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Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager sowie ein Verfahren zur indirekten Wärmeübertragung zwischen einem ersten Medium und einem zweiten Medium.
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Ein solcher Wärmeübertrager weist in der Regel einen Mantel (auch „shell“ genannt) auf, der einen Mantelraum zur Aufnahme einer flüssigen Phase des ersten Mediums umgibt bzw. definiert, sowie zumindest einen Wärmeübertragerblock (auch als „core“ oder „block“ bezeichnet), der erste Wärmeübertragungspassagen zur Aufnahme des ersten Mediums sowie zweite Wärmeübertragungspassagen zur Aufnahme des zweiten Mediums aufweist, so dass zwischen den beiden Medien indirekt Wärme übertragbar ist.
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Ein derartiger Wärmeübertrager ist beispielsweise in „The standards of the brazed aluminium plate-fin heat exchanger manufacturer's association (ALPEMA)", dritte Ausgabe, 2010, Kapitel 9.1, beschrieben und auf Seite 67 in 9-1 dargestellt. Eine solche Ausführung eines Wärmeübertragers nennt man auch „core-in-shell“-, „block-in-shell“- oder „block-in-kettle“-Wärmeübertrager.
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Insbesondere handelt es sich bei dem Wärmeübertragerblock um einen Plattenwärmeübertrager, z.B. einen gelöteten Aluminium-Plattenwärmeübertrager. Derartige Plattenwärmeübertrager weisen in der Regel eine Mehrzahl an parallel zueinander angeordneten Platten bzw. Blechen auf, die eine Vielzahl von Wärmeübertragungspassagen für an der Wärmeübertragung beteiligte Medien bilden. Diese weisen insbesondere eine Mehrzahl an Wärmeleitstrukturen, z.B. in Form von im Schnitt mäanderförmigen, z.B. gewellten bzw. gefalteten Blechen auf (sogenannte Fins), die jeweils zwischen zwei parallelen Trennplatten bzw. -blechen des Plattenwärmeübertragers angeordnet sind, wobei die beiden äußersten Lagen des Plattenwärmeübertragers durch Deckplatten gebildet sind. Auf diese Weise werden zwischen je zwei Trennplatten bzw. zwischen einer Trennplatte und einer Deckplatte aufgrund des jeweils dazwischen angeordneten Fins eine Vielzahl an parallelen Kanälen gebildet, durch die ein Medium strömen kann. Zu den Seiten hin sind zwischen je zwei benachbarten Trennplatten, bzw. Trennplatten und Deckplatten, Abschlussleisten vorgesehen, die auch als Sidebars bezeichnet werden. Zwischen den in benachbarten Wärmeübertragungspassagen strömenden Medien kann daher eine Wärmeübertragung stattfinden, wobei die dem ersten Medium zugeordneten Wärmeübertragungspassagen als erste Wärmeübertragungspassagen und die dem zweiten Medium zugeordneten Wärmeübertragungspassagen entsprechend als zweite Wärmeübertragungspassagen bezeichnet werden.
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Ein Wärmeübertragerblock in einem solchen Wärmeübertrager weist typischerweise zumindest zwei unterschiedliche Typen an Wärmeübertragungspassagen - offene Passagen (im Folgenden auch als erste Wärmeübertragungspassagen bezeichnet) und geschlossene Passagen (im Folgenden auch als zweite Wärmeübertragungspassagen bezeichnet) - auf. Das zweite Medium in den geschlossenen Passagen hat dabei keinen direkten Kontakt zum Mantelraum. Die offenen Passagen sind dagegen für das erste Medium (z.B. ein Kältemittel), üblicherweise auf mehreren Seiten des Wärmeübertragerblocks, zum Mantelraum hin durchlässig.
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Der Wärmeübertragerblock wird nach dem Stand der Technik zumindest teilweise von einem Flüssigkeitsbad des ersten Mediums umgeben. Das erste Medium in den offenen Wärmeübertragungspassagen tritt dabei üblicherweise an der Unterseite als Flüssigkeit in den Wärmeübertragerblock ein und an der Oberseite als Zweiphasenstrom wieder aus. Triebkraft dafür ist nach dem Stand der Technik üblicherweise eine Temperaturdifferenz zwischen dem zweiten Medium in den geschlossenen (zweiten) Wärmeübertragungspassagen und dem ersten Medium in den offenen (ersten) Wärmeübertragungspassagen. Das heißt, der Wärmeübertragerblock wird üblicherweise als Thermosiphon (im Naturumlauf) betrieben, wobei das erste Medium in den ersten Wärmeübertragungspassagen aufgrund des Thermosiphon-Effekts aufsteigt.
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Durch den übertragenen Wärmestrom vom zweiten Medium in den geschlossenen Wärmeübertragungspassagen zu dem ersten Medium in den offenen Wärmeübertragungspassagen wird insbesondere ein Teil der Flüssigkeit in den offenen Wärmeübertragungspassagen verdampft.
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Der Wärmeübertragerblock in Core-In-Shell-Wärmeübertragern wird dabei häufig als Kreuzströmer ausgeführt, d.h. das zweite Medium in den geschlossenen (zweiten) Wärmeübertragungspassagen strömt horizontal (z.B. von links nach rechts) und das erste Medium in den offenen (ersten) Wärmeübertragungspassagen strömt vertikal von unten nach oben. Alternativ können die Medien in den Wärmeübertragerblöcken solcher Wärmeübertrager z.B. auch im Gleichstrom, Gegenstrom oder Kreuzgegenstrom geführt werden.
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Bei der Verwendung von Gemischen als erstes Medium (z.B. als Kältemittel) kann es im Flüssigkeitsbad (z.B. Kältemittelbad) von Core-In-Shell-Wärmeübertragern nach dem Stand der Technik zur Anreicherung der schwereren (das heißt höher siedenden) Komponenten des Gemisches kommen, da nur ein Teil der Flüssigkeit in den offenen (ersten) Wärmeübertragungspassagen verdampft wird, wobei im Wesentlichen die leichteren (das heißt niedriger siedenden) Komponenten des Gemisches verdampfen. Die schwereren Komponenten des Gemisches verbleiben im Wesentlichen in der Flüssigkeit und werden in das Flüssigkeitsbad zurückgeführt. Durch die Anreicherung der schwereren Komponenten erhöht sich die Siedetemperatur des Gemisches.
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Die aus der Siedepunkterhöhung resultierende geringere Temperaturdifferenz zwischen den Medien führt zu einem geringeren übertragenen Wärmestrom. Die geringere Temperaturdifferenz kann z.B. durch eine Erhöhung der Heizfläche kompensiert werden, was dann insbesondere dazu führt, dass der Block sehr viel größer ausgeführt werden muss. Weiterhin kann die geringere Temperaturdifferenz auch dazu führen, dass die spezifizierte Wärmemenge nicht mehr übertragen werden kann. Die Vollverdampfung des ersten Mediums muss in der Regel vermieden werden, um die mechanische Integrität des Blockes im Laufe der Lebensdauer nicht zu gefährden.
