WO2020011397A1 - Rohrbodenanordnung für wärmetauscher, wärmetauscher und verfahren zur herstellung einer rohrbodenanordnung - Google Patents

Rohrbodenanordnung für wärmetauscher, wärmetauscher und verfahren zur herstellung einer rohrbodenanordnung Download PDF

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WO2020011397A1
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tube sheet
sheet body
temperature compensation
phase change
tube
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Manfred Steinbauer
Konrad Braun
Alexander WOITALKA
Stefan Gewald
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • Tube plate arrangement for heat exchangers Tube plate arrangement for heat exchangers. Heat exchanger and process for
  • the invention relates to a tube sheet arrangement for a heat exchanger, a heat exchanger and a method for producing a tube sheet arrangement.
  • the invention thus lies in particular in the technical field of heat exchangers or heat exchangers, in particular heat exchangers with straight and / or coiled tubes.
  • heat exchangers which have a large number of tubes.
  • the pipes i.e. On the pipe side, one or more fluids can flow, so that there is thermal contact with another fluid via the pipe walls or pipe jackets which is outside the pipes, i.e. shell side, is arranged or flows.
  • the tube-side fluids and the jacket-side fluid can have temperatures which differ significantly from one another, so that a temperature gradient and thus a heat exchange results over the tubes or the tube jackets.
  • Heat-exchanging fluids can have large temperature gradients or temperature differences on some components of the heat exchanger and / or very large temperature changes can occur in only a short period of time. This can lead to very large material stresses in the respective heat exchangers and / or in individual components of the corresponding heat exchanger and in
  • heat exchangers at least in part, conventional external conditions or operating parameters are conventionally adapted in part, for example in order to at least partially compensate and / or reduce the effects caused by a rapid temperature change.
  • inflows and / or outflows of fluids into the heat exchanger can be adapted.
  • this has the disadvantage that very complex control technology is often required to adapt these conditions and / or that the heat exchanger requires other complex designs and / or components which increase the complexity of the heat exchanger and / or the acquisition costs and / or the maintenance costs of the Increase heat exchanger.
  • the invention is therefore based on the object of a tube sheet
  • the invention has for its object to provide a tube sheet and a heat exchanger with such a tube sheet, which experience less impairment due to thermal loads.
  • the invention is achieved by a tube sheet arrangement, a heat exchanger and a method for producing a tube sheet arrangement with the features of the respective independent claims.
  • Preferred embodiments result from the respective dependent claims and from the following description.
  • the invention in a first aspect, relates to a tube sheet arrangement for a heat exchanger.
  • the tube sheet arrangement comprises a tube sheet body and a temperature compensation element with at least one phase change element, the temperature compensation element being arranged on the tube sheet body and / or being integrated into the tube sheet body in such a way that the phase change element is at least partially in thermal contact with the tube sheet body.
  • This is said to be a Embodiment include, in which the temperature compensation element is formed entirely of the phase change element.
  • the invention relates to a heat exchanger comprising a tube sheet arrangement according to the invention.
  • the invention finally relates to a method for
  • the method comprises producing a tube sheet body of the tube sheet arrangement and arranging and / or integrating a temperature compensation element with at least one phase change element on and / or in the tube sheet body such that the phase change element is at least partially in thermal contact with the tube sheet body.
  • Phase change elements are known per se and are used in the prior art for use in coolers for electronic components, as is disclosed, for example, in documents EP 1 162 659 A2 and WO 2003/046982 A1.
  • the use of a phase change element in a heat store is also disclosed in US 2017/0127557 A1.
  • An exhaust gas system for a motor vehicle is described in US 2016/0265410 A1, a phase change material being present area-wide between tubes of the exhaust gas system through which the exhaust gas flows and which can absorb and store thermal energy in order to deliver this stored thermal energy to a working medium.
  • a similar system is described in DE 10 2012 109347 A1.
  • a tube sheet arrangement according to the invention or, in short, a tube sheet according to the invention has at least one tube sheet body and at least one
  • a tube sheet arrangement can also have other elements, such as a jacket and / or a
  • Fastening element by means of which a jacket can be fastened to the tube sheet arrangement or the tube sheet body.
