DE102019002704A1

DE102019002704A1 - Stegdesign - und Anordnung zur Verringerung einer radialen Fehlverteilung in einem gewickelten Wärmeübertrager

Info

Publication number: DE102019002704A1
Application number: DE102019002704.3A
Authority: DE
Inventors: Konrad Braun; Florian Deichsel; Manuel Knaup; Jürgen Spreemann; Manfred Steinbauer
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2019-04-12
Filing date: 2019-04-12
Publication date: 2020-10-15
Also published as: WO2020207626A1; EP3953654A1; EP3953654B1; US20220196331A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager (1) zur indirekten Wärmeübertragung zwischen einem ersten und zumindest einem zweiten Medium (M, M'), mit einem Mantelraum (I) zur Aufnahme des ersten Mediums (M), einem im Mantelraum (I) angeordneten Kernrohr (20), einem im Mantelraum (I) angeordneten Rohrbündel (15), das mehrere Rohre (10) aufweist, die jeweils um das Kernrohr (20) gewickelt sind, so dass das Rohrbündel (15) mehrere übereinander angeordnete Rohrlagen (100, 101, 102, 103) aufweist, die jeweils zumindest ein Rohr (10) aufweisen, wobei zwischen jeweils zwei benachbarten Rohrlagen (100, 101; 101, 102; ...) ein Rohrbündelspalt (200, 201, 202, 203) vorhanden ist, wobei in jedem Rohrbündelspalt (200, 201, 202, 203) mehrere Abstandshalter (30) zum Abstützen der Rohrlagen (100, 101, 102, 103) angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Abstandshalter (30) jeweils in radialer Richtung (R) des Rohrbündels (15) eine Dicke (D) aufweisen, wobei die Dicken (D) der Abstandshalter (30) eines ersten Rohrbündelspaltes (200) jeweils größer sind als die Dicken (D) der Abstandshalter eines zweiten Rohrbündelspaltes (203), der in radialer Richtung (R) des Rohrbündels (15) weiter außen liegt als der erste Rohrbündelspalt (200).

