EP3633298A1 - Gewickelter wärmeübertrager und verfahren zum wärmeaustausch - Google Patents

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EP3633298A1
EP3633298A1 EP18020484.4A EP18020484A EP3633298A1 EP 3633298 A1 EP3633298 A1 EP 3633298A1 EP 18020484 A EP18020484 A EP 18020484A EP 3633298 A1 EP3633298 A1 EP 3633298A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
tube
fluid
heat exchanger
tubes
tube sheet
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP18020484.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Florian Deichsel
Elise Estiot
Rüdiger Gawlick
Roland HILLER
Dino Mehanovic
Alexander Mohr
Adriana STEFANESCU
Manfred Steinbauer
Manfred Schönberger
Pascal Freko
Ole Müller-Thorwart
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
Priority to EP18020484.4A priority Critical patent/EP3633298A1/de
Publication of EP3633298A1 publication Critical patent/EP3633298A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/0246—Arrangements for connecting header boxes with flow lines

Definitions

  • the invention relates to a wound heat exchanger and a method for heat exchange between a first fluid and a second fluid by means of the wound heat exchanger.
  • Such wound heat exchangers have a pressure-bearing jacket which surrounds a jacket space and extends along a longitudinal axis, and a core tube which extends in the jacket and extends along the longitudinal axis and which, based on a heat exchanger arranged as intended, preferably along the intended operation of the heat exchanger the vertical runs.
  • Coiled heat exchangers furthermore have a tube bundle arranged in the jacket space, which has a plurality of tubes, the tubes being wound at least in sections helically in a plurality of turns around the core tube.
  • the core tube takes on the load of the tube bundle in particular.
  • At least one tube plate and at least one tube group are provided, which is formed by a plurality of tubes of the tube bundle, the tubes of the tube group being fastened to the tube plate.
  • the pipes are designed to carry a first fluid and the jacket space is designed to receive a second fluid, so that the first fluid flowing through the pipes can exchange heat with the second fluid in the jacket room during operation of the heat exchanger.
  • the fluids can e.g. are gaseous, liquid or as a liquid-gas mixture.
  • At least one end of the tube bundle the course of the tubes deviates in particular from the helical course around the core tube, the tubes of the tube bundle being guided to at least one tube plate at this end of the tube bundle.
  • This area of the tube bundle is particularly referred to as a braid.
  • a tube plate serves, in particular, to divide a flow of the first fluid, which is made available in particular via an inlet connection, and which flows through the tubes of the tube group, into a plurality of partial flows on the tube plate.
  • the tube sheet can be designed to bring together a plurality of partial streams of the first fluid, which flow through the tubes of the tube group, on the tube sheet and, in particular, to withdraw them from the heat exchanger at the tube sheet via an outlet connection.
  • At least a first tube sheet and a second tube sheet are preferably provided, the first tube sheet being designed to divide the flow of the first fluid made available via the inlet connector, which flows through the tubes of the tube group, into a plurality of partial streams on the first tube sheet , wherein the second tube plate is designed to bring together the partial flows on the second tube plate and to withdraw them from the heat exchanger via an outlet connection on the second tube plate.
  • tube plates have the particular task of guiding tubes from the interior of the wound heat exchanger and of carrying them mechanically. Mechanical loads can arise due to temperature and / or pressure differences between the first fluid and the second fluid in the tube or jacket space.
  • flat tube sheets are predominantly used in wound heat exchangers, that is to say the tube sheets essentially have a circular disk shape.
  • a first aspect of the invention relates to a wound heat exchanger comprising a jacket which extends along a longitudinal axis and surrounds a jacket space, a core tube which extends in the jacket space along the longitudinal axis and a tube bundle which is arranged in the jacket space and which has a plurality of tubes for guiding a first fluid , wherein the tubes are wound in a plurality of turns around the core tube, and wherein the heat exchanger has at least a first tube sheet, and wherein at least some of the tubes of the tube bundle open into the first tube sheet, and wherein the first tube sheet is curved, preferably along the longitudinal axis is curved.
  • the tubes are wrapped around the core tube in such a way that the core tube absorbs the load of the tubes and, if applicable, the spacers or webs between the tubes (if present).
  • the first tube sheet is arranged in particular at a first end of the jacket space.
  • the tube plate is designed to divide a flow of the first fluid made available via a first connection piece into a plurality of partial flows.
  • the tube sheet is designed, in particular, to bring the partial flows of the first fluid together in such a way that the first fluid can be drawn off from the heat exchanger via a second connection piece.
  • the first fluid When flowing through the tubes, the first fluid can indirectly exchange heat with a second fluid made available in the jacket space.
  • the heat exchanger has at least a first tube sheet.
  • a single first tube plate can be provided, in which in particular all the tubes of the tube bundle open, or that several first tube plates can be provided, in particular the tubes of the tube bundle being divided into several tube groups, all tubes of a respective tube group being in a respective one lead to the first tube sheet.
  • the first tube sheet is curved according to the invention. This means that the first tube sheet runs in a longitudinal section through the longitudinal axis along a curved line. In other words, the first tube sheet is not flat.
  • the curved shape of the first tube sheet reduces the stress caused by bending and ovalization effects on the weld seams.
  • the curved shape enables a more even distribution of the mechanical load. As a result, lower stresses occur in the component itself, which leads directly to higher permitted load changes.
  • the thickness of the tube sheet can be made smaller.
  • the shaping according to the invention in particular enables the heat exchanger to be used under cyclical pressure and temperature loads in the high temperature range, that is to say in particular above 400 ° C.
  • temperature ranges for the cyclical load can be reached close to the creep range of the respective material are used, e.g. according to EN13445 for austenitic steels up to 500 ° C.
  • the heat exchanger has a first connection piece, the first tube plate being fixed to the first connection piece, and the first connection piece extending through the jacket of the wound heat exchanger and being fastened to the jacket, in particular so that the first fluid is by means of the the first nozzle can be fed to the first tube sheet and can be divided by means of the first tube sheet into the tubes opening into the first tube sheet or so that the first fluid can be brought together from the tubes opening into the first tube sheet by means of the first tube sheet and can be drawn off via the first nozzle.
  • the heat exchanger further has at least one second tube sheet, at least those tubes of the tube bundle which open into the first tube sheet also open into the second tube sheet, in particular so that the fluid flows through the tubes from the first tube sheet to the second tube sheet is feasible.
  • a single second tube sheet can be provided, with in particular all tubes of the tube bundle running between the first and the second tube sheet.
  • a plurality of second tube sheets can also be present, the tube bundle in particular having a plurality of tube groups of tubes, all tubes of a respective tube group running between a respective first tube sheet and a respective second tube sheet.
  • the second tube sheet is also curved along the longitudinal axis.
  • the second tube sheet is arranged at a second end of the jacket space, the second end in particular being opposite the first end.
  • the jacket space runs in particular along the longitudinal axis from the first end to the second end.
  • the heat exchanger further has a second connection piece, the second tube plate being fixed to the second connection piece, and the second connection piece extending through the jacket of the wound heat exchanger and being fastened to the jacket, in particular so that the first fluid can be fed to the second tube plate by means of the second nozzle and can be divided by means of the second tube plate onto the tubes opening into the second tube plate or so that the first fluid can be brought together from the tubes opening into the second tube plate by means of the second tube plate and can be drawn off via the second nozzle is.