  • tube sheet can also be made from only one embodiment
  • the tube sheet body is preferably designed as a compact and integrated component, in which a plurality of connection openings are preferably formed, to each of which at least one tube can be arranged and / or fastened such that the connection openings are used of the tube sheet body, at least one fluid can be introduced into the tubes arranged thereon.
  • Temperature compensation element is preferably arranged on the tube sheet body in such a way that the phase change element is in thermal contact with it, but at the same time the temperature compensation element does not or at least partially covers the connection openings for the tubes of the heat exchanger which are usually formed in the tube sheet body. So they stay
  • connection openings at least partially, but preferably completely, freely and / or accessible if a temperature compensation element is arranged on the tube sheet body.
  • the temperature compensation element does not, or at least not completely, overlap with the cross-sectional area in a projection into a plane perpendicular to a perpendicular axis of the tube sheet body
  • the temperature compensation element can be designed in the manner of a template, which is arranged on the tube sheet body in such a way that the temperature compensation element extends into the space between the
  • the template is, for example, a particularly round disk with openings which correspond in position and diameter to the connection openings in that part of the tube sheet body to which the template is applied.
  • the shape and / or structure of the temperature compensation element is adapted to the tube sheet on which the temperature compensation element is to be arranged, in order to produce sufficient thermal contact with the latter, preferably via mechanical contact. If the tube sheet body has a flat surface, this can also be done
  • Temperature compensation element may preferably be formed with a flat contact surface in order to lie flat and / or flat on the tube sheet body. If the tube sheet body has a curved surface, it may be advantageous to also design the temperature compensation element with a correspondingly curved contact surface in order to ensure sufficient thermal and preferably mechanical contact between the temperature compensation element in this case too and to manufacture the tube sheet body.
  • the temperature compensation element can preferably have an at least partially moldable and / or flexible structure, so that the temperature compensation element conforms to the shape and / or structure of the tube sheet body or its surface on which the
  • Temperature compensation element should be arranged, adapt and / or nestle. This can offer the advantage that
  • Temperature compensation element does not exactly match the shape and / or structure of the
  • Tube sheet body must be adjusted, but that
  • Temperature compensation element has a certain tolerance and / or adaptability, which make it possible to establish and / or improve a thermal and / or mechanical contact between the temperature compensation element and the tube sheet body.
  • the thermal contact can also be produced or improved by means of a thermally conductive material which can be formed in particular and which is introduced between the temperature compensation element and the tube sheet body.
  • the temperature compensation element is integrated in the tube sheet body, as will be explained further below.
  • the phase change element preferably has a phase change material and / or is designed as a latent heat store.
  • a phase change element preferably has the property that the latent one
  • Phase change element is significantly greater than the heat that the
  • phase change element due to its normal specific heat capacity, ie without the occurrence of a phase change effect.
  • the phase change element is designed to deliver and / or absorb a greater amount of thermal energy during a phase change than the amount of thermal energy that the phase change element can store due to its specific heat capacity without a phase change.
  • the phase conversion preferably comprises a conversion from the solid phase to the liquid phase and / or from the liquid phase to the solid phase.
  • the phase change preferably comprises a change from a crystalline solid phase to an amorphous solid phase and / or from an amorphous solid phase to a crystalline solid phase.
  • Temperature compensation elements in a heat exchanger in particular in a tube plate arrangement, a very high degree of heat can be absorbed or stored and / or a very high degree of stored heat can be released. This can be particularly fast
  • the invention also offers the advantage that particularly large temperature gradients can be at least partially weakened by one or more components over which the temperature gradient extends with at least one
  • Temperature compensation element locally at locations or in areas of the
  • Temperature gradient range should be limited. Mechanical stresses occurring with regard to material fatigue are harmless within the permissible temperature gradient range. Such a named area of
  • the heat exchanger is often centered in part of the cross-sectional area of the tube sheet body, as will be explained further below. Additionally or alternatively, such an area can also lie between the tube sheet body and the jacket mentioned above on the tube sheet arrangement or the tube sheet body, wherein the temperature compensation element can be arranged on the outside of the jacket and / or on the inside of the jacket in this area.
  • the invention offers the advantage that when fast
  • This offers the advantage that the material fatigue can be reduced and / or the longevity of the heat exchanger or the tube sheet can be increased.
  • the attachment of a temperature compensation element designed as a template which is adapted to the size and / or structure of the tube sheet and / or the tubes, can be particularly advantageous, since this also means the subsequent upgrading of a tube sheet by means of a
  • the invention offers the advantage that the service life of heat exchangers can be extended and / or wear on the heat exchanger can be reduced.
