DE102021130375A1

DE102021130375A1 - Sicherheitswärmeübertrager und Verwendung eines innenseitig und außenseitig profilierten Drallrohrs hierfür

Info

Publication number: DE102021130375A1
Application number: DE102021130375.3A
Authority: DE
Inventors: Reiner Numrich
Original assignee: Prof Numrich Ges Fuer Energie und Verfahrenstechnik Mbh; Prof Numrich Gesellschaft Fuer Energie und Verfahrenstechnik Mbh
Current assignee: Prof Numrich Ges Fuer Energie und Verfahrenstechnik Mbh; Prof Numrich Gesellschaft Fuer Energie und Verfahrenstechnik Mbh
Priority date: 2021-11-19
Filing date: 2021-11-19
Publication date: 2023-05-25

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sicherheitswärmeübertrager (1) in Rohrbündelbauweise umfassend einen von einem Gehäusemantel (2) eines Gehäuses und zwei durch den Gehäusemantel (2) verbundenen doppelwandigen Rohrböden (5, 8) umschlossenen Mantelraum (15) zur Führung eines ersten Arbeitsmediums, umfassend ein von dem Mantelraum (15) umschlossenes Rohrbündel mit einer Mehrzahl an Doppelrohren, wobei die Doppelrohre jeweils ein Außenrohr (11) und ein durch Rohröffnungen äußerer Rohrplatten (7, 10) der Rohrböden (5, 8) und durch die Außenrohre (11) hindurchgeführtes Innenrohr (12) aufweisen, wobei die Außenrohre (11) und/oder die Innenrohre (12) des Rohrbündels als Drallrohre mit einem in einem Arbeitsgang außenseitig und innenseitig profilierten Rohrmantel ausgeführt sind. Ferner betrifft die Erfindung eine Verwendung eines innenseitig und außenseitig profilierten Drallrohrs als ein Außenrohr (11) und/oder Innenrohr (12) eines Doppelrohrs in einem ein Rohrbündel mit einer Mehrzahl an Doppelrohren aufweisenden Sicherheitswärmeübertrager (1).

Description

Die Erfindung betrifft einen Sicherheitswärmeübertrager in Rohrbündelbauweise gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Verwendung eines innenseitig und außenseitig profilierten Drallrohrs als ein Außenrohr beziehungsweise Innenrohr eines Doppelrohrs in einem ein Rohrbündel mit einer Mehrzahl an Doppelrohren aufweisenden Sicherheitswärmeübertrager.
Wärmeübertrager erfüllen vielfältige Aufgaben bei der Rückgewinnung von Wärme beziehungsweise bei der Kühlung von Arbeitsmedien in unterschiedlichsten technischen Bereichen. Wärmeübertrager in Rohrbündelbauweise (Rohrbündelwärmeübertrager) werden hierbei aufgrund ihrer hohen Druckbeständigkeit und robusten Bauart für fast alle gasförmigen und flüssigen Arbeitsmedien innerhalb eines sehr großen Temperatur- und Druckbereichs verwendet.
Sicherheitswärmeübertrager kommen überall dort zum Einsatz, wo eine Vermischung beziehungsweise ein Kontakt der in den Sicherheitswärmeübertrager geführten Arbeitsmedien miteinander in jedem Fall verhindert werden muss. Dies kann beispielsweise zwischen zwei Arbeitsmedien, die miteinander chemisch reagieren können, beziehungsweise zwischen einem umweltfeindlichen Arbeitsmedium und einem Arbeitsmedium, welches wieder in die Umwelt entlassen werden soll, der Fall sein. Zunehmend strengere gesetzliche Regelungen und Vorschriften, wie beispielsweise zum Schutz der Umwelt und der Trinkwasserqualität erhöhen am Markt den Bedarf an diesbezüglich geeigneten Sicherheitswärmeübertragern. Zudem werden hohe Ansprüche an die Leistung und Wirtschaftlichkeit von Sicherheitswärmeübertragern gestellt, da am Markt der Wunsch besteht, auf kleinstem Raum möglichst große Wärmemengen zu übertragen.
Ein gattungsgemäßer Sicherheitswärmeübertrager in Rohrbündelbauweise nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 umfasst einen von einem Gehäusemantel eines Gehäuses und zwei durch den Gehäusemantel verbundenen doppelwandigen Rohrböden umschlossenen Mantelraum zur Führung eines ersten Arbeitsmediums. Die Rohrböden weisen jeweils eine den Mantelraum verschließende innere Rohrplatte und eine einem sich jeweils stirnseitig an den Gehäusemantel anschließenden Gehäuseboden beziehungsweise Gehäusedeckel als Teil des Gehäuses zugewandte äußere Rohrplatte auf. Weiter umfasst der Sicherheitswärmeübertrager ein von dem Mantelraum umschlossenes Rohrbündel mit einer Mehrzahl an Doppelrohren, wobei die Doppelrohre jeweils ein zwischen Rohröffnungen der inneren Rohrplatten mediendicht verschlossen gehaltenes, längserstrecktes Außenrohr und ein mediendicht verschlossen durch Rohröffnungen der äußeren Rohrplatten und die Außenrohre hindurchgeführtes, längserstrecktes Innenrohr aufweisen. Rohrinnenräume der Innenrohre und sich stirnseitig an die Innenrohre anschließende und von den äußeren Rohrplatten und den Gehäuseböden beziehungsweise Gehäusedeckeln umschlossene Bodenräume definieren einen von dem Mantelraum mediendicht getrennten Rohrraum zur Führung eines zweiten Arbeitsmediums. Zwischen den Außenrohren und Innenrohren ist jeweils ein Leckagekanal gebildet. Die Leckagekanäle der Doppelrohre des Rohrbündels und ein sich stirnseitig an die Leckagekanäle jeweils anschließender Plattenzwischenraum zwischen den Rohrplatten der doppelwandigen Rohrböden definieren einen mediendicht von dem Rohrraum und dem Mantelraum getrennten Sicherheitsraum.
Bei einer Beschädigung beziehungsweise bei einem Leck an einem Innenrohr beziehungsweise Außenrohr tritt hierbei das leckseitige Arbeitsmedium in den Leckagekanal ein, der zwischen dem Außenrohr und dem Innenrohr eines Doppelrohrs des Rohrbündels jeweils gebildet ist, und wird in einen der sich daran anschließenden Plattenzwischenräume zwischen den Rohrplatten der doppelwandigen Rohrböden weitergeführt. Dadurch, dass die Doppelrohre jeweils als „Rohr im Rohr“ ausgebildet sind, bleibt das jeweils andere Rohr des Doppelrohrs unbeschädigt und es kommt nicht zu einer Vermischung der beiden in den Sicherheitswärmeübertrager geführten Arbeitsmedien.
Nachteilig ist bei Sicherheitswärmeübertragern in Rohrbündelbauweise der gattungsgemäßen Art, dass diese im Vergleich zu konventionellen Wärmeübertragern in Rohrbündelbauweise bei gleicher Baugröße eine geringere Wärmeleistung (Q) aufweisen beziehungsweise bei gleicher Wärmeleistung (Q) eine größere Austauschfläche (A) erfordern. Die Austauschfläche (A) berechnet sich aus der zu übertragenden Wärmeleistung (Q), der Temperaturdifferenz (ΔT) zwischen Mantelraum (a) und dem Rohrinnenraum (i) sowie dem Wärmedurchgangskoeffizienten (k) wie folgt: $A = Q / (k Δ T)$
Bei vorgegebener Wärmeleistung (Q) und Temperaturdifferenz (ΔT) gilt prinzipiell: $A \sim 1 / k$
Der Wärmedurchgangskoeffizient (k) wiederum setzt sich aus drei Anteilen zusammen:

