EP2161525A1 - Wärmetauscher in Modulbauweise - Google Patents
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- EP2161525A1 EP2161525A1 EP08015786A EP08015786A EP2161525A1 EP 2161525 A1 EP2161525 A1 EP 2161525A1 EP 08015786 A EP08015786 A EP 08015786A EP 08015786 A EP08015786 A EP 08015786A EP 2161525 A1 EP2161525 A1 EP 2161525A1
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- 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
- F28D7/08—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 otherwise bent, e.g. in a serpentine or zig-zag
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
- F22B21/00—Water-tube boilers of vertical or steeply-inclined type, i.e. the water-tube sets being arranged vertically or substantially vertically
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- 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
- F28D7/16—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 in parallel spaced relation
- F28D7/163—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 in parallel spaced relation with conduit assemblies having a particular shape, e.g. square or annular; with assemblies of conduits having different geometrical features; with multiple groups of conduits connected in series or parallel and arranged inside common casing
- F28D7/1638—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 in parallel spaced relation with conduit assemblies having a particular shape, e.g. square or annular; with assemblies of conduits having different geometrical features; with multiple groups of conduits connected in series or parallel and arranged inside common casing with particular pattern of flow or the heat exchange medium flowing inside the conduits assemblies, e.g. change of flow direction from one conduit assembly to another one
- F28D7/1646—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 in parallel spaced relation with conduit assemblies having a particular shape, e.g. square or annular; with assemblies of conduits having different geometrical features; with multiple groups of conduits connected in series or parallel and arranged inside common casing with particular pattern of flow or the heat exchange medium flowing inside the conduits assemblies, e.g. change of flow direction from one conduit assembly to another one with particular pattern of flow of the heat exchange medium flowing outside the conduit assemblies, e.g. change of flow direction
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- F28F9/02—Header boxes; End plates
- F28F2009/0285—Other particular headers or end plates
Definitions
- the invention relates to a heat exchanger in modular design for plants in which large load and / or temperature fluctuations occur, in particular solar power plants.
- the invention is based on the object DE 29510720 U1 known heat exchanger to improve and specify a heat exchanger, which allows a more compact design, so that even less space is required for the heat exchanger. It is another object of the invention to allow in addition to the reduction of production costs a flexible design.
- the heat exchanger according to the invention is modular.
- the heat exchanger modules which are at least one preheater, at least one evaporator and at least one superheater module, are arranged in a common outer jacket, in which a heat-emitting medium flows around the heat exchanger modules with the meandering tube bundles:
- the heat exchanger combines at least three different apparatuses in one ,
- the heat exchange takes place according to the counter or cross flow principle.
- the meandering tubes are flowed through by a heat-absorbing medium, for example water.
- the meandering arrangement of the tube bundles reduces the size of the heat exchanger, improves the heat transfer from the heat-emitting to the heat-absorbing medium and also increases the thermo-elasticity of the structure.
- the invention is based inter alia on the finding that the size of the heat exchanger is significantly reduced by the arrangement of the individual heat exchanger modules in a common outer shell with the same or even increased performance of the heat exchanger.
- Another advantage of the modular design is the possibility of flexible adaptation of individual heat exchanger modules depending on the requirements. Thus, for example, individual modules can be added as needed or only individual modules can be modified, for example, by changing the tube bundle lengths. This eliminates the effort for a comprehensive overall design of the heat exchanger.
- production costs can be reduced because common parts or identical modules can be used instead of the cost-intensive individual production of heat exchanger components.
- By saving additional pipe connections between the individual modules and by the compact design not only material costs are reduced but also increases the efficiency of the heat exchanger, since the heat loss to the environment is effectively reduced thanks to the decrease in the surface, which is in contact with the environment ,
- the parallel connection of several evaporator modules by means of a steam drum further increases flexibility and efficiency.
- faster start-up can be achieved with higher temperature gradients, which is of enormous importance with changing load and temperature conditions of, for example, solar power plants.
- the tubes through which the heat-absorbing medium flows from the outlet header of the respective evaporator module to the steam drum are connected to one another, that they have only one common entry into the steam drum. This will continue to reduce material costs and heat loss to the environment.
- the tubes, through which the heat-absorbing medium flows from the steam drum to the inlet header of the respective evaporator module be interconnected so that they have a single common outlet from the steam drum.
