EP0942250A1 - Tieftemperatur-Wärmetauscher - Google Patents
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- EP0942250A1 EP0942250A1 EP98810197A EP98810197A EP0942250A1 EP 0942250 A1 EP0942250 A1 EP 0942250A1 EP 98810197 A EP98810197 A EP 98810197A EP 98810197 A EP98810197 A EP 98810197A EP 0942250 A1 EP0942250 A1 EP 0942250A1
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- European Patent Office
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- heat exchanger
- tubes
- outlet
- exchanger according
- inlet manifold
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-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
- F28D7/02—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being helically coiled
- F28D7/024—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being helically coiled the conduits of only one medium being helically coiled tubes, the coils having a cylindrical configuration
Definitions
- Known heat exchangers for use at deep Temperatures are used as plate heat exchangers designed with ribbed panels.
- the plates and ribs are made of a good heat conductor Material such as aluminum or copper.
- the individual rib plates or rib channel walls are soldered together or welded.
- For the manufacture of such heat exchangers have numerous soldered joints or be welded. The effort for this is relatively large, because the tightness of the connections even when they occur of higher pressures and pressure differences during operation must be guaranteed. So that the plates are under such pressures and pressure differences are not excessive deform, they must be relatively stiff and therefore voluminous be.
- the object of the invention is a To provide cryogenic heat exchangers, the can be produced with the least possible effort and of small dimensions and low pressure drops has the highest possible heat exchange performance. This is also why pressure losses are in the low temperature range harmful because the power loss is converted into heat becomes what is very expensive with additional to install Cooling capacity must be compensated.
- the low-temperature heat exchanger according to the invention, with which the task is solved is marked through a bundle of pipes that have at least one inlet manifold connect to at least one outlet header and that between the inlet manifold and the outlet manifold helically around a cylindrical core are wound and by a cylindrical outer jacket are surrounded.
- Thin tubes preferably with a diameter from 2 to 5 mm, have a large for a given volume Surface.
- the pressure drops in one through the pipes flowing medium are small.
- pipes are opposite Press relatively stiff, making the tubes thin-walled can be, for example, with a wall thickness of 0.1 to 0.25 mm. With such small wall thicknesses, the pipes can also be made stainless steel, especially chrome nickel steel. Because of the small wall thickness, there is sufficient heat transfer through the pipe wall despite the relatively poor Guaranteed thermal conductivity of chrome nickel steel. At Pressures of up to about 20 or 30 bar are sufficient for a chrome-nickel steel wall thickness of tubes of about 0.15 mm.
- the low-temperature heat exchanger according to FIG. 1 and 2 which is suitable for temperatures of a few Kelvin, for example 2-5 K, and pressures or pressure differences of Suitable for heat exchange media of up to about 20 bar a cylindrical shell 10 with an inlet 11 and an outlet 12.
- a Inlet manifold 13 arranged, and in the region of the inlet 11, an outlet header 14 is arranged.
- outlet manifold 14 a bundle of tubes 15 connected.
- the clarity only three pipes 15 are shown for the sake of this; in reality the number of pipes is much larger, for example there may be about twelve pipes 15.
- the tubes 15 have a substantially circular shape Cross section, preferably an outer diameter from 2 to 5 mm, preferably a wall thickness of 0.1 to 0.25 mm, in particular about 0.15 mm, and preferably consist made of stainless steel, especially chrome nickel steel.
- the tubes 15 are helical a cylindrical core 16 is wound. Between the layers the tubes 15 wound around the core 16 are spacer elements 17, e.g. in the form of bars, arranged, which are radial and axial between pipes or pipe layers Form distances so that what enters through inlet 11 and heat exchange medium emerging through the outlet 12 can pass between the tubes 15. In countercurrent the other heat exchange medium flows to this heat exchange medium from inlet manifold 13 through pipes 15 to Outlet collector 14.
- the pipes 15 are with a minimal Slope wound on the core 16, so that through the Pipes 15 flowing medium at an angle of approximately 90 ° to that flowing through inlet 11 and outlet 12 Medium is performed. This results in a cross-counterflow heat exchanger with excellent effectiveness.
- the outer jacket 10, the core 16 and also the Inlet manifold 13 and outlet manifold 14 may be off consist of the same material as the tubes 15, that is preferably also made of stainless steel.
