Beschreibung
Leiteinrichtung zur Kontrolle der Flüssigkeitsströmung bei der Einspeisung von
Zweiphasenströmen in Block-In-Shell-Wärmeübertragern
Die Erfindung betrifft ein Wärmeübertrager gemäß Anspruch 1.
Ein derartiger Wärmeübertrager dient zur indirekten Wärmeübertragung zwischen einem ersten Medium und einem zweiten Medium und weist einen Mantel auf, der einen Mantelraum zur Aufnahme einer flüssigen Phase des ersten Mediums umgibt, sowie zumindest einen Plattenwärmeübertrager, der zur indirekten Wärmeübertragung zwischen den beiden Medien dient, wobei der mindestens eine
Plattenwärmeübertrager so im Mantelraum angeordnet ist, dass er mit einer im
Mantelraum befindlichen flüssigen Phase des ersten Mediums umgebbar ist, und wobei zum Einleiten eines Zweiphasenstroms des ersten Mediums in den Mantelraum eine Verteileinrichtung, insbesondere in Form eines Verteilerkanals, oberhalb des Plattenwärmeübertragers im Mantelraum angeordnet ist, wobei die Verteileinrichtung mit einem am Mantel vorgesehenen Einlass, insbesondere in Form eines
Einlassstutzens, in Strömungsverbindung steht, wobei die Verteileinrichtung bzw. der Verteilerkanal zumindest eine nach unten gerichtete Auslassöffnung aufweist, durch die der Zweiphasenstrom aus der Verteileinrichtung bzw. dem Verteilerkanal in den Mantelraum austreten kann. Räumliche Begriffe wie„oberhalb" und„unten" beziehen sich hier und im Folgenden auf einen bestimmungsgemäß angeordneten bzw. im Betrieb befindlichen Wärmeübertrager.
Ein Wärmeübertrager der eingangs dargelegten Art ist beispielsweise in„The
Standards of the brazed aluminium plate-fin heat exchanger manufacturer's association (ALPEMA)", dritte Ausgabe, 2010, Seite 67 in Figur 9-1 gezeigt. Üblicherweise wird der Mantel als„Shell" bezeichnet und der Plattenwärmeübertrager als„block". Eine solche Ausführung eines Wärmeübertragers nennt man daher auch„block-in-shell"- Wärmeübertrager (andere geläufige Bezeichnungen sind„core-in-shell"- oder„block-in- kettle"-Wärmeübertrager)
Ein Verteilerkanal der oben beschriebenen Art ist des Weiteren aus der EP247221 A2 bekannt.
Neben den ersten, zum Mantelraum hin offenen Wärmeübertragungspassagen, weist der Plattenwärmeübertrager insbesondere geschlossene zweite
Wärmeübertragungspassagen auf. Das zweite I ledium in den zweiten
Wärmeübertragungspassagen hat dabei keinen direkten Kontakt zum Mantelraum. Die offenen ersten Wärmeübertragungspassagen sind dagegen für das erste Medium üblicherweise auf mehreren Seiten des Plattenwärmeübertragers (z.B. an der
Unterseite und der Oberseite des Plattenwärmeübertragers) zum Mantelraum hin durchlässig. Der Plattenwärmeübertrager wird dabei von einem Flüssigkeitsbad des ersten Mediums umgeben, das dabei üblicherweise an der Unterseite als flüssige Phase in den Plattenwärmeübertrager eintritt und an der Oberseite als
Zweiphasenstrom (aus den Auslassöffnungen) wieder austritt. Triebkraft dafür ist eine Temperaturdifferenz zwischen dem zweiten Medium in den geschlossenen zweiten Passagen und dem ersten Medium in den offenen ersten Passagen. Durch die vom zweiten Medium in den geschlossenen zweiten Passagen auf das erste Medium in den ersten Passagen übertragene Wärme wird ein Teil der flüssigen Phase des ersten Mediums in den offenen ersten Passagen verdampft. Der Plattenwärmeübertrager in einem Core-In-Shell-Wärmeübertrager wird üblicherweise als Thermosiphon, d.h., im Naturumlauf, betrieben.
Die Einspeisung des Zweiphasenstroms des erstes Mediums in den Abscheideraum des Mantels ("shell" bzw. "kettle") erfolgte bisher durch einen oder mehrere
Einlassstutzen an der Seite des Mantels. Als Abscheideraum wird vorliegend der Teil des Mantelraumes bezeichnet, der zur Trennung der Gasphase des ersten Mediums von der Flüssigkeitsphase des ersten Mediums zur Verfügung steht. Der mit der flüssigen Phase des ersten Mediums gefüllte Teil des Mantelraumes wird hierin bzw. auch als Vorlageraum bezeichnet.
Durch den mit Auslassöffnungen versehenen Verteilerkanal kann der eintretende Zweiphasenstrom entlang der Mantelachse verteilt werden (horizontale Verteilung). Im Verteilerkanal findet dabei bereits eine Vorabscheidung (d.h. eine grobe Trennung von Gasphase und Flüssigkeitsphase) statt. Die Ausgestaltung des Verteilerkanals zielt im Wesentlichen auf eine kontrollierte Einspeisung und Verteilung der Gasphase des ersten Mediums in den Mantelraum ab. Daher werden relativ hohe Geschwindigkeiten beim Eintritt in den Abscheideraum angestrebt.
