EP4339544A1 - Heat exchanger device and use thereof - Google Patents
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- EP4339544A1 EP4339544A1 EP22020448.1A EP22020448A EP4339544A1 EP 4339544 A1 EP4339544 A1 EP 4339544A1 EP 22020448 A EP22020448 A EP 22020448A EP 4339544 A1 EP4339544 A1 EP 4339544A1
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Wärmetauschervorrichtung (20) mit einer Vielzahl von Rohren (1-8), die in mehreren konzentrischen Rohrlagen (21-28) schraubenförmig um ein Kernrohr (10) gewickelt sind, wobei jeweils eine Rohrlage (21-24) eines Rohrs (1-4) einer ersten Gruppe von Rohren in lateraler Richtung neben einer Rohrlage (25-28) eines Rohrs (5-8) einer zweiten Gruppe von Rohren angeordnet ist, und mit einem Mantel (9), der einen Außenraum (14) um die Rohre begrenzt, wobei die Rohre (1-4) der ersten Gruppe von Rohren zur Durchströmung mit einem ersten Fluidstrom ausgebildet sind, die Rohre (5-8) der zweiten Gruppe von Rohren zur Durchströmung mit einem zweiten Fluidstrom ausgebildet sind und der Außenraums (14) und das Innere (15) des Kernrohrs (10) zumindest über ein Ende des Kernrohres (10) miteinander verbunden und zur Durchströmung mit einem dritten Fluidstrom ausgebildet sind, wobei im Betrieb Wärme zwischen den drei Fluidströmen übertragen wird. Die Erfindung eignet sich besonders zur Kühlung von Wasserstoff-Gas.The invention relates to a heat exchanger device (20) with a plurality of tubes (1-8), which are wound helically around a core tube (10) in several concentric tube layers (21-28), each with one tube layer (21-24) of a tube (1-4) of a first group of tubes is arranged in the lateral direction next to a tube layer (25-28) of a tube (5-8) of a second group of tubes, and with a jacket (9) which has an outer space (14) limited around the tubes, the tubes (1-4) of the first group of tubes being designed for a first fluid flow to flow through, the tubes (5-8) of the second group of tubes being designed for a second fluid flow to flow through, and the outside space (14) and the interior (15) of the core tube (10) are connected to one another at least via one end of the core tube (10) and are designed for a third fluid flow to flow through, heat being transferred between the three fluid flows during operation. The invention is particularly suitable for cooling hydrogen gas.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Wärmetauschervorrichtung sowie auf eine Verwendung der Selbigen, insbesondere auf eine Wärmetauschervorrichtung mit integriertem Kältespeicher, weiter insbesondere auf eine solche Wärmetauschervorrichtung zur Kühlung von Wasserstoff-Gas, insbesondere zur Verwendung an Wasserstoff-Betankungsanlagen.The present invention relates to a heat exchanger device and to a use of the same, in particular to a heat exchanger device with integrated cold storage, more particularly to such a heat exchanger device for cooling hydrogen gas, in particular for use in hydrogen refueling systems.
Wärmetauschervorrichtungen sind aus dem Stand der Technik in vielfältigen Ausführungsformen bekannt. Genannt seien beispielhaft Plattenwärmetauscher oder gewickelte Wärmetauscher. Ihr Einsatz reicht von der chemischen Verfahrenstechnik über die Prozessgasindustrie bis zur Lebensmittel- und Pharmaindustrie. Sie werden immer dann eingesetzt, wenn mittels Wärmetausch zwischen zwei Fluidströmen ein erster Fluidstrom abgekühlt oder erwärmt und ein zweiter Fluidstrom entsprechend erwärmt oder abgekühlt werden soll. Zu diesem Zweck sind die Fluidströme stofflich voneinander getrennt, befinden sich aber in thermisch leitendem Kontakt.Heat exchanger devices are known from the prior art in various embodiments. Examples include plate heat exchangers or wound heat exchangers. Their use ranges from chemical process engineering to the process gas industry to the food and pharmaceutical industries. They are always used when a first fluid stream is to be cooled or heated and a second fluid stream is to be heated or cooled accordingly by means of heat exchange between two fluid streams. For this purpose, the fluid streams are materially separated from one another, but are in thermally conductive contact.
Weiterhin nimmt die Bedeutung von Wasserstoff als Energieträger insbesondere zum Antrieb von Fahrzeugen zu Wasser, zu Land und zu Luft stetig an Bedeutung zu. Häufig ist es notwendig, den Wasserstoff vor der Betankung von wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen vorzukühlen. Im Folgenden sei, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, der Hintergrund der Erfindung an diesem Beispiel näher erläutert. Die Betankung von wasserstoffbetriebenen Fahrzeugen wird in der Regel über so genannte Betankungsprotokolle insofern geregelt, als dass es zu keiner Überhitzung im Fahrzeugtank kommt. Aufgrund des negativen Joule-Thompson-Effekts kommt es bei einer Entspannung von Wasserstoff etwa an Wasserstofftankstellen zu einer Erwärmung des Gases, wenn dieses vom Hochdruck des jeweiligen Wasserstoffspeichers auf den jeweiligen Fahrzeugstartdruck entspannt wird, wobei zusätzlich Reibungswärme anfällt. Die Betankungsprotokolle sehen vor, das Wasserstoffgas auf bis zu -40° C vorzukühlen, bevor es in den Fahrzeugdruckbehälter überströmt wird. Außerdem wird angestrebt, die Betankungsdauer mit Wasserstoff zu verkürzen, um im Vergleich mit den Betankungsdauern von benzin- oder dieselbetriebenen Fahrzeugen kompetitiv zu bleiben. Daher ist bezüglich der anfallenden Wärmeleistung, welche es tankstellenseitig abzuführen gilt, ein ausreichend leistungsfähiges Vorkühlsystem erforderlich.Furthermore, the importance of hydrogen as an energy source, particularly for driving vehicles on water, land and air, is constantly increasing. It is often necessary to pre-cool the hydrogen before refueling hydrogen-powered vehicles. The background of the invention will be explained in more detail below using this example, without limiting the generality. The refueling of hydrogen-powered vehicles is usually regulated via so-called refueling protocols to ensure that the vehicle tank does not overheat. Due to the negative Joule-Thompson effect, when hydrogen is expanded at hydrogen filling stations, for example, the gas heats up when it is expanded from the high pressure of the respective hydrogen storage to the respective vehicle starting pressure, with additional frictional heat being generated. The refueling protocols call for the hydrogen gas to be pre-cooled to as low as -40°C before it is flowed into the vehicle pressure vessel. The aim is also to increase the refueling time with hydrogen shorten in order to remain competitive compared to the refueling times of gasoline or diesel-powered vehicles. Therefore, a sufficiently powerful pre-cooling system is required with regard to the heat output that has to be dissipated at the gas station.
