiert, wobei der Mantelraum (11) insbesondere dazu eingerichtet und vorgesehen ist, zur Erwärmung des zweiten Mediums vom zweiten Medium von oben nach unten durchströmt zu werden, und wobei insbesondere der Mantel (10) zum Einlassen des zweiten Mediums in den Mantelraum (11) einen Einlass (12) und zum Ablassen des zweiten Mediums aus dem Mantelraum (11) einen Auslass (13) aufweist.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102901383A (zh) * 2012-11-16 2013-01-30 无锡豫达换热器有限公司 回收天然气冷能的换热器
WO2015171210A3 (en) * 2014-05-07 2016-03-24 Praxair Technology, Inc. Heat exchanger assembly and system for a cryogenic air separation unit

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