EP3455573B1 - Gewickelter wärmeübertrager mit einbauten zwischen hemd und letzter rohrlage - Google Patents

Gewickelter wärmeübertrager mit einbauten zwischen hemd und letzter rohrlage Download PDF

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EP3455573B1
EP3455573B1 EP17723267.5A EP17723267A EP3455573B1 EP 3455573 B1 EP3455573 B1 EP 3455573B1 EP 17723267 A EP17723267 A EP 17723267A EP 3455573 B1 EP3455573 B1 EP 3455573B1
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EP
European Patent Office
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heat exchanger
longitudinal axis
intermediate space
tube
fluid
Prior art date
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EP17723267.5A
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French (fr)
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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
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/02—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
    • F28D7/024—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 the conduits of only one medium being helically coiled tubes, the coils having a cylindrical configuration
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
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    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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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 claim 14.
  • Such a heat exchanger has a pressure-bearing jacket which extends along a preferably vertically oriented longitudinal axis and delimits a jacket space for receiving a first fluid.
  • a tube bundle with a plurality of tubes for receiving at least one second fluid is arranged in the shell space, the tubes forming 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 conducted in the jacket space.
  • such a heat exchanger has a skirt which is arranged in the shell space and surrounds the tube bundle and which preferably has the shape of a cylinder shell, spacers extending parallel to the longitudinal axis being arranged between the skirt and the outermost layer of tubes.
  • Thermally induced stresses between the shirt and the tube bundle in particular, can be reduced by means of the spacers, via which the shirt can be fixed to the outermost tube layer.
  • the spacers can be designed to be elastically deformable in the radial direction of the tube bundle.
  • 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 at the outset.
  • the respective flow obstacle occupies more than 50% of the cross-sectional area along its entire length in the direction of the longitudinal axis
  • the respective flow obstacle along its entire length in the direction of the longitudinal axis is 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.
  • the flow obstacle has a flexible material layer, so that it can be wrapped around a comparatively stiffer support structure, e.g. made of metal.
  • a material layer can, for example, have a compression modulus (e.g. according to DIN EN ISO 604) of less than 10000 MPa (MegaPascal), preferably less than 2000 MPa, particularly preferably less than 1000 MPa, more particularly preferably im Have range from 100 to 1000 MPa and particularly particularly preferably in the range from 300 to 1000 MPa.
  • the flexible material layer can have PTFE (polytetrafluoroethylene) or be formed from PTFE.
  • the respective flow obstacle has a support structure.
  • the support structure can also be formed onto the material layer or the material layer onto the support structure.
  • the supporting structure can be designed in the form of a plate, for example. 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 or even plate, in particular sheet metal. If the distances between adjacent spacers are larger, such a support structure can also have a curvature that corresponds to a curvature of the outermost tube layer in the circumferential direction of the shirt or follows its course.
  • the support structure can have a metal or can be formed from a metal.
  • the material layer of the respective flow obstacle is placed or guided around an upper edge of the support structure of the flow obstacle in relation to a vertically aligned longitudinal axis of the jacket (e.g. with a molded support structure/material layer, see above). so that the material layer at least partially, preferably completely, covers this upper edge as well as a front side of the supporting structure and a rear side of the supporting structure facing away from the front side.
  • the front of the respective support structure faces the shirt and away from the outermost tube layer.
  • the respective flow obstacle is pushed into the respective intermediate space from below in relation to a vertically aligned longitudinal axis of the shell.
  • a heat exchanger that has already been set up can also be retrofitted with a flow obstacle according to the invention (see also below).
  • an existing opening in the shell of the heat exchanger for example in the form of a manhole, can be used to gain access to the heat exchanger.
  • the respective flow obstacle is pushed into the associated intermediate space or is arranged there with a section of the material layer wrapped around the upper edge in front.
  • the supporting structure serves in this case advantageously for stiffening the material layer, which is preferably configured to seal off the respective intermediate space. In this way, a comparatively extremely flexible sealing material or a corresponding material layer can also be pushed into the comparatively narrow space between the shirt and the outermost pipe layer.
