EP3455573A1 - Gewickelter wärmeübertrager mit einbauten zwischen hemd und letzter rohrlage - Google Patents

Gewickelter wärmeübertrager mit einbauten zwischen hemd und letzter rohrlage

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EP3455573A1
EP3455573A1 EP17723267.5A EP17723267A EP3455573A1 EP 3455573 A1 EP3455573 A1 EP 3455573A1 EP 17723267 A EP17723267 A EP 17723267A EP 3455573 A1 EP3455573 A1 EP 3455573A1
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EP
European Patent Office
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heat exchanger
longitudinal axis
fluid
shirt
tube
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EP17723267.5A
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Manfred Steinbauer
Christiane Kerber
Jürgen Spreemann
Ingomar Blum
Florian Deichsel
Konrad Braun
Roland HILLER
Alexander Kern
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Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
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Publication of EP3455573B1 publication Critical patent/EP3455573B1/de
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    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/02—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being helically coiled
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    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2240/00—Spacing means

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger according to claim 1 and a method for arranging flow obstacles in a heat exchanger according to
  • Such a heat exchanger has a pressure-bearing jacket, which extends along a preferably vertically oriented longitudinal axis and defines a jacket space for receiving a first fluid.
  • a tube bundle is arranged with a plurality of tubes for receiving at least a second fluid, wherein the tubes form a plurality of tube layers of the tube bundle, which are arranged one above the other in the radial direction of the tube bundle.
  • the at least one second fluid can thus enter into an indirect heat exchange with the first fluid guided in the jacket space.
  • such a heat exchanger has a arranged in the shell space and the tube bundle surrounding shirt, which preferably has the shape of a cylinder jacket, wherein between the shirt and the outermost layer of tubes extending parallel to the longitudinal axis spacers are arranged.
  • the spacers may be formed elastically deformable in the radial direction of the tube bundle.
  • Liquid level is too high, the performance of such a heat exchanger reduced or the liquid (first fluid) are withdrawn from the system, in particular to prevent a system shutdown. On the other hand, due to this bypass flow, the transmitted heat output of the exchanger can be reduced.
  • the present invention is based on the problem of providing a heat exchanger and a method which reduces the disadvantage of a bypass flow described above. This problem is solved by a heat exchanger with the features of claim 1 and by a method having the features of claim 14. Advantageous embodiments of these aspects of the present invention are described in FIGS.
  • Interspace is arranged a flow obstruction, which is adapted to obstruct a flow of the first fluid in the respective intermediate space at least over a longitudinal axis extending along the portion of the respective intermediate space or to suppress.
  • the respective intermediate space has a cross-sectional area perpendicular to the longitudinal axis, wherein the respective flow obstacle over its entire length in the direction of the longitudinal axis more than 50%, preferably more than 60%, preferably more than 70%, preferably more than 80%, preferably more than 90%, preferably more than 95%, preferably more than 99%, in particular 100% of the cross-sectional area of the associated intermediate space occupies.
  • the flow obstacle is a flexible
  • Has material layer so that it can be placed around a comparatively stiffer, eg made of a metal support structure.
  • a material layer can, for example, according to preferred embodiments, a pressure modulus (eg according to DIN EN ISO 604) of less than 10000 MPa (MegaPascal), preferably less than 2000 MPa, particularly preferably of less than 1000 MPa, more preferably in the range of 100 to 1000 MPa and particularly particularly preferably in the range of 300 to 1000 MPa.
  • the flexible material layer may according to one embodiment PTFE
  • Polytetrafluoroethylene or be formed from PTFE.
  • the respective flow obstacle has a supporting structure.
  • the support structure can also be integrally formed on the material layer or the material layer on the support structure.
  • the support structure may be formed, for example, plate-shaped. If the distance between adjacent spacers in the circumferential direction of the shirt is sufficiently small, the support structure can be designed, for example, as a flat plate, in particular sheet metal. For larger distances between adjacent spacers with one another, such a support structure may also have a curvature which corresponds to a curvature of the outermost layer of pipes in the circumferential direction of the shirt or whose course follows.
  • the support structure may comprise a metal or may be formed of a metal. Furthermore, it is provided according to a preferred embodiment of the heat exchanger according to the invention that the material layer of the respective
  • the front of the respective support structure is facing the shirt and facing away from the outermost layer of pipe.
  • the respective flow obstacle based on a vertically aligned longitudinal axis of the shell is inserted in each case from below into the respective intermediate space.
  • a subsequent equipment of an already constructed heat exchanger with a flow obstacle according to the invention can be made (see also below).
  • Heat exchanger for example in the form of a manhole, used to gain access to the heat exchanger.
  • the respective flow obstacle is inserted with a folded around the upper edge portion of the material layer ahead in the associated space or is arranged there.
  • the support structure advantageously serves to stiffen the material layer, which is preferably configured to seal the respective interspace. This can also be a
  • the respective flow obstacle extends relative to a vertical orientation of the longitudinal axis of the shell only along a lower portion of the tube bundle in the respective intermediate space.
  • This lower portion extends in particular from a lowermost end of the tube bundle (relative to an operationally arranged heat exchanger in which the longitudinal axis extends parallel to the vertical) upwards.
  • this lower section preferably has an extent or length in the direction of the longitudinal axis, which is in particular less than 50%, 30%, 20%, 10%, or 5% of the total length of the tube bundle along the longitudinal axis.
  • the respective flow obstacle in the circumferential direction of the shirt over the entire Extending the circumferential extent of the respective gap between the spacers, and the respective gap in particular in the radial direction completely fills.