- the heat exchanger can be set up either horizontally or vertically.
- the vertical installation allows even better land use.
- several of the heat exchangers according to the invention can be operated side by side in parallel on a relatively small area.
- the space conditions are unfavorable because the parabolic trough collectors take up a lot of space.
- the space-saving design of the heat exchanger according to the invention allows an almost location-independent installation, so that the flow paths of the heated media can be shortened to the heat exchanger expedient manner.
- the temperatures of the heat-emitting medium when entering the heat exchanger are higher, so that the heat yield is better.
- a further preferred embodiment of the invention provides that the horizontal heat exchanger module has a number of horizontal pipe layers, each pipe layer is formed from an equal number of tubes, and that the pipe layers are arranged so that the tubes of the individual pipe layers in vertical Direction exactly superimposed are aligned, wherein the flow directions of the heat-absorbing medium in the vertically adjacent, arranged transversely to the central axis of the outer shell pipe sections are opposite.
- the design of the tube bundles in individual tube layers allows an extremely compact design. With the tubes lying vertically one above the other; conventional spacers can be used between the tubes.
- the opposite flow in the vertically adjacent pipe sections, which are arranged transversely to the central axis of the outer shell favors the symmetrical temperature distribution in the heat exchanger with respect to the central axis.
- the pipe layers are compared to the horizontal lineup rotated by 90 °, vertically next to each other, expediently the preheater module is the lowest in the common outer jacket.
- the inlet and outlet collectors preferably have a circular cross section.
- the tubes of a tube layer are on a circumferential plane of the respective inlet and outlet collector offset from each other by an equal angle with the respective inlet and outlet collector. In this way, the manufacturing process is facilitated because there is enough space for welding, machining or other work on the collectors.
- the tubes of the adjacent tube layers are connected to the respective inlet and outlet header, that the tubes of a tube layer with respect to the tubes of the adjacent tube layer are arranged offset by an angle on an adjacent circumferential plane of the respective inlet and outlet collector.
- the peripheral surfaces of the inlet and outlet collector can be optimally utilized, so that the arrangement of the pipe layers can be made compact. There is still enough space for welding, machining or other work on the collectors.
- the tubes of the heat exchanger modules are arranged in a common inner housing, which is arranged concentrically within the outer shell and has an inlet and an outlet opening for the heat-emitting medium.
- the cross-sectional profile of the inner housing is preferably rectangular, so that the raw bundles are as closely as possible enclosed by this inner housing.
- the additional enclosure of the heat exchanging components provides further insulation between the heat exchanger modules and the environment.
- the space between the outer shell and the inner housing can be used as an additional flow channel for the heat-emitting medium. In this way, the residence time of the heat-emitting medium is extended in the heat exchanger, so that the heat transfer to the heat-absorbing medium is improved.
- FIG. 1 shows a first embodiment.
- the heat exchanger 1 is placed horizontally in a space-saving manner.
- the outer jacket 70 is an inner housing 80, which has a rectangular cross-sectional profile.
- the meandering tubes 120 of the individual heat exchanger modules 10, 20, 30, 40, 50 are arranged in the inner housing.
- the heat-absorbing medium for example water, enters the inlet header 11 of the preheater module 10 via the pipeline 91. After flowing through the tubes 120 of the preheater module 10, it passes through the outlet header 12 of the preheater module 10 and via the pipe 92 in the steam drum 60. From the steam drum 60, the heated water passes through the pipes 93, 94, 95 in the parallel-connected evaporator modules 20th , 30, 40.
- the water-vapor mixture from the evaporator modules 20, 30, 40 flows back into the steam drum 60.
- the steam drum 60 has means (not shown here) for separating the water from the water vapor Mixture, so that the dry steam for overheating via the pipe 97 into the inlet header 51 of the superheater module 50 passes.
- the now superheated in the superheater module 50 steam passes through the pipe 98 from the heat exchanger and passes, for example, to generate electricity in the downstream turbine.
- FIG. 2 shows the same embodiment Fig. 1 , but here the flow path of the heat-emitting medium is shown in more detail.