1. Wärmeübergang von einem im Innenrohr geführten zweiten Arbeitsmedium an eine Rohrmantelinnenfläche des Innenrohrs, dargestellt durch den Wärmedurchgangskoeffizienten α_i.
2. Wärmeleitung von der Rohrmantelinnenfläche des Innenrohrs an eine Rohrmantelaußenfläche des Außenrohrs, dargestellt durch die Wärmeleitfähigkeit λ sowie der Wandstärke s der Rohrmäntel des Innenrohrs und Außenrohrs.
3. Wärmeübergang von der Rohrmantelaußenfläche des Außenrohrs an ein im Mantelraum geführtes erstes Arbeitsmedium, dargestellt durch den Wärmedurchgangskoeffizienten α_a.

Der auf diese Weise anteilig zusammengesetzte Wärmedurchgangskoeffizient kann mit dem folgenden formelmäßigen Zusammenhang dargestellt werden (vereinfacht für ebene Rohrwandungen und kleine Rohrwandstärken): $1 / k = 1 / α_{i} + λ / s + 1 / α_{α}$
Für einen konventionellen Wärmeübertrager in Rohrbündelbauweise mit einem einfachen Glattrohr gilt beispielhaft:

α_i = 1.000 W/(m²K) (organisches Fluid)

λ/s = 15.000 W/(m²K) (Edelstahl, Wandstärke s=1 mm)