Die lokal stark begrenzten räumlichen Verhältnisse und die begrenzt verfügbare elektrische Anschlussleistung stellen in der Praxis weitere auftretende Einschränkungen an Aufstellungsorten von Wasserstofftankstellen dar. Desweiteren weisen bisherige, am Markt verfügbare Wärmeübertrager oftmals ein erhöhtes Sicherheitsrisiko auf, da die Trennung des kühlenden und des zu kühlenden Mediums oft sehr dünnwandig ausgeführt ist, um den Wärmetausch zu erhöhen. Dünnwandige Ausführungen können jedoch zu Diffusion von Wasserstoff durch die dünnen Trennwände in einem Plattenwärmeübertrager in den Kühlkreis oder im Falle einer größeren Leckage zu einem direkten Übertritt von gasförmigem Wasserstoff in den Kühlkreis führen.The locally very limited spatial conditions and the limited available electrical connection power represent further restrictions that occur in practice at the installation sites of hydrogen filling stations. Furthermore, previous heat exchangers available on the market often have an increased safety risk, as the cooling medium and the medium to be cooled are often separated very thin-walled to increase heat exchange. However, thin-walled designs can lead to diffusion of hydrogen through the thin partition walls in a plate heat exchanger into the cooling circuit or, in the event of a major leak, to a direct transfer of gaseous hydrogen into the cooling circuit.
Es besteht daher ein Bedarf an platzsparenden, leistungsfähigen und sicheren Vorrichtungen zur Kühlung bzw. allgemeiner auch zur Erwärmung von Fluidströmen, insbesondere aber zur Kühlung von Wasserstoffgas.There is therefore a need for space-saving, powerful and safe devices for cooling or, more generally, for heating fluid flows, but in particular for cooling hydrogen gas.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Wärmetauschvorrichtung und auf eine Verwendung einer solchen Wärmetauschvorrichtung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche und der nachfolgenden Beschreibung.The present invention relates to a heat exchange device and to a use of such a heat exchange device according to the independent claims. Advantageous refinements are the subject of the respective subclaims and the following description.
Erfindungsgemäß weist die Wärmetauschervorrichtung eine Vielzahl von Rohren auf, die in mehreren konzentrischen Rohrlagen schraubenförmig um ein Kernrohr gewickelt sind, wobei eine Rohrlage eines Rohrs einer ersten Gruppe von Rohren in radialer bzw. lateraler Richtung neben einer Rohrlage eines Rohrs einer zweiten Gruppe von Rohren angeordnet ist. Mit anderen Worten ist jeweils ein Rohr einer ersten Gruppe von Rohren schraubenförmig um ein Kernrohr gewickelt, wobei jeweils ein Rohr einer zweiten Gruppe von Rohren konzentrisch und benachbart zu dem Rohr der ersten Gruppe ebenfalls schraubenförmig um das Kernrohr gewickelt ist. Es sei darauf hingewiesen, dass der Steigungswinkel benachbarter Rohre unterschiedlich sein kann. In jedem Fall sind die Rohre der ersten und der zweiten Gruppe lateral bzw. in einer Projektion auf eine Querschnittsfläche radial nebeneinander angeordnet und konzentrisch zueinander. Die erfindungsgemäße Wärmetauschervorrichtung weist weiterhin einen Mantel auf, der einen Außenraum um die Rohre begrenzt. Bei der erfindungsgemäßen Wärmetauschervorrichtung sind die Rohre der ersten Gruppe von Rohren zur Durchströmung mit einem ersten Fluidstrom ausgebildet, die Rohre der zweiten Gruppe von Rohren zur Durchströmung mit einem zweiten Fluidstrom ausgebildet und der Außenraum und das Innere des Kernrohres sind zumindest über ein offenes (oder zumindest teilweise offenes) Ende des Kernrohres miteinander verbunden und zur Durchströmung mit einem dritten Fluidstrom ausgebildet, wobei im Betrieb Wärme zwischen den drei Fluidströmen übertragen wird. Insbesondere handelt es sich bei den drei Fluidströmen um jeweils unterschiedliche Fluidströme bzw. um Fluidströme verschiedener Zusammensetzung. Ein Fluidstrom kann in flüssiger oder in gasförmiger Phase vorliegen. Auch ein Gemisch von flüssiger und gasförmiger Phase ist möglich.According to the invention, the heat exchanger device has a plurality of tubes which are wound helically around a core tube in a plurality of concentric tube layers, with a tube layer of a tube of a first group of tubes being arranged in the radial or lateral direction next to a tube layer of a tube of a second group of tubes . In other words, one tube of a first group of tubes is wound helically around a core tube, with one tube of a second group of tubes also being wound helically around the core tube concentrically and adjacent to the tube of the first group. Be it on it pointed out that the pitch angle of adjacent pipes can be different. In any case, the tubes of the first and second groups are arranged laterally or in a projection onto a cross-sectional area radially next to one another and concentric to one another. The heat exchanger device according to the invention further has a jacket that delimits an external space around the pipes. In the heat exchanger device according to the invention, the tubes of the first group of tubes are designed for flow through with a first fluid stream, the tubes of the second group of tubes are designed for flow through with a second fluid flow and the outer space and the interior of the core tube are at least via an open (or at least partially open) end of the core tube connected to one another and designed for flow through with a third fluid stream, heat being transferred between the three fluid streams during operation. In particular, the three fluid streams are each different fluid streams or fluid streams of different composition. A fluid stream can be in a liquid or gaseous phase. A mixture of liquid and gaseous phases is also possible.