- the heat-emitting medium which in this case is a thermal oil heated by the solar energy, enters at a temperature of approximately 400 ° C. via the inlet connection 71 of the outer jacket 70. Via the channel 73, which is formed by the outer jacket 70 and the inner housing 80, the thermal oil enters the inner housing 80, in which the thermal oil, the tubes 120 of the superheater module 50, the three evaporator modules 40, 30, 20 and the preheater module 10 of Flows around in rows and thereby gives off the heat to water. Subsequently, the cooled thermal oil flows through the outlet nozzle 72 from the heat exchanger. 1
- FIG. 3 shows a further embodiment of the invention, wherein the heat exchanger 1 is set up horizontally.
- FIG. 4 the sectional view along the line BB Fig. 3 , the modular design of the heat exchanger 1 is best visible.
- the preheater module 10 with the inlet header 11 and the outlet header 12 has meandering tubes 120.
- the construction of the others Heat exchanger modules, namely the evaporator modules 20, 30, 40 and the superheater module 50 is identical. They only differ in their dimensions.
- the evaporator modules 20, 30, 40 are exactly the same.
- the number of evaporator modules 20, 30, 40 can be adjusted as needed. Since exactly the same parts are used, this results in advantages in terms of manufacturing costs.
- one or more defective heat exchanger modules can be easily removed and replaced by new ones in case of faults.
- FIG. 5 an inventive collector is shown enlarged. These are the outlet header 42 of the third evaporator module 40. Essentially, the inlet and outlet header of the various heat exchanger modules differ only slightly from each other. Again, advantages of the modular design can be seen. According to a preferred embodiment, the tubes 101, 102, 103, 104 of a first layer 100 open in a horizontal plane offset by an equal angle ⁇ in the collector 42. Likewise open the tubes 111, 112, 113, 114 of a second layer 110 around the same angle ⁇ offset in the collector 42nd
- FIG. 6 shows a plan view of the collector 42.
- the angle ⁇ by which a tube of a layer is offset from the next tube of the same position, in this case is in each case 45 °.
- FIG. 7 shows the enlarged detail view "X" Fig. 3 , All tubes of different layers are arranged so that they lie vertically exactly above each other. Due to the horizontal and vertical exact alignment, simple spacers 130 can be uniformly arranged.
- a further advantage in the arrangement of the tubes 120 in layers is that the flow directions in the vertically adjacent tube sections 210, which are arranged transversely to the central axis 200 of the outer jacket 70, are opposite.
- FIG. 8 shows a further advantage of the invention. Due to the adjacent arrangement of the inlet and outlet headers 42, 51 of adjacent heat exchanger modules 40, 50, the overall length of the heat exchanger 1 can be further reduced. Conventionally, the collectors were arranged centrally on the central axis 200 of the heat carrier 1.
- FIGS. 9 and 10 show the structure of the individual pipe layers 100 and 110.
- each tube with respect to its vertically adjacent tube in a horizontal position or with respect to its horizontally adjacent tube in a vertical position an opposite direction the pipe flow on.
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher in Modulbauweise für Anlagen, in denen große Last- und/oder Temperaturschwankungen auftreten, insbesondere Solarkraftwerke.
- Aus
DE 29510720 U1 der Anmelderin ist ein Wärmetauscher bekannt, der sich insbesondere als Kühlluftkühler für Gasturbinen bestens bewährt hat. Dieser weist Rohre zur Trennung des wärmeabgebenden Mediums und des wärmeaufnehmenden Mediums auf. Die Rohre sind mäanderförmig verlaufend zwischen einem Einlaß-Sammelrohr und einem Auslaß-Sammelrohr angeordnet und werden von einem wärmeaufnehmenden Medium durchströmt. Das wärmeabgebende Medium umströmt diese mäanderförmig verlaufenden Rohre. - Mit Hilfe des aus
DE 29510720 U1 bekannten Wärmetauschers können die aufgrund der häufigen Last- und Temperaturwechsel auftretenden Belastungen mechanischer und thermischer Art erfolgreich gemindert werden. Ferner erlaubt die mäanderartige Formgebung der Rohrbündel ein "Downsizing" des Wärmetauschers bei gleichbleibender Leistung. Trotz der aufgeführten Vorteile besteht weiterhin Bedarf an noch kompakteren und noch effizienteren Wärmetauschern, die flexibel, aber trotzdem kostengünstig hergestellt werden können. Wärmetauscher für Solarkraftwerke, insbesondere Parabolrinnenkraftwerke, müssen außerdem schnellere Anfahrgeschwindigkeiten mit hohen Temperaturgradienten aufweisen. - Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den aus
DE 29510720 U1 bekannten Wärmetauscher weiter zu verbessern und einen Wärmetauscher anzugeben, welcher eine noch kompaktere Bauweise ermöglicht, so dass noch weniger Platzbedarf für den Wärmetauscher erforderlich ist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, neben der Senkung der Produktionskosten eine flexible Bauweise zu ermöglichen. - Die Aufgabe wird gelöst durch einen Wärmetauscher gemäß dem unabhängigen Anspruch. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen wiedergegeben.