  • the invention also offers the advantage that the maintenance work and / or maintenance costs can be reduced, since preferably an exchange of components which are conventionally subject to very high thermal stresses is no longer required or only to a lesser extent.
  • the invention offers the advantage that the susceptibility to malfunction of the heat exchanger can be reduced.
  • the invention can offer the advantage that in heat exchangers in which the jacket-side fluid tends to solidify when the temperature drops, such as, for example, in heat exchangers with water and / or glycol on the jacket side, the jacket-side fluid is slowed down and / or avoided can.
  • the jacket-side fluid is slowed down and / or avoided can.
  • Temperature compensation element at least partially and / or at least temporarily avoid ice formation on the jacket side of the tubes and / or the tube sheet and the operation of the heat exchanger can be maintained at least temporarily. Furthermore, damage which conventionally occurs due to a spatial expansion of the jacket-side fluid during ice formation can thereby be reduced and / or avoided and / or delayed. Furthermore, the invention has the advantage that thermal loads and, in particular, mechanical loads resulting therefrom can be reduced and / or avoided at the contact points at which pipes are connected to the connection openings of the pipe base. For example, weld seams, by means of which the tubes are fastened to the tube sheet or to the connection openings, can be protected against damage due to strong thermal expansions.
  • the temperature compensation element is preferably arranged in a predetermined area of connection openings on the tube sheet body and / or integrated into the tube sheet body. That area is
  • this area is often centered in the cross-sectional area of the
  • Pipe base body arranged. Other areas of the tube sheet body do not necessarily have to be provided with a temperature compensation element, which saves costs.
  • the predetermined range is advantageously at least 10%, in particular at least 20%, in particular at least 30%, in particular at least 40%, in particular at least 50%, in particular at least 60% of the cross-sectional area of the
  • Tube sheet body An expansion in the range of 10-50%, in particular 20-40%, of the cross-sectional area is particularly advantageous.
  • the temperature compensation element has a casing which forms a cavity, the phase change element being arranged in this cavity and being in thermal contact with the casing.
  • phase change material and / or penetration of heat-exchanging fluid and / or contaminants into the cavity to the phase change element can be avoided.
  • the temperature compensation element can advantageously in such a way in the
  • the tube sheet body can be integrated such that the tube sheet body itself has the cavity in which the at least one phase change element is arranged.
  • the temperature compensation element and the tube sheet body form a structural unit.
  • the phase change element is preferably completely enclosed by the tube sheet body. Preferably the whole
  • Pipe base body can be designed as a temperature compensation element. This has the advantage that the temperature compensation element is not connected to the
  • the tube sheet body must be arranged.
  • Such an integral structure can be realized in particular by additive manufacturing processes, as explained below.
  • a heat exchanger according to the invention preferably comprises in addition to the
  • the tube sheet arrangement according to the invention has at least one tube connected to a connection opening in the tube sheet body and at least one other
  • Phase change element or a further temperature compensation element Phase change element or a further temperature compensation element, the further temperature compensation element being arranged on the tube and / or being integrated in the tube such that the further phase change element is at least partially in thermal contact with the tube.
  • This offers the advantage that rapid and / or strong temperature changes both on the tube sheet and on the at least one tube can be reduced and / or avoided and / or slowed down. It is possible here to design the further temperature compensation element as a component of at least part of the pipe in question or, for example, as an insert in at least part of the pipe in question.
  • the tube sheet body and / or the temperature compensation element is preferably produced by means of an additive manufacturing method.
  • additive manufacturing methods are also known as "3D printing”. Such an additive manufacturing process is particularly useful if that
  • Temperature compensation element is integrated in the tube sheet body.
  • the tube sheet body is preferably produced in such a way that it encloses a cavity and the phase change element is arranged in the cavity in such a way that the phase change element is in thermal contact with the tube sheet body.
  • the phase change element is arranged before the cavity is completely closed.
  • a spatial distribution of an expected thermal load on the tube sheet body is determined beforehand, the tube sheet body then being produced in such a way that the
  • Temperature compensation element is arranged at least in a region of the tube sheet body on which the expected thermal stress of the
  • Tube sheet body exceeds a predetermined dimension. This offers the advantage that the provision of a temperature compensation element and / or one
  • Phase change element can take place specifically where this promises a particularly advantageous effect, i.e. where particularly strong and / or rapid temperature changes can be expected.
