WO2016102047A1 - Wärmeübertrager, insbesondere block-in-shell-wärmeübertrager mit einer separiereinheit zum separieren einer gasförmigen phase von einer flüssigen phase sowie zum verteilen der flüssigen phase - Google Patents

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

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medium
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side wall
separating unit
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Stefan Kayser
Steffen Brenner
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Definitions

  • Heat exchanger in particular block-in-shell heat exchanger with a
  • the invention relates to a heat exchanger for the indirect transfer of heat between a first and a second medium, in particular in the form of a so-called block-in-shell heat exchanger.
  • a heat exchanger for the indirect transfer of heat between a first and a second medium, in particular in the form of a so-called block-in-shell heat exchanger.
  • Also commonly used are the terms core-in-shell or block-in-kettle heat exchangers.
  • the plate heat exchanger is located in a bath of a liquid phase of the first medium. Due to the heat introduced by the second medium to be cooled, the heating (and usually also partially evaporating) first medium rises in the
  • the first medium for cooling is usually supplied as a two-phase fluid, comprising a liquid and a gaseous phase, into the container, wherein it is disadvantageous that the gaseous phase at least partially in the cold medium bath in the region of
  • Plattenblazeübertragers can be entered. This happens in particular at high inflow velocities of the two-phase first medium. Becomes
  • the Thermosiphon mono (disadvantageous) is afflicted.
  • blocking bubbles can lead to unsteady inflow (from below) into the plate heat exchanger.
  • Heat exchangers of the type mentioned in the introduction are described, for example, in "The Standards of the Brazed Aluminum Plate-Fin Heat Exchanger Manufacturers Association (ALPEMA)", third edition, 2010, page 67 in Figure 9-1 ("Shell” or “Kettle”), which encloses a mantle or interior space, and at least one arranged in the shell space or interior plate heat exchanger ("core” or “block”.)
  • core or "block”.
  • Such a design of a heat exchanger is therefore also called “Core -in-Shell "or” Block-in-Kettle "heat exchangers.
  • the present invention has the object, at least partially overcome the known from the prior art disadvantages.
  • the features of the invention will become apparent from the independent claims, to which advantageous embodiments are indicated in the dependent claims.
  • the features of the claims may be combined in any technically meaningful manner, for which purpose the explanations of the following description as well as features of the figures may be consulted which comprise additional embodiments of the invention.
  • a heat exchanger is proposed, with a container having an interior for receiving the two-phase first medium, a in
  • Interior arranged plate heat exchanger for indirect heat transfer between the first medium and the second medium, wherein the interior is adapted to receive the first medium with a filling height, such that a liquid phase of the first medium forms a heat exchanger surrounding bath, an inlet for introducing of the first medium in the interior, wherein according to the invention in the interior of a receiving space forming separating unit for substantially separating the gaseous phase from the liquid phase of the first medium is provided before the liquid phase is supplied to the sesraum, wherein the separating unit at least one upwardly directed receiving opening for introducing in the interior flowing down first medium in the
  • the upwardly directed receiving opening is arranged above or at filling level, so that in the receiving space
  • absorbed gaseous phase of the first medium via the receiving opening in the interior or separation chamber can escape, and further wherein a distributor is provided in the interior, which with the inlet in
  • Flow connection is and is arranged along the vertical above the receiving opening and above the filling level, wherein the manifold is adapted to distribute the first medium to the receiving opening.
  • the separation chamber is that part of the interior which is above the
  • Liquid level is located in the interior and is available for receiving the gaseous phase of the first medium accordingly.
  • the arrangement of the receiving opening does not necessarily have to be related to the filling level, but may alternatively or additionally also be related to an upper side or upper edge of the plate heat exchanger or the plate heat exchanger block.
  • an upper edge (relative to the vertical) of the receiving opening is preferably in the range of 0mm to 100mm, more preferably in the range of 0mm to 50mm, even more preferably in the range of 0mm to 25mm above the top and top of the
  • the separating unit serves in particular for removing the
  • the separating unit differs from other separators (e.g., the jacket separation space, the entrance channel for pre-separation, etc.). Furthermore, the separating unit can advantageously also be used to distribute the liquid in the container, namely in particular when e.g. Resistance elements (such as weirs or perforated partitions) are installed in the shell space (interior space) of the heat exchanger and this complicate the distribution / obstruct. According to a preferred embodiment, it is provided that the separating unit has a first side wall facing the interior.
  • the first side wall may have at least one distribution opening, wherein the at least one distribution opening is preferably arranged at least partially below the filling level, so that the liquid phase of the first medium can be introduced via the at least one distribution opening into the bath surrounding the plate heat exchanger.
  • a plurality of such distribution openings are formed in the first side wall.
  • the first side wall may also be formed as an overflow wall.
  • the first side wall is then formed liquid-impermeable, ie, has no distribution openings, so that the liquid phase of the first medium, if necessary an upper edge of the first side wall can flow into the montraum.
  • the dormitorraum is that portion of the interior, which can take or take the bath formed from the liquid phase of the first medium.
  • the separating unit can be designed both as an overflow bag and as a (liquid) permeable bag, ie the position and direction of the liquid outlet is in particular freely selectable.
  • the separating unit extends in particular along a (horizontal in operation) longitudinal axis of the container and is e.g. formed as upwardly open (receiving opening) channel, wherein the inner side facing the first side wall optionally has said, at least one distribution opening.
  • the said filling level is to be understood in particular as a desired height, on which the liquid level of the liquid phase of the first medium during the
  • Plate heat exchanger can be immersed in a proper operation completely in the formed by the liquid phase of the first medium bath, but can also protrude with its top from the bath.
  • the fill level with respect to the top (or top) of the plate heat exchanger is in the range of -500mm to + 100mm, more preferably in the range of -300mm to + 100mm, more preferably in the range of -300mm to + 50mm preferably in the range of -300mm to + 25mm, even more preferably in the range of -300mm to 0mm.
  • the value 0mm corresponds to the level of the top (see above).
  • Negative values indicate that the fill height in the direction of the vertical is below the top / top of the
  • Plate heat exchanger is located. If in this case of a top side or top edge of the Platten Vietnamese Vietnamese Vietnamese Vietnamese Vietnamese Vietnamese Vapors is mentioned, this means in particular the horizontal (in particular flat) top or top of the Platten Vietnamese skilletschreiberblocks, which is defined in particular by the partitions, sidebars and fins.
  • the collectors and nozzles or a subsequent piping form no part of this surface of the plate heat exchanger.
  • the container of the heat exchanger may have a cylindrical (in particular in operation) cylindrical, along a longitudinal axis extending jacket and final (domed) floors at both ends of the cylindrical shell.
  • the heat exchanger has on the jacket an inlet through which the
  • the inlet is provided in particular above the filling level.
  • the biphasic fluid flows between the inlet and the fill level, or in the presence of a manifold (see below) between the manifold and the fill level in FIG.
  • gas can from the
  • Separation units may be arranged within the container, which are aligned and arranged in the direction of the longitudinal axis of the container, wherein in each case one inlet may be associated with a separating unit.
  • the separating unit forms at least one upwardly open or directed one
  • Receiving opening via which the entering from the inlet into the interior of the container entering two-phase first medium can enter the receiving space of the separating unit.
  • the receiving opening is preferably located above the filling level, so that separated or separating gas can escape upwards out of the receiving space and not via the at least one distribution opening of the first side wall of the separating unit is entered into the liquid bath.
  • the first side wall has a plurality of distribution openings for discharging the liquid phase of the first medium from the receiving space.
  • Distribution openings could be entered into the bathroom.
  • the separating unit is made of (in particular flat) metal sheets.
  • the separating unit may further be made, for example, from machined tubes, machined solid materials, molded or extruded sections, or a suitable combination of such materials.
  • the separating unit can be open both over its entire length (i.e., towards the separating space) and can also have sections closed at the top (in the closed sections there is no inflow of liquid to the separating unit). Furthermore, the separating unit can extend along the longitudinal axis of the jacket or container both over the entire area of the interior of the container and only over selected areas.
  • a distributor is furthermore preferably provided, which is in flow connection with the inlet and has at least one, preferably a plurality of downwardly directed outlet openings.
  • Outlet openings are preferably along the vertical (with respect to a
  • a flow of the two-phase first medium can take place over an entire length of the separating unit or receiving opening along the longitudinal axis of the container.
  • the separating unit and optionally the distributor preferably form channels which extend in the direction of the longitudinal axis of the container.
  • the distributor and the separating unit also have the same length along the longitudinal axis.
  • the flow is distributed over a greater length by means of the distributor, so that an inlet with a small cross-section and thus high flow rates can be used without these high speeds being transferred into the container.
  • the distributor or its at least one outlet opening is arranged vertically above the receiving opening of the separating unit, so that the first medium can flow down through the receiving opening into the receiving space of the separating unit.
  • the separating unit has a second side wall, which is opposite to the first side wall and is preferably formed by a wall of the container or shell of the container. The separating unit is therefore in other words attached to an inner side of the jacket of the container. However, the second side wall may also be formed separately from the jacket.
  • the separating unit is advantageously welded, glued, or otherwise shaped or with its own second side wall or with the second side wall formed from the wall of the container to the wall of the container.
  • the separating unit may be mounted at a suitable place other than the jacket (for example at the plate heat exchanger).
  • the side walls of the separating unit are provided as sheet metal parts.
  • the separating unit further comprises a third and a fourth side wall, which form in particular end faces of the longitudinally extending separating unit.
  • the third and fourth sidewalls respectively connect the first sidewall to the second sidewall, the third and fourth sidewalls preferably perpendicular to the longitudinal axis of the container run.
  • the third and the fourth side wall each have at least one side opening.
  • the side openings are formed, for example, as a circular hole.
  • An upper edge of the separating unit is preferably above the filling level, so that the liquid phase can only - if present - through the distribution openings (and possibly further openings of the side walls of the separating unit) can reach the bathroom in the storage room.
  • the side walls of the separating unit completely delimit the receiving space from the liquid bath in the original space, that is, the liquid phase of the first medium enters the liquid bath in the storage space only via the receiving space of the separating unit.
  • the momentum or kinetic energy of the falling first medium is reduced in the receiving space.
  • Gas bubbles can rise upwards and enter the separation chamber via the intake opening. The entry of gas bubbles in the naval vessel or in the first
  • Heat transfer passages of the plate heat exchanger is thus avoided.
  • the liquid flow of the first medium is not adversely affected by the inlet flow.
  • no third and fourth side walls are provided and the receiving space is thus open at the end faces.
  • third and fourth side walls may be provided, the upper edges are below the filling height.
  • the separating unit is arranged in a horizontal, perpendicular to the longitudinal axis of the container extending direction laterally to the heat exchanger and thereby extends along (in particular parallel) of the heat exchanger and the longitudinal axis of the container.
  • the separating unit on the heat exchanger itself.
  • the liquid phase of the first medium can therefore also leave the receiving space through the distribution openings in the vertical direction downward.
  • the first side wall can hereby be an angle with the vertical in the
  • the inclination angle of the first side wall is about 45 °.
  • Reception room with the first side wall, the second side wall and possibly with the third and fourth side wall is completely bordered.
  • a rapid increase of the filling level is achieved within the receiving space at an initial flow with the two-phase first medium.
  • the at least one distribution opening is formed as a slot.
  • a longitudinal extent of such slots preferably extends along the vertical. That is, a slot-shaped distribution opening has a lower and a parallel upper edge, which are significantly shorter than the two parallel side edges of the distribution opening, which extend between the lower and upper edge.