In einer Ausführungsform ist der dritte Fluidstrom ein Kälteträgermedium, wobei insbesondere zusätzlich eine Abkühlung des ersten Fluidstroms durch den zweiten Fluidstrom stattfindet. Auf diese Weise kann ein kombiniertes System aus Wärmeübertrager und Kältespeicher mit hoher Leistungsdichte bei hohem volumetrischen Ausnutzungsgrad der Vorrichtung geschaffen werden. Hierzu tragen die spiralförmigen Rohrleitungen und der spezielle Strömungspfad des dritten Fluidstroms, in dem betrachteten Beispiel als Kälteträgermedium ausgestaltet, bei. Insbesondere kann dabei der Mantel der Wärmetauschervorrichtung, der Teil eines Gehäuses sein kann, optimiert dimensioniert werden, um insgesamt eine hohe Spitzenkälteleistung bei geringen Durchschnittskälteleistungen über einen längeren Zeitraum zu realisieren. Dabei wird beispielsweise eine hohe Spitzenkälteleistung während der Betankung mit Wasserstoff erzielt. Nach dem Betankungsvorgang kann der Kältespeicher regenerieren. Es sei nochmals betont, dass anstelle von Wasserstoff andere Medien gekühlt werden können. Weiterhin sei betont, dass gemäß den physikalischen Prinzipien die genannten Vorteile der erfindungsgemäßen Wärmetauschervorrichtung auch für eine Erwärmung eines Fluidstroms gültig bleiben. In diesem Fall kann anstelle des genannten Kältespeichers ein Wärmespeicher durch den dritten Fluidstrom ausgebildet werden. Im letztgenannten Beispiel würde beispielsweise ein erster Fluidstrom durch Wärmetausch mit einem zweiten Fluidstrom erwärmt werden.In one embodiment, the third fluid stream is a coolant medium, with the first fluid stream additionally being cooled by the second fluid stream. In this way, a combined system of heat exchanger and cold storage can be created with high power density and a high degree of volumetric utilization of the device. The spiral-shaped pipes and the special flow path of the third fluid stream, designed as a coolant in the example under consideration, contribute to this. In particular, the jacket of the heat exchanger device, which can be part of a housing, can be dimensioned in an optimized manner in order to achieve a high overall peak cooling output with low average cooling outputs over a longer period of time. For example, a high peak cooling output is achieved during refueling with hydrogen. After the refueling process, the cold storage can regenerate. It should be emphasized again that other media can be cooled instead of hydrogen. Furthermore, it should be emphasized that, according to the physical principles, the stated advantages of the heat exchanger device according to the invention also remain valid for heating a fluid flow. In this case, instead of the cold storage mentioned, a heat storage can be formed by the third fluid flow. In the latter example would For example, a first fluid stream can be heated by heat exchange with a second fluid stream.
In einer Ausführungsform sind die Rohre der ersten Gruppe von Rohren an einer Eintrittsseite der Wärmetauschervorrichtung für den ersten Fluidstrom und/oder an einer Austrittsseite der Wärmetauschervorrichtung für den ersten Fluidstrom nebeneinander angeordnet oder zusammengeführt. Diese Maßnahme erleichtert die Zufuhr von erstem Fluidstrom beziehungsweise die Entnahme von erstem Fluidstrom. Entsprechend können die Rohre der zweiten Gruppe von Rohren an einer Eintrittsseite der Wärmetauschervorrichtung für den zweiten Fluidstrom und/oder an einer Austrittsseite der Wärmetauschervorrichtung für den zweiten Fluidstrom nebeneinander angeordnet oder zusammengeführt sein. Im genannten Beispiel der Wasserstoff-Gaskühlung kann beispielsweise Wasserstoff aus einem Hochdrucktank über einen einzigen Einlassstutzen mehreren zusammengeführten Rohren der ersten Gruppe von Rohren an der Eintrittsseite der Wärmetauschervorrichtung zugeführt werden. Der gekühlte Wasserstoff kann anschließend den praktischerweise nebeneinander angeordneten Rohren der ersten Gruppe an der Austrittsseite der Wärmetauschervorrichtung entnommen werden. Dabei können auch die Austrittsenden mehrerer oder aller Rohre der ersten Gruppe zusammengeführt beziehungsweise zusammengefasst sein, um größere Mengen gekühlten Wasserstoffs einem Verbraucher zuführen zu können.In one embodiment, the tubes of the first group of tubes are arranged next to one another or brought together on an inlet side of the heat exchanger device for the first fluid flow and/or on an outlet side of the heat exchanger device for the first fluid flow. This measure facilitates the supply of the first fluid stream or the removal of the first fluid stream. Accordingly, the tubes of the second group of tubes can be arranged next to one another or brought together on an inlet side of the heat exchanger device for the second fluid flow and/or on an outlet side of the heat exchanger device for the second fluid flow. In the mentioned example of hydrogen gas cooling, for example, hydrogen can be supplied from a high-pressure tank via a single inlet connection to several merged tubes of the first group of tubes on the inlet side of the heat exchanger device. The cooled hydrogen can then be removed from the tubes of the first group, which are conveniently arranged next to one another, on the outlet side of the heat exchanger device. The outlet ends of several or all of the tubes in the first group can also be brought together or combined in order to be able to supply larger quantities of cooled hydrogen to a consumer.
