DE102017007922A1

DE102017007922A1 - Wärmetauschvorrichtung und Gasverdampfer

Info

Publication number: DE102017007922A1
Application number: DE102017007922.6A
Authority: DE
Inventors: Peter Lichtmannegger-Moderegger
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2017-08-22
Filing date: 2017-08-22
Publication date: 2019-02-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmetauschvorrichtung (10) zum Wärmetausch zwischen einem ersten Fluid und einem zweiten Fluid, aufweisend zumindest ein Leitungselement (12), welches dazu ausgelegt ist, von dem ersten Fluid durchströmt zu werden, sowie zumindest ein Wärmekopplungselement (14), welches ein wärmeleitfähiges Material umfasst und mit dem zumindest einen Leitungselement (12) in thermischem Kontakt steht. Dabei ist in dem zumindest einen Wärmekopplungselement (14) zumindest ein Strömungskanal (16) dazu ausgebildet, um von dem zweiten Fluid derart in einer Strömungsrichtung (100) durchströmt zu werden, dass das zweite Fluid beim Durchströmen des Strömungskanals (16) zumindest teilweise in thermischem Kontakt mit dem Wärmekopplungselement (14) ist. Der Strömungskanal weist dabei (16) einen Innendurchmesserverlauf aufweist, welcher sich entlang der Strömungsrichtung verjüngt und wieder aufweitet. Ferner betrifft die Erfindung einen Gasverdampfer (18) mit einer erfindungsgemäßen Wärmetauschvorrichtung (10).

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmetauschvorrichtung und einen Gasverdampfer mit einer Wärmetauschvorrichtung. Die Erfindung liegt daher insbesondere auf dem Gebiet der Gasverdampfer zum Verdampfen von Flüssiggasen. Ferner betrifft die Erfindung insbesondere Kühlkörper und/oder Heizkörper, welche beispielsweise in einem Gasverdampfer zur Verwendung gelangen können.
Im Stand der Technik sind Gasverdampfer bekannt, wie diese beispielsweise von der LINDE AG angeboten werden, welche dazu dienen, verflüssigte Gase zu verdampfen, um in flüssiger Form gespeicherte Gase nach dem Verdampfen in gasförmiger Form nutzen zu können. Derartige Gasverdampfer können luftbeheizt sein, d.h. dass Umgebungsluft in der Umgebung des Gasverdampfers benutzt wird, um das flüssige Gas, welches oftmals eine Temperatur von ca. -180° C aufweist, zu erwärmen, sodass das verflüssigte Gas zumindest teilweise in den gasförmigen Aggregatszustand übergeht.
Bei herkömmlichen Gasverdampfern strömt das zu erwärmen Gas durch Rohrleitungen, welche derart ausgestaltet sind, dass diese einen Wärmeaustausch zwischen dem kalten, verflüssigten Gas, welches durch die Rohrleitungen strömt, und der deutlich wärmeren Umgebungsluft ermöglichen. Einem effizienten Wärmeaustausch kann dabei unter Umständen abträglich sein, wenn die zum Erwärmen des verflüssigten Gases bzw. der Rohrleitungen benötigte Umgebungsluft nicht in ausreichendem Maße um die Rohrleitungen strömen kann und aufgrund dessen keine kontinuierliche Abfuhr der durch die Rohrleitungen abgekühlten Umgebungsluft bzw. keine ausreichende Zufuhr von Wärme stattfinden kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Wärmetauschvorrichtung und einen Gasverdampfer bereitzustellen, welche einen verbesserten Wärmetausch ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Wärmetauschvorrichtung und einen Gasverdampfer mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche, sowie der nachfolgenden Beschreibung.