  • the nature and position of the openings can be chosen according to various aspects (for example, horizontal and vertical expansion, production costs, etc.). This applies to all sidewalls.
  • the separating unit can be made of any suitable material (such as aluminum, steel or plastic). A combination of suitable materials is possible.
  • the shape, size and number of elements used a separating unit can be both manufacturing technology as well as procedural
  • each of the elements used can be designed individually.
  • the elements of the separating unit can be solid, perforated or slotted. In this case, for example, used sheets can be both flat and profiled.
  • At least the first side wall, as well as the end-side side walls (third and fourth side wall) are formed from a sheet metal.
  • a sheet metal preferably flat sheets are used, in which, if necessary, the said distribution and possibly side openings are introduced.
  • the separating unit is special
  • the sheets may be interconnected by any suitable connecting means, e.g. by means of welded joints or
  • the heat exchanger arranged in the interior of the heat exchanger according to the invention is a plate heat exchanger.
  • This has first heat transfer passages for receiving the first medium and second heat transfer passages for receiving the second medium, the heat transfer passages being separated from one another by partition plates (for example dividing plates).
  • partition plates for example dividing plates
  • Partition plates leit Jardin provided, for example in the form of folded or corrugated sheets (so-called fins). The outermost layers of the
  • Plate heat exchangers are formed by cover plates.
  • a plurality of parallel channels or a first or second heat transfer passage are formed between each two partition plates or between a partition plate and a cover plate due to the respectively arranged therebetween
  • jacketit für for example a fin
  • Heat transfer passages are preferably arranged adjacent to one another so that heat can be transferred indirectly between the first and the second medium or fluid.
  • the two media can be performed in the associated passages, for example in cross-flow, in countercurrent or cross-counterflow to each other.
  • To the sides are between each two adjacent partition plates preferably end strips (so-called side bars) for closing the respective
  • the first heat transfer passages are open (in the direction of the vertical) upwards and downwards and in particular not closed by end strips. Here, every first one
  • Heat transfer passage at the bottom of the plate heat exchanger has an inlet opening (see above), through which the liquid phase of the first medium can get into the first heat transfer passages, and an outlet opening at the top of the plate heat exchanger, via which the first medium at the top of the plate heat exchanger as a two-phase current can escape.
  • the cover plates, separator plates, fins and side bars are preferably made of aluminum and are preferably soldered together, for example in an oven.
  • the plate heat exchanger preferably has a first header (also referred to as a header) in fluid communication with the second heat transfer passages so that the second medium can be introduced into the second heat transfer passages via the first header and a second header (or header). which is also in flow communication with the second heat transfer passages so that the second medium is removable from the second heat transfer passages via the second collector.
  • a first header also referred to as a header
  • a second header or header
  • Plate heat exchangers are arranged. Each plate heat exchanger may then be e.g. a separation unit according to the invention and optionally a distributor assigned.
  • volume flow is. The rule is that the higher the volume flow, the higher the overpressure must be.
  • the resistance elements for distributing the liquid phase of the first medium in the jacket space can be bypassed.
  • the heat exchanger has a guide device arranged below the distributor, which is designed to conduct the liquid phase of the first medium emerging from the at least one outlet opening.
  • the guide device is preferably designed to guide at least a part of the liquid phase leaked from the at least one outlet opening into a second spatial direction, the second spatial direction in particular being different from the first spatial direction, and in particular the second spatial direction being one Has greater horizontal component than the first spatial direction or the jacket of the container points out.
  • the guide device is furthermore designed to direct the liquid phase of the first medium away from the upper side of the plate heat exchanger and / or past the upper side.
  • the guide is designed to direct the liquid phase of the first medium so that the liquid phase does not act on the top of the plate heat exchanger.
  • the guide preferably has at least one plate-shaped
  • the at least one guide element in particular has a convexly curved first side, which corresponds to the
  • Facing plate heat exchanger and a side facing away from the first, concave curved second side facing away from the plate heat exchanger and / or facing the distribution channel.
  • This is at least one guide element in particular so arranged that from the distributor through the at least one outlet opening of the distributor downwardly exiting liquid phase of the first medium impinges on the second side and is guided along this along the top of the plate heat exchanger and / or guided past this.
  • Plattenblazeübertragers acts and thereby adversely affected the operation of the plate heat exchanger under certain circumstances.
  • the guide device extends over the entire distributor or only over a section of the distributor.
  • Embodiment a device for guiding / controlling the liquid phase, which is arranged in the separating unit or in the receiving space of the separating unit.
  • This device may e.g. one (or more) of the following elements: a baffle (e.g., plate) for redirecting and / or braking a flow of the liquid phase in the receiving space,
  • a baffle e.g., plate
  • the separating unit extends over more than half the length of the jacket of the container (along the horizontal longitudinal axis), preferably over more than 80% of this length, more preferably over more than 90% of this length.
  • the background here is in particular the fact that the separating unit can also be used for distributing the liquid phase in the shell space, e.g. when built in the jacket space resistor elements.
  • Fig. 1 an embodiment of a heat exchanger according to the invention in
  • FIG. 2 the embodiment according to FIG. 1 in cross section (along the line A-A)
  • FIG. 3 a detail of the cross section of the heat exchanger shown in FIG
  • FIG. 4 shows a detail of the cross section shown in FIG. 2 of a heat exchanger according to the invention, wherein, according to a further exemplary embodiment of the invention, optionally a guide for guiding the liquid phase of the first medium is present.
  • FIGS. 2 and 3 show a heat exchanger 1 according to the invention in connection with FIGS. 2 and 3. It has a container 2 which has a cylindrical jacket 7 which extends along a longitudinal axis or cylinder axis which, in the case of a heat exchanger 1 arranged as intended, during operation of the unit 1 along the horizontal runs. At the two ends of the shell 17 close to the outside arched bottoms 17a, 17b.
  • the container 2 surrounds an interior space or shell space I, in which at least one
  • Plate heat exchanger 5 is arranged. In the present case, two plate heat exchangers 5 are provided in the interior I. In the following, only a plate heat exchanger 5 will be described by way of example.
  • an inlet 6 for a two-phase first medium 4 is provided, which is to be introduced into the interior I of the container 2, there to form a plate heat exchanger 5 surrounding bath with a defined level 3.
  • This area of the interior I is also referred to as fundamentalraum V.
  • the area above the liquid bath with the filling level 3 is referred to as the separation space A.
  • This space A is available for receiving a gaseous phase 39 of the first medium 4, which is to be deposited from the first medium.
  • the filling level 3 is particularly dimensioned that the plate heat exchanger 5 protrudes from the bath (first medium 4) only with a horizontally extended upper side 28.
  • the inlet 6 for the first medium 4 is in fluid communication with a manifold 13 which is formed as a channel extending along the longitudinal axis of the jacket 17.
  • the distributor 13 is attached to an inner side of the jacket 17 facing the inner space I, so that part of the wall of the distributor 3 is formed by the jacket 17 itself.
  • the distributor 13 surrounds a distributor space 21 which extends along the longitudinal axis of the jacket 17 and has a predetermined distributor length 14 along the longitudinal axis of the jacket 17.
  • Placed perpendicularly below the distributor 13 is a separating unit 8, which serves to supply the first medium 4
  • Separation unit 8 can be largely separated from the liquid phase 38 of the first medium 4, before the liquid phase 38 is supplied to the navalraum V.
  • the relative position of the inlet 6, the manifold 13 and the separating unit 8 are shown in the side sectional view in Fig. 2 and Fig. 3.
  • Fig. 2 the location of a detail Z is shown, which is shown in Fig. 3.
  • FIG. 1 Sectional view is designated in Fig. 1 with A-A.
  • the manifold 13 has a horizontally extending along the longitudinal axis of the shell 17 bottom with outlet openings in the form of through holes 37, over the entire length 14 of the manifold 13 and distribution chamber 21, the introduced into the distribution chamber 21 first medium 4 in a through the Separation unit 8 formed receiving space 7 can be given.
  • the separating unit 8 has an upwardly directed receiving opening 9, which is arranged below the distributor 13 and whose opening plane extends perpendicular to the vertical 23. Via the receiving opening 9, the first medium 4 falling from the distributor 13 enters the receiving space 7.
  • the separating unit 8 is designed as an open-topped channel, which also extends below the distributor 13 along the longitudinal axis of the jacket 17, wherein the preferred embodiment of FIG Separator unit 8 along the longitudinal axis of the shell 17 has a length 15, the distribution length 14 along the
  • the receiving space 7 of the separating unit 8 or the receiving opening 9 can therefore be charged with the first medium 4 over its entire length 15.
  • the separation unit 8 has a receiving opening 9 defining and the receiving space 7 limiting, circumferential wall.
  • the wall has a the interior I and the plate heat exchanger 5 facing first
  • the first side wall 10 which is opposite to the plate heat exchanger 5 transversely to the longitudinal axis of the shell 17 in the horizontal direction.
  • the first side wall 10 is opposite to a second side wall 16 of the separating unit 8, which is formed by the jacket 17.
  • the separating unit 8 has a third and a fourth
  • the first side wall 10 encloses an angle of, in particular, 45 ° with the vertical.
  • the separating unit 8 and / or the distributor 13 are formed from one or more sheets and welded to the wall 17 of the container 2 or connected in any other suitable manner.
  • Side wall 10 and the third and fourth side wall 19, 20 are each formed of a flat sheet and suitably connected to each other (for example
  • the wall of the separating unit 8 or the first, third and fourth side wall 10, 19, 20 define an upper edge of the separating unit 8, which borders the receiving opening 9 and which is preferably arranged above the filling level 3. Accordingly, the liquid phase 38 of the first medium 4 passes out of the receiving space 7 preferably only via the distribution or side openings 1 1, 12 in the Morrisraum V.
  • the distribution openings 1 1 are slit-shaped along the verticals 23.
  • the distribution openings 11 are preferably arranged equidistant from one another over the entire length 15 of the separating unit.
  • the side openings 12 are preferably designed as circular holes, which in each case form a sufficient total cross-sectional area in rows arranged parallel to one another for the filling level 3 for different fill levels.
  • the openings 11, 12 are all below the filling level.
  • the container 2 at an upper portion of the shell 17 at least one outlet 22. Furthermore, an outlet 36 is provided at a lower region of the jacket 17, which is provided for discharging the liquid phase 38 of the first medium 4 from the Morrisraum V.
  • an overflow wall 35 is aforementionedyoglliere the liquid phase 38 of the first
  • the plate heat exchanger 5 has first heat transfer passages 24 for the first medium 4 and parallel second heat transfer passages 25 for the second medium 4a.
  • the heat transfer passages 24, 25 are separated by partition plates and preferably have heat conducting structures 26 (e.g., in particular corrugated fins).
  • Heat transfer passages 25 are closed to the outside (i.e., to the shell space I).
  • an inlet 31 is provided on the jacket 17 of the container 2, which is in flow communication with a first collector 31a, via which the individual second
  • Heat transfer passages 25 are charged with the second medium 4a.
  • the plate heat exchanger 5 further has a second collector 32 a, which is in flow communication with an outlet 32 provided on the jacket 17. About the second collector 32a, the second medium 4a from the second
  • Heat transfer passages 25 removable and can be withdrawn via the outlet 32 from the heat exchanger 1.
