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Die Erfindung betrifft einen Rohrbündelwärmeübertrager und ein Verfahren zur Fertigung eines solchen Rohrbündelwärmeübertragers.
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Aus dem Stand der Technik sind Rohrbündelwärmeübertrager bekannt, worin Wärmeenergie über eine Wand (Rohrwand) von einem Medium auf ein anderes übertragen wird. Es gibt zahlreiche Rohrbündelbauformen, in denen die Rohr- bzw. Mantelräume in mehrere Gänge unterteilt sind, so dass ein Austauschmedium möglichst lange Innenrohre umströmen kann, wobei der Wärmeübertrager im Gegen-, Gleich- und auch im Kreuzstrom betrieben werden kann.
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Aus „VDI-Wärmeatlas” (VDI Gesellschaft, 9. Auflage 2002) sind mehrgängige Rohrbündelwärmeübertrager bekannt, die einen zylinderförmigen Mantel aufweisen, in den mehrere Innenrohre in axialer Richtung angeordnet sind. Die Innenrohre sind zu beiden Enden des Mantels an einem Rohrboden befestigt und fluidisch mit einem Apparateflansch an einen Haubenstutzen verbunden, so dass Fluid zur einen Seite ein- und zur anderen Seite ausströmen kann. Seitlich in den Mantelbereich sind Mantelstutzen eingearbeitet, durch die das Wärmeübertragerfluid, das das strömende Fluid wärmen bzw. kühlen soll, einfließen kann.
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Die Unterteilung erfolgt in der Regel, um die Mediumsgeschwindigkeit zu erhöhen und damit die Wärmeübertragung zu verbessern. Das Medium wird mantelseitig durch Umlenkbleche umgelenkt, wodurch eine Wärmeübertragung verbessert wird. Die so entstehenden Fluidräume auf der Rohr- und der Mantelseite sind dabei miteinander verbunden, wodurch eine Stromführung im Mantelraum oder auch im Rohrraum gebildet wird.
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In der
CN 104 165 534 A ist ein Wärmetauscher mit Leitblechen offenbart, wobei ein Wärmeaustauschmedium um die Rohre herumgeleitet werden kann.
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Die
WO 2003/072 237 A1 beschreibt einen Reaktor, der entlang seiner Längsrichtung Rohre aufweist, die in einer Rohrplatte gehalten werden. Durch diese Rohre wird ein Gas geleitet, das chemisch reagieren soll. Zwischen den Rohren, durch den Mantelraum, wird ein zweites Fluid zur Kühlung geleitet. Die
DE 10 2007 015 060 A1 offenbart ein Kühl- oder Heizsystem für Schüttgut, bei dem in einem Wärmetauscherabschnitt Rohre in Längsrichtung verlaufen, die durch das Kühl- oder Heizfluid durchströmt werden. Diese Rohre sind in Rohrplatten gehalten. Der Zwischenraum zwischen den Rohren, der Mantelraum, wird jedoch nicht durch ein Fluid durchströmt – hier befindet sich das Granulat, das gekühlt werden soll.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Wärmeübertrager können nur mit einheitlichem bzw. gleichbleibendem Druck betrieben werden. Sollen mehrstufige Systeme mit unterschiedlichen Drücken realisiert werden, müssen mehrere solcher Wärmeübertrager hintereinander angeschlossen werden.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Rohrbündelwärmeübertrager bereitzustellen, der kompakt ist und flexibel eingesetzt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch einen Rohrbündelwärmeübertrager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die weitere Aufgabe, einen Rohrbündelwärmeübertrager günstig und einfach herzustellen, wird durch das Fertigungsverfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 8 gelöst.