In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung eine Wärmetauschvorrichtung zum Wärmetausch zwischen einem ersten Fluid und einem zweiten Fluid, wobei die Wärmetauschvorrichtung zumindest ein Leitungselement aufweist, welches dazu ausgelegt ist, von dem ersten Fluid durchströmt zu werden, sowie zumindest ein Wärmekopplungselement, welches ein wärmeleitfähiges Material umfasst und mit dem zumindest einen Leitungselement in thermischem Kontakt steht. Dabei ist in dem zumindest einen Wärmekopplungselement zumindest ein Strömungskanal dazu ausgebildet, um von dem zweiten Fluid derart in einer Strömungsrichtung durchströmt zu werden, dass das zweite Fluid beim Durchströmen des Strömungskanals zumindest teilweise in thermischem Kontakt mit dem Wärmekopplungselement ist, wobei der Strömungskanal einen Innendurchmesserverlauf aufweist, welcher sich entlang der Strömungsrichtung verjüngt und wieder aufweitet.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Gasverdampfer mit einer erfindungsgemäßen Wärmetauschvorrichtung, wobei der Gasverdampfer dazu ausgelegt ist, von einem zumindest teilweise verflüssigten Gas als das erste Fluid durchströmt zu werden und das verflüssigte Gas zu erwärmen.
Vorzugsweise ist das erste Fluid ein verflüssigtes Gas und/oder eine kryogene Flüssigkeit, wie beispielsweise verflüssigter Sauerstoff, verflüssigter Stickstoff, verflüssigtes Argon, verflüssigter Wasserstoff, verflüssigtes Kohlendioxid und/oder verflüssigtes Erdgas (engl.: Liquefied Natural Gas, LNG). Beispielsweise kann das erste Fluid bei einer Temperatur von ca. -200° C bis -170° C vorliegen. Vorzugsweise ist das zweite Fluid ein flüssiges oder gasförmiges Fluid. Beispielsweise kann das zweite Fluid Umgebungsluft, d.h. Luft aus der den Gasverdampfer bzw. die Wärmetauschvorrichtung umgebenden Atmosphäre umfassen, welche beispielsweise eine Temperatur von etwa -20° C bis 40° C aufweist.
Das Leitungselement kann dabei beispielsweise als eine Rohrleitung ausgebildet sein und/oder einen Teil einer längeren Rohrleitung bzw. eines Rohrleitungssystems bilden. Insbesondere können beispielsweise mehrere Leitungselemente verschiedene Teile einer Rohrleitung bzw. eines Rohrleitungssystems darstellen.
Das Wärmekopplungselement kann vorzugsweise als Kühlkörper und/oder als Heizkörper ausgebildet sein. Insbesondere kann das Wärmekopplungselement dazu ausgelegt sein, eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit aufzuweisen und/oder eine große Oberfläche aufzuweisen, um einen möglichst großflächigen, thermischen Kontakt mit dem ersten Fluid und/oder dem zweiten Fluid herstellen zu können. Beispielsweise kann das wärmeleitfähige Material, welches von dem Wärmekopplungselement umfasst ist, ein metallisches Material umfassen, wie beispielsweise Aluminium und/oder Edelstahl und/oder Kupfer und/oder Silber. Besonders bevorzugt ist das wärmeleitfähige Material derart ausgebildet, dass dieses keine oder nur eine möglichst geringe Anfälligkeit für Rost und/oder Oxidation und/oder Korrosion aufweist.
Dass das zumindest eine Wärmekopplungselement mit dem zumindest einen Leitungselement in thermischem Kontakt steht bedeutet dabei, dass das zumindest eine Wärmekopplungselement und das zumindest eine Leitungselement derart relativ zueinander angeordnet sind und/oder derart aneinander angrenzend angeordnet sind und/oder derart miteinander verbunden sind, dass ein effizienter Wärmeaustausch zwischen dem zumindest einen Wärmekopplungselement und dem zumindest einen Leitungselement erfolgen kann. Besonders bevorzugt fungiert das zumindest eine Wärmekopplungselement zumindest teilweise als Kühlkörper und/oder als Heizkörper für das zumindest eine Leitungselement bzw. für das erste Fluid, welches durch das zumindest eine Leitungselement strömt.