  • the first heat transfer passages 24 are designed to be open towards the upper side 28 of the plate heat exchanger 5 and to an underside 29 of the plate heat exchanger 5 facing away from the upper side, and have outlet or inlet openings 27, 30 there.
  • the liquid phase of the first medium 4 can in this case through the inlet openings 30 at the bottom 29 in the first
  • Heat transfer passages 24 occur and can leave them at the top 28 via the outlet openings 27 again.
  • the first medium 4 or the portion of the first medium 4 remaining after the partial separation of the gas phase 39 flows or falls from the distributor chamber 21 of the distributor 13 via the receiving opening 9 into the
  • Phase 38 of the first medium 4 then passes through the distribution and possibly
  • Heat transfer passages 24 a are identical to Heat transfer passages 24 a.
  • the registered gaseous phase 39 of the first medium 4 rises and passes through the receiving opening 9 from the receiving space 7 of
  • Separation unit 8 in the separation chamber A from. From the separation chamber A, the gaseous phase 39 of the first medium 4 via the at least one
  • Outlet 22 deducted.
  • the two-phase first medium 4 is supplied continuously via the inlet 6 and the liquid phase 38 of the first medium 4, which is not required in this heat exchanger, is discharged via the outlet 36, so that in particular a continuous cooling process can take place under defined conditions.
  • the liquid phase 38 of the first medium 4 occurs at the bottom 29 in the
  • Separating chamber A rises and is withdrawn via the at least one outlet 22 from the separation chamber A.
  • a guide device 100 is arranged, which guides the liquid phase 38 emerging from the at least one outlet opening 37
  • the first medium 4 is formed, wherein the guide 100 in particular at least a portion of the first (in particular vertical) spatial direction R from the at least one outlet opening 37 down
  • the second spatial direction R 'deflects which preferably differs from the first spatial direction R.
  • the guide device 100 in particular at least one guide element 101, in particular in the form of a guide plate, which extends along the longitudinal axis of the container 2 or shell 17 and in particular in
  • the at least one guide element 101 has in particular a curvature or inclination such that the at least one guide element 101 has a particularly convexly curved first side 101a which faces the plate heat exchanger 5 and a second side 101b remote from the first side 101a, the is in particular concavely curved and facing away from the plate heat exchanger 5 and the distributor 13 faces.
  • the at least one guide element 101 is in this case arranged so that at least part of the liquid phase 38 of the first medium 4 emerging from the distributor 13 through the at least one outlet opening 37 impinges on the second side 101 b and along the upper side 28 of the latter Platten Creekschreibers 5 is routed away and is introduced laterally to at least one plate heat exchanger 5 in the bath.
  • the at least one guide element 101 has in particular a curvature or inclination such that the at least one guide element 101 has a particularly convexly curved first side 101a which faces the plate heat exchanger 5 and a second side 101b remote from the first side 101a, the is in particular
  • Guide element 101 is preferably fixed by means of a frame 102 on both the manifold 13 and the jacket 17 of the container 2.
  • the separating unit 8 can in principle comprise a device 200 for guiding and / or controlling the liquid phase 38 in FIG.
  • the device 200 may be e.g. at least one guide element or sheet 201 for deflecting and / or braking a flow of the liquid phase 38, or a braid 202, in particular a wire mesh, for slowing down a flow of the liquid phase 38 and / or for supporting the agglomeration of gas bubbles entrained gaseous Phase in the receiving space 7 is used.
  • Fig. 4 shows a possible embodiment of such a device 200
  • the wire mesh is e.g. arranged in the lower region of the receiving space 7.
  • the baffle or sheet 201 extends e.g. starting from the first side wall 10 above the distribution openings 11 in the direction of the opposite second side wall 16 and the shell 17.
  • the plate 201 thus prevents a direct flow of the liquid phase 38 in the receiving space 7 in the direction of the distribution openings 11 is formed.
  • the two components 201, 202 do not necessarily have to be combined.
  • the arrangement of the guide element 201 may, depending on the
  • Reception room 7 existing flow can be varied.
  • the aim is in particular to suppress a direct flow of the liquid phase 38 to the distribution openings 1 1.
  • a gaseous phase 39 of the first medium 4 can be largely separated from the liquid phase 38 of the first medium 4, before the liquid phase 38 is supplied to the storage room V, and in particular a better control and distribution of the liquid phase 38th of first medium 4 can be achieved.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager (1) zum indirekten Übertragen von Wärme zwischen einem ersten Medium (4) und einem zweiten Medium (4a), mit einem Behälter (2), der einen Innenraum (I) zur Aufnahme des zweiphasigen ersten Mediums (4) aufweist, einem im Innenraum (I) angeordneten Plattenwärmeübertrager (5) zur indirekten Wärmeübertragung zwischen dem ersten Medium (4) und dem zweiten Medium (4a), wobei der Innenraum (I) dazu ausgebildet ist, das erste Medium (4) mit einer Füllhöhe (3) aufzunehmen, derart, dass eine flüssige Phase (38) des ersten Mediums (4) ein den Plattenwärmeübertrager (5) umgebendes Bad ausbildet, und einem Einlass (6) oberhalb der Füllhöhe (3) zum Einleiten des ersten Mediums (4) in den Innenraum (I). Erfindungsgemäß ist eine einen Aufnahmeraum (7) bildende Separiereinheit (8) zum Separieren der gasförmigen Phase (39) von der flüssigen Phase (38) des ersten Mediums (4) im Innenraum (I) vorgesehen, wobei die Separiereinheit (8) zumindest eine nach oben gerichtete Aufnahmeöffnung (9) zum Einleiten von im Innenraum (I) herabströmendem erstem Medium (4) in den Aufnahmeraum (7), und wobei die nach oben gerichtete Aufnahmeöffnung (9) oberhalb der Füllhöhe (3) angeordnet ist, so dass die im Aufnahmeraum (7) aufgenommene gasförmige Phase (39) des ersten Mediums (4) über die Aufnahmeöffnung (9) in den Innenraum (I) entweichen kann.

Description

Beschreibung
Wärmeübertrager, insbesondere Block-in-Shell-Wärmeübertrager mit einer
Separiereinheit zum Separieren einer gasförmigen Phase von einer flüssigen Phase sowie zum Verteilen der flüssigen Phase Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager zum indirekten Übertragen von Wärme zwischen einem ersten und einem zweiten Medium, insbesondere in Form eines sogenannten Block-in-Shell-Wärmeübertragers. (ebenfalls gebräuchlich sind die Bezeichnungen Core-in-Shell- oder Block-in-Kettle-Wärmeübertrager) Im Stand der Technik ist es bekannt, einen Behälter zu verwenden, in welchem zumindest ein Plattenwärmeübertrager angeordnet ist, welcher von einem zu kühlenden zweiten Medium durchströmt wird. Der Plattenwärmeübertrager befindet sich dabei in einem Bad einer flüssigen Phase des ersten Mediums. Auf Grund der von dem zu kühlenden zweiten Medium eingetragenen Wärme steigt das sich erwärmende (und üblicherweise auch teilweise verdampfende) erste Medium in dem
Plattenwärmeübertrager auf (Thermosiphoneffekt). Das erste Medium zum Kühlen wird dabei in der Regel als zweiphasiges Fluid, aufweisend eine flüssige sowie eine gasförmige Phase, in den Behälter zugeführt, wobei nachteilig ist, dass die gasförmige Phase zumindest teilweise in das Kälte mittelbad im Bereich des
Plattenwärmeübertragers eingetragen werden kann. Dies geschieht insbesondere bei hohen Zustromgeschwindigkeiten des zweiphasigen ersten Mediums. Wird
gasförmiges Fluid von unten in einen Plattenwärmeübertrager eingetragen, wird der Thermosiphoneffekt (nachteilig) beeinfiusst. Zudem kann es durch blockierende Blasen zu unstetiger Einströmung (von unten) in den Plattenwärmeübertrager kommen.
Wärmeübertrager der eingangs genannten Art sind z.B. in„The Standards of the brazed aluminium plate-fin heat exchanger manufacturers' association (ALPEMA)", dritte Ausgabe, 2010, Seite 67 in Figur 9-1 beschrieben. Derartige Wärmeübertrager weisen einen Behälter bzw. Mantel („Shell" oder "Kettle") auf, der einen Mantel- oder Innenraum umschließt, sowie mindestens einen im Mantelraum bzw. Innenraum angeordneten Plattenwärmeübertrager („Core" oder "Block"). Eine solche Ausführung eines Wärmeübertragers nennt man daher auch„Core-in-Shell"- oder„Block-in-Kettle"- Wärmeübertrager. Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Die erfindungsgemäßen Merkmale ergeben sich aus den unabhängigen Ansprüchen, zu denen vorteilhafte Ausgestaltungen in den abhängigen Ansprüchen aufgezeigt werden. Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, die ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.
Diese Aufgabe wird durch einen Wärmeübertrager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Danach wird ein Wärmeübertrager vorgeschlagen, mit einem Behälter, der einen Innenraum zur Aufnahme des zweiphasigen ersten Mediums aufweist, einem im
Innenraum angeordneten Plattenwärmeübertrager zur indirekten Wärmeübertragung zwischen dem ersten Medium und dem zweiten Medium, wobei der Innenraum dazu ausgebildet ist, das erste Medium mit einer Füllhöhe aufzunehmen, derart, dass eine flüssige Phase des ersten Mediums ein den Wärmeübertrager umgebendes Bad ausbildet, einem Einlass zum Einleiten des ersten Mediums in den Innenraum, wobei erfindungsgemäß im Innenraum eine einen Aufnahmeraum bildende Separiereinheit zum weitestgehenden Separieren der gasförmigen Phase von der flüssigen Phase des ersten Mediums vorgesehen ist, bevor die flüssige Phase dem Vorlageraum zugeführt wird, wobei die Separiereinheit zumindest eine nach oben gerichtete Aufnahmeöffnung zum Einleiten von im Innenraum herabströmendem erstem Medium in den
Aufnahmeraum aufweist, und wobei die nach oben gerichtete Aufnahmeöffnung oberhalb bzw. auf Füllhöhe angeordnet ist, so dass die im Aufnahmeraum
aufgenommene gasförmige Phase des ersten Mediums über die Aufnahmeöffnung in den Innenraum bzw. Abscheideraum entweichen kann, und wobei weiterhin ein Verteiler im Innenraum vorgesehen ist, welcher mit dem Einlass in
Strömungsverbindung steht und entlang der Vertikalen oberhalb der Aufnahmeöffnung sowie oberhalb der Füllhöhe angeordnet ist, wobei der Verteiler dazu ausgebildet ist, das erste Medium auf die Aufnahmeöffnung zu verteilen. Der Abscheideraum ist derjenige Teil des Innenraumes der sich oberhalb des
Flüssigkeitspegels im Innenraum befindet und entsprechend zur Aufnahme der gasförmigen Phase des ersten Mediums zur Verfügung steht. Die Anordnung der Aufnahmeöffnung muss nicht zwingend auf die Füllhöhe bezogen werden, sondern kann alternativ oder ergänzend auch in Bezug auf eine Oberseite bzw. Oberkante des Plattenwärmeübertragers bzw. des Plattenwärmeübertragerblocks bezogen werden. Vorzugsweise liegt diesbezüglich eine Oberkante (bezogen auf die Vertikale) der Aufnahmeöffnung vorzugsweise im Bereich von 0mm bis 100mm, besonders bevorzugt im Bereich von 0mm bis 50mm, weiter besonders bevorzugt im Bereich von 0mm bis 25 mm oberhalb der Oberseite bzw. Oberkante des
Plattenwärmeübertragers, wobei der Wert 0mm dem Niveau der Oberseite bzw. der Oberkante des Plattenwärmeübertragers in Richtung der Vertikalen entspricht. Erfindungsgemäß dient die Separiereinheit insbesondere dem Entfernen der
Restgasmenge aus der Flüssigkeit, damit möglichst kein Gas (durch den Einfluss des Eintrittsstromes in den Behälter) in den Vorlageraum eingetragen wird. Somit unterscheidet sich die Separiereinheit von anderen Abscheidern (z.B. Abscheideraum des Mantels, Verteilerkanal am Eintritt zur Vorabscheidung etc.). Weiterhin kann die Separiereinheit mit Vorteil auch zur Verteilung der Flüssigkeit im Behälter verwendet werden, nämlich insbesondere dann, wenn z.B. Widerstandselemente (z.B. Wehre oder perforierter Trennwände) im Mantelraum (Innenraum) des Wärmeübertragers verbaut sind und diese die Verteilung erschweren/behindern. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Separiereinheit eine dem Innenraum zugewandte erste Seitenwand aufweist. Dabei kann die erste Seitenwand zumindest eine Verteilöffnung aufweisen, wobei die mindestens eine Verteilöffnung bevorzugt zumindest teilweise unterhalb der Füllhöhe angeordnet ist, so dass die flüssige Phase des ersten Mediums über die mindestens eine Verteilöffnung in das den Plattenwärmeübertrager umgebende Bad einleitbar ist. Bevorzugt sind mehrere derartige Verteilöffnungen in der ersten Seitenwand ausgebildet.