Eine (unabhängige) Kontrolle der Flüssigkeitsströmung im Hinblick auf die
Geschwindigkeit und Richtung beim Eintritt in den Abscheideraum ist dabei nicht bzw. nur unzureichend möglich. Bei ungünstigen Verhältnissen kann insbesondere eine relativ hohe Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit dazu führen, dass die
Flüssigkeit z.B. durch diverse Umlenkungen im Verteilerkanal oder auch am Mantel in unerwünschte Bereiche des Mantelraumes gelangt. Ein solcher Bereich kann z.B. die zuvor beschriebene Oberseite eines Plattenwärmeübertragers sein. Unter Umständen kann dadurch der Betrieb des Plattenwärmeübertragers bzw. der
Plattenwärmeübertrager negativ beeinflusst werden. Negative Auswirkungen können z.B. in der Erhöhung der Sprudelschicht/Überlaufhöhe durch die erhöhte
Flüssigkeitsmenge bestehen, so dass der Umlauf beeinträchtigt wird, sowie weiterhin in einer lokalen Bremsung des Umlaufs, da die von oben ankommende Flüssigkeit eine entgegengesetzte Strömungsrichtung aufweist. Ferner können lokale
Temperaturschwankungen des Plattenwärmeübertragers resultieren, wenn der Eintrittsstrom in den Mantelraum und der Austrittsstrom aus dem
Plattenwärmeübertrager unterschiedliche Temperaturen aufweisen. Durch die Energie der auftreffenden Flüssigkeit kann ferner Flüssigkeit nach oben in Richtung
Gasaustrittsstutzen spritzen und dort mitgerissen werden.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, einen
Wärmeübertrager der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei dem die Kontrolle der Flüssigkeitsströmung des ersten Mediums verbessert ist. Diese Aufgabe wird durch einen Wärmeübertrager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und werden nachfolgend beschrieben.
Gemäß Anspruch 1 ist dabei vorgesehen, dass der Wärmeübertrager eine zumindest teilweise unterhalb des Verteilerkanals angeordnete, zusätzliche Leiteinrichtung aufweist, die zum Leiten des aus der mindestens einen Auslassöffnung des
Verteilerkanals austretenden flüssigen Phase des ersten Mediums bzw.
Zweiphasenstromes ausgebildet ist, wobei der mindestens eine
Plattenwärmeübertrager eine Oberseite aufweist, und wobei die Leiteinrichtung dazu
ausgebildet ist, die flüssige Phase des ersten Mediums von der Oberseite weg und/oder an der Oberseite vorbei zu leiten.
Dies ermöglicht mit Vorteil eine Kontrolle und Lenkung der Strömung der in den Mantelraum eintretenden flüssigen Phase des ersten Mediums in den Core-In- Shell-Wärmeübertrager. Hierbei kann insbesondere durch eine entsprechende Ausführung und Positionierung der Leiteinrichtung die Strömungsgeschwindigkeit der eintretenden Flüssigkeit in den Abscheideraum eines Core-In-Shell- Wärmeübertragers reduziert werden. Die Leiteinrichtung kann insbesondere mit dämpfenden Elementen versehen sein, die dazu ausgebildet sind, die Energie der geführten Strömung zu verringern.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass sich der
Verteilerkanal entlang einer Längsachse, insbesondere Zylinderachse, des Mantels erstreckt, die bei einem bestimmungsgemäß angeordneten bzw. im Betrieb befindlichen Wärmeübertrager entlang der Horizontalen verläuft. Die Leiteinrichtung erstreckt sich bevorzugt ebenfalls entlang dieser Längsachse.
Gemäß einer Ausführungsform ist dabei insbesondere vorgesehen, dass die
Leiteinrichtung dazu ausgebildet ist, zumindest einen Teil der in einer ersten
Raumrichtung aus der mindestens einen Auslassöffnung ausgetretenen flüssigen Phase in eine zweite Raumrichtung zu leiten. Dabei unterscheidet sich insbesondere die zweite Raumrichtung von der ersten Raumrichtung (es findet also eine Umlenkung zumindest eines Teiles der flüssigen Phase statt), wobei insbesondere die zweite Raumrichtung eine größere horizontale Komponente aufweist als die erste
Raumrichtung oder z.B. zum Mantel hin weist. Insbesondere verläuft die erste Raumrichtung von oben nach unten entlang der bzw. parallel zur Vertikalen.
Die Leiteinrichtung ist insbesondere ein nicht-drucktragendes Bauteil, so dass deren Querschnittsform mit Vorteil im Wesentlichen ohne Einfluss auf die Festigkeit der Leiteinrichtung frei gestaltet werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der mindestens eine Plattenwärmeübertrager erste Wärmeübertragungspassagen zur Aufnahme des ersten Mediums sowie zweite Wärmeübertragungspassagen zur Aufnahme des
zweiten Mediums aufweist, so dass zwischen den beiden Medien indirekt Wärme übertragbar ist, und wobei insbesondere die ersten Wärmeübertragungspassagen über Auslassöffnungen an der Oberseite des mindestens einen Plattenwärmeübertragers mit dem Mantelraum in Strömungsverbindung stehen, so dass das erste Medium durch die Auslassöffnungen in den Mantelraum austreten kann. Bezogen auf einen bestimmungsgemäß angeordneten Wärmeübertrager erstreckt sich die Oberseite des Plattenwärmeübertragers bevorzugt in einer horizontalen Ebene.
Im Hinblick auf diese Oberseite ist, wie bereits dargelegt, vorgesehen, dass die Leiteinrichtung dazu ausgebildet ist, die flüssige Phase des ersten Mediums von der Oberseite weg und/oder an der Oberseite des mindestens einen
Plattenwärmeübertragers vorbei zu leiten.
Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Leiteinrichtung dazu ausgebildet ist, die flüssige Phase des ersten Mediums so zu leiten, dass diese nicht die Oberseite beaufschlägt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Leiteinrichtung zumindest ein plattenförmiges Leitelement, insbesondere in Form eines Leitblechs, aufweist. Das mindestens eine Leitelement erstreckt sich bevorzugt entlang der Längsachse des Mantels. Insbesondere weist das mindestens eine Leitelement dabei eine Krümmung auf, wobei insbesondere das Leitblech eine konvexe erste Seite aufweist, die dem Plattenwärmeübertrager zugewandt ist, sowie eine der ersten Seite abgewandte zweite Seite, die dem Plattenwärmeübertrager abgewandt und/oder dem Verteilerkanal zugewandt ist. Anstelle einer Krümmung (oder zusätzlich) kann das Leitelement auch eine Neigung aufweisen, so dass die flüssige Phase des ersten Mediums von der Oberseite des Plattenwärmeübertragers weggeleitet wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist weiterhin das mindestens eine
Leitblech so angeordnet, dass die aus dem Verteilerkanal austretende flüssige Phase auf die zweite Seite auftrifft und an dieser entlang von der Oberseite des mindestens einen Plattenwärmeübertragers weg geführt und/oder an dieser vorbei geführt wird.
Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass sich die Leiteinrichtung und/oder das Leitblech über den gesamten Verteilerkanal entlang des
Verteilerkanals bzw. der Längsachse des Mantels erstreckt oder lediglich über einen Abschnitt des Verteilerkanals.
Weiterhin kann das mindestens eine Leitelement eine Mehrzahl an
Durchgangsöffnungen für das erste Medium aufweisen, so dass zumindest ein Teil des ersten Mediums durch das mindestens eine Leitblech bzw. Leitelement hindurch treten kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Leiteinrichtung und/oder das mindestens eine Leitelement am Verteilerkanal und/oder am Mantel des Wärmeübertragers festgelegt sind. Das mindestens eine Leitelement kann z.B. über einen Träger der Leiteinrichtung an dem Verteilerkanal und/oder dem Mantel festgelegt sein. So kann beispielsweise gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung der Träger einen Rahmen aufweisen, der am Verteilerkanal und/oder am Mantel festgelegt ist, wobei insbesondere das mindestens eine Leitelement am
Rahmen festgelegt ist.
Der eingangs beschriebene Verteilerkanal des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung am Mantel festgelegt, wobei insbesondere der Mantel eine Seitenwand des Verteilerkanals bildet. D.h., der
Verteilerkanal ist an eine dem Mantelraum zuwandte Innenseite des Mantels angesetzt, wobei der Verteilerkanal z.B. einen horizontal erstreckten Boden aufweist, dessen einer Rand am Mantel festgelegt ist, wobei von dem anderen
(gegenüberliegenden) Rand eine (z.B. vertikal) erstreckte Seitenwand abgeht, die wiederum mit der Innenseite des Mantels verbunden ist.
Weiterhin erstreckt sich das mindestens eine Leitelement entlang des Verteilerkanals, insbesondere parallel zum Verteilerkanal. Das mindestens eine Leitelement kann dabei bündig bezüglich der vertikalen
Seitenwand des Verteilerkanals angeordnet sein, so dass eine Außenseite der Seitenwand des Verteilerkanals stufenlos oder im Wesentlichen stufenlos in die erste Seite des Leitelements übergeht. Zwischen dem Verteilerkanal oder der vertikalen Seitenwand und dem Leitelement kann jedoch auch eine entlang der Längsachse des
Mantels erstreckte Lücke vorgesehen sein, durch die eine gasförmige Phase des ersten Mediums in den Abscheideraum gelangen kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Wärmeübertrager im Mantelraum eine Füllhöhe auf, auf der sich der Flüssigkeitspegel des Bades (flüssige Phase des ersten Mediums) bei einem bestimmungsgemäßen Betrieb des
Wärmeübertragers befindet, wobei weiterhin der Wärmeübertrager im Mantelraum eine einen Aufnahmeraum bildende Separiereinheit zum Separieren der gasförmigen Phase des ersten Mediums von der flüssigen Phase des ersten Mediums aufweist. Die Separiereinheit weist insbesondere zumindest eine nach oben gerichtete
Aufnahmeöffnung zum Einleiten von aus dem Verteilerkanal herabfallendem erstem Medium in den Aufnahmeraum auf, wobei die nach oben gerichtete Aufnahmeöffnung oberhalb bzw. auf Füllhöhe angeordnet ist, so dass die im Aufnahmeraum
aufgenommene gasförmige Phase des ersten Mediums über die Aufnahmeöffnung in den Mantelraum entweichen kann.
Die Anordnung der Aufnahmeöffnung muss nicht zwingend auf die Füllhöhe bezogen werden, sondern kann alternativ oder ergänzend auch in Bezug auf eine Oberseite bzw. Oberkante des Plattenwärmeübertragers bzw. des Plattenwärmeübertragerblocks bezogen werden. Vorzugsweise liegt diesbezüglich eine Oberkante (bezogen auf die Vertikale) der Aufnahmeöffnung vorzugsweise im Bereich von 0mm bis 100mm, besonders bevorzugt im Bereich von 0mm bis 50mm, weiter besonders bevorzugt im Bereich von 0mm bis 25 mm oberhalb der Oberseite bzw. Oberkante des
Plattenwärmeübertragers, wobei der Wert 0mm dem Niveau der Oberseite bzw. der Oberkante des Plattenwärmeübertragers in Richtung der Vertikalen entspricht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Separiereinheit eine dem Innenraum zugewandte erste Seitenwand aufweist. Dabei kann die erste Seitenwand zumindest eine Verteilöffnung aufweisen, wobei die mindestens eine Verteilöffnung bevorzugt zumindest teilweise unterhalb der Füllhöhe angeordnet ist, so dass die flüssige Phase des ersten Mediums über die mindestens eine Verteilöffnung in das den Wärmeübertrager umgebende Bad einleitbar ist. Die mindestens eine Verteilöffnung oder die mehreren Verteilöffnungen sind bevorzugt als entlang der Vertikale erstreckte Schlitze ausgebildet. In der Regel weist die erste Seitenwand mehrere Verteilöffnungen auf.