  • the wound heat exchanger has a plurality of tube groups and a plurality of first tube sheets, the tube groups each being formed by a plurality of tubes of the tube bundle, and the tubes of a respective tube group opening into a respective first tube sheet.
  • the heat exchanger in particular also has a plurality of second tube sheets, the tubes of a respective tube group, which open into a respective (common) first tube sheet, also open into a respective (common) second tube sheet.
  • At least the first tube sheet is convexly curved toward the jacket space.
  • the second tube sheet (if present) is convexly curved towards the jacket space.
  • the first or second tube plate is curved toward the tube bundle or is convexly curved.
  • the first or second tube sheet can advantageously be made thinner than in the case of flat tube sheets.
  • the entire heat exchanger can advantageously be designed to be smaller than in the case of flat tube sheets.
  • At least the first tube sheet is designed in the form of a spherical segment.
  • the second tube sheet (if present) is also designed in the form of a spherical segment.
  • curved tube sheets according to the invention can be produced particularly easily and have a particularly high stability under mechanical stress.
  • At least the first tube sheet is hemispherical.
  • the second tube sheet (if present) is also hemispherical.
  • At least the first tube sheet is formed from austenitic or ferritic steel.
  • the second tube sheet (if present) is made of austenitic or ferritic steel.
  • At least the first tube sheet is made of aluminum, in particular the second tube sheet (if present) is also made of aluminum.
  • a second aspect of the invention relates to a method for heat exchange between a first fluid and a second fluid by means of a wound heat exchanger according to the first aspect of the invention, the first fluid flowing through the tubes of the tube bundle, and the second fluid being made available in the jacket space is, so that heat is exchanged between the first fluid and the second fluid.
  • the temperature of the first fluid in the tubes changes cyclically.
  • the temperature of the first fluid in the tubes can rise from approx. 280 ° C. to approx. 450 ° C. within 15 minutes and then decrease again to approx. 280 ° C. in 15 minutes.
  • a cyclical change in temperature can in particular mean that the temperature of the first fluid in the tubes decreases during a first period, the temperature of the first fluid in the tubes increases during a second period following the first period, and wherein the temperature of the first fluid in the tubes decreases again during a third time period following the second time period.
  • the pressure of the first fluid in the tubes changes cyclically.
  • a cyclical change in pressure can in particular mean that the pressure of the first fluid in the tubes decreases during a first period, the pressure of the first fluid in the tubes increases during a second period following the first period, and wherein the pressure of the first fluid in the tubes decreases again during a third period following the second period.
  • a mechanical load on the first tube sheet changes cyclically.
  • a mechanical load on the second tube sheet (if present) can change cyclically.
  • a cyclical change in the mechanical load can in particular mean that the mechanical load on the pipes in which the first fluid flows decreases during a first time period, the mechanical load on the pipes increasing during a second time period following the first time period , and wherein the mechanical load on the pipes decreases again during a third period following the second period.
  • the first fluid in the tubes has a temperature of at least 400 ° C., in particular at least 450 ° C., preferably at least 500 ° C.
  • the heat exchanger is used in the high temperature range.
  • curved tube sheets are particularly advantageous because the geometrical shape in the high-temperature range can have a major influence on stresses and thus the number of load changes.
  • the first fluid is guided in at least one tube, a further, third fluid being guided in at least one further tube, so that heat is exchanged between the first fluid and the second fluid and between the third fluid and the second fluid becomes.
  • first and third fluids are conducted in separate tube groups. These tube groups run in particular between a respective first tube sheet and a respective second tube sheet of the heat exchanger.
  • Fig. 1 shows a wound heat exchanger 1 according to the prior art, which has a tube bundle 2 with a plurality of tubes 20, the tubes 20 running along a longitudinal axis L of the heat exchanger 1 and being helically wound around a core tube 21 or onto the core tube 21 are so that they run along an imaginary helical or helical path B, which in the Figure 1 is indicated.
  • the heat exchanger 1 has Figure 1 said core tube 21, on which the tubes 20 of the tube bundle 2 are wound, so that the core tube 21 bears the load of the tubes 20.
  • the heat exchanger 1 is designed for indirect heat transfer between a first fluid and a second fluid and has a casing 10 which surrounds a casing space M for receiving the second fluid, which can be introduced into the casing space M via a third connection piece 103 on the casing 10 and can be pulled off from the jacket space M again, for example, via a fourth connecting piece 105 on the jacket 10.
  • the jacket 10 extends along said longitudinal axis L, which preferably runs along the vertical with respect to a heat exchanger 1 arranged as intended.
  • the tube bundle 2 with a plurality of tubes 20 for guiding the first fluid is also arranged in the jacket space M.
  • These tubes 20 are wound in a number of tube layers 22 in a helical manner onto the core tube 21, the core tube 21 likewise extending along the longitudinal axis L and being arranged concentrically in the jacket space M.
  • tubes 20 of the tube bundle 2 can each form a tube group 7 (in Fig. 1 three such tube groups 7 are shown), the tubes 20 of a tube group 7 being combined in an associated first tube sheet 104a, and the first fluid, in particular via respective first connecting piece 101 on the jacket 10, at an upper end of the heat exchanger 1 into the tubes 20 of FIG each tube group 7 initiated and can be withdrawn from the tubes 20 of the corresponding tube group 7 via respective second nozzle 102 at the lower end of the heat exchanger 1.
  • second tube plates 104b in Fig. 1 not shown, see Fig. 3
  • the tubes 20 of a respective tube group 7 opening into respective second tube sheets 104b.
  • the first tube sheets 104a shown are, as is known from the prior art, flat, that is to say they extend in particular in a plane perpendicular to the longitudinal axis L.
  • the first tube sheets 104a have openings into which the tubes 20 of the tube bundle 2 open. These openings are also arranged in a plane perpendicular to the longitudinal axis L, so that the tubes 20 opening into the first tube sheet 104a run parallel to one another adjacent to the first tube sheet 104a.
  • the first fluid can either be supplied to the pipes 20 via a first connection 101 at the upper end of the heat exchanger and can be withdrawn via a second connection 102 at the lower end, so that this first fluid flows from top to bottom, or vice versa, is supplied to pipes 20 via second connector 102 and drawn off via first connector 102, so that the first fluid flows from bottom to top.
  • the tube bundle 2 does not have separate tube groups, but rather all tubes 20 of the tube bundle open into the first tube plate 104a and the second tube plate 104b.
  • heat can be transferred indirectly between the first fluid flowing in the tubes 20 and the second fluid located in the jacket space M.
  • the jacket 10 and the core tube 21 can also be made cylindrical at least in sections, so that the longitudinal axis L forms a cylinder axis of the jacket 10 and the core tube 21 running concentrically therein.
  • a shirt 3 can be arranged in the jacket space M, which surrounds the tube bundle 2 or the tubes 20, so that an intermediate space surrounding the tube bundle 2 or the tubes 20 is formed between the tube bundle 2 and that shirt 3.
  • the shirt 3 serves to suppress, if possible, a bypass flow of the second fluid, which is carried in the jacket space M and with which the tubes 20 are applied, past the tube bundle 2.
  • the second fluid is therefore conducted in the jacket space M, preferably in the area of the jacket space M surrounded by the shirt 3.