Alternativ hierzu kann die erste Seitenwand jedoch auch als Überlaufwand ausgebildet sein. Die erste Seitenwand ist dann flüssigkeitsundurchlässig ausgebildet, d.h., weist keine Verteilöffnungen auf, so dass die flüssige Phase des ersten Mediums ggf. über eine Oberkante der ersten Seitenwand in den Vorlageraum strömen kann. Der Vorlageraum ist dabei derjenige Bereich des Innenraumes, den das aus der flüssigen Phase des ersten Mediums gebildete Bad einnehmen kann bzw. einnimmt. Mit anderen Worten kann die Separiereinheit sowohl als Überlauftasche als auch als (flüssigkeits)durchlässige Tasche ausgeführt werden, d.h. die Lage und Richtung des Flüssigkeitsaustritts ist insbesondere frei wählbar.
Die Separiereinheit erstreckt sich insbesondere entlang einer (im Betrieb horizontalen) Längsachse des Behälters und ist z.B. als nach oben hin offener (Aufnahmeöffnung) Kanal ausgebildet, wobei dessen zum Innenraum weisende erste Seitenwand ggf. die besagte, mindestens eine Verteilöffnung aufweist.
Die besagte Füllhöhe ist insbesondere als eine Sollhöhe zu verstehen, auf der sich der Flüssigkeitsspiegel der flüssigen Phase des ersten Mediums während des
bestimmungsgemäßen Betriebes des Wärmeübertragers befindet. Der
Plattenwärmeübertrager kann bei einem bestimmungsgemäßen Betrieb vollständig in das durch die flüssige Phase des ersten Mediums gebildete Bad eingetaucht sein, kann aber auch mit seiner Oberseite aus dem Bad herausragen.
Vorzugsweise liegt die Füllhöhe in Bezug auf die Oberseite (oder Oberkante) des Plattenwärmeübertragers in einem Bereich von -500mm bis +100mm, besonders bevorzugt in einem Bereich von -300mm bis +100mm, weiter bevorzugt im Bereich von -300mm bis +50mm, noch weiter bevorzugt im Bereich von -300mm bis +25mm, noch weiter bevorzugt im Bereich von -300mm bis 0 mm. Hierbei entspricht der Wert 0mm dem Niveau der Oberseite (siehe oben). Negative Werte geben an, dass die Füllhöhe in Richtung der Vertikalen unterhalb der Oberseite/Oberkante des
Plattenwärmeübertragers liegt. Sofern vorliegend von einer Oberseite bzw. Oberkante des Plattenwärmeübertragers die Rede ist, ist hiermit insbesondere die horizontale (insbesondere ebene) Oberseite bzw. Oberkante des Plattenwärmeübertragerblocks gemeint, die insbesondere durch die Trennwände, Sidebars und Fins definiert wird. Die Sammler und Stutzen bzw. eine sich daran anschließende Verrohrung bilden keinen Teil dieser Oberfläche des Plattenwärmeübertragers. Der Behälter des Wärmeübertragers kann einen (insbesondere im Betrieb liegenden) zylindrischen, entlang einer Längsachse erstreckten Mantel aufweisen sowie abschließende (gewölbte) Böden an beiden Enden des zylindrischen Mantels.
Der Wärmeübertrager weist am Mantel einen Einlass auf, durch den das
(üblicherweise) zweiphasige Fluid in den Behälter eingetragen werden kann. Der Einlass ist insbesondere oberhalb der Füllhöhe vorgesehen. Somit strömt das zweiphasige Fluid zwischen dem Einlass und der Füllhöhe bzw. bei Vorhandensein eines Verteilers (siehe unten) zwischen dem Verteiler und der Füllhöhe im
Wesentlichen von oben nach unten. Dies bewirkt, dass ein Teil der Gasphase des zweiphasigen Fluides bereits hier abgetrennt wird, bevor das restliche/verbleibende Fluid in das Bad im sogenannten Vorlageraum unterhalb bzw. auf Füllhöhe eintritt. Allerdings ist diese Abtrennung unzureichend, insbesondere bei hohen
Strömungsgeschwindigkeiten am Einlass. Weiterhin kann Gas aus dem
Abscheideraum beim Auftreffen der Flüssigkeit auf die Oberfläche des Bades in dieses eingetragen werden. Daher wird hier vorgeschlagen, zwischen der Füllhöhe und dem Einlass bzw. zwischen der Füllhöhe und einem Verteiler (siehe unten) eine Separiereinheit anzuordnen, die zumindest einen Aufnahmeraum für das zweiphasige Fluid bildet. Im Folgenden wird der besseren Darstellbarkeit wegen nur eine einzige Separiereinheit in ihrer
Funktionsweise beschrieben, wobei dies keine Beschränkung der möglichen oder bevorzugten Anzahl darstellt. Es können insbesondere auch mehrere
Separiereinheiten innerhalb des Behälters angeordnet sein, die in Richtung der Längsachse des Behälters ausgerichtet und angeordnet sind, wobei jeweils einem Einlass eine Separiereinheit zugeordnet sein kann. Die Separiereinheit bildet zumindest eine nach oben geöffnete bzw. gerichtete
Aufnahmeöffnung aus, über die das aus dem Einlass in den Innenraum des Behälters eintretende zweiphasige erste Medium in den Aufnahmeraum der Separiereinheit eintreten kann. Die Aufnahmeöffnung befindet sich dabei bevorzugt oberhalb der Füllhöhe, so dass abgetrenntes oder sich abtrennendes Gas nach oben hin aus dem Aufnahmeraum austreten kann und nicht über die mindestens eine Verteilöffnung der ersten Seitenwand der Separiereinheit in das Flüssigkeitsbad eingegeben wird. In der Regel weist die erste Seitenwand mehrere Verteilöffnungen zum Ablassen der flüssigen Phase des ersten Mediums aus dem Aufnahmeraum auf. Mit der Separiereinheit wird erreicht, dass die Geschwindigkeit des Eintrags der flüssigen Phase des ersten Mediums in das Kältemittelbad reduziert wird. In der Separiereinheit haben mitgerissenes Gas oder mitgerissene Gasblasen ausreichend Zeit, ihrer Auftriebskraft folgend über die Aufnahmeöffnung der Separiereinheit in den Abscheideraum auszutreten, noch bevor sie über die ggf. vorhandenen
Verteilöffnungen in das Bad eingetragen werden könnten.
Vorzugsweise ist die Separiereinheit aus (insbesondere ebenen) Blechen gefertigt. Die Separiereinheit kann weiterhin zum Beispiel aus bearbeiteten Rohren, bearbeiteten Vollmaterialien, Formgussteilen oder (Strangpress-)Profilen oder einer geeigneten Kombination solcher Materialien gefertigt sein.
Die Separiereinheit kann sowohl über die gesamte Länge nach oben hin (d.h. zum Abscheideraum hin) offen sein als auch nach oben geschlossene Abschnitte aufweisen (in den geschlossenen Abschnitten erfolgt dabei kein Zufluss von Flüssigkeit zur Separiereinheit). Weiterhin kann sich die Separiereinheit entlang der Längsachse des Mantels bzw. Behälters sowohl über den gesamten Bereich des Innenraumes des Behälters als auch nur über ausgewählte Bereiche erstrecken.
Wie bereits dargelegt, ist des Weiteren bevorzugt ein Verteiler vorgesehen, welcher mit dem Einlass in Strömungsverbindung steht und zumindest eine, bevorzugt mehrere nach unten gerichtete Auslassöffnungen aufweist. Der Verteiler bzw. dessen
Auslassöffnungen sind bevorzugt entlang der Vertikalen (bezogen auf einen
bestimmungsgemäß angeordneten bzw. im Betrieb befindlichen Wärmeübertrager) oberhalb der Separiereinheit sowie oberhalb der Füllhöhe angeordnet. Mit einem solchen Verteiler kann eine Strömung des zweiphasigen ersten Mediums auf eine gesamte Länge der Separiereinheit bzw. Aufnahmeöffnung entlang der Längsachse des Behälters erfolgen. Die Separiereinheit und ggf. der Verteiler bilden vorzugsweise Kanäle, die sich in Richtung der Längsachse des Behälters erstrecken. Vorzugsweise weisen der Verteiler und die Separiereinheit entlang der Längsachse auch die gleiche Länge auf. Durch den Verteiler wird bereits eine erste Verringerung der Eintragsgeschwindigkeit des ersten Mediums bewirkt, so dass hier bereits eine Vorabscheidung, d.h. eine grobe Trennung von Gasphase und Flüssigkeitsphase, erreicht wird. Darüber hinaus wird mittels des Verteilers die Anströmung über eine größere Länge verteilt, so dass ein Einlass mit einem geringen Querschnitt und somit hohen Strömungsgeschwindigkeiten verwendet werden kann, ohne dass diese hohen Geschwindigkeiten in den Behälter übertragen werden. Vorzugsweise ist der Verteiler bzw. dessen mindestens eine Auslassöffnung lotrecht oberhalb der Aufnahmeöffnung der Separiereinheit angeordnet, so dass das erste Medium durch die Aufnahmeöffnung in den Aufnahmeraum der Separiereinheit herabströmen kann. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Wärmeübertragers weist die Separiereinheit eine zweite Seitenwand auf, die der ersten Seitenwand gegenüberliegt und vorzugsweise durch eine Wandung des Behälters bzw. Mantels des Behälters gebildet ist. Die Separiereinheit ist also mit anderen Worten an eine Innenseite des Mantels des Behälters angesetzt. Die zweite Seitenwand kann jedoch auch separat zum Mantel ausgebildet sein.
