WO2017167458A1 - Gewickelter wärmeübertrager - Google Patents
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- WO2017167458A1 WO2017167458A1 PCT/EP2017/025070 EP2017025070W WO2017167458A1 WO 2017167458 A1 WO2017167458 A1 WO 2017167458A1 EP 2017025070 W EP2017025070 W EP 2017025070W WO 2017167458 A1 WO2017167458 A1 WO 2017167458A1
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- F25J2290/32—Details on header or distribution passages of heat exchangers, e.g. of reboiler-condenser or plate heat exchangers
Definitions
- the invention relates to a heat exchanger according to claim 1.
- Such a heat exchanger is used for indirect heat exchange between at least a first medium, which is guided in a tube bundle of the heat exchanger and a second medium which is guided in a surrounding the tube bundle shell space, by a pressure-bearing jacket of the
- Heat exchanger is limited.
- the two-phase entering refrigerant is usually separated in a pre-manifold of the heat exchanger by gravity in a gaseous phase and a liquid phase and then passed the liquid phase in a main manifold and abandoned by this (as a second medium) on the tube bundle ,
- the liquid phase from the pre-distributor passed through a central core tube of the heat exchanger in the main distributor.
- the present invention is therefore based on the object of providing a heat exchanger and a corresponding method for distributing a liquid phase, which reduces the problems mentioned above. This object is achieved by a heat exchanger with the features of claim 1.
- Advantageous embodiments of the invention are specified in the corresponding subclaims.
- a heat exchanger comprising:
- a pre-distributor for receiving a liquid phase to be distributed to a tube bundle of the heat exchanger
- a core tube extended along a longitudinal axis, on which a plurality of tubes is wound, which form the tube bundle
- a main distributor a plurality of projecting from the core tube
- Distributor arms for distributing that liquid to the tube bundle, wherein the distributor arms are in fluid communication with the pre-distributor via a flow path in the core tube, so that the liquid phase from the predistributor can be fed via the flow path into distributor arms of the main distributor,
- a plurality or all of the distributor arms are in fluid communication with the predistributor via at least one downpipe extending along the longitudinal axis, so that the distributing liquid phase can also be fed via the respective downpipe from the distributor in the respective distributor arm.
- the free cross section for draining the liquid phase can advantageously be increased in such a way that degassing of the liquid phase is possible.
- the heat exchanger has a jacket extending along the longitudinal axis, which extends coaxially to the core tube, wherein the jacket a
- Enclosing space surrounds, in which the pre-distributor, the main distributor, the tube bundle and the core tube and the at least one drop tube are arranged.
- the jacket space further serves to receive the liquid phase (second medium) to be distributed to the tube bundle.
- the at least one downpipe or the downpipes extend in the radial direction of the jacket in each case further outward than the core tube in the jacket space along the longitudinal axis.
- the downpipes are therefore arranged in particular around the core tube and run largely or in sections parallel to the core tube or parallel to the longitudinal axis of the jacket.
- the at least one downpipe or the downpipes each open from above into a roof of the associated distribution arm, wherein the respective roof limits the respective distributor arm upwards.
- the respective distributor arm starting from the core tube in the radial direction of the jacket outwardly to a the
- Main distributor extends facing inside of the shell.
- Heat exchanger provided that between each two adjacent distributor arms, there is a gap through which, for example, tubes of the tube bundle are guided along the longitudinal axis of the shell upwards and then open above the main distributor or above the distribution arms of the main distributor in the jacket provided on the neck.
- the respective distributor arm has a bottom extending perpendicular to the longitudinal axis with a plurality of outlet openings, via which the liquid phase can be applied to the tube bundle arranged below the respective distributor arm.
- the respective distributor arm preferably has two lateral walls which extend in the radial direction of the jacket and which each extend upwards from the bottom of the respective distributor arm in the direction of the longitudinal axis of the jacket, the lateral walls of the respective distributor arm pointing in the radial direction of the jacket towards the inside of the jacket diverge, so that the respective distributor arm has a circular sector-shaped or pie-shaped cross-section substantially perpendicular to the longitudinal axis.
- the respective distributor arm preferably has an end wall connecting the two lateral walls of the respective distributor arm and extending upwards along the longitudinal axis from the bottom of the respective distributor arm, the front wall of the respective distributor arm facing the inside of the jacket in the radial direction of the jacket ,
- the said roof of the respective distributor arm preferably adjoins the said lateral side walls and the front wall of the respective distributor arm at the top. It is preferably provided that the roof of the respective Verteilerarms in the radial direction of the shell towards the outside, ie towards the inside of the shell down, falls off.
- a distributor arm a plurality of distributor arms or all distributor arms to be in fluid communication with the predistributor via a plurality of downcomers along the longitudinal axis, so that the liquid phase to be distributed in addition to the flow path in the core tube respective downpipes from the pre-distributor in the respective distributor arm can be fed.
- the level of the liquid phase in the pre-distributor is above the inlet openings of the downpipes provided in or at the bottom of the pre-distributor, so that the liquid phase in the
- Tube bundle eliminated with the associated problems during startup.
- Heat exchanger provided that the pre-distributor has a perpendicular to the longitudinal axis bottom, wherein the bottom has a central opening through which the bottom in flow communication with the surrounding of the core tube
- Flow path is.
- Said central opening in the bottom of the pre-distributor is preferably arranged below a baffle plate provided in the pre-distributor.
- Heat exchanger provided that the pre-distributor is in fluid communication with the respective downpipe via a respective provided in or at the bottom inlet opening of the respective downpipe, wherein the inlet openings are arranged around the central opening.
- one or more weirs may be provided on the floor of the predistributor or protrude upwards from the floor in the direction of the longitudinal axis, wherein the liquid phase defined on the floor can be stowed by means of the weirs.
- the individual downpipes can be charged, for example, depending on the level of the liquid phase in the pre-distributor with the liquid phase.