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Durch die Anreicherung der schwereren Komponenten des ersten Mediums im Flüssigkeitsbad kann es in manchen Fällen zur Feststoffbildung kommen, wenn die entsprechende Komponente eine Konzentration erreicht, die zum Erstarren der Komponente bei der vorherrschenden Betriebstemperatur des Flüssigkeitsbades führt.
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Bei geringen Temperaturdifferenzen zwischen den Strömen des ersten Mediums und des zweiten Mediums besteht weiterhin die Gefahr, dass kein Umlauf des ersten Mediums aufgrund des Thermosiphon-Effekts zustande kommt, das heißt, es entsteht zu wenig Gas, um die Flüssigkeit in den offenen Wärmeübertragungspassagen vertikal nach oben zu transportieren. Die nun schwerere Flüssigkeit verdampft nicht mehr und verbleibt in der Wärmeübertragungspassage. Dann findet keine Wärmeübertragung mehr statt bzw. diese ist reduziert und die spezifizierte Wärmemenge kann nicht übertragen werden.
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Wird das Ausmaß der Anreicherung der schwereren Komponenten des ersten Mediums im Flüssigkeitsbad nicht hinreichend beachtet oder ein zu geringer Wert berechnet, dann führt dies zu einer Minderleistung des Wärmeübertragerblockes bzw. des Core-In-Shell-Wärmeübertragers und die spezifizierte Wärmemenge kann nicht übertragen werden.
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Daher ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmeübertrager der eingangs beschriebenen Art sowie ein Verfahren zum indirekten Wärmeübertragung zur Verfügung zu stellen, der bzw. das hinsichtlich dieser Probleme verbessert ist.
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Diese Aufgabe wird durch den Wärmeübertrager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Verfahren nach Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Wärmeübertragers sind in den Unteransprüchen 2 bis 8 angegeben und vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen 10 bis 14 angegeben. Diese und weitere vorteilhafte Ausführungsformen werden im Folgenden beschrieben.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager zur indirekten Wärmeübertragung zwischen einem ersten Medium und einem zweiten Medium mit einem Mantel, der einen Mantelraum zur Aufnahme des ersten Mediums umgibt, und zumindest einem in dem Mantelraum angeordneten Wärmeübertragerblock, der entlang einer ersten Längsachse verlaufende erste Wärmeübertragungspassagen zur Aufnahme des ersten Mediums sowie zweite Wärmeübertragungspassagen zur Aufnahme des zweiten Mediums aufweist, so dass zwischen dem ersten Medium und dem zweiten Medium indirekt Wärme übertragbar ist, wobei der Wärmeübertragerblock eine Mehrzahl an Wärmeleitstrukturen und eine Mehrzahl an parallelen Trennplatten aufweist, und wobei zwischen zwei jeweiligen Trennplatten jeweils eine Wärmeleitstruktur angeordnet ist, und wobei die ersten Wärmeübertragungspassagen und/oder die zweiten Wärmeübertragungspassagen jeweils, insbesondere parallele, Kanäle aufweisen, die zwischen einer jeweiligen Trennplatte und einer an der jeweiligen Trennplatte anliegenden Wärmeleitstruktur gebildet sind, wobei die ersten Wärmeübertragungspassagen jeweils zu dem Mantelraum hin offene Einlassöffnungen und zu dem Mantelraum hin offene Auslassöffnungen aufweisen, wobei die Einlassöffnungen, insbesondere beim bestimmungsgemäßen Betrieb des Wärmeübertragers, oberhalb der Auslassöffnungen angeordnet oder anordenbar sind, und wobei der Mantel eine Eintrittsöffnung und einen, insbesondere mit der Eintrittsöffnung verbundenen, Zulauf aufweist, wobei der Zulauf dazu ausgebildet ist, eine flüssige Phase des durch die Eintrittsöffnung in den Mantelraum eingeleiteten ersten Mediums den Einlassöffnungen der ersten Wärmeübertragungspassagen zuzuführen, so dass die flüssige Phase entlang der ersten Längsachse durch die ersten Wärmeübertragungspassagen herabfließen kann.
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Es handelt sich also bei den ersten Wärmeübertragungspassagen um offene Passagen, die in Strömungsverbindung mit dem Mantelraum stehen und bei den zweiten Wärmeübertragungspassagen um geschlossene Passagen, welche von dem Mantelraum strömungstechnisch getrennt sind.
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Gemäß einer Ausführungsform des Wärmeübertragers sind die ersten Wärmeübertragungspassagen und/oder die zweiten Wärmeübertragungspassagen senkrecht zu der ersten Längsachse zum Mantelraum hin geschlossen. Das heißt, die ersten und/oder die zweiten Wärmeübertragungspassagen weisen zum Mantelraum hin keine Öffnungen auf, durch die das in den jeweiligen Wärmeübertragungspassagen befindliche Medium senkrecht zu der ersten Längsachse zwischen den jeweiligen Wärmeübertragungspassagen und dem Mantelraum strömen kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden die ersten und zweiten Wärmeübertragungspassagen jeweils durch zwei parallele Trennplatten begrenzt (die beiden äußersten Trennplatten des Wärmeübertragerblocks werden als Deckplatten bezeichnet), zwischen denen jeweils eine Wärmeleitstruktur angeordnet ist.
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Insbesondere sind die Wärmeleitstrukturen jeweils als Fin ausgebildet, also als ein gewelltes oder gefaltetes Blech.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform verlaufen die Kanäle für das erste Medium entlang der ersten Längsachse, insbesondere in vertikaler Richtung, und die Kanäle für das zweite Medium senkrecht zu der ersten Längsachse, insbesondere in horizontaler Richtung. Auf diese Weise können die beiden Medien insbesondere im Kreuzstrom zueinander geführt werden. Andere Fahrweisen (z.B. Gegenstrom) sind natürlich auch möglich.
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Das erste Medium kann insbesondere im flüssigen Zustand oder als Flüssigkeits-Gasgemisch in den Mantelraum eingeleitet werden, wobei im Fall eines Gemisches insbesondere nur die flüssige Phase des ersten Mediums über den Zulauf den Einlassöffnungen der Wärmeübertragungspassagen zugeführt wird.
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Die ersten Wärmeübertragungspassagen werden gemäß der vorliegenden Erfindung in Folge des Schwerkrafteinflusses von oben nach unten von der flüssigen Phase des ersten Mediums durchströmt, das heißt im Vergleich zu herkömmlichen unter Verwendung des Thermosiphon-Effekts betriebenen Wärmeübertragern in umgekehrter Richtung. Dabei ist der erfindungsgemäße Wärmeübertragerblock insbesondere als Fallfilmverdampfer ausgeführt.
