DE4308509A1 - Wärmetauscher für zweiphasige Fluide - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit einem Strömungsweg für jedes der am Wärmetausch beteiligten Fluide, der eine oder mehrere durch mit Abstand voneinander angeordnete Platten gebildete Passagen aufweist, mit einer Zu- und einer Abführung für ein erstes Fluid, die mit einem der Strömungswege verbunden sind und mit einer in einem zweiten Strömungsweg angeordneten Mischeinrichtung für ein zweites Fluid, welches in einer gasförmigen und einer flüssigen Phase vorliegt, wobei diese Mischeinrichtung getrennte Zuführungen für jede der beiden Phasen aufweist.

Ein derartiger Wärmetauscher besitzt mindestens zwei Passagen, die durch eine Platte voneinander getrennt sind. Meist enthält jeder der Strömungswege eine Vielzahl von Passagen, wobei benachbarte Passagen abwechselnd von zwei verschiedenen Fluiden durchströmt werden. Die Passagen der Strömungswege sind jeweils an getrennte Zu- und Abführungen angeschlossen, über die die wärmetauschenden Fluide zu- und abgeführt werden.

Bei einer Vielzahl von Prozessen, wie zum Beispiel bei der Zerlegung von Erdgas, ist ein Wärmetausch zwischen einem zweiphasigen Gemisch aus einer flüssigen und einer gasförmigen Phase und einem anderen Fluid herzustellen. Hierbei ergibt sich die Schwierigkeit, die beiden Phasen möglichst gleichmäßig auf die Gesamtzahl der Passagen und über die Breite jeder Passage des Wärmetauschers zu verteilen. Wird das Phasengemisch direkt von den Zuführungen auf die Passagen verteilt, stellt sich ein Ungleichgewicht zwischen flüssiger und gasförmiger Phase in den Passagen ein. Einige der Passagen oder einzelne Bereiche der Passagen enthalten einen überproportionalen Gas- oder Flüssigkeitsanteil, wodurch sich die Wärmetauschleistung stark vermindert.

Zur möglichst gleichmäßigen Verteilung der beiden Phasen auf ihrem Strömungsweg ist in der US-3,559,722 vorgeschlagen worden, die beiden Phasen getrennt in einen Strömungsweg des Wärmetauschers einzuspeisen und erst innerhalb des Wärme­ tauschers miteinander zu vermischen. Jede Phase wird dabei zunächst über die gesamte Breite des Strömungsquerschnittes gleichmäßig verteilt, wobei die Phasen noch durch eine Trennwand voneinander getrennt sind. Anschließend werden die beiden Phasen vermischt und in Wärmetausch mit einem anderen Fluid gebracht. Als Mischeinrichtung ist ein Spalt in der Trennwand vorgesehen.

Mir Hilfe dieser bekannten Anordnung läßt sich zwar eine relativ gute Vermischung und Gleichverteilung der beiden Phasen erzielen, jedoch stellt die Mischeinrichtung innerhalb des Wärmetauschers mit den in den Trennwänden enthaltenen Spalten eine Schwächung der Struktur dar. Insbesondere wenn die wärmetauschenden Fluide unter Druck zugeführt werden, ist der beschriebene Wärmetauscher nur dann zu gebrauchen, wenn seine Struktur in geeigneter Weise verstärkt wird.

Ein Wärmetauscher höherer Druckbelastbarkeit ist in der DE-34 15 807-A1 vorgeschlagen. Der Strömungsweg, in welchem das zweiphasige Gemisch geführt ist, enthält eine Misch­ einrichtung, die getrennte Zuführungen für die gasförmige und die flüssige Phase aufweist, die zu einem gemeinsamen Mischraum führen. Als Mischeinrichtung ist in jeder Passage dieses Strömungsweges eine sich über den Querschnitt der Passage erstreckende Leiste angeordnet, die in Strömungs­ richtung verlaufende Durchlässe für eine der beiden Phasen enthält. Die andere Phase wird über einen Kanal, der sich durch das Leisteninnere erstreckt, zugeführt, wobei dieser Kanal zum Mischraum gerichtete Öffnungen aufweist. Die aus diesen Öffnungen austretende Phase vermischt sich dann mit der anderen Phase, die durch die in Strömungsrichtung verlaufenden Leistendurchlässe strömt.

Dieser Wärmetauscher weist demnach eine komplex gestaltete Leistengeometrie auf. Die Herstellung der Leisten erfordert großen Aufwand, der sich wiederum kostenintensiv auswirkt.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist deshalb, einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art zu entwickeln, der bei hoher Druckbelastbarkeit eine gleichmäßige Vermischung und Verteilung zweiphasiger Fluide gewährleistet und gleichzeitig mit einfachem apparativem Aufwand eine Massenherstellung der betreffenden Wärmetauscher erlaubt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Mischeinrichtung in jeder Passage des zweiten Strömungsweges von der Zuführung für eine der beiden Phasen ausgehende und zum Mischraum führende Röhrchen in dem Bereich angeordnet sind, durch den die andere der beiden Phasen zum Mischraum strömt.

