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Die Erfindung betrifft einen gewickelten Wärmeübertrager gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Wärmeübertragers gemäß Anspruch 15.
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Derartige gewickelte Wärmeübertrager weisen einen Mantel auf, der einen Mantelraum umgibt, in dem ein Kernrohr angeordnet ist, auf das Rohre unter Zwischenlage von Abstandshaltern gewickelt sind, so dass ein Rohrbündel gebildet wird. Weiterhin kann ein Hemd vorgesehen sein, das das durch die Rohre gebildete Rohrbündel umschließt, um eine Bypassströmung im Mantelraum des Wärmeübertragers am Rohrbündel vorbei zu verhindern.
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Das Kernrohr hat einerseits die Aufgabe, den Wicklungsprozess der Rohre zu ermöglichen, und dient andererseits dazu einen Bypass in der Mitte des Rohrbündels zu verhindern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, vorhandenen Bauraum eines Wärmeübertragers effizienter zu nutzen.
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Diese Erfindung wird durch einen Wärmeübertrager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und werden nachfolgend beschrieben.
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Gemäß Anspruch 1 ist ein Wärmeübertrager zur indirekten Wärmeübertragung zwischen zumindest einem fluiden ersten Medium und einem fluiden zweiten Medium vorgesehen, mit:
- - einem Mantel, der einen Mantelraum des Wärmeübertragers umgibt, wobei der Mantelraum zur Aufnahme des ersten Mediums dient, und
- - einem im Mantelraum angeordneten Rohrbündel aufweisend mehrere Rohre zur Aufnahme des zweiten Mediums, wobei die Rohre um ein im Mantelraum angeordnetes Kernrohr gewickelt sind.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Kernrohr als Abscheider ausgebildet ist, wobei das Kernrohr zumindest einen Innenraum umgibt, der zur Aufnahme sowie zum Entgasen eines fluiden zweiphasigen Mediums ausgebildet ist. Das zweiphasige, d.h., gasförmige und flüssige, Medium sammelt sich dabei insbesondere im Innenraum des Kernrohres, so dass es dort einen Pegel ausbildet. Das zweiphasige Medium wird dabei beruhigt und die gasförmige Phase des zweiphasigen Mediums kann nach oben aufsteigen und wird aus dem Kernrohr abgezogen, die flüssige Phase kann aus einem unteren Abschnitt des Innenraumes des Kernrohres abgezogen werden.
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Aufgrund der erfindungsgemäßen Lösung wird es möglich, einen üblicherweise in der Umgebung eines Wärmeübertragers anzutreffenden Abscheider, der zum Trennen eines zweiphasigen Mediums (Gemisch aus flüssiger und gasförmiger Phase) dient, in den Wärmeübertrager zu integrieren. Hierdurch wird vorhandener Bauraum im Wärmeübertrager effizient genutzt, wobei weiterhin der erforderliche Stahlbau verringert wird. Des Weiteren kann in bestimmten Fällen durch eine interne Strömungsführung Rohrleitungsaufwand reduziert werden. So kann z.B. in Fällen, in denen ein ausreichender Druck im Abscheider vorliegt, die im Abscheider gesammelte flüssige Phase auf das Rohrbündel des Wärmeübertragers aufgegeben werden (z.B. als erstes Medium bzw. Teil des ersten Mediums). Es besteht auch die Möglichkeit, die im internen Abscheider gesammelte flüssige Phase von unten auf bzw. in das Rohrbündel zu geben (je nach Strömungsführung der flüssigen Phase).
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass sich das Kernrohr koaxial zum Mantel im Mantelraum entlang einer Längsachse erstreckt. Die Längsachse erstreckt sich bei einem im Betrieb befindlichen Wärmeübertrager entlang der Vertikalen. Der Mantel des Wärmeübertragers kann zumindest abschnittsweise zylindrisch ausgebildet sein.
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Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass sich der mindestens eine Innenraum des Kernrohres über eine gesamte Länge des Rohrbündels entlang der Längsachse erstreckt.
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Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass das Kernrohr an einem oberen Endabschnitt des Kernrohres einen Gasauslass zum Abziehen einer gasförmigen Phase des zweiphasigen Mediums aus dem mindestens einen Innenraum des Kernrohres aufweist. Der Gasauslass kann in Form eines vom Kernrohr in Richtung der Längsachse bzw. nach oben abstehenden Stutzens ausgebildet sein.