In einer weiteren Ausgestaltung liegen die Eintrittsseite der ersten Gruppe von Rohren in die Wärmetauschervorrichtung und die Eintrittsseite der zweiten Gruppe von Rohren in die Wärmetauschervorrichtung jeweils an einem der beiden gegenüberliegenden Enden der Wärmetauschervorrichtung bezogen auf eine Hauptströmungsrichtung, sodass der erste und der zweite Fluidstrom im Gegenstrom durch die Wärmetauschervorrichtung geführt werden. Die genannte Hauptströmungsrichtung verläuft in der Praxis parallel zur Längsrichtung des Kernrohres der Wärmetauschervorrichtung. Geht man von einer auf dem Grund stehenden Wärmetauschervorrichtung mit senkrecht stehendem Kernrohr aus, kann folglich die Eintrittsseite der ersten Gruppe von Rohren an einem unteren Ende der Wärmetauschervorrichtung liegen, während die Eintrittsseite der zweiten Gruppe von Rohren an einem oberen Ende der Wärmetauschervorrichtung liegt. Die den entsprechenden Rohrgruppen zugeführten Fluidströme werden somit im Gegenstrom durch die Wärmetauschervorrichtung geführt.In a further embodiment, the entry side of the first group of tubes into the heat exchanger device and the entry side of the second group of tubes into the heat exchanger device are each located at one of the two opposite ends of the heat exchanger device with respect to a main flow direction, so that the first and second fluid flows pass through in countercurrent the heat exchanger device can be guided. In practice, the main flow direction mentioned runs parallel to the longitudinal direction of the core tube of the heat exchanger device. If one assumes a heat exchanger device standing on the ground with a vertical core tube, the inlet side of the first group of tubes can therefore lie at a lower end of the heat exchanger device, while the inlet side of the second group of tubes can lie at an upper end of the heat exchanger device. The ones Fluid streams supplied to corresponding tube groups are thus guided in countercurrent through the heat exchanger device.
In einer Ausführungsform weist die Wärmetauschervorrichtung eine Umwälzpumpe auf, die ausgebildet ist, um den dritten Fluidstrom in eine erste Richtung durch den Außenraum und in eine entgegengesetzte zweite Richtung durch das Innere des Kernrohres zu leiten. Der dritte Fluidstrom wird durch die Umwälzpumpe somit durch den Außenraum an den spiralförmig gewickelten Rohren vorbei und anschließend über ein offenes Ende des Kernrohres in das Innere des Kernrohres geleitet, das es in entgegengesetzter Richtung durchströmt, um anschließend wieder durch den Außenraum geleitet zu werden. Die Umwälzpumpe ist zweckmäßigerweise an einem Ende der Wärmetauschervorrichtung angeordnet, beispielsweise am und/oder außerhalb des Kopf- oder Bodenbereichs der Wärmetauschervorrichtung. Bei dieser Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Umwälzpumpe ansaugseitig mit einer Abgangsleitung aus dem Inneren des Kernrohrs und druckseitig mit einer Zugangsleitung zu dem Außenraum der Wärmetauschervorrichtung verbunden ist. Es kann dabei zweckmäßig sein, wenn der dritte Fluidstrom im Gegenstrom zu dem zweiten Fluidstrom geführt wird. Im oben genannten Beispiel des zu kühlenden Wasserstoff-Fluidstroms, der beispielsweise den ersten Fluidstrom bildet, würde auf diese Weise der dritte Fluidstrom seinerseits den zweiten Fluidstrom im Gegenstrom kühlen, der wiederum den Wasserstoff-Fluidstrom kühlt.In one embodiment, the heat exchanger device has a circulation pump which is designed to direct the third fluid flow in a first direction through the outside space and in an opposite second direction through the interior of the core tube. The third fluid flow is guided by the circulation pump through the outside space past the spirally wound tubes and then via an open end of the core tube into the interior of the core tube, through which it flows in the opposite direction, in order to then be passed through the outside space again. The circulation pump is expediently arranged at one end of the heat exchanger device, for example on and/or outside the top or bottom region of the heat exchanger device. In this embodiment it can be provided that the circulation pump is connected on the suction side to an outlet line from the interior of the core tube and on the pressure side to an access line to the outside of the heat exchanger device. It can be useful if the third fluid stream is conducted in countercurrent to the second fluid stream. In the above-mentioned example of the hydrogen fluid stream to be cooled, which, for example, forms the first fluid stream, the third fluid stream would in turn cool the second fluid stream in countercurrent, which in turn cools the hydrogen fluid stream.