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager für die indirekte Wärmeübertragung zwischen einem fluiden ersten Medium und zumindest einem fluiden zweiten Medium.
Ein derartiger Wärmeübertrager wird z.B. in Erdgasverflüssigungsanlagen eingesetzt und weist einen Mantelraum zur Aufnahme eines ersten Mediums (Kältemittel) auf sowie eine Mehrzahl an in dem Mantelraum angeordneten Rohren zur Aufnahme zumindest eines zweiten Mediums, die um ein Kernrohr gewickelt sind und ein Rohrbündel mit mehreren übereinander liegenden Rohrlagen bilden. Weiterhin weist das Rohrbündel eine Mehrzahl an Abstandshaltern zum Abstützen bzw. mechanischen Stabilisieren der Rohrlagen auf, die jeweils in einem Rohrbündelspalt zwischen zwei benachbarten Rohrlagen angeordnet sind bzw. insbesondere auch in einem innersten Rohrbündelspalt zwischen einer innersten Rohrlage und einer Außenseite des Kernrohres.
Hierbei ist in der Regel die Anzahl der Abstandshalter pro Rohrbündelspalt konstant, damit die Abstandshalter zum Abstützen der Rohrlagen in radialer Richtung des Rohrbündels übereinander angeordnet werden können. Auf diese Weise kann das Gewicht aller Rohrlagen über die Abstandshalter abgestützt werden ohne die Rohre einzelner Rohrlagen zu beschädigen.
Die Abstandshalter reduzieren dabei jedoch in einer Querschnittsebene des Mantelraumes senkrecht zur Längsachse (Vertikale) des Kernrohres bzw. Rohrbündels jeweils die freie Querschnittsfläche des Mantelraumes zwischen den Rohrlagen, so dass auf Grund der konstanten Anzahl der Abstandshalter pro Rohrbündelspalt (siehe oben) die freien Querschnittsflächen zwischen den inneren Rohrlagen bzw. in den inneren Rohrbündelspalten eine größere relative Reduktion erfahren als die freien Querschnittsflächen der weiter außen gelegenen Rohrbündelspalten. Als Konsequenz wäre der rechnerische Druckabfall im Mantelraum in radialer Richtung nicht konstant, sondern innen größer als weiter außen. Da sich die Durchströmung der Spalte jedoch in der Realität so einstellt, dass überall der gleiche Druckverlust herrscht, ergibt sich für die weiter außen liegenden Spalte eine höhere Strömungsgeschwindigkeit als für die weiter innen liegenden Spalte und daher ein höherer dynamischer und geringerer statischer Druckanteil. Dies kann dann im Mantelraum zu einer Fehlverteilung der im Mantelraum geführten Phase des ersten Mediums in Richtung der äußeren Lagen des Rohrbündels führen.
Hiervon ausgehend liegt daher der vorliegenden Erfindung das Problem zugrunde, einen Wärmeübertrager der eingangs genannten Art zu schaffen, der der oben genannten Fehlverteilung entgegenwirkt.
Dieses Problem wird durch einen Wärmeübertrager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung in den Unteransprüchen angegeben sind und nachfolgend beschrieben werden.
Gemäß Anspruch 1 ist vorgesehen, dass die Abstandshalter jeweils in radialer Richtung des Rohrbündels eine Dicke aufweisen, wobei die Dicken der Abstandshalter eines ersten Rohrbündelspaltes jeweils größer sind als die Dicken der Abstandshalter eines zweiten Rohrbündelspaltes, der in radialer Richtung des Rohrbündels weiter außen liegt, d.h. näher am Mantel, als der erste Rohrbündelspalt.
Hierdurch kann insbesondere ein gleichbleibender hydraulischer Durchmesser der freien Strömungsquerschnitte in den Rohrbündelspalten (zwischen den Rohrlagen und den Abstandshaltern) durch Verringerung der radialen Dicke der Abstandshalter in radialer Richtung vom Kernrohr zum Mantel hin ermöglicht bzw. eingestellt werden.
Die einzelnen Rohre des Rohrbündels sind vorzugsweise schraubenlinienförmig auf bzw. um das Kernrohr gewickelt. Der jeweilige Rohrbündelspalt ist entsprechend insbesondere in Form eines Ringspalts ausgebildet.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass sich das Kernrohr entlang einer Längsachse des Mantels erstreckt, wobei die Längsachse bei einem bestimmungsgemäß bzw. betriebsbereit angeordneten Wärmeübertrager vertikal ausgerichtet ist.
Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Dicken derjenigen Abstandshalter, die in dem gleichen Rohrbündelspalt angeordnet sind, gleich groß sind.
Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Abstandshalter mehr als zwei, insbesondere drei bis vier, unterschiedlichen Dicken in der radialen Richtung des Rohrbündels aufweisen, wobei die Dicke der Abstandshalter in radialer Richtung vom Kernrohr zum Mantel hin von Rohrbündelspalt zu Rohrbündelspalt abnimmt oder gleich bleibt. D.h. insbesondere, dass jeweils zwei oder mehrere in radialer Richtung benachbarte Rohrbündelspalte Abstandshalter gleicher Dicke aufweisen können und erst danach eine Abnahme der Dicke erfolgt (beim Übergang zum nächsten weiter außen gelegenen Rohrbündelspalt). D.h. die Dicke muss nicht notwendigerweise von Rohrbündelspalt zu Rohrbündelspalt abnehmen, sondern kann auch stufenartig nach außen hin abnehmen.
Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Dicke der Abstandshalter in radialer Richtung vom Kernrohr zum Mantel hin von Rohrbündelspalt zu Rohrbündelspalt abnimmt. Hierbei nimmt also die Dicke der Abstandshalter nach außen hin (in radialer Richtung) streng monoton ab.
Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Abstandshalter als längserstreckte Stege ausgebildet sind, die sich jeweils in einer Längsrichtung erstrecken. Die Abstandshalter bzw. Stege können senkrecht zur Längsrichtung einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen, der die besagte Dicke aufweist, sowie senkrecht dazu (in Umfangsrichtung des Rohrbündels) eine Breite aufweist.
Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Längsrichtung des jeweiligen Abstandshalters parallel zum Kernrohr bzw. zur Längsachse des Mantels/Kernrohrs verläuft.
Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass sich der jeweilige Abstandshalter über eine gesamte Länge des Rohrbündels entlang des Kernrohrs bzw. der Längsachse erstreckt.
Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Abstandshalter in dem jeweiligen Rohrbündelspalt in Umfangsrichtung des Rohrbündels äquidistant zueinander angeordnet sind.
Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Abstandshalter so gruppiert sind, dass jeweils mehrere Abstandshalter zum Abstützen der Rohrlagen in einer radialen Richtung des Rohrbündels übereinander angeordnet sind.
Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Anzahl der Abstandshalter in dem jeweiligen Rohrbündelspalt gleich groß ist.
Weitere Merkmale, Vorteile sowie Ausführungsformen der Erfindung sollen nachfolgend anhand der Figuren erläutert werden.
Es zeigen:

1 eine teilweise geschnittene Ansicht einer Ausführungsform eines Wärmeübertragers mit Abstandshaltern eines Rohrbündels des Wärmeübertragers, die in radialer Richtung abnehmende Dicken aufweisen; und
2 eine schematische Schnittansicht eines Rohrbündels eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers entlang einer Schnittebene, die senkrecht zur Längsachse des Kernrohrs gemäß 1 verläuft.

1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1. Dieser weist einen Mantel 2 auf, der einen Mantelraum I des Wärmeübertragers 1 umschließt. In dem Mantelraum I ist ein Rohrbündel 15 angeordnet, das entlang der Längsachse Z des Wärmeübertragers 1 bzw. Mantels 2 mit einer flüssigen Phase eines ersten Mediums M beaufschlagt wird, bei dem es sich z.B. um ein Kältemittel handelt. In den Rohren 10 des Rohrbündels 15 wird zumindest ein zweites fluides Medium M' geführt, so dass dieses in einen indirekten Wärmeaustausch mit dem im Mantelraum I geführten ersten Medium M treten kann. Zum Einlassen des ersten Mediums M in den Mantelraum I bzw. zum Abziehen des ersten Mediums M aus dem Mantelraum I können am Mantel 2 Stutzen 3, 4 vorgesehen sein.
Das Rohrbündel 15 weist eine Mehrzahl an Rohren 10 auf, wobei die Rohre 10 jeweils zumindest abschnittsweise bevorzugt schraubenlinienförmig um bzw. auf ein im Mantelraum I angeordnetes Kernrohr 20 gewickelt sind, das sich entlang der Längsachse Z erstreckt, so dass mehrere Rohrlagen 101, 102, 103, 104 gebildet werden, die in radialer Richtung R des Rohrbündels 15 bzw. des Kernrohres 20 übereinanderliegen. Die jeweilige radiale Richtung R steht senkrecht auf der Längsachse Z und weist von der Längsachse Z nach außen zum Mantel 2 hin. Die Rohre 10 stehen zum Einlassen zumindest eines zweiten Mediums M' in das Rohrbündel 15 mit zumindest einem am Mantel 2 vorgesehen Stutzen 5 in Strömungsverbindung. Weiterhin ist zum Abziehen des mindestens einen Mediums M' aus dem Rohrbündel 15 zumindest ein Stutzen 6 am Mantel 2 vorgesehen. Das Rohrbündel 15 kann ferner zum Einleiten verschiedener zweiter Medien M' in Rohrgruppen eingeteilt sein, den jeweils ein Einlass bzw. Stutzen 5 und ein Auslass bzw. Stutzen 6 zugeordnet ist. Die 1 zeigt beispielhaft drei solche Rohrgruppen. Weiterhin kann das Rohrbündel 15 von einem zylindrischen Hemd 7 umgeben sein, um eine Bypassströmung am Rohrbündel 15 vorbei zu unterdrücken.
Zur mechanischen Stabilisierung des Rohrbündels 15 bzw. der einzelnen Rohrlagen 100, 101, 102, 103 sind mehrere Abstandshalter 30 vorgesehen (vgl. insbesondere 2), die jeweils in einem Rohrbündelspalt 200, 201, 202, 203, angeordnet sind, wobei der jeweilige Rohrbündelspalt 200, 201, 202, 203 durch zwei benachbarte Rohrlagen 100,101;101,102,... gebildet wird, die in der radialen Richtung R übereinanderliegen, wobei der innerste Rohrbündelspalt 200 zwischen einer Außenseite 20a des Kernrohres 20 und der innersten Rohrlage 100 liegt.
Durch die Anstandshalter 30 kann das Gewicht der einzelnen Rohrlagen 100, 101, 102, 103 über die Abstandshalter 30 abgestützt werden. Daher werden vorzugsweise in jedem Rohrbündelspalt 200, 201, 202, 203 eine konstante Anzahl an Abstandshaltern 30 vorgesehen, so dass die Abstandshalter 30 in radialer Richtung R übereinander angeordnet werden können.