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Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform vorgesehen, dass das Kernrohr an einem unteren Endabschnitt des Kernrohres einen Flüssigkeitsauslass zum Abziehen einer flüssigen Phase des zweiphasigen Mediums aufweist, die sich in dem mindestens einen Innenraum des Kernrohres ansammelt. Der Flüssigkeitsauslass kann wiederum in Form eines vom Kernrohr in Richtung der Längsachse bzw. nach unten abstehenden Stutzens ausgebildet sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Gasauslass mit einer Strömungsverbindung, insbesondere in Form einer Rohrleitung verbunden ist, die sich insbesondere entlang der Längsachse im Mantelraum vom Kernrohr zum Mantel erstreckt, und die an einem oberen Endabschnitt des Mantels des Wärmeübertragers aus dem Mantelraum herausgeführt ist, so dass die gasförmige Phase über die Strömungsverbindung aus dem Wärmeübertrager abziehbar ist. Die Strömungsverbindung kann auch durch das Kernrohr selbst gebildet sein, das in diesem Fall z.B. am oberen Endabschnitt des Mantels in einen Stutzen des Mantels übergeht bzw. mit einem solchen Stutzen verbunden ist.
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Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass der Flüssigkeitsauslass mit einer Strömungsverbindung (insbesondere in Form einer Rohrleitung) verbunden ist, die sich insbesondere entlang der Längsachse im Mantelraum vom Kernrohr zum Mantel erstreckt, und die an einem unteren Endabschnitt des Mantels des Wärmeübertragers aus dem Mantelraum herausgeführt ist, so dass die flüssige Phase über die besagte Strömungsverbindung aus dem Wärmeübertrager abziehbar ist. Die Strömungsverbindung kann auch durch das Kernrohr selbst gebildet sein, das in diesem Fall z.B. am unteren Endabschnitt des Mantels in einen Stutzen des Mantels übergeht bzw. mit einem solchen Stutzen verbunden ist.
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Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass in dem mindestens einen Innenraum des Kernrohres (insbesondere in einem oberen Abschnitt des Innenraumes) ein Tropfenabscheider angeordnet ist, der zum Abscheiden von Tropfen der flüssigen Phase des zweiphasigen Mediums aus der gasförmigen Phase des zweiphasigen Mediums ausgebildet ist.
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Die Trennung von Gas und Flüssigkeit erfolgt im Abscheider insbesondere durch Schwerkraft. Weiterhin ist es auch möglich, im Abscheider eine Einrichtung vorzusehen, die den Zweiphasenstrom so führt, dass z.B. durch Fliehkräfte eine Verbesserung/Beschleunigung der Trennung erreicht wird. Weiterhin können sich auch ein oder mehrere Prallbleche im Abscheider befinden, auf die das zweiphasiges Fluid auftrifft, um die Abscheidung von Flüssigkeit und Gas zu verbessern.
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Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass der Wärmeübertrager zum Einleiten des zweiphasigen Mediums in den mindestens einen Innenraum des Kernrohres einen Einlass aufweist.
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Hierbei kann der Einlass eine Leitung aufweisen, die an einem mittleren Abschnitt des Mantels in den Mantelraum geführt ist, sich von dort durch eine Lücke im Rohrbündel zum Kernrohr erstreckt und einen in den mindestens einen Innenraum des Kernrohres mündenden Auslass aufweist.
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Alternativ hierzu kann der Einlass gemäß einer Ausführungsform eine Fallleitung aufweisen, die über einen oberen Endabschnitt des Mantels in den Mantelraum geführt ist und von dort oberhalb des Rohrbündels in das Kernrohr geführt ist, wobei die Fallleitung einen Auslass aufweist, der in einen mittleren Abschnitt des mindestens einen Innenraumes des Kernrohres mündet.
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Als weitere alternative Ausführungsform kann der Einlass auch eine Steigleitung aufweisen, die über einen unteren Endabschnitt des Mantels in den Mantelraum geführt ist und von dort unterhalb des Rohrbündels in das Kernrohr geführt ist, wobei die Steigleitung einen Auslass aufweist, der in einen mittleren Abschnitt des mindestens einen Innenraumes des Kernrohres mündet.