In einer weiteren Ausführungsform bilden die um das Kernrohr gewickelten Rohre eine äußere Umfangsbegrenzung, die im Wesentlichen zylindrische Form aufweist und die von einem zylindrischen Mantel umgeben ist. In diesem Fall ist die radial außengelegene Rohrwicklung von zylindrischer Form und wird von einem zylindrischen Mantel umgeben. Um eine möglichst hohe Strömungsgeschwindigkeit des dritten Fluidstroms und somit eine hohe Turbulenz in diesem dritten Fluidstrom zu erzielen, ist es zweckmäßig, wenn der laterale Abstand zwischen benachbarten Rohren und/oder der laterale Abstand zwischen radial außengelegener Rohrwicklung und dem Mantel und/oder der laterale Abstand der radial innengelegenen Rohrwicklung zum Kernrohr jeweils möglichst gering ausgeführt ist. Insbesondere kann bei diesen Geometrien durch ein geringes Spaltmaß ein geringer Druckverlust im dritten Fluidstrom verursacht werden. Gleichzeitig kann die Effektivität des Wärmetauschs durch die hohe Turbulenz des dritten Fluidstroms noch erhöht werden.In a further embodiment, the tubes wrapped around the core tube form an outer peripheral boundary which has a substantially cylindrical shape and which is surrounded by a cylindrical jacket. In this case, the radially outer tube winding is cylindrical in shape and is surrounded by a cylindrical jacket. In order to achieve the highest possible flow velocity of the third fluid stream and thus high turbulence in this third fluid stream, it is expedient if the lateral distance between adjacent tubes and/or the lateral distance between the radially external tube winding and the jacket and/or the lateral distance the radially inner tube winding to the core tube is designed to be as small as possible. In particular, with these geometries, a small gap size can cause a small pressure loss in the third fluid stream. At the same time, the effectiveness of the heat exchange can be increased even further by the high turbulence of the third fluid stream.
In einer anderen Ausgestaltung bilden die um das Kernrohr gewickelten Rohre eine äußere Umfangsbegrenzung, die im Wesentlichen sphärische, also kugelförmige Form aufweist und die von einem sphärisch geformten Mantel umgeben ist. Hierbei kann das Kernrohr weiterhin zylindrisch ausgeformt sein. Das Kernrohr kann in einer weiteren Ausführungsvariante sphärisch ausgeführt werden, um einen möglichst geringen Abstand zur innersten Rohrwicklung zu erzielen, wodurch sich verbesserte Strömungsprofile im Kälteträgermedium erzielen lassen.In another embodiment, the tubes wrapped around the core tube form an outer circumferential boundary which has a substantially spherical, i.e. spherical shape and which is surrounded by a spherically shaped jacket. The core tube can still be cylindrical. In a further embodiment variant, the core tube can be made spherical in order to achieve the smallest possible distance from the innermost tube winding, which means that improved flow profiles in the coolant medium can be achieved.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist der Mantel der Wärmetauschervorrichtung isoliert oder Bestandteil einer Isolation der Wärmetauschervorrichtung. Beispielsweise ist der Mantel Bestandteil des Behältnisses, in dem die Wärmetauschervorrichtung untergebracht ist. Die äußere Isolation des Behältnisses kann sowohl als Doppelmantel-Vakuumisolation als auch basierend auf einer Armaflex- oder Aerogel-Isolierung ausgeführt werden. Die Isolation vermeidet in bekannter Weise einen Wärmeeintrag beziehungsweise einen Wärmeaustrag durch die bzw. an die Umgebung.In an expedient embodiment, the jacket of the heat exchanger device is insulated or is part of an insulation of the heat exchanger device. For example, the jacket is part of the container in which the heat exchanger device is housed. The external insulation of the container can be designed as double-jacket vacuum insulation or based on Armaflex or airgel insulation. The insulation avoids heat input or heat loss through or to the environment in a known manner.
Wie bereits oben skizziert, ist in einer Ausführungsform die zweite Gruppe von Rohren zur Durchströmung mit einem Kältemittel als zweiten Fluidstrom ausgelegt, das im Betrieb dem ersten Fluidstrom Wärme entzieht. Als Kältemittel werden in der Regel Stoffe bezeichnet, die beim Phasenübergang von flüssig zu gasförmig der Umgebung Wärme entziehen. Als Kältemittel kommen bspw. Kohlendioxid, Ammoniak, Kohlenwasserstoffe wie Fluor- oder Fluorchlorkohlenwasserstoffe einzeln oder auch im Gemisch zum Einsatz.As already outlined above, in one embodiment, the second group of tubes is designed for a refrigerant to flow through as a second fluid stream, which removes heat from the first fluid stream during operation. Refrigerants are generally referred to as substances that remove heat from the environment during the phase transition from liquid to gaseous. For example, carbon dioxide, ammonia, and hydrocarbons such as fluoro or chlorofluorocarbons are used as refrigerants individually or in a mixture.
Wie ebenfalls bereits oben angesprochen, ist der Außenraum und das Innere des Kernrohres zur Durchströmung mit einem Kälteträgermedium als dritten Fluidstrom ausgelegt, das im Betrieb als Kältespeicher wirkt. Als Kälteträgermedium bezeichnet man üblicherweise ein Gemisch aus Wasser und Natriumchlorid oder Wasser und Kaliumformiat ("Sole"), ein Gemisch aus Wasser und Glykol oder ein Monoethylenglykol enthaltendes Gemisch. Solche Gemische weisen einen erniedrigten Gefrierpunkt auf und beinhalten einen Korrosionsschutz. Der durch das Kälteträgermedium entstehende Kältespeicher entzieht sowohl dem ersten als auch dem zweiten Fluidstrom Wärme. Die Umwälzung des Kälteträgermedium ist zweckmäßig, um einen möglichst effizienten Wärmetransfer zwischen dem ersten Fluidstrom und dem zweiten Fluidstrom beziehungsweise dem Kälteträgermedium selbst zu gewährleisten.As already mentioned above, the outer space and the interior of the core tube are designed for a coolant medium to flow through as a third fluid stream, which acts as a cold storage medium during operation. A mixture of water and sodium chloride or water and potassium formate ("brine"), a mixture of water and glycol or a mixture containing monoethylene glycol is usually referred to as a coolant medium. Such mixtures have a low freezing point and contain corrosion protection. The cold storage created by the coolant medium removes heat from both the first and the second fluid stream. The circulation of the coolant medium is useful in order to ensure the most efficient heat transfer possible between the first fluid stream and the second fluid stream or the coolant itself.
