EP0942250A1 - Cryogenic heat exchanger - 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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EP
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heat exchanger
tubes
outlet
exchanger according
inlet manifold
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EP98810197A
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German (de)
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Hans Bieri
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Romabau AG
Original Assignee
Romabau AG
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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.

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Abstract

The heat exchanger has a cylindrical outer mantle (10) and a core comprising a helically coiled bundle of pipes (15) extending between at least one inlet distributor (13) and at least one outlet collector (14). Spaced rods (17) create radial and axial spaces between pipe bundles (15), for the crossover of the heat exchange medium.

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.Known heat exchangers for use at deep Temperatures, such as a few Kelvin, are used as plate heat exchangers designed with ribbed panels. The 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.

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.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.

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.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.

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.In this low-temperature heat exchanger, the used in known low-temperature heat exchangers, voluminous and cross-section blocking exchange surface elements through thin and thin-walled pipes as pressure-bearing Exchange surface elements to be replaced, whereby at same performance and same pressure losses the overall dimensions of the heat exchanger can be significantly smaller can.

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.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. In addition, 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.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen erläutert. In diesen zeigen:

  • Fig. 1 einen schematischen Axialschnitt durch einen Tieftemperatur-Wärmetauscher,
  • Fig. 2 eine schematische Ansicht nach der Linie 2-2 in Fig. 1 und
  • Fig. 3 in einer ähnlichen Ansicht wie Fig. 1 ein Wärmetauschergehäuse in abgewandelter Ausführungsform.
    • Embodiments of the invention are explained below with reference to the drawings. In these show:
  • 1 is a schematic axial section through a low-temperature heat exchanger,
  • Fig. 2 is a schematic view along the line 2-2 in Fig. 1 and
  • Fig. 3 in a view similar to Fig. 1, a heat exchanger housing in a modified embodiment.

    • 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. 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. In the area of the outlet 12 is a Inlet manifold 13 arranged, and in the region of the inlet 11, an outlet header 14 is arranged. Of the Inlet manifold 13 is through with 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.

    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.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.

    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.Between the inlet manifold 13 and the outlet header 14, 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.

    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.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.

    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.
    Some of the advantages of the low temperature heat exchanger described are the following:
    • The cylindrical shape of all pressure-bearing components of the heat exchanger results in maximum pressure compatibility with minimal wall thicknesses.
    • The sealing connections to be welded or soldered are limited to 1/10 to 1/100 of the total length required for the latter in comparison to plate heat exchangers of the same performance and are also of simpler shape and design. This also results in maximum reliability in operation.
    • The parasitic heat conduction in the heat exchange surface and the structural parts is minimal for design and material reasons. It is typically only a few percent of that of plate heat exchangers with the same output.
    • Any boundary conditions can be met with components available on the market.
    • The heat exchanger can be calculated for any boundary conditions using simple and proven calculation methods. This applies to both the process engineering and the strength calculation.
    • The cylindrical shape results in a minimal irradiation area and easy installation.
    • The positions of the inlets and outlets to the inlet distributor 13 or from the outlet header 14 on the circumference can be freely selected.

    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.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.

    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.In the embodiment shown in Figs. 1 and 2 both ends of the core 16 are closed. In a Another variant, which is shown schematically in Fig. 3 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.

    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.Low temperature heat exchanger, marked through a bundle of tubes (15) which have at least one Inlet manifold (13) with at least one outlet header (14) connect and that between the inlet manifold and the outlet manifold arranged helically and surrounded by a cylindrical outer jacket (10; 110) are. 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.Low-temperature heat exchanger according to claim 1, characterized by spacer elements (17) for forming of radial and axial distances between pipes (15) in Bundle for the passage of a heat exchange medium. 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.Low-temperature heat exchanger according to claim 1 or 2, characterized in that the tubes (15) one Diameter from 1 to 5 mm and preferably from 1 to 3 mm to have. 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.Cryogenic heat exchanger according to one of the Claims 1 to 3, characterized in that the tubes (15) a wall thickness of 0.1 to 0.25 mm and preferably of about 0.15 mm. Tieftemperatur-Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (15) aus rostfreiem Stahl bestehen, vorzugsweise aus Chromnickelstahl.Cryogenic heat exchanger according to one of the Claims 1 to 4, characterized in that the tubes (15) are made of stainless steel, preferably Chrome nickel steel. 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.Cryogenic heat exchanger according to one of the Claims 1 to 5, characterized in that it has a first inlet manifold (13) and a first outlet manifold (14) for a first medium and at least one second inlet manifold and a second outlet manifold for a second medium.
    EP98810197A 1998-03-09 1998-03-09 Cryogenic heat exchanger Withdrawn EP0942250A1 (en)

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