EP3237825B1 - Wärmeübertrager, insbesondere block-in-shell-wärmeübertrager mit einer separiereinheit zum separieren einer gasförmigen phase von einer flüssigen phase sowie zum verteilen der flüssigen phase - Google Patents

Wärmeübertrager, insbesondere block-in-shell-wärmeübertrager mit einer separiereinheit zum separieren einer gasförmigen phase von einer flüssigen phase sowie zum verteilen der flüssigen phase Download PDF

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EP3237825B1
EP3237825B1 EP15808106.7A EP15808106A EP3237825B1 EP 3237825 B1 EP3237825 B1 EP 3237825B1 EP 15808106 A EP15808106 A EP 15808106A EP 3237825 B1 EP3237825 B1 EP 3237825B1
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EP
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heat exchanger
medium
liquid phase
separating unit
side wall
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Steffen Brenner
Paul Raymond Davies
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Linde GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger for the indirect transfer of heat between a first and a second medium, in particular in the form of a so-called block-in-shell heat exchanger.
  • a heat exchanger for the indirect transfer of heat between a first and a second medium, in particular in the form of a so-called block-in-shell heat exchanger.
  • a container in which at least one plate heat exchanger is arranged, which is flowed through by a second medium to be cooled.
  • the plate heat exchanger is located in a bath of a liquid phase of the first medium. Due to the heat introduced by the second medium to be cooled, the warming (and usually partially evaporating) first medium rises in the plate heat exchanger (thermosiphon effect).
  • the first medium for cooling is usually supplied as a two-phase fluid, comprising a liquid and a gaseous phase in the container, which is disadvantageous that the gaseous phase can be at least partially registered in the refrigerant bath in the plate heat exchanger. This happens in particular at high inflow velocities of the two-phase first medium. If gaseous fluid is introduced from below into a plate heat exchanger, the thermosiphon effect is (adversely) influenced. In addition, blocking bubbles can lead to unsteady inflow (from below) into the plate heat exchanger.
  • Heat exchanger of the type mentioned and according to the preamble of claim 1 are, for example, in " The standards of the brazed aluminum plate-fin heat exchanger manufacturers' association (ALPEMA) ", third edition, 2010, page 67 in Fig. 9-1.
  • Such heat exchangers have a container or shell ("shell” or “Kettle"), which encloses a jacket or interior, and at least one arranged in the shell space or interior plate heat exchanger ("core” or "block”).
  • core-in-shell or "block-in-kettle” heat exchanger.
  • a heat exchanger comprising a container having an interior for receiving the two-phase first medium, a plate heat exchanger arranged in the interior for indirect heat transfer between the first medium and the second medium, wherein the interior is adapted to the first medium with a Include filling level, such that a liquid phase of the first medium forms a heat exchanger surrounding the bath, and an inlet for introducing the first medium into the interior, according to the invention in the interior of a receiving space forming separating unit for separating the gaseous phase from the liquid phase as far as possible the first medium is provided before the liquid phase is supplied to the Victoriaraum, wherein the separating unit has at least one upwardly directed receiving opening for introducing flowing in the interior of the first medium into the receiving space, and wherein the na is arranged above the receiving opening above or on the filling level, so that the recorded in the receiving space gaseous phase of the first medium can escape through the receiving opening into the interior or the separation chamber, and further wherein a manifold is provided in the interior, which with the
  • the separation chamber is that part of the interior which is located above the liquid level in the interior and correspondingly is available for receiving the gaseous phase of the first medium.
  • the arrangement of the receiving opening does not necessarily have to be related to the filling level, but can alternatively or additionally also be related to an upper side or upper edge of the plate heat exchanger or the plate heat exchanger block.
  • an upper edge (relative to the vertical) of the receiving opening preferably in the range of 0mm to 100mm, more preferably in the range of 0mm to 50mm, more preferably in the range of 0mm to 25 mm above the top or top of the Plattenabiastedtragers, said the value 0mm corresponds to the level of the upper side or the upper edge of the plate heat exchanger in the direction of the vertical.
  • the separating unit serves, in particular, for removing the amount of residual gas from the liquid, so that as far as possible no gas is introduced into the preliminary storage space (due to the influence of the inlet stream into the container).
  • the separating unit differs from other separators (e.g., the jacket separation space, the entrance channel for pre-separation, etc.).
  • the separating unit can advantageously also be used to distribute the liquid in the container, namely in particular when e.g. Resistance elements (such as weirs or perforated partitions) are installed in the shell space (interior space) of the heat exchanger and this complicate the distribution / obstruct.
  • the separating unit has a first side wall facing the interior.
  • the first side wall may have at least one distribution opening, wherein the at least one distribution opening is preferably arranged at least partially below the filling level, so that the liquid phase of the first medium can be introduced via the at least one distribution opening into the bath surrounding the plate heat exchanger.
  • a plurality of such distribution openings are formed in the first side wall.
  • the first side wall may also be formed as an overflow wall.
  • the first side wall is then formed liquid-impermeable, ie, has no distribution openings, so that the liquid phase of the first medium, if necessary an upper edge of the first side wall can flow into the montraum.
  • the neutrraum is that portion of the interior, which can take or take the bath formed from the liquid phase of the first medium.
  • the separating unit can be designed both as an overflow bag and as a (liquid) permeable bag, i. the position and direction of the liquid outlet is in particular freely selectable.
  • the separating unit extends in particular along a (horizontal in operation) longitudinal axis of the container and is e.g. formed as upwardly open (receiving opening) channel, wherein the inner side facing the first side wall optionally has said, at least one distribution opening.
  • the said filling level is to be understood in particular as a desired height at which the liquid level of the liquid phase of the first medium is during the intended operation of the heat exchanger.
  • the plate heat exchanger may be immersed in a proper operation completely in the bath formed by the liquid phase of the first medium, but may also protrude with its top from the bath.
  • the fill level with respect to the top (or top) of the plate heat exchanger is in the range of -500mm to + 100mm, more preferably in the range of -300mm to + 100mm, more preferably in the range of -300mm to + 50mm preferably in the range of -300mm to + 25mm, even more preferably in the range of -300mm to 0mm.
  • the value 0mm corresponds to the level of the top (see above).
  • Negative values indicate that the fill level in the vertical direction is below the top / top of the plate heat exchanger.
  • the container of the heat exchanger may have a cylindrical (in particular in operation) cylindrical, along a longitudinal axis extending jacket and final (domed) floors at both ends of the cylindrical shell.
  • the heat exchanger has an inlet on the jacket, through which the (usually) two-phase fluid can be introduced into the container.
  • the inlet is provided in particular above the filling level.
  • the biphasic fluid flows substantially top to bottom between the inlet and the fill level, or in the presence of a manifold (see below) between the manifold and the fill level. This causes a part of the gas phase of the two-phase fluid is already separated here before the remaining / remaining fluid enters the bath in the so-called Morrisraum below or at filling level.
  • a separating unit between the filling level and the inlet or between the filling level and a distributor (see below), which at least forms a receiving space for the two-phase fluid.
  • a separating unit between the filling level and the inlet or between the filling level and a distributor (see below), which at least forms a receiving space for the two-phase fluid.
  • a plurality of separating units may be arranged within the container, which are aligned and arranged in the direction of the longitudinal axis of the container, wherein in each case one inlet may be associated with a separating unit.
  • the separating unit forms at least one upwardly open or directed receiving opening, via which the two-phase first medium entering from the inlet into the interior of the container can enter the receiving space of the separating unit.
  • the receiving opening is preferably located above the filling level, so that separated or separating gas can escape upwards out of the receiving space and not via the at least one distribution opening of the first side wall of the separating unit is entered into the liquid bath.
  • the first side wall has a plurality of distribution openings for discharging the liquid phase of the first medium from the receiving space.
  • entrained gas or entrained gas bubbles have sufficient time to exit their buoyancy force via the receiving opening of the separating unit into the separating chamber, before they could be introduced into the bath via the possibly existing distribution openings.
  • the separating unit is made of (in particular flat) metal sheets.
  • the separating unit may further be made, for example, from machined tubes, machined solid materials, molded or extruded sections, or a suitable combination of such materials.
  • the separating unit can be open both over its entire length (i.e., towards the separating space) and can also have sections closed at the top (in the closed sections there is no inflow of liquid to the separating unit). Furthermore, the separating unit can extend along the longitudinal axis of the jacket or container both over the entire area of the interior of the container and only over selected areas.
  • a distributor is furthermore preferably provided, which is in flow connection with the inlet and has at least one, preferably a plurality of downwardly directed outlet openings.
  • the distributor or its outlet openings are preferably arranged along the vertical (relative to a heat exchanger arranged as intended or in operation) above the separating unit and above the filling level.
  • a flow of the two-phase first medium can take place over an entire length of the separating unit or receiving opening along the longitudinal axis of the container.
  • the separating unit and optionally the distributor preferably form channels which extend in the direction of the longitudinal axis of the container.
  • the distributor and the separating unit also have the same length along the longitudinal axis.
  • the distributor already effects a first reduction in the entry speed of the first medium, so that a pre-separation, i. a coarse separation of gas phase and liquid phase is achieved.
  • a pre-separation i. a coarse separation of gas phase and liquid phase is achieved.
  • the flow is distributed over a greater length by means of the distributor, so that an inlet with a small cross-section and thus high flow rates can be used without these high speeds being transferred into the container.
  • the distributor or its at least one outlet opening is arranged vertically above the receiving opening of the separating unit, so that the first medium can flow down through the receiving opening into the receiving space of the separating unit.
  • the separating unit has a second side wall, which is opposite to the first side wall and is preferably formed by a wall of the container or shell of the container.
  • the separating unit is therefore in other words attached to an inner side of the jacket of the container.
  • the second side wall may also be formed separately from the jacket.
  • the receiving space can be produced with particularly low use of material.
  • the separating unit is advantageously welded, glued, or otherwise positively or non-positively joined with its own second side wall or with the second side wall formed from the wall of the container to the wall of the container.
  • the separating unit may be mounted at a suitable place other than the jacket (for example at the plate heat exchanger).
  • the side walls of the separating unit are provided as sheet metal parts.
  • the separating unit further comprises a third and a fourth side wall, which form in particular end faces of the longitudinally extending separating unit.
  • the third and fourth sidewalls respectively connect the first sidewall to the second sidewall, the third and fourth sidewalls preferably perpendicular to the longitudinal axis of the container run.
  • the third and the fourth side wall each have at least one side opening.
  • the side openings are formed, for example, as a circular hole.
  • An upper edge of the separating unit is preferably above the filling level, so that the liquid phase can only - if present - through the distribution openings (and possibly further openings of the side walls of the separating unit) can reach the bathroom in the storage room.
  • the side walls of the separating unit completely delimit the receiving space from the liquid bath in the original space, that is, the liquid phase of the first medium enters the liquid bath in the storage space only via the receiving space of the separating unit.
  • the momentum or kinetic energy of the falling first medium is reduced in the receiving space.
  • Gas bubbles can rise upwards and enter the separation chamber via the intake opening. The entry of gas bubbles in the navalraum or in the first heat transfer passages of the plate heat exchanger is thus avoided.
