EP2063208B1 - Wärmetauscher - Google Patents

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EP2063208B1
EP2063208B1 EP20080020005 EP08020005A EP2063208B1 EP 2063208 B1 EP2063208 B1 EP 2063208B1 EP 20080020005 EP20080020005 EP 20080020005 EP 08020005 A EP08020005 A EP 08020005A EP 2063208 B1 EP2063208 B1 EP 2063208B1
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cylinder
heat exchanger
hollow
hollow cylinder
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Raymond J. Been
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Consarctic Entwicklungs- und Handels GmbH
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Consarctic Entwicklungs- und Handels GmbH
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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
    • F28D7/10—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 arranged one within the other, e.g. concentrically
    • F28D7/12—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 arranged one within the other, e.g. concentrically the surrounding tube being closed at one end, e.g. return type
    • 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
    • F28D7/10—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 arranged one within the other, e.g. concentrically
    • F28D7/103—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 arranged one within the other, e.g. concentrically consisting of more than two coaxial conduits or modules of more than two coaxial conduits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/06—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media
    • 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
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/0033—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for cryogenic applications

Definitions

  • the invention relates to a generic, cryogenic heat exchanger.
  • a generic heat exchanger is known ( GB 474,826 ).
  • the labyrinth is formed by at least two, concentric with the cylinder barrel hollow cylinders.
  • Each hollow cylinder is fixed with its one end in the interior of the cylinder facing grooves whose an end wall and ends with its end end at a distance in front of the other Stirnwan to form a single, zickfachförmig extending inner chamber.
  • the invention is therefore the object of a vozu flow a generic heat exchanger with better efficiency.
  • the heat exchanger with the Lagyrinth in a relatively simple manner with relatively little machine effort in various sizes and dimensions, in part: even with standard or standard components simple and inexpensive to manufacture.
  • the disadvantages of known heat exchangers in the prior art are avoided by the invention, which allows precisely controlled temperatures without counterheating in the aforementioned cryogenic range.
  • temperatures in the range between -190 ° C. and + 20 ° C. with relatively fast cooling and heating rates can be kept very stable in a surprisingly simple manner by means of liquid nitrogen; For example, it can be connected to other devices where samples are to be kept very accurately at a specific temperature.
  • the labyrinth of at least two hollow cylinders concentric with the cylinder jacket is expediently formed to form inner chambers whose two front ends are inserted into mutually concentric grooves of the two mutually parallel end faces facing the interior of the cylinder, each hollow cylinder being provided with at least one radial passage is.
  • each hollow cylinder with two or three more radial passages is provided, the centers are arranged on a plane parallel to the axis of the cylinder straight, and the at least one radial passage of the one hollow cylinder diametrically to the at least one radial passage adjacent thereto arranged another hollow cylinder and at least one at least as a hole formed radial passage of the one hollow cylinder in the direction of the axis of the cylinder near one end face and the at least one radial passage of the adjacent thereto adjacent another hollow cylinder is arranged in the direction of the axis of the cylinder near the other end face.
  • the control of the heat exchanger according to the invention is particularly simple and takes place without counter-heating by a provided in the flow direction before the entrance, on the amount of liquid nitrogen, the temperature of the heat exchange controlling valve.
  • the designated overall with 5 cryogenic heat exchanger has an optionally via connecting hoses with a liquid nitrogen tank with removal device connected to inlet 6 for liquid nitrogen (N 2 ) and an outlet 7 for the then gaseous nitrogen, wherein the heat exchanger 5 as hollow Cylinder is formed with a cylinder jacket 8 with two mutually parallel end faces 9 and with a labyrinth in its interior.
  • the input 6 is formed as a radially extending nozzle on the cylinder jacket 8 and the output 7 as concentric to the cylinder jacket, open at its two end faces hollow cylinder 10 which is provided with a plurality of radial passages 18.
  • the labyrinth is in the reproduced embodiment of three to the cylinder jacket 8 concentric with -je at least one, in the reproduced embodiment, three radial passages 17 provided hollow cylinders 11,12,13 is formed to form inner chambers 14, the two ends 15 in concentric with each other , the interior of the cylinder facing grooves 16 of the two mutually parallel end faces 9 are used.