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Bei Verwendung einer solchen Fall- oder Steigleitung muss das Rohrbündel mit Vorteil keine Lücke aufweisen und kann z.B. in herkömmlicherweise gewickelt sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann das Kernrohr auch mehrere separate Innenräume bzw. Abscheider ausbilden, mit je einem Einlass zum Einleiten des zweiphasigen Mediums sowie je einem Gasauslass zum Abziehen der gasförmigen Phase und einem Flüssigkeitsauslass zum Abziehen der abgetrennten flüssigen Phase.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind diese Innenräume bzw. Abscheider parallel verschaltet. D.h., das zweiphasige Medium wird in mehrere Teilströme (entsprechend der Anzahl der Abscheider/separaten Innenräume des Kernrohres) aufgespalten, die dann in je einen zugeordneten Abscheider bzw. Innenraum eingeleitet werden. Die über die Gasauslässe abzuziehenden gasförmigen Phasen können dann wieder vereinigt werden. Gleiches gilt für die über die Flüssigkeitsauslässe abzuziehenden flüssigen Phasen.
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Weiterhin besteht gemäß einer Ausführungsform der Erfindung die Möglichkeit, eine bezüglich des Wärmeübertragers interne Strömungsverbindung im Wärmeübertrager vorzusehen, über die die im Abscheider gesammelte flüssige Phase auf das Rohrbündel verteilt werden kann bzw. in den Mantelraum einleitbar ist oder in das Rohrbündel einleitbar ist (es ist diesbezüglich auch denkbar, dass die flüssige Phase hierbei von unten nach oben im Wärmeübertrager geführt wird) Die flüssige Phase des zweiphasigen Mediums kann insbesondere das erste Medium bzw. zumindest einen Teil des ersten Mediums bilden.
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Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Rohre unter Zwischenlage von Abstandshaltern auf eine dem Mantel des Wärmeübertragers zugewandte Außenseite des Kernrohres gewickelt sind.
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Vorzugsweise ist gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass das Kernrohr über flexible Verbindungen mit dem Mantel des Wärmeübertragers verbunden ist. Derartige flexible Verbindungen ermöglichen mit Vorteil eine unterschiedliche wärmebedingte Dehnung des Kernrohrs und des Mantels des Wärmeübertragers.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers, wobei das erste Medium im Mantelraum auf das Rohrbündel verteilt wird, und wobei das zweite Medium im Rohrbündel geführt wird, so dass die beiden Medien indirekt Wärme austauschen können, und wobei ein zweiphasiges Medium in den mindestens einen Innenraum (oder die mehreren Innenräume) des Kernrohres eingeleitet wird und dort in eine gasförmige Phase und eine flüssige Phase getrennt wird.
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Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die flüssige Phase als erstes Medium (oder als Teil des ersten Mediums) auf das Rohrbündel verteilt wird. Weiterhin kann die flüssige Phase auch als zweites Medium (oder als Teil des zweiten Mediums) in das Rohrbündel eingeleitet werden.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen durch die nachfolgende Figurenbeschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren erläutert werden. Es zeigen:
- 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers;
- 2 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers; und
- 3 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kernrohrs;
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Die 1 zeigt eine Ausführungsform eines Erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1.
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Der Wärmeübertrager 1 weist einen entlang einer vertikalen Längsachse z erstreckten Mantel 2 auf, der einen Mantelraum 6 des Wärmeübertrager 1 umgibt, der zur Aufnahme eines fluiden ersten Mediums M dient.
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Der Wärmeübertrager 1 weist weiterhin ein im Mantelraum 6 angeordnetes Rohrbündel 3 auf, das beispielhaft in der 1 in einer geschnittenen bzw. schematischen Ansicht gezeigt ist.
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Das Rohrbündel 3 weist dabei mehrere Rohre 30 zur Aufnahme zumindest eines fluiden zweiten Mediums M' auf, wobei die Rohre 30 insbesondere zumindest abschnittsweise helikal bzw. schraubenlinienförmig auf ein Kernrohr 300 des Wärmeübertragers 1 gewickelt sind, das sich entlang der Längsachse z im Mantelraum 6 erstreckt, so dass das Rohrbündel 3 eine oder mehrere Rohrlagen aufweist, die in einer radialen Richtung des Rohrbündels 3 übereinander angeordnet sind. Der besagte schraubenlinienförmige Verlauf des jeweiligen Rohres 30 ist beispielhaft anhand eines Rohres 30 in dem Detail A der 1 gezeigt. Die Rohre 30 der weiter unten beschriebenen Ausführungsformen weisen bevorzugt ebenfalls einen solchen schraubenlinienförmigen Verlauf auf.