  • this enables a particularly cost-effective provision of the temperature compensation element and / or the phase change element, since this can be limited to the areas in which the particularly rapid and / or strong temperature changes are to be expected.
  • FIGS. 1A and 1B show a tube plate arrangement according to a preferred embodiment in a top view and in a cross-sectional view.
  • Figure 1 C shows a tube sheet arrangement in a schematic cross-sectional view according to another preferred embodiment.
  • Figure 1 D shows a heat exchanger with a tube sheet arrangement in a preferred embodiment.
  • FIG. 2 shows a schematic cross-sectional illustration
  • FIG. 3 schematically shows an exemplary course of the
  • Figures 4A and 4B show in longitudinal or cross-sectional views a tube of a heat exchanger according to a preferred embodiment.
  • FIGS. 5A and 5B show in longitudinal or cross-sectional views a tube of a heat exchanger according to a further preferred embodiment.
  • FIGS. 1A and 1B show a tube sheet arrangement 10 according to a preferred embodiment in plan view (FIG. 1A) and in a cross-sectional view (FIG. 1B).
  • Figure 1B shows the tube sheet arrangement in a cross-sectional view along the line A-A shown in Figure 1A.
  • the top view in FIG. 1A thus corresponds to one
  • the tube sheet arrangement 10 comprises a tube sheet body 12, which is disc-shaped with a round cross section and has a plurality of connection openings 14, to which tubes (not shown) of the heat exchanger can be arranged and fastened.
  • the tubes can be attached to the tube sheet body 12 such as by welding that the inner cross section of the tubes with the
  • Connection openings 14 overlap.
  • a fluid provided for heat exchange can accordingly be fed into the tubes via the side of the tube sheet body 12 which is then facing away from the tubes and is then involved on the tube side in the heat exchange.
  • the fluid involved in the heat exchange is in thermal contact with the tubes, so that the heat exchange can take place via the tube walls.
  • Tube plate body 12 and the largest temperature differences are to be expected on the tube ends attached to the tube plate body 12.
  • the tube sheet arrangement 10 has a temperature compensation element 16, which is arranged on the tube sheet body 12 in such a way that thermal contact between the tube sheet body 12 and the temperature compensation element 16 and the
  • phase change element of this temperature compensation element exists.
  • the temperature compensation element 16 can be attached to the tube sheet body 12 in such a way that an efficient heat transfer between the
  • Temperature compensation element 16 and the tube sheet body 12 is made possible.
  • the temperature compensation element 16 is designed in the manner of a template (here as a round disk), the shape of which is adapted to the tube sheet body 12 and the tubes to be fastened thereon.
  • the temperature compensation element 16 is designed as a flat element, which can be arranged lying on the tube sheet body 12 and has recesses 18 corresponding to the connection openings 14, through which the tubes can run in order to be fastened to the tube sheet body 12. This ensures that the temperature compensation element 16 can be arranged running on the tube sheet body 12 between the tubes.
  • the temperature compensation element is preferably designed in such a way that inlet openings or the connection openings through which fluids into the
  • Tube bottom can be introduced, not or at most partially covered by the temperature compensation element 16.
  • Temperature compensation elements 16 lie in a region between the tube sheet body 12 and the jacket surrounding the tube sheet body 12, wherein the temperature compensation element (s) 16 can be arranged on the outside of the jacket and / or on the inside of the jacket in this area. In this way, the temperature compensation element 16 can not only compensate for and / or rapid temperature changes of the tube sheet body 12
  • Tubular base body 12 connected tubes and in particular the contact points or seams between the tubes and the tube sheet body 12. This can prevent at least partially and / or at least temporarily damage to these seams, which in particular can have weld seams, due to thermal stress and temperature-related expansion.
  • the temperature compensation element 16 does not overlap with the entire cross-sectional area of the tube sheet body 12, but only covers its central or inner region. This can be advantageous, for example, for heat exchangers in which strong and / or rapid temperature changes are only to be expected in this central region, while this is not to be expected in the outer regions which are not covered by the temperature compensation element 16.
  • the temperature compensation element 16 can, for example, consist exclusively of a phase change element 24 and / or have a casing which has a cavity filled with the phase change element.