- the supply of the main distributor for starting the heat exchanger can be optimally adjusted optimally, for example, by different weir heights at the side downpipes and central inlet to the core tube or flow path.
- Heat exchanger provided that the heat exchanger has a supply line which is in flow connection with the pre-distributor, having an outlet opening which is arranged along the longitudinal axis above the baffle plate (eg in the form of a baffle plate) of the pre-distributor and this particular faces, so that one of Outlet opening of the supply line flowing two-phase mixture hits the baffle plate and flows from this to the bottom of the pre-distributor.
- the baffle plate eg in the form of a baffle plate
- Heat exchanger provided that the core tube of the heat exchanger is configured to receive the load of the tubes of the tube bundle. These are preferably helically wound in several layers on the core tube for this purpose. Between the individual pipe layers, spacer webs are preferably provided, which are e.g. can run along the longitudinal axis. For introducing and discharging media, the tubes can be grouped together, which open into provided on the jacket nozzle.
- a method for distributing a liquid phase to a tube bundle of a heat exchanger according to claim 13 is disclosed. Thereafter, a method for distributing a liquid phase to a tube bundle of a wound heat exchanger is proposed, which uses in particular a heat exchanger according to the invention or herein described, wherein a two-phase mixture having a liquid phase and a gaseous phase is placed in a pre-distributor, so that the two-phase mixture is calmed and outgas at least a portion of the gaseous phase of the two-phase mixture can, wherein the liquid phase is passed via a flow path guided in a core tube of the heat exchanger in a plurality of distributor arms of a main distributor of the heat exchanger and from there to a tube bundle having a plurality of tubes wound on the core tube, and wherein the liquid Phase from the pre-distributor in addition to at least one along a
- Longitudinally extending downpipe is directed into a distribution arm of the main distributor, wherein the downpipe extends outside of the core tube.
- Drop pipe are in flow communication with the pre-distributor, wherein the liquid phase to be distributed is also fed via the respective downpipe from the pre-distributor into the respective distributor arm.
- the pre-distributor with a distributor arm, a plurality of distributor arms or all distributor arms of the main distributor via a plurality of downcomers in
- Flow connection is, wherein the liquid phase from the pre-distributor is additionally passed through the respective plurality of downcomers in the respective distribution arm.
- the downpipes are arranged in the radial direction of the jacket further out than the central core tube.
- the downpipes are thus grouped around the core tube and extend along the
- a further embodiment of the method according to the invention provides that the liquid phase is dammed up defined on the ground, so that the individual
- Downpipes e.g. be charged depending on the level of the liquid phase in the pre-distributor with the liquid phase.
- the supply of the main distributor with liquid phase for the startup of the heat exchanger can be targeted optimally adjusted (see also above).
- the invention advantageously makes it possible to increase the free cross section for running off the liquid phase, so that degassing of the liquid is possible.
- a submerged operation of the downpipes is possible, with the additional advantage of conducting liquid phase without Gasmitriss down. Due to the fact that the additional downspouts are seen radially in the outside
- the supply of the main distributor for the start can be optimally set optimally.
- Fig. 1 is a schematic, sectional view of an inventive
- Fig. 2 is a schematic plan view of the bottoms of the distributor arms of
- Main distributor of the heat exchanger shown in FIG. FIG. 1 shows, in connection with FIG. 2, a wound heat exchanger 1 with a tube bundle 2 which serves to receive a first medium S which is to undergo indirect heat exchange with a liquid phase F driven in a jacket space 5 surrounding the tube bundle 2.
- the shell space 5 is bounded by a pressure-bearing jacket 4, which extends along a longitudinal or
- Cylinder axis Z extends, which is aligned parallel to the vertical.
- the tube bundle 2 has a plurality of tubes 20, each of which is helically wound on a core tube 3 which is elongated along the longitudinal axis Z and which is arranged coaxially with the jacket 4 in the jacket space 5.
- a core tube 3 which is elongated along the longitudinal axis Z and which is arranged coaxially with the jacket 4 in the jacket space 5.
- the predistributor 100 has a bottom 101 extending transversely to the longitudinal axis Z and a circumferential lateral wall 102 which extends therefrom.
- the supply line 104 further has a downward-pointing outlet opening 105, which is opposite to a baffle plate 103, which is arranged above the bottom 101 of the pre-distributor 100 in the pre-distributor 100.
- the bottom 101 of the pre-distributor 100 further has a central opening 106, through which the liquid phase F can flow into the core tube 3, which is in flow communication with the opening 106.
- the liquid phase F can be guided in a tube arranged in the core tube 3 or in the core tube 3 itself.
- a flow path 30 is present in the core tube 3, via which the liquid phase F from the pre-distributor 100 in below the bottom 101 of Pre-distributor 100 provided distributor arms 201 can be guided, which in each case in a radial direction R depart from the core tube 3 and thereby extend to an inner side 4a of the shell 4.
- the distributor arms 201 form a main distributor 200 of the
- Heat exchanger 1 the task of which is to distribute the liquid phase F from above onto the tube bundle 2.
- the distributor arms 201 each have a bottom 202 extending transversely to the longitudinal axis Z, in which a multiplicity of outlet openings 207 are provided, through which the liquid phase F can flow down from above onto the tube bundle 2, which extends along the longitudinal axis Z below the distributor arms 201 is arranged.
- the distributor arms 201 further each have two lateral, each other
- the distributor arms 201 therefore each have, in particular, a cake piece-like shape.
- the lateral walls 204, 205 and the frontal wall 206 of the respective Verteilerarmes 201 go further from the bottom 202 of the respective distribution arm 201 along the longitudinal axis Z upwards and each connect to a roof 203 of the respective distribution arm 201, which decreases from the core tube 3, starting to the inside 4a of the shell 4, so that the in the distributor arms 201 entrained gaseous phase G can rise along the roofs 203 to the core tube 3 out.
- a gap 6 is preferably still present, through which tubes 20 of the tube bundle 2 to the
- Distributor arms 201 passing along the longitudinal axis Z can be guided upwards.