α_a = 5.000 W/(m²K) (Wasser)
Der Wärmedurchgangskoeffizient (k) beträgt in diesem Beispiel für den konventionellen Wärmeübertrager in Rohrbündelbauweise mit einfachem Glattrohr k = 790 W/m²K.
Für einen Sicherheitswärmeübertrager in Rohrbündelbauweise der gattungsgemäßen Art mit Doppelrohren verändern sich die beiden Wärmeübergangskoeffizienten (α_i, α_a) im Regelfall nur unwesentlich. Hingegen ergibt sich ein wesentlicher Unterschied bei der Wärmeleitung durch das Doppelrohr. Die Wärmeleitfähigkeit (λ) verschlechtert sich aufgrund der vorhandenen Leckagekanäle zwischen den Innenrohren und den Außenrohren auf zirka ein Drittel des Wertes für kompaktes Material beziehungsweise zwei konzentrisch-flächig aneinanderliegende Glattrohre. Zusätzlich ist die Wandstärke aufgrund der verbauten Doppelrohre mit den zusätzlichen Innenrohren doppelt so groß. Somit ergibt sich bei sonst gleichen Annahmen (Wandstärke = 1 mm je Rohr, Edelstahl) für den Sicherheitswärmeübertrager in Rohrbündelbauweise nunmehr eine stark reduzierte Wärmeleitung von λ/s = 2.500 W/m²K.
Um diese beim Sicherheitswärmeübertrager in Rohrbündelbauweise konstruktionsbedingten Nachteile zu reduzieren, sind im Stand der Technik Ausführungsformen bekannt, bei denen die Innen- und Außenrohre des Rohrbündels mit einer Presspassung möglichst großflächig aneinandergelegt sind, um eine möglichst große Austauschfläche für die Wärmeübertragung zwischen den Arbeitsmedien bereitzustellen. Daneben sehen die bekannten Ausführungsformen vor, den für die Wärmeübertragung unvorteilhaften Leckagekanal zu optimieren, indem in den Rohrbündeln innenseitig profilierte Außenrohre oder außenseitig profilierte Innenrohre verwendet werden. Die auf diese Weise gebildeten Doppelrohre der bekannten gattungsgemäßen Sicherheitswärmeübertrager in Rohrbündelbauweise weisen dann jeweils innenseitig und außenseitig glatte Rohroberflächen auf.
Aufgrund dieser reduzierten Wärmeleitung des Doppelrohrs beträgt der unter gleichen Annahmen errechnete Wärmedurchgangskoeffizient für den gattungsgemäßen Sicherheitswärmeübertrager in Rohrbündelbauweise mit Doppelrohren k = 620 W/m²K und ist somit um 25 % kleiner als beim konventionellen Rohrbündel-Wärmeübertrager in Rohrbündelbauweise mit einem einfachen Glattrohr. Bei sonst gleichen Bedingungen ist der Sicherheitswärmeübertrager mit Doppelrohren demzufolge um zirka 25 % größer auszuführen als ein konventioneller Rohrbündelwärmeübertrager mit einfachen Glattrohren.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen verbesserten Sicherheitswärmeübertrager in Rohrbündelbauweise der gattungsgemäßen Art anzugeben, welcher eine verbesserte Wärmeleistung aufweist. Ferner wird die Aufgabe durch eine erfindungsgemäße Verwendung gelöst.
Zur Lösung der Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Außenrohre beziehungsweise die Innenrohre der Doppelrohre des Rohrbündels als Drallrohre mit einem in einem Arbeitsgang außenseitig und innenseitig profilierten Rohrmantel ausgeführt sind.
Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die Ausführung des Außenrohrs beziehungsweise Innenrohrs als ein Drallrohr mit einem innenseitig und außenseitig profilierten Rohrmantel für die Doppelrohre des Rohrbündels ein verbesserter Wärmeübergang von dem Arbeitsmedium an den Rohrmantel realisiert werden kann. Vorteilhaft ergibt sich hierdurch eine verbesserte Wärmeleistung für den erfindungsgemäßen Sicherheitswärmeübertrager. Dies ist dadurch realisiert, dass das in dem als Drallrohr ausgeführten Innenrohr beziehungsweise Außenrohr geführte Arbeitsmedium durch die Profilierung des Rohrmantels des Drallrohrs in eine rotierende Drallbewegung versetzt ist. Drallrohre können hierdurch einen um bis zu 50 % höheren Wärmedurchgangskoeffizienten aufweisen als Glattrohre mit einem unprofilierten glatten Rohrmantel.
Im Vergleich zu dem eingangs aufgeführten Berechnungsbeispiel für einen gattungsgemäßen Sicherheitswärmeübertrager ergibt sich hierdurch bei sonst gleichen Annahmen für den erfindungsgemäßen Sicherheitswärmeübertrager eine vorteilhafte Erhöhung des Wärmedurchgangskoeffizienten von 620 W/m²K auf 790 W/m²K bei Ausführung des Innenrohrs als innenseitig und außenseitig profiliertes Drallrohr. Bei einer vorgegebenen Temperaturdifferenz (ΔT) und Austauschfläche (A) ergibt sich demzufolge für den erfindungsgemäßen Sicherheitswärmeübertrager mit dem vorausgegangenen Rechenbeispiel eine um mehr als 25 % verbesserte Wärmeleistung (Q) gegenüber einem Sicherheitswärmeübertrager der gattungsgemäßen Art. Die eingangs beschriebenen konstruktionsbedingten Nachteile gattungsgemäßer Sicherheitswärmeübertrager in Rohrbündelbauweise gegenüber konventionellen Rohrbündelwärmeübertragern mit einfachen Glattrohren können demzufolge durch die erfindungsgemäße Idee im Idealfall vollständig kompensiert werden.