  • Figure 1 C shows a tube sheet assembly 10 in a schematic
  • the temperature compensation element 16 is integrated in the tube sheet body 12, so that the tube sheet body 12 and that
  • Temperature compensation element 16 form a compact and one-piece tube sheet.
  • the temperature compensation element 16 is completely enclosed by the tube sheet body 12. In this case, it is also possible that
  • Temperature compensation element 16 consists entirely of the phase change element 24, so that the latter is completely enclosed by the tube sheet body 12.
  • the temperature compensation element 16 is shown as a plurality of separate segments, these are preferably connected to one another and preferably form a coherent temperature compensation element 16 extending inside the tube sheet body 12.
  • a plurality of temperature compensation elements 16, which are formed separately from one another, can be integrated in a tube sheet body 12, which are not connected.
  • FIG. 1 D schematically shows an embodiment of a heat exchanger 60 in longitudinal section, a cross section through the tube sheet of the heat exchanger 60 being shown on the left-hand side of FIG. 1 D. Accordingly there is one
  • Tube plate arrangement 10 (see FIG. 1A) with a tube plate body 12 and a temperature compensation element 16 can be seen.
  • two tube plates form the ends of the heat exchanger 60, both tube plates as
  • Tube plate assemblies 10 according to the invention can be formed. 61 and 62 show the supply and discharge lines for a first process medium, 63 and 64 show the supply and discharge lines for a second process medium. In one possible variant, both process media carry out a heat exchange in counterflow, the one process medium running in the tubes 26
  • FIG. 2 shows a schematic cross-sectional illustration
  • Temperature compensation element 16 according to a preferred embodiment, which can be installed, for example, in a tube sheet body 12 and / or arranged thereon and / or integrated therein.
  • the temperature compensation element 16 has a casing 20, which is preferably formed from a material with high thermal conductivity.
  • the jacket 20 may be formed from a metal, such as aluminum. It is also possible and advantageous if the casing 20 is part of the tube sheet body 12 itself.
  • the casing 20 forms and encloses a cavity 22.
  • a phase change element 24 or phase change material is embedded in the cavity 22, so that the casing 20 completely surrounds the cavity 22.
  • the cavity 20 can preferably be closed on all sides by the casing 28, so that the phase change material 18 is prevented from exiting the cavity 20 by the casing 28.
  • Temperature compensation elements 16 first of all produce the sheathing, so that the cavity is at least partially formed, then the phase change material 24 is filled into the cavity 22 and then the cavity 22 or the sheathing 20 is closed. Alternatively, the whole Temperature compensation element 16 at least partially by means of an additive
  • Manufacturing process are produced, for example by means of 3D printing. This can offer the possibility of already arranging the phase change material 24 in the at least partially completed cavity 22, even if the production of the casing 20 has not yet been completed. This can be beneficial to
  • phase change material 24 would not be possible or would only be possible with difficulty.
  • FIG. 3 shows in a diagram 100 schematically an exemplary course of the temperature (axis 104) versus time (axis 102) of a component, such as a tube sheet body 12, with a temperature compensation element 16 (graph 110) in comparison to the temperature profile of a component without a temperature compensation element 16 (diagram 112) if this is a strong external influence
  • phase change element 24 changes more continuously than is the case with the component without a temperature compensation element.
  • thermal and mechanical loads on the component can be reduced by introducing and / or attaching a phase change element 24.
  • FIGS. 4A and 4B show in a longitudinal or cross-sectional view a tube 26 according to a preferred embodiment for a heat exchanger 60 (cf. FIG. 1 D) in a further embodiment, the tube 26 additionally being at least partly as a further temperature compensation element 16 is designed or has one.
  • Figure 4A shows the tube 26 in a longitudinal sectional view and Figure 4B in cross-sectional view along the line A-A.
  • phase change element 24 enables rapid temperature changes to be reduced or slowed down.
  • the use of such tubes can be particularly advantageous in heat exchangers in which it is necessary to avoid exceeding and / or falling below a predetermined temperature, since otherwise ice would form, for example.
  • FIGS. 5A and 5B show in a longitudinal or cross-sectional view a tube 26 according to a further preferred embodiment for a heat exchanger 60 (cf. FIG. 1 D) in a further embodiment, the tube 26 with an additional temperature compensation element 16 according to FIG a preferred embodiment is provided.