- Main distributor 200 to increase upward is provided according to the invention that preferably each, but at least one or more of the distributor arms 201 via at least one along the longitudinal axis Z extending downpipe 10 with the pre-distributor 100 is in flow communication or is, so that the liquid to be distributed Phase F can also get over the respective downpipe 10 from the pre-distributor 100 in the respective distributor arm 201.
- each distribution arm 201 According to one embodiment of the invention, be connected via a downpipe 10 with the pre-distributor 201 exactly.
- a plurality of downpipes 10 may be present (shown in the figure 1 by dashed lines), which then possibly have a smaller inner diameter to represent the required free cross-section.
- the downpipes 10 are in each case flow-connected to the pre-distributor 100 via an inlet opening 11 provided on the bottom 101 of the predistributor 100 and preferably open into the roof 203 from above via an outlet opening 12 of the respectively associated distributor arm 201.
- the downpipes 10 preferably run parallel to the core tube 3 between the predistributor 100 and the associated distributor arm 201.
- the downpipes 10 may also have an inclination with respect to the longitudinal axis Z or a deviation from a linear or parallel profile.
- the inlet openings 1 1 are surrounded by the downpipes 10 of weirs 13, above whose height above the bottom 101, the feed of the liquid phase F to the main manifold 200 can be controlled. This can be particularly advantageous when starting the system (see above).
- the liquid phase F can now also be supplied to the main distributor 200 via the downpipes 10.
- the free cross-section is increased for the ascending gaseous phase G, so that this advantageously hinders the downflowing liquid phase F less.
- Conventional heat exchanger can be easily retrofitted with the downpipes 10 according to the invention if necessary.
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Wärmeübertrager (1), mit: einem Vorverteiler (100) zur Aufnahme einer auf ein Rohrbündel (2) des Wärmeübertrager zu (1) zu verteilenden flüssigen Phase (F), einem entlang einer Längsachse (Z) erstreckten Kernrohr (3), auf das eine Mehrzahl an Rohren (20) gewickelt ist, die das Rohrbündel (2) bilden, einem Hauptverteiler (200), der eine Mehrzahl an vom Kernrohr (3) abragenden Verteilerarmen (201) zum Verteilen jener flüssigen Phase (F) auf das Rohrbündel (2) aufweist, wobei die Verteilerarme (201) über einen im Kernrohr (3) verlaufenden Strömungspfad (30) mit dem Vorverteiler (100) in Strömungsverbindung stehen, so dass die flüssige Phase (F) aus dem Vorverteiler (100) über den Strömungspfad (30) in die Verteilerarme (201) des Hauptverteilers (200) einspeisbar ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass einer, mehrere oder alle Verteilerarme (201) jeweils über zumindest ein entlang der Längsachse erstrecktes Fallrohr (10), das außerhalb des Kernrohrs (3) verläuft, mit dem Vorverteiler (100) in Strömungsverbindung stehen, so dass die zu verteilende flüssige Phase (F) auch über das jeweilige Fallrohr (10) vom Vorverteiler (100) in den jeweiligen Verteilerarm (201) einspeisbar ist.
Description
Beschreibung
Gewickelter Wärmeübertrager
Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager gemäß Anspruch 1 .
Ein derartiger Wärmeübertrager dient zum indirekten Wärmetausch zwischen zumindest einem ersten Medium, das in einem Rohrbündel des Wärmetauschers geführt wird und einem zweiten Medium, das in einem das Rohrbündel umgebenden Mantelraum geführt wird, der durch einen drucktragenden Mantel des
Wärmeübertragers begrenzt wird.
Bei solchen Wärmeübertragern, z.B. in LNG-Anlagen, wird in der Regel das zweiphasig eintretende Kältemittel in einem Vorverteiler des Wärmeübertragers mittels Schwerkraftabscheidung in eine gasförmige Phase und eine flüssige Phase getrennt und sodann die flüssige Phase in einen Hauptverteiler geführt und von diesem (als zweites Medium) auf des Rohrbündel aufgegeben.
Hierbei wird z.B. die flüssige Phase aus dem Vorverteiler über ein zentrales Kernrohr des Wärmeübertragers in den Hauptverteiler geleitet.
Beim Herabstürzen der flüssigen Phase vom Vorverteiler in das zentrale Kernrohr wird jedoch Gas mitgerissen, wobei es aus konstruktiven Gründen oftmals nicht möglich ist, den Durchmesser des Kernrohrs so groß zu dimensionieren, dass das rückströmende Gas an der neu einströmenden flüssigen Phase vorbei nach oben entweichen kann.
Die solchermaßen am Ausströmen gehinderte gasförmige Phase behindert ihrerseits wiederum die neu einströmende flüssige Phase, wodurch eine Zweiphasenströmung entsteht, die eine ordnungsgemäße Einströmung der flüssigen Phase in die
Verteilarme des Hauptverteilers behindert und somit in den Verteilerarmen die gleichmäßige Verteilung der flüssigen Phase auf das Rohrbündel stört. Diese Effekte vermindern signifikant die Leistung des Wärmeübertragers.
Insbesondere bei bestehenden Anlagen, für welche eine Kapazitätserhöhung durchgeführt werden soll, stellt dies ein ernsthaftes Problem dar, da hier regelmäßig keine nachträgliche Vergrößerung des Kernrohrdurchmessers möglich ist. Hiervon ausgehend liegt daher der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeübertrager sowie ein entsprechendes Verfahren zum Verteilen einer flüssigen Phase bereitzustellen, der bzw. das die eingangs genannten Probleme mindert. Diese Aufgabe wird durch einen Wärmeübertrager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den entsprechenden Unteransprüchen angegeben.