Alternativ hierzu kann die erste Seitenwand jedoch auch als Überlaufwand ausgebildet sein. Die erste Seitenwand ist dann flüssigkeitsundurchlässig ausgebildet, d.h., weist keine Verteilöffnungen auf, so dass die flüssige Phase des ersten Mediums über eine Oberkante der ersten Seitenwand in den Vorlageraum strömt.
Mit anderen Worten kann die Separiereinheit sowohl als Überlauftasche als auch als (flüssigkeits)durchlässige Tasche ausgeführt werden, d.h. die Lage und Richtung des Flüssigkeitsaustritts ist insbesondere frei wählbar.
Bevorzugt ist die Separiereinheit in einer horizontalen, senkrecht zur Längsachse des Mantels verlaufenden Richtung lateral zum Plattenwärmeübertrager angeordnet und erstreckt sich dabei entlang (insbesondere parallel) des Plattenwärmeübertragers bzw. entlang der Längsachse des Mantels.
Weiterhin weist die erste Seitenwand bevorzugt eine Neigung auf. Dabei ist die erste Seitenwand zum Plattenwärmeübertrager hin geneigt, so dass die horizontale
Querschnittsfläche des Aufnahmeraums in der Vertikalen von unten nach oben zunimmt.
Die besagte Füllhöhe ist insbesondere als eine Sollhöhe zu verstehen, auf der sich der Flüssigkeitsspiegel der flüssigen Phase des ersten Mediums während des
bestimmungsgemäßen Betriebes des Wärmeübertragers befindet. Der
Plattenwärmeübertrager kann bei einem bestimmungsgemäßen Betrieb vollständig in das Bad eingetaucht sein, kann aber auch mit einer Oberseite aus dem Bad
herausragen. Derjenige Bereich des Mantelraumes, der sich oberhalb der Füllhöhe bzw. des Flüssigkeitsspiegels der flüssigen Phase des ersten Mediums befindet, dient zur Aufnahme der gasförmigen Phase des ersten Mediums und wird daher auch als Abscheideraum bezeichnet.
Vorzugsweise liegt die Füllhöhe in Bezug auf die Oberseite (oder Oberkante) des Plattenwärmeübertragers in einem Bereich von -500mm bis +100mm, besonders bevorzugt in einem Bereich von -300mm bis +100mm, weiter bevorzugt im Bereich von -300mm bis +50mm, noch weiter bevorzugt im Bereich von -300mm bis +25mm, noch weiter bevorzugt im Bereich von -300mm bis 0 mm: Hierbei entspricht der Wert 0mm
dem Niveau der Oberseite (siehe oben). Negative Werte geben an, dass die Füllhöhe in Richtung der Vertikalen unterhalb der Oberseite/Oberkante des
Plattenwärmeübertragers liegt. Bevorzugt ist die Separiereinheit als nach oben offener Kanal ausgebildet, der sich (ebenso wie der Verteilerkanal) entlang der Längsachse des Mantels erstreckt. Die Separiereinheit ist bevorzugt in der Vertikalen unterhalb des Verteilerkanals
angeordnet, so dass die aus dem Verteilerkanal austretende flüssige Phase des ersten Mediums durch die Aufnahmeöffnung der Separiereinheit in den Aufnahmeraum der Separiereinheit fallen kann.
Bevorzugt weist die Separiereinheit eine der ersten Seitenwand gegenüberliegende zweite Seitenwand auf, welche insbesondere durch eine Wandung des Mantels gebildet ist. Die zweite Seitenwand kann aber auch separat zum Mantel ausgebildet sein
Bevorzugt ist weiterhin vorgesehen, dass die Separiereinheit eine dritte Seitenwand und eine der dritten Seitenwand gegenüberliegende vierte Seitenwand aufweist, wobei die dritte und die vierte Seitenwand jeweils die erste und die zweite Seitenwand miteinander verbinden, und wobei insbesondere die dritte und die vierte Seitenwand jeweils zumindest eine Seitenöffnung zum Auslassen der flüssigen Phase des ersten Mediums aufweisen und insbesondere senkrecht zur Längsachse des Mantels verlaufen. Bevorzug ist eine Mehrzahl an Seitenöffnungen in der stirnseitigen dritten und vierten Seitenwand ausgebildet. Die dritte und die vierte Seitenwand können jedoch auch als Überlaufwand ausgebildet sein und weisen dann keine
Seitenöffnungen auf. Es ist auch denkbar, dass die dritte und die vierte Seitenwand fehlen und die Separiereinheit stirnseitig offen ausgebildet ist. Weiterhin können die dritte und die vierte Seitenwand eine niedrigere Oberkante als die erste Seitenwand aufweisen.