Durch die Nutzung der Wandung des Behälters als zweite Seitenwand für die
Separiereinheit ist der Aufnahmeraum mit besonders geringen Materialeinsatz erzeugbar. Die Separiereinheit wird mit eigener zweiter Seitenwand oder mit der aus der Wandung des Behälters gebildeten zweiten Seitenwand vorteilhafterweise an die Wandung des Behälters angeschweißt, angeklebt, oder anderweitig form- bzw.
kraftschlüssig gefügt. Die Separiereinheit kann außer am Mantel auch an anderer geeigneter Stelle (z.B. am Plattenwärmeübertrager) angebracht werden. Vorzugsweise werden die Seitenwände der Separiereinheit als Blechteile vorgesehen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Wärmeübertragerst umfasst die Separiereinheit weiterhin eine dritte und eine vierte Seitenwand, die insbesondere Stirnseiten der längs erstreckten Separiereinheit bilden. Die dritte und die vierte Seitenwand verbinden jeweils die erste Seitenwand mit der zweiten Seitenwand, wobei die dritte und die vierte Seitenwand bevorzugt senkrecht zur Längsachse des Behälters verlaufen. Bevorzugt weisen die dritte und die vierte Seitenwand jeweils zumindest eine Seitenöffnung auf. Die Seitenöffnungen sind z.B. als Kreisloch ausgebildet.
Eine Oberkante der Separiereinheit liegt vorzugsweise oberhalb der Füllhöhe, so dass die flüssige Phase lediglich - soweit vorhanden - durch die Verteilöffnungen (und ggf. weitere Öffnungen der Seitenwände der Separiereinheit) in das Bad im Vorlageraum gelangen kann.
Gemäß einer Ausführungsform grenzen die Seitenwände der Separiereinheit den Aufnahmeraum vom Flüssigkeitsbad im Vorlagenraum vollständig ab, d.h., die flüssige Phase des ersten Mediums tritt nur über den Aufnahmeraum der Separiereinheit in das Flüssigkeitsbad im Vorlageraum ein. Der Impuls bzw. die kinetische Energie des herabfallenden ersten Mediums wird im Aufnahmeraum reduziert. Gasbläschen können nach oben aufsteigen und über die Aufnahmeöffnung in den Abscheideraum eintreten. Der Eintritt von Gasbläschen in den Vorlageraum bzw. in die ersten
Wärmeübertragungspassagen des Plattenwärmeübertragers wird somit vermieden. Im Bereich der unteren Einlassöffnungen des Plattenwärmeübertragers in die vertikalen Wärmeübertragungspassagen wird die Flüssigkeitsströmung des ersten Mediums nicht durch die Eintrittsströmung negativ beeinflusst.
In einer alternativen Ausführungsform sind keine dritten und vierten Seitenwände vorgesehen und der Aufnahmeraum ist somit an den Stirnseiten offen. Weiterhin können auch dritte und vierte Seitenwände vorgesehen sein, deren Oberkanten unterhalb der Füllhöhe liegen.
Bevorzugt ist die Separiereinheit in einer horizontalen, senkrecht zur Längsachse des Behälters verlaufenden Richtung lateral zum Wärmeübertrager angeordnet und erstreckt sich dabei entlang (insbesondere parallel) des Wärmeübertragers bzw. der Längsachse des Behälters.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist auch denkbar, die Separiereinheit am Wärmeübertrager selbst festzulegen. In diesem Fall kann auf eine Befestigung der Separiereinheit am Mantel des Behälters verzichtet werden. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Wärmeübertragers ist die erste Seitenwand in Richtung des Plattenwärmeübertragers, also zum Innenraum hin, geneigt. Die flüssige Phase des ersten Mediums kann daher entsprechend auch in vertikaler Richtung nach unten den Aufnahmeraum durch die Verteilöffnungen verlassen. Die erste Seitenwand kann hierbei einen Winkel mit der Vertikalen im
Bereich von 15° bis 75° einschließen. Bevorzugt beträgt der Neigungswinkel der ersten Seitenwand ca. 45°.
Durch die Ausrichtung der ersten Seitenwand als zur Vertikalen geneigte Seitenwand wird gegenüber einer rechteckigen Kastenform Material gespart, weil der
Aufnahmeraum mit der ersten Seitenwand, der zweiten Seitenwand sowie ggf. mit der dritten und vierten Seitenwand vollständig umgrenzbar ist. Darüber hinaus wird bei einer anfänglichen Anströmung mit dem zweiphasigen ersten Medium ein schneller Anstieg des Füllspiegels innerhalb des Aufnahmeraumes erreicht.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Wärmeübertragers ist die mindestens eine Verteilöffnung als Schlitz gebildet. Durch die schlitzförmige
Ausbildung der Verteilöffnungen wird pro Öffnung eine relativ große durchströmbare Fläche erreicht. Eine Längserstreckung derartiger Schlitze verläuft dabei bevorzugt entlang der Vertikalen. D.h., eine schlitzförmige Verteil Öffnung weist eine Unter- und eine parallele Oberkante auf, die signifikant kürzer sind als die beiden parallelen Seitenkanten der Verteilöffnung, die sich zwischen Unter- und Oberkante erstrecken. Grundsätzlich kann die Art und Lage der Öffnungen (Schlitzerstreckung längs oder quer, kreisförmige Öffnung etc.) nach verschiedenen Gesichtspunkten gewählt werden (z.B. horizontale und vertikale Ausdehnung, Fertigungsaufwand etc.). Dies gilt für alle Seitenwände.
Die Separiereinheit kann aus allen geeigneten Materialien (wie z.B. Aluminium, Stahl oder Kunststoff) gefertigt werden. Auch eine Kombination geeigneter Materialien ist möglich. Die Form, Größe und Anzahl der verwendeten Elemente einer Separiereinheit kann sowohl nach fertigungstechnischen als auch nach verfahrenstechnischen
Gesichtspunkten gestaltet werden. Dabei kann auch auf anlagenspezifische
Besonderheiten eingegangen werden. Jedes der verwendeten Elemente kann dabei individuell gestaltet werden. Die Elemente der Separiereinheit können solide, perforiert oder auch geschlitzt sein. Dabei können z.B. eingesetzte Bleche sowohl flach als auch profiliert sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Wärmeübertragers sind zumindest die erste Seitenwand, sowie die stirnseitigen Seitenwände (dritte und vierte Seitenwand) aus einem Blech geformt. Hierbei werden bevorzugt ebene Bleche verwendet, in die ggf. die besagteoVerteil- und ggf. Seitenöffnungen eingebracht sind.
Bei dieser vorteilhaften Ausführungsform ist die Separiereinheit besonders
kostengünstig herstellbar und führt zu keiner erheblichen Verteuerung des
Wärmeübertragers gegenüber einem vorbekannten Wärmeübertrager ohne
Separiereinheit. Die Bleche können durch alle geeigneten Verbindungsmittel miteinander verbunden werden, z.B. mittels Schweißverbindungen oder
Nietverbindungen etc.
Wie bereits dargelegt, handelt es sich bei dem im Innenraum des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers angeordneten Wärmetauscher um einen Plattenwärmeübertrager. Dieser weist erste Wärmeübertragungspassagen zur Aufnahme des ersten Mediums und zweite Wärmeübertragungspassagen zur Aufnahme des zweiten Mediums auf, wobei die Wärmeübertragungspassagen durch Trennplatten (z.B. Trennbleche) voneinander getrennt sind. Vorzugsweise sind jeweils zwischen benachbarten
Trennplatten Wärmeleitstrukturen vorgesehen, zum Beispiel in Form von gefalteten oder gewellten Blechen (sogenannte Fins). Die äußersten Lagen des
Plattenwärmeübertragers werden durch Deckplatten gebildet. Auf diese Weise werden zwischen je zwei Trennplatten beziehungsweise zwischen einer Trennplatte und einer Deckplatte aufgrund der jeweils dazwischen angeordneten Wärmeleitstruktur (zum Beispiel einem Fin) eine Vielzahl an parallelen Kanälen beziehungsweise eine erste oder zweite Wärmeübertragungspassage gebildet, durch die ein zugeordnetes Medium beziehungsweise Fluid strömen kann. Die ersten und zweiten
Wärmeübertragungspassagen sind bevorzugt benachbart zueinander angeordnet, so dass zwischen dem ersten und dem zweiten Medium bzw. Fluid indirekt Wärme übertragen werden kann. Die beiden Medium können in den zugeordneten Passagen z.B. im Kreuzstrom, im Gegenstrom oder auch im Kreuzgegenstrom zueinander geführt werden. Zu den Seiten hin sind zwischen je zwei benachbarten Trennplatten vorzugsweise Abschlussleisten (so genannte Side Bars) zum Verschließen der jeweiligen
Wärmeübertragungspassage vorgesehen. Die ersten Wärmeübertragungspassagen sind (in Richtung der Vertikalen) nach oben und unten hin offen und insbesondere nicht durch Abschlussleisten verschlossen. Hierbei weist jede erste
Wärmeübertragungspassage an der Unterseite des Plattenwärmeübertragers eine Einlassöffnung auf (siehe oben), über die die flüssige Phase des ersten Mediums in die ersten Wärmeübertragungspassagen gelangen kann, sowie eine Auslassöffnung an der Oberseite des Plattenwärmeübertragers, über die das erste Medium an der Oberseite des Plattenwärmeübertragers als Zweiphasenstrom austreten kann. Die Deckplatten, Trennplatten, Fins und Side Bars sind vorzugsweise aus Aluminium gefertigt und werden bevorzugt, zum Beispiel in einem Ofen, miteinander verlötet.
Weiterhin weist der Plattenwärmeübertrager bevorzugt einen ersten Sammler auf (auch als Header bezeichnet), der mit den zweiten Wärmeübertragungspassagen in Strömungsverbindung steht, so dass das zweite Medium über den ersten Sammler in die zweiten Wärmeübertragungspassagen einleitbar ist, sowie einen zweiten Sammler (oder Header), der mit ebenfalls mit den zweiten Wärmeübertragungspassagen in Strömungsverbindung steht, so dass das zweite Medium über den zweiten Sammler aus den zweiten Wärmeübertragungspassagen abziehbar ist.
Grundsätzlich können im Innenraum des Behälters auch mehrere
Plattenwärmeübertrager angeordnet werden. Jedem Plattenwärmeübertrager kann dann z.B. eine erfindungsgemäße Separiereinheit sowie ggf. ein Verteiler zugeordnet sein.
Ein Teil der über die Separiereinheit in den Vorlageraum eingebrachten Flüssigkeit des ersten Mediums strömt im Vorlageraum in vertikaler Richtung nach unten, tritt dann von unten in den bzw. die Plattenwärmeübertrager ein und wird dort teilweise verdampft. Der andere Teil strömt in horizontaler Richtung in andere Bereiche des Vorlageraumes. Durch den Einbau von Widerstandselementen (z.B. Wehre oder perforierter Trennwände) zwischen den Plattenwärmeübertragern bzw. neben einem Plattenwärmeübertrager wird die Strömung der Flüssigkeit in horizontaler Richtung zum Teil massiv gestört. Zur Überwindung eines jeden Elements ist ein Überdruck erforderlich, der durch einen erhöhten Flüssigkeitsstand vor dem Element erzeugt wird. Dies hat zur Folge, dass die Räume zwischen den Elementen einen unterschiedlichen Flüssigkeitsstand aufweisen, was den Betrieb des Block-In-Shell-Wärmeübertragers negativ beeinflussen kann. Dieser Effekt wird insofern noch verstärkt, als dass der benötigte Überdruck zur Überwindung des Elements eine Funktion des
Volumenstromes ist. Dabei gilt, dass der Überdruck umso höher sein muss, je größer der Volumenstrom ist. Durch die Separiereinheit können die Widerstandselemente zur Verteilung der flüssigen Phase des ersten Mediums im Mantelraum umgangen werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers ist vorgesehen, dass der Wärmeübertrager eine unterhalb des Verteilers angeordnete Leiteinrichtung aufweist, die zum Leiten der aus der mindestens einen Auslassöffnung austretenden flüssigen Phase des ersten Mediums ausgebildet ist.