Gemäß Anspruch 1 ist ein Wärmeübertrager vorgesehen, mit:
- einem Vorverteiler zur Aufnahme einer auf ein Rohrbündel des Wärmeübertragers zu verteilenden flüssigen Phase,
- einem entlang einer Längsachse erstreckten Kernrohr, auf das eine Mehrzahl an Rohren gewickelt ist, die das Rohrbündel bilden,
- einem Hauptverteiler, der eine Mehrzahl an vom Kernrohr abragenden
Verteilerarmen zum Verteilen jener Flüssigkeit auf das Rohrbündel aufweist, wobei die Verteilerarme über einen im Kernrohr verlaufenden Strömungspfad mit dem Vorverteiler in Strömungsverbindung stehen, so dass die flüssige Phase aus dem Vorverteiler über den Strömungspfad in Verteilerarme des Hauptverteilers einspeisbar ist,
- wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass zumindest einer der Verteilerarme über zumindest ein entlang der Längsachse erstrecktes Fallrohr, das außerhalb des Kernrohres verläuft, mit dem Vorverteiler in Strömungsverbindung steht, so dass die zu verteilende flüssige Phase auch über das besagte mindestens eine Fallrohr vom Vorverteiler in den mindestens einen Verteilerarm einspeisbar ist.
Gemäß einer Ausführungsform kann weiterhin vorgesehen sein, dass mehrere oder alle Verteilerarme jeweils über zumindest ein entlang der Längsachse erstrecktes Fallrohr mit dem Vorverteiler in Strömungsverbindung stehen, so dass die zu
verteilende flüssige Phase auch über das jeweilige Fallrohr vom Vorverteiler in den jeweiligen Verteilerarm einspeisbar ist.
Durch den Einbau von zusätzlichen Fallrohren, die auch als Downcomer bezeichnet werden, kann mit Vorteil der freie Querschnitt zum Ablaufen der flüssigen Phase derart erhöht werden, dass ein Entgasen der flüssigen Phase möglich ist.
Weiterhin kann mittels der Erfindung eine Überversorgung der inneren Lagen des Rohrbündels beim Anfahren der Anlage vermieden werden, da sich durch die zusätzlichen Fallrohre die flüssige Phase radial weiter außen verteilen lässt. Hierdurch können typische thermo-hydraulischen Probleme beim Anfahren der Anlage vermieden werden, was die üblicherweise beim Anfahren abzufackelnde Gasmenge in LNG- Anlagen verringert. Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers ist vorgesehen, dass der Wärmeübertrager einen entlang der Längsachse erstreckten Mantel aufweist, der koaxial zum Kernrohr verläuft, wobei der Mantel einen
Mantelraum umgibt, in dem der Vorverteiler, der Hauptverteiler, das Rohrbündel sowie das Kernrohr und das mindestens eine Fallrohr angeordnet sind. Der Mantelraum dient des Weiteren zum Aufnehmen der auf das Rohrbündel zu verteilenden flüssigen Phase (zweites Medium).
Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers vorgesehen, dass das mindestens eine Fallrohr oder die Fallrohre in radialer Richtung des Mantels jeweils weiter außen als das Kernrohr im Mantelraum entlang der Längsachse verlaufen. Die Fallrohre sind also insbesondere um das Kernrohr herum angeordnet und verlaufen größtenteils oder abschnittsweise parallel zum Kernrohr bzw. parallel zur Längsachse des Mantels. Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers vorgesehen, dass das mindestens eine Fallrohr oder die Fallrohre jeweils von oben her in ein Dach des zugeordneten Verteilerarmes einmünden, wobei das jeweilige Dach den betreffenden Verteilerarm nach oben hin begrenzt.
Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers vorgesehen, dass sich der jeweilige Verteilerarm vom Kernrohr ausgehend in radialer Richtung des Mantels nach außen hin zu einer dem
Hauptverteiler zugewandten Innenseite des Mantels erstreckt.
Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Wärmeübertragers vorgesehen, dass zwischen je zwei benachbarten Verteilerarmen eine Lücke vorhanden ist, durch die hindurch zum Beispiel Rohre des Rohrbündel entlang der Längsachse des Mantels nach oben geführt sind und dann oberhalb des Hauptverteilers bzw. oberhalb der Verteilerarme des Hauptverteilers in am Mantel vorgesehene Stutzen münden.
Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers vorgesehen, dass der jeweilige Verteilerarm einen senkrecht zur Längsachse verlaufenden Boden mit einer Mehrzahl an Auslassöffnungen aufweist, über die die flüssige Phase auf das unter dem jeweiligen Verteilerarm angeordnete Rohrbündel aufgebbar ist.
Vorzugsweise weist der jeweilige Verteilerarm zwei in radialer Richtung des Mantels erstreckte laterale Wände auf, die jeweils vom Boden des jeweiligen Verteilerarms in Richtung der Längsachse des Mantels nach oben abgehen, wobei die lateralen Wände des jeweiligen Verteilerarms in radialer Richtung des Mantels zur Innenseite des Mantels hin auseinanderlaufen, so dass der jeweilige Verteilerarm im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse einen kreissektorförmigen oder tortenstückförmigen Querschnitt aufweist.
Weiterhin weist der jeweilige Verteilerarm bevorzugt eine die beiden lateralen Wände des jeweiligen Verteilerarms verbindende, stirnseitige Wand auf, die entlang der Längsachse vom Boden des jeweiligen Verteilerarms nach oben abgeht, wobei die stirnseitige Wand des jeweiligen Verteilerarmes der Innenseite des Mantels in radialer Richtung des Mantels gegenüberliegt.
An die besagten lateralen Seitenwände sowie an die stirnseitige Wand des jeweiligen Verteilerarms schließt sich nach oben hin bevorzugt das besagte Dach des jeweiligen Verteilerarms an. Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Dach des jeweiligen
Verteilerarms in radialer Richtung des Mantels nach außen hin, d.h. zur Innenseite des Mantels hin, abfällt.
Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass ein Verteilerarm, mehrere Verteilerarme oder alle Verteilarme über jeweils eine Mehrzahl an entlang der Längsachse erstreckten Fallrohren mit dem Vorverteiler in Strömungsverbindung steht, so dass die zu verteilende flüssige Phase zusätzlich zum Strömungspfad im Kernrohr über die jeweiligen Fallrohre vom Vorverteiler in den jeweiligen Verteilerarm einspeisbar ist.
Insbesondere für den Fall, dass pro Verteilerarm mehrere Fallrohre verwendet werden, können diese hinsichtlich ihres Innendurchmessers so ausgestaltet werden, dass eine abgetauchte Betriebsweise der Fallrohre möglich wird. Hierbei steht der Pegel der flüssigen Phase im Vorverteiler oberhalb der im bzw. am Boden des Vorverteilers vorgesehen Einlassöffnungen der Fallrohre, so dass die flüssige Phase im
Wesentlichen ohne Gasmittriss in den Fallrohren nach unten zu den Verteilerarmen des Hauptverteilers leitbar ist.
Durch die Tatsache, dass die zusätzlichen Fallrohre radial gesehen weiter außen in die Hauptverteilerarme eintreten, ist eine Überversorgung der inneren Lagen des
Rohrbündels mit den damit einhergehenden Problemen beim Anfahren beseitigt.
Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Wärmeübertragers vorgesehen, dass der Vorverteiler einen senkrecht zur Längsachse verlaufenden Boden aufweist, wobei der Boden eine zentrale Öffnung aufweist, über die der Boden in Strömungsverbindung mit dem vom Kernrohr umgebenden
Strömungspfad steht. Die besagte zentrale Öffnung im Boden des Vorverteilers ist vorzugsweise unterhalb einer im Vorverteiler vorgesehenen Prallplatte angeordnet. Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Wärmeübertragers vorgesehen, dass der Vorverteiler über je eine im oder am Boden vorgesehene Einlassöffnung des jeweiligen Fallrohres mit dem jeweiligen Fallrohr in Strömungsverbindung steht, wobei die Einlassöffnungen um die zentrale Öffnung herum angeordnet sind.
Weiterhin können auf dem Boden des Vorverteilers ein oder mehrere Wehre vorgesehen sein bzw. vom Boden in Richtung der Längsachse nach oben abragen, wobei mittels der Wehre die flüssige Phase auf dem Boden definiert aufstaubar ist. Hierdurch können die einzelnen Fallrohre z.B. abhängig vom Pegel der flüssigen Phase im Vorverteiler mit der flüssigen Phase beschickt werden. Somit kann z.B. durch unterschiedliche Wehrhöhen bei seitlichen Fallrohren und zentralem Zulauf zum Kernrohr bzw. Strömungspfad die Versorgung des Hauptverteilers für das Anfahren des Wärmeübertragers gezielt optimal eingestellt werden. Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Wärmeübertragers vorgesehen, dass der Wärmeübertrager eine mit dem Vorverteiler in Strömungsverbindung stehende Zuleitung aufweist, die eine Auslassöffnung aufweist, die entlang der Längsachse oberhalb der Prallplatte (z.B. in Form eines Prallblechs) des Vorverteilers angeordnet ist und dieser insbesondere zugewandt ist, so dass ein aus der Auslassöffnung der Zuleitung ausströmendes Zweiphasengemisch auf die Prallplatte trifft und von dieser auf den Boden des Vorverteilers abfließt.
Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Wärmeübertragers vorgesehen, dass das Kernrohr des Wärmeübertragers dazu konfiguriert ist, die Last der Rohre des Rohrbündels aufzunehmen. Diese sind hierzu vorzugsweise helikal in mehreren Lagen auf das Kernrohr gewickelt. Zwischen den einzelnen Rohrlagen sind bevorzugt Abstandsstege vorgesehen, die z.B. entlang der Längsachse verlaufen können. Zum Ein- und Auslassen von Medien können die Rohre zu Gruppen zusammengefasst sein, die in am Mantel vorgesehene Stutzen münden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Verteilen einer flüssigen Phase auf ein Rohrbündel eines Wärmeübertragers gemäß Anspruch 13 offenbart. Danach wird ein Verfahren zum Verteilen einer flüssigen Phase auf ein Rohrbündel eines gewickelten Wärmeübertragers vorgeschlagen, das insbesondere einen erfindungsgemäßen bzw. hierin beschriebenen Wärmeübertrager verwendet, wobei ein Zweiphasengemisch aufweisend eine flüssige Phase sowie eine gasförmige Phase in einen Vorverteiler gegeben wird, so dass das zweiphasige Gemisch beruhigt wird und zumindest ein Teil der gasförmigen Phase aus dem zweiphasigen Gemisch ausgasen
kann, wobei die flüssige Phase über einen in einem Kernrohr des Wärmeübertragers geführten Strömungspfad in eine Mehrzahl an Verteilerarmen eines Hauptverteilers des Wärmeübertragers geleitet wird und von dort auf ein Rohrbündel gegeben wird, das eine Mehrzahl von auf das Kernrohr gewickelten Rohren aufweist, und wobei die flüssige Phase aus dem Vorverteiler zusätzlich über zumindest ein entlang einer
Längsachse erstrecktes Fallrohr in einen Verteilerarm des Hauptverteilers geleitet wird, wobei das Fallrohr außerhalb des Kernrohres verläuft.