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Die Einlassöffnungen der ersten Wärmeübertragungspassagen sind insbesondere an einer Oberseite des Wärmeübertragerblocks angeordnet, so dass die flüssige Phase des ersten Mediums an der Oberseite in die ersten Wärmeübertragungspassagen eintritt.
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Insbesondere verdampft die flüssige Phase des ersten Mediums anschließend teilweise in den ersten Wärmeübertragungspassagen und tritt insbesondere als Zweiphasenstrom an einer der Oberseite gegenüberliegenden Unterseite des Wärmeübertragerblocks wieder aus den ersten Wärmeübertragungspassagen in den Mantelraum aus. Die verbleibende flüssige Phase des teilweise verdampften ersten Mediums sammelt sich im unteren Bereich des Mantelraumes (auch als Kettleraum bezeichnet) an und kann z.B. über einen Flüssigkeitsstutzen abgeführt werden.
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Der Flüssigkeitstand der verbleibenden flüssigen Phase des ersten Mediums befindet sich beim bestimmungsgemäßen Betrieb des Wärmeübertragers insbesondere unterhalb des Wärmeübertragerblockes, so dass das teilverdampfte erste Medium (also auch die gasförmige Phase des ersten Mediums) frei aus dem Wärmeübertragerblock abströmen kann. Die Gasphase des teilweise verdampften ersten Mediums kann anschließend insbesondere über einen oben am Mantel angebrachten Gasstutzen abgeführt werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Wärmeüberträger kann die Anreicherung der schwereren Komponenten des ersten Mediums vorteilhafter Weise verhindert werden, da eine Vermischung der nach teilweiser Verdampfung angereicherten flüssige Phase des ersten Mediums mit dem neu in den Mantelraum eintretenden ersten Medium unterbleiben kann und es nicht notweniger Weise zu einem weiteren Durchlauf durch den Wärmeübertragerblock kommt. Ein den Wärmeübertragerblock umgebendes Flüssigkeitsbad des ersten Mediums ist dabei insbesondere nicht mehr vorhanden.
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Durch die Verhinderung der Anreicherung der schwereren Komponenten des ersten Mediums wird die Übertragung der gewünschten spezifischen Wärmemenge gewährleistet.
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Weiterhin kann auch die durch die Anreicherung schwererer Komponenten des ersten Mediums in manchen Fällen hervorgerufene Bildung von Feststoffen verhindert werden.
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Die Durchströmung der offenen (ersten) Wärmeübertragungspassagen mit dem (am Eintritt flüssigen) ersten Medium bzw. Kältemittel ist bei dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager auch ohne Ausnutzung des Thermosiphon-Effekts sichergestellt, da die Flüssigkeit infolge des Schwerkrafteinflusses vertikal nach unten strömt.
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Der Massenstrom des ersten Mediums durch die offenen (ersten) Wärmeübertragungspassagen kann auf einfache Weise den (lokal) vorherrschenden Bedingungen angepasst werden, insbesondere indem die Einlassöffnungen in den Wärmeübertragerblock bzw. eine Vorrichtung, welche die Einlassöffnungen aufweist, abschnittsweise verändert werden.
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Um den Austritt des teilweise verdampften ersten Mediums unten aus dem Wärmeübertragerblocks in den Mantelraum bzw. Kettleraum zu gewährleisten, sind vorteilhafterweise keine besonderen Vorrichtungen bzw. Anpassungen notwendig.
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Bei dem ersten Medium handelt es sich insbesondere um ein Kältemittel, z.B. ein zweiphasiges Kältemittel.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Wärmeübertrager einen Eintrittsstutzen zum Einleiten des ersten Mediums in den Mantelraum auf. In diesem Fall weist der Eintrittsstutzen insbesondere die besagte Eintrittsöffnung auf.
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Der Wärmeübertragerblock kann selbstverständlich auch zwei oder mehr voneinander getrennte zweite Wärmeübertragungspassagen aufweisen, so dass verschiedene Medien durch diese Wärmeübertragungspassagen geführt werden können, um indirekt Wärme mit dem ersten Medium auszutauschen.
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Weiterhin können natürlich auch mehrere Wärmeübertragerblöcke in dem Mantelraum vorgesehen sein. Diese können z.B. strömungstechnisch parallel oder seriell geschaltet sein. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich verschiedene Medien in den geschlossenen Passagen der Wärmeübertragerblöcke zu führen.
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Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager eignet sich z.B. dazu, das zweite Medium abzukühlen und/oder zu kondensieren, wobei das erste Medium als Kältemittel verwendet wird. Alternativ dazu kann mit dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager z.B. eine flüssige Phase des ersten Mediums unterkühlt werden, wobei das zweite Medium als Kältemittel dient.
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Die besagten ersten Wärmeübertragungspassagen können bezüglich ihrer Form und/oder ihrer Dimensionierung gleich oder unterschiedlich ausgebildet sein.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Wärmeübertrager mindestens eine Tasche auf, die dazu ausgebildet ist, zumindest einen Teil der über den Zulauf zugeführten flüssigen Phase zu sammeln, so dass die in der Tasche gesammelte flüssige Phase aus der Tasche in die Einlassöffnungen der ersten Wärmeübertragungspassagen fließen kann.
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Die Tasche kann hierbei ein Behälter zur Aufnahme von Flüssigkeit sein. Alternativ dazu kann die Tasche durch eine Vorrichtung gebildet sein, die mit anderen Komponenten des Wärmeübertragers einen Behälter zur Aufnahme von Flüssigkeit bildet. Die Tasche kann insbesondere mit eigenem Boden oder ohne eigenen Boden ausgeführt sein. Der besagte Behälter muss nicht vollständig geschlossen sein, sondern kann z.B. an einer Unterseite Öffnungen aufweisen, solange die Öffnungen so ausgebildet sind, dass die Flüssigkeit sich zumindest für eine gewisse Zeit in dem Behälter sammelt, bis diese durch die Öffnungen abfließt.
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Durch die Höhe der Tasche und die Ausgestaltung der Einlassöffnungen bzw. einer Vorrichtung am Eintritt in den Wärmeübertragerblock, welche die Einlassöffnungen aufweist, kann der gewünschte Anteil der gasförmigen Phase des ersten Mediums am Austritt der ersten Wärmeübertragungspassagen (z.B. Austrittsdampfgehalt) eingestellt werden, da die Höhe der Flüssigkeitssäule des ersten Mediums in der Tasche den Massenstrom des ersten Mediums durch die offenen (ersten) Wärmeübertragungspassagen mitbestimmt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Tasche derart ausgebildet, dass die in der Tasche gesammelte flüssige Phase des ersten Mediums bei Erreichen eines maximalen Füllstandes der Tasche in den Mantelraum überfließen kann.
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Mit anderen Worten: die Tasche ist als Überlauftasche ausgebildet, so dass überschüssiges flüssiges erstes Medium aus der Tasche in den Mantelraum abfließen kann.