  • Figure 5A shows the tube 26 in a longitudinal sectional view and Figure 5B in cross-sectional view along the line A-A.
  • the temperature compensation element 16 is designed as an insert, which can be inserted into a prefabricated tube 26.
  • the temperature compensation element 16 has a cylindrical casing 20, into which the phase change element 24 is introduced.
  • the temperature compensation element 16 has a nozzle or funnel 36, which protrudes from one of the pipe ends in the drawing and is primarily used to fix the insert in the pipe 26, whereby it is also easier to introduce the fluid into the through the manner of a funnel
  • Temperature compensation element 16 allows tapered inner diameter of the tube 26, as indicated by arrow 200.
  • the temperature compensation element 16 extends according to that shown
  • Embodiment not over the entire length of the tube 26, but only over a shorter length starting at the end of the tube at which the tube-side fluid flows into the tube 26. This can be sufficient since, when heat exchange has already taken place in part at the beginning of the tube 26, the temperature difference between the tube-side and the jacket-side fluid is less than in the case of
  • This embodiment offers the advantage that an already existing pipe 26 can be easily retrofitted with a temperature compensation element 16.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Rohrbodenanordnung (10) für einen Wärmetauscher (60) umfassend einen Rohrbodenkörper (12) und ein Temperaturausgleichselement (16) mit zumindest einem Phasenwechselelement (24), wobei das Temperaturausgleichselement (16) derart an dem Rohrbodenkörper (12) angeordnet ist und/oder in den Rohrbodenkörper (12) integriert ist, dass das Phasenwechselelement (24) mit dem Rohrbodenkörper (12) zumindest teilweise in thermischem Kontakt steht, sowie einen Wärmetauscher (60) mit einer solchen Rohrbodenanordnung (10) und eine Verfahren zur Herstellung einer solchen Rohrbodenanordnung (10).

Description

Beschreibung
Rohrbodenanordnung für Wärmetauscher. Wärmetauscher und Verfahren zur
Herstellung einer Rohrbodenanordnung
Die Erfindung betrifft eine Rohrbodenanordnung für einen Wärmetauscher, einen Wärmetauscher und ein Verfahren zur Herstellung einer Rohrbodenanordnung. Die Erfindung liegt somit insbesondere auf dem technischen Gebiet der Wärmetauscher bzw. Wärmeübertrager, insbesondere der Wärmetauscher mit geraden und/oder gewickelten Rohren.
Im Stand der Technik sind Wärmetauscher bekannt, welche eine Vielzahl von Rohren aufweisen. Durch die Rohre, d.h. rohrseitig, können ein oder mehrere Fluide strömen, sodass sich über die Rohrwände bzw. Rohrmäntel ein thermischer Kontakt mit einem anderen Fluid ergibt, welches außerhalb der Rohre, d.h. mantelseitig, angeordnet ist bzw. strömt. Die rohrseitigen Fluide und das mantelseitige Fluid können dabei deutlich voneinander abweichende Temperaturen aufweisen, sodass sich über die Rohre bzw. die Rohrmäntel ein Temperaturgradient und somit ein Wärmeaustausch ergibt.
Insbesondere bei sehr ausgeprägten Temperaturunterschieden der
wärmetauschenden Fluide können an manchen Bauteilen des Wärmetauschers große Temperaturgradienten bzw. Temperaturdifferenzen entstehen und/oder können in nur kurzer Zeitdauer sehr starke Temperaturänderungen auftreten. Dies kann zu sehr großen Materialbeanspruchungen in den jeweiligen Wärmetauschern und/oder in einzelnen Bauteilen des entsprechenden Wärmetauschers führen und in
unerwünschten Materialermüdungen resultieren. Insbesondere können im Rohrboden, in welchen die Rohre des Wärmetauschers münden, sehr große thermische
Belastungen auftreten, da dort das einströmende Fluid typischerweise die höchste oder niedrigste Temperatur aufweist, da mit Eintritt des Fluids in den Rohrboden das Fluid erst dem Wärmetauschprozess zugeführt wird. Daher kann vor allem der Rohrboden sehr großen Temperaturdifferenzen durch das einerseits in den Rohrboden bzw. die Rohre einströmende Fluid und andererseits das zum Wärmeaustausch vorgesehene mantelseitige Fluid ausgesetzt sein, welche folglich zu großen mechanischen
Belastungen des Rohrbodens führen können. Beispielsweise können
Materialermüdungen, wie etwa Verformungen und/oder Haarrisse, auftreten und eine Reparatur oder gar den Austausch des Rohrbodens und/oder Wärmetauschers erforderlich machen.