Der Innendurchmesserverlauf des Strömungskanals bezeichnet dabei eine Form und/oder Kontur einer Innenwand des Strömungskanals. Erfindungsgemäß verjüngt sich der Innendurchmesserverlauf des Strömungskanals bzw. des Strömungskanals entlang der Strömungsrichtung und weitet sich wieder auf. Dies kann beispielsweise derart ausgebildet sein, dass der Innendurchmesserverlauf bzw. der Strömungskanal eingeschnürt ist und/oder entlang der Strömungsrichtung eine Engstelle aufweist.
Die Erfindung bietet den Vorteil, dass insbesondere durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Wärmekopplungselements bzw. des Strömungskanals eine Sogwirkung erzeugt bzw. vergrößert wird, aufgrund welcher die Strömung des zweiten Fluids durch den Strömungskanal bzw. durch das Wärmekopplungselement vergrößert wird. Dies ermöglicht, die Wärmetauschwirkung, d.h. die Heizwirkung und/oder die Kühlwirkung, der Wärmetauschvorrichtung zu verbessern, ohne jedoch die Wärmetauschvorrichtung mit einer aktiv erzeugten Strömung des zweiten Fluid durch das Wärmekopplungselement versehen zu müssen. Mit anderen Worten kann die Wärmetauschvorrichtung als ein passives Bauteil bzw. eine passive Vorrichtung ausgestaltet sein, d.h. dass keine Lüfter und/oder Ventilator und/oder Gebläse notwendig sind, um eine Sogwirkung auf das zweite Fluid durch den Strömungskanal zu bewirken. Somit bietet die Erfindung den Vorteil, dass die Effizienz des Wärmetauschs durch die Wärmetauschvorrichtung vergrößert wird, ohne einen Aufwand zum Betrieb der Wärmetauschvorrichtung bzw. des Gasverdampfer zu erhöhen.
Ferner bietet die Erfindung den Vorteil, dass die Wärmetauschvorrichtung sowohl zum Erwärmen als auch zum Kühlen des ersten Fluids verwendet werden kann. Sofern das erste Fluid erwärmt werden soll, ist es erforderlich, dass das zweite Fluid, welches durch den Strömungskanal des Wärmekopplungselement strömt, eine höhere Temperatur aufweist, als das erste Fluid. Entsprechend muss die Temperatur des zweiten Fluids geringer sein als die Temperatur des ersten Fluids, wenn das erste Fluid durch die Wärmetauschvorrichtung abgekühlt werden soll.
Vorzugsweise wird die Wärmetauschvorrichtung derart betrieben, dass das Wärmekopplungselement vertikal ausgerichtet ist, d.h. dass der Strömungskanal im wesentlichen vertikal verläuft, d.h. parallel zum Gravitationsfeld der Erde. Besonders bevorzugt verläuft das Leitungselement parallel zum Strömungskanal des Wärmekopplungselement, d.h. in vertikaler Richtung. Dadurch dass das erste Fluid beim Durchströmen des Leitungselements Wärme von dem Leitungselement und dem damit in thermischem Kontakt stehenden Wärmekopplungselements aufnimmt, nimmt die Temperatur des ersten Fluids entlang der Strömungsrichtung des ersten Fluids über die Länge des Leitungselement und des Wärmekopplungselements zu, wodurch auch die Temperatur des Wärmekopplungselements entlang der Strömungsrichtung des ersten Fluids an entsprechender Stelle zunimmt. Dadurch entsteht vorzugsweise ein Temperaturgradient des zweiten Fluids innerhalb des Wärmekopplungselements, da sich das zweite Fluid entweder kontinuierlich abkühlt (sofern das erste Fluid kälter ist als das zweite Fluid) und entsprechend aufgrund steigender Dicht in dem Strömungskanal absackt, oder sich das zweite Fluid kontinuierlich erwärmt (sofern das erste Fluid wärmer ist als das zweite Fluid) und entsprechend aufgrind abnehmender Dichte im Strömungskanal aufsteigt. Durch die unterschiedliche räumliche Ausdehnung bzw. Kompression der verschieden temperierten Anteile des zweiten Fluids entlang des Strömungskanals können somit Druckunterschiede entstehen, welche zu einer gewünschten Sogwirkung führen und zu einer Entstehung und/oder Vergrößerung der Strömung von zweitem Fluid durch den Strömungskanal führen. Beispielsweise kann der Strömungskanal ähnlich wie ein Kamin funktionieren, wodurch die Strömung von dem zweiten Fluid durch den Strömungskanal vergrößert wird.