Bevorzugt ist die Leiteinrichtung dabei dazu ausgebildet, zumindest einen Teil der in einer ersten Raumrichtung aus der mindestens einen Auslassöffnung ausgetretenen flüssigen Phase in eine zweite Raumrichtung zu leiten, wobei insbesondere sich die zweite Raumrichtung von der ersten Raumrichtung unterscheidet, und wobei insbesondere die zweite Raumrichtung eine größere horizontale Komponente aufweist als die erste Raumrichtung oder zum Mantel des Behälters hin weist. Die erste
Raumrichtung verläuft insbesondere entlang der Vertikalen.
Bevorzugt ist die Leiteinrichtung weiterhin dazu ausgebildet, die flüssige Phase des ersten Mediums von der Oberseite des Plattenwärmeübertragers weg und/oder an der Oberseite vorbei zu leiten. Bevorzugt ist die Leiteinrichtung dazu ausgebildet ist, die flüssige Phase des ersten Mediums so zu leiten, dass die flüssige Phase nicht die Oberseite des Plattenwärmeübertragers beaufschlägt.
Weiterhin weist die Leiteinrichtung bevorzugt zumindest ein plattenförmiges
Leitelement auf, insbesondere in Form eines Leitblechs.
In einer weiteren Ausführungsform weist das mindestens eine Leitelement
vorzugsweise eine Krümmung auf. Hierbei weist das mindestens eine Leitelement insbesondere eine konvex gekrümmte erste Seite auf, die dem
Plattenwärmeübertrager zugewandt ist, sowie eine der ersten Seite abgewandte, konkav gekrümmte zweite Seite, die dem Plattenwärmeübertrager abgewandt und/oder dem Verteilerkanal zugewandt ist. Dabei ist das mindestens eine Leitelement insbesondere so angeordnet, dass die aus dem Verteiler durch die mindestens eine Auslassöffnung des Verteilers nach unten hin austretende flüssige Phase des ersten Mediums auf die zweite Seite auftrifft und an dieser entlang von der Oberseite des Plattenwärmeübertragers weg geführt und/oder an dieser vorbei geführt wird.
Hierdurch wird sichergestellt, dass die flüssige Phase nicht die Oberseite des
Plattenwärmeübertragers beaufschlägt und dadurch unter Umständen den Betrieb des Plattenwärmeübertragers negativ beeinflusst.
Bevorzugt ist weiterhin vorgesehen, dass sich die Leiteinrichtung über den gesamten Verteiler erstreckt oder lediglich über einen Abschnitt des Verteilers.
Weiterhin kann das mindestens eine Leitelement eine Mehrzahl an
Durchgangsöffnungen für das erste Medium aufweisen. Weiterhin weist der erfindungsgemäße Wärmeübertrager gemäß einer
Ausführungsform eine Einrichtung zum Leiten/Kontrollieren der flüssigen Phase auf, die in der Separiereinheit bzw. im Aufnahmeraum der Separiereinheit angeordnet ist. Diese Einrichtung kann z.B. eines (oder mehrere) der folgenden Elemente aufweisen: ein Leitelement (z.B. Blech) zum Umlenken und/oder Abbremsen einer Strömung der flüssigen Phase im Aufnahmeraum,
ein Geflecht, insbesondere ein Drahtgeflecht, zum Abbremsen einer Strömung der flüssigen Phase und/oder zur Unterstützung der Agglomeration von Gasbläschen einer mitgerissenen gasförmigen Phase im Aufnahmeraum. Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers ist vorgesehen, dass sich die Separiereinheit über mehr als die Hälfte der Länge des (entlang der horizontalen Längsachse erstreckten) Mantels des Behälters erstreckt, und zwar bevorzugt über mehr als 80% dieser Länge, weiterhin bevorzugt über mehr als 90% dieser Länge. Hintergrund ist hierbei insbesondere der Umstand, dass die Separiereinheit auch zum Verteilen der flüssigen Phase im Mantelraum verwendet werden kann, z.B. bei im Mantelraum verbauten Widerstandselementen. Die
Separiereinheit kann sich dann im Mantelraum über diese Elemente hinweg erstrecken, Dabei kann z.B. der Einlass in den Mantelraum z.B. nur in einer Hälfte des Mantels vorhanden sein, die Separiereinheit kann sich aber über fast die gesamte Mantellänge erstrecken (siehe oben). Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, die bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Es wird dargestellt in Fig. 1 : ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers im
Längsschnitt,
Fig. 2: das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 im Querschnitt (entlang der Linie A-A), Fig. 3: ein Detail des in Figur 2 gezeigten Querschnitts des Wärmeübertragers, und
Fig. 4: ein Detail des in der Figur 2 gezeigten Querschnitts eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers, wobei gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung optional eine Leiteinrichtung zum Leiten der flüssigen Phase des ersten Mediums vorhanden ist.
Fig. 1 zeigt im Zusammenhang mit den Figuren 2 und 3 einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 1. Diese weist einen Behälter 2 auf, der einen zylindrischen Mantel 7 aufweist, der sich entlang einer Längsachse bzw. Zylinderachse erstreckt, die bei einem bestimmungsgemäß angeordneten Wärmeübertrager 1 bzw. während des Betriebes der Einheit 1 entlang der Horizontalen verläuft. An die beiden Enden des Mantels 17 schließen sich nach außen gewölbte Böden 17a, 17b an. Der Behälter 2 umgibt einen Innenraum oder Mantelraum I, in dem zumindest ein
Plattenwärmeübertrager 5, angeordnet ist. Vorliegend sind im Innenraum I zwei Plattenwärmeübertrager 5 vorgesehen. Im Folgenden wird exemplarisch lediglich ein Plattenwärmeübertrager 5 beschrieben.
An einem oberen Bereich des Mantels 17 des Behälters 2 ist ein Einlass 6 für ein zweiphasiges erstes Medium 4 vorgesehen, das in den Innenraum I des Behälters 2 einzuleiten ist, um dort ein den Plattenwärmeübertrager 5 umgebendes Bad mit einer definierten Füllhöhe 3 auszubilden. Dieser Bereich des Innenraumes I wird auch als Vorlageraum V bezeichnet. Der Bereich oberhalb des Flüssigkeitsbades mit der Füllhöhe 3 wird als Abscheideraum A bezeichnet. Dieser Raum A steht zur Aufnahme einer gasförmigen Phase 39 des ersten Mediums 4 zur Verfügung, die aus dem ersten Medium abgeschieden werden soll. Die Füllhöhe 3 ist insbesondere so bemessen, dass der Plattenwärmeübertrager 5 lediglich mit einer horizontal erstreckten Oberseite 28 aus dem Bad (erstes Medium 4) heraussteht.
Der Einlass 6 für das erste Medium 4 steht in Strömungsverbindung mit einem Verteiler 13, der als Kanal ausgebildet ist, der sich entlang der Längsachse des Mantels 17 erstreckt. Der Verteiler 13 ist an eine dem Innenraum I zugewandte Innenseite des Mantels 17 angesetzt, so dass ein Teil der Wandung des Verteilers 3 durch den Mantel 17 selbst gebildet ist. Der Verteiler 13 umgibt einen entlang der Längsachse des Mantels 17 erstreckten Verteilerraum 21 , der entlang der Längsachse des Mantels 17 eine vorbestimmte Verteilerlänge 14 aufweist. Lotrecht unterhalb des Verteilers 13 ist eine Separiereinheit 8 angeordnet, die dazu dient, das erste Medium 4 zu
beruhigen, so dass eine gasförmige Phase 39 des ersten Mediums 4 in der
Separiereinheit 8 weitestgehend von der flüssigen Phase 38 des ersten Mediums 4 getrennt werden kann, bevor die flüssige Phase 38 dem Vorlageraum V zugeführt wird. Die relative Lage des Einlasses 6, des Verteilers 13 und der Separiereinheit 8 sind in der seitlichen Schnittansicht in Fig. 2 und Fig. 3 dargestellt. In Fig. 2 wird die Lage eines Details Z dargestellt, welches in Fig. 3 gezeigt ist. Die Lage der
Schnittansicht ist in Fig. 1 mit A-A bezeichnet. Der Verteiler 13 weist einen horizontal entlang der Längsachse des Mantels 17 verlaufenden Boden mit Auslassöffnungen in Form von Durchgangsöffnungen 37 auf, über die auf der gesamten Länge 14 des Verteilers 13 bzw. Verteilerraums 21 das in den Verteilerraum 21 eingeleitete erste Medium 4 in einen durch die Separiereinheit 8 gebildeten Aufnahmeraum 7 gegeben werden kann. Die Separiereinheit 8 weist hierzu eine unterhalb des Verteilers 13 angeordnete, nach oben gewandte Aufnahmeöffnung 9 auf, deren Öffnungsebene sich senkrecht zur Vertikalen 23 erstreckt. Über die Aufnahmeöffnung 9 gelangt das aus dem Verteiler 13 herabfallende erste Medium 4 in den Aufnahmeraum 7. Die Separiereinheit 8 ist dabei als nach oben hin offener Kanal ausgebildet, der sich unterhalb des Verteilers 13 ebenfalls entlang der Längsachse des Mantels 17 erstreckt, wobei bevorzugt die Separiereinheit 8 entlang der Längsachse des Mantels 17 eine Länge 15 aufweist, die der Verteilerlänge 14 entlang der
Längsachse des Mantels 17 entspricht. Der Aufnahmeraum 7 der Separiereinheit 8 bzw. die Aufnahmeöffnung 9 kann daher auf ihrer gesamten Länge 15 mit dem ersten Medium 4 beschickt werden. Die Separiereinheit 8 weist eine die Aufnahmeöffnung 9 definierende sowie den Aufnahmeraum 7 begrenzende, umlaufende Wandung auf. Die Wandung weist dabei eine dem Innenraum I bzw. dem Plattenwärmeübertrager 5 zugewandte erste
Seitenwand 10 auf, die dem Plattenwärmeübertrager 5 quer zur Längsachse des Mantels 17 in horizontaler Richtung gegenüberliegt. Der ersten Seitenwand 10 liegt eine zweite Seitenwand 16 der Separiereinheit 8 gegenüber, die durch den Mantel 17 gebildet wird. Stirnseitig weist die Separiereinheit 8 eine dritte und eine vierte
Seitenwand 19, 20 auf, die sich senkrecht zur Längsachse des Mantels 17 erstrecken und entsprechend der Querschnittsform der Separiereinheit 8 im Wesentlichen dreieckförmig ausgebildet sind (abgesehen von einer Rundung aufgrund des zylindrischen Mantels 17). Entsprechend ist die erste Seitenwand 10 der
Separiereinheit 8 zum Plattenwärmeübertrager 5 hin geneigt, so dass sich der horizontale Querschnitt der Separiereinheit 8 bzw. des Aufnahmeraums 7 in der Vertikalen von unten nach oben zur Aufnahmeöffnung 9 hin vergrößert. Die erste Seitenwand 10 schließt vorliegend mit der Vertikalen einen Winkel von insbesondere 45° ein.