  • a flow in the respective intermediate space can be suppressed at least over the partial section of the intermediate space over which the respective flow obstacle extends along the longitudinal axis.
  • the tubes for forming the tube layers are each helically wound on or around a core tube of the heat exchanger, which is adapted to receive the load of the tubes.
  • the heat exchanger has further spacers between the respective pipe layer and the respectively underlying, in the radial direction further inwardly disposed pipe layer, wherein the spacers each extend along the longitudinal axis.
  • the individual pipe layers are preferably based on a per pipe position constant number of spacers on the respectively underlying pipe layer and thus ultimately on the core tube. This preferably extends along the longitudinal axis of the jacket and is furthermore preferably arranged coaxially to the jacket in the jacket space.
  • the said spacers are preferably arranged in the radial direction in each case exactly above an associated underlying spacer. Furthermore, the (in the radial direction of the tube bundle) outermost spacers
  • the spacers can be made of a corresponding material or have separate spring means (e.g., coil springs).
  • Another aspect of the invention relates to a method for arranging, in particular retrofitting, flow obstacles in a heat exchanger having a jacket extending along a longitudinal axis, which surrounds a jacket space for receiving a first fluid, the heat exchanger further comprising a tube bundle arranged in the jacket space A plurality of tubes for receiving at least a second fluid, which form a plurality of tube layers, and a shirt arranged in the jacket space, the one in the radial direction of the tube bundle outermost
  • Pipe layer of the tube bundle enclosing being between the shirt and the outermost Spacers are arranged along the longitudinal axis of the tube layer, wherein between each two in the circumferential direction of the shirt adjacent spacers and the shirt and the top tube layer, a gap is present, and wherein in the respective space a flow obstruction is formed, which is adapted to a flow of the first fluid along the longitudinal axis in the respective intermediate space to hinder or suppress at least over a portion of the respective intermediate space extending along the longitudinal axis.
  • the flow obstacles may be formed in the ways described above.
  • the flow obstacles are preferably each introduced from below into the respective intermediate space and then pushed upwards along the (preferably vertical) longitudinal axis in the jacket of the heat exchanger.
  • Longitudinal axis is inserted from below into a lower portion of the respective intermediate space, a support structure with an upper edge to the one
  • Material is laid around (the material layer may also be formed on the support structure, see above), so that a portion of the material layer surrounds this upper edge, the flow obstacle is inserted with this section ahead from below into the respective space.
  • Support structure may have the above-described respective materials or be formed from the above-described respective materials. Further details and advantages of the invention will become apparent from the following
  • Fig. 1 is a partial sectional view of an inventive
  • Fig. 2 is a partially sectioned, fragmentary and perspective
  • FIG. 2 View of an upper tube layer of a heat exchanger according to the invention, wherein on the uppermost tube layer a shirt is arranged that is fixed by spacers on the uppermost tube layer, between the shirt and the uppermost tube layer flow obstacles are provided (in Fig. 2 is the sake of clarity only a flow obstacle shown); and
  • FIG. 3 is a sectional view of a flow obstacle according to the invention of the type of Figure 2.
  • FIG. 1 shows in connection with FIGS. 2 and 3 an embodiment of a heat exchanger 1 according to the invention with a plurality of flow obstacles
  • the heat exchanger 1 is designed for indirect heat transfer between a first and at least one second fluid S, S 'and has a jacket 10 which surrounds a jacket space M for receiving the first fluid S, which via an inlet connection 101 on the jacket 10 into the jacket space M can be introduced and removed via a corresponding outlet port 102 on the jacket 10 again from the shell space M, wherein the first fluid S acts on a arranged in the shell space M tube bundle 2 of the heat exchanger from above.
  • the jacket 10 of the heat exchanger 1 extends along a longitudinal axis z, which extends relative to a properly arranged state of the heat exchanger 1 along the vertical.
  • the tube bundle 2 has a plurality of tubes 20 for receiving the at least one second fluid S '. Different second fluids S 'can be guided, for example, in associated pipes or pipe groups of the tube bundle 2, ie, the tube bundle 2 is divided according to the number of second fluids S' to be led.
  • the tubes 20 are helically wound on a core tube 21, so that a plurality of tube layers 200, 201 are formed, which are arranged one above the other in a radial direction R, which is perpendicular to the longitudinal axis z, wherein the core tube 21 also extends along the longitudinal axis z and is arranged concentrically in the shell space M. Furthermore, the individual tube layers 200, 201 are fixed to one another via spacers 6 extending along the longitudinal axis z, in each case a plurality of spacers 6 in the radial direction R of the tube bundle 2
  • a constant number of spacers 6 is preferably provided between the adjacent pipe layers.
  • a plurality of tubes 20 can each be combined in a tube plate 104, wherein the second fluid S 'or a plurality of second fluids S' can be introduced into the tubes 10 via inlet sockets 103 on the jacket 10 and can be withdrawn from the tubes 20 via drain sockets 105 ,
  • heat may be transferred indirectly between the first fluid S and the at least one second fluid S ', these fluids S, S' e.g. are passed in countercurrent through the heat exchanger 1.
  • the jacket 10 and the core tube 21 are at least partially cylindrical, so that the longitudinal axis z forms a cylinder axis of the shell 10 and concentric core core 21 extending therein.
  • a preferably hollow cylindrical shirt 3 which encloses the tube bundle 2, so that between the tube bundle 2 and that shirt 3, a tube bundle 2 surrounding annular gap is formed.
  • extended spacers 60 are arranged, over which the shirt 3 on the tube bundle 2, in particular at the outermost layer of tubes 200, is fixed.