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Weiterbildungen bzw. bevorzugte Ausführungsformen des Rohrbündelwärmeübertragers oder des Fertigungsverfahrens sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
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Eine erste Ausführungsform bezieht sich auf einen Rohrbündelwärmeübertrager mit einem länglichen Gehäuse, das von einem ersten Fluid oder weiteren Fluiden durchströmbar ist und einen Mantelraum bildet. Dabei sind im Innenraum des Gehäuses ein oder mehrere Bündel Rohre entlang einer Länge des Gehäuses angeordnet, wobei die Rohre durch ein zweites Fluid oder weitere Fluide durchströmbar sind und einen Rohrraum bilden. Ferner wird das eine bzw. werden die Bündel Rohre beidenends durch je eine Rohrplatte gehaltert, die für jedes Rohr eine Öffnung aufweist, die das jeweilige Rohr fluiddicht aufnimmt. Erfindungsgemäß erstreckt sich in dem Gehäuse von der einen Rohrplatte zu der anderen Rohrplatte eine Mehrzahl Trennbleche, so dass der Innenraum durch die Trennbleche in mehrere voneinander fluidisch entkoppelte Teil-Mantelräume unterteilt ist. Dabei liegt in jedem Teil-Mantelraum ein Rohrbündel vor. Jeder Teil-Mantelraum weist einen oder mehrere Mantelstutzen auf, durch den der Teil-Mantelraum unabhängig von den anderen Teil-Mantelräumen mit dem ersten Fluid beschickt werden kann. Als „Mantelraum” wird im Sinne der Erfindung der Innenraum zwischen Mantel und Innenrohren verstanden. Ein „Rohrraum” im Sinne der Erfindung ist der Raum, der in einer Vorkammer im Verteilraum und von den Innenrohren umschlossen wird und durch den das zweite Fluid fließen kann. Ferner wird „Medium” im Sinne von „Fluid” synonym verwendet. Das zweite Fluid könnte beispielsweise zu Volumenreduktionszwecken temperiert werden.
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Damit wird erfindungsgemäß ein Rohrbündelwärmeübertrager vorgeschlagen, der rohr- bzw. auch mantelseitig in verschiedene Kammern unterteilt werden kann, die nicht miteinander verbunden sind und vorteilhaft bei verschiedenen Drücken betrieben werden können. Die Kammern können dabei in mehrere Gänge unterteilt sein. Durch die Kammern können so mehrere „konventionelle” Rohrbündelwärmeübertrager in einem Apparat zusammengefasst werden, was den Platzbedarf der Vorrichtung selbst und die Investitionskosten reduziert. Die einzelnen Kammern oder Teil-Mantelräume können miteinander über Rohrleitungen verbunden werden, so dass entweder die Vorrichtung als parallel laufende Mehrkammer-Wärmeübertrager oder eben als mehrstufiger Wärmeübertrager arbeiten kann.
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Vorteilhaft können sowohl Teil-Mantelräume als auch separate Rohrbündel einzeln beschickt werden. Dabei können die Teil-Mantelräume mit verschiedenen Drücken beaufschlagt werden und ferner unterschiedliche Fluide mit dem Wärmeübertrager verwendet werden.
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In einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Wärmeübertrager in einem oder mehreren der Teil-Mantelräume Umlenkbleche mit Durchtrittsöffnungen aufweist, die zum Durchführen der Rohre der Rohrbündel ausgebildet sind. Dabei können die Umlenkbleche parallel zu den Rohrplatten zwischen den Rohrplatten angeordnet sein und insbesondere die Öffnungen der Rohrplatten mit den Durchtrittsöffnungen der Umlenkbleche fluchten. Damit kann eine erhöhte Turbulenz innerhalb des Mantelraums erreicht und der Wärmeübergang verbessert werden.
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Die Erfindung kann vorsehen, dass das längliche Gehäuse zumindest in einem Bereich von einer zur anderen Rohrplatte zylindrisch ist. Dies bedingt eine einfache Herstellung und kompakte Bauart. Ferner können die Teil-Mantelräume gegeneinander fluiddichte Segmente, bevorzugt zwei, drei, vier oder mehr Segmente, bilden. Somit können die fluiddichten Segmente mit verschiedenen Drücken betrieben werden.
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Ferner kann in einer Ausführungsform vorgesehen sein, dass jeder der stromaufwärts in Bezug auf das durch den jeweiligen Teil-Mantelraum fließende Fluid liegende Mantelstutzen fluidisch mit einem Fluidreservoir für das erste Fluid verbunden werden kann. Ein Fluidreservoir kann entweder ein Dampferzeuger oder aber auch der Brüdenstutzen eines Abscheiders sein.