Bevorzugt sind die Separiereinheit 8 und/oder der Verteiler 13 aus einem oder mehreren Blechen gebildet und mit der Wandung 17 des Behälters 2 verschweißt oder in einer sonstigen geeigneten Weise verbunden. Insbesondere können die erste
Seitenwand 10 sowie die dritte und vierte Seitenwand 19, 20 jeweils aus einem ebenen Blech gebildet sein und geeignet miteinander verbunden sein (z.B. durch
Schweißverbindungen, Nietverbindungen etc.). Zum Auslassen der flüssigen Phase 38 des ersten Mediums 4 aus dem
Aufnahmeraum 7 der Separiereinheit 8 weist die erste Seitenwand 10 Verteilöffnungen 1 1 auf. Weiterhin sind in den stirnseitigen Seitenwänden 19, 20 Seitenöffnungen 2 in Form von Durchgangsöffnungen vorgesehen, über die die flüssige Phase 38 des ersten Mediums 4 ebenfalls in den Vorlageraum V austreten kann.
Die Wandung der Separiereinheit 8 bzw. die erste, dritte und vierte Seitenwand 10, 19, 20 definieren eine Oberkante der Separiereinheit 8, die die Aufnahmeöffnung 9 berandet und die bevorzugt oberhalb der Füllhöhe 3 angeordnet ist. Entsprechend gelangt die flüssige Phase 38 des ersten Mediums 4 aus dem Aufnahmeraum 7 bevorzugt lediglich über die Verteil- bzw. Seitenöffnungen 1 1 , 12 in den Vorlageraum V.
Gemäß Fig. 1 sind die Verteilöffnungen 1 1 entlang der Vertikalen 23 schlitzförmig ausgebildet. Die Verteilöffnungen 11 sind bevorzugt über die gesamte Länge 15 der Separiereinheit äquidistant zueinander angeordnet. Gemäß Figuren 2 und 3 sind die Seitenöffnungen 12 bevorzugt als Kreislöcher ausgebildet, welche in zur Füllhöhe 3 parallele übereinander angeordnete Reihen für unterschiedliche Füllstände jeweils eine ausreichende Gesamtquerschnittsfläche bilden. Bevorzugt befinden sich die Öffnungen 11 , 12 allesamt unterhalb der Füllhöhe 3.
Zum Abziehen der gasförmigen Phase 39 des ersten Mediums 4 aus dem
Abscheideraum A weist der Behälter 2 an einem oberen Bereich des Mantels 17 zumindest einen Auslassstutzen 22 auf. Weiterhin ist an einem unteren Bereich des Mantels 17 ein Auslass 36 vorgesehen, welcher zum Auslassen der flüssigen Phase 38 des ersten Mediums 4 aus dem Vorlageraum V vorgesehen ist. Mittels einer Überlaufwand 35 wird eine Mindestfüllhöhe der flüssigen Phase 38 des ersten
Mediums 4 im Vorlageraum V sichergestellt. Im Detail weist der Plattenwärmeübertrager 5 erste Wärmeübertragungspassagen 24 für das erste Medium 4 sowie parallele zweite Wärmeübertragungspassagen 25 für das zweite Medium 4a auf. Die Wärmeübertragungspassagen 24, 25 sind durch Trennplatten voneinander getrennt und weisen bevorzugt Wärmeleitstrukturen 26 auf (z.B. in Form von insbesondere gewellten Fins). Die zweiten
Wärmeübertragungspassagen 25 sind nach außen (d.h. zum Mantelraum I) hin verschlossen. Zum Beschicken der zweiten Wärmeübertragungspassagen 25 ist am Mantel 17 des Behälters 2 ein Einlass 31 vorgesehen, der mit einem ersten Sammler 31a in Strömungsverbindung steht, über den die einzelnen zweiten
Wärmeübertragungspassagen 25 mit dem zweiten Medium 4a beschickbar sind. Der Plattenwärmeübertrager 5 weist weiterhin einen zweiten Sammler 32a auf, der mit einem am Mantel 17 vorgesehen Auslass 32 in Strömungsverbindung steht. Über den zweiten Sammler 32a ist das zweite Medium 4a aus den zweiten
Wärmeübertragungspassagen 25 abziehbar und kann über den Auslass 32 aus dem Wärmeübertrager 1 abgezogen werden. Die ersten Wärmeübertragungspassagen 24 sind zur Oberseite 28 des Plattenwärmeübertragers 5 sowie zu einer der Oberseite abgewandten Unterseite 29 des Plattenwärmeübertragers 5 hin offen ausgebildet und weisen dort Auslass- bzw. Einlassöffnungen 27, 30 auf. Die flüssige Phase des ersten Mediums 4 kann dabei durch die Einlassöffnungen 30 an der Unterseite 29 in die ersten
Wärmeübertragungspassagen 24 eintreten und kann diese an der Oberseite 28 über die Auslassöffnungen 27 wieder verlassen.
Im Betrieb des Wärmeübertragers 1 strömt bzw. fällt das erste Medium 4 bzw. der nach der Teilabtrennung der Gasphase 39 verbleibende Anteil des ersten Mediums 4 aus dem Verteilerraum 21 des Verteilers 13 über die Aufnahmeöffnung 9 in den
Aufnahmeraum 7 der Separiereinheit 8 herab und wird dort aufgefangen. Die flüssige
Phase 38 des ersten Mediums 4 gelangt sodann durch die Verteil- und ggf.
Seitenöffnungen 1 1 , 12, die unterhalb der Füllhöhe 3 des Flüssigkeitsbades liegen, in das Flüssigkeitsbad im Vorlageraum V und tritt dort über die Einlassöffnungen 30 an der Unterseite 29 des Plattenwärmeübertragers 5 in die ersten
Wärmeübertragungspassagen 24 ein.
Im Aufnahmeraum 7 steigt die eingetragene gasförmige Phase 39 des ersten Mediums 4 auf und tritt über die Aufnahmeöffnung 9 aus dem Aufnahmeraum 7 der
Separiereinheit 8 in den Abscheideraum A aus. Aus dem Abscheideraum A wird die gasförmige Phase 39 des ersten Mediums 4 über den mindestens einen
Auslassstutzen 22 abgezogen. Das zweiphasige erste Medium 4 wird in der Regel kontinuierlich über den Einlass 6 zugeführt und die in diesem Wärmeübertrager nicht benötigte flüssige Phase 38 des ersten Mediums 4 über den Auslass 36 abgeführt, so dass insbesondere ein kontinuierlicher Kühlprozess unter definierten Bedingungen stattfinden kann.
Die flüssige Phase 38 des ersten Mediums 4 tritt an der Unterseite 29 in die
Einlassöffnungen 30 ein und steigt aufgrund des Thermosiphoneffekts in den ersten Wärmeübertragungspassagen 24 nach oben. Gleichzeitig wird ein zweites Medium 4a in die angrenzenden zweiten Wärmeübertragungspassagen 25 eingeleitet, so dass Wärme vom zweiten Medium 4a indirekt auf das erste Medium 4 übertragen wird. Das erste Medium 4 wird dabei erwärmt bzw. teilweise verdampft und tritt an der Oberseite 28 des Plattenwärmeübertragers 5 in der Regel als Zweiphasenstrom aus den Auslassöffnungen 27 der ersten Wärmeübertragungspassagen 24 aus. Die
verbleibende flüssige Phase 38 des ersten Mediums 4 zirkuliert dann wieder nach unten zu den Einlassöffnungen 30 während die gasförmige Phase 39 im
Abscheideraum A aufsteigt und über den mindestens einen Auslassstutzen 22 aus dem Abscheideraum A abgezogen wird.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1 ist gemäß Figur 4 bei einem Wärmeübertrager 1 nach Art der Figuren 1 bis 3 in vertikaler Richtung unterhalb des Verteilers 13 eine Leiteinrichtung 100 angeordnet, die zum Leiten der aus der mindestens einen Auslassöffnung 37 austretenden flüssigen Phase 38 des ersten Mediums 4 ausgebildet ist, wobei die Leiteinrichtung 100 insbesondere zumindest einen Teil der in einer ersten (insbesondere vertikalen) Raumrichtung R aus der mindestens einen Auslassöffnung 37 nach unten
austretenden flüssigen Phase 38 in eine zweite Raumrichtung R' umlenkt, die sich bevorzugt von der ersten Raumrichtung R unterscheidet. Hierbei weist die zweite
Raumrichtung R' eine größere horizontale Komponente auf als die erste Raumrichtung R. Die Umlenkung zumindest eines Teiles der flüssigen Phase 38 erfolgt dabei bevorzugt so, dass die flüssige Phase 38 des ersten Mediums 4 von der Oberseite 28 weg bzw. an der Oberseite 28 des Wärmeübertragers bzw. Plattenwärmeübertragers 5 vorbei zu leiten. Hierdurch wird sichergestellt, dass die flüssige Phase 38 des ersten Mediums 4 nicht die Oberseite 28 des mindestens einen Plattenwärmeübertragers 5 beaufschlägt. Hierzu weist die Leiteinrichtung 100 insbesondere zumindest ein Leitelement 101 , insbesondere in Form eines Leitblechs, auf, das sich entlang der Längsachse des Behälters 2 bzw. Mantels 17 erstreckt und insbesondere im
Wesentlichen bündig auf eine dem Innenraum I zugwandte vertikale Seitenwand 103 des Verteilerkanals stößt bzw. ggf. in diese übergeht. Zwischen dem Verteilerkanal 13 oder der vertikalen Seitenwand 103 und dem Leitelement 101 kann jedoch auch eine entlang der Längsachse des Mantels 17 bzw. Behälters 2 erstreckte Lücke vorgesehen sein, durch die eine gasförmige Phase 39 des ersten Mediums 4 in den
Abscheideraum A gelangen kann.
Das mindestens eine Leitelement 101 weist insbesondere eine Krümmung oder Neigung auf, derart, dass das mindestens eine Leitelement 101 eine insbesondere konvex gekrümmte erste Seite 101a aufweist, die dem Plattenwärmeübertrager 5 zugewandt ist, sowie eine der ersten Seite 101 a abgewandte zweite Seite 101 b, die insbesondere konkav gekrümmt ist und dem Plattenwärmeübertrager 5 abgewandt bzw. dem Verteiler 13 zugewandt ist. Das mindestens eine Leitelement 101 ist dabei nun so angeordnet, dass zumindest ein Teil der aus dem Verteiler 13 durch die mindestens eine Auslassöffnung 37 austretenden flüssige Phase 38 des ersten Mediums 4 auf die zweite Seite 101 b auftrifft und an dieser entlang von der Oberseite 28 des Plattenwärmeübertragers 5 weggeleitet wird und lateral zum mindestens einen Plattenwärmeübertrager 5 in das Bad eingeleitet wird. Das mindestens eine
Leitelement 101 ist bevorzugt mittels eines Rahmens 102 sowohl am Verteiler 13 als auch am Mantel 17 des Behälters 2 festgelegt.
Schließlich kann die Separiereinheit 8 grundsätzlich in allen Ausführungsformen eine Einrichtung 200 zum Leiten und/oder Kontrollieren der flüssigen Phase 38 im
Aufnahmeraum 7 aufweisen, wie es beispielhaft in Fig. 4 gezeigt ist. Die Einrichtung 200 kann z.B. zumindest ein Leitelement oder Blech 201 zum Umlenken und/oder Abbremsen einer Strömung der flüssigen Phase 38 aufweisen, oder ein Geflecht 202, insbesondere ein Drahtgeflecht, das zum Abbremsen einer Strömung der flüssigen Phase 38 und/oder zur Unterstützung der Agglomeration von Gasbläschen einer mitgerissenen gasförmigen Phase im Aufnahmeraum 7 dient.