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Beispielsweise kann die Tasche einen Rand aufweisen, der so ausgebildet ist, dass das in der Tasche gesammelte erste Medium bei Erreichen des maximalen Füllstandes über den Rand in den Mantelraum überfließen kann.
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Alternativ dazu kann die Tasche mindestens eine Öffnung aufweisen, die so ausgebildet ist, dass das in der Tasche gesammelte erste Medium bei Erreichen des maximalen Füllstandes durch die mindestens eine Öffnung in den Mantelraum überfließen kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ragt die Tasche senkrecht zu der ersten Längsachse über den Wärmeübertragerblock hinaus.
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Dadurch kann vorteilhafter Weise die Menge des in der Tasche vorgehaltenen ersten Mediums erhöht werden.
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Die Tasche weist insbesondere einen Boden auf, der senkrecht zu der ersten Längsachse über den Wärmeübertragerblock hinausragt.
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Dabei ist insbesondere derjenige Teil des Bodens, der über den Wärmeübertragerblock hinausragt, entlang der Längsachse vollständig geschlossen (weist also keine Öffnungen auf), so dass das erste Medium lediglich durch die Einlassöffnungen der ersten Wärmeübertragungspassagen strömt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Tasche zumindest eine entlang der ersten Längsachse erstreckte Wandung auf, welche die Tasche begrenzt, wobei die Wandung in Bezug auf die erste Längsachse geneigt ist, so dass sich die Tasche von den Einlassöffnungen der ersten Wärmeübertragungspassagen aus entlang der ersten Längsachse erweitert.
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Das heißt, eine entlang einer Horizontalen erstreckte Querschnittsfläche der Tasche ist an der den Einlassöffnungen zugewandten Seite (also beim bestimmungsgemäßen Betrieb an der tiefsten Stelle) der Tasche minimal.
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Durch die geneigte Wandung kann vorteilhafter Weise die Menge des in der Tasche vorgehaltenen ersten Mediums erhöht werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Wärmeübertragerblock eine Einlassvorrichtung auf, wobei die Einlassvorrichtung die Einlassöffnungen aufweist.
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Bei der Einlassvorrichtung handelt es sich insbesondere um einen perforierten Sidebar des Wärmeübertragerblocks.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Einlassvorrichtung in einer Ebene senkrecht zu der ersten Längsachse mindestens zwei Bereiche auf, wobei die Einlassvorrichtung so ausgebildet ist, dass sich der Massenstrom der flüssigen Phase des ersten Mediums durch die Einlassöffnungen zwischen den mindestens zwei Bereichen unterscheidet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Wärmeübertrager mindestens zwei zumindest abschnittsweise unterschiedlich geformte erste Wärmeübertragungspassagen auf, wobei die mindestens zwei ersten Wärmeübertragungspassagen so ausgebildet sind, dass sich der Massenstrom des ersten Mediums in den mindestens zwei unterschiedlich geformten ersten Wärmeübertragungspassagen unterscheidet.
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Dadurch kann vorteilhafter Weise der Massenstrom des ersten Mediums in den ersten Wärmeübertragungspassagen abschnittsweise verändert und den (lokal) vorherrschenden Bedingungen angepasst werden.
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Die unterschiedliche Ausgestaltung der Wärmeübertragungspassagen kann z.B. durch unterschiedliche Form und/oder Dimensionierung der Fins der entsprechenden Wärmeübertragungspassagen oder durch eine unterschiedliche Querschnittsfläche der Wärmeübertragungspassagen realisiert sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform verlaufen die ersten Wärmeübertragungspassagen zumindest in einem aktiven Bereich, in dem eine Wärmeübertragung zwischen dem ersten Medium und dem zweiten Medium stattfindet, parallel zu den zweiten Wärmeübertragungspassagen, so dass das erste Medium in den ersten Wärmeübertragungspassagen im Gleichstrom oder im Gegenstrom zu dem zweiten Medium in den zweiten Wärmeübertragungspassagen führbar ist.
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Das heißt, der Wärmeübertragerblock ist insbesondere als Gleichstrom-Plattenwärmeübertrager ausgebildet. Das zweite Medium strömt also in den geschlossenen (zweiten) Wärmeübertragungspassagen zumindest in dem aktiven Bereich vertikal von oben nach unten (also parallel zu dem ersten Medium).
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In dieser Ausführung kann das flüssige erste Medium bzw. das Kältemittel unter Umständen auch vollständig verdampft werden. Dies kann z.B. der Fall sein, wenn das zweite Medium in den geschlossenen (zweiten) Wärmeübertragungspassagen am Austritt näherungsweise die Temperatur des ersten Mediums bzw. Kältemittels erreichen soll. Dann treten keine größeren Temperaturdifferenzen zwischen beiden Strömen am kalten Ende (das heißt am unteren Ende des Wärmeübertragerblocks) auf.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform verlaufen die ersten Wärmeübertragungspassagen zumindest in einem aktiven Bereich, in dem eine Wärmeübertragung zwischen dem ersten Medium und dem zweiten Medium stattfindet, senkrecht zu den zweiten Wärmeübertragungspassagen, so dass das erste Medium in den ersten Wärmeübertragungspassagen im Kreuzstrom oder Kreuzgegenstrom zu dem zweiten Medium in den zweiten Wärmeübertragungspassagen führbar ist.
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Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens ist der Mantelraum des Wärmeübertragers als Vorlagebehälter für die flüssige Phase des ersten Mediums ausgebildet.
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Die dabei vorgehaltene Menge des ersten Mediums kann über den Flüssigkeitsstand des ersten Mediums im Mantelraum eingestellt werden. Insbesondere befindet sich der Flüssigkeitsstand dabei unterhalb des Wärmeübertragerblocks, so dass das teilverdampfte erste Medium frei in den Mantelraum abströmen kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die zweiten Wärmeübertragungspassagen über mindestens einen ersten Header mit einer ersten Leitung zum Einleiten des zweiten Mediums in die zweiten Wärmeübertragungspassagen verbunden und über mindestens einen zweiten Header mit einer zweiten Leitung zum Abziehen des zweiten Mediums aus den Wärmeübertragungspassagen verbunden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Mantel des Wärmeübertragers entlang einer zweiten Längsachse erstreckt, wobei die zweite Längsachse beim bestimmungsgemäßen Betrieb des Wärmeübertragers vertikal oder horizontal erstreckt ist. Mit anderen Worten: der Mantel ist beim bestimmungsgemäßen Betrieb insbesondere stehend oder liegend ausgerichtet
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Dabei ist der Mantel insbesondere zylinderförmig ausgebildet, wobei die zweite Längsachse die Zylinderachse bildet.