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Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass ein, in Bezug auf das durch den jeweiligen Teil-Mantelraum fließende Fluid, stromaufwärts liegender Mantelstutzen fluidisch mit dem Fluidreservoir sowie einem Abscheider für das erste Fluid verbunden werden kann. Dies ist nicht nur für ein, sondern auch für mehrere Fluide realisierbar, wobei jedes Fluid mit einem entsprechenden Teil-Mantelraum verbunden sein kann oder unterschiedliche Fluide nacheinander durch den Wärmeübertrager strömen können. Über Schlauch- oder Rohrverbindungen können mit den Mantelstutzen der oder die weiteren Teil-Mantelräume direkt oder indirekt in Reihe geschaltet sein. Damit kann ein mehrstufiger Wärmetauscher realisiert werden, so dass ein Fluid durch alle Teil-Mantelräume strömen kann und dabei unterschiedlichen Rahmenbedingungen (Temperaturen, Drücke, etc.) ausgesetzt werden kann. Die Fluidpfade durch den Rohrbündelwärmeübertrager (oder auch kurz Wärmeübertrager) können dabei folgendermaßen verlaufen: Das erste Fluid wird in den ersten Teil-Mantelraum geleitet, und das zweite Fluid wird währenddessen durch die Rohre geleitet und kann entweder als Wärme aufnehmendes oder übertragendes Medium dienen, je nach Anwendung. Das erste Fluid kann nach Durchlaufen des ersten Teil-Mantelraumes einer weiteren Komponente, bspw. einem Abscheider, zugeführt werden oder über Rohrleitungen in einen zweiten Teil-Mantelraum des Wärmeübertragers geleitet werden. Je nach Anwendung können alle Teil-Mantelräume des Wärmeübertragers hintereinander in Reihe geschaltet sein oder auch zum Teil parallel zueinander verwendet werden.
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In einer weiteren Ausführungsform kann die Erfindung vorsehen, dass das Gehäuse eine oder zwei Vorkammern aufweist, wobei jede Vorkammer sich fluiddicht an eine Rohrplatte anschließt. Dabei können die Rohre, die in den Öffnungen der Rohrplatten fluiddicht aufgenommen sind, mit der Rohrplatte in die Vorkammer münden. Alternativ können sich die Rohre auch bis in die Vorkammer erstrecken. Dabei kann das Gehäuse bevorzugt an einer Vorkammer oder an beiden Vorkammern zur Beschickung der Rohre mit dem zweiten Fluid einen oder mehrere Eintrittsstutzen aufweisen, wobei besonders bevorzugt der Eintrittsstutzen in der Vorkammer über eine Fluidverteilungsvorrichtung fluidisch mit den Rohren verbunden sein kann. Der Wärmeübertrag kann so den entsprechenden Anwendungen angepasst werden. Hiermit kann eine Fluidverteilungsvorrichtung zur Verteilung des Fluids auf die Rohre geschaffen werden. Das jeweilige Fluid kann geschickt auf die verschiedenen Rohre verteilt werden, wodurch die Anlage effektiv gestaltet werden kann.
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Ferner kann sich in dem Gehäuse in einer oder mehreren Vorkammern) von der einen Rohrplatte zu einem von der Rohrplatte abgewandten Ende der Vorkammer eine Mehrzahl Trennbleche erstrecken, so dass der Innenraum der Vorkammer durch die Trennbleche in mehrere voneinander fluidisch entkoppelte Teil-Vorkammern unterteilt werden kann. Dabei können die Trennbleche der Vorkammern mit den Trennblechen in den Teil-Mantelräumen fluchten. Es wird hierdurch eine Mehrteiligkeit des Gehäuses bzw. des Gehäusemantels erreicht, die nicht nur den Mantelraum als solchen in verschiedene Teilräume zerlegt, sondern sich im Rohrraum (mit den Vorkammern) fortsetzen kann. Die Vorkammern können damit auch genutzt werden, um als vorbereitende Kammer für die nächste Station zu dienen. Auch kann so der Wärmeübertrager als Mehrfach-Wärmeübertrager genutzt werden, so dass in allen Teil-Mantelräumen gleichzeitig bzw. parallel der gleiche Vorgang, u. U. mit unterschiedlichen Fluiden, stattfinden kann.
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Um in der jeweiligen Anwendung entsprechend eingesetzt zu werden, bzw. in bestehende Anlagen eingebaut zu werden, kann die jeweilige Vorkammer als Haube ausgebildet sein. Ferner kann sie dazu als Blindflansch oder als Verbinder, insbesondere als Verbinder zur Kopplung mit einem Abscheider ausgebildet sein. Zusätzlich kann die Fluidverteilungsvorrichtung einen Vorverteiler bzw. Verteilertüten aufweisen, um bei der Verwendung als Fallfilmverdampfer die Rohre gleichmäßig zu beaufschlagen.