Bei einer vorgegebenen Wärmeleistung kann der erfindungsgemäße Sicherheitswärmeübertrager demzufolge wesentlich kompakter ausgeführt und mit geringeren Material- und Herstellungskosten gefertigt werden als ein Sicherheitswärmeübertrager der gattungsgemäßen Art.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Außenrohre des Rohrbündels als Glattrohre mit einem beidseitig unprofilierten, glatten Rohrmantel ausgeführt. Hierdurch ergibt sich eine besonders vorteilhafte Kostenersparnis dadurch, dass die in Bezug auf den Rohrdurchmesser größeren und damit unter Kostenaspekten stärker ins Gewicht fallenden Außenrohre als kostengünstig zu fertigende Glattrohre und die in Bezug auf den Rohrdurchmesser kleineren Innenrohre als profilierte Drallrohre ausgeführt sind.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist der Rohrmantel der Drallrohre jeweils wenigstens ein sich von einem ersten Rohrende zu einem zweiten Rohrende radial umlaufend windendes Drallelement auf. Das in dem Drallrohr geführte Arbeitsmedium wird somit über die gesamte Länge des Drallrohrs in eine rotierende Drallbewegung versetzt, wodurch sich über die gesamte Rohrlänge des Drallrohrs ein verbesserter Wärmeübergang von dem in dem Drallrohr geführten Arbeitsmedium an die Rohrmantelinnenfläche des Drallrohrs ergibt. Zudem definiert das Drallelement des Drallrohrs zusammen mit dem daran angelegten Rohrmantel des Innenbeziehungsweise Außenrohrs den zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr eines Doppelrohrs des Rohrbündels jeweils vorgesehenen Leckagekanal.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist das Drallelement des Drallrohrs als eine spiralförmig radial umlaufende, rillenförmige Einformung des Rohrmantels von außen ausgebildet. Der Begriff Einformung ist im Rahmen der Erfindung weit auszulegen. Nach der Erfindung ist zur Bildung des Drallelements der Rohrmantel des Drallrohrs aus einem Wandstärkematerial des Rohrmantels selbst durch eine entsprechende rillenförmige beziehungsweise sickenförmige Einformung von außen in den Rohrinnenraum des Drallrohrs hin hineinragend ausgebildet. Das Drallelement verleiht dem als Drallrohr ausgebildeten Außenrohr beziehungsweise Innenrohr demzufolge seine außenseitige und innenseitige Profilierung. Das Drallelement kann diesbezüglich auf unterschiedliche Art und Weise hergestellt werden, beispielsweise als eine von außen in den Rohrmantel eingearbeitete Einbeulung, Einprägung beziehungsweise als eine umlaufende Rille beziehungsweise Sicke ausgebildet sein. Vorteilhaft lässt sich das Drallelement somit kostengünstig in einem einzelnen dementsprechend formgebenden Arbeitsgang erstellen.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist der Rohrmantel der Drallrohre jeweils eine Mehrzahl an zueinander axial versetzten beziehungsweise einander kreuzenden beziehungsweise zueinander radial entgegengesetzt umlaufenden Drallelementen auf. Durch die einander kreuzenden beziehungsweise radial entgegengesetzt umlaufenden Drallelemente ist es möglich, entgegengesetzte Rotationsbewegungen für das in dem Drallrohr geführte Arbeitsmedium zu erzeugen, um dementsprechend gewünschte Turbulenzen in dem Drallrohr zu erzeugen. Alternativ kann zur Verstärkung einer gleichgerichteten Rotationsbewegung des in dem Drallrohr geführten Arbeitsmediums eine Mehrzahl an zueinander axial und vorzugsweise parallel versetzten Drallelementen in dem Rohrmantel des Drallrohrs vorgesehen werden. Diesbezügliche Ausführungsformen der Drallrohre sind jeweils abhängig von dem in dem Drallrohr geführten Arbeitsmedium, den Strömungsgeschwindigkeiten, dem Betriebsdruck des Arbeitsmediums als auch von dem Wärmeübergang des Arbeitsmediums an die Rohrleitung beziehungsweise den Rohrmantel des Drallrohrs beziehungsweise von der Wärmeleistung des Sicherheitswärmeübertragers.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind der Rohrmantel des Außenrohrs und der Rohrmantel des Innenrohrs eines Doppelrohrs des Rohrbündels jeweils mit einer Presspassung aneinandergelegt. Vorzugsweise wird hierbei ein fester Presssitz zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr durch Innenhochdruckfügen beziehungsweise hydraulisches Aufweiten des Innenrohrs erzeugt. Die Aufweitung des Innenrohrs erfolgt hierbei, indem das Innenrohr von innen durch ein hydraulisches Medium mit einem hohen Druck beaufschlagt wird. Vorteilhaft entstehen beim Innenhochdruckfügen im Gegensatz zu mechanischen Fügeverfahren, wie beispielsweise dem Einwalzen von Rohren, reduzierte Restspannungen, wodurch sich die Gefahr von Spannungsrisskorrosion deutlich reduzieren lässt. Durch den Presssitz liegen die Innen- und Außenrohre des Rohrbündels flächig aneinander, sodass eine größtmögliche Austauschfläche für die Wärmeübertragung zwischen den Arbeitsmedien bereitgestellt ist. Die Wärmeleistung des Sicherheitswärmeübertragers ist dementsprechend optimiert.