- the low-temperature heat exchanger shown in FIGS. 1 and 2 has only one inlet manifold 13 and an outlet collector 14. In a variant, however also two or more inlet manifolds and accordingly two or more outlet collectors for different heat exchange media to be available. Any inlet manifold would be thereby with the assigned outlet collector by one each Bundle of tubes 15 wound around the core 16 connected.
- a core 116 has two open ends. For that is one End 109 of the outer shell 110 closed.
- the one Heat exchange medium flows through an inlet 111 at the other End in the outer jacket. After flowing through the or the bundle of tubes 15 (not shown in FIG. 3) the medium flows through the interior of the core 116 back to an outlet 112.
Landscapes
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Abstract
Der Tieftemperatur-Wärmetauscher enthält ein Bündel von Rohren (15), die wenigstens einen Einlass-Verteiler (13) mit wenigstens einem Auslass-Sammler (14) verbinden. Zwischen dem Einlass-Verteiler (13) und dem Auslass-Sammler (14) sind die Rohre (15) schraubenlinienförmig um einen zylindrischen Kern (16) gewickelt und von einem zylindrischen Aussenmantel (10) umgeben. Ein solcher Tieftemperatur-Wärmetauscher lässt sich mit geringem Aufwand herstellen, und er kann bei geringen Abmessungen und geringen Druckverlusten eine hohe Wärmeaustauschleistung aufweisen. <IMAGE>
Description
Bekannte Wärmetauscher zur Verwendung bei tiefen
Temperaturen, etwa bei Wenigen Kelvin, sind als Plattenwärmetauscher
mit gerippten Platten ausgebildet. Die
Platten und Rippen bestehen aus einem gut wärmeleitenden
Material, wie Aluminium oder Kupfer. Die einzelnen Rippenplatten
oder Rippen-Kanalwände sind miteinander verlötet
oder verschweisst. Für die Herstellung solcher Wärmetauscher
müssen zahlreiche Dichtverbindungen gelötet oder
geschweisst werden. Der Aufwand hierzu ist relativ gross,
weil die Dichtheit der Verbindungen auch beim Auftreten
von höheren Drücken und Druckunterschieden im Betrieb
gewährleistet sein muss. Damit sich die Platten unter
solchen Drücken und Druckunterschieden nicht übermässig
verformen, müssen sie relativ steif und daher voluminös
sein.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen
Tieftemperatur-Wärmetauscher zur Verfügung zu stellen, der
sich mit möglichst geringem Aufwand herstellen lässt und
der bei geringen Abmessungen und geringen Druckverlusten
eine möglichst hohe Wärmeaustauschleistung aufweist.
Druckverluste sind im Tieftemperaturbereich auch deshalb
schädlich, weil die Verlustleistung in Wärme umgesetzt
wird, was sehr teuer mit zusätzlich zu installierender
Kälteleistung kompensiert werden muss.
Der erfindungsgemässe Tieftemperatur-Wärmetauscher,
mit dem die Aufgabe gelöst wird, ist gekennzeichnet
durch ein Bündel von Rohren, die wenigstens einen Einlass-Verteiler
mit wenigstens einem Auslass-Sammler verbinden
und die zwischen dem Einlass-Verteiler und dem Auslass-Sammler
schraubenlinienförmig um einen zylindrischen Kern
gewickelt sind und von einem zylindrischen Aussenmantel
umgeben sind.
In diesem Tieftemperatur-Wärmetauscher können die
in bekannten Tieftemperatur-Wärmetauschern verwendeten,
voluminösen und querschnittversperrenden Austauschflächenelemente
durch dünne und dünnwandige Rohre als drucktragende
Austauschflächenelemente ersetzt sein, wodurch bei
gleicher Leistung und gleichen Druckverlusten die Gesamtabmessungen
des Wärmetauschers wesentlich kleiner sein
können.
Dünne Rohre, vorzugsweise mit einem Durchmesser
von 2 bis 5 mm, haben bei gegebenem Volumen eine grosse
Oberfläche. Die Druckverluste in einem durch die Rohre
strömenden Medium sind klein. Ausserdem sind Rohre gegenüber
Drücken relativ steif, so dass die Rohre dünnwandig
sein können, etwa mit einer Wandstärke von 0,1 bis 0,25
mm. Mit so kleinen Wandstärken können die Rohre auch aus
rostfreiem Stahl, insbesondere Chromnickelstahl, bestehen.