  • the said spacers 60 preferably extend along the longitudinal axis z over the entire length of the tube bundle 2 and the radial direction R are each preferably formed elastically deformable to compensate for thermally induced stresses between the tube bundle 2 and the shirt 3 can. Due to the spacers 60 is between the shirt 3 and the outermost layer of pipe 200 between each two in the circumferential direction U of the shirt 3 adjacent
  • flow obstacles 300 are preferably arranged, which in the ideal case completely prevent a bypass flow of the first fluid S in the intermediate spaces M' in the region of the flow obstacles 300 or hinder them, in particular at least in such a way that a significant increase in effectiveness of the heat exchanger 1 is achieved or it is ensured that at least a portion of the fluid S (preferably the entire fluid S) from the respective gap I again is fed into the bundle 2.
  • the flow obstacles 300 have according to one embodiment a
  • Support structure 302 (e.g., in the form of a rectangular sheet) and a e.g. consisting of PFTE material layer 301, which around an upper edge 302 b of
  • Supporting structure 302 is placed around, so that the material layer 301 covers this upper edge 302b as well as a front side 302a of the support structure 302 facing the shirt 3 and a rear side 302c of the support structure 302 facing away from the front side 302a with corresponding sections 301a, 301b, 301c. This serves the
  • Flow obstacle 300 preferably in each case from below in one
  • Insertion direction E (see Figures 2 and 3) with the portion 301 b, which is placed around the respective upper edge 302 b, inserted into the associated space M 'and pushed upwards.
  • the insertion direction E points upwards, for example, in the case of an erected heat exchanger 1 along the longitudinal axis z in the vertical direction.
  • the flow obstacles 300 can also be introduced in the case of a horizontal heat exchanger 1, the insertion direction E being oriented horizontally in each case.
  • the respective intended arranged flow obstacle 300 fills at least a lower portion of the respective intermediate space M 'narrow and thus preferably prevents in this area a bypass flow of the first fluid S on the tube bundle 2 over.
  • such a seal in already existing wound heat exchangers 1 can be subsequently performed.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager (1 ) zur indirekten Wärmeübertragung zwischen einem ersten Fluid (S) und zumindest einem zweiten Fluid (S'), mit einem entlang einer Längsachse (z) erstreckten Mantel (10), der einen Mantelraum (M) zur Aufnahme des ersten Fluids (S) umgibt, einem im Mantelraum (M) angeordneten Rohrbündel (2) mit einer Mehrzahl an Rohren (20) zur Aufnahme des mindestens einen zweiten Fluids (S'), wobei die Rohre (20) mehrere Rohrlagen bilden, und einem im Mantelraum (M) angeordneten Hemd (3), das eine in radialer Richtung (R) des Rohrbündels (2) äußerste Rohrlage (200) des Rohrbündels (2) umschließt, wobei zwischen dem Hemd (3) und der äußersten Rohrlage (200) entlang der Längsachse (z) erstreckte Abstandshalter (60) angeordnet sind, wobei zwischen je zwei in der Umfangsrichtung des Hemdes (3) benachbarten Abstandshaltern (60) sowie dem Hemd (3) und der obersten Rohrlage (200) eine Zwischenraum (Μ') vorhanden ist, wobei erfindungsgemäß in dem jeweiligen Zwischenraum (Μ') ein Strömungshindernis (300) angeordnet ist, das dazu ausgebildet ist, eine Strömung des ersten Fluids (S) im jeweiligen Zwischenraum (Μ') zumindest über einen entlang der Längsachse (z) erstreckten Teilabschnitt des jeweiligen Zwischenraumes (Μ') zu behindern oder zu unterdrücken.

Description

Beschreibung
Gewickelter Wärmeübertrager mit Einbauten zwischen Hemd und letzter Rohrlaqe
Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Anordnen von Strömungshindernissen in einem Wärmeübertrager gemäß
Anspruch 14.
Ein derartiger Wärmeübertrager weist einen drucktragenden Mantel auf, der sich entlang einer vorzugsweise vertikal orientierten Längsachse erstreckt und einen Mantelraum zur Aufnahme eines ersten Fluids begrenzt. In dem Mantelraum ist ein Rohrbündel mit einer Mehrzahl an Rohren zur Aufnahme zumindest eines zweiten Fluids angeordnet, wobei die Rohre mehrere Rohrlagen des Rohrbündels bilden, die in radialer Richtung des Rohrbündels übereinander angeordnet sind. Das mindestens eine zweite Fluid kann somit in einen indirekten Wärmetausch mit dem im Mantelraum geführten ersten Fluid treten. Weiterhin weist ein derartiger Wärmeübertrager ein im Mantelraum angeordnetes und das Rohrbündel umgebendes Hemd auf, das bevorzugt die Form eines Zylindermantels aufweist, wobei zwischen dem Hemd und der äußersten Rohrlage parallel zur Längsachse erstreckte Abstandshalter angeordnet sind. Mittels der Abstandshalter, über die das Hemd an der äußersten Rohrlage festgelegt sein kann, können insbesondere thermisch induzierte Spannungen zwischen dem Hemd und dem Rohrbündel abgebaut werden. Hierzu können die Abstandshalter in radialer Richtung des Rohrbündels elastisch deformierbar ausgebildet sein.