Die besagte konstante Anzahl der Abstandshalter 30 pro Rohrbündelspalt 200, 201, 202, 203 hat jedoch im Stand der Technik zur Folge, dass die relative Reduktion einer quer zur Längsachse Z orientierten freien Querschnittsfläche F des jeweiligen Rohrbündelspalts 200, 201, 202, 203 durch die in radialer Richtung R übereinander angeordneten Abstandshalter 30 näher am Kernrohr 20 größer ist als bei weiter außen gelegenen Rohrbündelspalten. Dies führt nahe am Kernrohr 20 zu einem größeren mantelraumseitigen Druckabfall im Rohrbündel 15 als bei in radialer Richtung R weiter außen gelegenen Bereichen bzw. Rohrbündelspalten.
Um diesen Druckabfall kontrolliert beeinflussen bzw. ausgleichen zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen (vgl. 2), dass die Abstandshalter 30 jeweils in radialer Richtung R des Rohrbündels 15 eine Dicke D aufweisen, wobei die Dicken D der Abstandshalter eines ersten Rohrbündelspaltes (z.B. 200) jeweils größer sind als die Dicken der Abstandshalter eines zweiten Rohrbündelspaltes (z.B. 201), der in radialer Richtung R des Rohrbündels 15 weiter außen liegt, d.h. näher am Mantel 2 liegt, als der erste Rohrbündelspalt (z.B. 200). Innerhalb eines Rohrbündelspalts 200, 201, 202, 203 sind die Dicken der Abstandshalter 30 vorzugsweise gleich groß.
Gemäß einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Abstandshalter 30 mehr als zwei, insbesondere drei bis vier, unterschiedlichen Dicken D in der radialen Richtung R des Rohrbündels 15, aufweisen, wobei die Dicke D der Abstandshalter 30 in radialer Richtung R vom Kernrohr 20 zum Mantel 2 hin von Rohrbündelspalt zu Rohrbündelspalt abnimmt oder gleich bleibt. D.h. insbesondere, dass jeweils zwei oder mehrere in radialer Richtung R benachbarte Rohrbündelspalte Abstandshalter 30 gleicher Dicke aufweisen können und erst danach eine Abnahme der Dicke D erfolgt, so dass eine gestufte Abnahme der Dicken D nach außen hin vorliegt. Alternativ hierzu kann gemäß 2 vorgesehen sein, dass die Dicke D der Abstandshalter 30 in radialer Richtung vom Kernrohr 20 zum Mantel 2 hin von Rohrbündelspalt zu Rohrbündelspalt 200, 201; 201, 202; 202, 203 abnimmt.
Vorzugsweise sind die Abstandshalter 30 als längserstreckte Stege 30 ausgebildet (vgl. 1), die sich jeweils in einer Längsrichtung erstrecken. Die Abstandshalter 30 bzw. Stege können dabei senkrecht zur Längsrichtung einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Längsrichtung des jeweiligen Abstandshalters parallel zum Kernrohr 20 bzw. parallel zur Längsachse Z verläuft. Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass sich der jeweilige Abstandshalter 30 über eine gesamte Länge des Rohrbündels 15 entlang des Kernrohrs 20 erstreckt.
In der Umfangsrichtung U des Rohrbündels 15 sind die Abstandshalter 30 in dem jeweiligen Rohrbündelspalt 200, 201, 202, 203 vorzugsweise äquidistant zueinander angeordnet.
Aufgrund der Reduktion der Dicken D der Abstandshalter 30 in der radialen Richtung R des Rohrbündels kann die freie Querschnittsfläche F der weiter außen gelegenen Rohrbündelspalte (z.B. 202, 203) reduziert werden bzw. an die freien Querschnittsflächen F der weitere innen gelegenen Rohrbündelspalte (z.B. 200, 201) angeglichen werden, was der mantelseitige Fehlverteilung des ersten Mediums bzw. des Kältemittels entgegenwirkt.
Bezugszeichenliste