  • the liquid flow of the first medium is not adversely affected by the inlet flow.
  • no third and fourth side walls are provided and the receiving space is thus open at the end faces.
  • third and fourth side walls may be provided, the upper edges are below the filling height.
  • the separating unit is arranged in a horizontal, perpendicular to the longitudinal axis of the container extending direction laterally to the heat exchanger and thereby extends along (in particular parallel) of the heat exchanger and the longitudinal axis of the container.
  • the liquid phase of the first medium can therefore also leave the receiving space through the distribution openings in the vertical direction downward.
  • the first side wall may include an angle with the vertical in the range of 15 ° to 75 °.
  • the inclination angle of the first side wall is about 45 °.
  • the at least one distribution opening is formed as a slot. Due to the slot-shaped design of the distribution openings per opening a relatively large flow-through surface is achieved. A longitudinal extent of such slots preferably extends along the vertical. That is, a slot-shaped distribution opening has a lower and a parallel upper edge, which are significantly shorter than the two parallel side edges of the distribution opening, which extend between the lower and upper edge.
  • the nature and position of the openings can be chosen according to various aspects (for example, horizontal and vertical expansion, production costs, etc.). This applies to all sidewalls.
  • the separating unit can be manufactured from all suitable materials (such as aluminum, steel or plastic). A combination of suitable materials is possible.
  • suitable materials such as aluminum, steel or plastic.
  • the shape, size and number of elements used a separating unit can be designed both according to manufacturing technology as well as procedural aspects. In doing so, it is also possible to discuss specific plant-specific features. Each of the elements used can be designed individually.
  • the elements of the separating unit can be solid, perforated or slotted. In this case, for example, used sheets can be both flat and profiled.
  • At least the first side wall, as well as the end-side side walls (third and fourth side wall) are formed from a sheet metal.
  • a sheet metal preferably flat sheets are used, in which, if appropriate, said distribution and optionally side openings are introduced.
  • the separating unit is particularly inexpensive to produce and leads to no significant increase in the cost of the heat exchanger over a prior art heat exchanger without separation unit.
  • the sheets may be interconnected by any suitable connecting means, e.g. by means of welded joints or riveted joints, etc.
  • the heat exchanger arranged in the interior of the heat exchanger according to the invention is a plate heat exchanger.
  • This has first heat transfer passages for receiving the first medium and second heat transfer passages for receiving the second medium, wherein the heat transfer passages are separated by separating plates (eg dividing plates).
  • separating plates eg dividing plates
  • each between adjacent partition plates are provided, for example in the form of folded or corrugated sheets (so-called fins).
  • the outermost layers of the plate heat exchanger are formed by cover plates.
  • a plurality of parallel channels or a first or second heat transfer passage are formed between each two partition plates or between a partition plate and a cover plate due to the respectively arranged therebetween
  • a first or second heat transfer passage are formed between each two partition plates or between a partition plate and a cover plate due to the respectively arranged therebetween
  • the first and second heat transfer passages are preferably arranged adjacent to each other, so that heat can be transferred indirectly between the first and the second medium or fluid.
  • the two media can be performed in the associated passages, for example in cross-flow, in countercurrent or cross-counterflow to each other.
  • each first heat transfer passage at the bottom of the plate heat exchanger has an inlet opening (see above), through which the liquid phase of the first medium can get into the first heat transfer passages, and an outlet opening at the top of the plate heat exchanger, via which the first medium at the top of the plate heat exchanger can emerge as a two-phase current.
  • the cover plates, separator plates, fins and side bars are preferably made of aluminum and are preferably soldered together, for example in an oven.
  • the plate heat exchanger preferably has a first header (also referred to as a header) in fluid communication with the second heat transfer passages so that the second medium can be introduced into the second heat transfer passages via the first header and a second header (or header). which is also in flow communication with the second heat transfer passages so that the second medium is removable from the second heat transfer passages via the second collector.
  • a first header also referred to as a header
  • a second header or header
  • a plurality of plate heat exchangers can be arranged in the interior of the container.
  • Each plate heat exchanger may then be e.g. a separation unit according to the invention and optionally a distributor assigned.
  • the heat exchanger has a guide device arranged below the distributor, which is designed to conduct the liquid phase of the first medium emerging from the at least one outlet opening.
  • the guide device is preferably designed to guide at least a part of the liquid phase leaked from the at least one outlet opening into a second spatial direction, the second spatial direction in particular being different from the first spatial direction, and in particular the second spatial direction being one Has greater horizontal component than the first spatial direction or the jacket of the container points out.
  • the first spatial direction runs in particular along the vertical.
  • the guide device is furthermore designed to direct the liquid phase of the first medium away from the upper side of the plate heat exchanger and / or past the upper side.
  • the guide is designed to direct the liquid phase of the first medium so that the liquid phase does not act on the top of the plate heat exchanger.
  • the guide device preferably has at least one plate-shaped guide element, in particular in the form of a guide plate.
  • the at least one guide element preferably has a curvature.
  • the at least one guide element in particular has a convexly curved first side, which faces the plate heat exchanger, and a second side facing away from the first side, concavely curved second side facing away from the plate heat exchanger and / or facing the distributor channel.
  • the guide device extends over the entire distributor or only over a section of the distributor.
  • the at least one guide element may have a plurality of passage openings for the first medium.
  • the separating unit extends over more than half the length of the jacket of the container (along the horizontal longitudinal axis), preferably over more than 80% of this length, more preferably over more than 90% of this length.
  • the background here is, in particular, the fact that the separating unit can also be used to distribute the liquid phase in the jacket space, for example in the case of resistance elements installed in the jacket space.
  • the separating unit can then extend beyond these elements in the shell space.
  • the inlet into the jacket space may be present in only one half of the shell, for example, but the separating unit can extend over almost the entire shell length (see above).
  • Fig. 1 shows in connection with the Figures 2 and 3
  • This comprises a container 2, which has a cylindrical jacket 17 which extends along a longitudinal axis or cylinder axis, which extends at a designated heat exchanger 1 or during operation of the unit 1 along the horizontal.
  • the container 2 surrounds an interior or shell space I, in which at least one plate heat exchanger 5, is arranged.
  • at least one plate heat exchanger 5 is arranged.
  • two plate heat exchangers 5 are provided in the interior I.
  • only a plate heat exchanger 5 will be described by way of example.
  • an inlet 6 for a two-phase first medium 4 is provided, which is to be introduced into the interior I of the container 2, there to form a plate heat exchanger 5 surrounding bath with a defined level 3.
  • This area of the interior I is also referred to as fundamentalraum V.
  • the area above the liquid bath with the filling level 3 is referred to as the separation space A.
  • This space A is available for receiving a gaseous phase 39 of the first medium 4, which is to be deposited from the first medium.
  • the filling level 3 is particularly dimensioned that the plate heat exchanger 5 protrudes from the bath (first medium 4) only with a horizontally extended upper side 28.
  • the inlet 6 for the first medium 4 is in fluid communication with a manifold 13 which is formed as a channel extending along the longitudinal axis of the jacket 17.
  • the distributor 13 is attached to an inner side of the jacket 17 facing the inner space I, so that part of the wall of the distributor 13 is formed by the jacket 17 itself.
  • the distributor 13 surrounds a distributor space 21 which extends along the longitudinal axis of the jacket 17 and has a predetermined distributor length 14 along the longitudinal axis of the jacket 17.
  • Placed perpendicularly below the distributor 13 is a separating unit 8, which serves to calm the first medium 4, so that a gaseous phase 39 of the first medium 4 in the separating unit 8 can be largely separated from the liquid phase 38 of the first medium 4, before the liquid phase 38 is supplied to the excraum V.
  • FIG. 2 The relative position of the inlet 6, the manifold 13 and the separating unit 8 are in the sectional side view in FIG Fig. 2 and Fig. 3 shown.
  • Fig. 2 the location of a detail Z is shown, which in Fig. 3 is shown.
  • the position of the sectional view is in Fig. 1 designated AA.
  • the manifold 13 has a horizontally extending along the longitudinal axis of the shell 17 bottom with outlet openings in the form of through holes 37, over the entire length 14 of the manifold 13 and distribution chamber 21, the introduced into the distribution chamber 21 first medium 4 in a through the Separation unit 8 formed receiving space 7 can be given.
  • the separating unit 8 has an upwardly directed receiving opening 9, which is arranged below the distributor 13 and whose opening plane extends perpendicular to the vertical 23. Via the receiving opening 9, the first medium 4 falling from the distributor 13 enters the receiving space 7.
  • the separating unit 8 is designed as an open-topped channel, which also extends below the distributor 13 along the longitudinal axis of the jacket 17, wherein the preferred embodiment of FIG Separating unit 8 along the longitudinal axis of the shell 17 has a length 15 which corresponds to the distributor length 14 along the longitudinal axis of the shell 17.
  • the receiving space 7 of the separating unit 8 or the receiving opening 9 can therefore be charged with the first medium 4 over its entire length 15.
  • the separation unit 8 has a receiving opening 9 defining and the receiving space 7 limiting, circumferential wall.
  • the wall has a first side wall 10 facing the interior I or the plate heat exchanger 5, which faces the plate heat exchanger 5 transversely to the longitudinal axis of the jacket 17 in the horizontal direction.
  • the first side wall 10 is opposite to a second side wall 16 of the separating unit 8, which is formed by the jacket 17.
  • the separating unit 8 has a third and a fourth side wall 19, 20 which extend perpendicularly to the longitudinal axis of the jacket 17 and are substantially triangular in shape (apart from a rounding due to the cylindrical jacket 17) corresponding to the cross-sectional shape of the separating unit 8.
  • the first side wall 10 of the separating unit 8 is inclined towards the plate heat exchanger 5, so that the horizontal cross section of the separating unit 8 or the receiving space 7 in the vertical increases from bottom to top towards the receiving opening 9.
  • the first side wall 10 encloses an angle of, in particular, 45 ° with the vertical.
  • the separating unit 8 and / or the distributor 13 are formed from one or more sheets and welded to the wall 17 of the container 2 or connected in any other suitable manner.
  • each of the first side wall 10 and the third and fourth side walls 19, 20 may be formed of a flat sheet and suitably connected to each other (e.g., by welded joints, rivets, etc.).
  • the first side wall 10 distribution openings 11 For discharging the liquid phase 38 of the first medium 4 from the receiving space 7 of the separating unit 8, the first side wall 10 distribution openings 11. Furthermore, side openings 12 in the form of passage openings are provided in the end-side side walls 19, 20, via which the liquid phase 38 of the first medium 4 can likewise exit into the storage space V.
  • the wall of the separating unit 8 or the first, third and fourth side wall 10, 19, 20 define an upper edge of the separating unit 8, which borders the receiving opening 9 and which is preferably arranged above the filling level 3. Accordingly, the liquid phase 38 of the first medium 4 passes out of the receiving space 7 preferably only via the distribution or side openings 11, 12 in the navalraum V.
  • the distribution openings 11 are slit-shaped along the verticals 23.
  • the distribution openings 11 are preferably arranged equidistant from one another over the entire length 15 of the separating unit.