  • the support structure preferably remains in the heat exchanger. In principle, however, it is also conceivable to use the supporting structure merely as a positioning aid and to remove it again after the respective material layer has been arranged.
  • the respective flow obstacle extends only along a lower section of the tube bundle in the respective intermediate space, based on a vertical orientation of the longitudinal axis of the jacket.
  • This lower section 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 that 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 extends in the circumferential direction of the shirt over the entire circumferential extension of the respective intermediate space between the spacers and completely fills the respective intermediate space, in particular also in the radial direction.
  • 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 to form the tube layers are each wound helically onto or around a core tube of the heat exchanger, which is designed to absorb the load of the tubes.
  • the heat exchanger has further spacers between the respective pipe layer and the respective underlying layer, which is arranged further inwards in the radial direction Having pipe layer, wherein the spacers each extend along the longitudinal axis.
  • the individual tube layers are preferably supported by a constant number of spacers per tube layer on the respective tube layer arranged underneath and thus ultimately on the core tube. This preferably extends along the longitudinal axis of the jacket and is also preferably arranged coaxially to the jacket in the jacket space.
  • Said spacers are preferably arranged in the radial direction in each case exactly above an associated spacer lying underneath.
  • the outermost spacers (in the radial direction of the tube bundle) are preferably designed to be elastically deformable in the radial direction. So that they can equalize thermally induced stresses between the shirt and the tube bundle.
  • the spacers can be made of a suitable material or have separate spring means (e.g. coil springs).
  • a further aspect of the invention relates to a method for arranging, in particular retrofitting, flow obstacles in a heat exchanger which has a jacket which extends along a longitudinal axis and which surrounds a jacket space for receiving a first fluid, the heat exchanger also having a tube bundle which is arranged in the jacket space and has a has a plurality of tubes for accommodating at least one second fluid, which form a plurality of tube layers, and a skirt which is arranged in the shell space and which encloses an outermost tube layer of the tube bundle in the radial direction of the tube bundle, spacers extending along the longitudinal axis being arranged between the skirt and the outermost tube layer between each two adjacent spacers in the circumferential direction of the shirt and between the shirt and the uppermost tube layer there is an intermediate space, the respective intermediate space having a cross-sectional area perpendicular to the longitudinal axis.
  • a flow obstacle is inserted into the respective intermediate space, which is designed to impede or suppress a flow of the first fluid along the longitudinal axis in the respective intermediate space, at least over a partial section of the respective intermediate space that extends along the longitudinal axis, the respective flow obstacle along its entire Length in the direction of the longitudinal axis occupies more than 50% of the cross-sectional area
  • the flow obstacles can be designed in the manner described above.
  • the flow obstacles are each preferably introduced from below into the respective intermediate space and then pushed up along the (preferably vertical) longitudinal axis in the jacket of the heat exchanger.
  • this is carried out subsequently in a heat exchanger that is already ready for operation in order to better suppress the bypass flows in the intermediate spaces.
  • the respective flow obstacle which is preferably pushed along the longitudinal axis from below into a lower section of the respective intermediate space, has a supporting structure with an upper edge around which a layer of material is placed (the layer of material can also be molded onto the supporting structure, see above ) so that a section of the material layer surrounds this upper edge, with the flow obstacle being pushed into the respective intermediate space from below with this section in front.
  • the material layer or the support structure can have the materials described above or be formed from the materials described above.
  • figure 1 shows related to the Figures 2 and 3 an embodiment of a heat exchanger 1 according to the invention with a plurality of flow obstacles 300.
  • 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 enters the jacket space via an inlet connection 101 on the jacket 10 M can be introduced and withdrawn again from the jacket space M via a corresponding outlet connection 102 on the jacket 10, the first fluid S acting on a tube bundle 2 of the heat exchanger arranged in the jacket space M from above.
  • the jacket 10 of the heat exchanger 1 extends along a longitudinal axis z, which runs along the vertical in relation to a state of the heat exchanger 1 arranged as intended.