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Die Erfindung kann weiterhin vorsehen, dass sich in dem Abscheider von der damit verbundenen Vorkammer zu einem von der Vorkammer abgewandten Ende des Abscheiders eine Mehrzahl Trennbleche erstreckt, so dass der Innenraum des Abscheiders durch die Trennbleche in mehrere voneinander fluidisch entkoppelte Teil-Abscheiderkammern unterteilt ist. Dabei können die Trennbleche der Teil-Abscheiderkammern mit den Trennblechen in den Teil-Mantelräumen fluchten. Vorteilhaft kann so die segmentierte Ausführung des Wärmeübertragergehäuses in einem angehängten Abscheider fortgeführt werden. Dazu kann jede Teil-Abscheiderkammer einen Brüdenstutzen aufweisen, der über eine Fluidleitung mit einem Mantelstutzen fluidisch verbunden werden kann. Somit kann der Abscheider ebenfalls in einer mehrstufigen Weise genutzt werden.
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Ein mögliches Einsatzgebiet liegt in der mehrstufigen Verdampfung, wobei bei verschiedenen Temperaturen und Drücken verdampft bzw. kondensiert wird. Dabei werden die im Verdampfer entstehenden Produktdämpfe zur Beheizung eines anderen Wärmeübertragers verwendet und der erforderliche Energiebedarf kann folglich reduziert werden. Die mehrstufige Eindampfung kann in Naturumlaufverdampfern, Zwangsumlaufverdampfern und Fallfilmverdampfern erfolgen. Darüber hinaus kann der erfindungsgemäße Wärmeübertrager in allen Anlagentypen und damit flexibel eingesetzt werden, in denen die Zusammenfassung mehrerer Rohrbündelwärmeübertrager sinnvoll ist.
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Ein Fertigungsverfahren zur Fertigung eines erfindungsgemäßen Rohrbündelwärmeübertragers hat die folgende Schrittabfolge:
In einem Schritt a) werden zwei Rohrplatten und die erforderlichen Trennbleche bereitgestellt. Das erste Trennblech wird derart mit den Rohrplatten verbunden, dass das erste Trennblech mit seiner kurzen Stirnseite mittig auf jeder Rohrplatte befestigt ist, so dass zunächst zwei Kammern, die später die Teil-Mantelräume definieren, gebildet werden. Hiernach oder in einem Schritt können auch die weiteren Trennbleche mit den Rohrplatten verbunden werden.
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Ferner werden die Umlenkbleche so angelegt (Schritt b)), so dass sie in Längsrichtung des ersten Trennblechs parallel zu den Rohrplatten angeordnet sind. Danach werden die Schmalseiten der Umlenkbleche, die an dem ersten Trennblech anliegen, mit den Trennblechen verbunden.
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In einem weiteren Schritt c) wird, nach Anlegen des ersten Mantelsegments in Umfangsrichtung der Rohrplatten und der Umlenkbleche, das erste Mantelsegment mit dem Rand der Rohrplatten verbunden.
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Dann werden die Innenrohre in die erste Kammer eingefügt (Schritt d)), dazu werden die Innenrohre durch die Aufnahmebohrungen der Rohrplatten eingeführt und die Innenrohre mit den Rohrplatten verbunden.
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Hiernach erfolgt in Schritt e) das Drehen der Anordnung um 180°. Das zweite Mantelsegment wird an das erste Mantelsegment auf Stoß angelegt, worauf das erste und das zweite Mantelsegment mittels einer Längsnaht miteinander verbunden werden (Schritt f)).
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Erfindungsgemäß werden die Schritte e) bis g) für die verbliebenen Kammern, Innenrohre und Mantelsegmente wiederholt, bis alle Komponenten verbaut sind und bevorzugt eine fluiddichte Verbindung zwischen allen Teilen besteht.
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Dabei überdeckt das Mantelsegment das Trennblech, wodurch jedes Trennblech eine geeignete Auflagefläche erhält und die zugehörige Verbindung der beiden Komponenten fluiddicht gestaltet werden kann.
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In einem weiteren Schritt a') kann erfindungsgemäß das zweite und dritte Trennblech mit den Rohrplatten senkrecht zu jeder Flachseite des ersten Trennblechs und mit dem ersten Trennblech verbunden werden, so dass vier Kammern gebildet werden. Es können auch mehr Kammern gebildet werden, wozu die Trennbleche in entsprechenden Winkeln, die in einem Bereich von 10° bis 90°, bevorzugt unter 90° liegen, aneinander angelegt und miteinander verbunden werden. Die Anzahl der Kammern kann durch die Anzahl der Trennbleche, die aneinander angelegt und miteinander verbunden sind, und deren Winkel zueinander variiert werden.