  • the side openings 12 are preferably formed as circular holes, which each form a sufficient total cross-sectional area in parallel to the filling level 3 arranged rows arranged for different levels.
  • the openings 11, 12 are all below the filling level. 3
  • the container 2 has at least one outlet connection 22 at an upper region of the jacket 17. Furthermore, an outlet 36 is provided at a lower region of the jacket 17, which is provided for discharging the liquid phase 38 of the first medium 4 from the Morrisraum V. By means of an overflow wall 35, a minimum filling level of the liquid phase 38 of the first medium 4 in the storage space V is ensured.
  • the plate heat exchanger 5 has first heat transfer passages 24 for the first medium 4 and parallel second heat transfer passages 25 for the second medium 4a.
  • the heat transfer passages 24, 25 are separated from one another by partition plates and preferably have heat-conducting structures 26 (eg in the form of, in particular, corrugated fins).
  • the second heat transfer passages 25 are closed to the outside (ie, to the jacket space I).
  • an inlet 31 is provided on the jacket 17 of the container 2, which is in flow communication with a first collector 31a through which the individual second heat transfer passages 25 can be charged with the second medium 4a.
  • the plate heat exchanger 5 further has a second collector 32 a, which is in flow communication with an outlet 32 provided on the jacket 17.
  • the second medium 4a is removable from the second heat transfer passages 25 via the second collector 32a and can be withdrawn from the heat exchanger 1 via the outlet 32.
  • the first heat transfer passages 24 are designed to be open towards the upper side 28 of the plate heat exchanger 5 and to an underside 29 of the plate heat exchanger 5 facing away from the upper side, and have outlet or inlet openings 27, 30 there.
  • the liquid phase of the first medium 4 can enter the first heat transfer passages 24 through the inlet openings 30 on the lower side 29 and can leave them again on the upper side 28 via the outlet openings 27.
  • the first medium 4 or the portion of the first medium 4 remaining after the partial separation of the gas phase 39 flows from the distributor chamber 21 of the distributor 13 via the receiving opening 9 into the receiving space 7 of the separating unit 8 and is there collected.
  • the liquid phase 38 of the first medium 4 then passes through the distribution and possibly side openings 11, 12, which are below the filling level 3 of the liquid bath, in the liquid bath in the storage room V and there occurs via the inlet openings 30 at the bottom 29 of the plate heat exchanger 5 in the first heat transfer passages 24 a.
  • the registered gaseous phase 39 of the first medium 4 rises and exits through the receiving opening 9 from the receiving space 7 of the separating unit 8 in the separation chamber A. From the separation chamber A, the gaseous phase 39 of the first medium 4 is withdrawn via the at least one outlet connection 22.
  • the two-phase first medium 4 is supplied continuously via the inlet 6 and the liquid phase 38 of the first medium 4, which is not required in this heat exchanger, is discharged via the outlet 36, so that in particular a continuous cooling process can take place under defined conditions.
  • the liquid phase 38 of the first medium 4 enters the inlet openings 30 on the underside 29 and rises in the first heat transfer passages 24 due to the thermosyphon effect.
  • a second medium 4a is introduced into the adjacent second heat transfer passages 25, so that heat from the second medium 4a is indirectly transferred to the first medium 4.
  • the first medium 4 is thereby heated or partially evaporated and occurs at the top 28 of the plate heat exchanger 5 usually as a two-phase current from the Outlet openings 27 of the first heat transfer passages 24 from.
  • the remaining liquid phase 38 of the first medium 4 then circulates again down to the inlet openings 30 while the gaseous phase 39 rises in the separation chamber A and is withdrawn from the separation chamber A via the at least one outlet connection 22.
  • FIG. 4 in a heat exchanger 1 by type FIGS. 1 to 3 arranged in the vertical direction below the manifold 13, a guide 100, which is designed to conduct the emerging from the at least one outlet opening 37 liquid phase 38 of the first medium 4, wherein the guide 100 in particular at least a portion of the in a first (in particular vertical) spatial direction R from the at least one outlet opening 37 downstream liquid phase 38 deflects in a second spatial direction R ', which preferably differs from the first spatial direction R.
  • the second spatial direction R ' has a larger horizontal component than the first spatial direction R.
  • the deflection of at least a portion of the liquid phase 38 is preferably carried out so that the liquid phase 38 of the first medium 4 away from the top 28 or at the Over the top 28 of the heat exchanger or Platten Creekschreibers 5 to pass.
  • This ensures that the liquid phase 38 of the first medium 4 does not act on the upper side 28 of the at least one plate heat exchanger 5.
  • the guide device 100 has, in particular, at least one guide element 101, in particular in the form of a guide plate, which extends along the longitudinal axis of the container 2 or jacket 17 and in particular strikes substantially flush with a vertical side wall 103 of the distributor channel facing the interior I. . if necessary, passes into this.
  • the distribution channel 13 or the vertical side wall 103 and the guide element 101 may also be provided along the longitudinal axis of the shell 17 or container 2 extending gap through which a gaseous phase 39 of the first medium 4 can get into the separation chamber A.
  • the at least one guide element 101 has in particular a curvature or inclination such that the at least one guide element 101 has a particularly convexly curved first side 101a facing the plate heat exchanger 5 and a second side 101b facing away from the first side 101a is in particular concavely curved and facing away from the plate heat exchanger 5 and the distributor 13 faces.
  • the at least one guide element 101 is in this case arranged so that at least part of the liquid phase 38 of the first medium 4 emerging from the distributor 13 through the at least one outlet opening 37 impinges on the second side 101b and along the upper side 28 of the plate heat exchanger 5 is routed away and is introduced laterally to at least one plate heat exchanger 5 in the bath.
  • the at least one guide element 101 is preferably fixed by means of a frame 102 both on the distributor 13 and on the jacket 17 of the container 2.
  • the separating unit 8 can in principle have a device 200 for guiding and / or checking the liquid phase 38 in the receiving space 7, as shown by way of example in FIG Fig. 4 is shown.
  • the device 200 may, for example, comprise at least one guide element or plate 201 for deflecting and / or braking a flow of the liquid phase 38, or a mesh 202, in particular a wire mesh, for slowing down a flow of the liquid phase 38 and / or for supporting the agglomeration of gas bubbles of a entrained gaseous phase in the receiving space 7 is used.
  • Fig. 4 shows a possible embodiment of such a device 200, the wire mesh is arranged, for example, in the lower region of the receiving space 7.
  • the guide element or sheet 201 extends, for example, starting from the first side wall 10 above the distribution openings 11 in the direction of the opposite second side wall 16 and the shell 17.
  • the plate 201 thus prevents a direct flow of the liquid phase 38 in the receiving space 7 in the direction of the distribution openings 11 forms.
  • the two components 201, 202 do not necessarily have to be combined.
  • the arrangement of the guide element 201 can be varied depending on the existing in the receiving space 7 flow. The aim is in particular to suppress a direct flow of the liquid phase 38 to the distribution openings 11.
  • a gaseous phase 39 of the first medium 4 can be largely separated from the liquid phase 38 of the first medium 4, before the liquid phase 38 is supplied to the storage room V, and in particular a better control and distribution of the liquid phase 38th of first medium 4 can be achieved.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager zum indirekten Übertragen von Wärme zwischen einem ersten und einem zweiten Medium, insbesondere in Form eines sogenannten Block-in-Shell-Wärmeübertragers. (ebenfalls gebräuchlich sind die Bezeichnungen Core-in-Shell- oder Block-in-Kettle-Wärmeübertrager)
    Im Stand der Technik ist es bekannt, einen Behälter zu verwenden, in welchem zumindest ein Plattenwärmeübertrager angeordnet ist, welcher von einem zu kühlenden zweiten Medium durchströmt wird. Der Plattenwärmeübertrager befindet sich dabei in einem Bad einer flüssigen Phase des ersten Mediums. Auf Grund der von dem zu kühlenden zweiten Medium eingetragenen Wärme steigt das sich erwärmende (und üblicherweise auch teilweise verdampfende) erste Medium in dem Plattenwärmeübertrager auf (Thermosiphoneffekt). Das erste Medium zum Kühlen wird dabei in der Regel als zweiphasiges Fluid, aufweisend eine flüssige sowie eine gasförmige Phase, in den Behälter zugeführt, wobei nachteilig ist, dass die gasförmige Phase zumindest teilweise in das Kältemittelbad im Bereich des Plattenwärmeübertragers eingetragen werden kann. Dies geschieht insbesondere bei hohen Zustromgeschwindigkeiten des zweiphasigen ersten Mediums. Wird gasförmiges Fluid von unten in einen Plattenwärmeübertrager eingetragen, wird der Thermosiphoneffekt (nachteilig) beeinflusst. Zudem kann es durch blockierende Blasen zu unstetiger Einströmung (von unten) in den Plattenwärmeübertrager kommen.
  • Wärmeübertrager der eingangs genannten Art und nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sind z.B. in "The standards of the brazed aluminium plate-fin heat exchanger manufacturers' association (ALPEMA)", dritte Ausgabe, 2010, Seite 67 in Figur 9-1 beschrieben. Derartige Wärmeübertrager weisen einen Behälter bzw. Mantel ("Shell" oder "Kettle") auf, der einen Mantel- oder Innenraum umschließt, sowie mindestens einen im Mantelraum bzw. Innenraum angeordneten Plattenwärmeübertrager ("Core" oder "Block"). Eine solche Ausführung eines Wärmeübertragers nennt man daher auch "Core-in-Shell"- oder "Block-in-Kettle"-Wärmeübertrager.
  • Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Die erfindungsgemäßen Merkmale ergeben sich aus den unabhängigen Ansprüchen, zu denen vorteilhafte Ausgestaltungen in den abhängigen Ansprüchen aufgezeigt werden. Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, die ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Wärmeübertrager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Danach wird ein Wärmeübertrager vorgeschlagen, mit einem Behälter, der einen Innenraum zur Aufnahme des zweiphasigen ersten Mediums aufweist, einem im Innenraum angeordneten Plattenwärmeübertrager zur indirekten Wärmeübertragung zwischen dem ersten Medium und dem zweiten Medium, wobei der Innenraum dazu ausgebildet ist, das erste Medium mit einer Füllhöhe aufzunehmen, derart, dass eine flüssige Phase des ersten Mediums ein den Wärmeübertrager umgebendes Bad ausbildet, und einem Einlass zum Einleiten des ersten Mediums in den Innenraum, wobei erfindungsgemäß im Innenraum eine einen Aufnahmeraum bildende Separiereinheit zum weitestgehenden Separieren der gasförmigen Phase von der flüssigen Phase des ersten Mediums vorgesehen ist, bevor die flüssige Phase dem Vorlageraum zugeführt wird, wobei die Separiereinheit zumindest eine nach oben gerichtete Aufnahmeöffnung zum Einleiten von im Innenraum herabströmendem erstem Medium in den Aufnahmeraum aufweist, und 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 Innenraum bzw. Abscheideraum entweichen kann, und wobei weiterhin ein Verteiler im Innenraum vorgesehen ist, welcher mit dem Einlass in Strömungsverbindung steht und entlang der Vertikalen oberhalb der Aufnahmeöffnung sowie oberhalb der Füllhöhe angeordnet ist, wobei der Verteiler dazu ausgebildet ist, das erste Medium auf die Aufnahmeöffnung zu verteilen.