Um unerwünschte thermische Spannungen in einem Rohrboden und/oder
Wärmetauscher zumindest teilweise zu vermeiden, werden herkömmlicherweise zum Teil externe Bedingungen bzw. Betriebsparameter angepasst, um beispielsweise die von einem raschen Temperaturwechsel hervorgerufenen Effekte zumindest teilweise zu kompensieren und/oder zu verringern. Beispielsweise können dazu Zu- und/oder Abflüsse von Fluiden in den Wärmetauscher angepasst werden. Dies birgt jedoch den Nachteil, dass häufig eine sehr aufwändige Regelungstechnik zur Anpassung dieser Bedingungen erforderlich ist und/oder dass der Wärmetauscher anderweitige aufwändige Ausgestaltungen und/oder Komponenten erfordert, welche die Komplexität des Wärmetauschers vergrößern und/oder die Anschaffungskosten und/oder die Wartungskosten des Wärmetauschers erhöhen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Rohrboden eines
Wärmetauschers und/oder einen Wärmetauscher derart bereitzustellen oder anzupassen, dass die den im Stand der Technik bekannten Rohrböden anhaftenden Nachteile zumindest teilweise behoben werden. Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Rohrboden und einen Wärmetauscher mit einem solchen Rohrboden bereitzustellen, welche geringere Beeinträchtigungen durch thermische Belastungen erfahren.
Die Erfindung wird durch eine Rohrbodenanordnung, einen Wärmetauscher und ein Verfahren zur Herstellung einer Rohrbodenanordnung mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den jeweiligen abhängigen Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung.
In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung eine Rohrbodenanordnung für einen Wärmetauscher. Die Rohrbodenanordnung umfasst einen Rohrbodenkörper und ein Temperaturausgleichselement mit zumindest einem Phasenwechselelement, wobei das Temperaturausgleichselement derart an dem Rohrbodenkörper angeordnet ist und/oder in den Rohrbodenkörper integriert ist, dass das Phasenwechselelement mit dem Rohrbodenkörper zumindest teilweise in thermischem Kontakt steht. Dies soll eine Ausführungsform umfassen, bei der das Temperaturausgleichselement ganz aus dem Phasenwechselelement gebildet ist.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Wärmetauscher umfassend eine erfindungsgemäße Rohrbodenanordnung.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung schließlich ein Verfahren zur
Herstellung einer Rohrbodenanordnung. Das Verfahren umfasst ein Herstellen eines Rohrbodenkörpers der Rohrbodenanordnung und das Anordnen und/oder Integrieren eines Temperaturausgleichselements mit zumindest einem Phasenwechselelement an dem und/oder in den Rohrbodenkörper derart, dass das Phasenwechselelement mit dem Rohrbodenkörper zumindest teilweise in thermischem Kontakt steht.
Phasenwechselelemente an sich sind bekannt und werden im Stand der Technik für den Einsatz in Kühlern für elektronische Bauteile verwendet, wie dies beispielsweise in den Druckschriften EP 1 162 659 A2 und WO 2003/046982 A1 offenbart ist. Außerdem ist die Verwendung eines Phasenwechselelements in einem Wärmespeicher in der Druckschrift US 2017/0127557 A1 offenbart. In der US 2016/0265410 A1 ist ein Abgassystem für ein Kraftfahrzeug beschrieben, wobei zwischen vom Abgas durchströmten Rohren des Abgassystems ein Phasenwechselmaterial flächendeckend vorhanden ist, das Wärmeenergie aufnehmen und speichern kann, um diese gespeicherte Wärmeenergie an ein Arbeitmedium abzugeben. Ein ähnliches System beschreibt die DE 10 2012 109347 A1.