Wegen der geringen Wandstärke ist ein ausreichender Wärmeübergang
durch die Rohrwand trotz der relativ schlechten
Wärmeleitfähigkeit von Chromnickelstahl gewährleistet. Bei
Drücken von bis zu etwa 20 oder 30 bar reicht eine Chromnickelstahl-Wandstärke
der Rohre von etwa 0,15 mm.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend
anhand der Zeichnungen erläutert. In diesen zeigen:
Der Tieftemperatur-Wärmetauscher gemäss Fig. 1
und 2, der sich für Temperaturen von wenigen Kelvin, beispielsweise
2-5 K, und Drücke bzw. Druckunterschiede der
Wärmetauschmedien von bis zu etwa 20 bar eignet, besitzt
einen zylindrischen Mantel 10 mit einem Einlass 11 und
einem Auslass 12. Im Bereich des Auslasses 12 ist ein
Einlass-Verteiler 13 angeordnet, und im Bereich des Einlasses
11 ist ein Auslass-Sammler 14 abgeordnet. Der
Einlass-Verteiler 13 ist mit dem Auslass-Sammler 14 durch
ein Bündel von Rohren 15 verbunden. Der Uebersichtlichkeit
halber sind nur drei Rohre 15 dargestellt; in Wirklichkeit
ist die Zahl der Rohre wesentlich grösser, beispielsweise
können etwa zwölf Rohre 15 vorhanden sein.
Die Rohre 15 haben einen im wesentlichen kreisrunden
Querschnitt, vorzugsweise einen Aussendurchmesser
von 2 bis 5 mm, vorzugsweise eine Wandstärke von 0,1 bis
0,25 mm, insbesondere etwa 0,15 mm, und bestehen vorzugsweise
aus rostfreiem Stahl, insbesondere aus Chromnickelstahl.
Zwischen dem Einlass-Verteiler 13 und dem Auslass-Sammler
14 sind die Rohre 15 schraubenlinienförmig um
einen zylindrischen Kern 16 gewickelt. Zwischen den Lagen
der um den Kern 16 gewickelten Rohre 15 sind Abstandhalterelemente
17, z.B. in Form von Stäben, angeordnet,
welche zwischen Rohren bzw. Rohrlagen radiale und axiale
Abstände bilden, damit das durch den Einlass 11 eintretende
und durch den Auslass 12 austretende Wärmetauschmedium
zwischen den Rohren 15 hindurchtreten kann. Im Gegenstrom
zu diesem Wärmetauschmedium strömt das andere Wärmetauschmedium
vom Einlass-Verteiler 13 durch die Rohre 15 zum
Auslass-Sammler 14. Die Rohre 15 sind mit einer minimalen
Steigung auf den Kern 16 gewickelt, sodass das durch die
Rohre 15 strömende Medium in einem Winkel von annähernd
90° zu dem durch Einlass 11 und Auslass 12 strömendem
Medium geführt wird. Damit ergibt sich ein Quer-Gegenstrom-Wärmetauscher
mit hervorragender Wirkungskraft.
Der Aussenmantel 10, der Kern 16 und auch der
Einlass-Verteiler 13 und der Auslass-Sammler 14 können aus
dem gleichen Material bestehen wie die Rohre 15, also
vorzugsweise ebenfalls aus rostfreiem Stahl.
Einige der Vorteile des beschriebenen Tieftemperatur-Wärmetauschers
sind die folgenden:
- Die zylindrische Form aller drucktragenden Bauteile des Wärmetauschers ergibt eine maximale Druckverträglichkeit bei minimalen Wandstärken.
- Die zu schweissenden oder zu lötenden Dichtverbindungen beschränken sich im Vergleich zu leistungsgleichen Plattenwärmetauschern auf 1/10 bis 1/100 der bei letzteren benötigten Gesamtlänge und sind dazu von einfacherer Gestalt und Ausführung. Dadurch ergibt sich auch eine maximale Zuverlässigkeit im Betrieb.