  • Der Abscheideraum ist derjenige Teil des Innenraumes der sich oberhalb des Flüssigkeitspegels im Innenraum befindet und entsprechend zur Aufnahme der gasförmigen Phase des ersten Mediums zur Verfügung steht.
  • Die Anordnung der Aufnahmeöffnung muss nicht zwingend auf die Füllhöhe bezogen werden, sondern kann alternativ oder ergänzend auch 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.
  • Erfindungsgemäß dient die Separiereinheit insbesondere dem Entfernen der Restgasmenge aus der Flüssigkeit, damit möglichst kein Gas (durch den Einfluss des Eintrittsstromes in den Behälter) in den Vorlageraum eingetragen wird. Somit unterscheidet sich die Separiereinheit von anderen Abscheidern (z.B. Abscheideraum des Mantels, Verteilerkanal am Eintritt zur Vorabscheidung etc.). Weiterhin kann die Separiereinheit mit Vorteil auch zur Verteilung der Flüssigkeit im Behälter verwendet werden, nämlich insbesondere dann, wenn z.B. Widerstandselemente (z.B. Wehre oder perforierter Trennwände) im Mantelraum (Innenraum) des Wärmeübertragers verbaut sind und diese die Verteilung erschweren/behindern.
  • 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 Plattenwärmeübertrager umgebende Bad einleitbar ist. Bevorzugt sind mehrere derartige Verteilöffnungen in der ersten Seitenwand ausgebildet.
  • 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 ggf. über eine Oberkante der ersten Seitenwand in den Vorlageraum strömen kann. Der Vorlageraum ist dabei derjenige Bereich des Innenraumes, den das aus der flüssigen Phase des ersten Mediums gebildete Bad einnehmen kann bzw. einnimmt.
  • 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.
  • Die Separiereinheit erstreckt sich insbesondere entlang einer (im Betrieb horizontalen) Längsachse des Behälters und ist z.B. als nach oben hin offener (Aufnahmeöffnung) Kanal ausgebildet, wobei dessen zum Innenraum weisende erste Seitenwand ggf. die besagte, mindestens eine Verteilöffnung aufweist.
  • 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 durch die flüssige Phase des ersten Mediums gebildete Bad eingetaucht sein, kann aber auch mit seiner Oberseite aus dem Bad herausragen.
  • 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.
  • Sofern vorliegend von einer Oberseite bzw. Oberkante des Plattenwärmeübertragers die Rede ist, ist hiermit insbesondere die horizontale (insbesondere ebene) Oberseite bzw. Oberkante des Plattenwärmeübertragerblocks gemeint, die insbesondere durch die Trennwände, Sidebars und Fins definiert wird. Die Sammler und Stutzen bzw. eine sich daran anschließende Verrohrung bilden keinen Teil dieser Oberfläche des Plattenwärmeübertragers.
  • Der Behälter des Wärmeübertragers kann einen (insbesondere im Betrieb liegenden) zylindrischen, entlang einer Längsachse erstreckten Mantel aufweisen sowie abschließende (gewölbte) Böden an beiden Enden des zylindrischen Mantels.
  • Der Wärmeübertrager weist am Mantel einen Einlass auf, durch den das (üblicherweise) zweiphasige Fluid in den Behälter eingetragen werden kann. Der Einlass ist insbesondere oberhalb der Füllhöhe vorgesehen. Somit strömt das zweiphasige Fluid zwischen dem Einlass und der Füllhöhe bzw. bei Vorhandensein eines Verteilers (siehe unten) zwischen dem Verteiler und der Füllhöhe im Wesentlichen von oben nach unten. Dies bewirkt, dass ein Teil der Gasphase des zweiphasigen Fluides bereits hier abgetrennt wird, bevor das restliche/verbleibende Fluid in das Bad im sogenannten Vorlageraum unterhalb bzw. auf Füllhöhe eintritt.
  • Allerdings ist diese Abtrennung unzureichend, insbesondere bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten am Einlass. Weiterhin kann Gas aus dem Abscheideraum beim Auftreffen der Flüssigkeit auf die Oberfläche des Bades in dieses eingetragen werden.
  • Daher wird hier vorgeschlagen, zwischen der Füllhöhe und dem Einlass bzw. zwischen der Füllhöhe und einem Verteiler (siehe unten) eine Separiereinheit anzuordnen, die zumindest einen Aufnahmeraum für das zweiphasige Fluid bildet. Im Folgenden wird der besseren Darstellbarkeit wegen nur eine einzige Separiereinheit in ihrer Funktionsweise beschrieben, wobei dies keine Beschränkung der möglichen oder bevorzugten Anzahl darstellt. Es können insbesondere auch mehrere Separiereinheiten innerhalb des Behälters angeordnet sein, die in Richtung der Längsachse des Behälters ausgerichtet und angeordnet sind, wobei jeweils einem Einlass eine Separiereinheit zugeordnet sein kann.
  • Die Separiereinheit bildet zumindest eine nach oben geöffnete bzw. gerichtete Aufnahmeöffnung aus, über die das aus dem Einlass in den Innenraum des Behälters eintretende zweiphasige erste Medium in den Aufnahmeraum der Separiereinheit eintreten kann. Die Aufnahmeöffnung befindet sich dabei bevorzugt oberhalb der Füllhöhe, so dass abgetrenntes oder sich abtrennendes Gas nach oben hin aus dem Aufnahmeraum austreten kann und nicht über die mindestens eine Verteilöffnung der ersten Seitenwand der Separiereinheit in das Flüssigkeitsbad eingegeben wird. In der Regel weist die erste Seitenwand mehrere Verteilöffnungen zum Ablassen der flüssigen Phase des ersten Mediums aus dem Aufnahmeraum auf.
  • Mit der Separiereinheit wird erreicht, dass die Geschwindigkeit des Eintrags der flüssigen Phase des ersten Mediums in das Kältemittelbad reduziert wird. In der Separiereinheit haben mitgerissenes Gas oder mitgerissene Gasblasen ausreichend Zeit, ihrer Auftriebskraft folgend über die Aufnahmeöffnung der Separiereinheit in den Abscheideraum auszutreten, noch bevor sie über die ggf. vorhandenen Verteilöffnungen in das Bad eingetragen werden könnten.
  • Vorzugsweise ist die Separiereinheit aus (insbesondere ebenen) Blechen gefertigt. Die Separiereinheit kann weiterhin zum Beispiel aus bearbeiteten Rohren, bearbeiteten Vollmaterialien, Formgussteilen oder (Strangpress-)Profilen oder einer geeigneten Kombination solcher Materialien gefertigt sein.
  • Die Separiereinheit kann sowohl über die gesamte Länge nach oben hin (d.h. zum Abscheideraum hin) offen sein als auch nach oben geschlossene Abschnitte aufweisen (in den geschlossenen Abschnitten erfolgt dabei kein Zufluss von Flüssigkeit zur Separiereinheit). Weiterhin kann sich die Separiereinheit entlang der Längsachse des Mantels bzw. Behälters sowohl über den gesamten Bereich des Innenraumes des Behälters als auch nur über ausgewählte Bereiche erstrecken.
  • Wie bereits dargelegt, ist des Weiteren bevorzugt ein Verteiler vorgesehen, welcher mit dem Einlass in Strömungsverbindung steht und zumindest eine, bevorzugt mehrere nach unten gerichtete Auslassöffnungen aufweist. Der Verteiler bzw. dessen Auslassöffnungen sind bevorzugt entlang der Vertikalen (bezogen auf einen bestimmungsgemäß angeordneten bzw. im Betrieb befindlichen Wärmeübertrager) oberhalb der Separiereinheit sowie oberhalb der Füllhöhe angeordnet. Mit einem solchen Verteiler kann eine Strömung des zweiphasigen ersten Mediums auf eine gesamte Länge der Separiereinheit bzw. Aufnahmeöffnung entlang der Längsachse des Behälters erfolgen. Die Separiereinheit und ggf. der Verteiler bilden vorzugsweise Kanäle, die sich in Richtung der Längsachse des Behälters erstrecken. Vorzugsweise weisen der Verteiler und die Separiereinheit entlang der Längsachse auch die gleiche Länge auf.
  • Durch den Verteiler wird bereits eine erste Verringerung der Eintragsgeschwindigkeit des ersten Mediums bewirkt, so dass hier bereits eine Vorabscheidung, d.h. eine grobe Trennung von Gasphase und Flüssigkeitsphase, erreicht wird. Darüber hinaus wird mittels des Verteilers die Anströmung über eine größere Länge verteilt, so dass ein Einlass mit einem geringen Querschnitt und somit hohen Strömungsgeschwindigkeiten verwendet werden kann, ohne dass diese hohen Geschwindigkeiten in den Behälter übertragen werden.
  • Vorzugsweise ist der Verteiler bzw. dessen mindestens eine Auslassöffnung lotrecht oberhalb der Aufnahmeöffnung der Separiereinheit angeordnet, so dass das erste Medium durch die Aufnahmeöffnung in den Aufnahmeraum der Separiereinheit herabströmen kann.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Wärmeübertragers weist die Separiereinheit eine zweite Seitenwand auf, die der ersten Seitenwand gegenüberliegt und vorzugsweise durch eine Wandung des Behälters bzw. Mantels des Behälters gebildet ist. Die Separiereinheit ist also mit anderen Worten an eine Innenseite des Mantels des Behälters angesetzt. Die zweite Seitenwand kann jedoch auch separat zum Mantel ausgebildet sein.
  • Durch die Nutzung der Wandung des Behälters als zweite Seitenwand für die Separiereinheit ist der Aufnahmeraum mit besonders geringen Materialeinsatz erzeugbar. Die Separiereinheit wird mit eigener zweiter Seitenwand oder mit der aus der Wandung des Behälters gebildeten zweiten Seitenwand vorteilhafterweise an die Wandung des Behälters angeschweißt, angeklebt, oder anderweitig form- bzw. kraftschlüssig gefügt. Die Separiereinheit kann außer am Mantel auch an anderer geeigneter Stelle (z.B. am Plattenwärmeübertrager) angebracht werden. Vorzugsweise werden die Seitenwände der Separiereinheit als Blechteile vorgesehen.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Wärmeübertragerst umfasst die Separiereinheit weiterhin eine dritte und eine vierte Seitenwand, die insbesondere Stirnseiten der längs erstreckten Separiereinheit bilden. Die dritte und die vierte Seitenwand verbinden jeweils die erste Seitenwand mit der zweiten Seitenwand, wobei die dritte und die vierte Seitenwand bevorzugt senkrecht zur Längsachse des Behälters verlaufen. Bevorzugt weisen die dritte und die vierte Seitenwand jeweils zumindest eine Seitenöffnung auf. Die Seitenöffnungen sind z.B. als Kreisloch ausgebildet.
  • Eine Oberkante der Separiereinheit liegt vorzugsweise oberhalb der Füllhöhe, so dass die flüssige Phase lediglich - soweit vorhanden - durch die Verteilöffnungen (und ggf. weitere Öffnungen der Seitenwände der Separiereinheit) in das Bad im Vorlageraum gelangen kann.