Ein entsprechender Effekt tritt vorzugsweise auf, wenn die Wärmetauschvorrichtung zum Abkühlen des ersten Fluids verwendet wird, d.h. wenn das zweite Fluid eine niedrigere Temperatur als das erste Fluid aufweist, da in diesem Fall das erste Fluid entlang kontinuierlich Wärme an das Leitungselement und an das damit in thermischen kontaktstehende Wärmekopplungselement abgibt. Auch in diesem Fall entsteht ein Temperaturgradient im zweiten Fluid im Strömungskanal, welcher ebenfalls zu einer Sogwirkung führt und die Strömung von zweitem Fluid durch den Strömungskanal bewirkt bzw. erhöht. Da jedoch in diesem Fall der Temperaturgradient in entgegengesetzte Richtung orientiert ist, als in dem oben-genannten Fall, in welchem die Wärmetauschvorrichtung zum Erwärmen des ersten Fluids verwendet wird, ist auch die Sogwirkung auf das zweite Fluid entgegengesetzt gerichtet, sodass das zweite Fluid in entgegengesetzter Richtung durch den Strömungskanal strömt, als beim Erwärmen des ersten Fluid. Mit anderen Worten ist die Strömungsrichtung des zweiten Fluids durch den Strömungskanal beim Abkühlen des ersten Fluids vorzugsweise entgegengesetzt zur Strömungsrichtung des zweiten Fluids durch den Strömungskanal beim Erwärmen des ersten Fluids. Demnach kann die Wärmetauschvorrichtung vorzugsweise zum Abkühlen und/oder Erwärmen des ersten Fluids ausgebildet sein.
Vorzugsweise verläuft der Innendurchmesserverlauf des Strömungskanals insbesondere in Strömungsrichtung kontinuierlich bzw. stetig. Mit anderen Worten ist der Innendurchmesserverlauf des Strömungskanals derart ausgebildet, dass er keine Diskontinuitäten aufweist, wie etwa Stufen und/oder Sprünge und/oder Kanten und/oder Aussparungen. Dies bietet den Vorteil, dass Toträume vermieden werden können, in welchen etwa keine oder nur eine sehr geringe Strömung des zweiten Fluid auftritt und somit kein effizienter Austausch des zweiten Fluid und keine effiziente Wärmeabfuhr erfolgen kann. Darüber hinaus kann dies den Vorteil bieten, dass unerwünschte Verwirbelungen des durch den Strömungskanal strömenden zweiten Fluids vermieden werden können, welche beispielsweise nachhaltig für die Strömungsgeschwindigkeit des zweiten Fluids durch den Strömungskanal sein können.
Vorzugsweise ist der Strömungskanal bzw. das Wärmekopplungselement als eine Düse ausgebildet. Besonders bevorzugt ist der Strömungskanal bzw. das Wärmekopplungselement als eine Laval-Düse ausgebildet. Dies bietet den Vorteil dass auf besonders effektive Weise eine Sogwirkung auf das zweite Fluid ausgeübt werden kann, so dass vorzugsweise bereits ein geringer Temperaturgradient des zweiten Fluids entlang des Strömungskanals ausreichend sein kann, um eine Sogwirkung durch den Strömungskanal zu bewirken.