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Wie in der 1 weiterhin angedeutet ist, sind die Rohre 30 unter Zwischenlage von Abstandshaltern 31 auf eine Außenseite 300a des Kernrohres 300 gewickelt. Ferner sind am Mantel 2 mit dem Mantelraum 6 in Strömungsverbindung stehende Stutzen 4a, 4b vorgesehen, die zum Einleiten bzw. Abziehen des ersten Mediums M dienen. Das erste Medium M ist dabei so in den Mantelraum 6 einleitbar, dass es das Rohrbündel 3 insbesondere von oben beaufschlagt. Andere Strömungsführungen des ersten bzw. zweiten Mediums M, M' sind jedoch auch denkbar. Des Weiteren sind am Mantel 2 mit dem Rohrbündel 3 in Strömungsverbindung stehende Stutzen 5a, 5b vorgesehen, über die das zweite Medium M' in das Rohrbündel 3 einleitbar bzw. aus diesem abziehbar ist. Das im Rohrbündel 3 geführte zweite Medium M' kann somit indirekt Wärme mit dem im Mantelraum 6 geführten ersten Medium M austauschen.
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Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass das Kernrohr 300 des Weiteren als Abscheider ausgebildet ist, wobei das Kernrohr 300 zumindest einen Innenraum 301 umgibt bzw. ausbildet, der zur Aufnahme sowie zum Entgasen eines zweiphasigen Mediums M" ausgebildet ist. Der Innenraum 301 kann sich dabei über eine gesamte Länge des Rohrbündels 3 entlang der Längsachse z erstrecken.
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Zum Einlassen des zweiphasigen Mediums M" in den Innenraum 301 des Kernrohres bzw. Abscheiders 300 weist der Wärmeübertrager 1 einen Einlass 306 auf, der gemäß der in der 1 gezeigten Ausführungsform durch eine Leitung 306a gebildet ist, die an einem mittleren Abschnitt 21 des Mantels 2 in den Mantelraum 6 geführt ist, sich von dort durch eine Lücke 9 im Rohrbündel 3 zum Kernrohr 300 erstreckt und dabei einen Auslass 306b aufweist, der in einen mittleren Abschnitt 307 des Innenraums 301 des Kernrohres 300 mündet.
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In dem Innenraum 301 des Kernrohres 300 wird das zweiphasige Medium M" beruhigt, wobei die gasförmige Phase G von der flüssigen Phase F des zweiphasigen Mediums M" getrennt wird. Während sich die flüssige Phase F im Innenraum 301 ansammelt, steigt die gasförmige Phase G auf und kann über einen Gasauslass 303, der an einem oberen Endabschnitt 302 des Kernrohres 300 bzw. des Innenraums 301 vorgesehen ist, aus dem mindestens einen Innenraum 301 des Kernrohres 300 abgezogen werden.
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Der Gasauslass 303 ist dabei mit einer Strömungsverbindung 303a, insbesondere in Form einer Rohrleitung, verbunden, die an einem oberen Endabschnitt 20 des Mantels 2 des Wärmeübertragers 1 aus dem Mantelraum 6 bzw. dem Wärmeübertrager 1 herausgeführt ist, so dass die gasförmige Phase G über die Strömungsverbindung 303a aus dem Wärmeübertrager 1 abziehbar ist.
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Die flüssige Phase F kann über einen Flüssigkeitsauslass 305, der an einem unteren Endabschnitt 304 des Kernrohres 300 bzw. Innenraums 301 vorgesehen ist, aus dem Innenraum 301 abgezogen werden. Der Flüssigkeitsauslass 305 ist dabei mit einer Strömungsverbindung 305a, insbesondere in Form einer Rohrleitung, verbunden, die an einem unteren Endabschnitt 22 des Mantels 2 des Wärmeübertragers 1 aus dem Mantelraum 6 herausgeführt ist, so dass die flüssige Phase F über die Strömungsverbindung 305a aus dem Wärmeübertrager 1 abziehbar ist.