  • Gemäß einer Ausführungsform grenzen die Seitenwände der Separiereinheit den Aufnahmeraum vom Flüssigkeitsbad im Vorlagenraum vollständig ab, d.h., die flüssige Phase des ersten Mediums tritt nur über den Aufnahmeraum der Separiereinheit in das Flüssigkeitsbad im Vorlageraum ein. Der Impuls bzw. die kinetische Energie des herabfallenden ersten Mediums wird im Aufnahmeraum reduziert. Gasbläschen können nach oben aufsteigen und über die Aufnahmeöffnung in den Abscheideraum eintreten. Der Eintritt von Gasbläschen in den Vorlageraum bzw. in die ersten Wärmeübertragungspassagen des Plattenwärmeübertragers wird somit vermieden. Im Bereich der unteren Einlassöffnungen des Plattenwärmeübertragers in die vertikalen Wärmeübertragungspassagen wird die Flüssigkeitsströmung des ersten Mediums nicht durch die Eintrittsströmung negativ beeinflusst.
  • In einer alternativen Ausführungsform sind keine dritten und vierten Seitenwände vorgesehen und der Aufnahmeraum ist somit an den Stirnseiten offen. Weiterhin können auch dritte und vierte Seitenwände vorgesehen sein, deren Oberkanten unterhalb der Füllhöhe liegen.
  • Bevorzugt ist die Separiereinheit in einer horizontalen, senkrecht zur Längsachse des Behälters verlaufenden Richtung lateral zum Wärmeübertrager angeordnet und erstreckt sich dabei entlang (insbesondere parallel) des Wärmeübertragers bzw. der Längsachse des Behälters.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist auch denkbar, die Separiereinheit am Wärmeübertrager selbst festzulegen. In diesem Fall kann auf eine Befestigung der Separiereinheit am Mantel des Behälters verzichtet werden.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Wärmeübertragers ist die erste Seitenwand in Richtung des Plattenwärmeübertragers, also zum Innenraum hin, geneigt. Die flüssige Phase des ersten Mediums kann daher entsprechend auch in vertikaler Richtung nach unten den Aufnahmeraum durch die Verteilöffnungen verlassen. Die erste Seitenwand kann hierbei einen Winkel mit der Vertikalen im Bereich von 15° bis 75° einschließen. Bevorzugt beträgt der Neigungswinkel der ersten Seitenwand ca. 45°.
  • Durch die Ausrichtung der ersten Seitenwand als zur Vertikalen geneigte Seitenwand wird gegenüber einer rechteckigen Kastenform Material gespart, weil der Aufnahmeraum mit der ersten Seitenwand, der zweiten Seitenwand sowie ggf. mit der dritten und vierten Seitenwand vollständig umgrenzbar ist. Darüber hinaus wird bei einer anfänglichen Anströmung mit dem zweiphasigen ersten Medium ein schneller Anstieg des Füllspiegels innerhalb des Aufnahmeraumes erreicht.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Wärmeübertragers ist die mindestens eine Verteilöffnung als Schlitz gebildet. Durch die schlitzförmige Ausbildung der Verteilöffnungen wird pro Öffnung eine relativ große durchströmbare Fläche erreicht. Eine Längserstreckung derartiger Schlitze verläuft dabei bevorzugt entlang der Vertikalen. D.h., eine schlitzförmige Verteilöffnung weist eine Unter- und eine parallele Oberkante auf, die signifikant kürzer sind als die beiden parallelen Seitenkanten der Verteilöffnung, die sich zwischen Unter- und Oberkante erstrecken. Grundsätzlich kann die Art und Lage der Öffnungen (Schlitzerstreckung längs oder quer, kreisförmige Öffnung etc.) nach verschiedenen Gesichtspunkten gewählt werden (z.B. horizontale und vertikale Ausdehnung, Fertigungsaufwand etc.). Dies gilt für alle Seitenwände.
  • Die Separiereinheit kann aus allen geeigneten Materialien (wie z.B. Aluminium, Stahl oder Kunststoff) gefertigt werden. Auch eine Kombination geeigneter Materialien ist möglich. Die Form, Größe und Anzahl der verwendeten Elemente einer Separiereinheit kann sowohl nach fertigungstechnischen als auch nach verfahrenstechnischen Gesichtspunkten gestaltet werden. Dabei kann auch auf anlagenspezifische Besonderheiten eingegangen werden. Jedes der verwendeten Elemente kann dabei individuell gestaltet werden. Die Elemente der Separiereinheit können solide, perforiert oder auch geschlitzt sein. Dabei können z.B. eingesetzte Bleche sowohl flach als auch profiliert sein.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Wärmeübertragers sind zumindest die erste Seitenwand, sowie die stirnseitigen Seitenwände (dritte und vierte Seitenwand) aus einem Blech geformt. Hierbei werden bevorzugt ebene Bleche verwendet, in die ggf. die besagten Verteil- und ggf. Seitenöffnungen eingebracht sind.
  • Bei dieser vorteilhaften Ausführungsform ist die Separiereinheit besonders kostengünstig herstellbar und führt zu keiner erheblichen Verteuerung des Wärmeübertragers gegenüber einem vorbekannten Wärmeübertrager ohne Separiereinheit. Die Bleche können durch alle geeigneten Verbindungsmittel miteinander verbunden werden, z.B. mittels Schweißverbindungen oder Nietverbindungen etc.
  • Wie bereits dargelegt, handelt es sich bei dem im Innenraum des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers angeordneten Wärmetauscher um einen Plattenwärmeübertrager. Dieser weist erste Wärmeübertragungspassagen zur Aufnahme des ersten Mediums und zweite Wärmeübertragungspassagen zur Aufnahme des zweiten Mediums auf, wobei die Wärmeübertragungspassagen durch Trennplatten (z.B. Trennbleche) voneinander getrennt sind. Vorzugsweise sind jeweils zwischen benachbarten Trennplatten Wärmeleitstrukturen vorgesehen, zum Beispiel in Form von gefalteten oder gewellten Blechen (sogenannte Fins). Die äußersten Lagen des Plattenwärmeübertragers werden durch Deckplatten gebildet. Auf diese Weise werden zwischen je zwei Trennplatten beziehungsweise zwischen einer Trennplatte und einer Deckplatte aufgrund der jeweils dazwischen angeordneten Wärmeleitstruktur (zum Beispiel einem Fin) eine Vielzahl an parallelen Kanälen beziehungsweise eine erste oder zweite Wärmeübertragungspassage gebildet, durch die ein zugeordnetes Medium beziehungsweise Fluid strömen kann. Die ersten und zweiten Wärmeübertragungspassagen sind bevorzugt benachbart zueinander angeordnet, so dass zwischen dem ersten und dem zweiten Medium bzw. Fluid indirekt Wärme übertragen werden kann. Die beiden Medium können in den zugeordneten Passagen z.B. im Kreuzstrom, im Gegenstrom oder auch im Kreuzgegenstrom zueinander geführt werden.
  • Zu den Seiten hin sind zwischen je zwei benachbarten Trennplatten vorzugsweise Abschlussleisten (so genannte Side Bars) zum Verschließen der jeweiligen Wärmeübertragungspassage vorgesehen. Die ersten Wärmeübertragungspassagen sind (in Richtung der Vertikalen) nach oben und unten hin offen und insbesondere nicht durch Abschlussleisten verschlossen. Hierbei weist jede erste Wärmeübertragungspassage an der Unterseite des Plattenwärmeübertragers eine Einlassöffnung auf (siehe oben), über die die flüssige Phase des ersten Mediums in die ersten Wärmeübertragungspassagen gelangen kann, sowie eine Auslassöffnung an der Oberseite des Plattenwärmeübertragers, über die das erste Medium an der Oberseite des Plattenwärmeübertragers als Zweiphasenstrom austreten kann. Die Deckplatten, Trennplatten, Fins und Side Bars sind vorzugsweise aus Aluminium gefertigt und werden bevorzugt, zum Beispiel in einem Ofen, miteinander verlötet.
  • Weiterhin weist der Plattenwärmeübertrager bevorzugt einen ersten Sammler auf (auch als Header bezeichnet), der mit den zweiten Wärmeübertragungspassagen in Strömungsverbindung steht, so dass das zweite Medium über den ersten Sammler in die zweiten Wärmeübertragungspassagen einleitbar ist, sowie einen zweiten Sammler (oder Header), der mit ebenfalls mit den zweiten Wärmeübertragungspassagen in Strömungsverbindung steht, so dass das zweite Medium über den zweiten Sammler aus den zweiten Wärmeübertragungspassagen abziehbar ist.
  • Grundsätzlich können im Innenraum des Behälters auch mehrere Plattenwärmeübertrager angeordnet werden. Jedem Plattenwärmeübertrager kann dann z.B. eine erfindungsgemäße Separiereinheit sowie ggf. ein Verteiler zugeordnet sein.
  • Ein Teil der über die Separiereinheit in den Vorlageraum eingebrachten Flüssigkeit des ersten Mediums strömt im Vorlageraum in vertikaler Richtung nach unten, tritt dann von unten in den bzw. die Plattenwärmeübertrager ein und wird dort teilweise verdampft. Der andere Teil strömt in horizontaler Richtung in andere Bereiche des Vorlageraumes. Durch den Einbau von Widerstandselementen (z.B. Wehre oder perforierter Trennwände) zwischen den Plattenwärmeübertragern bzw. neben einem Plattenwärmeübertrager wird die Strömung der Flüssigkeit in horizontaler Richtung zum Teil massiv gestört. Zur Überwindung eines jeden Elements ist ein Überdruck erforderlich, der durch einen erhöhten Flüssigkeitsstand vor dem Element erzeugt wird.
  • Dies hat zur Folge, dass die Räume zwischen den Elementen einen unterschiedlichen Flüssigkeitsstand aufweisen, was den Betrieb des Block-In-Shell-Wärmeübertragers negativ beeinflussen kann. Dieser Effekt wird insofern noch verstärkt, als dass der benötigte Überdruck zur Überwindung des Elements eine Funktion des Volumenstromes ist. Dabei gilt, dass der Überdruck umso höher sein muss, je größer der Volumenstrom ist. Durch die Separiereinheit können die Widerstandselemente zur Verteilung der flüssigen Phase des ersten Mediums im Mantelraum umgangen werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers ist vorgesehen, dass der Wärmeübertrager eine unterhalb des Verteilers angeordnete Leiteinrichtung aufweist, die zum Leiten der aus der mindestens einen Auslassöffnung austretenden flüssigen Phase des ersten Mediums ausgebildet ist.
  • Bevorzugt ist die Leiteinrichtung dabei dazu ausgebildet, zumindest einen Teil der in einer ersten Raumrichtung aus der mindestens einen Auslassöffnung ausgetretenen flüssigen Phase in eine zweite Raumrichtung zu leiten, wobei insbesondere sich die zweite Raumrichtung von der ersten Raumrichtung unterscheidet, und wobei insbesondere die zweite Raumrichtung eine größere horizontale Komponente aufweist als die erste Raumrichtung oder zum Mantel des Behälters hin weist. Die erste Raumrichtung verläuft insbesondere entlang der Vertikalen.