  • the individual tube layers 22 in particular when the tube bundle 2 is mounted horizontally
  • the Figure 2 shows a first end of a heat exchanger 1 and Figure 3 shows a corresponding second end opposite the first end of the heat exchanger 1 according to the invention in longitudinal section with respect to the longitudinal axis L.
  • the first end is arranged above the second end.
  • a first tube sheet 104a is shown and the Figure 3 shows a second tube sheet 104b.
  • the tubes 20 of the tube bundle 2 open at the first end of the heat exchanger 1 into the first tube plate 104a and at the second End of the heat exchanger 1 in the second tube sheet 104b and extend helically around the core tube 21 in the jacket space M surrounded by the jacket 10 of the heat exchanger 1 between the first and second tube sheets 104a, 104b, the core tube 21 taking up the load of the tubes 20.
  • the first and second tube sheets 104a, 104b in particular have openings, wherein in each case one tube 20 is connected to an opening from a first side of the first and second tube sheet 104a, 104b in such a way that first fluid from a second side opposite the first side of the respective first or second tube sheet 104a, 104b can enter the respective tube 20 through the opening.
  • the first fluid guided in the tubes 20 is guided separately from the second fluid present in the jacket space M, that is to say the fluids cannot mix.
  • the tubes 20 are guided in particular from the first or second tube sheet 104a, 104b in a so-called braid of the tube bundle 2 to a wound area in which the tubes 20 are wound in a plurality of tube layers 22 around the core tube 21 (see Figure 1 ).
  • FIG. 2 A cylindrical first connector 101 is shown, which is attached to the jacket 10 and is connected to the first tube sheet 104a in such a way that, for example, first fluid can be supplied to the first tube sheet 104a via the first connector 101 and onto the tubes 20 by means of the first tube sheet 104a is divisible.
  • FIG 3 A corresponding cylindrical second connection piece 102, which is connected to the second tube sheet 104b in terms of flow technology and is likewise fastened to the jacket 10, is shown.
  • partial flows of the first fluid from the tubes 20 can be brought together on the second tube plate 104b and drawn off from the heat exchanger 1 via the second nozzle 102.
  • the flow of the first fluid through the tubes 20 can also be in the opposite direction.
  • the first fluid can be fed to the second tube plate 104b via the second nozzle 102, be divided there into the tubes 20 and flow through the tubes 20 to the first tube plate 104a, where the partial flows of the first fluid come together and via the first nozzle 101 be withdrawn from the heat exchanger 1.
  • the Figure 2 also shows a third nozzle 103 and the Figure 3 shows a fourth nozzle 105, also referred to as a process nozzle.
  • a process nozzle also referred to as a process nozzle.
  • first tube sheet 104a and a single second tube sheet 104b are provided, it is of course also possible to provide a plurality of first tube sheets 104a at the first end and a plurality of second tube sheets 104b at the second end. This is particularly advantageous if the tube bundle 2 has a plurality of separate tube groups 7, such as in the heat exchanger 1 according to the prior art Fig. 1 .
  • the tubes 20 of a corresponding tube group 7 can then open into a respective first and second tube sheet 104a, 104b according to the invention.
  • Different fluids can be guided in the separate tube groups 7, for example, which are supplied to the respective tube sheets 104a, 104b and drawn off from them, for example via separate first and second nozzles 101, 102. These fluids can thus be conducted separately from one another and can indirectly exchange heat in the jacket space M with the second fluid.
  • the in the Figures 2 and 3rd The first and second tube sheets 104a, 104b shown are each hemispherical, the tube sheets 104a, 104b being curved toward the jacket space M along the longitudinal axis L. Of course, other curved designs of the first and second tube sheets 104a, 104b are also possible.
  • the curved shape enables a more even distribution of the mechanical load. As a result, lower stresses occur in the first and second tube sheets 104a, 104b, which leads directly to higher permitted load changes.
  • the shape of the first and second tube sheets 104a, 104b according to the invention in particular enables the heat exchanger 1 to be used in the event of cyclical pressure and temperature loads in the high temperature range.
  • temperature ranges for the cyclic load can be reached in the vicinity of the creep range of the respective material, e.g. according to EN13445 for austenitic steels up to 500 ° C.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen gewickelten Wärmeübertrager (1) mit einem Mantel (10), der einen Mantelraum (M) umgibt, einem Kernrohr (21) und einem in dem Mantelraum (M) angeordneten Rohrbündel (2), wobei die Rohre (20) des Rohrbündels (2) in einer Mehrzahl an Windungen um das Kernrohr (21) herum gewickelt sind, und wobei der Wärmeübertrager (1) mindestens einen ersten Rohrboden (104a) aufweist, wobei zumindest ein Teil der Rohre (20) des Rohrbündels (2) in den ersten Rohrboden (104a) münden, wobei der erste Rohrboden (104a) entlang der Längsachse (L) gewölbt ist, sowie ein Verfahren zum Wärmeaustausch zwischen einem ersten Fluid und einem zweiten Fluid mittels des gewickelten Wärmeübertragers (1).

Description

  • Die Erfindung betrifft einen gewickelten Wärmeübertrager und ein Verfahren zum Wärmeaustausch zwischen einem ersten Fluid und einem zweiten Fluid mittels des gewickelten Wärmeübertragers.
  • Derartige gewickelte Wärmeübertrager weisen einen drucktragenden Mantel auf, der einen Mantelraum umgibt und sich entlang einer Längsachse erstreckt, sowie ein im Mantel verlaufendes Kernrohr, das sich entlang der Längsachse erstreckt, die - bezogen auf einen bestimmungsgemäß angeordneten Wärmeübertrager - beim bestimmungsgemäßen Betrieb des Wärmeübertragers vorzugsweise entlang der Vertikalen verläuft.
  • Gewickelte Wärmeübertrager weisen weiterhin ein im Mantelraum angeordnetes Rohrbündel auf, das eine Mehrzahl an Rohren aufweist, wobei die Rohre zumindest abschnittsweise schraubenlinienförmig in einer Mehrzahl an Windungen um das Kernrohr gewickelt sind. Das Kernrohr nimmt dabei insbesondere die Last des Rohrbündels auf.
  • Weiterhin ist in solchen Wärmeübertragern mindestens ein Rohrboden und mindestens eine Rohrgruppe vorgesehen, die durch eine Mehrzahl an Rohren des Rohrbündels gebildet ist, wobei die Rohre der Rohrgruppe an dem Rohrboden befestigt sind.
  • Die Rohre sind zum Führen eines ersten Fluids ausgebildet und der Mantelraum ist zur Aufnahme eines zweiten Fluids ausgebildet, so dass das durch die Rohre strömende erste Fluid mit dem im Mantelraum befindlichen zweiten Fluid beim Betrieb des Wärmeübertragers Wärme austauschen kann.
  • Die Fluide können dabei z.B. gasförmig, flüssig oder als Flüssigkeits-Gas-Gemisch vorliegen.
  • An zumindest einem Ende des Rohrbündels weicht der Verlauf der Rohre insbesondere von dem schraubenlinienförmigen Verlauf um das Kernrohr herum ab, wobei die Rohre des Rohrbündels an diesem Ende des Rohrbündels zu mindestens einem Rohrboden geführt sind. Dieser Bereich des Rohrbündels wird insbesondere als Zopf bezeichnet.