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Zylinderförmig bedeutet hierbei im allgemeinen Sinne, dass die Grundfläche des Zylinders, die vorliegend die Querschnittsfläche des Mantels ist, eine beliebige ebene Fläche sein kann, die insbesondere kreisförmig (Kreiszylinder), rechteckförmig, quadratisch, dreieckig oder sechseckig ausgebildet sein kann. Der jeweilige Zylinder entsteht dabei durch Verschiebung jener ebenen Fläche entlang der zweiten Längsachse bzw. Zylinderachse, die nicht in der Ebene der ebenen Fläche liegt und insbesondere normal zu jener ebenen Fläche bzw. Querschnittsfläche verläuft.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur indirekten Wärmeübertragung zwischen einem ersten Medium und einem zweiten Medium mittels eines Wärmeübertragers, insbesondere nach dem ersten Aspekt der Erfindung, wobei der Wärmeübertrager einen Mantel aufweist, der einen Mantelraum zur Aufnahme des ersten Mediums umgibt, und wobei der Wärmeübertrager zumindest einen in dem Mantelraum angeordneten Wärmeübertragerblock aufweist, der entlang einer ersten Längsachse verlaufende erste Wärmeübertragungspassagen sowie zweite Wärmeübertragungspassagen aufweist, wobei die ersten Wärmeübertragungspassagen jeweils zu dem Mantelraum hin offene Einlassöffnungen und zu dem Mantelraum hin offene Auslassöffnungen aufweisen, wobei die Einlassöffnungen der ersten Wärmeübertragungspassagen oberhalb der Auslassöffnungen der ersten Wärmeübertragungspassagen angeordnet werden, und wobei eine flüssige Phase des ersten Mediums den Einlassöffnungen der ersten Wärmeübertragungspassagen zugeführt wird, so dass die flüssige Phase des ersten Mediums durch die ersten Wärmeübertragungspassagen herabfließt, und wobei das zweite Medium in den zweiten Wärmeübertragungspassagen des Wärmeübertragerblockes bereitgestellt wird, so dass zwischen dem ersten Medium in den ersten Wärmeübertragungspassagen und dem zweiten Medium in den zweiten Wärmeübertragungspassagen indirekt Wärme übertragen wird.
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Die flüssige Phase des ersten Mediums wird den Einlassöffnungen zugeführt, das heißt die flüssige Phase des ersten Mediums sammelt sich insbesondere nicht im Mantelraum, sondern tritt direkt über die Einlassöffnungen in die ersten Wärmeübertragungspassagen ein und strömt dort von oben nach unten durch die ersten Wärmeübertragungspassagen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der Pegel der flüssigen Phase des ersten Mediums in dem Mantelraum so eingestellt, dass die Einlassöffnungen der ersten Wärmeübertragungspassagen oberhalb des Pegels angeordnet sind.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das erste Medium in den ersten Wärmeübertragungspassagen im Gleichstrom, Gegenstrom oder Kreuzstrom zu dem zweiten Medium in den zweiten Wärmeübertragungspassagen geführt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das erste Medium beim Eintritt in die ersten Wärmeübertragungspassagen eine geringere Temperatur auf als das zweite Medium beim Eintritt in die zweiten Wärmeübertragungspassagen.
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Das heißt, das zweite Medium wird abgekühlt und/oder kondensiert, wobei das erste Medium als Kältemittel verwendet wird.
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Insbesondere wird das zweite Medium isotherm bzw. quasiisotherm kondensiert.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen das erste Medium und das zweite Medium beim Eintritt in die ersten Wärmeübertragungspassagen bzw. die zweiten Wärmeübertragungspassagen eine Temperaturdifferenz von 3 K oder weniger auf.
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Eine solche geringe Temperaturdifferenz zwischen den Medien eignet sich insbesondere zu einer isothermen bzw. quasiisothermen Kondensation des warmen (zweiten) Mediums.
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Bei Wärmeübertragern nach dem Stand der Technik kann insbesondere durch Anreicherung schwerersiedender Komponenten in dem ersten Medium die Siedetemperatur des ersten Mediums so weit steigen, dass das zweite Medium nicht mehr kondensiert werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das dem Wärmeübertrager zugeführte erste Medium einen Temperaturgang zwischen Siedepunkt und Taupunkt von 5 K oder mehr auf (bei Annahme einer vollständigen Verdampfung des ersten Mediums).
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform verdampft die flüssige Phase des ersten Mediums beim Herabfließen in den ersten Wärmeübertragungspassagen aufgrund der von dem zweiten Medium auf das erste Medium übertragenen Wärme vollständig.
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Alternativ zu den beschriebenen Ausführungsformen kann das erste Medium beim Eintritt in die ersten Wärmeübertragungspassagen auch eine geringere Temperatur aufweisen als das zweite Medium beim Eintritt in die zweiten Wärmeübertragungspassagen.
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Auf diese Weise kann die flüssige Phase des ersten Mediums unterkühlt werden. Dabei ist insbesondere das erste Medium am Eintritt in den Mantelraum zweiphasig. Das zweite Medium fungiert bei dieser Ausführungsform als Kältemittel.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das erste Medium durch ein Gemisch zweier Substanzen gebildet, die einen unterschiedlichen Siedepunkt aufweisen.
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Dabei handelt es sich bei dem Gemisch insbesondere um ein weitsiedendes Kältemittelgemisch.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das in dem Mantelraum gesammelte erste Medium, insbesondere eine flüssige Phase des in dem Mantelraum gesammelten ersten Mediums, aus dem Mantelraum abgezogen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform strömt das zweite Medium in den geschlossenen (zweiten) Wärmeübertragungspassagen zumindest in einem aktiven Bereich, in dem eine Wärmeübertragung zwischen dem ersten Medium und dem zweiten Medium stattfindet, vertikal von oben nach unten (also parallel zu dem ersten Medium).
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen durch die nachfolgenden Figurenbeschreibungen von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren erläutert werden.
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Es zeigen:
- 1 einen Core-In-Shell-Wärmeübertrager nach dem Stand der Technik im Längsschnitt;
- 2 einen Core-In-Shell-Wärmeübertrager nach dem Stand der Technik im Querschnitt;
- 3 eine perspektivische Darstellung eines Plattenwärmeübertragerblocks nach dem Stand der Technik;
- 4 einen erfindungsgemäßen Core-In-Shell-Wärmeübertrager im Längsschnitt;
- 5 einen erfindungsgemäßen Core-In-Shell-Wärmeübertrager im Querschnitt;
- 6 eine schematische Darstellung einer Tasche des erfindungsgemäßen Core-In-Shell-Wärmeübertrager
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1 zeigt im Zusammenhang mit 2 einen Wärmeübertrager 1, der einen liegenden, vorzugsweise (kreis)zylindrischen Mantel 2 aufweist, der einen Mantelraum 4 des Wärmeübertragers 1 begrenzt. Der Mantel 2 ist entlang einer zweiten Längsachse L2 erstreckt und weist eine umlaufende, kreiszylindrische Wandung auf, die stirnseitig durch zwei einander gegenüberliegende Wände begrenzt wird. Die 1 zeigt dabei einen Längsschnitt entlang der zweiten Längsachse L2 und die 2 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie A-A.