Vorzugsweise besteht das Wärmekopplungselement im Wesentlichen aus dem wärmeleitfähigen Material. Mit anderen Worten ist das Wärmekopplungselement vorzugsweise einstückig aus dem wärmeleitfähigen Material ausgebildet. Dem steht dabei nicht entgegen, wenn das Wärmekopplungselement bzw. das wärmeleitfähige Material beispielsweise Verunreinigungen aufweist und/oder mit einer Beschichtung aus einem anderen Material versehen ist. Dies bietet den Vorteil, dass der Herstellungsaufwand und/oder die Herstellungskosten für das Wärmekopplungselement gering gehalten werden können. Alternativ oder zusätzlich kann das Wärmekopplungselement Strukturen aufweisen, welche die Aufnahme und/oder das Leiten eines Wärmeleitfluids ermöglichen. Insbesondere kann dabei das Wärmekopplungselement ein Wärmeleitfluid umfassen, welches zumindest teilweise von dem wärmeleitfähigen Material umschlossen ist. Beispielsweise kann das Wärmeleitfluid als ein Kühlmittel ausgebildet sein. Beispielsweise kann das Wärmekopplungselement Hohlräume und/oder Leitungssysteme aufweisen, welche das Wärmeleitfluid bzw. das Kühlmittel aufnehmen und/oder leiten können, sodass das Wärmeleitfluid zu dem Wärmetausch zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid beitragen kann. Dies bietet den Vorteil, dass der Wärmetausch zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid effizienter und/oder effektiver ablaufen kann.
Vorzugsweise ist die Wärmetauschvorrichtung und/oder der Gasverdampfer dazu ausgelegt, von einer Umgebungsluft als das zweite Fluid durchströmt zu werden. Dies bietet den Vorteil, dass kein erhöhter Aufwand betreiben werden muss, um das zweite Fluid bereitzustellen.
Vorzugsweise weist die Wärmetauschvorrichtung mehrere Wärmekopplungselemente auf, welche vorzugsweise derart angeordnet sind, dass die jeweiligen Strömungskanäle der mehreren Wärmekopplungselemente parallel zueinander verlaufen. Besonders bevorzugt umfasst die Wärmetauschvorrichtung mehrere Leitungselemente, welche zwischen den mehreren Wärmekopplungselementen ausgebildet sind und/oder jeweils mit zumindest zwei der mehreren Wärmekopplungselementen in thermischem Kontakt stehen. Dies bietet den Vorteil, dass die mehreren Wärmekopplungselemente nacheinander von einer Strömung des ersten Fluids oder parallel von mehreren Strömungen des ersten Fluid durchströmt werden können, durch ein größeren Wärmetausch, d.h. eine größere Abkühlung oder Erwärmung des ersten Fluid, oder eine Abkühlung oder Erwärmung eines größeren Volumens des ersten Fluids gleichzeitig erfolgen kann.
Die mehreren Leitungselemente können dabei vorzugsweise jeweils einen Teil eines oder mehrerer Leitungssysteme bilden. Mit anderen Worten können die mehreren Leitungselemente durch anderweite Leitungsstrukturen miteinander verbunden sein und beispielsweise seriell nacheinander von einer Strömung von erstem Fluid durchströmt werden.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt in einer schematischen Querschnitt-Darstellung eine Wärmetauschvorrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform.
Die 2A und 2B zeigen in schematischen Darstellungen ein Wärmekopplungselement gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform.