Erfindungsgemäß kann der Wärmetauscher im wesentlichen wie bisher mit großer Druckstabilität gebaut sein; er weist als Mischeinrichtung lediglich in dem Bereich, durch den die eine Phase strömt, liegende Röhrchen auf, die von der Zuführung für die andere Phase ausgehen und zu einem Mischraum führen, in dem sich die eine Phase mit der anderen, aus den Röhrchen austretenden Phase mischt.

Die erfindungsgemäße Mischeinrichtung ruft keine Strukturschwäche des Wärmetauschers hervor und ist mit relativ geringem apparativem Aufwand herstellbar. Röhrchen bestimmter Abmessungen sind einfach zu produzieren und in die Passage des Wärmetauschers zu integrieren.

Beispielsweise wird eine der beiden Phasen von ihrer Zuführung aus gleichmäßig über den Querschnitt der Passage mittels Lamellenbleche (Fins) verteilt. Die andere Phase gelangt erfindungsgemäß über eine getrennte Zuführung in die Röhrchen, die sich über den Bereich, in dem die erste Phase strömt, erstrecken, und die die zweite Phase zum Mischraum führen, wo sich beide Phasen gleichmäßig über den Querschnitt der Passage verteilt miteinander mischen. Die Röhrchen weisen einen Durchmesser auf, der geringer ist als die Höhe der Passage, so daß die eine Phase in der Passage an den Röhrchen vorbeiströmen kann.

Die Röhrchen sorgen erfindungsgemäß für eine Gleichverteilung der betreffenden Phase über den Querschnitt der Passage, wobei sie diese Phase von ihrer Zuführungsstelle zur Mischeinrichtung zum Mischraum hin leiten. Die Enden der Röhrchen können beispielsweise äquidistant entlang dem Querschnitt der Passage angeordnet sein.

Eine günstige Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmetauschers besteht darin, daß als Mischeinrichtung in jeder Passage des zweiten Strömungsweges eine sich über den Querschnitt der Passage erstreckende Leiste angeordnet ist, wobei diese Leiste Aussparungen aufweist, die zur Aufnahme von zum Mischraum führenden Röhrchen ausgebildet sind, durch die eine der beiden Phasen strömt.

Die eine Phase wird dabei beispielsweise zunächst mittels Lamellenblechen gleichmäßig auf den Querschnitt der Passage verteilt, um dann in die Röhrchen zu fließen, die in der sich über den Querschnitt der Passage erstreckenden Leiste integriert sind. Die an der Leiste befestigten Röhrchen können äquidistant angeordnet sein. Die zweite Phase wird beispielsweise senkrecht zu den Röhrchen in die Mischeinrichtung eingespeist, wo sie mittels Lamellenbleche gleichverteilt und zum Mischraum geführt wird. Die zweite Phase strömt dabei an den Röhrchen in der Mischeinrichtung vorbei und mischt sich am Ende der Röhrchen mit der aus diesen herausfließenden anderen Phase.

Eine weitere günstige Variante der Erfindung sieht vor, daß die Röhrchen, durch die eine der beiden Phasen strömt, von einer Seite der Passage ausgehend, quer zur Strömungsrichtung der anderen Phase zu dem Mischraum geführt sind.

Dabei werden dann die Röhrchen von der Zuführungsstelle für die eine Phase an der Seite der Passage ausgehend derartig in der Mischeinrichtung angeordnet, daß sie quer zur Strömungsrichtung der anderen in der Passage strömenden Phase verlaufen und im Mischraum enden, wo sie eine Gleichverteilung und Durchmischung beider Phasen hervorrufen. Hierbei wird es notwendig sein, verschieden lange Röhrchen zu verwenden, die zu verschiedenen Punkten des Mischraums führen.

Die beiden vorteilhaften Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Wärmetauschers sollen im folgenden anhand der Zeichnungen näher betrachtet werden.

Fig. 1 stellt schematisch die Aufsicht auf eine Passage 1 mit Mischeinrichtung 2 für ein zweiphasiges Fluid in einem erfindungsgemäßen Wärmetauscher dar. Erfindungsgemäß weist diese Mischeinrichtung 2 eine Leiste 3 mit Aussparungen 5 auf, in die die Röhrchen 6 gesteckt sind, durch die eine der beiden Phasen zum Mischraum 7 strömt. Die andere Phase wird über die Zuleitung 9 in die Passage geleitet und fließt von Lamellenblechen 11 geführt durch den Bereich 4, in dem die Röhrchen 6 angeordnet sind, ebenfalls zum Mischraum 7.