1: Gewickelter Wärmeübertrager
2: Mantel
3: Stutzen (Einlass)
4: Stutzen (Auslass)
5: Stutzen (Einlass)
6: Stutzen (Auslass)
7: Hemd
10: Rohre
15: Rohrbündel
20: Kernrohr
20a: Außenseite Kernrohr
30: Abstandshalter
100, 101, 102, 103: Rohrlagen
200, 201, 202, 203: Rohrbündelspalt
D: Dicke
I: Mantelraum
F: freie Querschnittsfläche
M: Erstes Medium
M': Zweites Medium
R: Radiale Richtung
U: Umfangsrichtung
Z: Längsachse (Vertikale)

Claims

Wärmeübertrager (1) zur indirekten Wärmeübertragung zwischen einem ersten und zumindest einem zweiten Medium (M, M'), mit - einem Mantelraum (I) zur Aufnahme des ersten Mediums (M), - einem im Mantelraum (I) angeordneten Kernrohr (20), - einem im Mantelraum (I) angeordneten Rohrbündel (15), das mehrere Rohre (10) aufweist, die jeweils um das Kernrohr (20) gewickelt sind, so dass das Rohrbündel (15) mehrere übereinander angeordnete Rohrlagen (100, 101, 102, 103) aufweist, die jeweils zumindest ein Rohr (10) aufweisen, wobei zwischen jeweils zwei benachbarten Rohrlagen (100, 101; 101, 102; ...) ein Rohrbündelspalt (200, 201, 202, 203) vorhanden ist, wobei in jedem Rohrbündelspalt (200, 201, 202, 203) mehrere Abstandshalter (30) zum Abstützen der Rohrlagen (100, 101, 102, 103) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandshalter (30) jeweils in radialer Richtung (R) des Rohrbündels (15) eine Dicke (D) aufweisen, wobei die Dicken (D) der Abstandshalter (30) eines ersten Rohrbündelspaltes (200) jeweils größer sind als die Dicken (D) der Abstandshalter eines zweiten Rohrbündelspaltes (203), der in radialer Richtung (R) des Rohrbündels (15) weiter außen liegt als der erste Rohrbündelspalt (200).
Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicken (D) der Abstandshalter (30), die in dem gleichen Rohrbündelspalt (200, 201, 202, 203) angeordnet sind, gleich groß sind.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandshalter (30) mehr als zwei, insbesondere drei bis vier, unterschiedlichem Dicken (D) aufweisen, wobei die Dicke (D) der Abstandshalter in radialer Richtung (R) vom Kernrohr (20) zum Mantel (2) hin von Rohrbündelspalt zu Rohrbündelspalt abnimmt oder gleich bleibt.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (D) der Abstandshalter (30) in radialer Richtung (R) vom Kernrohr (20) zum Mantel (2) hin von Rohrbündelspalt zu Rohrbündelspalt abnimmt.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandshalter (30) als längserstreckte Stege (30) ausgebildet sind, die sich jeweils in einer Längsrichtung erstrecken.
Wärmeübertrager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsrichtung des jeweiligen Abstandshalters (30) parallel zum Kernrohr (20) verläuft.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der jeweilige Abstandshalter (30) zumindest über eine gesamte Länge des Rohrbündels (15) entlang des Kernrohrs (20) erstreckt.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandshalter (30) in dem jeweiligen Rohrbündelspalt (200, 201, 202, 203) in Umfangsrichtung (U) des Rohrbündels (15) äquidistant zueinander angeordnet sind.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer in radialer Richtung (R) des Rohrbündels (15) innersten Rohrlage (100) und einer Außenseite (20a) des Kernrohres (20) ein innerster Rohrbündelspalt (200) vorhanden ist, in dem mehrere Abstandshalter (30) angeordnet sind.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandshalter (30) so gruppiert sind, dass jeweils mehrere Abstandshalter (30) zum Abstützen der Rohrlagen (100, 101, 102, 103) in einer radialen Richtung (R) des Rohrbündels (15) übereinander angeordnet sind.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Abstandshalter (30) in dem jeweiligen Rohrbündelspalt (200, 201, 202, 203) gleich ist.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Abstandshalter (30) in zumindest zwei Rohrbündelspalten unterschiedlich ist.