Aufgrund der Abstandshalter ist jedoch zwischen je zwei in der Umfangsrichtung des Hemdes benachbarten Abstandshaltern sowie dem Hemd und der obersten Rohrlage ein kleiner Zwischenraum vorhanden, der insbesondere jeweils die Gestalt einer
Zylindermantelteilschale aufweist Diese Zwischenräume vermindern die Wirkung des Hemdes, die darin besteht, eine übermäßige Bypassströmung des ersten Fluids am Rohrbündel vorbei zu unterdrücken, da sich derartige Strömungen negativ auf die Effektivität des Wärmeübertragers auswirken würden. Zum einen kann im Falle eines Fallfilmverdampfers eine zu große Bypassströmung zu einem erhöhten
Flüssigkeitsanfall im Sumpf des Wärmeübertragers führen. Steigt der
Flüssigkeitsspiegel dabei zu hoch, muss die Leistung eines solchen Wärmeübertragers reduziert oder die Flüssigkeit (erstes Fluid) dem System entzogen werden, um insbesondere eine Anlagenabschaltung zu verhindern. Zum anderen kann auf Grund dieser Bypassströmung die übertragene Wärmeleistung des Tauschers reduziert werden.
Hiervon ausgehend liegt daher der vorliegenden Erfindung das Problem zugrunde, einen Wärmeübertrager sowie ein Verfahren bereitzustellen, der bzw. das den eingangs geschilderten Nachteil einer Bypassströmung mindert. Dieses Problem wird durch einen Wärmeübertrager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Aspekte der vorliegenden Erfindung sind in den
entsprechenden Unteransprüchen angegeben und werden nachfolgend beschrieben. Gemäß Anspruch 1 ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in dem jeweiligen
Zwischenraum ein Strömungshindernis angeordnet ist, das dazu ausgebildet ist, eine Strömung des ersten Fluids im jeweiligen Zwischenraum zumindest über einen entlang der Längsachse erstreckten Teilabschnitt des jeweiligen Zwischenraumes zu behindern oder zu unterdrücken.
Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers vorgesehen, dass der jeweilige Zwischenraum senkrecht zur Längsachse eine Querschnittsfläche aufweist, wobei das jeweilige Strömungshindernis entlang seiner gesamten Länge in Richtung der Längsachse mehr als 50%, vorzugsweise mehr als 60% vorzugsweise mehr als 70%, vorzugsweise mehr als 80% vorzugsweise mehr als 90%, vorzugsweise mehr als 95%, vorzugsweise mehr als 99%, insbesondere 100% der Querschnittsfläche des zugeordneten Zwischenraums einnimmt. Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers vorgesehen, dass das Strömungshindernis eine flexible
Materiallage aufweist, so dass diese um eine vergleichsweise steifere, z.B. aus einem Metall gefertigte Trägerstruktur herumlegbar ist. Eine derartige Materiallage kann z.B. gemäß bevorzugter Ausführungsformen ein Druck-E-Modul (z.B. nach DIN EN ISO 604) von weniger als 10000 MPa (MegaPascal), vorzugsweise von weniger als 2000 MPa, besonders bevorzugt von weniger als 1000 MPa, weiter besonders bevorzugt im Bereich von 100 bis 1000 MPa und insbesondere besonders bevorzugt im Bereich von 300 bis 1000 MPa aufweisen. Die flexible Materiallage kann gemäß einer Ausführungsform PTFE
(Polytetrafluorethylen) aufweisen oder aus PTFE gebildet sein.
Um insbesondere ein Einschieben des jeweiligen Strömungshindernisses in den zugeordneten Zwischenraum zu erleichtern, ist gemäß einer Ausführungsform bevorzugt vorgesehen, dass das jeweilige Strömungshindernis eine Tragstruktur aufweist. Hierbei kann die Tragstruktur auch an die Materiallage bzw. die Materiallage an die Tragstruktur angeformt sein.
Hierbei kann die Tragstruktur zum Beispiel plattenförmig ausgebildet sein. Ist der Abstand benachbarte Abstandshalter in Umfangsrichtung des Hemdes ausreichend klein kann die Tragstruktur zum Beispiel als flache bzw. ebene Platte, insbesondere Blech, ausgebildet sein. Bei größeren Abständen benachbarter Abstandshalter untereinander kann eine derartige Tragstruktur auch eine Krümmung aufweisen, die einer Krümmung der äußersten Rohrlage in Umfangsrichtung des Hemdes entspricht bzw. deren Verlauf folgt.
Grundsätzlich kann die Tragstruktur gemäß einer Ausführungsform ein Metall aufweisen oder kann aus einem Metall gebildet sein. Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers vorgesehen, dass die Materiallage des jeweiligen
Strömungshindernisses bezogen auf eine vertikal ausgerichtete Längsachse des Mantels um eine obere Kante der Tragstruktur des Strömungshindernisses
herumgelegt ist oder herumgeführt ist (z.B. bei angeformter Tragstruktur/Materiallage, siehe oben), so dass die Materiallage diese obere Kante sowie eine Vorderseite der Tragstruktur sowie eine der Vorderseite abgewandte Rückseite der Tragstruktur zumindest abschnittsweise, vorzugsweise vollständig, überdeckt. Die Vorderseite der jeweiligen Tragstruktur ist dabei dem Hemd zugewandt und der äußersten Rohrlage abgewandt.
Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers vorgesehen, dass das jeweilige Strömungshindernis bezogen auf eine vertikal ausgerichtete Längsachse des Mantels jeweils von unten her in den jeweiligen Zwischenraum eingeschoben wird. Hierdurch kann insbesondere auch eine nachträgliche Ausrüstung eines bereits aufgebauten Wärmeübertragers mit einem erfindungsgemäßen Strömungshindernis vorgenommen werden (siehe auch unten). Hierbei kann zum Beispiel eine bestehende Öffnung des Mantels des
Wärmeübertragers, zum Beispiel in Form eines Mannlochs, verwendet werden, um Zugang zum Wärmeübertrager zu erhalten.
Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers vorgesehen, dass das jeweilige Strömungshindernis mit einem um die obere Kante herumgelegten Abschnitt der Materiallage voran in den zugeordneten Zwischenraum eingeschoben wird bzw. dort angeordnet ist. Die Tragstruktur dient hierbei mit Vorteil zur Aussteifung der Materiallage, die bevorzugt dazu konfiguriert ist, den jeweiligen Zwischenraum abzudichten. Auf diese Weise kann auch ein
vergleichsweise äußerst flexibles abdichtendes Material bzw. eine entsprechende Materiallage in den vergleichsweise engen Zwischenraum zwischen dem Hemd und der äußersten Rohrlagen eingeschoben werden. Vorzugsweise verbleibt die
Tragstruktur im Wärmeübertrager. Es ist grundsätzlich aber auch denkbar, die
Tragstruktur lediglich als Positionierungshilfe zu verwenden und nach dem Anordnen der jeweiligen Materiallage wieder zu entfernen.
Im Hinblick auf die Abdichtung der vorhandenen Zwischenräume, ist es insbesondere von Bedeutung, einen unteren Abschnitt des Rohrbündels vor Bypassströmungen zu bewahren. Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers ist daher vorgesehen, dass sich das jeweilige Strömungshindernis bezogen auf eine vertikale Ausrichtung der Längsachse des Mantels lediglich entlang eines unteren Abschnitts des Rohrbündels in dem jeweiligen Zwischenraum erstreckt. Dieser untere Abschnitt erstreckt sich insbesondere von einem untersten Ende des Rohrbündels (bezogen auf einen betriebsbereit angeordneten Wärmeübertrager, bei dem sich die Längsachse parallel zur Vertikalen erstreckt) nach oben. Dieser untere Abschnitt weist dabei vorzugsweise eine Erstreckung bzw. Länge in Richtung der Längsachse auf, die insbesondere kleiner ist als 50%, 30%, 20%, 10%, oder 5% der Gesamtlänge desRohrbündels entlang der Längsachse. Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass sich das jeweilige Strömungshindernis in der Umfangsrichtung des Hemdes über die gesamte Umfangserstreckung des jeweiligen Zwischenraums zwischen den Abstandshaltern erstreckt, und den jeweiligen Zwischenraum insbesondere auch in der radialen Richtung voll ausfüllt. Hierdurch kann eine Strömung in dem jeweiligen Zwischenraum zumindest über den Teilabschnitt des Zwischenraumes unterdrückt werden, über den sich das jeweilige Strömungshindernis entlang der Längsachse erstreckt.
Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers vorgesehen, dass die Rohre zur Ausbildung der Rohrlagen jeweils helikal auf bzw. um ein Kernrohr des Wärmeübertragers gewickelt sind, das dazu ausgebildet ist, die Last der Rohre aufzunehmen. Hierbei ist bevorzugt vorgesehen, dass der Wärmeübertrager weitere Abstandshalter zwischen der jeweiligen Rohrlage und der jeweils darunter liegenden, in der radialen Richtung weiter innen angeordneten Rohrlage aufweist, wobei sich die Abstandshalter jeweils entlang der Längsachse erstrecken. Die einzelnen Rohrlagen stützen sich dabei vorzugsweise über eine pro Rohrlage konstante Anzahl an Abstandshalter an der jeweils darunter angeordneten Rohrlage und somit letztlich am Kernrohr ab. Dieses erstreckt sich bevorzugt entlang der Längsachse des Mantels und ist des Weiteren bevorzugt koaxial zum Mantel im Mantelraum angeordnet. Die besagten Abstandshalter sind vorzugsweise in radialer Richtung jeweils genau über einem zugeordneten darunter liegenden Abstandshalter angeordnet. Weiterhin sind die (in radialer Richtung des Rohrbündels) äußersten Abstandshalter
vorzugsweise in der radialen Richtung elastisch deformierbar ausgebildet. So dass sie thermisch induzierte Spannungen zwischen Hemd und Rohrbündel ausgleichen können. Hierzu können die Abstandshalter aus einem entsprechenden Material gefertigt sein oder separate Federmittel (z.B. Schraubenfedern) aufweisen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anordnen, insbesondere Nachrüsten, von Strömungshindernissen in einem Wärmeübertrager, der einen entlang einer Längsachse erstreckten Mantel aufweist, der einen Mantelraum zur Aufnahme eines ersten Fluids umgibt, wobei der Wärmeübertrager weiterhin ein im Mantelraum angeordnetes Rohrbündel mit einer Mehrzahl an Rohren zur Aufnahme zumindest eines zweiten Fluids aufweist, die mehrere Rohrlagen bilden, sowie ein im Mantelraum angeordnetes Hemd, das eine in radialer Richtung des Rohrbündels äußerste
Rohrlage des Rohrbündels umschließt, wobei zwischen dem Hemd und der äußersten Rohrlage entlang der Längsachse erstreckte Abstandshalter angeordnet sind, wobei zwischen je zwei in der Umfangsrichtung des Hemdes benachbarten Abstandshaltern sowie dem Hemd und der obersten Rohrlage ein Zwischenraum vorhanden ist, und wobei in den jeweiligen Zwischenraum ein Strömungshindernis eingeschoben wird, das dazu ausgebildet ist, eine Strömung des ersten Fluids entlang der Längsachse im jeweiligen Zwischenraum zumindest über einen entlang der Längsachse erstreckten Teilabschnitt des jeweiligen Zwischenraumes zu behindern oder zu unterdrücken.