  • 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 routed, for example, in associated tubes or tube groups of the tube bundle 2, ie the tube bundle 2 is divided according to the number of second fluids S′ to be routed.
  • the tubes 20 are helically wound onto a core tube 21, so that several 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, with the core tube 21 also extending along the longitudinal axis z extends and is arranged concentrically in the jacket space M. Furthermore, the individual tube layers 200, 201 are fixed to one another by spacers 6 extending along the longitudinal axis z, with a plurality of spacers 6 being arranged one above the other in the radial direction R of the tube bundle 2. A constant number of spacers 6 is preferably provided between the adjacent tube layers.
  • a plurality of tubes 20 can each be combined in a tube sheet 104, with the second fluid S′ or a plurality of second fluids S′ being introduced into those tubes 20 via inlet sockets 103 on the jacket 10 and being drawn off from the tubes 20 via outlet sockets 105 .
  • Heat can thus be transferred indirectly between the first fluid S and the at least one second fluid S′, with these fluids S, S′ being conducted through the heat exchanger 1 in countercurrent, for example.
  • 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 jacket 10 and the core tube 21 running concentrically therein. Furthermore, a preferably hollow-cylindrical shirt 3 is arranged in the jacket space M, which encloses the tube bundle 2 so that an annular gap surrounding the tube bundle 2 is formed between the tube bundle 2 and that shirt 3 . Spacers 60 extending along the longitudinal axis z are arranged in this spacer, via which the shirt 3 is fixed to the tube bundle 2 , in particular to the outermost tube layer 200 .
  • Said spacers 60 preferably extend along the longitudinal axis z over the entire length of the tube bundle 2 and are preferably designed to be elastically deformable in the radial direction R in order to be able to compensate for thermally induced stresses between the tube bundle 2 and the sleeve 3 . Because of the spacers 60, an intermediate space M′ extending along the longitudinal axis z is present between the shirt 3 and the outermost tube layer 200 between two adjacent spacers 60 in the circumferential direction U of the shirt 3 .
  • Flow obstacles 300 are preferably arranged in these intermediate spaces M', which ideally completely prevent a bypass flow of the first fluid S in the intermediate spaces M' in the area of the flow obstacles 300 or, in particular, at least impede them in such a way that a significant increase in the effectiveness of the heat exchanger 1 is achieved or it is ensured that at least part of the fluid S (preferably all of the fluid S) is fed back into the bundle 2 from the respective intermediate space M'
  • the flow obstacles 300 have a support structure 302 (for example in the form of a rectangular sheet metal) and a material layer 301 consisting of PFTE, for example, which wraps around an upper edge 302b of the Support structure 302 is laid around, so that the material layer 301 covers this upper edge 302b and 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.
  • the support structure 302 serves to stiffen the material layer 301 of the respective flow obstacle 300, which is preferably inserted from below in an insertion direction E (cf.
  • FIGS. 2 and 3 with the section 301b, which is placed around the respective upper edge 302b, is introduced into the associated gap M' and pushed upwards.
  • the insertion direction E points upwards in the vertical direction along the longitudinal axis z.
  • the flow obstacles 300 can of course also be introduced in a horizontal heat exchanger 1, with the insertion direction E being oriented horizontally in each case.
  • the respective flow obstacle 300 arranged as intended preferably fills at least a lower section of the respective intermediate space M′ and thus preferably prevents a bypass flow of the first fluid S past the tube bundle 2 in this area.
  • such a seal can be carried out subsequently in the case of coiled heat exchangers 1 that already exist.

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Description

  • 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.
  • Aus der DE 10 2012 014 101 A1 , die jeweils den Oberbegriff der Ansprüche 1 und 14 bildet, ist ein Wärmeübertrager bekannt, bei welchem im Mantelraum zwischen drei äußersten Rohrlagen (100 - 102) und dem das Rohrbündel umgebenden Hemd 60 Strömungsunterbrecher 40 angeordnet sind (Fig. 2).