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In dem vom Mantel 2 umschlossenen Mantelraum 4 ist ein Wärmeübertragerblock 3 angeordnet, bei dem es sich um einen Plattenwärmeübertrager handelt, der erste Wärmeübertragungspassagen 31 und zweite Wärmeübertragungspassagen 32 aufweist.
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Natürlich können alternativ dazu auch mehrere Wärmeübertragerblöcke 3 in dem Mantelraum vorgesehen sind, die z.B. bezüglich des zweiten Mediums M2 strömungstechnisch parallel oder in Serie geschaltet sein können. Weiterhin ist es möglich, unterschiedliche Medien in geschlossenen Wärmeübertragungspassagen der verschiedenen Wärmeübertragerblöcke 3 zu führen, so dass indirekt Wärme zwischen diesen Medien und dem ersten Medium M1 übertragen werden kann.
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3 zeigt einen als Plattenwärmeübertrager ausgebildeten Wärmeübertragerblock 3 im Detail. Dieser weist erste und zweite Wärmeübertragungspassagen 31, 32 auf, die jeweils zur Aufnahme des ersten bzw. zweiten Mediums M1, M2 ausgebildet sind, so dass zwischen beiden Medien M1, M2 indirekt Wärme übertragbar ist /übertragen werden kann. Die Wärmeübertragungspassagen 31, 32 werden dabei jeweils durch zwei parallele Trennplatten 33 begrenzt (die beiden äußersten Trennplatten des Wärmeübertragerblocks 3 werden als Deckplatten bezeichnet), zwischen denen jeweils eine Wärmeleitstruktur 35 angeordnet ist, die vorliegend z.B. als so genannter Fin ausgebildet ist, also als ein gewelltes oder gefaltetes Blech, so dass zusammen mit den jeweiligen beiden Trennplatten 33 eine Vielzahl an parallelen Kanälen 300 für das jeweilige Medium M1, M2 ausgebildet wird, wobei die Kanäle 300 für das erste Medium M1 entlang einer ersten Längsachse L1, insbesondere in vertikaler Richtung, verlaufen und die Kanäle 300 für das zweite Medium M2 senkrecht zu der ersten Längsachse L1, insbesondere in horizontaler Richtung, verlaufen, d.h., die beiden Medien M1, M2 werden insbesondere im Kreuzstrom zueinander geführt. Andere Fahrweisen (z.B. Gegenstrom) sind auch denkbar.
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Wie aus 3 ersichtlich, sind die ersten Wärmeübertragungspassagen 31 zur horizontal erstreckten Oberseite 38 des mindestens einen Wärmeübertragerblocks 3 hin, die durch die vier Oberkanten 39 des Wärmeübertragerblocks 3 begrenzt wird, sowie zur Unterseite hin (nicht gezeigt) offen ausgebildet. D.h., es sind Einlassöffnungen 14 der ersten Wärmeübertragungspassagen 31 an der Oberseite 38 vorgesehen, über welche die in der Tasche 13 gesammelte flüssige Phase F des ersten Mediums M1 in die ersten Wärmeübertragungspassagen 31 eintreten und in diesen herabfließen kann. An der Unterseite sind entsprechende Auslassöffnungen 15 der ersten Wärmeübertragungspassagen vorhanden, über die das erste Medium F1 die ersten Wärmeübertragungspassagen 31 verlassen und in den Mantelraum 4 fließen kann.
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Beim Herabfließen im mindestens einen Wärmeübertragerblock 3 wird das erste Medium F1 in eine indirekte Wärmeübertragung mit dem zweiten Medium F2 gebracht, das über eine Zuleitung 7 sowie einen sich daran anschließenden Header (auch Sammler genannt) 9 in die zweiten Wärmeübertragungspassagen 32 des mindestens einen Wärmeübertragerblocks 3 eingeleitet wird und dort insbesondere im Kreuzstrom zum ersten Medium M1, das in den ersten Wärmeübertragungspassagen 31 strömt, geführt wird.
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Der Wärmeübertragerblock 3 weist dabei eine Mehrzahl an Wärmeleitstrukturen 35 auf, bei denen es sich um Bleche handeln kann, die im Querschnitt mäanderförmig ausgebildet sind, also z.B. gewellt, gezackt oder mit rechteckförmigem Verlauf. Diese Wärmeleitstrukturen 35 werden auch als Fins 35 bezeichnet und sind jeweils zwischen zwei ebenen Trennplatten bzw. -blechen 33 des Wärmeübertragerblocks 3 angeordnet. Auf diese Weise werden zwischen je zwei Trennplatten 33 (bzw. einer Trennplatte 33 und einer Deckplatte, siehe unten) eine Vielzahl an parallelen Kanälen 300 bzw. eine erste bzw. zweite Wärmeübertragungspassage 31,32 gebildet, durch die das jeweilige erste oder zweite Medium M1, M2 strömen kann.
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Die beiden äußersten Lagen werden durch Deckplatten des Wärmeübertragerblocks 3 gebildet; zu den Seiten hin sind zwischen je zwei benachbarten Trennplatten 33 bzw. Trennplatten 33 und Deckplatten Abschlussleisten 37 vorgesehen, die auch als Sidebars bezeichnet werden. Eine erste Wärmeübertragungspassage 31 für das erste Medium M1, die durch einen Fin 35 sowie zwei angrenzende Trennplatten 33 gebildet wird, grenzt dabei jeweils an eine zweite Wärmeübertragungspassage 32 für das zweite Medium M2 an, die ebenfalls durch einen Fin 35 sowie zwei angrenzende Trennplatten 33 gebildet wird. Eine solche Anordnung von Passagen wiederholt sich insbesondere in dem Wärmeübertragerblock 3, so dass mehrere erste und zweite Wärmeübertragungspassagen 31,32 alternierend nebeneinander angeordnet sind, um Wärme zwischen dem ersten Medium M1 und dem zweiten Medium M2 auszutauschen. Zur Verteilung des ersten bzw. zweiten Mediums M1,M2 können sogenannte Verteilerfins vorgesehen sein. Diese können jedoch auch weggelassen werden, insbesondere beim Verteilen des ersten Mediums M1.