Gemäß einer Ausführungsform kann weiterhin vorgesehen sein, dass mehrere oder alle Verteilerarme jeweils über zumindest ein entlang der Längsachse erstrecktes
Fallrohr mit dem Vorverteiler in Strömungsverbindung stehen, wobei die zu verteilende flüssige Phase auch über das jeweilige Fallrohr vom Vorverteiler in den jeweiligen Verteilerarm eingespeist wird. Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der Vorverteiler mit einem Verteilerarm, mehreren Verteilerarmen oder allen Verteilerarmen des Hauptverteilers über jeweils eine Mehrzahl an Fallrohren in
Strömungsverbindung steht, wobei die flüssige Phase aus dem Vorverteiler zusätzlich über die jeweilige Mehrzahl an Fallrohren in den jeweiligen Verteilerarm geleitet wird.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Fallrohre in radialer Richtung des Mantels weiter außen angeordnet sind als das zentrale Kernrohr. Die Fallrohre sind also um das Kernrohr herum gruppiert und erstrecken sich dabei entlang der
Längsachse des Mantels.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die flüssige Phase auf dem Boden definiert aufgestaut wird, so dass die einzelnen
Fallrohre z.B. abhängig vom Pegel der flüssigen Phase im Vorverteiler mit der flüssigen Phase beschickt werden. Somit kann die Versorgung des Hauptverteilers mit flüssiger Phase für das Anfahren des Wärmeübertragers gezielt optimal eingestellt werden (siehe auch oben).
Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform vorgesehen, dass die Fallrohre
(insbesondere wenn mehrere Fallrohre pro Verteilerarm verwendet werden) abgetaucht betrieben werden. D.h. die Einlassöffnungen zu den Fallrohren liegen
unterhalb des Pegels der flüssigen Phase im Vorverteiler, so dass der Gasmittriss in den Hauptverteiler verringert wird.
Im Ergebnis ermöglicht die Erfindung mit Vorteil eine Erhöhung des freien Querschnitts zum Ablaufen der flüssigen Phase, derart, dass ein Entgasen der Flüssigkeit möglich ist. Insbesondere ist auch eine abgetauchte Betriebsweise der Fallrohre möglich, mit dem zusätzlichen Vorteil, flüssige Phase ohne Gasmitriss nach unten zu leiten. Durch die Tatsache, dass die zusätzlichen Fallrohre radial gesehen außen in die
Hauptverteilerarme eintreten, ist eine Überversorgung der inneren Lagen mit den damit einhergehenden Problemen beim Anfahren beseitigt. Durch unterschiedliche
Wehrhöhen bei seitlichen Fallrohren und zentralem Zulauf kann die Versorgung des Hauptverteilers für das Anfahren gezielt optimal eingestellt werden.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen durch die nachfolgende
Figurenbeschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren erläutert werden.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische, geschnittene Darstellung eines erfindungsgemäßen
Wärmeübertragers; und
Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf die Böden der Verteilerarme des
Hauptverteilers des in der Figur 1 gezeigten Wärmeübertragers. Figur 1 zeigt im Zusammenhang mit der Figur 2 einen gewickelten Wärmeübertrager 1 , mit einem Rohrbündel 2, das zur Aufnahme eines ersten Mediums S dient, das in einen indirekten Wärmeaustausch mit einer in einem das Rohrbündel 2 umgebenden Mantelraum 5 gefahrenen flüssigen Phase F treten soll. Der Mantelraum 5 wird dabei von einem drucktragenden Mantel 4 begrenzt, der sich entlang einer Längs- bzw.
Zylinderachse Z erstreckt, die parallel zur Vertikalen ausgerichtet ist.
Das Rohrbündel 2 weist eine Mehrzahl an Rohren 20 auf, die jeweils helikal auf ein entlang der Längsachse Z längserstrecktes Kernrohr 3 gewickelt sind, das koaxial zum Mantel 4 im Mantelraum 5 angeordnet ist.
Zum Verteilen der flüssigen Phase F auf das Rohrbündel 2 wird zunächst ein
Zweiphasengemisch S' über eine z.B. entlang der Längsachse Z verlaufende Zuleitung 104 von oben her in einen Vorverteiler 100 des Wärmeübertragers 1 geleitet. Der Vorverteiler 100 weist einen quer zur Längsachse Z verlaufenden Boden 101 sowie eine davon abgehende umlaufende laterale Wandung 102 auf. Die Zuleitung 104 weist weiterhin eine nach unten weisende Auslassöffnung 105 auf, die einer Prallplatte 103 gegenüberliegt, die oberhalb des Bodens 101 des Vorverteilers 100 im Vorverteiler 100 angeordnet ist. Das Zweiphasengemisch S' kann von der Prallplatte 103 auf den Boden 101 abfließen und wird dort gesammelt und beruhigt, wobei eine gasförmige Phase G aus dem Zweiphasengemisch S' ausgasen kann.
Der Boden 101 des Vorverteilers 100 weist weiterhin eine zentrale Öffnung 106 auf, über die die flüssige Phase F in das Kernrohr 3 strömen kann, das mit der Öffnung 106 in Strömungsverbindung steht. Die flüssige Phase F kann dabei in einem im Kernrohr 3 angeordneten Rohr geführt werden oder im Kernrohr 3 selbst. Mit anderen Worten ist also im Kernrohr 3 ein Strömungspfad 30 vorhanden, über den die flüssige Phase F aus dem Vorverteiler 100 in unterhalb des Bodens 101 des Vorverteilers 100 vorgesehene Verteilerarme 201 führbar ist, die jeweils in einer radialen Richtung R vom Kernrohr 3 abgehen und sich dabei hin zu einer Innenseite 4a des Mantels 4 erstrecken. Die Verteilerarme 201 bilden einen Hauptverteiler 200 des
Wärmeübertragers 1 , dessen Aufgabe es ist, die flüssige Phase F von oben auf das Rohrbündel 2 zu verteilen.