Die Innenrohre und Außenrohre des Rohrbündels des erfindungsgemäßen Sicherheitswärmeübertragers sind jeweils mediendicht mit den Rohrböden zu verbinden. Vorzugsweise sind hierfür die Innenrohre mit den äußeren Rohrplatten der Rohrböden und die Außenrohre mit den inneren Rohrplatten der Rohrböden mediendicht und stoffschlüssig verbunden und vorzugsweise verschweißt beziehungsweise verlötet.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist dem Sicherheitsraum eine Leckageüberwachungseinrichtung zugeordnet derart, dass bei einem Eintritt des ersten Arbeitsmediums oder zweiten Arbeitsmediums in den Sicherheitsraum ein Alarmsignal beziehungsweise Steuersignal ausgegeben ist. Auf diese Weise kann eine Leckage, das heißt ein Eintritt eines in dem Mantelraum oder in dem Rohrraum geführten ersten oder zweiten Arbeitsmediums in den Sicherheitsraum frühzeitig erkannt werden, wobei es durch die Bauweise des Sicherheitswärmeübertragers mit Doppelrohren und doppelwandigen Rohrböden nicht sofort zu einer Vermischung der beteiligten Arbeitsmedien kommt. Kostenintensive und außerplanmäßige Ausfallzeiten beziehungsweise eine Kontamination von Prozessen oder Anlagen, in denen der Sicherheitswärmeübertrager integriert ist, können hierdurch vermieden werden.
Zur Lösung der Aufgabe weist die Erfindung die Merkmale des Patentanspruchs 9 auf. Demzufolge sieht eine erfindungsgemäße Verwendung vor, ein innenseitig und außenseitig profiliertes Drallrohr als ein Außenrohr beziehungsweise Innenrohr eines Doppelrohrs in einem ein Rohrbündel mit einer Mehrzahl an Doppelrohren aufweisenden Sicherheitswärmeübertrager zu verwenden.
Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die innenseitige und außenseitige Profilierung des Drallrohrs das darin geführte Arbeitsmedium in eine radial rotierende Drallbewegung versetzt. Vorteilhaft wird hierdurch der Wärmeübergang des Arbeitsmediums an den Rohrmantel des Drallrohrs verbessert. Die Verwendung des Drallrohrs als Innenrohr in einem Sicherheitswärmeübertrager in Rohrbündelbauweise führt demzufolge dazu, dass der Wärmedurchgangskoeffizient des Sicherheitswärmeübertragers und somit dessen Wärmeleistung verbessert ist. Sicherheitswärmeübertrager können hierdurch bei gleicher Wärmeleistung und Temperaturdifferenz zwischen den darin geführten Arbeitsmedien kompakter und somit wirtschaftlicher ausgeführt werden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Rohrmantel des Drallrohrs wenigstens ein sich von einem ersten Rohrende zu einem zweiten Rohrende radial umlaufend windendes Drallelement und vorzugsweise eine spiralförmig radial umlaufende, rillenförmige Einformung auf. Das Drallelement des Drallrohrs versetzt das darin geführte Arbeitsmedium demzufolge über die gesamte Rohrlänge in eine rotierende Drallbewegung. Vorteilhaft verursacht die Drallbewegung beziehungsweise Rotationsbewegung des Arbeitsmediums ein entsprechend langsameres Vorbeiströmen in eine Hauptströmungsrichtung beziehungsweise entlang einer Rohrachse des Drallrohrs, wodurch mehr Wärmeenergie von dem Arbeitsmedium abgeführt beziehungsweise dem Arbeitsmedium zugeführt werden kann. Die Begriffe rillenförmig und Einformung sind im Rahmen der Erfindung entsprechend weit auszulegen. Vorteilhaft kann das Drallelement in einem einzigen Arbeitsgang kostengünstig in den Rohrmantel des Drallrohrs eingearbeitet werden, indem der Rohrmantel des Drallrohrs durch eine entsprechende Einformung von außen in den Rohrinnenraum hinein profiliert ist. Das Drallelement kann demzufolge als eine rillenbeziehungsweise sickenförmige Einbeulung, Einformung beziehungsweise Einprägung ausgebildet sein.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist das das Innenrohr führende Außenrohr des Rohrbündels als ein Glattrohr mit einem beidseitig glatten, unprofilierten Rohrmantel ausgeführt. Dadurch, dass nunmehr dementsprechend nur die Innenrohre des Sicherheitswärmeübertragers als außen- und innenseitig profilierte Drallrohre ausgeführt sind, können die Außenrohre, welche einen größeren Rohrdurchmesser gegenüber den Innenrohren aufweisen und demzufolge hinsichtlich Kostenaspekten stärker ins Gewicht fallen, als kostengünstig zu fertigende Glattrohre mit einem unprofilierten, glatten Rohrmantel ausgeführt werden. Hierdurch lassen sich die Material- und Herstellungskosten für einen erfindungsgemäßen Sicherheitswärmeübertrager in Rohrbündelbauweise deutlich reduzieren.
Aus den weiteren Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung sind weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung zu entnehmen. Dort erwähnte Merkmale können jeweils einzeln für sich oder auch in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Erfindungsgemäß beschriebene Merkmale und Details des erfindungsgemäßen Sicherheitswärmeübertragers gelten selbstständig auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Verwendung und umgekehrt. So kann auf die Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen werden. Die Zeichnungen dienen lediglich der Klarstellung der Erfindung und haben keinen einschränkenden Charakter. Es zeigen:

1 eine schematische Seitenansicht eines aus dem Stand der Technik bekannten Sicherheitswärmeübertragers in Rohrbündelbauweise mit Rohrböden im Halbschnitt,
2 ein auszugsweise im Vollschnitt dargestelltes Doppelrohr des aus dem Stand der Technik bekannten Sicherheitswärmeübertragers nach 1,
3 ein auszugsweise im Vollschnitt dargestelltes Doppelrohr für einen erfindungsgemäßen Sicherheitswärmeübertrager in Rohrbündelbauweise,
4 ein auszugsweise im Vollschnitt dargestelltes Innenrohr des Doppelrohrs nach 3 für einen erfindungsgemäßen Sicherheitswärmeübertrager in Rohrbündelbauweise und
5 eine Stirnansicht von einem Rohrende auf das Innenrohr nach 4 für einen erfindungsgemäßen Sicherheitswärmeübertrager in Rohrbündelbauweise.

Ein Ausführungsbeispiel eines aus dem Stand der Technik bekannten Sicherheitswärmeübertragers 1 in Rohrbündelbauweise ist in den 1 und 2 angegeben. Ein solcher kommt dort zum Einsatz, wo eine durch ein Leck herbeigeführte Vermischung der beteiligten Arbeitsmedien unbedingt vermieden werden soll.
Der Sicherheitswärmeübertrager 1 weist ein Gehäuse mit einem längserstreckten Gehäusemantel 2, sich jeweils stirnseitig an den Gehäusemantel 2 anschließende doppelwandig ausgeführte Rohrböden 5, 8 sowie zwei stirnseitig von außen an die Rohrböden 5, 8 angelegte und damit mediendicht verbundene Gehäusedeckel 3, 4 auf. Zur Abstützung beziehungsweise Verbindung des Gehäuses dienen hier zwei an dem Gehäusemantel 2 montierte Verbindungflansche 18, 19.
Die Rohrböden 5, 8 und der Gehäusemantel 2 des Gehäuses umschließen hierbei einen Mantelraum 15, in welchem ein erstes Arbeitsmedium im Betrieb des Sicherheitswärmeübertragers 1 geführt ist. Zur Zuführung und Abführung des ersten Arbeitsmediums in beziehungsweise aus dem Mantelraum 15 sind an den Gehäusemantel entsprechende Stutzen 20, 21 angeflanscht.
Zwischen den Gehäuseböden 5, 8 ist ein parallel zu dem Gehäusemantel 2 längserstrecktes Rohrbündel mit einer Mehrzahl an Doppelrohren gehalten. Die Doppelrohre des Rohrbündels sind figürlich schematisch durch gestrichelte Linien angedeutet und von dem Mantelraum 15 umschlossen und mediendicht von diesem getrennt. Die Doppelrohre des Rohrbündels bestehen jeweils aus einem Außenrohr 11 und aus einem durch das Außenrohr 11 hindurchgeführten Innenrohr 12. Die Doppelböden 5, 8 weisen jeweils eine dem Mantelraum 15 zugewandte innere Rohrplatte 6, 9 sowie eine den Gehäusedeckeln 3, 4 zugewandte äußere Rohrplatte 7, 10 auf. Dabei sind die Rohrplatten 6, 7, 9, 10 zueinander fluchtend angeordnet und miteinander verbunden, wobei zwischen den Rohrplatten 6, 7, 9, 10 der Rohrböden 5, 8 jeweils ein Plattenzwischenraum 27, 28 freigelassen ist. Zur Durchführung der Rohre 11, 12 des Rohrbündels weisen die Rohrplatten 6, 7, 9, 10 eine korrespondierende Anzahl an Rohröffnungen auf. Die Außenrohre 11 sind hierbei jeweils zwischen zwei zueinander fluchtend gehaltenen Rohröffnungen der inneren Rohrplatten 6, 9 gehalten. Die Innenrohre 12 der Rohrbündel sind jeweils durch ein Außenrohr 11 des Rohrbündels hindurchgeführt und mediendicht mit den äußeren Rohrplatten 7, 10 der Rohrböden 5, 8 verbunden.
Ein zweites Arbeitsmedium, welches in dem Sicherheitswärmeübertrager 1 Wärmeenergie an das erste Arbeitsmedium abgibt beziehungsweise von dem ersten Arbeitsmedium aufnimmt, wird über an die Gehäusedeckel 3, 4 angeflanschte Stutzen 22, 23 zu- beziehungsweise abgeführt. Das zweite Arbeitsmedium ist hierbei in einem mediendicht von dem Mantelraum 15 getrennten Rohrraum geführt, welcher durch jeweils zwischen den äußeren Rohrplatten 7, 10 und den Gehäusedeckeln 3, 4 umschlossene Bodenräume und die endseitig jeweils offen in die Bodenräume 16, 17 mündenden Rohrinnenräumen 29 der Innenrohre 12 des Rohrbündels definiert ist. Die Wärmeübertragung zwischen den beiden Arbeitsmedien erfolgt demzufolge dadurch, dass das in dem Mantelraum 15 geführte erste Arbeitsmedium und das in den Innenrohren 12 der von dem ersten Arbeitsmedium umspülten Rohrbündel geführten zweite Arbeitsmedium Wärmeenergie durch die Rohrmantel hindurch aneinander übertragen. Die Wärmeenergie wird dabei von dem kälteren Arbeitsmedium an das wärmere Arbeitsmedium übertragen.
Um die Gefahr einer durch Beschädigung eines Innenrohrs 12 oder Außenrohrs 11 des Rohrbündels hervorgerufenen Leckage zu reduzieren, ist bei dem Sicherheitswärmeübertrager 1 vorgesehen, dass zwischen den Innenrohren 12 und Außenrohren 11 jeweils ein Leckagekanal 14 vorgesehen ist, welcher zur Abführung eines durch ein Leck austretenden Arbeitsmediums dient. Die Leckagekanäle 14 münden jeweils in die Zwischenräume 27, 28 zwischen den Rohrplatten 6, 7, 9, 10 der doppelwandigen Rohrböden 5, 8. Demzufolge definierenden die Plattenzwischenräume 27, 28 und die Leckagekanäle 14 einen Sicherheitsraum, welcher mediendicht von dem Rohrraum und dem Mantelraum 15 abgetrennt ist. An die inneren Rohrplatten 6, 9 sind in diesem Ausführungsbeispiel Stutzen 24, 25 angeflanscht, die über entsprechende Kanäle mit den Plattenzwischenräumen 27, 28 verbunden sind. Auf diese Weise kann über die Stutzen 24, 25 ein durch ein Leck austretendes Arbeitsmedium abgeführt beziehungsweise zu Reinigungszwecken ein Reinigungsmedium durch die Leckagekanäle 14 des Rohrbündels durchgespült werden.
Hinsichtlich der Wärmeübertragung sind die Leckagekanäle 14 des Rohrbündels unvorteilhaft, da sie eine Kontaktfläche beziehungsweise Austauschfläche zwischen den Außenrohren 11 und Innenrohren 12 reduzieren und somit ein zusätzlicher Wärmeübergangswiderstand entsteht.