  • Ein Rohrboden dient insbesondere dazu, einen Strom des, insbesondere über einen Einlassstutzen zur Verfügung gestellten, ersten Fluids, welches die Rohre der Rohrgruppe durchströmt, an dem Rohrboden in eine Mehrzahl an Teilströmen aufzuteilen. Alternativ oder zusätzlich dazu kann der Rohrboden dazu ausgebildet sein, eine Mehrzahl an Teilströmen des ersten Fluids, welche die Rohre der Rohrgruppe durchströmen, an dem Rohrboden zusammenzuführen und, insbesondere über einen Ablassstutzen, an dem Rohrboden aus dem Wärmeübertrager abzuziehen. Bevorzugt sind dabei mindestens ein erster Rohrboden und ein zweiter Rohrboden vorgesehen, wobei der erste Rohrboden dazu ausgebildet ist, den Strom des über den Einlassstutzen zur Verfügung gestellten ersten Fluids, welches die Rohre der Rohrgruppe durchströmt, an dem ersten Rohrboden in eine Mehrzahl an Teilströmen aufzuteilen, wobei der zweite Rohrboden dazu ausgebildet ist, die Teilströme an dem zweiten Rohrboden zusammenzuführen und über einen Ablassstutzen an dem zweiten Rohrboden aus dem Wärmeübertrager abzuziehen.
  • Weiterhin haben Rohrböden insbesondere die Aufgabe, Rohre aus dem Innenraum des gewickelten Wärmetauschers zu führen und mechanisch zu tragen. Mechanische Belastungen können aufgrund von Temperatur- und/oder Druckunterschieden zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid im Rohr- bzw. Mantelraum entstehen.
  • Nach dem Stand der Technik werden in gewickelten Wärmeübertragern überwiegend ebene Rohrböden verwendet, das heißt, die Rohrböden weisen im Wesentlichen eine Kreisscheibenform auf.
  • Teilweise ist es möglich, mit Rohrböden nach dem Stand der Technik statische Lastfälle mit ihren Anforderungen auch bei hohen Temperaturen zu erfüllen. Neue Verfahren und Anwendungsbereiche erfordern jedoch besonders hohe Drücke und Temperaturen sowie zyklische Belastungen, die auch mit deutlich erhöhten Lastwechselzahlen auftreten.
  • Bei ebenen Rohrböden nach dem Stand der Technik tritt unter Temperaturbelastung eine überwiegend durch Biegung dominierte Verformung auf, die zu Ovalisierungen an den Schweißnähten der Rohrböden führt und damit hohe mechanische Spannungen verursacht. Dies führt zu geringeren zulässigen Lastwechselzahlen als für die Auslegung der Wärmeübertrager notwenig ist.
  • Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen gewickelten Wärmeübertrager zur Verfügung zu stellen, der bezüglich dieser Nachteile des Standes der Technik verbessert ist.
  • Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche 1 und 6 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen 2 bis 5 sowie 7 bis 10 angegeben und werden im Folgenden beschrieben.
  • Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen gewickelten Wärmeübertrager aufweisend einen entlang einer Längsachse erstreckten Mantel, der einen Mantelraum umgibt, ein in dem Mantelraum entlang der Längsachse erstrecktes Kernrohr und ein in dem Mantelraum angeordnetes Rohrbündel, das eine Mehrzahl an Rohren zum Führen eines ersten Fluids aufweist, wobei die Rohre in einer Mehrzahl an Windungen um das Kernrohr herum gewickelt sind, und wobei der Wärmeübertrager mindestens einen ersten Rohrboden aufweist, und wobei zumindest ein Teil der Rohre des Rohrbündels in den ersten Rohrboden münden, und wobei der erste Rohrboden gewölbt, bevorzugt entlang der Längsachse gewölbt, ist.
  • Die Rohre sind dabei so um das Kernrohr herumgewickelt, dass das Kernrohr die Last der Rohre und gegebenenfalls der Abstandhalter bzw. Stege zwischen den Rohren (falls vorhanden) aufnimmt.
  • Der erste Rohrboden ist insbesondere an einem ersten Ende des Mantelraums angeordnet.
  • Insbesondere ist der Rohrboden dazu ausgebildet, einen über einen ersten Stutzen zur Verfügung gestellten Strom des ersten Fluids in eine Mehrzahl an Teilströmen aufzuteilen.
  • Weiterhin ist der Rohrboden insbesondere dazu ausgebildet, die Teilströme des ersten Fluids so zusammenzuführen, dass das erste Fluid über einen zweiten Stutzen aus dem Wärmeübertrager abziehbar ist.
  • Beim Durchströmen der Rohre kann das erste Fluid mit einem in dem Mantelraum zur Verfügung gestellten zweiten Fluid indirekt Wärme austauschen.
  • Der Wärmeübertrager weist mindestens einen ersten Rohrboden auf. Das heißt, dass ein einziger erster Rohrboden vorgesehen sein kann, in den insbesondere alle Rohre des Rohrbündels münden oder dass mehrere erste Rohrböden vorgesehen sein können, wobei insbesondere die Rohre des Rohrbündels in mehrere Rohrgruppen aufgeteilt sind, wobei alle Rohre einer jeweiligen Rohrgruppe in einen jeweiligen ersten Rohrboden münden.
  • Der erste Rohrboden ist erfindungsgemäß gewölbt ausgebildet. Das heißt, der erste Rohrboden verläuft in einem Längsschnitt durch die Längsachse entlang einer gekrümmten Linie. Mit anderen Worten, der erste Rohrboden ist nicht eben ausgebildet.
  • Die gewölbte Form des ersten Rohrbodens reduziert die Belastung aus auftretenden Biege- und Ovalisierungseffekten auf die Schweißnähte.
  • Dadurch ermöglicht die gewölbte Form eine gleichmäßigere Verteilung der mechanischen Belastung. Infolgedessen treten geringere Spannungen im Bauteil selbst auf, was unmittelbar zu höheren erlaubten Lastwechseln führt.
  • Weiterhin ist es aufgrund der vorteilhaften Belastungsverteilung möglich, die Dicke des Rohrbodens geringer auszulegen.
  • Die erfindungsgemäße Formgebung ermöglicht insbesondere einen Einsatz des Wärmeübertragers bei zyklischen Druck- und Temperaturbelastungen im Hochtemperaturbereich, das heißt insbesondere oberhalb von 400 °C.
  • Dabei können Temperaturbereiche für die zyklische Belastung, abhängig vom Material und der Norm, bis in die Nähe des Kriechbereichs des jeweiligen Materials erreicht werden, z.B. nach EN13445 für austenitische Stähle bis 500 °C.