Die Erfindung ermöglicht grundsätzlich eine Kontrolle und Lenkung der Strömung der in den Mantelraum eintretenden Flüssigkeit, wobei die Strömungsgeschwindigkeit der eintretenden Flüssigkeit in den Abscheideraum eines Core-In-Shell- Wärmeübertragers reduziert werden kann. Die erfindungsgemäße Leiteinrichtung kann insbesondere auch bei anderen Eintrittsverteilern als dem dargestellten Verteilerkanal
verwendet werden. Falls eine Separiereinheit eingesetzt wird, dann kann die
Leiteinrichtung auch zur kontrollierten Zuführung der Flüssigkeit zur Separiereinheit verwendet werden und ist bevorzugt dazu eingerichtet und vorgesehen. Ein Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, dass die Ausgestaltung der Leiteinrichtung variabel ist. So kann die Leiteinrichtung prinzipiell aus allen geeigneten Materialien (wie z.B. Aluminium, Stahl oder
Kunststoff) gefertigt werden. Auch eine Kombination geeigneter Materialien ist möglich. Die Leiteinrichtung kann sowohl aus Blech als auch aus weiteren geeigneten
Elementen, wie z.B. bearbeiteten Rohren, bearbeiteten Vollmaterialien, Formgussteilen oder (Strangpress-)Profilen, bestehen. Auch die Kombination unterschiedlicher Elemente ist möglich. Weiterhin kann die Form, Größe und Anzahl der verwendeten Elemente einer
Leiteinrichtung sowohl nach fertigungstechnischen als auch nach
verfahrenstechnischen Gesichtspunkten gestaltet werden. Dabei kann insbesondere auch auf anlagenspezifische Besonderheiten eingegangen werden. Jedes der verwendeten Elemente kann dabei individuell gestaltet werden.
Falls Bleche (z.B. in Gestalt des mindestens einen Leitelements) Teil der
Leiteinrichtung sind, dann können diese solide, perforiert oder auch
geschlitzt sein. Dabei können die Bleche sowohl flach als auch profiliert sein. Wie bereits beschrieben, kann die Leiteinrichtung außer am Verteilerkanal auch an anderer geeigneter Stelle (z.B. am Mantel) angebracht werden. Die Art der Anbringung ist frei wählbar. So kann die Leiteinrichtung beispielsweise angeschweißt,
angeschraubt oder angeklebt werden. Weiterhin ist die Ausrichtung der Leiteinrichtung frei wählbar, so dass eine
entsprechende Verteilung der flüssigen Phase auf den Mantelraum erzeugbar ist.
Die Leiteinrichtung kann auch ohne Rahmen ausgeführt werden, wobei natürlich auch Teile mit und ohne Rahmen kombiniert werden können.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sollen bei den nachfolgenden
Figurenbeschreibungen von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren erläutert werden. Es zeigen: Fig. 1 eine teilweise geschnittene Ansicht eines erfindungsgemäßen
Wärmeübertragers;
Fig. 2 eine Ansicht des Wärmeübertragers entlang der Linie A-A der Figur 1 ; Fig. 3 ein Detail der Figur 2; und
Fig. 4 eine perspektivisch Ansicht eines Plattenwärmeübertragers eines
erfindungsgemäßen Wärmeübertragers. Figur 1 zeigt im Zusammenhang mit Figur 4 einen erfindungsgemäßen Block-in-Shell Wärmeübertrager 1. Der Wärmeübertrager 1 weist einen Mantel 2 auf, der sich entlang einer Längs- bzw. Zylinderachse erstreckt, die bei einem bestimmungsgemäß angeordneten Wärmeübertrager 1 entlang der Horizontalen verläuft. Der Mantel 2 umgibt einen Mantelraum 3, in dem zumindest ein Plattenwärmeübertrager 4 angeordnet ist. Dieser weist alternierend nebeneinander angeordnete sowie insbesondere vertikale erste und zweite Wärmeübertragungspassagen 71 , 72 auf (vgl. Fig. 4), die jeweils zur Aufnahme eines ersten bzw. zweiten Mediums F1 , F2 ausgebildet sind, so dass zwischen beiden Medien F1 , F2 indirekt Wärme übertragbar ist /übertragen werden kann. Die Wärmeübertragungspassagen 71 , 72 werden dabei jeweils durch zwei parallele Trennplatten 90 begrenzt (die beiden äußersten
Trennplatten des Plattenwärmeübertragers 4 werden als Deckplatten bezeichnet), zwischen denen jeweils eine Wärmeleitstruktur 80 angeordnet ist, die vorliegend z.B. als so genannter Fin ausgebildet ist, also als ein gewelltes oder gefaltetes Blech, so dass zusammen mit den jeweiligen beiden Trennplatten 90 eine Vielzahl an parallelen Kanälen für das jeweilige Medium F1 , F2 ausgebildet wird, wobei die Kanäle für das erste Medium F1 insbesondere in vertikaler Richtung verlaufen und die Kanäle für das zweite Medium insbesondere in horizontaler Richtung, d.h., die beiden Medien F1 , F2 werden insbesondere im Kreuzstrom zueinander geführt. Andere Fahrweisen (z.B. Gegenstrom) sind auch denkbar.
Wie aus Fig. 4 ersichtlich, sind die ersten Wärmeübertragungspassagen 71 zur horizontal erstreckten Oberseite 4a des mindestens einen Plattenwärmeübertragers 4 hin, die durch die vier Oberkanten 41 , 42, 43, 44 des Plattenwärmeübertragers 4 begrenzt wird, sowie zur Unterseite hin (nicht gezeigt) offen ausgebildet. D.h., es sind entsprechende Einlassöffnungen an der Unterseite vorhanden, über die das in den Mantelraum 3 eingespeiste erste Medium F1 , das ein Bad um den
Plattenwärmeübertrager 4 ausbildet, in die ersten Wärmeübertragungspassagen 71 eintreten und in diesen aufsteigen kann (so genannter Thermosiphon-Effekt) und an der Oberseite 4a über entsprechende Auslassöffnungen 40 aus den ersten
Wärmeübertragungspassagen 71 als Zweiphasenstrom wieder austreten kann. Das erste Medium F1 kann über einen am Mantel 2 angeordneten Einlassstutzen 53 in den Mantelraum 3 eingeleitet werden.