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Auch kann vorgesehen sein, dass die Komponenten des Rohrbündelwärmeübertragers stoffschlüssig verbunden, vorzugsweise miteinander verschweißt werden. Damit wird eine fluiddichte Verbindung zwischen den Komponenten geschaffen. Die Komponenten können aus einem Stahl, insbesondere Edelstahl, oder einem Kunststoff gefertigt sein. Es sind auch Werkstoffkombinationen, z. B. Graphitrohre und gummierte Rohrplatten, möglich, je nach gewünschter Anwendung. Je nach gewähltem Werkstoff kann dann ein entsprechendes Schweißverfahren ausgewählt werden.
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Ein weiterer Schritt des Fertigungsverfahrens kann erfindungsgemäß vorsehen, dass eine einseitige oder beidseitige Isolierung an die Rohrplatten bzw. das eine oder die mehreren Trennblech(e), bevorzugt in Form einer Isolierungsplatte angebracht wird/werden. Die Isolierung kann aus Kunststoff bestehen, in Form bspw. von Kunststoffplatten, oder einer Gummierung, und sollte auf die Trennbleche aufgebracht werden, bevor die Innenrohre in die Kammern eingesetzt werden. Durch die Isolierung kann ein ungewollter Wärmeaustausch zwischen den Kammern über die Trennbleche reduziert werden.
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Unter der Prämisse, dass jede Kammer einem konventionellen Wärmeübertrager entspricht, ist der Materialaufwand und der Fertigungsaufwand für den erfindungsgemäßen Rohrbündelwärmeübertrager geringer als der, der für die entsprechende Anzahl konventioneller Wärmeübertrager aufgewendet werden muss.
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Im Folgenden wird ein mögliches Anwendungsverfahren stichwortartig beschrieben.
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Der erfindungsgemäße und wie vorstehend beschrieben hergestellte Wärmeübertrager kann vorzugsweise als mehrstufiger Fallfilmverdampfer betrieben werden.
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Beispielanwendungen finden sich z. B. in der Saftkonzentrat-Herstellung: Aus Apfelsaft wird bspw. ein Apfelsaftkonzentrat erzeugt, wodurch sich Kosten des Transports zu einem Verbrauchsort reduziert werden können.
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Das Verfahren im Fallfilmverdampfer wird dann betrieben wie folgt: Über den Eintrittsstutzen des Rohrraums gelangt das zu kühlende/erhitzende Medium (zweites Medium), wie z. B. der Apfelsaft, dessen Volumen zu Saftkonzentrat reduziert werden soll, zu der ersten Kammer des Wärmeübertragers oder eben auch Fallfilmverdampfers. Dort wird es über einen Vorverteiler und Verteilertüten gleichmäßig auf die Rohre verteilt. Der Mantelraum der ersten Kammer kann durch die Eintritts- sowie Austrittsstutzen fremdbeheizt werden (z. B. Heizdampf, Heißwasser oder Thermal-Öl). Der Dampf als erstes Fluid/Medium sorgt für eine hohe Turbulenz und einen guten Wärmeübergang in die Rohre. Das zweite Medium, hier der Saft, das sich im Rohrraum der ersten Kammer befindet und nach unten fällt, wird erwärmt und verdampft anteilig.
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Nachdem das zweite Medium den ersten Teil-Rohrraum passiert hat, gelangt es in einen Mehrkammerabscheider.
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Dort können bspw. Produktdampf (Brüden) und Flüssigkeit des zweiten Mediums getrennt werden. Der Brüden gelangt über eine Rohrleitung und entsprechenden Eintrittsstutzen in den Mantelraum der nächsten Kammer und wird dort kondensiert. Dabei wird die Energie an das zweite Medium innerhalb der Rohre übertragen. Über einen Kondensatstutzen am Strömungsende des Mantelraums wird das Kondensat aus dem System gefördert. Das zweite Medium kann bspw. weiter über geeignete Rohrverbindungen und eine Pumpe an einen zweiten Teil-Rohrraum geleitet werden.