  • Dies ermöglicht einen Einsatz des Wärmeübertragers im zyklischen Hochtemperaturbereich bzw. ermöglicht einen häufigeren Einsatz in diesem Bereich. Derartige Weiterentwicklungen der verfahrenstechnischen Prozesse führen insbesondere zu höheren Temperatur- und Drucklastwechseln.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist der Wärmeübertrager einen ersten Stutzen auf, wobei der erste Rohrboden an dem ersten Stutzen festgelegt ist, und wobei sich der erste Stutzen durch den Mantel des gewickelten Wärmeübertragers hindurch erstreckt und an dem Mantel befestigt ist, insbesondere sodass das erste Fluid mittels des ersten Stutzens dem ersten Rohrboden zuführbar ist und mittels des ersten Rohrbodens auf die in den ersten Rohrboden mündenden Rohre aufteilbar ist oder sodass das erste Fluid aus den in den ersten Rohrboden mündenden Rohren mittels des ersten Rohrbodens zusammenführbar ist und über den ersten Stutzen abziehbar ist.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Wärmeübertrager weiterhin mindestens einen zweiten Rohrboden auf, wobei zumindest diejenigen Rohre des Rohrbündels, die in den ersten Rohrboden münden, auch in den zweiten Rohrboden münden, insbesondere sodass das Fluid über die Rohre von dem ersten Rohrboden zu dem zweiten Rohrboden führbar ist.
  • Das heißt, die besagten Rohre des Rohrbündels verlaufen in dem Mantelraum zwischen dem ersten und dem zweiten Rohrboden.
  • Es kann ein einziger zweiter Rohrboden vorgesehen sein, wobei insbesondere alle Rohre des Rohrbündels zwischen dem ersten und dem zweiten Rohrboden verlaufen. Alternativ dazu können auch mehrere zweite Rohrböden vorhanden sein, wobei insbesondere das Rohrbündel mehrere Rohrgruppen von Rohren aufweist, wobei alle Rohre einer jeweiligen Rohrgruppe zwischen einem jeweiligen ersten Rohrboden und einem jeweiligen zweiten Rohrboden verlaufen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist auch der zweite Rohrboden entlang der Längsachse gewölbt.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der zweite Rohrboden an einem zweiten Ende des Mantelraums angeordnet, wobei insbesondere das zweite Ende dem ersten Ende gegenüberliegt. Dabei verläuft der Mantelraum insbesondere entlang der Längsachse von dem ersten Ende zu dem zweiten Ende.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Wärmeübertrager weiterhin einen zweiten Stutzen auf, wobei der zweite Rohrboden an dem zweiten Stutzen festgelegt ist, und wobei sich der zweite Stutzen durch den Mantel des gewickelten Wärmeübertragers hindurch erstreckt und an dem Mantel befestigt ist, insbesondere sodass das erste Fluid mittels des zweiten Stutzens dem zweiten Rohrboden zuführbar ist und mittels des zweiten Rohrbodens auf die in den zweiten Rohrboden mündenden Rohre aufteilbar ist oder so dass das erste Fluid aus den in den zweiten Rohrboden mündenden Rohren mittels des zweiten Rohrbodens zusammenführbar ist und über den zweiten Stutzen abziehbar ist.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der gewickelte Wärmeübertrager eine Mehrzahl an Rohrgruppen und eine Mehrzahl an ersten Rohrböden auf, wobei die Rohrgruppen jeweils durch eine Mehrzahl an Rohren des Rohrbündels gebildet sind, und wobei die Rohre einer jeweiligen Rohrgruppe in einen jeweiligen ersten Rohrboden münden.
  • Dabei weist der Wärmeübertrager insbesondere auch eine Mehrzahl an zweiten Rohrböden auf, wobei die Rohre einer jeweiligen Rohrgruppe, die in einen jeweiligen (gemeinsamen) ersten Rohrboden münden, auch in einen jeweiligen (gemeinsamen) zweiten Rohrboden münden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zumindest der erste Rohrboden zum Mantelraum hin konvex gekrümmt. Dabei ist insbesondere auch der zweite Rohrboden (falls vorhanden) zum Mantelraum hin nach konvex gekrümmt.
  • Mit anderen Worten, der erste bzw. zweite Rohrboden ist zu dem Rohrbündel hin gewölbt bzw. konvex gekrümmt.
  • Hierdurch kann der erste bzw. zweite Rohrboden vorteilhafterweise dünner ausgelegt werden als bei ebenen Rohrböden. Insbesondere kann dadurch vorteilhafterweise auch der gesamte Wärmeübertrager kleiner ausgelegt werden als bei ebenen Rohrböden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zumindest der erste Rohrboden kugelsegmentförmig ausgebildet. Dabei ist insbesondere auch der zweite Rohrboden (falls vorhanden) kugelsegmentförmig ausgebildet.
  • Hierdurch lassen sich erfindungsgemäße gewölbte Rohrböden besonders einfach herstellen und weisen eine besonders hohe Stabilität bei mechanischer Belastung auf.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zumindest der erste Rohrboden halbkugelförmig ausgebildet. Dabei ist insbesondere auch der zweite Rohrboden (falls vorhanden) halbkugelförmig ausgebildet.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zumindest der erste Rohrboden aus austenitischem oder ferritischem Stahl gebildet. Dabei ist insbesondere auch der zweite Rohrboden (falls vorhanden) aus austenitischem oder ferritischem Stahl gebildet.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zumindest der erste Rohrboden aus Aluminium gebildet, wobei insbesondere auch der zweite Rohrboden (falls vorhanden) aus Aluminium gebildet ist.
  • Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wärmeaustausch zwischen einem ersten Fluid und einem zweiten Fluid mittels eines gewickelten Wärmeübertragers gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, wobei das erste Fluid die Rohre des Rohrbündels durchströmt, und wobei das zweite Fluid in dem Mantelraum zur Verfügung gestellt wird, so dass zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid Wärme ausgetauscht wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ändert sich die Temperatur des ersten Fluids in den Rohren zyklisch.
  • Das heißt insbesondere, dass sich die Temperatur des ersten Fluids in den Rohren während eines ersten Zeitabschnitts erhöht, wobei sich die Temperatur des ersten Fluids in den Rohren während eines sich an den ersten Zeitabschnitt anschließenden zweiten Zeitabschnitts verringert, und wobei sich die Temperatur des ersten Fluids in den Rohren während eines sich an den zweiten Zeitabschnitt anschließenden dritten Zeitabschnitts erneut erhöht.
  • Beispielsweise kann sich die Temperatur des ersten Fluids in den Rohren innerhalb von 15 Minuten von ca. 280°C auf ca. 450°C steigen und anschließend in 15 Minuten wieder auf ca. 280°C absinken.
  • Weiterhin kann eine zyklische Änderung der Temperatur insbesondere bedeuten, dass sich die Temperatur des ersten Fluids in den Rohren während eines ersten Zeitabschnitts verringert, wobei sich die Temperatur des ersten Fluids in den Rohren während eines sich an den ersten Zeitabschnitt anschließenden zweiten Zeitabschnitts erhöht, und wobei sich die Temperatur des ersten Fluids in den Rohren während eines sich an den zweiten Zeitabschnitt anschließenden dritten Zeitabschnitts erneut verringert.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ändert sich der Druck des ersten Fluids in den Rohren zyklisch.
  • Das heißt insbesondere, dass sich der Druck des ersten Fluids in den Rohren während eines ersten Zeitabschnitts erhöht, wobei sich der Druck des ersten Fluids in den Rohren während eines sich an den ersten Zeitabschnitt anschließenden zweiten Zeitabschnitts verringert, und wobei sich der Druck des ersten Fluids in den Rohren während eines sich an den zweiten Zeitabschnitt anschließenden dritten Zeitabschnitts erneut erhöht.