Zu den Seiten hin können die ersten und zweiten Wärmeübertragungspassagen 71 , 72 durch sogenannte Rand- oder Abschlussleisten (Side Bars) 91 verschlossen sein. Die zweiten Wärmeübertragungspassagen 72 sind zusätzlich nach oben und unten hin durch derartige Abschlussleisten 91 verschlossen.
Die Komponenten des mindestens einen Plattenwärmeübertragers 4, wie z.B. die Trennplatten 90, die Fins 80, die Side Bars 91 und die Sammler 61 , 63, 62, 64 (auch als Header bezeichnet) sind bevorzugt aus Aluminium gefertigt. Die Trennplatten 90, Side Bars 91 und Fins 80 werden bevorzugt in einem Ofen miteinander verlötet.
Beim Aufsteigen im mindestens einen Plattenwärmeübertrager 4 wird das erste Medium F1 in eine indirekte Wärmeübertragung mit dem zweiten Medium F2 gebracht, das über einen Einlassstutzen 51 bzw. 57 sowie einen sich daran anschließenden Sammler (auch Header genannt) 61 bzw. 63 in die zweiten
Wärmeübertragungspassagen 72 des mindestens einen Plattenwärmeübertragers 4 eingeleitet wird und dort insbesondere im Kreuzstrom zum ersten Medium F1 , das in den ersten Wärmeübertragungspassagen 71 strömt, geführt wird.
Hierdurch wird beispielsweise das zunächst gasförmige zweite Medium F2 abgekühlt und insbesondere verflüssigt, wohingegen das erste Medium F1 erwärmt und teilweise verdampft wird. Eine hierbei entstehende gasförmige Phase G1 des ersten Mediums F1 sammelt sich im Abscheideraum A oberhalb des mindestens einen
Plattenwärmeübertragers 4 und kann von dort über einen am Mantel 2 vorgesehenen Auslassstutzen 55 bzw. 56 aus dem Mantel bzw. Abscheideraum A abgezogen werden. Das kondensierte zweite Medium wird über einen Sammler (oder Header) 62 bzw. 64 des mindestens einen Plattenwärmeübertragers 4 aus den zweiten
Wärmeübertragungspassagen 72 abgezogen und über einen mit dem jeweiligen Sammler 62 bzw. 64 verbundenen Stutzen 52 bzw. 54 aus dem Wärmeübertrager 1 abgezogen.
Vorzugsweise wird die an der Oberseite 4a des mindestens einen
Plattenwärmeübertragers 4 zusammen mit der entstehenden gasförmigen Phase G1 austretende flüssige Phase L1 des ersten Mediums F1 in das den
Plattenwärmeübertrager 4 umgebende Bad zurückgeführt.
Wie in Figur 1 gezeigt, kann der Wärmeübertrager 1 auch mehrere wie oben beschrieben ausgebildete Plattenwärmeübertrager 4, insbesondere zwei
Plattenwärmeübertrager 4, aufweisen, die gemäß Figur 1 z.B. entlang der Längsachse des Wärmeübertragers 1 hintereinander im Mantelraum 3 des Wärmeübertragers 1 angeordnet sind. Der Wärmeübertrager 1 kann natürlich auch lediglich einen
Plattenwärmeübertrager 4 aufweisen, der dann z.B. wie der rechte oder der linke Plattenwärmeübertrager 4 der Figur 1 ausgebildet sein kann.
Zum Einleiten des ersten Mediums F1 in den Mantelraum 3 des Wärmeübertragers 1 ist eine Verteileinrichtung 6, hier vorzugsweise in Form eines Verteilerkanals 6, oberhalb des Plattenwärmeübertragers 4 im Mantelraum 3 angeordnet, wobei der Verteilerkanal 6 einen Innenraum 6a zur Aufnahme der flüssigen Phase L1 des ersten Mediums F1 umgibt und mit einem Einlass 53 in Strömungsverbindung steht, der an einem oberen Bereich des Mantels 2 vorgesehen ist. Der Verteilerkanal 6 ist dabei an einer zum Mantelraum 3 gewandten Innenseite des Mantels 2 festgelegt, wobei der Mantel 2 eine Seitenwand des Verteilerkanals 6 bildet. Der Verteilerkanal 6 weist weiterhin einen horizontal entlang der Längsachse des Mantels 2 erstreckten Boden 6c auf, dessen einer Rand am Mantel 2 festgelegt ist, wobei von dem anderen
(gegenüberliegenden) Rand eine vertikal erstreckte Seitenwand 6d abgeht, die wiederum mit der Innenseite des Mantels 2 verbunden ist. Der Boden 6c des
Verteilerkanals 6 weist zumindest eine nach unten gerichtete Auslassöffnung 6b auf (bevorzugt sind grundsätzlich mehrere solcher Auslassöffnungen 6b vorgesehen)
durch die die flüssige Phase L1 des ersten Mediums F1 aus dem Verteilerkanal 6 in den Mantelraum 3 in einer ersten Raumrichtung R austreten kann.