Um den Wärmeverlust, der durch die Leckagekanäle 14 hervorgerufen wird, möglichst gering zu halten, werden im Stand der Technik ausschließlich innenseitig, das heißt an einer Rohrmantelinnenfläche des Rohrmantels, durch Ausnehmungen 26 profilierte Außenrohre 11, wie in 2 angegeben, oder alternativ ausschließlich außenseitig, das heißt an einer Rohrmantelaußenfläche, durch Ausnehmungen profilierte Innenrohre 11 verwendet. In beiden Ausführungsformen weist ein aus dem Stand der Technik bekannter Sicherheitswärmeübertrager 1 in Rohrbündelbauweise dementsprechend jeweils Doppelrohre mit innenseitig und außenseitig glatten Oberflächen auf. Gegenüber konventionellen Wärmeübertragern in Rohrbündelbauweise mit einfachen Glattrohren weisen gattungsgemäße Sicherheitswärmeübertrager 1 den Nachteil auf, dass die Wärmeleitung von der Rohrmantelinnenfläche des Innenrohrs 12 an die Rohrmantelaußenfläche des Außenrohrs 11 durch die Leckagekanäle 14 einerseits und die doppelte Wandstärke beider Rohre 11, 12 andererseits reduziert ist.
Um diese konstruktiv bedingten Nachteile eines aus dem Stand der Technik bekannten Sicherheitswärmeübertragers 1 zu reduzieren, gibt die Erfindung einen Sicherheitswärmeübertrager 1 in Rohrbündelbauweise an, bei dem ein in einem Arbeitsgang außenseitig und innenseitig profiliertes Drallrohr jeweils für die Außenrohre 11 und bevorzugt für die Innenrohre 12 des Rohrbündels vorgesehen ist. Im Übrigen entspricht der konstruktive Aufbau des erfindungsgemäßen Sicherheitswärmeübertragers 1 im Wesentlichen dem Aufbau eines gattungsgemäßen Sicherheitswärmeübertragers in Rohrbündelbauweise nach 1. Ein Ausführungsbeispiel eines derart beidseitig profilierten und als Drallrohr ausgeführten Innenrohrs 12 für einen erfindungsgemäßen Sicherheitswärmeübertrager 1 ist in den 3 bis 5 angegeben.
3 gibt diesbezüglich ein Doppelrohr für ein Rohrbündel eines erfindungsgemäßen Sicherheitswärmeübertragers 1 an. Das Innenrohr 12 ist hierbei konzentrisch durch das Außenrohr 11 hindurchgeführt und mit einem Presssitz beziehungsweise einer Flächenpressung flächig an das Außenrohr 11 angelegt. Durch den Presssitz wird eine größtmögliche, vorteilhafte Austauschfläche für die Wärmeübertragung zwischen den Arbeitsmedien durch die Rohrmäntel der Rohre 11, 12 hindurch bereitgestellt. Das in Bezug auf einen Rohrdurchmesser größere und dementsprechend unter Kostenaspekten stärker ins Gewicht fallende Außenrohr 11 ist als kostengünstig zu fertigendes Glattrohr mit einem innen- und außenseitig unprofilierten, glatten Rohrmantel ausgeführt. Das in Bezug auf einen Rohrdurchmesser kleinere und dementsprechend kostenmäßig geringer ins Gewicht fallende Innenrohr 12 ist als ein innen- und außenseitig profiliertes Drallrohr ausgebildet.
Der Rohrmantel des Innenrohrs 12 weist eine sich über eine gesamte Rohrlänge des Innenrohrs 12 spiralförmig radial umlaufend windende, rillenförmige Einformung 13 auf. Die Einformung 13 definiert zusammen mit der Rohrmantelinnenfläche des Außenrohrs 11 den Leckagekanal 14 in dem Doppelrohr. Die Einformung 13 kann vorteilhaft in einem Arbeitsgang durch einen entsprechenden Formgebungsprozess in den Rohrmantel des Innenrohrs 12 kostengünstig eingearbeitet werden. Die Einformung 13 wird hierbei durch ein umgeformtes beziehungsweise eingeformtes Wandstärkenmaterial des Rohrmantels des Innenrohrs 12 selbst ausgebildet und von außen in den Rohrinnenraum 29 des Innenrohrs 12 hineinragend ausgebildet.
Die Einformung 13 bildet ein Drallelement für das in dem Innenrohr 12 geführte zweite Arbeitsmedium aus, welches das zweite Arbeitsmedium über die gesamte Rohrlänge des Innenrohrs 12 in eine rotierende Drallbewegung versetzt. Durch die Drallbewegung ergibt sich ein verbesserter Wärmeübergang von dem zweiten Arbeitsmedium an die Rohrmantelinnenfläche des Innenrohrs 12, da durch die rotierende Drallbewegung eine Strömungsgeschwindigkeit des zweiten Arbeitsmediums in Bezug auf eine Hauptströmungsrichtung entlang einer Rohrachse R des Innenrohrs 12 reduziert ist.
Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel eines Sicherheitswärmeübertragers 1 in Rohrbündelbauweise beziehungsweise eines innen- und außenseitig profilierten Drallrohrs als Innenrohr 12 hierfür beschränkt. Insbesondere sind die Komponenten hinsichtlich ihrer Gestalt, Materialauswahl und Dimensionierung in weiten Grenzen frei wählbar.
Die Einformung 13 des Innenrohrs 12 kann unter Beibehaltung der erfinderischen Idee auch zickzackförmig oder wellenförmig radial windend verlaufen oder im Querschnitt andersartig profiliert sein. Insbesondere können je nach gewünschtem wärmetechnischen Anforderungsprofil die Anzahl der Spiral- beziehungsweise Windungsgänge, Winkel, Radius und Tiefe der Einformung 13 gezielt verändert werden.
Nach einem figürlich nicht dargestellten, alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Innenrohr 12 eine Mehrzahl an einander kreuzenden beziehungsweise zueinander radial entgegengesetzt umlaufenden Einformungen 13 auf. Durch die einander kreuzenden beziehungsweise radial entgegengesetzt umlaufenden Einformungen 13 ist es möglich, entgegengesetzte Rotationsbewegungen für das in dem Innenrohr 12 geführte zweite Arbeitsmedium zu erzeugen. Alternativ kann zur Verstärkung einer gleichgerichteten Rotationsbewegung des zweiten Arbeitsmediums in dem Innenrohr 12 eine Mehrzahl an zueinander axial und vorzugsweise parallel versetzten Einformungen 13 in den Rohrmantel des Innenrohrs 12 vorgesehen werden.
Ein figürlich nicht dargestelltes, alternatives Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Sicherheitswärmeübertrager 1 sieht vor, dass die von dem in dem Mantelraum 15 geführten ersten Arbeitsmedium umspülten Doppelrohre des Rohrbündels U-förmig beziehungsweise mäanderförmig umgebogen sind.
Unter Beibehaltung der erfinderischen Idee können anstelle des besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiels mit den Innenrohren 12 als innen- und außenseitig profilierten Drallrohren auch nur oder zusätzlich die Außenrohre 11 der Doppelrohre des Rohrbündels als innen- und außenseitig profilierte Drallrohre ausgeführt sein.
Gleiche Bauteile und Bauteilfunktionen sind durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet.