In einzelnen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens können die Strömungshindernisse in den oben beschriebenen Weisen ausgebildet sein.
Die Strömungshindernisse werden jeweils bevorzugt von unten her in den jeweiligen Zwischenraum eingeführt und dann entlang der (vorzugsweise vertikalen) Längsachse im Mantel des Wärmeübertragers nach oben geschoben.
Wie oben bereits erwähnt, wird dies gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens bei einem bereits betriebsbereiten Wärmeübertrager nachträglich zur besseren
Unterdrückung der Bypassströmungen in den Zwischenräumen vorgenommen. Insbesondere weist das jeweilige Strömungshindernis das bevorzugt entlang der
Längsachse von unten her in einen unteren Abschnitt des jeweiligen Zwischenraumes eingeschoben wird, eine Tragstruktur mit einer oberen Kante auf, um die eine
Material läge herumgelegt wird (die Materiallage kann auch an die Tragstruktur angeformt sein, siehe oben), so dass ein Abschnitt der Materiallage diese obere Kante umgibt, wobei das Strömungshindernis mit diesem Abschnitt voran von unten her in den jeweiligen Zwischenraum eingeschoben wird. Die Materiallage bzw. die
Tragstruktur können die oben jeweils beschriebenen Materialien aufweisen bzw. aus den oben jeweils beschriebenen Materialien gebildet sein. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen durch die nachfolgende
Figurenbeschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren erläutert werden.
Es zeigen: Fig. 1 eine ausschnitthafte Schnittansicht eines erfindungsgemäßen
Wärmeübertragers;
Fig. 2 eine teilweise geschnittene, ausschnitthafte sowie perspektivische
Ansicht einer oberen Rohrlage eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers, wobei auf der obersten Rohrlage ein Hemd angeordnet ist, dass über Abstandshalter an der obersten Rohrlage festgelegt ist, wobei zwischen dem Hemd und der obersten Rohrlage Strömungshindernisse vorgesehen sind (in der Fig. 2 ist der Übersichtlichkeit halber nur ein Strömungshindernis gezeigt); und
Fig. 3 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Strömungshindernisses nach Art der Figur 2.
Figur 1 zeigt im Zusammenhang mit den Figuren 2 und 3 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 1 mit einer Mehrzahl an Strömungshindernissen
300.
Der Wärmeübertrager 1 ist zur indirekten Wärmeübertragung zwischen einem ersten und zumindest einem zweiten Fluid S, S' ausgebildet und weist einen Mantel 10 auf, der einen Mantelraum M zur Aufnahme des ersten Fluids S umgibt, das über einen Einlassstutzen 101 am Mantel 10 in den Mantelraum M einleitbar und über einen entsprechenden Auslassstutzen 102 am Mantel 10 wieder aus dem Mantelraum M abziehbar ist, wobei das erste Fluid S ein im Mantelraum M angeordnetes Rohrbündel 2 des Wärmeübertragers von oben her beaufschlagt.
Der Mantel 10 des Wärmeübertragers 1 erstreck sich entlang einer Längsachse z, die bezogen auf einen bestimmungsgemäß angeordneten Zustand des Wärmeübertragers 1 entlang der Vertikalen verläuft. Das Rohrbündel 2 weist eine Mehrzahl an Rohren 20 zur Aufnahme des mindestens einen zweiten Fluids S' auf. Verschiedene zweite Fluide S' können z.B. in zugeordneten Rohren bzw. Rohrgruppen des Rohrbündels 2 geführt werden, d.h., das Rohrbündel 2 wird entsprechend der Anzahl der zu führenden zweiten Fluide S' aufgeteilt. Die Rohre 20 sind helikal auf ein Kernrohr 21 gewickelt, so dass mehrere Rohrlagen 200, 201 gebildet werden, die in einer radialen Richtung R, die senkrecht auf der Längsachse z steht, übereinander angeordnet sind, wobei sich das Kernrohr 21 ebenfalls entlang der Längsachse z erstreckt und konzentrisch im Mantelraum M angeordnet ist. Weiterhin sind die einzelnen Rohrlagen 200, 201 über entlang der Längsachse z erstreckte Abstandshalter 6 aneinander festgelegt, wobei jeweils mehrere Abstandshalter 6 in radialer Richtung R des Rohrbündels 2
übereinander angeordnet sind. Dabei ist zwischen den benachbarten Rohrlagen vorzugsweise eine konstante Anzahl an Abstandshaltern 6 vorgesehen.
Mehrere Rohre 20 können jeweils in einem Rohrboden 104 zusammengefasst sein, wobei das zweite Fluid S' bzw. mehrere zweite Fluide S' über Einlassstutzen 103 am Mantel 10 in jene Rohre 20 eingeleitet und über Ablassstutzen 105 aus den Rohren 20 abgezogen werden kann bzw. können. Somit kann zwischen dem ersten Fluid S und dem mindestens einen zweiten Fluid S' indirekt Wärme übertragen werden, wobei diese Fluide S, S' z.B. im Gegenstrom durch den Wärmeübertrager 1 geführt werden.