In vertikaler Richtung ist nun unterhalb des Verteilerkanals 6 eine Leiteinrichtung 10 angeordnet, die zum Leiten der aus der mindestens einen Auslassöffnung 6b austretenden flüssigen Phase L1 des ersten Mediums F1 ausgebildet ist, wobei die Leiteinrichtung 10 insbesondere zumindest einen Teil der in einer ersten (insbesondere vertikalen) Raumrichtung R aus der mindestens einen Auslassöffnung 6b nach unten austretenden flüssigen Phase L1 in eine zweite Raumrichtung R' umlenkt, die sich bevorzugt von der ersten Raumrichtung R unterscheidet. Hierbei weist die zweite Raumrichtung R' z.B. eine größere horizontale Komponente auf als die erste
Raumrichtung R. Die Umlenkung zumindest eines Teiles der flüssigen Phase L1 erfolgt dabei bevorzugt so, dass die flüssige Phase L1 des ersten Mediums F1 von der Oberseite 4a weg bzw. an der Oberseite 4a des mindestens einen
Plattenwärmeübertragers 4 vorbei zu leiten. Hierdurch wird sichergestellt, dass die flüssige Phase L1 des ersten Mediums F1 nicht die Oberseite 4a des mindestens einen Plattenwärmeübertragers 4 beaufschlägt.
Hierzu weist die Leiteinrichtung 10 insbesondere zumindest ein plattenförmiges Leitelement 100, insbesondere in Form eines Leitblechs, auf, dass sich entlang der Längsachse erstreckt und im Wesentlichen bündig auf die Seitenwand 6d des
Verteilerkanals stößt bzw. ggf. in diese übergeht. Das mindestens eine Leitelement 100 weist dabei eine Krümmung auf, derart, dass das mindestens eine Leitelement 100 eine konvex gekrümmte erste Seite 100a aufweist, die dem Plattenwärmeübertrager 4 zugewandt ist, sowie eine der ersten Seite 100a abgewandte zweite Seite 100b, die konkav gekrümmt ist und dem Plattenwärmeübertrager 4 abgewandt bzw. dem
Verteilerkanal 6, und zwar dessen Boden 6c, zugewandt ist. Das mindestens eine Leitelement 100 ist nun so angeordnet ist, dass zumindest ein Teil der aus dem
Verteilerkanal 6 durch die mindestens eine Auslassöffnung 6b austretenden flüssige Phase L1 des ersten Mediums F1 auf die zweite Seite 100b auftrifft und an dieser entlang von der Oberseite 4a des Plattenwärmeübertragers 4 weggeleitet wird und lateral zum mindestens einen Plattenwärmeübertrager 4 in das Bad eingeleitet wird.
Das mindestens eine Leitelement 100 ist hierbei mittels eines Rahmens 20 sowohl am Verteilerkanal 6 als auch am Mantel 2 des Wärmeübertragers 1 festgelegt.
Optional kann der Wärmeübertrager, wie in den Figuren 2 und 3 gezeigt, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine zusätzliche Separiereinheit 208 aufweisen, die dazu dient, das erste Medium F1 zu beruhigen, so dass eine gasförmige Phase G1 des ersten Mediums F1 in der Separiereinheit 208 von der flüssigen Phase L1 des ersten Mediums F1 getrennt werden kann. Die Separiereinheit 208 wird von dem
Verteilerkanal 6 in Zusammenwirkung mit der Leiteinrichtung 10 mit dem ersten Medium F1 beschickt. Zum Auffangen des ersten Mediums F1 weist die Separiereinheit 208 dabei eine unterhalb des Verteilerkanals 6 angeordnete, nach oben gewandte Aufnahmeöffnung 209 auf, deren Öffnungsebene sich senkrecht zur Vertikalen erstreckt. Über die Aufnahmeöffnung 209 gelangt das aus dem Verteilerkanal 6 herabfallende erste Medium F1 in einen Aufnahmeraum 207 der Separiereinheit 208. Die Separiereinheit 8 ist dabei als nach oben hin offener Kanal ausgebildet, der sich unterhalb des
Verteilerkanals 6 ebenfalls entlang der Längsachse des Mantels 2 erstreckt, wobei bevorzugt die Separiereinheit 208 entlang der Längsachse des Mantels 2 eine Länge aufweist, die der Länge des Verteilerkanals 6 entlang dieser Längsachse entspricht. Der Aufnahmeraum 207 der Separiereinheit 208 bzw. die Aufnahmeöffnung 209 kann daher auf ihrer gesamten Länge mit dem ersten Medium F1 beschickt werden.
Die Separiereinheit 208 weist eine die Aufnahmeöffnung 209 definierende sowie den Aufnahmeraum 207 begrenzende, umlaufende Wandung auf. Die Wandung weist dabei eine dem Mantelraum 3 bzw. dem Plattenwärmeübertrager 4 zugewandte erste Seitenwand 210 auf, die dem Plattenwärmeübertrager 4 quer zur Längsachse des Mantels 2 in horizontaler Richtung gegenüberliegt. Der ersten Seitenwand 210 liegt eine zweite Seitenwand 213 der Separiereinheit 208 gegenüber, die durch den Mantel 2 gebildet wird. Stirnseitig weist die Separiereinheit 208 eine dritte und eine vierte Seitenwand 214 auf (lediglich eine dieser Seitenwände 214 ist in den Figuren 2 und 3 zu sehen), die sich senkrecht zur Längsachse des Mantels 2 erstrecken und entsprechend der Querschnittsform der Separiereinheit 208 im Wesentlichen dreieckförmig ausgebildet sind (abgesehen von einer Rundung aufgrund des zylindrischen Mantels 2). Entsprechend ist die erste Seitenwand 210 der
Separiereinheit 208 zum Plattenwärmeübertrager 4 hin geneigt, so dass sich der horizontale Querschnitt der Separiereinheit 208 bzw. des Aufnahmeraums 207 in der Vertikalen von unten nach oben zur Aufnahmeöffnung 209 hin vergrößert. Die erste
Seitenwand 210 schließt vorliegend mit der Vertikalen einen Winkel von insbesondere 45° ein.