  • Bevorzugt ist die Leiteinrichtung weiterhin dazu ausgebildet, die flüssige Phase des ersten Mediums von der Oberseite des Plattenwärmeübertragers weg und/oder an der Oberseite vorbei zu leiten. Bevorzugt ist die Leiteinrichtung dazu ausgebildet ist, die flüssige Phase des ersten Mediums so zu leiten, dass die flüssige Phase nicht die Oberseite des Plattenwärmeübertragers beaufschlägt.
  • Weiterhin weist die Leiteinrichtung bevorzugt zumindest ein plattenförmiges Leitelement auf, insbesondere in Form eines Leitblechs.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist das mindestens eine Leitelement vorzugsweise eine Krümmung auf. Hierbei weist das mindestens eine Leitelement insbesondere eine konvex gekrümmte erste Seite auf, die dem Plattenwärmeübertrager zugewandt ist, sowie eine der ersten Seite abgewandte, konkav gekrümmte zweite Seite, die dem Plattenwärmeübertrager abgewandt und/oder dem Verteilerkanal zugewandt ist. Dabei ist das mindestens eine Leitelement insbesondere so angeordnet, dass die aus dem Verteiler durch die mindestens eine Auslassöffnung des Verteilers nach unten hin austretende flüssige Phase des ersten Mediums auf die zweite Seite auftrifft und an dieser entlang von der Oberseite des Plattenwärmeübertragers weg geführt und/oder an dieser vorbei geführt wird. Hierdurch wird sichergestellt, dass die flüssige Phase nicht die Oberseite des Plattenwärmeübertragers beaufschlägt und dadurch unter Umständen den Betrieb des Plattenwärmeübertragers negativ beeinflusst.
  • Bevorzugt ist weiterhin vorgesehen, dass sich die Leiteinrichtung über den gesamten Verteiler erstreckt oder lediglich über einen Abschnitt des Verteilers.
  • Weiterhin kann das mindestens eine Leitelement eine Mehrzahl an Durchgangsöffnungen für das erste Medium aufweisen.
  • Weiterhin weist der erfindungsgemäße Wärmeübertrager gemäß einer Ausführungsform eine Einrichtung zum Leiten/Kontrollieren der flüssigen Phase auf, die in der Separiereinheit bzw. im Aufnahmeraum der Separiereinheit angeordnet ist. Diese Einrichtung kann z.B. eines (oder mehrere) der folgenden Elemente aufweisen:
    • ein Leitelement (z.B. Blech) zum Umlenken und/oder Abbremsen einer Strömung der flüssigen Phase im Aufnahmeraum,
    • ein Geflecht, insbesondere ein Drahtgeflecht, zum Abbremsen einer Strömung der flüssigen Phase und/oder zur Unterstützung der Agglomeration von Gasbläschen einer mitgerissenen gasförmigen Phase im Aufnahmeraum.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers ist vorgesehen, dass sich die Separiereinheit über mehr als die Hälfte der Länge des (entlang der horizontalen Längsachse erstreckten) Mantels des Behälters erstreckt, und zwar bevorzugt über mehr als 80% dieser Länge, weiterhin bevorzugt über mehr als 90% dieser Länge. Hintergrund ist hierbei insbesondere der Umstand, dass die Separiereinheit auch zum Verteilen der flüssigen Phase im Mantelraum verwendet werden kann, z.B. bei im Mantelraum verbauten Widerstandselementen. Die Separiereinheit kann sich dann im Mantelraum über diese Elemente hinweg erstrecken, Dabei kann z.B. der Einlass in den Mantelraum z.B. nur in einer Hälfte des Mantels vorhanden sein, die Separiereinheit kann sich aber über fast die gesamte Mantellänge erstrecken (siehe oben).
  • Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, die bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Es wird dargestellt in
  • Fig. 1:
    ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers im Längsschnitt,
    Fig. 2:
    das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 im Querschnitt (entlang der Linie A-A),
    Fig. 3:
    ein Detail des in Figur 2 gezeigten Querschnitts des Wärmeübertragers, und
    Fig. 4:
    ein Detail des in der Figur 2 gezeigten Querschnitts eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers, wobei gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung optional eine Leiteinrichtung zum Leiten der flüssigen Phase des ersten Mediums vorhanden ist.
  • Fig. 1 zeigt im Zusammenhang mit den Figuren 2 und 3 einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 1. Diese weist einen Behälter 2 auf, der einen zylindrischen Mantel 17 aufweist, der sich entlang einer Längsachse bzw. Zylinderachse erstreckt, die bei einem bestimmungsgemäß angeordneten Wärmeübertrager 1 bzw. während des Betriebes der Einheit 1 entlang der Horizontalen verläuft. An die beiden Enden des Mantels 17 schließen sich nach außen gewölbte Böden 17a, 17b an. Der Behälter 2 umgibt einen Innenraum oder Mantelraum I, in dem zumindest ein Plattenwärmeübertrager 5, angeordnet ist. Vorliegend sind im Innenraum I zwei Plattenwärmeübertrager 5 vorgesehen. Im Folgenden wird exemplarisch lediglich ein Plattenwärmeübertrager 5 beschrieben.
  • An einem oberen Bereich des Mantels 17 des Behälters 2 ist ein Einlass 6 für ein zweiphasiges erstes Medium 4 vorgesehen, das in den Innenraum I des Behälters 2 einzuleiten ist, um dort ein den Plattenwärmeübertrager 5 umgebendes Bad mit einer definierten Füllhöhe 3 auszubilden. Dieser Bereich des Innenraumes I wird auch als Vorlageraum V bezeichnet. Der Bereich oberhalb des Flüssigkeitsbades mit der Füllhöhe 3 wird als Abscheideraum A bezeichnet. Dieser Raum A steht zur Aufnahme einer gasförmigen Phase 39 des ersten Mediums 4 zur Verfügung, die aus dem ersten Medium abgeschieden werden soll. Die Füllhöhe 3 ist insbesondere so bemessen, dass der Plattenwärmeübertrager 5 lediglich mit einer horizontal erstreckten Oberseite 28 aus dem Bad (erstes Medium 4) heraussteht.
  • Der Einlass 6 für das erste Medium 4 steht in Strömungsverbindung mit einem Verteiler 13, der als Kanal ausgebildet ist, der sich entlang der Längsachse des Mantels 17 erstreckt. Der Verteiler 13 ist an eine dem Innenraum I zugewandte Innenseite des Mantels 17 angesetzt, so dass ein Teil der Wandung des Verteilers 13 durch den Mantel 17 selbst gebildet ist. Der Verteiler 13 umgibt einen entlang der Längsachse des Mantels 17 erstreckten Verteilerraum 21, der entlang der Längsachse des Mantels 17 eine vorbestimmte Verteilerlänge 14 aufweist. Lotrecht unterhalb des Verteilers 13 ist eine Separiereinheit 8 angeordnet, die dazu dient, das erste Medium 4 zu beruhigen, so dass eine gasförmige Phase 39 des ersten Mediums 4 in der Separiereinheit 8 weitestgehend von der flüssigen Phase 38 des ersten Mediums 4 getrennt werden kann, bevor die flüssige Phase 38 dem Vorlageraum V zugeführt wird. Die relative Lage des Einlasses 6, des Verteilers 13 und der Separiereinheit 8 sind in der seitlichen Schnittansicht in Fig. 2 und Fig. 3 dargestellt. In Fig. 2 wird die Lage eines Details Z dargestellt, welches in Fig. 3 gezeigt ist. Die Lage der Schnittansicht ist in Fig. 1 mit A-A bezeichnet.
  • Der Verteiler 13 weist einen horizontal entlang der Längsachse des Mantels 17 verlaufenden Boden mit Auslassöffnungen in Form von Durchgangsöffnungen 37 auf, über die auf der gesamten Länge 14 des Verteilers 13 bzw. Verteilerraums 21 das in den Verteilerraum 21 eingeleitete erste Medium 4 in einen durch die Separiereinheit 8 gebildeten Aufnahmeraum 7 gegeben werden kann. Die Separiereinheit 8 weist hierzu eine unterhalb des Verteilers 13 angeordnete, nach oben gewandte Aufnahmeöffnung 9 auf, deren Öffnungsebene sich senkrecht zur Vertikalen 23 erstreckt. Über die Aufnahmeöffnung 9 gelangt das aus dem Verteiler 13 herabfallende erste Medium 4 in den Aufnahmeraum 7. Die Separiereinheit 8 ist dabei als nach oben hin offener Kanal ausgebildet, der sich unterhalb des Verteilers 13 ebenfalls entlang der Längsachse des Mantels 17 erstreckt, wobei bevorzugt die Separiereinheit 8 entlang der Längsachse des Mantels 17 eine Länge 15 aufweist, die der Verteilerlänge 14 entlang der Längsachse des Mantels 17 entspricht. Der Aufnahmeraum 7 der Separiereinheit 8 bzw. die Aufnahmeöffnung 9 kann daher auf ihrer gesamten Länge 15 mit dem ersten Medium 4 beschickt werden.
  • Die Separiereinheit 8 weist eine die Aufnahmeöffnung 9 definierende sowie den Aufnahmeraum 7 begrenzende, umlaufende Wandung auf. Die Wandung weist dabei eine dem Innenraum I bzw. dem Plattenwärmeübertrager 5 zugewandte erste Seitenwand 10 auf, die dem Plattenwärmeübertrager 5 quer zur Längsachse des Mantels 17 in horizontaler Richtung gegenüberliegt. Der ersten Seitenwand 10 liegt eine zweite Seitenwand 16 der Separiereinheit 8 gegenüber, die durch den Mantel 17 gebildet wird. Stirnseitig weist die Separiereinheit 8 eine dritte und eine vierte Seitenwand 19, 20 auf, die sich senkrecht zur Längsachse des Mantels 17 erstrecken und entsprechend der Querschnittsform der Separiereinheit 8 im Wesentlichen dreieckförmig ausgebildet sind (abgesehen von einer Rundung aufgrund des zylindrischen Mantels 17). Entsprechend ist die erste Seitenwand 10 der Separiereinheit 8 zum Plattenwärmeübertrager 5 hin geneigt, so dass sich der horizontale Querschnitt der Separiereinheit 8 bzw. des Aufnahmeraums 7 in der Vertikalen von unten nach oben zur Aufnahmeöffnung 9 hin vergrößert. Die erste Seitenwand 10 schließt vorliegend mit der Vertikalen einen Winkel von insbesondere 45° ein.
  • Bevorzugt sind die Separiereinheit 8 und/oder der Verteiler 13 aus einem oder mehreren Blechen gebildet und mit der Wandung 17 des Behälters 2 verschweißt oder in einer sonstigen geeigneten Weise verbunden. Insbesondere können die erste Seitenwand 10 sowie die dritte und vierte Seitenwand 19, 20 jeweils aus einem ebenen Blech gebildet sein und geeignet miteinander verbunden sein (z.B. durch Schweißverbindungen, Nietverbindungen etc.).