Die Röhrchen 6 sowie die Lamellenbleche 10 und 11 sind nur unvollständig dargestellt, um die schematische Darstellung in ihrer Übersichtlichkeit nicht zu stören.

Beispielsweise wird die flüssige Phase des Fluids über die Zuleitung 8 in die Passage 1 geleitet. Die flüssige Phase strömt dann an den Lamellenblechen 10 in Richtung der Leiste 3, wobei sie sich gleichmäßig über den Querschnitt der Passage 1 verteilt. Diese Leiste weist in Strömungsrichtung Aussparungen 5 auf, in die die Röhrchen 6 gesteckt sind, in die die flüssige Phase fließt (vergleiche Pfeilrichtung). Letztere tritt im Mischraum 7 wieder aus den Röhrchen 6 aus.

Die gasförmige Phase strömt durch die Zuleitung 9 von Lamellenblechen 11 geführt in den Bereich 4, in dem die Röhrchen 6 liegen, an den Röhrchen 6 vorbei zum Mischraum 7. In diesem Bereich 4 wird die gasförmige Phase gleichverteilt, so daß schließlich im Mischraum 7 gasförmige und flüssige Phase optimal gleichmäßig vermischt vorliegen und den gesamten weiteren Strömungsweg (nicht dargestellt) dieser Passage 1 durchlaufen können. Auf diesem Strömungsweg beginnt der eigentliche Wärmetausch mit einem anderen Fluid in den benachbarten Passagen.

Fig. 2 stellt wiederum schematisch die Aufsicht auf eine Passage 1 einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers dar. Gleiche Bezugsziffern kennzeichnen gleiche Elemente wie in Fig. 1. Wiederum sind Lamellenbleche 10 und Röhrchen 6 nur andeutungsweise dargestellt, um die Übersichtlichkeit zu erhalten.

Bei dieser Ausgestaltungsform durchläuft die durch Zuleitung 8 zugegebene Phase nach Verteilung über den Querschnitt der Passage 1 mittels Lamellenbleche 10 den Bereich 4 in Strömungsrichtung (durch Pfeile dargestellt). Da die Röhrchen 6 im Querschnitt kleiner sind als die Höhe der Passage 1, kann diese Phase an den Röhrchen vorbeiströmen. Die andere Phase wird durch Zuleitung 9 in die Passage 1 eingeführt und durchströmt den Bereich 4 der Mischeinrichtung 2 innerhalb der Röhrchen 6. Am Austrittsende der Röhrchen 6 treffen sich beide Phasen im Mischraum 7, von wo aus sie gleichverteilt und gut durchmischt den restlichen Strömungsweg in der Passage 1 durchfließen.

Die gute Durchmischung wird durch die aus den Röhrchen 6 austretende Phase erzielt, insbesondere wenn der Austrittsstrahl dieser Phase aufplatzt, d. h. sich über einen großen Raumwinkel erstreckt. Der erfindungsgemäße Wärmetauscher besitzt aufgrund des durch die Mischeinrichtung 2 erzeugten homogenen Zweiphasen-Gemisches einen sehr guten Wirkungsgrad.

Claims (3)

1. Wärmetauscher mit einem Strömungsweg für jedes der am Wärmetausch beteiligten Fluide, der eine oder mehrere durch mit Abstand voneinander angeordnete Platten gebildete Passagen aufweist, mit einer Zu- und einer Abführung für ein erstes Fluid, die mit einem der Strömungswege verbunden sind und mit einer in einem zweiten Strömungsweg angeordneten Mischeinrichtung für ein zweites Fluid, welches in einer gasförmigen und einer flüssigen Phase vorliegt, wobei diese Mischeinrichtung getrennte Zuführungen für jede der beiden Phasen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß als Mischeinrichtung (2) in jeder Passage (1) des zweiten Strömungsweges von der Zuführung für eine der beiden Phasen ausgehende und zum Mischraum (7) führende Röhrchen (6) in dem Bereich (4) angeordnet sind, durch den die andere der beiden Phasen zum Mischraum (7) strömt.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Mischeinrichtung (2) in jeder Passage (1) des zweiten Strömungsweges eine sich über den Querschnitt der Passage (1) erstreckende Leiste (3) angeordnet ist, wobei diese Leiste (3) Aussparungen (5) aufweist, die zur Aufnahme von zum Mischraum (7) führenden Röhrchen (6) ausgebildet sind, durch die eine der beiden Phasen strömt.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhrchen (6), durch die eine der beiden Phasen strömt, von einer Seite der Passage (1) ausgehend quer zur Strömungsrichtung der anderen Phase zu dem Mischraum (7) geführt sind.