Claims

Sicherheitswärmeübertrager (1) in Rohrbündelbauweise umfassend einen von einem Gehäusemantel (2) eines Gehäuses und zwei durch den Gehäusemantel (2) verbundenen doppelwandigen Rohrböden (5, 8) umschlossenen Mantelraum (15) zur Führung eines ersten Arbeitsmediums, wobei die Rohrböden (5, 8) jeweils eine den Mantelraum (15) verschließende innere Rohrplatte (6, 9) und eine einem sich jeweils stirnseitig an den Gehäusemantel (2) anschließenden Gehäuseboden und/oder Gehäusedeckel (3, 4) des Gehäuses zugewandte äußere Rohrplatte (7, 10) aufweisen, umfassend ein von dem Mantelraum (15) umschlossenes Rohrbündel mit einer Mehrzahl an Doppelrohren, wobei die Doppelrohre jeweils ein zwischen Rohröffnungen der inneren Rohrplatten (6, 9) mediendicht verschlossen gehaltenes längserstrecktes Außenrohr (11) und ein mediendicht verschlossen durch Rohröffnungen der äußeren Rohrplatten (7, 10) und die Außenrohre (11) hindurchgeführtes längserstrecktes Innenrohr (12) aufweisen, wobei Rohrinnenräume (29) der Innenrohre (12) und sich stirnseitig an die Innenrohre (12) anschließende und von den äußeren Rohrplatten (7, 10) und den Gehäuseböden und/oder Gehäusedeckeln (3, 4) umschlossene Bodenräume (16, 17) einen von dem Mantelraum (15) mediendicht getrennten Rohrraum zur Führung eines zweiten Arbeitsmediums definieren und wobei zwischen den Außenrohren (11) und Innenrohren (12) jeweils ein Leckagekanal (14) gebildet ist und die Leckagekanäle (14) und ein sich stirnseitig an die Leckagekanäle (14) jeweils anschließender Plattenzwischenraum (27, 28) zwischen den Rohrplatten (6, 7, 9, 10) der Rohrböden (5, 8) einen mediendicht von dem Rohrraum und dem Mantelraum (15) getrennten Sicherheitsraum definieren, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenrohre (11) und/oder die Innenrohre (12) des Rohrbündels als Drallrohre mit einem in einem Arbeitsgang außenseitig und innenseitig profilierten Rohrmantel ausgeführt sind.
Sicherheitswärmeübertrager (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenrohre (11) des Rohrbündels als Glattrohre mit einem beidseitig unprofilierten, glatten Rohrmantel ausgeführt sind.
Sicherheitswärmeübertrager (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrmantel des Drallrohrs jeweils wenigstens ein sich von einem ersten Rohrende zu einem zweiten Rohrende radial umlaufend windendes Drallelement aufweist.
Sicherheitswärmeübertrager (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Drallelement als eine spiralförmig radial umlaufende, rillenförmige Einformung (13) des Rohrmantels von außen ausgebildet ist.
Sicherheitswärmeübertrager (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrmantel des Drallrohrs jeweils eine Mehrzahl an zueinander axial versetzten und/oder einander kreuzenden Drallelementen aufweist.
Sicherheitswärmeübertrager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrmantel des Außenrohrs (11) und der Rohrmantel des Innenrohrs (12) eines Doppelrohrs des Rohrbündels jeweils mittels einer Presspassung aneinandergelegt sind, vorzugsweise durch Innenhochdruckfügen.
Sicherheitswärmeübertrager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenrohre (12) mit den äußeren Rohrplatten (7, 10) der Rohrböden (5, 8) und die Außenrohre (11) mit den inneren Rohrplatten (6, 9) der Rohrböden (5, 8) stoffschlüssig verbunden und vorzugsweise verschweißt und/oder verlötet sind.
Sicherheitswärmeübertrager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem Sicherheitsraum eine Leckageüberwachungseinrichtung zugeordnet ist derart, dass bei einem Eintritt des ersten Arbeitsmediums oder zweiten Arbeitsmediums in den Sicherheitsraum ein Alarmsignal und/oder Steuersignal ausgegeben ist.
Verwendung eines innenseitig und außenseitig profilierten Drallrohrs als ein Außenrohr (11) und/oder Innenrohr (12) eines Doppelrohrs in einem ein Rohrbündel mit einer Mehrzahl an Doppelrohren aufweisenden Sicherheitswärmeübertrager (1).
Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrmantel des Drallrohrs wenigstens ein sich von einem ersten Rohrende zu einem zweiten Rohrende radial umlaufend windendes Drallelement und vorzugsweise eine spiralförmig radial umlaufende, rillenförmige Einformung (13) aufweist.
Verwendung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das das Innenrohr (12) führende Außenrohr (11) des Rohrbündels als ein Glattrohr mit einem beidseitig glatten, unprofilierten Rohrmantel ausgeführt ist.