Die 3A und 3B zeigen in schematischen Darstellungen einen Gasverdampfer gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt in einer schematischen Querschnitt-Darstellung eine Wärmetauschvorrichtung 10 gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform. Die Wärmetauschvorrichtung 10 weist dabei zwei Leitungselemente 12 auf, welche von einem ersten Fluid durchströmt werden können. Beispielsweise können die Leitungselemente 12 von dem ersten Fluid in Richtung 100 durchströmt werden, wenngleich auch eine entgegengesetzte Strömungsrichtung möglich ist. Zwischen den beiden Leitungselementen 12 ist ein Wärmekopplungselement 14 ausgebildet, welches Wandelemente 14a umfasst, die aus einem wärmeleitfähigen Material ausgebildet sind. Beispielsweise können die Wandelemente 14a aus Metall gefertigt sein. Gemäß der gezeigten Ausführungsform kann auch die ganze Wärmetauschvorrichtung 10 einstückig ausgebildet sein, beispielsweise einstückig gegossen oder aus einem Metallblock gefräst sein. Insbesondere ist die Wärmeleitvorrichtung 10 derart ausgebildet, dass die Leitungselemente 12 mit dem Wärmekopplungselement 14 bzw. mit dem Strömungskanal 16 in thermischem Kontakt stehen, sodass ein effizienter Wärmeaustausch zwischen den Leitungselementen 12 und dem Wärmekopplungselement 14 besteht, um einen effizienten Wärmeübertrag vom ersten Fluid auf das zweite Fluid oder umgekehrt zu erzielen, Je nachdem ob das erste Fluid erwärmt oder abgekühlt werden soll.
Zwischen den beiden Wandelementen 14a des Wärmekopplungselement 14 ist ein Strömungskanal 16 ausgebildet, durch welchen ein zweites Fluid hindurchströmen kann. Der Strömungskanal 16 weist dabei eine Verjüngung auf, welche durch die Ausbuchtungen 14b der Wandelemente 14a entsteht und welche den Strömungskanal 16 entlang der Strömungsrichtung des zweiten Fluids zunächst verjüngt und sodann wieder aufweitet, unabhängig davon ob das zweite Fluid parallel zur Richtung 100 oder entgegengesetzt dazu durch den Strömungskanal 16 strömt.
Die Leitungselemente 12 können dabei jeweils ein Teil eines Leitungssystems sein oder Teil mehrerer Leitungssysteme sein. Beispielsweise können die Leitungselemente 12 über anderweitige Rohrleitungen (siehe 3B) miteinander verbunden sein, sodass das erste Fluid zuerst durch das eine Leitungselement 12 strömt und später dann durch das zweite Leitungselement 12.
Die 2A und 2B zeigen in schematischen Darstellungen ein Wärmekopplungselement 14 gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform in einer Querschnittansicht (2A) und in Draufsicht (2B). Dabei sind die Ausbuchtungen 14b bzw. die Verjüngung der Wandelemente 14a derart ausgestaltet, dass diese den Strömungskanal 16 als eine Lavaldüse ausbilden. Gemäß der gezeigten Ausführungsform kann sich aufgrund der Form bzw. des Innendurchmesserverlaufs des Strömungskanals 16 eine bevorzugte Strömungsrichtung des zweiten Fluids parallel zur Richtung 100, d.h. von unten nach oben, ergeben, um besonders vorteilhafte Strömungseigenschaften und/oder eine besonders ausgeprägte Sogwirkung auf das zweite Fluid zu erzielen. Die Ausbuchtungen 14b und/oder die Wandelemente 14a können dabei massiv aus dem wärmeleitfähigen Material ausgebildet sein. Alternativ können die Wandelemente 14a und/oder die Ausbuchtungen 14b Strukturen aufweisen, welche die Aufnahme und/oder das Leiten eines Wärmeleitfluid ermöglichen, um den Wärmeaustausch zwischen dem ersten Fluid, welches beispielsweise durch ein angrenzendes Leitungselement 12 (nicht gezeigt) strömt und dem zweiten Fluid, welches durch den Strömungskanal 16 strömt, zu erhöhen. Wie in 2B zu sehen ist, kann das als Lavaldüse geformte Wärmekopplungselement rotationssymmetrisch ausgebildet sein, was vorteilhaft sein kann, um unerwünschte Verwirbelungen des durch den Strömungskanal 16 strömenden zweiten Fluids zu reduzieren oder ganz zu vermeiden. Insbesondere können die Ausbuchtungen 14b auch als eine einzige Ausbuchtung 14b bzw. Verjüngung ausgebildet sein, welches rotationsymmetrisch um den Strömungskanal 16 herum verläuft und diesen rotationssymmetrisch einengt bzw. verjüngt.