  • the centers of the respective three radial passages 17 are arranged on a straight line running parallel to the axis of the cylinder.
  • the at least one radial passage 17 of the one hollow cylinder 12 is diametrically opposed to the at least one radial passage 17 of the other hollow cylinder 11, 13 arranged adjacent thereto and the at least one radial passage 17 of the outermost hollow cylinder 13 with the largest radius with respect to the inlet 6 for liquid nitrogen diametrically opposite.
  • the cylinder, the two mutually parallel end faces 9, and the at least two, concentric to the cylinder shell hollow cylinder 10,11,12,13 consist of a good heat conductor, e.g. Copper and are connected with good heat conduction.
  • the temperature of the heat exchange 5 controlling valve 20 is provided.
  • the liquid nitrogen injected through the inlet 6 is passed through the labyrinth formed by the hollow cylinders 10 to 13 and the arrangement of their passages 17, as in FIG FIG. 4 shown to take the longest possible flow path through the interiors 14 between the hollow cylinders to the output 7, from where the possibly still liquid nitrogen or the resulting by the evaporation of gaseous nitrogen via an adapter not shown is axially derived.

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)
  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft einen gattungsgemässen, kryogenen Wärmetauscher.
  • Es gibt verschiedene Sorten von Wärmetauschern die stabile Temperaturen ermöglichen. Dabei wird in der Regel ein gut wärmeleitfähiges Material, z.B.Metall in den flüssigen Stickstoff getaucht und mit einem Heizelement an einer bestimmten Stelle durch Gegenheizen auf die gewünschte Temperatur gebracht sowie auf dieser Temperatur gehalten. Hierbei ergeben sich grössere Verluste an Stickstoff durch das Gegenheizen, was zu einem schlechten Wirkungsgrad führt und daher unerwünscht ist.
  • Ein gattungsgemässer Wärmetauscher ist bekannt ( GB 474,826 ). Das Labyrinth ist dabei von zumindest zwei, zu dem Zylindermantel konzentrischen Hohlzylindern ausgebildet. Jeder Hohlzylinder ist mit seinem einen Ende in dem Inneren des Zylinders zugewandten Nuten dessen einer Stirnwand festgelegt und endet mit seinem enderen Ende mit Abstand vor der anderen Stirnwan unter Bildung einer einzigen, zickfachförmig verlaufenden Innenkammer.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde einen gattungsgemässen Wärmetauscher mit besserem Wirkungsgrad vozuschlagen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch den Gegenstand des Hauptanspruchs gelöst.
  • Erfindungsgemäss ist der Wärmetauscher mit dem Lagyrinth auf relativ einfache Weise mit relativ geringem Maschinenaufwand in diversen Größen und Abmessungen, z.T: auch mit Standard- bzw. Normbauteilen einfach und kostengünstig herzustellen. Die Nachteile bekannter Wärmetauscher beim Stand der Technik werden durch die Erfindung vermieden, die genau geregelte Temperaturen ohne Gegenheizung im vorgenannten kryogenen Bereich ermöglicht. Mit dem erfindungsgemässen kryogenen Wärmetauscher können also mittels des flüssigen Stickstoffs Temperaturen im Bereich zwischen -190°C und +20°C mit relativ schnellen Abkühl- und Aufwärmraten in überraschend einfacher Weise sehr stabil gehalten werden; ausserdem kann er zum Beispiel an andere Geräte, in denen Proben auf einer bestimmten Temperatur sehr genau gehalten werden sollen, angeschlossen werden. Hierbei ist zweckmässigerweise das Labyrinth von zumindest zwei, zu dem Zylindermantel konzentrischen Hohlzylindern unter Bildung von Innenkammern ausgebildet, deren beide Stirnenden in zueinander konzentrischen, dem Inneren des Zylinders zugewandten Nuten der zwei zueinander parallelen Stirnseiten eingesetzt sind, wobei jeder Hohlzylinder mit zumindest einem radialen Durchlass versehen ist. Es werden dabei besonders lange Wege im Labyrinth von dem flüssigen bzw. kalten gasförmigen Stickstoff zurückgelegt, wenn jeder Hohlzylinder mit zwei oder mehr radialen Durchlässen versehen ist, deren Mittelpunkte auf einer parallel zu der Achse des Zylinders verlaufenden Gerade angeordnet sind, und der zumindest eine radiale Durchlass des einen Hohlzylinders diametral zu dem zumindest einen radialen Durchlass des dazu benachbart angeordneten anderen Hohlzylinders und zugleich der zumindest eine als Loch ausgebildete radiale Durchlass des einen Hohlzylinders in Richtung der Achse des Zylinders nahe dessen einer Stirnseite und der zumindest eine radiale Durchlass des dazu benachbart angeordneten anderen Hohlzylinders in Richtung der Achse des Zylinders nahe dessen anderer Stirnseite angeordnet ist.