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Der Mantelraum 4 wird nach dem Stand der Technik während eines Betriebes des Wärmeübertragers 1 über einen Eintrittsstutzen 10 mit einem ersten Medium M1 befüllt. Dieser Eintrittsstrom in den Wärmeübertrager 1 ist üblicherweise zweiphasig, kann aber auch nur flüssig sein. Die flüssige Phase F des ersten Mediums M1 bildet dann nach dem Stand der Technik ein den Plattenwärmeübertrager 3 umgebendes Bad aus, wobei sich die gasförmige Phase G des ersten Mediums M1 oberhalb der flüssigen Phase F in einem oberen Bereich des Mantelraumes 4 ansammelt und von dort über einen Gasstutzen 5 abziehbar ist. In den 1 und 2 ist ein Pegel 43 des flüssigen ersten Mediums M1 in dem Mantelraum dargestellt, wobei der mit der flüssigen Phase F des ersten Mediums M1 gefüllte Teil des Mantelraumes 4 als Vorlageraum 41 bezeichnet wird und der oberhalb des Pegels 43 befindliche Teil des Mantelraums 4, der die gasförmige Phase G des ersten Mediums M1 aufweist, als Abscheideraum 42 bezeichnet wird.
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Die flüssige Phase F des ersten Mediums M1 steigt nach dem Stand der Technik aufgrund des Thermosiphon-Effekts in den ersten Wärmeübertragungspassagen 31 des Wärmeübertragerblocks 3 auf und wird dabei durch das zu kühlende zweite Medium M2, das z.B. im Kreuzstrom zum ersten Medium M1 in den zweiten Wärmeübertragungspassagen 32 des Wärmeübertragerblocks 3 geführt wird, durch indirekte Wärmeübertragung teilweise verdampft. Die hierbei entstehende gasförmige Phase G des ersten Mediums M1 kann an einem oberen Ende des Wärmeübertragerblocks 3 austreten, steigt wie anhand der Geschwindigkeitsvektoren 11 dargestellt in dem Mantelraum 4 auf und wird oberhalb des Wärmeübertragerblocks 3 über den Gasstutzen 5 aus dem Mantelraum 4 abgezogen.
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Das zweite Medium M2 wird über eine von dem Mantelraum 4 getrennte Zuleitung 7 und einen mit den zweiten Wärmeübertragungspassagen 32 verbundenen Header 9 in den Wärmeübertragerblock 3 geleitet und nach einem Durchlaufen der zugeordneten zweiten Wärmeübertragungspassagen 32 gekühlt bzw. verflüssigt über einen weiteren mit den zweiten Wärmeübertragungspassagen verbundenen Header 9 und eine Ableitung 8 aus dem Wärmeübertragerblock 3 abgezogen.
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Die 4 und 5 zeigen einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 1, der als Core-In-Shell-Wärmeübertrager ausgebildet ist. Dabei zeigt 4 einen Längsschnitt des Wärmeübertragers 1 entlang der zweiten Längsachse L2 und 5 zeigt einen Querschnitt des Wärmeübertragers 1 entlang der in 4 dargestellten Linie A-A.
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Der Wärmeübertrager 1 weist analog zu dem in den 1 und 2 gezeigten Wärmeübertrager einen entlang der zweiten Längsachse L2 liegend erstreckten Mantel 2 auf, der einen Mantelraum 4 begrenzt, in dem ein als Plattenwärmeübertrager ausgebildeter Wärmeübertragerblock 3 angeordnet ist. Alternativ kann der Mantel 2 auch stehend angeordnet sein, so dass die zweite Längsachse L2 vertikal verläuft.
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Der Wärmeübertragerblock 3 weist erste Wärmeübertragungspassagen 31 zur Führung eines ersten Mediums M1 und zweite Wärmeübertragungspassagen 32 zur Führung eines zweiten Mediums M2 auf, wobei die ersten Wärmeübertragungspassagen 31 entlang einer ersten Längsachse L1 verlaufen, die beim bestimmungsgemäßen Gebrauch des Wärmeübertragers 1 vertikal erstreckt ist.
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Die ersten und zweiten Wärmeübertragungspassagen 31, 32 sind derart zueinander angeordnet, dass indirekt Wärme zwischen dem in den ersten Wärmeübertragungspassagen 31 geführten ersten Medium M1 und dem in den zweiten Wärmeübertragungspassagen 32 geführten zweiten Medium M2 übertragbar ist.
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Dabei sind die ersten und zweiten Wärmeübertragungspassagen 31,32 insbesondere wie in 3 gezeigt und oben beschrieben ausgeführt. Es sind jedoch auch alternative Ausführungsformen denkbar.
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Der Wärmeübertragerblock 3 ist derart in dem Mantelraum 4 des Wärmeübertragers 1 angeordnet, dass die ersten Wärmeübertragungspassagen 31 im Wesentlichen vertikal verlaufen. Die zweiten Wärmeübertragungspassagen 32 verlaufen in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel abschnittsweise senkrecht zu den ersten Wärmeübertragungspassagen 31 (entlang der zweiten Längsachse L2, in der Darstellung der 1 von links nach rechts), so dass das erste Medium M1 und das zweite Medium M2 im Kreuzstrom durch den Wärmeübertragerblock 3 führbar sind.
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Die zweiten Wärmeübertragungspassagen 32 sind über Header 9 mit einer Zuleitung 7 zum Einleiten des zweiten Mediums M2 in den Wärmeübertragerblock 3 und einer Ableitung 8 zum Abziehen des, insbesondere gekühlten oder kondensierten, zweiten Mediums M2 aus dem Wärmeübertragerblock 3 verbunden. Dabei sind die zweiten Wärmeübertragungspassagen 32 von dem Mantelraum 4 strömungstechnisch getrennt, das heißt es handelt sich um geschlossene Wärmeübertragungspassagen.
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Dagegen weisen die ersten Wärmeübertragungspassagen 31 jeweilige Einlassöffnungen 14 und Auslassöffnungen 15 auf, über welche die ersten Wärmeübertragungspassagen 31 mit dem Mantelraum 4 in Strömungsverbindung stehen. Es handelt sich also bei den ersten Wärmeübertragungspassagen 31 um offene Wärmeübertragungspassagen.
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Die Einlassöffnungen 14 sind dabei beim bestimmungsgemäßen Betrieb des Wärmeübertragers 1 an einer Oberseite des Wärmeübertragerblocks 3 angeordnet und die Auslassöffnungen 15 sind an einer der Oberseite gegenüberliegenden Unterseite des Wärmeübertragerblocks 3 angeordnet.
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Der Mantel 2 weist analog zu dem in den 1 und 2 dargestellten Wärmeübertrager einen Eintrittsstutzen 10 mit einer Eintrittsöffnung 100 zum Einleiten des ersten Mediums M1 (als Flüssigkeit oder Flüssigkeits-Gas-Gemisch) in den Mantelraum 4 auf. Weiterhin ist ein angrenzend an die Eintrittsöffnung 100 positionierter Zulauf 12 vorgesehen, der dazu ausgebildet ist, die flüssige Phase F des ersten Mediums M1 den Einlassöffnungen 14 der ersten Wärmeübertragungspassagen 31 zuzuführen.
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Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Zulauf 12 mit der Eintrittsöffnung 100 verbunden und oberhalb des Wärmeübertragerblocks 3 angeordnet.