In dem oben bereits behandelten Beispiel ist die erste Gruppe von Rohren zur Durchströmung von Wasserstoff-Gas als ersten Fluidstrom ausgelegt. In dieser Konfiguration ist die erfindungsgemäße Wärmetauschervorrichtung zur Verwendung zur Kühlung von Wasserstoff-Gas, insbesondere an Wasserstoff-Betankungsanlagen, geeignet. In dieser Ausführungsform bietet die Wärmetauschervorrichtung eine hohe Spitzenkälteleistung während der Betankung mit Wasserstoff bei geringen Durchschnittskälteleistungen über einen längeren Zeitraum. Der Kältespeicher kann sich jeweils nach einem Betankungsvorgang regenerieren, das heißt seinerseits abgekühlt werden. Zu diesem Zweck läuft beispielsweise während der Betankung eine Kältemaschine und in den Pausenzeiten regenieriert die Kältemaschine den Kältespeicher, indem sie "nachläuft", das bedeutet, sie spritzt weiterhin Kältemittel in die Expansionsventile am Kältemittelrohreintritt ein.In the example already discussed above, the first group of tubes is designed for hydrogen gas to flow through as the first fluid stream. In this configuration, the heat exchanger device according to the invention is suitable for use in cooling hydrogen gas, in particular in hydrogen refueling systems. In this embodiment, the heat exchanger device offers a high peak cooling output during refueling with hydrogen with low average cooling outputs over a longer period of time. The cold storage can regenerate itself after a refueling process, that is, it can be cooled down in turn. For this purpose, for example, a refrigeration machine runs during refueling and during break times the refrigeration machine regenerates the cold storage by "running", which means that it continues to inject refrigerant into the expansion valves at the refrigerant pipe inlet.
In dieser Verwendung können die Austrittsenden der Rohre der ersten Gruppe von Rohren an ihrer Austrittsseite je nach Wasserstoffbedarf einzeln zur Abgabe von gekühltem Wasserstoff verwendet werden oder aber zu mehreren zusammengefasst zur Abgabe von gekühltem Wasserstoff verwendet werden. Dies hängt in der Praxis von der Größe des mit Wasserstoff zu versorgenden Fahrzeugs ab.In this use, the outlet ends of the tubes of the first group of tubes on their outlet side can be used individually to deliver cooled hydrogen, depending on the hydrogen requirement, or can be used in groups to deliver cooled hydrogen. In practice, this depends on the size of the vehicle to be supplied with hydrogen.
Im Folgenden sollen die Erfindung und ihre Vorteile anhand von konkreten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Diese Ausführungsbeispiele sollen den Schutzbereich der Erfindung nicht einschränken, sondern dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung. Der Schutzbereich der Erfindung ist durch die anhängenden Patentansprüche festgelegt.The invention and its advantages will be explained in more detail below using specific exemplary embodiments. These exemplary embodiments are not intended to limit the scope of the invention, but merely serve to explain the invention. The scope of the invention is defined by the appended claims.
Kurze Beschreibung der Figuren
Figur 1- zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmetauschervorrichtung im Längsschnitt und
Figur 2- zeigt einen Querschnitt von oben durch den oberen Teil der Wärmetauschervorrichtung aus
Figur 1 , sodass die Zu- bzw. Ableitungen der einzelnen Rohre erkennbar sind.
- Figure 1
- shows an embodiment of a heat exchanger device according to the invention in longitudinal section and
- Figure 2
- shows a cross section from above through the upper part of the heat exchanger device
Figure 1 , so that the incoming and outgoing lines of the individual pipes can be identified.
Die
Wie aus
Weiterhin umfasst die Wärmetauschervorrichtung 20 einen Mantel 9, der einen Außenraum 14 um die Rohre 1 bis 8 begrenzt. Aus
Die Rohre 1 bis 4 der ersten Gruppe von Rohren ist zur Durchströmung mit einem ersten Fluidstrom ausgebildet, wobei es sich bei dem hier behandelten Ausführungsbeispiel um ein Wasserstoff-Gas handelt. Wie bereits mehrfach betont, können auch andere Gase oder auch Flüssigkeiten verwendet werden. Die Rohre 5 bis 8 der zweiten Gruppe von Rohren sind zur Durchströmung mit einem zweiten Fluidstrom ausgebildet, bei dem es sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel um ein Kältemittel handelt. Kältemittel können mittels eines Kompressors in die flüssige Phase verdichtet werden. Beim Entspannen in die gasförmige Phase wird der Umgebung Wärme für den Phasenübergang entzogen. Es können auch andere Kühlmedien zum Einsatz kommen. Schließlich sind der Außenraum 14 und das Innere 15 des Kernrohrs 10 an mindestens einem zumindest zum Teil offenen Ende des Kernrohrs 10, in
Wie aus