  • Die Steuerung des erfindungsgemässen Wärmetauschers gestaltet sich dabei besonders einfach und erfolgt ohne Gegenheizen durch ein in Strömungsrichtung vor dem Eingang vorgesehenes, über die Menge des flüssigen Stickstoffs die Temperatur des Wärmetausches steuerndes Ventil.
  • Weitere zweckmässige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigt:
    • Figur 1
    den Wärmetauscher gemäss der Erfindung, als Sprengbild;
    Figur 2
    den Wärmetauscher nach Figur 1, in Stirnansicht;
    Figur 3
    einen Schnitt III-III gemäss Figur 2 und
    Figur 4
    einen Schnitt IV-IV gemäss Figur 3 und
  • Der insgesamt mit 5 bezeichnete kryogene Wärmetauscher weist einen ggf. über Verbindungsschläuche mit einem Flüssig-Stickstoff-Behälter mit Entnahmevorrichtung verbundenen Eingang 6 für flüssigen Stickstoff (N2) sowie einem Ausgang 7 für den dann gasförmig gewordenen Stickstoff auf, wobei der Wärmetauscher 5 als hohler Zylinder mit einem Zylindermantel 8 mit zwei zueinander parallelen Stirnseiten 9 sowie mit einem Labyrinth in seinem Inneren ausgebildet ist. Der Eingang 6 ist als radial verlaufender Stutzen an dem Zylindermantel 8 und der Ausgang 7 als zu dem Zylindermantel konzentrischer, an seinen beiden Stirnseiten offener Hohlzylinder 10 ausgebildet, der mit mehreren radialen Durchlässen 18 versehen ist.
  • Das Labyrinth ist dabei beim wiedergegebenen Ausführungsbeispiel von drei zu dem Zylindermantel 8 konzentrischen mit -je zumindest einem, beim wiedergegebenen Ausführungsbeispiel- drei radialen Durchlässen 17 versehenen Hohlzylindern 11,12,13 unter Bildung von Innenkammern 14 ausgebildet ist, deren beide Stirnenden 15 in zueinander konzentrischen, dem Inneren des Zylinders zugewandten Nuten 16 der zwei zueinander parallelen Stirnseiten 9 eingesetzt sind. Die Mittelpunkte der jeweils drei radialen Durchlässe 17 sind dabei auf einer parallel zu der Achse des Zylinders verlaufenden Gerade angeordnet. Dabei ist der zumindest eine radiale Durchlass 17 des einen Hohlzylinders 12 diametral zu dem zumindest einen radialen Durchlass 17 des dazu benachbart angeordneten anderen Hohlzylinders 11,13 und der zumindest eine radiale Durchlass 17 des äussersten Hohlzylinders 13 mit dem grössten Radius bezüglich des Eingangs 6 für flüssigen Stickstoff diametral gegenüberliegend angeordnet.
  • Der Zylinder, die zwei zueinander parallelen Stirnseiten 9, und die zumindest zwei, zu dem Zylindermantel konzentrischen Hohlzylinder 10,11,12,13 bestehen aus einem guten Wäremeleiter, z.B. Kupfer und sind gut wärmeleitend miteinander verbunden.