  • Weiterhin kann eine zyklische Änderung des Drucks insbesondere bedeuten, dass sich der Druck des ersten Fluids in den Rohren während eines ersten Zeitabschnitts verringert, wobei sich der Druck des ersten Fluids in den Rohren während eines sich an den ersten Zeitabschnitt anschließenden zweiten Zeitabschnitts erhöht, und wobei sich der Druck des ersten Fluids in den Rohren während eines sich an den zweiten Zeitabschnitt anschließenden dritten Zeitabschnitts erneut verringert.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ändert sich eine mechanische Belastung des ersten Rohrbodens zyklisch. Dabei kann sich insbesondere auch eine mechanische Belastung des zweiten Rohrbodens (falls vorhanden) zyklisch ändern.
  • Das heißt insbesondere, dass sich die mechanische Belastung der Rohre, in denen das erste Fluid strömt, während eines ersten Zeitabschnitts erhöht, wobei sich die mechanische Belastung der Rohre während eines sich an den ersten Zeitabschnitt anschließenden zweiten Zeitabschnitts verringert, und wobei sich die mechanische Belastung der Rohre während eines sich an den zweiten Zeitabschnitt anschließenden dritten Zeitabschnitts erneut erhöht.
  • Weiterhin kann eine zyklische Änderung der mechanischen Belastung insbesondere bedeuten, dass sich die mechanische Belastung der Rohre, in denen das erste Fluid strömt, während eines ersten Zeitabschnitts verringert, wobei sich die mechanische Belastung der Rohre während eines sich an den ersten Zeitabschnitt anschließenden zweiten Zeitabschnitts erhöht, und wobei sich die mechanische Belastung der Rohre während eines sich an den zweiten Zeitabschnitt anschließenden dritten Zeitabschnitts erneut verringert.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das erste Fluid in den Rohren eine Temperatur von mindestens 400 °C, insbesondere mindestens 450 °C, bevorzugt mindestens 500 °C, auf.
  • Mit anderen Worten, der Wärmeübertrager wird im Hochtemperaturbereich verwendet.
  • Unter diesen Bedingungen sind gewölbte Rohrböden besonders vorteilhaft, weil die geometrische Formgebung im Hochtemperaturbereich einen großen Einfluss auf Spannungen und damit Lastwechselzahlen haben kann.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird in mindestens einem Rohr das erste Fluid geführt, wobei in mindestens einem weiteren Rohr ein weiteres, drittes, Fluid geführt wird, so dass zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid sowie zwischen dem dritten Fluid und dem zweiten Fluid Wärme ausgetauscht wird.
  • Das heißt, es sind mehrere rohrseitige Ströme vorgesehen.
  • Insbesondere werden das erste und das dritte Fluid in separaten Rohrgruppen geführt. Diese Rohrgruppen verlaufen insbesondere zwischen einem jeweiligen ersten Rohrboden und einem jeweiligen zweiten Rohrboden des Wärmeübertragers.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen durch die nachfolgende Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren erläutert werden.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine teilweise Schnittansicht eines gewickelten Wärmeübertragers nach dem Stand der Technik;
    Fig. 2
    eine schematische Darstellung eines ersten Endes eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers;
    Fig. 3
    eine schematische Darstellung eines zweiten Endes eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers.
  • Fig. 1 zeigt einen gewickelten Wärmeübertrager 1 nach dem Stand der Technik, der ein Rohrbündel 2 mit einer Mehrzahl an Rohren 20 aufweist, wobei die Rohre 20 entlang einer Längsachse L des Wärmeübertragers 1 verlaufen und dabei helikal um ein Kernrohr 21 herum bzw. auf das Kernrohr 21 gewickelt sind, so dass sie entlang einer gedachten helikalen bzw. schraubenlinienförmigen Bahn B verlaufen, die in der Figur 1 angedeutet ist.
  • Im Einzelnen weist der erfindungsgemäße Wärmeübertrager 1 gemäß Figur 1 das besagte Kernrohr 21 auf, auf das die Rohre 20 des Rohrbündels 2 aufgewickelt sind, so dass das Kernrohr 21 die Last der Rohre 20 trägt.
  • Der Wärmeübertrager 1 ist zur indirekten Wärmeübertragung zwischen einem ersten Fluid und einem zweiten Fluid ausgebildet und weist einen Mantel 10 auf, der einen Mantelraum M zur Aufnahme des zweiten Fluids umgibt, das z.B. über einen dritten Stutzen 103 am Mantel 10 in den Mantelraum M einleitbar und z.B. über einen vierten Stutzen 105 am Mantel 10 wieder aus dem Mantelraum M abziehbar ist.
  • Der Mantel 10 erstreckt sich entlang der besagten Längsachse L, die bezogen auf einen bestimmungsgemäß angeordneten Wärmeübertrager 1 vorzugsweise entlang der Vertikalen verläuft. In dem Mantelraum M ist weiterhin das Rohrbündel 2 mit einer Mehrzahl an Rohren 20 zum Führen des ersten Fluids angeordnet. Diese Rohre 20 sind in mehreren Rohrlagen 22 schraubenlinienförmig auf das Kernrohr 21 gewickelt, wobei sich das Kernrohr 21 ebenfalls entlang der Längsachse L erstreckt und konzentrisch im Mantelraum M angeordnet ist.
  • Mehrere Rohre 20 des Rohrbündels 2 können jeweils eine Rohrgruppe 7 bilden (in Fig. 1 sind drei solcher Rohrgruppen 7 gezeigt), wobei die Rohre 20 einer Rohrgruppe 7 in einem zugeordneten ersten Rohrboden 104a zusammengefasst sind, und wobei das erste Fluid insbesondere über jeweilige erste Stutzen 101 am Mantel 10 an einem oberen Ende des Wärmeübertragers 1 in die Rohre 20 der jeweiligen Rohrgruppe 7 eingeleitet und über jeweilige zweite Stutzen 102 am unteren Ende des Wärmeübertragers 1 aus den Rohren 20 der entsprechenden Rohrgruppe 7 abgezogen werden kann. Oberhalb der zweiten Stutzen 102 am unteren Ende des Wärmeübertragers 1 sind zweite Rohrböden 104b (in Fig. 1 nicht gezeigt, siehe Fig. 3) vorgesehen, wobei die Rohre 20 einer jeweiligen Rohrgruppe 7 in jeweilige zweite Rohrböden 104b münden.
  • Die in Fig. 1 gezeigten ersten Rohrböden 104a sind wie nach dem Stand der Technik bekannt eben ausgebildet, das heißt sie sind insbesondere in einer zu der Längsachse L senkrechten Ebene erstreckt. Dabei weisen die ersten Rohrböden 104a Öffnungen auf, in welche die Rohre 20 des Rohrbündels 2 münden. Diese Öffnungen sind ebenfalls in einer zu der Längsachse L senkrechten Ebene angeordnet, sodass die in den ersten Rohrboden 104a mündenden Rohre 20 angrenzend an den ersten Rohrboden 104a parallel zueinander verlaufen.
  • Je nachdem ob das erste Fluid in flüssiger oder gasförmiger Form oder als Phasengemisch vorliegt, kann das erste Fluid entweder über einen ersten Stutzen 101 am oberen Ende des Wärmeübertragers den Rohren 20 zugeführt werden und über einen zweiten Stutzen 102 am unteren Ende abgezogen werden, sodass das erste Fluid von oben nach unten strömt oder umgekehrt über den zweiten Stutzen 102 den Rohren 20 zugeführt und über den ersten Stutzen 102 abgezogen werden, sodass das erste Fluid von unten nach oben strömt.