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An der Oberseite des Wärmeübertragerblocks 3 ist weiterhin eine Tasche 13 vorgesehen, das heißt ein Behälter, in dem sich die flüssige Phase F des ersten Mediums M1 sammeln kann, um anschließend über die Einlassöffnungen 14 in die ersten Wärmeübertragungspassagen zu fließen.
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Der Zulauf 12 ist in der in 4 und 5 gezeigten Ausführungsform über der Tasche 13 angeordnet, so dass die flüssige Phase F des ersten Mediums M1 über den Eintrittsstutzen 10, die Eintrittsöffnung 100 und den Zulauf 12 in die Tasche 13 fließen kann. Das in der Tasche 13 gesammelte erste Medium M1 fließt dann durch die Einlassöffnungen 14 in die ersten Wärmeübertragungspassagen 31 und durchströmt diese von oben nach unten, um am unteren Ende des Wärmeübertragerblocks 3 aus den Auslassöffnungen 15 in den Mantelraum 4 zu fließen (siehe Geschwindigkeitsvektoren 11 in 5).
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Beim Durchströmen der ersten Wärmeübertragungspassagen 31 kann zwischen dem ersten Medium M1 und dem in den benachbarten zweiten Wärmeübertragungspassagen 32 geführten zweiten Medium M2 indirekt Wärme übertragen werden.
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Dabei verdampft die flüssige Phase des ersten Mediums M1 insbesondere zumindest teilweise in den ersten Wärmeübertragungspassagen 31. Die hierbei entstehende gasförmige Phase G des ersten Mediums M1 kann insbesondere gemeinsam mit der flüssigen Phase F des ersten Mediums M1 aus den Auslassöffnungen 15 der ersten Wärmeübertragungspassagen 31 austreten, im Mantelraum 4 aufsteigen und sich im Abscheideraum 42 des Mantelraums 4 sammeln, von wo sie über den Gasstutzen 5 abziehbar ist. Bei dieser Betriebsweise arbeitet der Wärmeübertragerblock 3 also nach dem Prinzip eines Fallfilmverdampfers.
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Die verbleibende flüssige Phase F des ersten Mediums M1 sammelt sich im Mantelraum 4 und kann über einen Flüssigkeitsstutzen 6 aus dem Mantelraum 4 abgezogen werden. Optional können Wirbelbrecher 61 zur Verhinderung von Verwirbelungen des flüssigen ersten Mediums M1 vorgesehen sein.
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Der Flüssigkeitspegel 43 des ersten Mediums M1 wird dabei insbesondere durch Regelung des Zustroms (über den Wärmeübertragerblock 3) und Abstroms (z.B. über den Flüssigkeitsstutzen 6) so eingestellt, dass das untere Ende des Wärmeübertragerblocks 3 mit den Auslassöffnungen 15 sich oberhalb des Pegels 43 befindet. Dadurch kann die flüssige Phase F des ersten Mediums M1 über die ganze Länge der ersten Wärmeübertragungspassagen 31 frei hinabfließen und die gasförmige Phase G des ersten Mediums M1 kann ungehindert aufsteigen.
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Das erste Medium M1 zirkuliert also im Unterschied zum in 1 und 2 gezeigten Wärmeübertrager 1 nicht im Mantelraum 4, sondern durchströmt diesen nur einmal von oben nach unten, so dass sich keine schwerer siedenden Komponenten des ersten Mediums M1 in der flüssigen Phase F anreichern können.
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Alternativ kann der Wärmeübertrager 1 bei entsprechenden Temperaturen der Medien M1,M2 auch dazu verwendet werden, eine flüssige Phase des ersten Mediums M1 zu unterkühlen.
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Die 6 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tasche 13 zum Sammeln der flüssigen Phase F des ersten Mediums M1 über den Einlassöffnungen 14 der ersten Wärmeübertragungspassagen 31.
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Die Tasche 13 weist einen senkrecht zu der ersten Längsachse L1 verlaufenden Boden 131 mit Löchern 134 auf, welche mit jeweiligen zugeordneten Einlassöffnungen 14 der ersten Wärmeübertragungspassagen 31 fluchten, so dass die flüssige Phase F des ersten Mediums M1 aus der Tasche 13 durch die Löcher 134 in die jeweiligen Einlassöffnungen 14 fließen kann. Dabei bilden die Löcher 134 eine Einlassvorrichtung 16 (s. 5).
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Weiterhin weist die Tasche 13 eine mit dem Boden 131 verbundene Wandung 132 auf, die bezüglich der ersten Längsachse L1 geneigt ist, so dass sich die Querschnittsfläche der Tasche 13 senkrecht zu der ersten Längsachse L1 nach oben hin erweitert. Die Wandung 132 ist an ihrem oberen Ende durch einen Rand 133 begrenzt, über den die flüssige Phase F des ersten Mediums M1 bei Überschreiten eines maximalen Füllstandes der Tasche 13 in den Mantelraum 4 überfließen kann. Die Tasche 13 kann im Querschnitt senkrecht zu der ersten Längsachse L1 beliebig geformt sein, z.B. kreisförmig oder rechteckig. Im Fall eines kreisförmigen Querschnitts ist dabei insbesondere eine Wandung 132 vorgesehen, während die Tasche 13 z.B. bei einem rechteckigen Querschnitt auch mehrere Wandungen 132 aufweisen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wärmeübertrager
- 2
- Mantel
- 3
- Wärmeübertragerblock
- 4
- Mantelraum
- 5
- Gasstutzen
- 6
- Flüssigkeitsstutzen
- 7
- Zuleitung
- 8
- Ableitung
- 9
- Header
- 10
- Eintrittsstutzen
- 11
- Geschwindigkeitsvektor
- 12
- Zulauf
- 13
- Tasche
- 14
- Einlassöffnung
- 15
- Auslassöffnung
- 16
- Einlassvorrichtung
- 31
- Erste Wärmeübertragungspassage
- 32
- Zweite Wärmeübertragungspassage
- 33
- Trennplatten
- 35
- Wärmeleitstrukturen bzw. Fins
- 37
- Side Bars
- 38
- Oberseite
- 39
- Oberkante
- 41
- Vorlageraum
- 42
- Abscheideraum
- 43
- Pegel bzw. Flüssigkeitspegel
- 61
- Wirbelbrecher
- 100
- Eintrittsöffnung
- 131
- Boden
- 132
- Wandung
- 133
- Rand
- 134
- Loch
- 300
- Kanal
- M1
- Erstes Medium
- M2
- Zweites Medium
- F
- Flüssige Phase
- G
- Gasförmige Phase
- L1
- Erste Längsachse
- L2
- Zweite Längsachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „The standards of the brazed aluminium plate-fin heat exchanger manufacturer's association (ALPEMA)“, dritte Ausgabe, 2010 [0003]