- Die parasitäre Wärmeleitung in der Wärmetauschfläche und den Strukturteilen ist aus konstruktiven und materialtechnischen Gründen minimal. Sie beträgt typischerweise nur einige Prozent von jener von leistungsgleichen Plattenwärmetauschern.
- Beliebige Randbedingungen können mit auf dem Markt erhältlichen Bauelementen erfüllt werden.
- Die Berechnung des Wärmetauschers kann für beliebige Randbedingungen unter Verwendung einfacher und bewährter Rechenmethoden erfolgen. Die gilt sowohl für die prozesstechnische als auch für die festigkeitsmässige Berechnung.
- Durch die zylindrische Form ergeben sich eine minimale Einstrahlungsfläche und ein einfacher Einbau.
- Die Lagen der Zu- und Ableitungen zum Einlass-Verteiler 13 bzw. vom Auslass-Sammler 14 auf dem Umfang sind frei wählbar.
Der in Fig. 1 und 2 dargestellte Tieftemperatur-Wärmetauscher
besitzt nur einen Einlass-Verteiler 13 und
einen Auslass-Sammler 14. In einer Variante könnten aber
auch zwei oder mehr Einlass-Verteiler und entsprechend
zwei oder mehr Auslass-Sammler für verschiedene Wärmetauschmedien
vorhanden sein. Jeder Einlass-Verteiler wäre
dabei mit dem zugeordneten Auslass-Sammler durch je ein
Bündel von um den Kern 16 gewickelten Rohren 15 verbunden.
In der in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform
sind beide Enden des Kerns 16 geschlossen. In einer
weiteren Variante, die in Fig. 3 schematisch dargestellt
ist, hat ein Kern 116 zwei offene Enden. Dafür ist ein
Ende 109 des Aussenmantels 110 geschlossen. Das eine
Wärmetauschmedium strömt durch einen Einlass 111 am anderen
Ende in den Aussenmantel. Nach dem Durchströmen des
bzw. der Bündel von Rohren 15 (in Fig. 3 nicht dargestellt)
strömt das Medium durch das Innere des Kerns 116
zu einem Auslass 112 zurück.
Claims (6)
- Tieftemperatur-Wärmetauscher, gekennzeichnet durch ein Bündel von Rohren (15), die wenigstens einen Einlass-Verteiler (13) mit wenigstens einem Auslass-Sammler (14) verbinden und die zwischen dem Einlass-Verteiler und dem Auslass-Sammler schraubenlinienförmig angeordnet und von einem zylindrischen Aussenmantel (10; 110) umgeben sind.
- Tieftemperatur-Wärmetauscher nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Abstandhalterelemente (17) zum Bilden von radialen und axialen Abständen zwischen Rohren (15) im Bündel für den Durchtritt eines Wärmetauschmediums.
- Tieftemperatur-Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (15) einen Durchmesser von 1 bis 5 mm und vorzugsweise von 1 bis 3 mm haben.
- Tieftemperatur-Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (15) eine Wandstärke von 0,1 bis 0,25 mm und vorzugsweise von etwa 0,15 mm aufweisen.
- Tieftemperatur-Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (15) aus rostfreiem Stahl bestehen, vorzugsweise aus Chromnickelstahl.
- Tieftemperatur-Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass er einen ersten Einlass-Verteiler (13) und einen ersten Auslass-Sammler (14) für ein erstes Medium und wenigstens einen zweiten Einlass-Verteiler und einen zweiten Auslass-Sammler für ein zweites Medium enthält.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EP98810197A EP0942250A1 (de) | 1998-03-09 | 1998-03-09 | Tieftemperatur-Wärmetauscher |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EP98810197A EP0942250A1 (de) | 1998-03-09 | 1998-03-09 | Tieftemperatur-Wärmetauscher |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
EP0942250A1 true EP0942250A1 (de) | 1999-09-15 |
Family
ID=8235978
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
EP98810197A Withdrawn EP0942250A1 (de) | 1998-03-09 | 1998-03-09 | Tieftemperatur-Wärmetauscher |
Country Status (1)
Country | Link |
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EP (1) | EP0942250A1 (de) |
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1998
- 1998-03-09 EP EP98810197A patent/EP0942250A1/de not_active Withdrawn
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