- Der erfindungsgemäße Wärmetauscher ist modular aufgebaut. Die Wärmetauschermodule, welche mindestens ein Vorwärmer-, mindestens ein Verdampfer- und mindestens ein Überhitzermodul sind, werden in einem gemeinsamen Außenmantel angeordnet, in welchem ein wärmeabgebendes Medium die Wärmetauschermodule mit den mäanderförmig verlaufenden Rohrbündeln umströmt: Der Wärmetauscher vereint also mindestens drei verschiedene Apparate in einem. Der Wärmeaustausch erfolgt nach dem Gegen- bzw. Kreuzstromprinzip. Die mäanderförmigen Rohre werden von einem wärmeaufnehmenden Medium, beispielsweise Wasser, durchströmt. Durch die mäanderförmige Anordnung der Rohrbündel wird die Baugröße des Wärmetauschers verringert, die Wärmeübertragung vom wärmeabgebenden zum wärmeaufnehmenden Medium verbessert und ferner die Thermoelastizität des Aufbaus erhöht.
- Die Erfindung beruht unter anderem auf der Erkenntnis, dass durch die Anordnung der einzelnen Wärmetauschermodule in einem gemeinsamen Außenmantel die Baugröße des Wärmetauschers bei gleicher oder gar erhöhter Leistungsfähigkeit des Wärmetauschers deutlich verringert wird. Ein weiterer Vorteil der modularen Bauweise besteht in der Möglichkeit der flexiblen Anpassung einzelner Wärmetauschermodule je nach den Anforderungen. So können beispielsweise je nach Bedarf einzelne Module hinzugefügt werden oder nur einzelne Module beispielsweise durch Änderung der Rohrbündellängen modifiziert werden. Dadurch entfällt der Aufwand für eine umfangreiche Gesamtauslegung des Wärmetauschers. Außerdem können Produktionskosten gesenkt werden, da anstelle der kostenintensiven Einzelanfertigung von Wärmetauscherkomponenten Gleichteile bzw. gleiche Module verwendet werden können. Durch die Einsparung von zusätzlichen Rohrverbindungen zwischen den Einzelmodulen und durch die kompakte Bauweise werden nicht nur Materialkosten gesenkt sondern auch der Wirkungsgrad des Wärmetauschers erhöht, da der Wärmeverlust an die Umgebung dank der Abnahme der Oberfläche, welche mit der Umgebung in Kontakt steht, effektiv verringert wird.
- Durch die Parallelschaltung mehrerer Verdampfermodule mittels einer Dampftrommel wird die Flexibiltät und die Effizienz weiter gesteigert. Zudem kann schnelleres Anfahren mit höheren Temperaturgradienten erreicht werden, was bei wechselnden Last- und Temperaturbedingungen von beispielsweise Solarkraftwerken von enormer Bedeutung ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung sind die Rohre, durch die das wärmeaufnehmende Medium vom Austrittssammler des jeweiligen Verdampfermoduls zur Dampftrommel strömt, so miteinander verbunden, dass sie nur einen einzigen gemeinsamen Eintritt in die Dampftrommel aufweisen. Dadurch werden weiterhin Materialkosten und auch der Wärmeverlust an die Umgebung verringert.
- Ebenso können gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die Rohre, durch die das wärmeaufnehmende Medium von der Dampftrommel zum Eintrittssammler des jeweiligen Verdampfermoduls strömt, so miteinander verbunden sein, dass sie einen einzigen gemeinsamen Austritt aus der Dampftrommel aufweisen.
- Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung kann der Wärmetauscher entweder horizontal oder vertikal aufgestellt werden. Die vertikale Aufstellung erlaubt eine noch bessere Flächennutzung. Dabei können mehrere der erfindungsgemäßen Wärmetauscher nebeneinander parallel auf einer relativ kleinen Fläche betrieben werden. Bei insbesondere Solarkraftanlagen sind die Platzverhältnisse ungünstig, da die Parabolrinnenkollektoren sehr viel Platz einnehmen. Die platzsparende Bauweise der erfindungsgemäßen Wärmetauscher erlaubt eine fast ortsungebundene Aufstellung, so dass die Strömungswege der aufgeheizten Medien zum Wärmetauscher zweckmäßiger Weise verkürzt werden können. Die Temperaturen des wärmeabgebenden Mediums bei Eintritt in den Wärmetauscher sind höher, so dass die Wärmeausbeute besser wird.
- Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass das Wärmetauschermodul bei horizontaler Aufstellung eine Anzahl von horizontalen Rohrlagen aufweist, wobei jede Rohrlage aus einer gleichen Anzahl von Rohren gebildet wird, und dass die Rohrlagen so angeordnet sind, dass die Rohre der einzelnen Rohrlagen in vertikaler Richtung genau übereinander liegend ausgerichtet sind, wobei die Strömungsrichtungen des wärmeaufnehmenden Mediums in den vertikal benachbarten, quer zur Mittelachse des Außenmantels angeordneten Rohrabschnitten entgegengesetzt sind. Die Ausführung der Rohrbündel in einzelnen Rohrlagen ermöglicht eine extrem kompakte Bauweise. Dadurch dass die Rohre vertikal genau übereinanderliegen; können herkömmliche Abstandhalter zwischen den Rohren verwendet werden. Die entgegengesetzte Strömung in den vertikal benachbarten Rohrabschnitten, die quer zur Mittelachse des Außenmantels angeordnet sind, begünstigt die symmetrische Temperaturverteilung im Wärmetauscher in Bezug auf die Mittelachse. Entsprechendes gilt auch bei der vertikalen Aufstellung des Wärmetauschers. In diesem Fall liegen dann die Rohrlagen gegenüber der horizontalen Aufstellung um 90° verdreht, vertikal nebeneinander, wobei zweckmäßigerweise das Vorwärmermodul im gemeinsamen Außenmantel am tiefsten ist.
- Vorzugsweise weisen die Ein- und Austrittssammler einen kreisförmigen Querschnitt auf. Dabei sind die Rohre einer Rohrlage auf einer Umfangsebene des jeweiligen Ein- und Austrittssammlers voneinander um einen gleichen Winkel versetzt mit dem jeweiligen Ein- und Austrittssammler verbunden. Auf diese Weise wird das Herstellungsverfahren erleichtert, da genug Platz für Schweißarbeiten, spanende Fertigung oder sonstige Arbeiten an den Sammlern geboten wird.
- Weiterhin bevorzugt, sind die Rohre der benachbarten Rohrlagen so mit dem jeweiligen Ein- und Austrittssammler verbunden, dass die Rohre der einen Rohrlage bezüglich der Rohre der benachbarten Rohrlage um einen Winkel versetzt auf einer benachbarten Umfangsebene des jeweiligen Ein- und Austrittssammlers angeordnet sind. Hierdurch können die Umfangsflächen der Ein- bzw. Austrittssammler optimal ausgenutzt werden, so dass die Anordnung der Rohrlagen kompakt gestaltet werden kann. Es bleibt immer noch genügend Platz für Schweißarbeiten, spanende Fertigung oder sonstige Arbeiten an den Sammlern.
- Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die Rohre der Wärmetauschermodule in einem gemeinsamen Innengehäuse angeordnet, welcher konzentrisch innerhalb des Außenmantels angeordnet ist und eine Ein- und eine Austrittsöffnung für das wärmeabgebende Medium aufweist. Das Querschnittsprofil des Innengehäuses ist vorzugsweise rechteckig, so dass die Rohbündel möglichst eng von diesem Innengehäuse umschlossen werden. Durch die zusätzliche Umschließung der wärmeaustauschenden Komponenten wird eine weitere Isolierung zwischen den Wärmetauschermodulen und der Umgebung geschaffen. Alternativ kann der Raum zwischen dem Außenmantel und dem Innengehäuse als zusätzlicher Strömungskanal für das wärmeabgebende Medium genutzt werden. Auf diese Weise wird die Verweilzeit des wärmeabgebenden Mediums im Wärmetauscher verlängert, so dass die Wärmeübertragung zum wärmeaufnehmenden Medium verbessert wird.
- Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren näher beschrieben. Es zeigen schematisch:
-
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsvariante mit Darstellung der rohrseitigen Strömungswege bei vertikaler Aufstellung; -
Fig. 2 einen Längsschnitt wieFig. 1 , allerdings mit Darstellung der mantelseitigen Strömungswege; -
Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsvariante bei horizontaler Aufstellung; -
Fig. 4 eine Schnittansicht entlang der Linie B-B ausFig. 3 ; -
Fig. 5 eine vergrößerte Detailansicht ausFig. 8 ; -
Fig. 6 eine Draufsicht vonFig. 5 ; -
Fig. 7 eine vergrößerte Detailansicht ausFig. 3 ; -
Fig. 8 eine Schnittansicht entlang der Linie A-A ausFig. 3 . -
Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel. Der Wärmetauscher 1 ist in platzsparender Weise horizontal aufgestellt. In dem Außenmantel 70 befindet sich ein Innengehäuse 80, welches ein rechteckiges Querschnittsprofil aufweist. In dem Innengehäuse sind die mäanderförmig verlaufenden Rohre 120 der einzelnen Wärmetauschermodule 10, 20, 30, 40, 50 angeordnet. Das wärmeaufnehmende Medium, beispielsweise Wasser, tritt über die Rohrleitung 91 in den Eintrittssammler 11 des Vorwärmermoduls 10 ein. Nach dem Durchströmen der Rohre 120 des Vorwärmermoduls 10 tritt es über den Austrittssammler 12 des Vorwärmermoduls 10 und über die Rohrleitung 92 in die Dampftrommel 60. Aus der Dampftrommel 60 tritt das aufgeheizte Wasser über die Rohrleitungen 93, 94, 95 in die parallel geschalteten Verdampfermodule 20, 30, 40. Über eine gemeinsame Rückflussleitung 96 strömt das Wasser-Dampf-Gemisch aus den Verdampfermodulen 20, 30, 40 wieder in die Dampftrommel 60. Die Dampftrommel 60 weist Mittel (hier nicht gezeigt) zur Abscheidung des Wassers aus dem Wasser-Dampf-Gemisch, so dass der trockene Dampf zur Überhitzung über die Rohrleitung 97 in den Eintrittssammler 51 des Überhitzermoduls 50 gelangt. Der nun im Überhitzermodul 50 überhitzte Dampf tritt über die Rohrleitung 98 aus dem Wärmetauscher und gelangt beispielsweise zur Stromerzeugung in die nachgeschaltete Turbine. -
Figur 2 zeigt das gleiche Ausführungsbeispiel ausFig. 1 , allerdings wird hier der Strömungsweg des wärmeabgebenden Mediums genauer dargestellt. Das wärmeabgebende Medium, welches in diesem Fall ein über die Sonnenenergie aufgeheiztes Thermoöl ist, tritt über den Eintrittsstutzen 71 des Außenmantels 70 mit einer Temperatur von ca. 400°C ein. Über den Kanal 73, der durch den Außenmantel 70 und das Innengehäuse 80 gebildet wird, tritt das Thermoöl in das Innengehäuse 80 ein, in dem das Thermoöl die Rohre 120 des Überhitzermoduls 50, der drei Verdampfermodule 40, 30, 20 und des Vorwärmermoduls 10 der Reihe nach umströmt und dadurch die Wärme an Wasser abgibt. Anschließend strömt das abgekühlte Thermoöl über den Austrittsstutzen 72 aus dem Wärmetauscher 1. -
Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei der Wärmetauscher 1 hierbei horizontal aufgestellt ist. - In