Fig. 4 zeigt eine mögliche Ausbildung einer solchen Einrichtung 200, Das Drahtgeflecht ist dabei z.B. im unteren Bereich des Aufnahmeraums 7 angeordnet. Das Leitelement oder Blech 201 erstreckt sich z.B. ausgehend von der ersten Seitenwand 10 oberhalb der Verteilöffnungen 11 in Richtung auf die gegenüberliegende zweite Seitenwand 16 bzw. den Mantel 17. Das Blech 201 verhindert somit, dass sich eine direkte Strömung der flüssigen Phase 38 im Aufnahmeraum 7 in Richtung auf die Verteilöffnungen 11 ausbildet. Es kann natürlich ggf. auch auf die Leiteinrichtung 201 oder das Geflecht 202 verzichtet werden. Die beiden Komponenten 201 , 202 müssen nicht zwingend kombiniert werden. Die Anordnung des Leitelements 201 kann je nach im
Aufnahmeraum 7 vorhandener Strömung variiert werden. Ziel ist es insbesondere, einen direkten Durchfluss der flüssigen Phase 38 zu den Verteilöffnungen 1 1 zu unterdrücken.
Mit dem hier vorgeschlagenen Wärmeübertrager 1 kann eine gasförmige Phase 39 des ersten Mediums 4 weitestgehend von der flüssigen Phase 38 des ersten Mediums 4 getrennt werden, bevor die flüssigen Phase 38 dem Vorlageraum V zugeführt wird, sowie insbesondere eine bessere Kontrolle und Verteilung der flüssigen Phase 38 des ersten Mediums 4 erreicht werden.
Bezugszeichenliste
1 Wärmeübertrager
2 Behälter
3 Füllhöhe
4 Erstes Medium
4a Zweites Medium
5 Plattenwärmeübertrager
6 Einlass
7 Aufnahmeraum
8 Separiereinheit
Aufnahmeöffnung
10 Erste Seitenwand
11 Verteilöffnung
12 Seitenöffnung
13 Verteiler
14 Verteilerlänge
15 Länge Separiereinheit
16 Zweite Seitenwand
17 Mantel
17a, 17b Böden
19 dritte Seitenwand
0 vierte Seitenwand
1 Verteilerraum
2 Auslassstutzen
3 Vertikale
4 erste Wärmeübertragungspassage
5 zweite Wärmeübertragungspassage
6 Wärmeleitstruktur
7 Auslassöffnung (des Plattenwärmeübertragers) 8 Oberseite
9 Unterseite
30 Einlassöffnung (des Plattenwärmeübertragers)
31 Einlass für zweites Medium 31a Erster Sammler
32 Auslass für zweites Medium
32a Zweiter Sammler
35 Uberlaufwand
36 Auslass bzw. Flüssigkeitsauslass
37 Auslassöffnungen bzw. Durchgangsöffnungen des Verteilers
38 Flüssige Phase des ersten Mediums
39 Gasförmige Phase des ersten Mediums
100 Leiteinrichtung
101 Leitelement
101a Erste Seite
101 b Zweite Seite
102 Rahmen
103 Seitenwand des Verteilers
200 Einrichtung zum Leiten/Kontrollieren der flüssigen Phase in der
Separiereinheit
201 Leitelement (z.B. Blech)
202 Geflecht
A Abscheideraum
I Innenraum bzw. Mantelraum
R Erste Raumrichtung
R' Zweite Raumrichtung
V Vorlageraum

Claims

Patentansprüche
1. Wärmeübertrager (1) zum indirekten Übertragen von Wärme zwischen einem
ersten Medium (4) und einem zweiten Medium (4a), mit:
- einem Behälter (2), der einen Innenraum (I) zur Aufnahme des zweiphasigen ersten Mediums (4) aufweist,
- einem im Innenraum (I) angeordneten Plattenwärmeübertrager (5) zur
indirekten Wärmeübertragung zwischen dem ersten Medium (4) und dem zweiten Medium (4a), wobei der Innenraum (I) dazu ausgebildet ist, das erste Medium (4) mit einer Füllhöhe (3) aufzunehmen, derart, dass eine flüssige Phase (38) des ersten Mediums (4) ein den Plattenwärmeübertrager (5) umgebendes Bad ausbildet, und
- einem Einlass (6) zum Einleiten des ersten Mediums (4) in den Innenraum (I), dadurch gekennzeichnet, dass
eine einen Aufnahmeraum (7) bildende Separiereinheit (8) zum Separieren der gasförmigen Phase (39) von der flüssigen Phase (38) des ersten Mediums (4) im Innenraum (I) vorgesehen ist, wobei die Separiereinheit (8) zumindest eine nach oben gerichtete Aufnahmeöffnung (9) zum Einleiten von im Innenraum (I) herabfallendem erstem Medium (4) in den Aufnahmeraum (7) aufweist, wobei die nach oben gerichtete Aufnahmeöffnung (9) oberhalb der Füllhöhe (3) oder auf Füllhöhe (3) angeordnet ist, so dass die im Aufnahmeraum (7) aufgenommene gasförmige Phase des ersten Mediums (4) über die Aufnahmeöffnung (9) in den Innenraum (I) entweichen kann, und wobei ein Verteiler (13) im Innenraum (I) vorgesehen ist, welcher mit dem Einlass (6) in Strömungsverbindung steht und entlang der Vertikalen oberhalb der Aufnahmeöffnung (9) sowie oberhalb der Füllhöhe (3) angeordnet ist, wobei der Verteiler (13) dazu ausgebildet ist, das erste Medium (4) auf die Aufnahmeöffnung (9) zu verteilen.
2. Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Separiereinheit (8) eine erste Seitenwand (10) aufweist, die insbesondere dem Innenraum (I) zugewandt ist.
3. Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Seitenwand (10) zumindest eine Verteilöffnung (11 ) aufweist, wobei die
mindestens eine Verteilöffnung (11) zumindest teilweise unterhalb der Füllhöhe (3) angeordnet ist, so dass die flüssige Phase (38) des ersten Mediums (4) über die mindestens eine Verteil Öffnung (11) in das den Plattenwärmeübertrager (5) umgebende Bad einleitbar ist.
Wärmeübertrager (1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Seitenwand (10) als Überlaufwand ausgebildet ist.
Wärmeübertrager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteiler (13) zum Verteilen des ersten Mediums (4) auf die Aufnahmeöffnung (9) zumindest eine nach unten gerichtete Auslassöffnung (37) sowie insbesondere eine Leiteinrichtung (100) aufweist.
Wärmeübertrager (1 ) nach Anspruch 2 oder einem der Ansprüche 3 bis 5 soweit rückbezogen auf Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Separiereinheit (8) eine der ersten Seitenwand (10) gegenüberliegende zweite Seitenwand (16) aufweist, welche insbesondere durch eine Wandung (17) oder einen Mantel (17) des Behälters (2) gebildet ist.
Wärmeübertrager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Separiereinheit (8) eine dritte Seitenwand (19) und eine der dritten Seitenwand (19) gegenüberliegende vierte Seitenwand (20) aufweist, wobei die dritte und die vierte Seitenwand (19, 20) jeweils die erste und die zweite Seitenwand (10, 16) miteinander verbinden und insbesondere im Einbau senkrecht angeordnet sind, und wobei insbesondere die dritte und/oder die vierte
Seitenwand (19, 20) jeweils als eine Überlaufwand ausgebildet ist.
Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte und die vierte Seitenwand (19,20) jeweils zumindest eine Seitenöffnung (12) zum Auslassen der flüssigen Phase (38) des ersten Mediums (4) aufweisen, wobei insbesondere die jeweilige mindestens eine Seitenöffnung (12) als Kreisloch ausgebildet ist.
Wärmeübertrager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass die Separiereinheit (8) an ihren beiden Stirnseiten offen ist.
10. Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 2 oder einem der Ansprüche 3 bis 9 soweit rückbezogen auf Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste
Seitenwand (10) zum Plattenwärmeübertrager (5) hin geneigt ist und mit der Vertikalen einen Winkel im Bereich von 15° bis 75°, insbesondere 45°, einschließt.
11. Wärmeübertrager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Plattenwärmeübertrager (5) erste
Wärmeübertragungspassagen (24) für das erste Medium (4) und zweite
Wärmeübertragungspassagen (25) für das zweite Medium aufweist, wobei die Wärmeübertragungspassagen (24,25) durch Trennplatten voneinander getrennt sind, wobei insbesondere in den ersten und zweiten Wärmeübertragungspassagen (24, 25) Wärmeleitstrukturen angeordnet sind (26), und wobei insbesondere der Plattenwärmeübertrager (5) an einer Oberseite (28) des Plattenwärmeübertragers Auslassöffnungen (27) sowie an einer Unterseite (29) des
Plattenwärmeübertragers (5) Einlassöffnungen (30) aufweist, so dass eine den
Plattenwärmeübertrager (5) umgebende flüssige Phase (38) des ersten Mediums (4) über jene Einlassöffnungen (30) in die ersten Wärmeübertragungspassagen (24) gelangen und in diesen aufsteigen kann sowie aus den Auslassöffnungen (27) wieder austreten kann.
12. Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 5 oder einem der Ansprüche 6 bis 11 soweit rückbezogen auf Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die
Wärmeübertrager (1) eine unterhalb des Verteilers (13) angeordnete
Leiteinrichtung ( 00) aufweist, die zum Leiten der aus der mindestens einen Auslassöffnung (37) austretenden flüssigen Phase (38) des ersten Mediums (4) ausgebildet ist.
13. Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die
Leiteinrichtung (100) dazu ausgebildet ist, zumindest einen Teil der in einer ersten Raumrichtung (R) aus der mindestens einen Auslassöffnung (37) ausgetretenen flüssigen Phase (38) in eine zweite Raumrichtung (R') zu leiten, wobei
insbesondere die zweite Raumrichtung (R') sich von der ersten Raumrichtung (R) unterscheidet, und wobei insbesondere die zweite Raumrichtung (R') eine größere horizontale Komponente aufweist als die erste Raumrichtung (R), und wobei insbesondere die erste Raumrichtung (R) entlang der Vertikalen von oben nach unten verläuft.
14. Wärmeübertrager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Aufnahmeraum (7) der Separiereinheit eine Einrichtung (200) zum Leiten und/oder Kontrollieren der flüssigen Phase (38) im
Aufnahmeraum (7) vorgesehen ist, wobei die Einrichtung (200) insbesondere zumindest eines der folgenden Elemente aufweist: ein Leitelement (201), insbesondere in Form eines Blechs, zum Umlenken und/oder Abbremsen einer Strömung der flüssigen Phase (38), ein Geflecht (202), insbesondere ein
Drahtgeflecht, zum Abbremsen einer Strömung der flüssigen Phase (38) und/oder zur Unterstützung der Agglomeration von Gasbläschen einer mitgerissenen gasförmigen Phase.
15. Wärmeübertrager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass sich die Separiereinheit (8) über mehr als die Hälfte der Länge eines Mantels (17) des Behälters (2) im Innenraum (I) des
Wärmeübertragers (1 ) erstreckt, bevorzugt über mehr als 80% dieser Länge, weiterhin bevorzugt über mehr als 90% dieser Länge.
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