  • Wie in Figur 4 schematisch gezeigt, ist in Strömungsrichtung vor dem Eingang 6 ein über die Menge des flüssigen Stickstoffs die Temperatur des Wärmetausches 5 steuerndes Ventil 20 vorgesehen ist.
  • Der durch den Eingang 6 injizierte flüssige Stickstoff wird durch das durch die Hohlzylinder 10 bis 13 und der Anordnung von deren Durchlässen 17 gebildete Labyrinth, wie in Figur 4 dargestellt, einen möglichst langen Strömungsweg über die Innenräume 14 zwischen den Hohlzylindern zum Ausgang 7 zu nehmen, von wo der eventuell noch flüssige Stickstoff oder der durch dessen Verdampfung entstandene gasförmige Stickstoff über einen -nicht gezeigten- Adapter axial abgeleitet wird.

Claims (8)

  1. Kryogener Wärmetauscher (5) mit einem Eingang (6) für flüssigen Stickstoff (LN2) sowie einem Ausgang (7) für den gasförmigen Stickstoff (N2), wobei der Wärmetauscher (5) als hohler Zylinder mit einem Zylindermantel (8), mit zwei zueinander parallelen Stirnseiten (9) sowie mit einem Labyrinth in seinem Inneren ausgebildet ist, das von zumindest zwei zu dem Zylindermantel (8) konzentrischen Hohlzylindern (11,12,13) gebildet ist, wobei der Eingang (6) als radial verlaufender Stutzen an dem Zylindermantel (8) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang (7) als zu dem Zylindermantel (8) konzentrischer, an seinen beiden Stirnseiten (9) offener Hohlzylinder (10) ausgebildet ist, der mit mehreren radialen Durchlässen 18) versehen ist, dass die beiden Stirnenden (15) der zumindest zwei Hohlzylinder (11,12,13) in zueinander konzentrischen, dem Inneren des hohlen Zylinders zugewandten Nuten (16) der zwei zueinander parallelen Stirnseiten (9) unter Bildung von Innenkammern (14) eingesetzt sind, dass jeder Hohlzylinder (11,12,13) mit zumindest einem als Loch ausgebildeten radialen Durchlass (17) versehen ist, dass der zumindest eine als Loch ausgebildete radiale Durchlass (17) des einen Hohlzylinders (12) diametral zu dem zumindest einen radialen Durchlass (17) des dazu benachbart angeordneten anderen Hohlzylinders (11,13) angeordnet ist und dass der zumindest eine als Loch ausgebildete radiale Durchlass (17) des einen Hohlzylinders (12) in Richtung der Achse des Zylinders nahe dessen einer Stirnseite (9) und der zumindest eine radiale Durchlass (17) des dazu benachbart angeordneten anderen Hohlzylinders (11,13) in Richtung der Achse des Zylinders nahe dessen anderer Stirnseite (9) angeordnet ist.
  2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Hohlzylinder (11,12,13) mit zwei oder mehr radialen Durchlässen (17) versehen ist, deren Mittelpunkte auf einer parallel zu der Achse des Zylinders verlaufenden Gerade angeordnet sind.
  3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine radiale Durchlass (17) des äussersten Hohlzylinders (13) mit dem grössten Radius bezüglich des Eingangs (6) für flüssigen Stickstoff diametral gegenüberliegend angeordnet ist.
  4. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der den Ausgang (7) bildende, an seinen beiden Stirnseiten offene Hohlzylinder (10) mit mehreren radialen Durchlässen (15) versehen ist.
  5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mitten der mehreren radialen Durchlässe auf einem Kreis liegen.
  6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren radialen Durchlässe (17) in Richtung der Achse des Zylinders nahe der einen Stirnseite (9) angeordnet sind.
  7. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder, die zwei zueinander parallelen Stirnseiten (9), und die zumindest zwei, zu dem Zylindermantel (8) konzentrischen Hohlzylinder (10,11,12,13) aus einem guten Wäremeleiter bestehen und gut wärmeleitend miteinander verbunden sind.
  8. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung vor dem Eingang (6) ein über die Menge des flüssigen Stickstoffs die Temperatur des Wärmetausches (5) steuerndes Ventil (20) vorgesehen ist.
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