  • Hiervon ausgehend liegt 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 wird bereitgestellt:
    • Ein Wärmeübertrager zur indirekten Wärmeübertragung zwischen einem ersten Fluid und zumindest einem zweiten Fluid, mit
      • einem entlang einer Längsachse erstreckten Mantel, der einen Mantelraum zur Aufnahme des ersten Fluids umgibt,
      • einem im Mantelraum angeordneten Rohrbündel mit einer Mehrzahl an Rohren zur Aufnahme des mindestens einen zweiten Fluids, wobei die Rohre mehrere Rohrlagen bilden, und
      • einem im Mantelraum angeordneten 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, und
      • wobei zwischen je zwei in der Umfangsrichtung des Hemdes benachbarten Abstandshaltern sowie dem Hemd und der obersten Rohrlage ein Zwischenraum vorhanden ist, wobei der jeweilige Zwischenraum senkrecht zur Längsachse eine Querschnittsfläche aufweist, und
      • wobei 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.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das jeweilige Strömungshindernis entlang seiner gesamten Länge in Richtung der Längsachse mehr als 50% der Querschnittsfläche einnimmt
  • Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers vorgesehen, dass das jeweilige Strömungshindernis entlang seiner gesamten Länge in Richtung der Längsachse 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, wobei der jeweilige Zwischenraum senkrecht zur Längsachse eine Querschnittsfläche aufweist. Erfindungsgemäß wird in den jeweiligen Zwischenraum ein Strömungshindernis eingeschoben, 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, wobei das jeweilige Strömungshindernis entlang seiner gesamten Länge in Richtung der Längsachse mehr als 50% der Querschnittsfläche einnimmt
  • 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 Materiallage 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 M' wieder in das Bündel 2 geleitet wird
  • Die Strömungshindernisse 300 weisen gemäß einer Ausführungsform eine Tragstruktur 302 auf (z.B. in Form eines rechteckförmigen 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 301a, 301b, 301c 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 301b, 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
    301a, 301b, 301c 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 (15)

  1. 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) ein Zwischenraum (M') vorhanden ist, wobei der jeweilige Zwischenraum senkrecht zur Längsachse (z) eine Querschnittsfläche aufweist, und
    - wobei in dem jeweiligen Zwischenraum (M') ein Strömungshindernis (300) angeordnet ist, das dazu ausgebildet ist, eine Strömung des ersten Fluids (S) im jeweiligen Zwischenraum (M') zumindest über einen entlang der Längsachse (z) erstreckten Teilabschnitt des jeweiligen Zwischenraumes (M') zu behindern oder zu unterdrücken,
    dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Strömungshindernis (300) entlang seiner gesamten Länge in Richtung der Längsachse (z) mehr als 50% der Querschnittsfläche einnimmt.
  2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Strömungshindernis (300) entlang seiner gesamten Länge in Richtung der Längsachse (z) 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.
  3. 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 (M') 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.
  11. 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 (301b) der Materiallage (301) voran in dem zugeordneten Zwischenraum (M') 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 (M') 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 (M') vorhanden ist, wobei der jeweilige Zwischenraum senkrecht zur Längsachse (z) eine Querschnittsfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in den jeweiligen Zwischenraum (M') ein Strömungshindernis (300) eingeschoben wird, das dazu ausgebildet ist, eine Strömung des ersten Fluids (S) im jeweiligen Zwischenraum (M') zumindest über einen entlang der Längsachse (z) erstreckten Teilabschnitt des jeweiligen Zwischenraumes (M') zu behindern oder zu unterdrücken, wobei das jeweilige Strömungshindernis (300) entlang seiner gesamten Länge in Richtung der Längsachse (z) mehr als 50% der Querschnittsfläche einnimmt.
  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 (301b) der Materiallage (301) diese obere Kante (302b) umgibt, wobei das jeweilige Strömungshindernis (300) mit diesem Abschnitt (301b) voran von unten her in den jeweiligen Zwischenraum (M') eingeschoben wird.
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