Der Mantel 10 sowie das Kernrohr 21 sind zumindest abschnittsweise zylinderförmig ausgeführt, so dass die Längsachse z eine Zylinderachse des Mantels 10 und des konzentrisch darin verlaufenden Kernrohres 21 bildet. Im Mantelraum M ist des Weiteren ein vorzugsweise hohlzylindrisch ausgebildetes Hemd 3 angeordnet, das das Rohrbündel 2 umschließt, so dass zwischen dem Rohrbündel 2 und jenem Hemd 3 ein das Rohrbündel 2 umgebender Ringspalt ausgebildet ist. In diesem sind entlang der Längsachse z erstreckte Abstandshalter 60 angeordnet, über die das Hemd 3 am Rohrbündel 2, insbesondere an der äußersten Rohrlage 200, festgelegt ist. Die besagten Abstandshalter 60 erstrecken sich vorzugsweise entlang der Längsachse z über die gesamte Länge des Rohrbündels 2 und sind der radialen Richtung R jeweils bevorzugt elastisch deformierbar ausgebildet, um thermisch induzierte Spannungen zwischen dem Rohrbündel 2 und dem Hemd 3 ausgleichen zu können. Aufgrund der Abstandshalter 60 ist zwischen dem Hemd 3 und der äußersten Rohrlage 200 zwischen je zwei in der Umfangsrichtung U des Hemdes 3 benachbarten
Abstandshaltern 60 ein entlang der Längsachse z erstreckter Zwischenraum M' vorhanden.
In diesen Zwischenräumen M' sind bevorzugt Strömungshindernisse 300 angeordnet, die im Idealfall eine Bypassströmung des ersten Fluids S in den Zwischenräumen M' im Bereich der Strömungshindernisse 300 vollständig unterbinden bzw. diese insbesondere zumindest derart behindern, dass eine signifikante Effektivitätssteigerung des Wärmeübertragers 1 erzielt wird bzw. dafür gesorgt wird, dass zumindest ein Teil des Fluids S (bevorzugt das gesamte Fluid S) aus dem jeweiligen Zwischenraum I wieder in das Bündel 2 geleitet wird Die Strömungshindernisse 300 weisen gemäß einer Ausführungsform eine
Tragstruktur 302 auf (z.B. in Form eines rechteckformigen Blechs) sowie eine z.B. aus PFTE bestehende Materiallage 301 auf, die um eine obere Kante 302b der
Tragstruktur 302 herum gelegt ist, so dass die Materiallage 301 diese obere Kante 302b sowie eine dem Hemd 3 zugewandte Vorderseite 302a der Tragstruktur 302 sowie eine der Vorderseite 302a abgewandte Rückseite 302c der Tragstruktur 302 mit entsprechenden Abschnitten 301 a, 301 b, 301 c überdeckt. Hierbei dient die
Tragstruktur 302 zur Aussteifung der Materiallage 301 des jeweiligen
Strömungshindernisses 300, das bevorzugt jeweils von unten her in einer
Einführrichtung E (vgl. Figuren 2 und 3) mit dem Abschnitt 301 b, der um die jeweilige obere Kante 302b gelegt ist, in den zugeordneten Zwischenraum M' eingeführt und nach oben geschoben wird. Die Einführrichtung E weist hierbei z.B. bei einem aufgerichteten Wärmeübertrager 1 entlang der Längsachse z in vertikaler Richtung nach oben. Die Strömungshindernisse 300 können natürlich auch bei einem liegenden Wärmeübertrager 1 eingebracht werden, wobei die Einführrichtung E entsprechend jeweils horizontal orientiert ist. Bevorzugt füllt das jeweilige bestimmungsgemäß angeordnete Strömungshindernis 300 zumindest einen unteren Abschnitt des jeweiligen Zwischenraumes M' eng aus und verhindert somit bevorzugt in diesem Bereich eine Bypassströmung des ersten Fluids S am Rohrbündel 2 vorbei. Mit Vorteil kann eine derartige Abdichtung bei bereits bestehenden gewickelten Wärmeübertragern 1 nachträglich durchgeführt werden.
Bezugszeichenliste
1 Wärmeübertrager
2 Rohrbündel
3 Hemd
6 Abstandshalter
10 Mantel
20 Rohre
21 Kernrohr
60 Äußerste Abstandshalter
101 Einlassstutzen
102 Auslassstutzen
103 Einlassstutzen
104 Rohrboden
105 Auslassstutzen
200 Äußerste Rohrlage
201 Rohrlage
300 Strömungshindernis
301 Materiallage
301 a, 301 b, 301 c Abschnitte Materiallage
302 Tragstruktur
302a Vorderseite
302b Obere Kante
302c Rückseite
E Einführrichtung
R radiale Richtung
Z Längsachse
M Mantelraum
M' Zwischenraum
U Umfangsrichtung

Claims

Patentansprüche
Wärmeübertrager zur indirekten Wärmeübertragung zwischen einem ersten Fluid (S) und zumindest einem zweiten Fluid (S'), mit
- einem entlang einer Längsachse (z) erstreckten Mantel (10), der einen
Mantelraum (M) zur Aufnahme des ersten Fluids (S) umgibt,
- einem im Mantelraum (M) angeordneten Rohrbündel (2) mit einer Mehrzahl an Rohren (20) zur Aufnahme des mindestens einen zweiten Fluids (S'), wobei die Rohre (20) mehrere Rohrlagen bilden, und
- einem im Mantelraum (M) angeordneten Hemd (3), das eine in radialer Richtung (R) des Rohrbündels (2) äußerste Rohrlage (200) des Rohrbündels
(2) umschließt, wobei zwischen dem Hemd (3) und der äußersten Rohrlage (200) entlang der Längsachse (z) erstreckte Abstandshalter (60) angeordnet sind, und wobei zwischen je zwei in der Umfangsrichtung (U) des Hemdes
(3) benachbarten Abstandshaltern (60) sowie dem Hemd (3) und der obersten Rohrlage (200) eine Zwischenraum (Μ') vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem jeweiligen Zwischenraum (Μ') ein Strömungshindernis (300) angeordnet ist, das dazu ausgebildet ist, eine Strömung des ersten Fluids (S) im jeweiligen Zwischenraum (Μ') zumindest über einen entlang der Längsachse (z) erstreckten Teilabschnitt des jeweiligen Zwischenraumes (Μ') zu behindern oder zu unterdrücken.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Zwischenraum senkrecht zur Längsachse (z) eine Querschnittsfläche aufweist, wobei das jeweilige Strömungshindernis (300) entlang seiner gesamten Länge in Richtung der Längsachse (z) mehr als 50%, vorzugsweise mehr als 60% vorzugsweise mehr als 70%, vorzugsweise mehr als 80% vorzugsweise mehr als 90%, vorzugsweise mehr als 95%, vorzugsweise mehr als 99%, insbesondere 100% der Querschnittsfläche einnimmt.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich das jeweilige Strömungshindernis (300) in der Umfangsrichtung (U) des Hemdes (3) über die gesamte Umfangserstreckung des jeweiligen
Zwischenraums (Μ') zwischen den Abstandshaltern (60) erstreckt.
4. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das jeweilige Strömungshindernis (300) eine flexible Materiallage (301 ) aufweist.
5. Wärmeübertrager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die
flexible Materiallage (301 ) PTFE aufweist oder aus PTFE gebildet ist.
6. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das jeweilige Strömungshindernis (300) eine
Tragstruktur (302) aufweist.
7. Wärmeübertrager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die
Tragstruktur plattenförmig ausgebildet ist.
8. Wärmeübertrager nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur ein Metall aufweist oder aus einem Metall gebildet ist.
9. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, dass die Materiallage (301 ) um eine obere Kante der Tragstruktur (302) herumgelegt oder herumgeführt ist, so dass die Materiallage (301 ) diese obere Kante sowie eine Vorderseite (302a) der Tragstruktur (302) sowie eine der Vorderseite (302a) abgewandte Rückseite (302c) der
Tragstruktur (302) zumindest abschnittsweise, vorzugsweise vollständig, überdeckt.
10. Wärmeübertrager nach Anspruch 4 oder 5 und nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (302) an die Materiallage (301 ) angeformt ist.
1 1 . Wärmeübertrager nach Anspruch 4 oder nach einem der Ansprüche 5 bis 10 soweit rückbezogen auf Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Strömungshindernis (300) mit einem um die obere Kante (302b) herum gelegten oder herum geführten Abschnitt (301 b) der Materiallage (301 ) voran in dem zugeordneten Zwischenraum (Μ') angeordnet ist.
12. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das jeweilige Strömungshindernis (300) lediglich entlang eines unteren Abschnitts des Rohrbündels (2) in dem jeweiligen Zwischenraum (Μ') erstreckt.
13. Wärmeübertrager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Rohre (20) zur Ausbildung der Rohrlagen (200) jeweils auf ein Kernrohr (21 ) des Wärmeübertragers (1 ) gewickelt sind, das dazu ausgebildet ist, die Last der Rohre (20) aufzunehmen, wobei bevorzugt der Wärmeübertrager (1 ) weitere Abstandshalter (6) zwischen der jeweiligen Rohrlage (200, 201 ) und der jeweils darunter liegenden, in der radialen
Richtung (R) weiter innen angeordneten Rohrlage (201 ) aufweist, wobei sich diese Abstandshalter (6) jeweils entlang der Längsachse (z) erstrecken.
14. Verfahren zum Einbringen, insbesondere Nachrüsten von
Strömungshindernissen (300) in einem Wärmeübertrager (1 ), der einen entlang einer Längsachse (z) erstreckten Mantel (10) aufweist, der einen Mantelraum (M) zur Aufnahme eines ersten Fluids (S) umgibt, wobei der Wärmeübertrager weiterhin ein im Mantelraum (M) angeordnetes Rohrbündel (2) mit einer Mehrzahl an Rohren (20) zur Aufnahme zumindest eines zweiten Fluids (S') aufweist, die mehrere Rohrlagen bilden, sowie ein im Mantelraum (M) angeordnetes Hemd (3), das eine in radialer Richtung (R) des Rohrbündels (2) äußerste Rohrlage (200) des Rohrbündels (2) umschließt, wobei zwischen dem Hemd (3) und der äußersten Rohrlage entlang der Längsachse (z) erstreckte Abstandshalter (60) angeordnet sind, wobei zwischen je zwei in der
Umfangsrichtung (U) des Hemdes (3) benachbarten Abstandshaltern (60) sowie dem Hemd (3) und der obersten Rohrlage (200) ein Zwischenraum (Μ') vorhanden ist, und wobei in den jeweiligen Zwischenraum (Μ') ein
Strömungshindernis (300) eingeschoben wird, das dazu ausgebildet ist, eine Strömung des ersten Fluids (S) im jeweiligen Zwischenraum (Μ') zumindest über einen entlang der Längsachse (z) erstreckten Teilabschnitt des jeweiligen Zwischenraumes (Μ') zu behindern oder zu unterdrücken.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Strömungshindernis (300) eine Tragstruktur (302) mit einer oberen Kante (302b) aufweist, um die eine Materiallage (301 ) herumgelegt wird, so dass ein Abschnitt (301 b) der Materiallage (301 ) diese obere Kante (302b) umgibt, wobei das jeweilige Strömungshindernis (300) mit diesem Abschnitt (301 b) voran von unten her in den jeweiligen Zwischenraum (Μ') eingeschoben wird.
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