Hierzu weisen die Verteilerarme 201 gemäß Figur 2 jeweils einen quer zur Längsachse Z erstreckten Boden 202 auf, in dem eine Vielzahl an Auslassöffnungen 207 vorgesehen sind, durch die die flüssige Phase F von oben auf das Rohrbündel 2 herabströmen kann, das entlang der Längsachse Z unterhalb der Verteilerarme 201 angeordnet ist. Die Verteilerarme 201 weisen weiterhin jeweils zwei laterale, einander
gegenüberliegende Wände 204, 205 auf, die zur Innenseite 4a des Mantels 4 hin jeweils auseinanderlaufen und über eine stirnseitige Wand 206, die der Innenseite 4a des Mantels 4 jeweils gegenüberliegt, miteinander verbunden sind. Die Verteilerarme 201 weisen daher entsprechend jeweils insbesondere eine tortenstückartige Form auf. Die lateralen Wände 204, 205 sowie die stirnseitige Wand 206 des jeweiligen
Verteilerarmes 201 gehen des Weiteren vom Boden 202 des jeweiligen Verteilerarmes 201 entlang der Längsachse Z nach oben ab und schließen jeweils an ein Dach 203 des jeweiligen Verteilerarmes 201 an, das vom Kernrohr 3 ausgehend zur Innenseite 4a des Mantels 4 hin abfällt, so dass die in die Verteilerarme 201 mitgenommene gasförmige Phase G entlang der Dächer 203 zum Kernrohr 3 hin aufsteigen kann.
Zwischen je zwei benachbarten Verteilerarmen 201 ist weiterhin vorzugsweise eine Lücke 6 vorhanden, durch die hindurch Rohre 20 des Rohrbündels 2 an den
Verteilerarmen 201 vorbei entlang der Längsachse Z nach oben geführt werden können.
Um den freien Querschnitt zum Ablaufen der flüssigen Phase F in den Hauptverteiler 200 bzw. zum ungehinderten Aufsteigen der gasförmigen Phase G aus dem
Hauptverteiler 200 nach oben zu erhöhen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass bevorzugt jeder, aber zumindest einer oder mehrere der Verteilerarme 201 über zumindest ein entlang der Längsachse Z erstrecktes Fallrohr 10 mit dem Vorverteiler 100 in Strömungsverbindung stehen bzw. steht, so dass die zu verteilende flüssige Phase F auch über das jeweilige Fallrohr 10 vom Vorverteiler 100 in den jeweiligen Verteilerarm 201 gelangen kann.
Dabei ist vorgesehen, dass die Fallrohre 10 außerhalb des Kernrohres 3 verlaufen und einen Abstand zu diesem in radialer Richtung R aufweisen, d.h., weiter außen angeordnet sind als das Kernrohr 3. Wie in der Figur 1 mit durchgezogenen Linien gezeigt ist, kann jeder Verteilerarm 201 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung genau über ein Fallrohr 10 mit dem Vorverteiler 201 verbunden sein. Statt eines Fallrohres 10 können pro Verteilerarm 201 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung auch mehrere Fallrohre 10 vorhanden sein (in der Figur 1 mittels gestrichelter Linien gezeigt), die dann ggf. einen geringeren Innendurchmesser aufweisen, um den erforderlichen freien Querschnitt darzustellen.
Die Fallrohre 10 sind jeweils über eine am Boden 101 des Vorverteilers 100 vorgesehen Einlassöffnung 1 1 mit dem Vorverteiler 100 strömungsverbunden und münden bevorzugt jeweils von oben her über eine Auslassöffnung 12 in das Dach 203
des jeweils zugeordneten Verteilerarmes 201 ein. Die Fallrohre 10 verlaufen dabei bevorzugt jeweils parallel zum Kernrohr 3 zwischen dem Vorverteiler 100 und dem zugeordneten Verteilerarm 201 . Die Fallrohre 10 können jedoch auch ggf. eine Neigung gegenüber der Längsachse Z bzw. eine Abweichung von einem linearen bzw. parallelen Verlauf aufweisen.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Einlassöffnungen 1 1 zu den Fallrohren 10 von Wehren 13 umgeben sind, über deren Höhe über dem Boden 101 sich der Zulauf der flüssigen Phase F zum Hauptverteiler 200 steuern lässt. Dies kann insbesondere beim Anfahren der Anlage von Vorteil sein (siehe oben).
Aufgrund der erfindungsgemäßen Fallrohre 10 kann die flüssige Phase F nunmehr auch über die Fallrohre 10 dem Hauptverteiler 200 zugeführt werden. Hierdurch wird für die aufsteigende gasförmige Phase G der freie Querschnitt erhöht, so dass diese die herabströmende flüssige Phase F mit Vorteil weniger behindert.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass ein
herkömmlicher Wärmeübertrager auf einfache Weise mit den erfindungsgemäßen Fallrohren 10 bei Bedarf nachgerüstet werden kann.
Bezugszeichenliste
1 Wärmeübertrager
2 Rohrbündel
3 Kernrohr
4 Mantel
4a Innenseite
5 Mantelraum
6 Lücken
10 Fallrohr
1 1 Einlassöffnung
12 Auslassöffnung
13 Wehr
20 Rohr
30 Strömungspfad durch Kernrohr
100 Vorverteiler
101 Boden
102 Seitenwand
104 Zuleitung
105 Auslassöffnung
106 Zentrale Öffnung
200 Hauptverteiler
201 Verteilerarm
202 Boden
203 Dach
204, 205 Laterale Wand
206 Stirnseitige Wand
207 Auslassöffnung
F Flüssige Phase
G Gasförmige Phase
S Erstes Medium
S' Zweites Medium bzw. Zweiphasengemisch
Z Längsachse
Claims
Patentansprüche
Wärmeübertrager (1 ), mit:
- einem Vorverteiler (100) zur Aufnahme einer auf ein Rohrbündel (2) des
Wärmeübertragers (1 ) zu verteilenden flüssigen Phase (F),
- einem entlang einer Längsachse (Z) erstreckten Kernrohr (3), auf das eine
Mehrzahl an Rohren (20) gewickelt ist, die das Rohrbündel (2) bilden,
- einem Hauptverteiler (200), der eine Mehrzahl an vom Kernrohr (3) abragenden Verteilerarmen (201 ) zum Verteilen der flüssigen Phase (F) auf das Rohrbündel (2) aufweist, wobei die Verteilerarme (201 ) über einen im Kernrohr (3) verlaufenden Strömungspfad (30) mit dem Vorverteiler (100) in
Strömungsverbindung stehen, so dass die flüssige Phase (F) aus dem
Vorverteiler (100) über den Strömungspfad (30) in die Verteilerarme (201 ) des Hauptverteilers (200) einspeisbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Verteilerarm (201 ) über zumindest ein entlang der Längsachse erstrecktes Fallrohr (10), das außerhalb des Kernrohres (3) verläuft, mit dem Vorverteiler (100) in Strömungsverbindung steht, so dass die zu verteilende flüssige Phase (F) auch über das mindestens eine Fallrohr (10) vom Vorverteiler (100) in den mindestens einen Verteilerarm (201 ) einspeisbar ist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der
Wärmeübertrager (1 ) einen entlang der Längsachse (Z) erstreckten Mantel (4) aufweist, der koaxial zum Kernrohr (3) verläuft, wobei der Mantel (4) einen
Mantelraum (5) umgibt, in dem der Vorverteiler (100), der Hauptverteiler (200), das Rohrbündel (2), das Kernrohr (3) sowie das mindestens eine Fallrohr (10) angeordnet sind.