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In der nächsten Kammer herrscht ein niedrigerer Druck, wobei das zweite Medium bei tieferen Temperaturen verdampfen kann. Über einen Austrittsstutzen, z. B. einen Konzentratstutzen, wird der Verdampfungsrückstand dann wieder in den nächsten Rohrraum gefördert. Das Prinzip wiederholt sich von Stufe zu Stufe, von Kammer zu Kammer. Auf diese Weise wird der erforderliche Gesamtenergiebedarf zur Verdampfung reduziert. Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager kann bspw. auf einer Standzarge installiert werden. Über eine Leiter und ein Podest, die an dem Behälter befestigt werden, wird der erforderliche Stahlbau erheblich reduziert. Auch die Instandhaltung dieses Apparates ist einfacher, da zur Reinigung der Rohre nur ein Apparateflansch entfernt werden muss, anstatt vier bei vier bisher benötigten Einzelstufen. Der geringe Platzbedarf und die kurzen Rohrleitungswege sind weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers.
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Weitere Ausführungsformen sowie einige der Vorteile, die mit diesen und weiteren Ausführungsformen verbunden sind, werden durch die nachfolgende ausführliche Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren deutlich und besser verständlich. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
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Dabei zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht des Rohrbündelwärmeübertragers ohne Mantelbleche und Innenrohre in einer Kammer,
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2 eine Detailansicht eines Endflansches des Wärmeübertragers,
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3 eine perspektivische Ansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform des Wärmeübertragers als Fallfilmverdampfer mit einem Mehrkammerabscheider,
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4 bis 10 Ansichten von Zwischenschritten eines erfindungsgemäßen Fertigungsverfahrens, und
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11 eine perspektivische Ansicht eines Fallfilmverdampfers.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung bezieht sich auf einen Rohrbündelwärmeübertrager 1.
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Wie 1 und 2 zeigen, weist der Rohrbündelwärmeübertrager 1 bzw. kurz Wärmeübertrager 1 die Hauptkomponenten umschließenden Mantel oder Gehäuse 2 und die weitere Hauptkomponenten auf. Die Form des Wärmeübertragers 1 ist im Wesentlichen zylindrisch mit kreisförmiger Basis, kann in manchen Fällen aber auch eine andere Form, wie eine rechteckige Basis haben.
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Parallel zu einer Längsachse des Wärmeübertragers 1 sind in dessen Innenraum bzw. Mantelraum, der von dem Mantel 2 umschlossen wird, eine Vielzahl an Innenrohren 3 angeordnet, die sich durch den gesamten Mantelraum erstrecken und zu Rohrbündeln zusammengefasst sind. Die Innenrohre 3 sind an ihren beiden Enden durch Rohrplatten 9 gehalten, die den Mantelraum abschließen. Um die Innenrohre 3 zu halten, sind Öffnungen 9' oder Bohrungen in den Rohrplatten 9 vorgesehen, in denen die Innenrohre 3 fest gehalten und mit den Rohrplatten 9 verbunden sind. In dem Mantelraum sind die Innenrohre 3 zusätzlich durch Umlenkbleche 6 mit entsprechenden Öffnungen 6 für die Rohre 3 gehalten, die in Längsrichtung des Wärmeübertragers 1 parallel zueinander angeordnet sind. Die Umlenkbleche 6 weisen dazu, wie die Rohrplatten 9, die entsprechend großen Bohrungen 6' auf, durch die die Innenrohre 3 gesteckt und gehalten sind.
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Der Mantelraum ist ferner durch insgesamt drei Trennbleche 4a, 4b und 4c in einzelne Kammerabschnitte 10 getrennt. Die Kammerabschnitte oder auch Teil-Mantelräume 10 sind so ausgestaltet, dass der Wärmeübertrager 1 in unabhängig voneinander arbeitende Wärmeübertrager-Kammern unterteilt werden kann. Ein erstes Trennblech 4a erstreckt sich entlang der Längsrichtung des Wärmeübertragers 1 bzw. parallel dazu und über den Durchmesser der Rohrplatten 9, so dass der Mantelraum in seiner vollen Längserstreckung geteilt wird. Orthogonal zu dem ersten Trennblech 4a sind ein zweites Trennblech 4b und ein drittes Trennblech 4c an dem ersten Trennblech 4a angeordnet. Dadurch kann der Mantelraum in insgesamt vier Kammern oder Teil-Mantelräume 10 unterteilt sein (siehe auch 4).