Figur 4 , der Schnittansicht entlang der Linie B-B ausFig. 3 , ist die Modulbauweise des Wärmetauschers 1 am besten sichtbar. Das Vorwärmermodul 10 mit dem Eintrittssammler 11 und dem Austrittssammler 12 weist mäanderförmig verlaufende Rohre 120 auf. Die Bauweise der anderen Wärmetauschermodule, nämlich der Verdampfermodule 20, 30, 40 sowie des Überhitzermoduls 50 ist identisch. Sie unterscheiden sich lediglich in ihren Dimensionen. Die Verdampfermodule 20, 30, 40 allerdings sind exakt gleich. Die Anzahl der Verdampfermodule 20, 30, 40 kann nach Bedarf angepasst werden. Da exakt gleiche Teile verwendet werden, ergeben sich hieraus Vorteile hinsichtlich der Herstellungskosten. Außerdem können bei Störungen ein oder mehrere, defekte Wärmetauschermodule einfach ausgebaut und durch neue ersetzt werden. - In
Figur 5 wird ein erfindungsgemäßer Sammler vergrößert dargestellt. Es handelt sich hierbei um den Austrittssammler 42 des dritten Verdampfermoduls 40. Im wesentlichen unterscheiden sich die Ein- und Austrittssammler der verschiedenen Wärmetauschermodule nur geringfügig voneinander. Auch hier werden Vorteile der Modulbauweise erkennbar. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante münden die Rohre 101, 102, 103, 104 einer ersten Lage 100 in einer horizontalen Ebene um einen gleichen Winkel α versetzt in den Sammler 42. Ebenso münden die Rohre 111, 112, 113, 114 einer zweiten Lage 110 um den gleichen Winkel α versetzt in den Sammler 42. -
Figur 6 zeigt eine Draufsicht auf den Sammler 42. Der Winkel α, um den ein Rohr einer Lage vom nächsten Rohr der gleichen Lage versetzt ist, beträgt in diesem Fall jeweils 45°. Die zweite Lage 110, die zur ersten Lage 100 vertikal benachbart ist, ist auf dem Sammler 42 gegenüber der ersten Lage 100 um genau β = 22,5° versetzt angeordnet, so dass die Rohre 111, 112, 113, 114 der zweiten Lage 110 inFigur 6 jeweils mittig zwischen den Rohren 101, 102, 103, 104 der ersten Lage 100 sichtbar sind. Durch diese regelmäßig horizontal und vertikal versetzte Anordnung von Einmündungen am Sammler 42 bleibt trotz der hohen Kompaktheit immer ein genügender Abstand für Schweißarbeiten oder weitere Fertigungsschritte. -
Figur 7 zeigt die vergrößerte Detailansicht "X" ausFig. 3 . Alle Rohre der unterschiedlichen Lagen sind so angeordnet, dass sie vertikal genau übereinanderliegen. Durch die horizontal und vertikal genaue Ausrichtung können einfache Abstandshalter 130 gleichmäßig angeordnet werden. Ein weiterer Vorteil bei der Anordnung der Rohre 120 in Lagen besteht darin, dass die Strömungsrichtungen in den vertikal benachbarten Rohrabschnitten 210, die quer zur Mittelachse 200 des Außenmantels 70 angeordnet sind, entgegengesetzt sind. -
Figur 8 zeigt einen weiteren Vorteil der Erfindung. Durch die benachbarte Anordnung der Ein- bzw. Austrittssammler 42, 51 benachbarter Wärmetauschermodule 40, 50 kann die Gesamtlänge des Wärmetauschers 1 weiter reduziert werden. Herkömmlich wurden die Sammler mittig auf der Mittelachse 200 des Wärmeträgers 1 angeordnet. - Die
Figuren 9 und 10 zeigen den Aufbau der einzelnen Rohrlagen 100 und 110. In den Rohrabschnitten 210, die quer zur Mittelachse 200 des Außenmantels 70 angeordnet sind, weist jedes Rohr bezüglich seines vertikal benachbarten Rohres bei horizontaler Aufstellung bzw. bezüglich seines horizontal benachbarten Rohres bei vertikaler Aufstellung eine entgegengesetzte Richtung der Rohrströmung auf.