Die 3A und 3B zeigen in schematischen Darstellungen einen Gasverdampfer 18 gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform in Draufsicht (2A) und in Seitenansicht (2B). Der Gasverdampfer 18 weist dabei mehrere Wärmekopplungselemente 14 auf, nämlich 18 Stück, welche in geordneter Weise nebeneinander, aneinander angrenzend angeordnet sind. Insbesondere können die Wärmekopplungselemente 14 derart angeordnet sein, dass sich diese in thermischem Kontakt zueinander befinden. Zwischen den Wärmekopplungselementen 14 sind mehrere Leitungselemente 12 ausgebildet, welche im Wesentlichen parallel zu den Strömungskanälen 16 der Wärmekopplungselemente 14 verlaufen, d.h. parallel zur Richtung 100, wobei jeweils zwischen zwei angrenzenden Wärmekopplungselementen 14 ein Leitungselement 12 ausgebildet ist. Jedes Leitungselement 12 befindet sich dabei mit jeweils zwei Wärmekopplungselementen 14 in thermischem Kontakt und ermöglicht auf diese Weise einen effizienten Wärmeaustausch zwischen dem ersten Fluid, welches durch die Leitungselemente 12 strömt und dem zweiten Fluid, welches durch die Strömungskanäle 16 strömt. Aufgrund der Temperaturgradienten, welche aufgrund des Wärmetauschers an den Wärmekopplungselementen 14 entstehen, kann eine Sogwirkung entstehen, welche für die Strömung des zweiten Fluid durch die Strömungskanäle 16 förderlich sein kann. Sofern also ein Temperaturunterschied zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid besteht, d.h. sofern das erste Fluid kälter oder wärmer als das zweite Fluid besteht, stellt sich ein Temperaturgradient im zweiten Fluid in den Strömungskanälen 16 des Gasverdampfers 18 ein, welcher einen Sog durch die Strömungskanäle 16 bewirkt.
Die Leitungselemente 12 sind dabei über weitere Rohrleitungen 20 (siehe 3B) miteinander verbunden, sodass vorzugsweise alle Leitungselemente 12 seriell nacheinander von dem ersten Fluid durchströmt werden und somit ein lang andauernder und stark ausgeprägter Wärmeaustausch zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid stattfinden kann. Insbesondere können derartige Rohrleitungen 20 mit den Enden zweier Leitungselemente 12 verbunden sein und das aus einem Leitungselement 12 herausströmende erste Fluid in das nächste Leitungselement 12 leiten. Ferner weist der Gasverdampfer 18 gemäß der gezeigten, bevorzugten Ausführungsform eine Zuleitung 20a und eine Ableitung 20b auf, über welche das erste Fluid dem Gasverdampfer 18, d.h. den Leitungselementen 12 und den Rohrleitungen 20, zugeführt bzw. daraus abgeführt werden kann. Beispielsweise können alle Leitungselemente 12 und Rohrleitungen 20 direkt und/oder indirekt mit einer einzigen Zuleitung 20a und einer einzigen Ableitung 20b verbunden sein. Gemäß anderer Ausführungsformen kann ein Gasverdampfer jedoch auch mehrere Zuleitungen 20a und/oder Ableitungen 20b aufweisen, welche sodann mit allen oder einem Teil der Leitungselemente 12 und/oder Rohrleitungen 20 verbunden sind.