Im dargestellten Ausführungsbeispiel liegt die Eintrittsseite der ersten Gruppe von Rohren 1 bis 4 an einem unteren Ende der Wärmetauschervorrichtung 20 und somit bezogen auf eine Hauptströmungsrichtung durch die Wärmetauschervorrichtung 20, die parallel zur Längsache des Kernrohrs 10 liegt, gegenüber der Eintrittsseite der zweiten Gruppe von Rohren 5 bis 8, die am oberen Ende der Wärmetauschervorrichtung 20 angeordnet ist. Auf diese Weise können der erste und der zweite Fluidstrom im Gegenstrom durch die Wärmetauschervorrichtung 20 geführt werden. Es ist aber auch möglich, dass die genannten Eintrittsseiten am gleichen Ende der Wärmetauschervorrichtung 20 liegen, sodass die entsprechenden Fluidströme im Gleichstrom durch die Wärmetauschervorrichtung 20 geführt werden. Jeder Fluidstrom besitzt Vektorkomponenten in die genannte Hauptströmungsrichtung, die sich mit ihrer Orientierung nach oben oder nach unten ändern kann, je nachdem in welche Richtung der betreffende Fluidstrom gerichtet ist.In the exemplary embodiment shown, the inlet side of the first group of
In der in
In Betrieb der Wärmetauschervorrichtung 20 erfolgt der Wasserstoff-Gaseintritt in den Rohrleitungen 1 bis 4 an der Unterseite (oder an der Oberseite), wobei der Kältemitteleintritt in die Rohrleitungen 5 bis 8 an der Oberseite (oder ebenfalls an der Unterseite) der Wärmetauschervorrichtung 20 erfolgt. Die Rohrleitungen 5 bis 8 können auch als Kühlrohre bezeichnet werden. Die Rohre 1 bis 4 sind so ausgelegt, dass Wasserstoff gemäß gültiger Betankungsprotokolle vorgekühlt werden kann, beispielsweise bis zu 1000 bar, bis zu - 40 Grad Celsius, bis zu 300 g/s. Der Außenraum 14 innerhalb des Mantels 9 ist mit einem Kälteträgermedium gefüllt, beispielsweise ein Glycol-Wassergemisch oder ein Kaliumformiat-Wassergemisch oder eine vergleichbare Lösung. Die Umwälzpumpe 17 fördert das Kälteträgermedium in den Außenraum 14, in dem sich die Spiralrohre bzw. Rohrlagen 21 bis 28 befinden. Das Kälteträgermedium strömt somit die Spiralrohre quer an und wird am höchsten Punkt der Wärmetauschervorrichtung 20 um 180 Grad umgelenkt, sodass es anschließend durch das Kernrohr 10 wieder nach unten fließt und durch den Rohranschluss 12 wieder saugseitig zur Umwälzpumpe 17 geführt wird. Wie bereits ausgeführt, ist die Umwälzung des Kälteträgermediums vorteilhaft, um einen möglichst effizienten Wärmetransfer zwischen dem Kälteträgermedium einerseits und dem Wasserstoff bzw. Kältemittel andererseits zu gewährleisten. Um eine möglichst hohe Strömungsgeschwindigkeit und somit eine hohe Turbulenz im Kälteträgermedium zu erzielen, sind die jeweiligen lateralen Abstände zwischen den einzelnen Rohrlagen 21 bis 28 und/oder zwischen innerer Rohrlage 24 und Kernrohr 10 und/oder zwischen äußerer Rohrlage 25 und Mantel 9 möglichst gering ausgeführt. Diese geringen Spaltmaße führen überdies zu einem nur geringen Druckverlust.When the
Das Material der Kühlrohre 5 bis 8 kann beispielsweise ein Edelstahl ab 12 % Chromgehalt, das Material der Wasserstoff-Gasrohre 1 bis 4 kann beispielsweise HP120 oder HP160 sein. Die Wandstärke der Kühlrohre 5 bis 8 kann geringer ausfallen als die der Wasserstoff-Gasrohre 1 bis 4. Während die Wandstärke der Kühlrohre beispielsweise 1 - 2 mm, beispielsweise 1,5 mm bei einem Außendurchmesser von 16 mm und einem Innendurchmesser von 13 mm, beträgt, beträgt die Wandstärke der Wasserstoff-Gasrohre zweckmäßigerweise das zwei- bis dreifache, beispielsweise 4,05 mm bei einem Außendurchmesser von 19,1 mm und einem Innendurchmesser von 11 mm. Die Durchmesser der Rohrlagen 21 bis 24 betragen zwischen 0,5 und 1,0 m. Selbstverständlich sind andere Abmessungen je nach Einsatzfall und Kapazität denkbar. Die Anzahl der Windungen der spiralförmig gewickelten Rohre kann beispielsweise von innen nach außen abnehmen; weiterhin kann die Anzahl der Windungen für die Kühlrohre 5 bis 8 jeweils größer sein als die Anzahl der Windungen für die Wasserstoff-Gasrohre 1 bis 4. Entsprechend können die Steigungswinkel im Aufriss variieren. Gleiches gilt für die Rohrlängen der jeweiligen Rohre.The material of the
Im dargestellten Ausführungsbeispiel der Wasserstoff-Gaskühlung beträgt der Inhalt an Kälteträgermedium zwischen 1,5 bis 2,5 oder 1,8 bis 2,2 oder etwa 2 m3, die Höhe des Behältnisses der Wärmetauschervorrichtung 20 beträgt zwischen 2,0 und 2,5 m oder ca. 2,2 bis 2,4 m und der Außendurchmesser kann maximal 1,5 m betragen, was jedoch der äußeren Isolation des Mantels 9 geschuldet ist, die beispielsweise als Doppelmantel-Vakuumisolation oder basierend auf beispielsweise Armaflex oder Aerogel ausgeführt werden kann.In the illustrated embodiment of hydrogen gas cooling, the content of coolant is between 1.5 to 2.5 or 1.8 to 2.2 or approximately 2 m 3 , the height of the container of the
Das dargestellte Ausführungsbeispiel, insbesondere mit den oben angegebenen Dimensionen, ist geeignet zur Vorkühlung von Wasserstoff-Gas in Wasserstoff-Betankungsanlagen. Weiterhin überall dort, wo mit geringen Durchschnittskälteleistungen hohe Peak-Kälteleistungen übertragen werden müssen. Dies kann auch in der Prozessgasindustrie als auch in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie der Fall sein. Bei der Wasserstoff-Betankung wird gasförmiger Wasserstoff über die Rohre 1 bis 4 bei einer maximalen Temperatur von 100 Grad Celsius an die Wärmetauschervorrichtung 20 angeliefert. An der Austrittsseite der Wärmetauschervorrichtung 20 kann über die betreffenden Rohrleitungen 1 bis 4 gekühltes Wasserstoff-Gas von bis zu - 40 Grad Celsius, bspw. bei etwa - 33°C entnommen werden. Je nach Bedarf können zwei oder mehr Rohrleitungen 1 bis 4 für den Betankungsvorgang zusammengefasst bzw. zusammengelegt werden. Damit wird eine hoch effiziente