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Jeder der Teil-Mantelräume 10 weist einen Eintrittsstutzen 7 und einen Austrittsstutzen 8 auf, worüber der Mantelraum mit einem Austauschmedium als erstes Medium beaufschlagt und durchströmt werden kann. Um eine möglichst turbulente Umströmung der Innenrohre 3 in der jeweiligen Kammer 10 zu erzeugen, sind die Umlenkbleche 6 so ausgebildet, dass das Austauschmedium mehrfach umgelenkt und zwar senkrecht zu der Längsachse gelenkt werden kann. Dazu weisen die Umlenkbleche 6 Ausnehmungen auf oder sind schmaler ausgebildet. Ferner können sie abwechselnd an der Innenseite des Mantels 2 oder komplett an den Trennwänden 4a, 4b, 4c anliegen und so alternierend angeordnete Spalte freigeben. Im Wesentlichen sind sie aus einem viertelkreisförmigen Lochblech geformt, wobei entweder ein Teilringstück am Umfang oder zu der Spitze dieses Lochblechs hin ausgelassen ist.
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Ferner verfügt der Wärmeübertrager 1 über zwei Vorkammerrohre 13, die mit einem Flansch 15, einer Haube oder einem Behälter z. B einem Abscheider verbunden sind. Die Vorkammerrohre 13 umschließen einen als Vorkammer 12 ausgebildeten Rohrraum, der auch dazu dient, das zu kühlende/wärmende Medium, das durch die Innenrohre 3 strömen soll, zu kanalisieren und an die Innenrohre 3 weiterzuleiten. Damit die Innenrohre 3 in den jeweiligen Teil-Mantelräumen 10 auch mit unterschiedlichen Medien bzw. Medien unterschiedlicher Temperatur beaufschlagt werden können, ist die Vorkammer 12 in den Vorkammerrohren 13 in der gleichen Weise wie der Mantelraum durch drei Trennbleche 5a, 5b, 5c getrennt und bildet in 1 insgesamt vier Teilvorkammern 12'. In 1 sind nur die Vorkammerrohre 13 ohne Anschlussflansch dargestellt. Die Vorkammer 12 kann mit einer Haube, Blindflansch oder direkt mit einem Abscheider verbunden sein.
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Um die unterschiedlichen Kammern 10 in einer mehrstufigen Anordnung zu nutzen, sind die Eintrittsstutzen 7 und die Brüdenstutzen 21 in 2 (zur besseren Übersicht ohne Mantel 2 dargestellt), 3 und 11 über Rohrleitungen 20 teilweise miteinander verbunden. Die Brüdenstutzen 21 sind dabei an dem Klöpperboden 14 angeordnet und mit diesem fluiddicht verbunden. Aus den Austrittsstutzen 8 kann Kondensat des durch den Mantelraum geströmten Dampfes (erstes Medium/Fluid) aus dem System entfernt werden.
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Der Wärmeübertrager 1 kann in einem Fallfilmverdampfer eingesetzt werden. Über den Flansch 15 bzw. dessen darin eingelassenen Eintrittsstutzen 11 kann das zweite Medium in den Wärmeübertrager gelangen.
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Dem Wärmeübertrager 1 nachgeordnet ist ein Mehrkammerabscheider 16, worin Produktdampf und Flüssigkeit getrennt werden können. Am Ende des Mehrkammerabscheiders 16 ist ein Konzentratstutzen 18 angeordnet, über den ein Verdampfungsrückstand in einen weiteren Rohrraum und in die nächste Kammer 10 gefördert und dort weiter konzentriert werden kann oder nach Durchlaufen aller Kammern 10 entsprechend abgeführt werden kann.
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Eine Fertigung des Wärmeübertragers 1 in Form eines Fallfilmverdampfers kann nach den Schritten, wie sie in 4 bis 10 dargestellt sind, ablaufen:
Zunächst werden die Rohrplatten 9 mit dem ersten Trennblech 4a und dem zweiten Trennblech 4b sowie dem dritten Trennblech 4c verbunden. Die Trennbleche 4a, 4b, 4c werden dabei mit ihren Schmalseiten auf die Oberfläche der Rohrplatte 9 aufgesetzt und verschweißt (4). Es bilden sich Kammern 10, die später die Teil-Mantelräume 10 in dem Gehäuse 2 des Wärmeübertragers 1 definieren.
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Hiernach werden in 5 Umlenkbleche 6, die auch als Stützbleche fungieren, mit ihren Schmalseiten an die Trennbleche 4a, 4b, 4c angelegt und angeschweißt. Dies hat den Vorteil, dass Zugstangen bzw. Abstandshalter dann nicht mehr nötig sind. Die Umlenkbleche 6, die aus einem viertelkreisförmigen Lochblech mit einer Umlenkausnehmung am Umfang oder an der Spitze geformt sind, werden dabei alternierend angeordnet, so dass das Fluid, das durch den jeweiligen Teil-Mantelraum 10 strömt, abwechselnd zu einer Mitte der Vorrichtung 1 und zu dem Mantel 2 hin gelenkt wird.