Bezugszeichenliste

10: Wärmetauschvorrichtung
12: Leitungselement
14: Wärmekopplungselement
14a: Wandelement
14b: Ausbuchtung
16: Strömungskanal
18: Gasverdampfer
20: Rohrleitung
20a: Zuleitung
20b: Ableitung
100: vertikale Richtung

Claims

Wärmetauschvorrichtung (10) zum Wärmetausch zwischen einem ersten Fluid und einem zweiten Fluid, aufweisend: - zumindest ein Leitungselement (12), welches dazu ausgelegt ist, von dem ersten Fluid durchströmt zu werden; - zumindest ein Wärmekopplungselement (14), welches ein wärmeleitfähiges Material umfasst und mit dem zumindest einen Leitungselement (12) in thermischem Kontakt steht; wobei in dem zumindest einen Wärmekopplungselement (14) zumindest ein Strömungskanal (16) dazu ausgebildet ist, um von dem zweiten Fluid derart in einer Strömungsrichtung (100) durchströmt zu werden, dass das zweite Fluid beim Durchströmen des Strömungskanals (16) zumindest teilweise in thermischem Kontakt mit dem Wärmekopplungselement (14) ist, und wobei der Strömungskanal (16) einen Innendurchmesserverlauf aufweist, welcher sich entlang der Strömungsrichtung verjüngt und wieder aufweitet.
Wärmetauschvorrichtung (10) gemäß Anspruch 1, wobei der Innendurchmesserverlauf des Strömungskanals (16) kontinuierlich ist.
Wärmetauschvorrichtung (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Strömungskanal (16) bzw. das Wärmekopplungselement (14) als eine Düse ausgebildet ist.
Wärmetauschvorrichtung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Strömungskanal (16) bzw. das Wärmekopplungselement (14) als eine Laval-Düse ausgebildet ist.
Wärmetauschvorrichtung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wärmekopplungselement (14) im Wesentlichen aus dem wärmeleitfähigen Material besteht.
Wärmetauschvorrichtung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wärmekopplungselement (14) ein Wärmeleitfluid umfasst, welches zumindest teilweise von dem wärmeleitfähigen Material umschlossen ist.
Wärmetauschvorrichtung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wärmetauschvorrichtung (10) zum Abkühlen und/oder Erwärmen des ersten Fluids ausgebildet ist.
Wärmetauschvorrichtung (10) gemäß Anspruch 7, wobei die Strömungsrichtung des zweiten Fluids durch den Strömungskanal (16) beim Abkühlen des ersten Fluids entgegengesetzt zur Strömungsrichtung des zweiten Fluids durch den Strömungskanal (16) beim Erwärmen des ersten Fluids ist.
Wärmetauschvorrichtung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend mehrere Wärmekopplungselemente (14), welche vorzugsweise derart angeordnet sind, dass die jeweiligen Strömungskanäle (16) der mehreren Wärmekopplungselemente (14) parallel zueinander verlaufen.
Wärmetauschvorrichtung gemäß Anspruch 9, umfassend mehrere Leitungselemente (14), welche zwischen den mehreren Wärmekopplungselementen (14) ausgebildet sind und/oder jeweils mit zumindest zwei der mehreren Wärmekopplungselementen (14) in thermischem Kontakt stehen.
Wärmetauschvorrichtung (10) gemäß Anspruch 10, wobei die mehreren Leitungselemente (12) jeweils einen Teil eines oder mehrerer Leitungssysteme bilden.
Gasverdampfer (18) umfassend eine Wärmetauschvorrichtung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gasverdampfer (18) dazu ausgelegt ist, von einem zumindest teilweise verflüssigten Gas als das erste Fluid durchströmt zu werden und das verflüssigte Gas zu erwärmen.
Gasverdampfer (18) gemäß Anspruch 12, wobei der Gasverdampfer (18) dazu ausgelegt ist, von einer Umgebungsluft als das zweite Fluid durchströmt zu werden.