Betankungskühlung für Wasserstoff betriebene Kraft- und Nutzfahrzeuge unter Einhaltung der Anforderungen hinsichtlich elektrischer Anschlussleistung bei zeitgleich hoch effizienter Ausnutzung eines üblicherweise signifikant begrenzten Platzangebots an Tankstellen gewährleistet. Weiterhin kann das Kälteträgermedium auch für andere Kühlzwecke genutzt werden, wenn weitere Anschlüsse an der Wärmetauschervorrichtung 20 vorgesehen werden und Überschusskälte zur Verfügung steht.The exemplary embodiment shown, in particular with the dimensions specified above, is suitable for pre-cooling hydrogen gas in hydrogen refueling systems. Furthermore, wherever high peak cooling capacities have to be transmitted with low average cooling capacities. This can also be the case in the process gas industry as well as in the food and pharmaceutical industries. During hydrogen refueling, gaseous hydrogen is delivered to the
Claims (15)
wobei die Rohre (1-4) der ersten Gruppe von Rohren an einer Eintrittsseite der Wärmetauschervorrichtung (20) für den ersten Fluidstrom und/oder an einer Austrittsseite der Wärmetauschervorrichtung (20) für den ersten Fluidstrom nebeneinander angeordnet oder zusammengeführt sind und/oder wobei die Rohre (5-8) der zweiten Gruppe von Rohren an einer Eintrittsseite der Wärmetauschervorrichtung (20) für den zweiten Fluidstrom und/oder an einer Austrittsseite der Wärmetauschervorrichtung (20) für den zweiten Fluidstrom nebeneinander angeordnet oder zusammengeführt sind.Heat exchanger device (20) according to claim 1,
wherein the tubes (1-4) of the first group of tubes are arranged next to one another or brought together on an inlet side of the heat exchanger device (20) for the first fluid flow and/or on an outlet side of the heat exchanger device (20) for the first fluid flow and/or wherein the Tubes (5-8) of the second group of tubes are arranged next to one another or brought together on an inlet side of the heat exchanger device (20) for the second fluid flow and / or on an outlet side of the heat exchanger device (20) for the second fluid flow.
wobei die Eintrittsseite der ersten Gruppe von Rohren und die Eintrittsseite der zweiten Gruppe von Rohren jeweils an einem der beiden gegenüberliegenden Enden der Wärmetauschervorrichtung (20) bezogen auf eine Hauptströmungsrichtung liegen, so dass der erste und der zweite Fluidstrom im Gegenstrom durch die Wärmetauschervorrichtung (20) geführt werden.Heat exchanger device (20) according to claim 2,
wherein the inlet side of the first group of tubes and the inlet side of the second group of tubes each lie at one of the two opposite ends of the heat exchanger device (20) with respect to a main flow direction, so that the first and the second fluid flow in countercurrent through the heat exchanger device (20) be guided.
wobei die Wärmetauschervorrichtung (20) eine Umwälzpumpe (17) aufweist, die ausgebildet ist, um den dritten Fluidstrom in eine erste Richtung durch den Außenraum (14) und in eine entgegengesetzte zweite Richtung (16) durch das Innere (15) des Kernrohrs (10) zu leiten.Heat exchanger device (20) according to one of claims 1 to 3,
wherein the heat exchanger device (20) has a circulation pump (17) which is designed to circulate the third fluid flow in a first direction through the outer space (14) and in an opposite second direction (16) through the interior (15) of the core tube (10 ) to guide.
wobei die um das Kernrohr (10) gewickelten Rohre (1-8) eine äußere Umfangsbegrenzung bilden, die im Wesentlichen sphärische Form aufweist und die von einem sphärisch geformten Mantel (9) umgeben ist.Heat exchanger device (20) according to one of claims 1 to 5,
wherein the tubes (1-8) wrapped around the core tube (10) form an outer peripheral boundary which has a substantially spherical shape and which is surrounded by a spherically shaped jacket (9).
wobei das Kältemittel zumindest eines der nachfolgenden Elemente aufweist: Kohlendioxid, Ammoniak, ein Kohlenwasserstoff, ein Fluorkohlenwasserstoff, ein Fluorchlorkohlenwasserstoff.Heat exchanger device (20) according to claim 9,
wherein the refrigerant comprises at least one of the following elements: carbon dioxide, ammonia, a hydrocarbon, a fluorocarbon, a chlorofluorocarbon.
wobei das Kälteträgermedium ein Gemisch aus Wasser und Natriumchlorid und/oder aus Wasser und Kaliumformiat und/oder aus Wasser und Glycol und/oder Monoethylenglycol umfasst.Heat exchanger device (20) according to claim 11,
wherein the coolant medium comprises a mixture of water and sodium chloride and/or of water and potassium formate and/or of water and glycol and/or monoethylene glycol.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP22020448.1A EP4339544A1 (en) | 2022-09-19 | 2022-09-19 | Heat exchanger device and use thereof |
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| EP4339544A1 true EP4339544A1 (en) | 2024-03-20 |
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| EP22020448.1A Pending EP4339544A1 (en) | 2022-09-19 | 2022-09-19 | Heat exchanger device and use thereof |
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| Country | Link |
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| EP (1) | EP4339544A1 (en) |
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