Wärmeübertrager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Fallrohr (10) in einer senkrecht auf der Längsachse (Z) stehenden radialen Richtung (R) weiter außen angeordnet ist als das Kernrohr (3).
4. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Fallrohr (10) von oben her in ein Dach (203) des zugeordneten Verteilerarmes (201 ) einmündet.
5. Wärmeübertrager nach Anspruch 2 oder einem der Ansprüche 3 bis 4 soweit
rückbezogen auf Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der jeweilige Verteilerarm (201 ) vom Kernrohr (3) ausgehend in einer jeweils senkrecht auf der Längsachse (Z) stehenden radialen Richtung (R) nach außen hin zu einer
Innenseite (4a) des Mantels (4) erstreckt.
6. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass zwischen je zwei benachbarten Verteilerarmen (201 ) eine Lücke (6) zum Durchführen von Rohren (20) des Rohrbündels (20) vorgesehen ist.
7. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der jeweilige Verteilerarm (201 ) einen senkrecht zur Längsachse (Z) verlaufenden Boden (202) mit einer Mehrzahl an
Auslassöffnungen (207) aufweist, über die die flüssige Phase (F) auf das unter dem jeweiligen Verteilerarm (201 ) angeordnete Rohrbündel (2) aufgebbar ist.
8. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verteilerarm (201 ), mehrere Verteilerarme (201 ) oder alle Verteilarme (201 ) über jeweils eine Mehrzahl an entlang der Längsachse (Z) erstreckten Fallrohren (10) mit dem Vorverteiler (100) in Strömungsverbindung stehen.
9. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (1 ) eine Zuleitung (104) für ein Zweiphasengemisch (S) aufweist, das die flüssige Phase (F) umfasst, wobei die Zuleitung (104) eine Auslassöffnung (105) aufweist, die entlang der Längsachse
(Z) oberhalb einer Prallplatte (103) des Vorverteilers (100) angeordnet ist.
10. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Vorverteiler (100) einen senkrecht zur Längsachse (Z) verlaufenden Boden (101 ) aufweist, wobei der Boden (101 ) eine zentrale Öffnung
(106) aufweist, über die der Boden (101 ) in Strömungsverbindung mit dem vom Kernrohr (3) umgebenden Strömungspfad (30) steht.
1 1 . Wärmeübertrager nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der
Vorverteiler (100) über je eine am Boden (101 ) vorgesehene Einlassöffnung (1 1 ) des jeweiligen Fallrohres (10) mit dem jeweiligen Fallrohr (10) in
Strömungsverbindung steht, wobei die Einlassöffnungen (1 1 ) um die zentrale Öffnung (106) herum angeordnet sind. 12. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Kernrohr (3) dazu konfiguriert ist, die Last der Rohre (20) des Rohrbündels (2) aufzunehmen.
13. Verfahren zum Verteilen einer flüssigen Phase (F) auf ein Rohrbündel (2) eines gewickelten Wärmeübertragers (1 ), insbesondere unter Verwendung eines
Wärmeübertragers (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Zweiphasengemisch (S') aufweisend eine flüssige Phase (F) sowie eine gasförmige Phase (G) in einen Vorverteiler (100) des Wärmeübertragers (1 ) gegeben wird, so dass das Zweiphasengemisch (S') beruhigt wird und zumindest ein Teil der gasförmigen Phase (G) aus dem Zweiphasengemisch (S') ausgasen kann, wobei die flüssige Phase (F) über einen in einem Kernrohr (3) des
Wärmeübertragers (1 ) verlaufenden Strömungspfad (30) in eine Mehrzahl an Verteilerarmen (201 ) eines Hauptverteilers (200) des Wärmeübertragers (1 ) geleitet wird und von dort auf ein Rohrbündel (2) des Wärmeübertragers (1 ) gegeben wird, das eine Mehrzahl von auf das Kernrohr (3) gewickelten Rohren
(20) aufweist, und wobei die flüssige Phase (F) aus dem Vorverteiler (100) zusätzlich über zumindest ein entlang einer Längsachse (z) erstrecktes Fallrohr (10) in einen Verteilerarm (201 ) des Hauptverteilers (200) geleitet wird, wobei das mindestens eine Fallrohr (10) außerhalb des Kernrohres (3) verläuft.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorverteiler (100) mit einem Verteilerarm (201 ), mehreren Verteilerarmen (201 ) oder allen Verteilerarmen (201 ) jeweils über eine Mehrzahl an Fallrohren (10) in
Strömungsverbindung steht, wobei die flüssige Phase (F) aus dem Vorverteiler (100) zusätzlich über die jeweilige Mehrzahl an Fallrohren (10) in den jeweiligen
Verteilerarm (201 ) geleitet wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Fallrohr (10) oder die Fallrohre (10) in einer senkrecht zum Kernrohr (3) verlaufenden radialen Richtung (R) weiter außen angeordnet sind als das Kernrohr (3).
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