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In 6 ist das erste Mantelsegment 2a für das Gehäuse 2 angelegt. Es wird an das Trennblech 4c mit Überlappung angebracht und mit den Rohrplatten 9 entlang deren Umfang verschweißt. Ferner wird das Mantelsegment 2a mit dem Trennblech 4c, bzw. dessen schmaler Langseite verschweißt. In diesem Schritt kann optional eine einseitige Isolierung (z. B.: Kunststoffplatten oder Gummierung) zur thermischen Isolation angebracht werden. Eine weitere Trennwand wäre auch möglich.
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Hiernach werden durch die Öffnungen 9' der Rohrplatten 9 und die Öffnungen 6' der Umlenkbleche 6 Rohre 3 eingeführt, die dann das Rohrbündel bilden, wie 7 zeigt. Die Rohre 3 können durch die Rohrplatte 9 hindurch treten, oder mit diesen abschließen, wie hier figurativ gezeigt ist. Die Rohre 3 werden an ihren Ansätzen verschweißt.
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Der bisher gefertigte Apparat wird gedreht, wie 8 darstellt und das nächste Mantelsegment 2b angelegt und mit den Rohrplatten 9 verschweißt. Um den Mantelraum fluiddicht abzudichten, werden die auf Stoß anliegenden Mantelsegmente 2a und 2b mit einer Längsnaht 19 verbunden. Durch den großen Abstand zu einer möglichen verbauten Gummierung (oder einer anderen hitzeempfindlichen Isolierung z. B PTFE Platten) wird diese beim Schweißen nicht heiß. Der Apparat wird gedreht, damit auf der Innenseite herabfallende Schmelze (unwahrscheinlich, aber möglich) auf die nicht gummierte Seite fällt. In diesem Schritt können auch die erforderlichen Stutzen 7, 8 verschweißt werden.
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Diese Schritte werden für alle weiteren Komponenten wiederholt, bis das Gehäuse ganz geschlossen werden kann.
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Die Rohrraumanschlüsse hängen vom Verwendungszweck ab. Die weiteren 9 bis 11 zeigen einen Ausbau des Wärmeübertragers 1 als mehrstufigen Fallfilmverdampfer. Zunächst wird das Vorkammerrohr 13 beidenends an die Rohrplatten 9 angeschweißt (9). Hiernach können dann ein Klöpperboden 14 und zugehöriges Mantelblech 14' des Abscheiders verschweißt werden (10).
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Im Folgenden werden von den Rohrplatten weg erstreckende konisch zulaufende Stegbleche 17a–c verschweißt (11). Anschließend kann ein Konusmantelblech 22 (siehe 3) um den entstandenen Konus als Mantel für den Abscheider noch angebracht werden. Der so gebildete Abscheider 16 wird hierdurch ebenfalls in mehrere Kammern bzw. Teil-Mantelräume unterteilt. Dieser kann dann durch Mannlöcher (die in jeder Sektion vorgesehen sein können) mit den Stegblechen 17 verschweißt werden. Eine Isolierung z. B. Gummierung kann hier nach den Schweißarbeiten ebenfalls durch die Mannlöcher erfolgen.
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Über einen Blindflansch 15' mit Einfräsung zur Abdichtung können dann die einzelnen Kammern von oben in 11 mit Medium beaufschlagt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wärmeübertrager
- 2
- Mantel
- 2a
- Erstes Mantelsegment
- 2b
- Zweites Mantelsegment
- 3
- Innenrohr
- 4a–c
- Trennbleche Mantelraum
- 5a–c
- Trennbleche Rohrraum
- 6, 6'
- Umlenkblech, Öffnungen
- 7
- Eintrittsstutzen Mantelraum
- 8
- Austrittsstutzen Mantelraum
- 9, 9'
- Rohrplatte, Öffnungen
- 10
- Kammern
- 11
- Eintrittsstutzen Rohrraum
- 12
- Vorkammer
- 12'
- Teil-Vorkammern
- 13
- Vorkammerrohr
- 14, 14'
- Klöpperboden, Mantelblech
- 15
- Flansch
- 15'
- Blindflansch
- 16
- Mehrkammerabscheider
- 17a–c
- Trenn- oder Stegbleche mit Konus
- 18
- Konzentratstutzen
- 19
- Längsnaht
- 20
- Rohrleitungen
- 21
- Brüdenstutzen
- 22
- Konusmantelblech Abscheider