  • Natürlich ist es auch möglich, nur einen einzigen ersten Rohrboden 104a und einen einzigen zweiten Rohrboden 104b vorzusehen. Dabei weist das Rohrbündel 2 keine getrennten Rohrgruppen auf, sondern es münden insbesondere alle Rohre 20 des Rohrbündels in den ersten Rohrboden 104a und den zweiten Rohrboden 104b.
  • Mit dem dargestellten Wärmeübertrager 1 kann zwischen dem in den Rohren 20 strömenden ersten Fluid und dem in dem Mantelraum M befindlichen zweiten Fluid indirekt Wärme übertragen werden.
  • Der Mantel 10 sowie das Kernrohr 21 können weiterhin zumindest abschnittsweise zylinderförmig ausgeführt sein, so dass die Längsachse L eine Zylinderachse des Mantels 10 und des konzentrisch darin verlaufenden Kernrohres 21 bildet. Im Mantelraum M kann des Weiteren ein Hemd 3 angeordnet sein, welches das Rohrbündel 2 bzw. die Rohre 20 umschließt, so dass zwischen dem Rohrbündel 2 und jenem Hemd 3 ein das Rohrbündel 2 bzw. die Rohre 20 umgebender Zwischenraum ausgebildet ist. Das Hemd 3 dient dazu, ggf. eine Bypassströmung des im Mantelraum M geführten zweiten Fluids, mit dem die Rohre 20 beaufschlagt werden, am Rohrbündel 2 vorbei möglichst zu unterdrücken. Das zweite Fluid wird also im Mantelraum M vorzugsweise in dem vom Hemd 3 umgebenen Bereich des Mantelraumes M geführt. Weiterhin können sich die einzelnen Rohrlagen 22 (insbesondere bei horizontaler Lagerung des Rohrbündels 2) über entlang der Längsachse L erstreckte Stege 6 (auch als Abstandselemente oder Abstandhalter bezeichnet) aneinander bzw. am Kernrohr 21 abstützen.
  • Die Figur 2 zeigt ein erstes Ende eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1 und Figur 3 zeigt ein entsprechendes dem ersten Ende gegenüberliegendes zweites Ende des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1 im Längsschnitt bezüglich der Längsachse L. Dabei ist insbesondere beim bestimmungsgemäßen Betrieb des Wärmeübertragers 1, bei dem die Längsachse L vertikal verläuft, das erste Ende oberhalb des zweiten Endes angeordnet.
  • In der Figur 2 ist ein erster Rohrboden 104a abgebildet und die Figur 3 zeigt einen zweiten Rohrboden 104b. Die Rohre 20 des Rohrbündels 2 münden an dem ersten Ende des Wärmeübertragers 1 in den ersten Rohrboden 104a und an dem zweiten Ende des Wärmeübertragers 1 in den zweiten Rohrboden 104b und verlaufen in dem vom Mantel 10 des Wärmeübertragers 1 umgebenen Mantelraum M zwischen dem ersten und zweiten Rohrboden 104a, 104b helikal um das Kernrohr 21 herum, wobei das Kernrohr 21 die Last der Rohre 20 aufnimmt.
  • Die ersten und zweiten Rohrböden 104a, 104b weisen insbesondere Öffnungen auf, wobei jeweils ein Rohr 20 von einer ersten Seite des ersten bzw. zweiten Rohrbodens 104a, 104b aus mit einer Öffnung derart verbunden ist, dass erstes Fluid von einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des jeweiligen ersten oder zweiten Rohrbodens 104a, 104b aus durch die Öffnung in das jeweilige Rohr 20 eintreten kann. Dabei wird das in den Rohren 20 geführte erste Fluid getrennt von dem im Mantelraum M vorliegenden zweiten Fluid geführt, das heißt die Fluide können sich nicht vermischen.
  • In den Figuren 2 und 3 sind zur besseren Übersicht nur die in den ersten bzw. zweiten Rohrboden 104a, 104b mündenden Enden der Rohre 20 dargestellt. Der um das Kernrohr 21 gewickelte Abschnitt der Rohre 20 kann z.B. analog zu den Rohren 20 des in Figur 1 dargestellten Wärmeübertragers 1 verlaufen.
  • Dabei werden die Rohre 20 insbesondere von dem ersten bzw. zweiten Rohrboden 104a, 104b aus in einem sogenannten Zopf des Rohrbündels 2 zu einem gewickelten Bereich geführt, in welchem die Rohre 20 in einer Mehrzahl an Rohrlagen 22 um das Kernrohr 21 herum gewickelt sind (siehe Figur 1).
  • Weiterhin ist in Figur 2 ein zylindrischer erster Stutzen 101 abgebildet, der an dem Mantel 10 befestigt ist und mit dem ersten Rohrboden 104a so strömungstechnisch verbunden ist, dass z.B. erstes Fluid über den ersten Stutzen 101 dem ersten Rohrboden 104a zuführbar ist und mittels des ersten Rohrbodens 104a auf die Rohre 20 aufteilbar ist.
  • In Figur 3 ist ein entsprechender mit dem zweiten Rohrboden 104b strömungstechnisch verbundener zylindrischer zweiter Stutzen 102 gezeigt, der ebenfalls an dem Mantel 10 befestigt ist. An dem zweiten Rohrboden 104b können z.B. Teilströme des ersten Fluids aus den Rohren 20 zusammengeführt und über den zweiten Stutzen 102 aus dem Wärmeübertrager 1 abgezogen werden.
  • Natürlich kann die Strömung des ersten Fluids durch die Rohre 20 auch in umgekehrter Richtung verlaufen. In diesem Fall kann das erste Fluid über den zweiten Stutzen 102 dem zweiten Rohrboden 104b zugeführt werden, dort auf die Rohre 20 aufgeteilt werden und durch die Rohre 20 zum ersten Rohrboden 104a strömen, wo die Teilströme des ersten Fluids zusammengeführt und über den ersten Stutzen 101 aus dem Wärmeübertrager 1 abgezogen werden.
  • Die Figur 2 zeigt außerdem einen dritten Stutzen 103 und die Figur 3 zeigt einen auch als Prozessstutzen bezeichneten vierten Stutzen 105. Diese sind jeweils an dem Mantel 10 befestigt und münden in den Mantelraum M, so dass z.B. bei Bedarf erstes Fluid über den dritten Stutzen 103 in den Mantelraum M eingeleitet und über den vierten Stutzen 105 aus dem Mantelraum M abgezogen werden kann oder umgekehrt über den vierten Stutzen 105 in den Mantelraum M eingeleitet und über den dritten Stutzen 103 aus dem Mantelraum M abgezogen werden kann.