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Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass der Abscheider 300 bzw. der Innenraum 301 über zumindest eine im Wärmeübertrager 1 verlaufende Strömungsverbindung 310 (dargestellt durch eine gestrichelte Linie) mit einem oberhalb des Rohrbündels 3 angeordneten Flüssigkeitsverteiler 311 verbunden ist, so dass die flüssige Phase F des zweiphasigen Mediums M" (z.B. als erstes Medium M) auf das Rohrbündel 3 aufgebbar ist. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, die im Abscheider 300 bzw. Innenraum 301 gesammelte flüssige Phase F über eine solche Strömungsverbindung 310 von unten auf das Rohrbündel 3 zu geben oder (je nach Strömungsführung des ersten Mediums M bzw. der flüssigen Phase F des zweiphasigen Mediums M") in das Rohrbündel 3 einzuleiten.
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Weiterhin kann gemäß einer Ausführungsform in dem mindestens einen Innenraum 301 des Kernrohres bzw. Abscheiders 300 (insbesondere in einem oberen Abschnitt des Innenraumes 301) ein Tropfenabscheider 8 angeordnet sein, der zum Abscheiden von mitgerissenen Tropfen der flüssigen Phase F des zweiphasigen Mediums M" aus der gasförmigen Phase G des zweiphasigen Mediums M" dient.
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2 zeigt eine Abwandlung der in der 1 gezeigten Ausführungsform, bei der im Unterschied zur 1 das Rohrbündel 3 keine Lücke 9 zur Durchführung einer Leitung 306a benötigt. Dies wird möglich, indem der Einlass 306 mittels einer Fallleitung 308 realisiert wird, die über einen oberen Endabschnitt 20 des Mantels 2 in den Mantelraum 6 geführt ist und von dort oberhalb des Rohrbündels 3 entlang der Längsachse z in das Kernrohr 300 geführt ist. Die Fallleitung 308 weist dabei einen Auslass 308a auf, der in den mittleren Abschnitt 307 des mindestens einen Innenraumes 301 des Kernrohres 300 mündet, so dass das zweiphasige Medium M" über die Fallleitung 308 in den Innenraum 301 einleitbar ist.
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Alternativ hierzu kann die Leitung 308 auch als Steigleitung 308 ausgebildet sein - dies ist mit einer gestrichelten Linie in der 2 angedeutet - wobei die Steigleitung 308 über einen unteren Endabschnitt 22 des Mantels 2 in den Mantelraum 6 geführt ist und von dort unterhalb des Rohrbündels 3 entlang der Längsachse z in das Kernrohr 300 geführt ist.
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Die 1 und 2 zeigen jeweils eine Ausführungsform bei der das Kernrohr 300 lediglich einen Abscheider aufweist bzw. bildet. Es ist aber auch möglich im Kernrohr 300 mehrere z.B. übereinander angeordnete Abscheider vorzusehen. Dies ist schematisch in der 3 anhand zweier übereinander angeordneter Abscheider dargestellt. Hierbei umgibt das Kernrohr 300 zwei in Richtung der Längsachse z übereinander angeordnete separate Innenräume 301, mit je einem Einlass 306 zum Einleiten des zweiphasigen Mediums M" sowie je einem Gasauslass 303 zum Abziehen der gasförmigen Phase G und je einem Flüssigkeitsauslass 305 zum Abziehen der flüssigen Phase F. Die beiden Abscheider 301 können, wie in der 3 gezeigt, parallel verschaltet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wärmeübertrager
- 2
- Mantel
- 3
- Rohrbündel
- 4a, 4b, 5a, 5b
- Stutzen
- 6
- Mantelraum
- 8
- Tropfenabscheider
- 9
- Lücke
- 20
- Oberer Endabschnitt
- 21
- Mittlerer Abschnitt
- 22
- Unterer Endabschnitt
- 30
- Rohr
- 30
- Rohre
- 31
- Abstandshalter
- 300
- Kernrohr
- 301
- Innenraum
- 302
- Oberer Endabschnitt
- 303
- Gasauslass
- 303a
- Strömungsverbindung
- 304
- Unterer Endabschnitt
- 305
- Flüssigkeitsauslass
- 305a
- Strömungsverbindung
- 306
- Einlass
- 306a
- Leitung
- 307
- Mittlerer Abschnitt
- 308
- Fall- oder Steigleitung
- 308a
- Auslass
- 310
- Strömungsverbindung
- 311
- Flüssigkeitsverteiler
- F
- Flüssige Phase
- M
- erstes Medium
- M'
- zweites Medium
- M"
- Zweiphasiges Medium
- z
- Längsachse