Bevorzugt sind die Separiereinheit 208 und/oder der Verteilerkanal 6 aus einem oder mehreren Blechen gebildet und mit dem Mantel 2 verschweißt oder in einer sonstigen geeigneten Weise verbunden. Insbesondere können die erste Seitenwand 210 sowie die dritte und vierte Seitenwand 214 jeweils aus einem ebenen Blech gebildet sein und geeignet miteinander verbunden sein (z.B. durch Schweißverbindungen,
Nietverbindungen etc.)
Zum Auslassen der flüssigen Phase L1 des ersten Mediums F1 aus dem
Aufnahmeraum 207 der Separiereinheit 208 weist die erste Seitenwand 210
insbesondere Verteilöffnungen 21 1 auf. Weiterhin können auch in den stirnseitigen Seitenwänden 214 Seitenöffnungen 212 vorgesehen sein, über die die flüssige Phase L1 des ersten Mediums F1 ebenfalls in den Vorlageraum V austreten kann (es ist exemplarisch nur eine Seitenöffnung 212 gezeigt).
Die Wandung der Separiereinheit 208 bzw. die erste, dritte und vierte Seitenwand 210, 214 definieren eine Oberkante der Separiereinheit 208, die die Aufnahmeöffnung 209 berandet und die bevorzugt oberhalb der Füllhöhe 300 der flüssigen Phase L1 im
Vorlageraum V angeordnet ist. Entsprechend gelangt die flüssige Phase L1 des ersten Mediums F1 aus dem Aufnahmeraum 207 bevorzugt lediglich über die Verteil- bzw. Seitenöffnungen 21 1 , 212 in den Vorlageraum V. Die Separiereinheit 208 kann jedoch auch eine flüssigkeitsdichte Tasche bilden, so dass die Wandung der Separiereinheit 208 als Überlaufwand fungiert und entsprechend die flüssige Phase L1 über die Aufnahmeöffnung 209 in den Vorlageraum V gelangt. Weiterhin kann die
Separiereinheit 208 stirnseitig offen ausgebildet sein, also keine dritte und vierte Seitenwand 214 aufweisen. Es ist auch möglich, dass die dritte und vierte Seitenwand 214 in der Vertikalen eine niedrigere Oberkante aufweisen als die erste Seitenwand 210.
Die Verteilöffnungen 21 1 können entlang der Vertikalen schlitzförmig ausgebildet sein. Andere Öffnungsquerschnitte sind auch möglich. Die Verteilöffnungen 21 1 sind bevorzugt über die gesamte Länge der Separiereinheit 208 entlang der Längsachse des Mantels 2 äquidistant zueinander angeordnet. Gemäß Figuren 2 und 3 sind die
Seitenöffnungen 212 bevorzugt als Kreislöcher ausgebildet (der Einfachheit halber ist lediglich eine Seitenöffnung 212 gezeigt). Die Seitenöffnungen 212 können in zur Füllhöhe 300 parallelen, übereinander angeordneten Reihen angeordnet sein. Zum Abziehen der gasförmigen Phase G1 des ersten Mediums F1 aus dem
Abscheideraum A weist der Mantel 2 an einem oberen Bereich des Mantels 2 zumindest einen Auslassstutzen 55 auf. Weiterhin ist an einem unteren Bereich des Mantels 2 ein Auslass 59 vorgesehen, welcher zum Auslassen der flüssigen Phase des ersten Mediums F1 aus dem Vorlageraum V vorgesehen ist. Mittels einer
Überlaufwand 58 wird eine Mindestfüllhöhe des ersten Mediums F1 im Vorlageraum V sichergestellt.
Bezugszeichenliste
1 Wärmeübertrager
2 Mantel
3 Mantelraum
4 Plattenwärmeübertrager
a Oberseite
6 Verteileinrichtung bzw. Verteilerkanal
a Innenraum der Verteileinrichtung bzw. des Verteilerkanals b Auslassöffnung der Verteileinrichtung bzw. des Verteilerkanals c Boden
d Seitenwand
10 Leiteinrichtung
0 Rahmen
0 Auslassöffnungen
1 , 42, 43, 44 Oberkanten
1 , 53, 57 Einlassstutzen
8 Überlaufwand
2, 54, 55, 56, 59 Auslassstutzen
1 , 62, 63, 64 Header
1 Erste Wärmeübertragungspassagen
2 Zweite Wärmeübertragungspassagen
0 Fin (Wärmeleitstruktur)
0 Trennplatten
1 ; Sidebars
100 Leitelement
100a Erste Seite
100b Zweite Seite
140 Durchgangsöffnung
07 Aufnahmeraum
08 Separiereinheit
09 Aufnahmeöffnung
10 Erste Seitenwand
11 Verteilöffnung
212 Seitenöffnung
213 Zweite Seitenwand
214 Dritte bzw. vierte Seitenwand
300 Füllhöhe der flüssigen Phase des ersten Mediums im Mantelraum
A Abscheideraum
F1 Erstes Medium
F2 Zweites Medium
G1 Gasförmige Phase erstes Medium
L1 Flüssige Phase erstes Medium
R, R' Raumrichtung
V Vorlageraum