  • Obwohl gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figuren 2 und 3 nur jeweils ein einziger erster Rohrboden 104a und ein einziger zweiter Rohrboden 104b vorgesehen sind, ist es selbstverständlich auch möglich, an dem ersten Ende mehrere erste Rohrböden 104a und an dem zweiten Ende mehrere zweite Rohrböden 104b vorzusehen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Rohrbündel 2 mehrere getrennte Rohrgruppen 7 aufweist wie z.B. bei dem Wärmeübertrager 1 nach dem Stand der Technik gemäß Fig. 1. Dann können die Rohre 20 einer entsprechenden Rohrgruppe 7 in einen jeweiligen erfindungsgemäßen ersten und zweiten Rohrboden 104a, 104b münden. In den getrennten Rohrgruppen 7 können z.B. unterschiedliche Fluide geführt werden, die z.B. über separate erste und zweite Stutzen 101, 102 den jeweiligen Rohrböden 104a, 104b zugeführt und aus diesen abgezogen werden. Somit sind diese Fluide getrennt voneinander führbar und können in dem Mantelraum M mit dem zweiten Fluid indirekt Wärme austauschen.
  • Die in den Figuren 2 und 3 dargestellten ersten und zweiten Rohrböden 104a, 104b sind jeweils halbkugelförmig ausgebildet, wobei die Rohrböden 104a, 104b entlang der Längsachse L zum Mantelraum M hin gewölbt sind. Selbstverständlich sind auch andere gewölbte Ausführungen des ersten und zweiten Rohrbodens 104a, 104b möglich.
  • Die gewölbte Form ermöglicht eine gleichmäßigere Verteilung der mechanischen Belastung. Dadurch treten geringere Spannungen im ersten und zweiten Rohrboden 104a, 104b auf, was unmittelbar zu höheren erlaubten Lastwechseln führt.
  • Weiterhin ist es aufgrund der vorteilhaften Belastungsverteilung möglich, die Dicke des ersten und zweiten Rohrbodens 104a, 104b geringer auszulegen.
  • Die erfindungsgemäße Formgebung des ersten und zweiten Rohrbodens 104a, 104b ermöglicht insbesondere einen Einsatz des Wärmeübertragers 1 bei zyklischen Druck- und Temperaturbelastungen im Hochtemperaturbereich.
  • Dabei können Temperaturbereiche für die zyklische Belastung, abhängig vom Material und der Norm, bis in die Nähe des Kriechbereichs des jeweiligen Materials erreicht werden, z.B. nach EN13445 für austenitische Stähle bis 500°C.
  • Dies ermöglicht einen Einsatz des Wärmeübertragers 1 im zyklischen Hochtemperaturbereich bzw. ermöglicht einen häufigeren Einsatz in diesem Bereich. Weiterentwicklungen der verfahrenstechnischen Prozesse führen insbesondere zu höheren Temperatur- und Drucklastwechseln. Bezugszeichenliste
    1 Gewickelter Wärmeübertrager
    2 Rohrbündel
    3 Hemd
    6 Steg
    7 Rohrgruppe
    10 Mantel
    20 Rohr
    21 Kernrohr
    22 Rohrlage
    101 Erster Stutzen
    102 Zweiter Stutzen
    103 Dritter Stutzen
    104a Erster Rohrboden
    104b Zweiter Rohrboden
    105 Vierter Stutzen
    B Bahn
    L Längsachse
    M Mantelraum

Claims (14)

  1. Gewickelter Wärmeübertrager (1) aufweisend einen entlang einer Längsachse (L) erstreckten Mantel (10), der einen Mantelraum (M) umgibt, ein in dem Mantelraum (M) entlang der Längsachse (L) erstrecktes Kernrohr (21) und ein in dem Mantelraum (M) angeordnetes Rohrbündel (2), das eine Mehrzahl an Rohren (20) zum Führen eines ersten Fluids aufweist, wobei die Rohre (20) in einer Mehrzahl an Windungen um das Kernrohr (21) herum gewickelt sind, und wobei der Wärmeübertrager (1) mindestens einen ersten Rohrboden (104a) aufweist, und wobei zumindest ein Teil der Rohre (20) des Rohrbündels (2) in den ersten Rohrboden (104a) münden,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der erste Rohrboden (104a) gewölbt ist.
  2. Gewickelter Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    dass der Wärmeübertrager (1) einen ersten Stutzen (101) aufweist, wobei der erste Rohrboden (104a) an dem ersten Stutzen (101) festgelegt ist, wobei sich der erste Stutzen (101) durch den Mantel (M) des gewickelten Wärmeübertragers (1) hindurch erstreckt und an dem Mantel (M) befestigt ist.
  3. Gewickelter Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (1) weiterhin mindestens einen zweiten Rohrboden (104b) aufweist, wobei zumindest diejenigen Rohre (20) des Rohrbündels (2), die in den ersten Rohrboden (104a) münden, auch in den zweiten Rohrboden (104b) münden.
  4. Gewickelter Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
    dass der Wärmeübertrager (1) weiterhin einen zweiten Stutzen (102) aufweist, wobei der zweite Rohrboden (104b) an dem zweiten Stutzen (102) festgelegt ist, wobei sich der zweite Stutzen (102) durch den Mantel (M) des gewickelten Wärmeübertragers (1) hindurch erstreckt und an dem Mantel (M) befestigt ist.
  5. Gewickelter Wärmeübertrager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der gewickelte Wärmeübertrager (1) eine Mehrzahl an Rohrgruppen (7) und eine Mehrzahl an ersten Rohrböden (104a) aufweist, wobei die Rohrgruppen (7) jeweils durch eine Mehrzahl an Rohren (20) des Rohrbündels (2) gebildet sind, und wobei die Rohre (20) einer jeweiligen Rohrgruppe (7) in einen jeweiligen ersten Rohrboden (104a) münden.
  6. Gewickelter Wärmeübertrager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der erste Rohrboden (104a) zum Mantelraum (M) hin konvex gekrümmt ist.
  7. Gewickelter Wärmeübertrager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der erste Rohrboden (104a) kugelsegmentförmig ausgebildet ist.
  8. Gewickelter Wärmeübertrager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der erste Rohrboden (104a) halbkugelförmig ausgebildet ist.
  9. Gewickelter Wärmeübertrager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der erste Rohrboden (104a) aus austenitischem oder ferritischen Stahl gebildet ist.
  10. Verfahren zum Wärmeaustausch zwischen einem ersten Fluid und einem zweiten Fluid mittels eines gewickelten Wärmeübertragers (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das erste Fluid die Rohre (20) des Rohrbündels (2) durchströmt, und wobei das zweite Fluid in dem Mantelraum (M) zur Verfügung gestellt wird, so dass zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid Wärme ausgetauscht wird.
  11. Verfahren zum Wärmeaustausch nach Anspruch 10, wobei sich die Temperatur und/ oder der Druck des ersten Fluids in den Rohren (20) zyklisch ändert.
  12. Verfahren zum Wärmeaustausch nach Anspruch 10 oder 11, wobei sich eine mechanische Belastung des ersten Rohrbodens (104a) zyklisch ändert.
  13. Verfahren zum Wärmeaustausch nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei das erste Fluid in den Rohren (20) eine Temperatur von mindestens 400 °C, insbesondere mindestens 450 °C, bevorzugt mindestens 500 °C, aufweist.
  14. Verfahren zum Wärmeaustausch nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei in mindestens einem Rohr (20) das erste Fluid geführt wird, und wobei in mindestens einem weiteren Rohr (20) ein weiteres, drittes, Fluid geführt wird, so dass zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid sowie zwischen dem dritten Fluid und dem zweiten Fluid Wärme ausgetauscht wird.
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