  • Zum Auslassen der flüssigen Phase 38 des ersten Mediums 4 aus dem Aufnahmeraum 7 der Separiereinheit 8 weist die erste Seitenwand 10 Verteilöffnungen 11 auf. Weiterhin sind in den stirnseitigen Seitenwänden 19, 20 Seitenöffnungen 12 in Form von Durchgangsöffnungen vorgesehen, über die die flüssige Phase 38 des ersten Mediums 4 ebenfalls in den Vorlageraum V austreten kann.
  • Die Wandung der Separiereinheit 8 bzw. die erste, dritte und vierte Seitenwand 10, 19, 20 definieren eine Oberkante der Separiereinheit 8, die die Aufnahmeöffnung 9 berandet und die bevorzugt oberhalb der Füllhöhe 3 angeordnet ist. Entsprechend gelangt die flüssige Phase 38 des ersten Mediums 4 aus dem Aufnahmeraum 7 bevorzugt lediglich über die Verteil- bzw. Seitenöffnungen 11, 12 in den Vorlageraum V.
  • Gemäß Fig. 1 sind die Verteilöffnungen 11 entlang der Vertikalen 23 schlitzförmig ausgebildet. Die Verteilöffnungen 11 sind bevorzugt über die gesamte Länge 15 der Separiereinheit äquidistant zueinander angeordnet. Gemäß Figuren 2 und 3 sind die Seitenöffnungen 12 bevorzugt als Kreislöcher ausgebildet, welche in zur Füllhöhe 3 parallele übereinander angeordnete Reihen für unterschiedliche Füllstände jeweils eine ausreichende Gesamtquerschnittsfläche bilden. Bevorzugt befinden sich die Öffnungen 11, 12 allesamt unterhalb der Füllhöhe 3.
  • Zum Abziehen der gasförmigen Phase 39 des ersten Mediums 4 aus dem Abscheideraum A weist der Behälter 2 an einem oberen Bereich des Mantels 17 zumindest einen Auslassstutzen 22 auf. Weiterhin ist an einem unteren Bereich des Mantels 17 ein Auslass 36 vorgesehen, welcher zum Auslassen der flüssigen Phase 38 des ersten Mediums 4 aus dem Vorlageraum V vorgesehen ist. Mittels einer Überlaufwand 35 wird eine Mindestfüllhöhe der flüssigen Phase 38 des ersten Mediums 4 im Vorlageraum V sichergestellt.
  • Im Detail weist der Plattenwärmeübertrager 5 erste Wärmeübertragungspassagen 24 für das erste Medium 4 sowie parallele zweite Wärmeübertragungspassagen 25 für das zweite Medium 4a auf. Die Wärmeübertragungspassagen 24, 25 sind durch Trennplatten voneinander getrennt und weisen bevorzugt Wärmeleitstrukturen 26 auf (z.B. in Form von insbesondere gewellten Fins). Die zweiten Wärmeübertragungspassagen 25 sind nach außen (d.h. zum Mantelraum I) hin verschlossen. Zum Beschicken der zweiten Wärmeübertragungspassagen 25 ist am Mantel 17 des Behälters 2 ein Einlass 31 vorgesehen, der mit einem ersten Sammler 31a in Strömungsverbindung steht, über den die einzelnen zweiten Wärmeübertragungspassagen 25 mit dem zweiten Medium 4a beschickbar sind. Der Plattenwärmeübertrager 5 weist weiterhin einen zweiten Sammler 32a auf, der mit einem am Mantel 17 vorgesehen Auslass 32 in Strömungsverbindung steht. Über den zweiten Sammler 32a ist das zweite Medium 4a aus den zweiten Wärmeübertragungspassagen 25 abziehbar und kann über den Auslass 32 aus dem Wärmeübertrager 1 abgezogen werden.
  • Die ersten Wärmeübertragungspassagen 24 sind zur Oberseite 28 des Plattenwärmeübertragers 5 sowie zu einer der Oberseite abgewandten Unterseite 29 des Plattenwärmeübertragers 5 hin offen ausgebildet und weisen dort Auslass- bzw. Einlassöffnungen 27, 30 auf. Die flüssige Phase des ersten Mediums 4 kann dabei durch die Einlassöffnungen 30 an der Unterseite 29 in die ersten Wärmeübertragungspassagen 24 eintreten und kann diese an der Oberseite 28 über die Auslassöffnungen 27 wieder verlassen.
  • Im Betrieb des Wärmeübertragers 1 strömt bzw. fällt das erste Medium 4 bzw. der nach der Teilabtrennung der Gasphase 39 verbleibende Anteil des ersten Mediums 4 aus dem Verteilerraum 21 des Verteilers 13 über die Aufnahmeöffnung 9 in den Aufnahmeraum 7 der Separiereinheit 8 herab und wird dort aufgefangen. Die flüssige Phase 38 des ersten Mediums 4 gelangt sodann durch die Verteil- und ggf. Seitenöffnungen 11, 12, die unterhalb der Füllhöhe 3 des Flüssigkeitsbades liegen, in das Flüssigkeitsbad im Vorlageraum V und tritt dort über die Einlassöffnungen 30 an der Unterseite 29 des Plattenwärmeübertragers 5 in die ersten Wärmeübertragungspassagen 24 ein.
  • Im Aufnahmeraum 7 steigt die eingetragene gasförmige Phase 39 des ersten Mediums 4 auf und tritt über die Aufnahmeöffnung 9 aus dem Aufnahmeraum 7 der Separiereinheit 8 in den Abscheideraum A aus. Aus dem Abscheideraum A wird die gasförmige Phase 39 des ersten Mediums 4 über den mindestens einen Auslassstutzen 22 abgezogen. Das zweiphasige erste Medium 4 wird in der Regel kontinuierlich über den Einlass 6 zugeführt und die in diesem Wärmeübertrager nicht benötigte flüssige Phase 38 des ersten Mediums 4 über den Auslass 36 abgeführt, so dass insbesondere ein kontinuierlicher Kühlprozess unter definierten Bedingungen stattfinden kann.
  • Die flüssige Phase 38 des ersten Mediums 4 tritt an der Unterseite 29 in die Einlassöffnungen 30 ein und steigt aufgrund des Thermosiphoneffekts in den ersten Wärmeübertragungspassagen 24 nach oben. Gleichzeitig wird ein zweites Medium 4a in die angrenzenden zweiten Wärmeübertragungspassagen 25 eingeleitet, so dass Wärme vom zweiten Medium 4a indirekt auf das erste Medium 4 übertragen wird. Das erste Medium 4 wird dabei erwärmt bzw. teilweise verdampft und tritt an der Oberseite 28 des Plattenwärmeübertragers 5 in der Regel als Zweiphasenstrom aus den Auslassöffnungen 27 der ersten Wärmeübertragungspassagen 24 aus. Die verbleibende flüssige Phase 38 des ersten Mediums 4 zirkuliert dann wieder nach unten zu den Einlassöffnungen 30 während die gasförmige Phase 39 im Abscheideraum A aufsteigt und über den mindestens einen Auslassstutzen 22 aus dem Abscheideraum A abgezogen wird.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1 ist gemäß Figur 4 bei einem Wärmeübertrager 1 nach Art der Figuren 1 bis 3 in vertikaler Richtung unterhalb des Verteilers 13 eine Leiteinrichtung 100 angeordnet, die zum Leiten der aus der mindestens einen Auslassöffnung 37 austretenden flüssigen Phase 38 des ersten Mediums 4 ausgebildet ist, wobei die Leiteinrichtung 100 insbesondere zumindest einen Teil der in einer ersten (insbesondere vertikalen) Raumrichtung R aus der mindestens einen Auslassöffnung 37 nach unten austretenden flüssigen Phase 38 in eine zweite Raumrichtung R' umlenkt, die sich bevorzugt von der ersten Raumrichtung R unterscheidet. Hierbei weist die zweite Raumrichtung R' eine größere horizontale Komponente auf als die erste Raumrichtung R. Die Umlenkung zumindest eines Teiles der flüssigen Phase 38 erfolgt dabei bevorzugt so, dass die flüssige Phase 38 des ersten Mediums 4 von der Oberseite 28 weg bzw. an der Oberseite 28 des Wärmeübertragers bzw. Plattenwärmeübertragers 5 vorbei zu leiten. Hierdurch wird sichergestellt, dass die flüssige Phase 38 des ersten Mediums 4 nicht die Oberseite 28 des mindestens einen Plattenwärmeübertragers 5 beaufschlägt. Hierzu weist die Leiteinrichtung 100 insbesondere zumindest ein Leitelement 101, insbesondere in Form eines Leitblechs, auf, das sich entlang der Längsachse des Behälters 2 bzw. Mantels 17 erstreckt und insbesondere im Wesentlichen bündig auf eine dem Innenraum I zugwandte vertikale Seitenwand 103 des Verteilerkanals stößt bzw. ggf. in diese übergeht. Zwischen dem Verteilerkanal 13 oder der vertikalen Seitenwand 103 und dem Leitelement 101 kann jedoch auch eine entlang der Längsachse des Mantels 17 bzw. Behälters 2 erstreckte Lücke vorgesehen sein, durch die eine gasförmige Phase 39 des ersten Mediums 4 in den Abscheideraum A gelangen kann.
  • Das mindestens eine Leitelement 101 weist insbesondere eine Krümmung oder Neigung auf, derart, dass das mindestens eine Leitelement 101 eine insbesondere konvex gekrümmte erste Seite 101a aufweist, die dem Plattenwärmeübertrager 5 zugewandt ist, sowie eine der ersten Seite 101a abgewandte zweite Seite 101b, die insbesondere konkav gekrümmt ist und dem Plattenwärmeübertrager 5 abgewandt bzw. dem Verteiler 13 zugewandt ist. Das mindestens eine Leitelement 101 ist dabei nun so angeordnet, dass zumindest ein Teil der aus dem Verteiler 13 durch die mindestens eine Auslassöffnung 37 austretenden flüssige Phase 38 des ersten Mediums 4 auf die zweite Seite 101b auftrifft und an dieser entlang von der Oberseite 28 des Plattenwärmeübertragers 5 weggeleitet wird und lateral zum mindestens einen Plattenwärmeübertrager 5 in das Bad eingeleitet wird. Das mindestens eine Leitelement 101 ist bevorzugt mittels eines Rahmens 102 sowohl am Verteiler 13 als auch am Mantel 17 des Behälters 2 festgelegt.
  • Schließlich kann die Separiereinheit 8 grundsätzlich in allen Ausführungsformen eine Einrichtung 200 zum Leiten und/oder Kontrollieren der flüssigen Phase 38 im Aufnahmeraum 7 aufweisen, wie es beispielhaft in Fig. 4 gezeigt ist. Die Einrichtung 200 kann z.B. zumindest ein Leitelement oder Blech 201 zum Umlenken und/oder Abbremsen einer Strömung der flüssigen Phase 38 aufweisen, oder ein Geflecht 202, insbesondere ein Drahtgeflecht, das zum Abbremsen einer Strömung der flüssigen Phase 38 und/oder zur Unterstützung der Agglomeration von Gasbläschen einer mitgerissenen gasförmigen Phase im Aufnahmeraum 7 dient.