Claims (9)
- Wärmetauscher (1) in Modulbauweise, insbesondere für mit großen Last- und/oder Temperaturwechseln betriebene Anlagen, mit einem Außenmantel (70) und einer Anzahl von Wärmetauschermodulen, wobei jedes Wärmetauschermodul, welches entweder ein Vorwärmer-(10), Verdampfer- (20, 30, 40) oder Überhitzermodul (50) ist, einen Eintrittssammler (11, 21, 31, 41, 51), einen Austrittssammler (12, 22, 32, 42, 52) sowie mäanderförmig verlaufende Rohre (120), durch die das wärmeaufnehmende Medium, insbesondere Wasser, vom Eintrittssammler (11, 21, 31, 41, 51) zum Austrittssammler (12, 22, 32, 42, 52) strömt, aufweist, und ferner die Wärmetauschermodule in einem gemeinsamen Außenmantel (70) angeordnet sind, so dass sie vom gleichen, wärmeabgebenden Medium umströmt werden, wobei die Verdampfermodule (20, 30, 40) über eine außerhalb des Außenmantels (70) angeordnete Dampftrommel (60) parallel geschaltet sind.
- Wärmetauscher (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Wärmetauscher (1) horizontal oder vertikal aufstellbar ist. - Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Wärmetauschermodul bei horizontaler Aufstellung eine Anzahl von horizontalen Rohrlagen (100, 110) aufweist, wobei jede Rohrlage (100, 110) aus einer gleichen Anzahl von Rohren gebildet wird, und dass die Rohrlagen (100, 110) so angeordnet sind, dass die Rohre der einzelnen Rohrlagen (100, 110) in vertikaler Richtung genau übereinander liegend ausgerichtet sind, wobei die Strömungsrichtungen des wärmeaufnehmenden Mediums in den vertikal benachbarten, quer zur Mittelachse (200) des Außenmantels (70) angeordneten Rohrabschnitten (210) entgegengesetzt sind. - Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Wärmetauschermodul bei vertikaler Aufstellung eine Anzahl von vertikalen Rohrlagen (100, 110) aufweist, wobei jede Rohrlage (100, 110) aus einer gleichen Anzahl von Rohren gebildet wird, und dass die Rohrlagen (100, 110) so angeordnet sind, dass die Rohre der einzelnen Rohrlagen (100, 110) in horizontaler Richtung genau nebeneinander liegend ausgerichtet sind, wobei die Strömungsrichtungen des wärmeaufnehmenden Mediums in den horizontal benachbarten, quer zur Mittelachse (200) des Außenmantels (70) angeordneten Rohrabschnitten (210) entgegengesetzt sind. - Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ein- (11, 21, 31, 41, 51) und Austrittssammler (12, 22, 32, 42, 52) einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, und die Rohre (101, 102, 103, 104) einer Rohrlage (100) auf einer Umfangsebene des jeweiligen Ein- (41) und Austrittssammlers (42) voneinander um einen gleichen Winkel (α) versetzt mit dem jeweiligen Ein- (41) und Austrittssammler (42) verbunden sind. - Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Rohre (101, 102, 103, 104, 111, 112, 113, 114) der benachbarten Rohrlagen (100, 110) so mit dem jeweiligen Ein- (41) und Austrittssammler (42) verbunden sind, dass die Rohre (111, 112, 113, 114) der einen Rohrlage (110) bezüglich der Rohre (101, 102, 103, 104) der benachbarten Rohrlage (100) um einen Winkel (β) versetzt auf einer benachbarten Umfangsebene des jeweiligen Ein- (41) und Austrittssammlers (42) angeordnet sind. - Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Rohre (120) der Wärmetauschermodule in einem gemeinsamen Innengehäuse (80) angeordnet sind, welcher konzentrisch innerhalb des Außenmantels (70) angeordnet ist und eine Ein- und eine Austrittsöffnung für das wärmeabgebende Medium aufweist. - Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Rohre (96a, 96b, 96c), durch die das wärmeaufnehmende Medium vom Austrittssammler (22, 32, 42) des jeweiligen Verdampfermoduls (20, 30, 40) zur Dampftrommel (60) strömt, so miteinander verbunden sind, dass sie einen einzigen gemeinsamen Eintritt (96) in die Dampftrommel (60) aufweisen. - Wärmetauscher (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Rohre (93, 94, 95), durch die das wärmeaufnehmende Medium von der Dampftrommel (60) zum Eintrittssammler (21, 31, 41) des jeweiligen Verdampfermoduls (20, 30, 40) strömt, so miteinander verbunden sind, dass sie einen einzigen gemeinsamen Austritt aus der Dampftrommel (60) aufweisen.
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