    Fig. 4 zeigt eine mögliche Ausbildung einer solchen Einrichtung 200, Das Drahtgeflecht ist dabei z.B. im unteren Bereich des Aufnahmeraums 7 angeordnet. Das Leitelement oder Blech 201 erstreckt sich z.B. ausgehend von der ersten Seitenwand 10 oberhalb der Verteilöffnungen 11 in Richtung auf die gegenüberliegende zweite Seitenwand 16 bzw. den Mantel 17. Das Blech 201 verhindert somit, dass sich eine direkte Strömung der flüssigen Phase 38 im Aufnahmeraum 7 in Richtung auf die Verteilöffnungen 11 ausbildet. Es kann natürlich ggf. auch auf die Leiteinrichtung 201 oder das Geflecht 202 verzichtet werden. Die beiden Komponenten 201, 202 müssen nicht zwingend kombiniert werden. Die Anordnung des Leitelements 201 kann je nach im Aufnahmeraum 7 vorhandener Strömung variiert werden. Ziel ist es insbesondere, einen direkten Durchfluss der flüssigen Phase 38 zu den Verteilöffnungen 11 zu unterdrücken.
  • Mit dem hier vorgeschlagenen Wärmeübertrager 1 kann eine gasförmige Phase 39 des ersten Mediums 4 weitestgehend von der flüssigen Phase 38 des ersten Mediums 4 getrennt werden, bevor die flüssigen Phase 38 dem Vorlageraum V zugeführt wird, sowie insbesondere eine bessere Kontrolle und Verteilung der flüssigen Phase 38 des ersten Mediums 4 erreicht werden. Bezugszeichenliste
    1 Wärmeübertrager
    2 Behälter
    3 Füllhöhe
    4 Erstes Medium
    4a Zweites Medium
    5 Plattenwärmeübertrager
    6 Einlass
    7 Aufnahmeraum
    8 Separiereinheit
    9 Aufnahmeöffnung
    10 Erste Seitenwand
    11 Verteilöffnung
    12 Seitenöffnung
    13 Verteiler
    14 Verteilerlänge
    15 Länge Separiereinheit
    16 Zweite Seitenwand
    17 Mantel
    17a, 17b Böden
    19 dritte Seitenwand
    20 vierte Seitenwand
    21 Verteilerraum
    22 Auslassstutzen
    23 Vertikale
    24 erste Wärmeübertragungspassage
    25 zweite Wärmeübertragungspassage
    26 Wärmeleitstruktur
    27 Auslassöffnung (des Plattenwärmeübertragers)
    28 Oberseite
    29 Unterseite
    30 Einlassöffnung (des Plattenwärmeübertragers)
    31 Einlass für zweites Medium
    31a Erster Sammler
    32 Auslass für zweites Medium
    32a Zweiter Sammler
    35 Überlaufwand
    36 Auslass bzw. Flüssigkeitsauslass
    37 Auslassöffnungen bzw. Durchgangsöffnungen des Verteilers
    38 Flüssige Phase des ersten Mediums
    39 Gasförmige Phase des ersten Mediums
    100 Leiteinrichtung
    101 Leitelement
    101a Erste Seite
    101b Zweite Seite
    102 Rahmen
    103 Seitenwand des Verteilers
    200 Einrichtung zum Leiten/Kontrollieren der flüssigen Phase in der Separiereinheit
    201 Leitelement (z.B. Blech)
    202 Geflecht
    A Abscheideraum
    I Innenraum bzw. Mantelraum
    R Erste Raumrichtung
    R' Zweite Raumrichtung
    V Vorlageraum

Claims (15)

  1. Wärmeübertrager (1) zum indirekten Übertragen von Wärme zwischen einem ersten Medium (4) und einem zweiten Medium (4a), mit:
    - einem Behälter (2), der einen Innenraum (I) zur Aufnahme des zweiphasigen ersten Mediums (4) aufweist,
    - einem im Innenraum (I) angeordneten Plattenwärmeübertrager (5) zur indirekten Wärmeübertragung zwischen dem ersten Medium (4) und dem zweiten Medium (4a), wobei der Innenraum (I) dazu ausgebildet ist, das erste Medium (4) mit einer Füllhöhe (3) aufzunehmen, derart, dass eine flüssige Phase (38) des ersten Mediums (4) ein den Plattenwärmeübertrager (5) umgebendes Bad ausbildet, und
    - einem Einlass (6) zum Einleiten des ersten Mediums (4) in den Innenraum (I),
    dadurch gekennzeichnet, dass
    eine einen Aufnahmeraum (7) bildende Separiereinheit (8) zum Separieren der gasförmigen Phase (39) von der flüssigen Phase (38) des ersten Mediums (4) im Innenraum (I) vorgesehen ist, wobei die Separiereinheit (8) zumindest eine nach oben gerichtete Aufnahmeöffnung (9) zum Einleiten von im Innenraum (I) herabfallendem erstem Medium (4) in den Aufnahmeraum (7) aufweist, wobei die nach oben gerichtete Aufnahmeöffnung (9) oberhalb der Füllhöhe (3) oder auf Füllhöhe (3) angeordnet ist, so dass die im Aufnahmeraum (7) aufgenommene gasförmige Phase des ersten Mediums (4) über die Aufnahmeöffnung (9) in den Innenraum (I) entweichen kann, und wobei ein Verteiler (13) im Innenraum (I) vorgesehen ist, welcher mit dem Einlass (6) in Strömungsverbindung steht und entlang der Vertikalen oberhalb der Aufnahmeöffnung (9) sowie oberhalb der Füllhöhe (3) angeordnet ist, wobei der Verteiler (13) dazu ausgebildet ist, das erste Medium (4) auf die Aufnahmeöffnung (9) zu verteilen.
  2. Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Separiereinheit (8) eine erste Seitenwand (10) aufweist, die insbesondere dem Innenraum (I) zugewandt ist.
  3. Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Seitenwand (10) zumindest eine Verteilöffnung (11) aufweist, wobei die mindestens eine Verteilöffnung (11) zumindest teilweise unterhalb der Füllhöhe (3) angeordnet ist, so dass die flüssige Phase (38) des ersten Mediums (4) über die mindestens eine Verteilöffnung (11) in das den Plattenwärmeübertrager (5) umgebende Bad einleitbar ist.
  4. Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Seitenwand (10) als Überlaufwand ausgebildet ist.
  5. Wärmeübertrager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteiler (13) zum Verteilen des ersten Mediums (4) auf die Aufnahmeöffnung (9) zumindest eine nach unten gerichtete Auslassöffnung (37) sowie insbesondere eine Leiteinrichtung (100) aufweist.
  6. Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 2 oder einem der Ansprüche 3 bis 5 soweit rückbezogen auf Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Separiereinheit (8) eine der ersten Seitenwand (10) gegenüberliegende zweite Seitenwand (16) aufweist, welche insbesondere durch eine Wandung (17) oder einen Mantel (17) des Behälters (2) gebildet ist.
  7. Wärmeübertrager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Separiereinheit (8) eine dritte Seitenwand (19) und eine der dritten Seitenwand (19) gegenüberliegende vierte Seitenwand (20) aufweist, wobei die dritte und die vierte Seitenwand (19, 20) jeweils die erste und die zweite Seitenwand (10, 16) miteinander verbinden und insbesondere im Einbau senkrecht angeordnet sind, und wobei insbesondere die dritte und/oder die vierte Seitenwand (19, 20) jeweils als eine Überlaufwand ausgebildet ist.
  8. Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte und die vierte Seitenwand (19,20) jeweils zumindest eine Seitenöffnung (12) zum Auslassen der flüssigen Phase (38) des ersten Mediums (4) aufweisen, wobei insbesondere die jeweilige mindestens eine Seitenöffnung (12) als Kreisloch ausgebildet ist.
  9. Wärmeübertrager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Separiereinheit (8) an ihren beiden Stirnseiten offen ist.
  10. Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 2 oder einem der Ansprüche 3 bis 9 soweit rückbezogen auf Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Seitenwand (10) zum Plattenwärmeübertrager (5) hin geneigt ist und mit der Vertikalen einen Winkel im Bereich von 15° bis 75°, insbesondere 45°, einschließt.
  11. Wärmeübertrager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Plattenwärmeübertrager (5) erste Wärmeübertragungspassagen (24) für das erste Medium (4) und zweite Wärmeübertragungspassagen (25) für das zweite Medium aufweist, wobei die Wärmeübertragungspassagen (24,25) durch Trennplatten voneinander getrennt sind, wobei insbesondere in den ersten und zweiten Wärmeübertragungspassagen (24, 25) Wärmeleitstrukturen angeordnet sind (26), und wobei insbesondere der Plattenwärmeübertrager (5) an einer Oberseite (28) des Plattenwärmeübertragers Auslassöffnungen (27) sowie an einer Unterseite (29) des Plattenwärmeübertragers (5) Einlassöffnungen (30) aufweist, so dass eine den Plattenwärmeübertrager (5) umgebende flüssige Phase (38) des ersten Mediums (4) über jene Einlassöffnungen (30) in die ersten Wärmeübertragungspassagen (24) gelangen und in diesen aufsteigen kann sowie aus den Auslassöffnungen (27) wieder austreten kann.
  12. Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 5 oder einem der Ansprüche 6 bis 11 soweit rückbezogen auf Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (1) eine unterhalb des Verteilers (13) angeordnete Leiteinrichtung (100) aufweist, die zum Leiten der aus der mindestens einen Auslassöffnung (37) austretenden flüssigen Phase (38) des ersten Mediums (4) ausgebildet ist.
  13. Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiteinrichtung (100) dazu ausgebildet ist, zumindest einen Teil der in einer ersten Raumrichtung (R) aus der mindestens einen Auslassöffnung (37) ausgetretenen flüssigen Phase (38) in eine zweite Raumrichtung (R') zu leiten, wobei insbesondere die zweite Raumrichtung (R') sich von der ersten Raumrichtung (R) unterscheidet, und wobei insbesondere die zweite Raumrichtung (R') eine größere horizontale Komponente aufweist als die erste Raumrichtung (R), und wobei insbesondere die erste Raumrichtung (R) entlang der Vertikalen von oben nach unten verläuft.
  14. Wärmeübertrager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Aufnahmeraum (7) der Separiereinheit eine Einrichtung (200) zum Leiten und/oder Kontrollieren der flüssigen Phase (38) im Aufnahmeraum (7) vorgesehen ist, wobei die Einrichtung (200) insbesondere zumindest eines der folgenden Elemente aufweist: ein Leitelement (201), insbesondere in Form eines Blechs, zum Umlenken und/oder Abbremsen einer Strömung der flüssigen Phase (38), ein Geflecht (202), insbesondere ein Drahtgeflecht, zum Abbremsen einer Strömung der flüssigen Phase (38) und/oder zur Unterstützung der Agglomeration von Gasbläschen einer mitgerissenen gasförmigen Phase.
  15. Wärmeübertrager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Separiereinheit (8) über mehr als die Hälfte der Länge eines Mantels (17) des Behälters (2) im Innenraum (I) des Wärmeübertragers (1) erstreckt, bevorzugt über mehr als 80% dieser Länge, weiterhin bevorzugt über mehr als 90% dieser Länge.
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