Eine erfindungsgemäße Rohrbodenanordnung oder kurz ein erfindungsgemäßer Rohrboden weist dabei zumindest einen Rohrbodenkörper und zumindest ein
Temperaturausgleichselement auf. Optional kann eine Rohrbodenanordnung auch noch anderweitige Elemente aufweisen, wie etwa einen Mantel und/oder ein
Befestigungselement, mittels welchem ein Mantel an der Rohrbodenanordnung bzw. dem Rohrbodenkörper befestigbar ist. Gemäß einer anderen bevorzugten
Ausführungsform kann jedoch der Rohrboden auch lediglich aus einem
Rohrbodenkörper bestehen. Der Rohrbodenkörper ist dabei vorzugsweise als kompaktes und integriertes Bauteil ausgebildet, in welchem vorzugsweise mehrere Anschlussöffnungen ausgebildet sind, an welchen jeweils zumindest ein Rohr angeordnet und/oder derart befestigt werden kann, dass über die Anschlussöffnungen des Rohrbodenkörpers zumindest ein Fluid in die daran angeordneten Rohre eingeleitet werden kann.
Bei der erfindungsgemäßen Rohrbodenanordnung ist das
Temperaturausgleichselement vorzugsweise derart an dem Rohrbodenkörper angeordnet, dass das Phasenwechselelement mit diesem in thermischem Kontakt steht, gleichzeitig aber das Temperaturausgleichselement die in dem Rohrbodenkörper üblicherweise ausgebildeten Anschlussöffnungen für die Rohre des Wärmetauschers nicht oder zumindest höchstens teilweise überdeckt. Somit bleiben die
Anschlussöffnungen auch dann zumindest teilweise, bevorzugt jedoch vollständig, frei und/oder zugänglich, wenn ein Temperaturausgleichselement am Rohrbodenkörper angeordnet ist. Mit anderen Worten überlappt das Temperaturausgleichselement in einer Projektion in eine Ebene senkrecht zu einer Lotachse des Rohrbodenkörpers nicht oder zumindest nicht vollständig mit der Querschnittsfläche der
Anschlussöffnungen.
Vorteilhafterweise kann das Temperaturausgleichselement nach Art einer Schablone ausgebildet sein, welche derart an dem Rohrbodenkörper angeordnet ist, dass das Temperaturausgleichselement sich in den Raum zwischen den mit dem
Rohrbodenkörper verbundenen Rohren erstreckt. Die Schablone ist in diesem Fall beispielsweise eine inbesondere runde Scheibe mit Öffnungen, die in Position und Durchmesser den Anschlussöffnungen in demjenigen Teil des Rohrbodenkörpers entsprechen, auf den die Schablone ausgebracht wird.
Allgemein ist das Temperaturausgleichselement in seiner Formgebung und/oder Struktur en den Rohrboden, an welchem das Temperaturausgleichselement angeordnet werden soll, angepasst, um mit diesem einen ausreichenden thermischen Kontakt, bevorzugt über einen mechanischen Kontakt, herzustellen. Sofern der Rohrbodenkörper eine ebene Oberfläche aufweist, kann auch das
Temperaturausgleichselement vorzugsweise mit einer ebenen Auflagefläche ausgebildet sein, um eben und/oder flächig auf dem Rohrbodenkörper aufzuliegen. Sofern der Rohrbodenkörper eine gekrümmte Oberfläche aufweist, kann es vorteilhaft sein, auch das Temperaturausgleichselement mit einer entsprechend gekrümmten Auflagefläche auszubilden, um auch in diesem Fall einen ausreichenden thermischen und bevorzugt mechanischen Kontakt zwischen dem Temperaturausgleichselement und dem Rohrbodenkörper herzustellen. Alternativ oder zusätzlich kann vorzugsweise das Temperaturausgleichselement eine zumindest teilweise formbare und/oder flexible Struktur aufweisen, sodass sich das Temperaturausgleichselement an die Form und/oder Struktur des Rohrbodenkörpers bzw. dessen Oberfläche, an der das
Temperaturausgleichselement angeordnet werden soll, anpassen und/oder anschmiegen kann. Dies kann den Vorteil bieten, dass das
Temperaturausgleichselement nicht exakt auf die Form und/oder Struktur des
Rohrbodenkörpers angepasst werden muss, sondern dass das
Temperaturausgleichselement eine gewisse Toleranz und/oder Anpassungsfähigkeit aufweist, welche ein Herstellen und/oder Verbessern eines thermischen und/oder mechanischen Kontakts zwischen dem Temperaturausgleichselement und dem Rohrbodenkörper ermöglichen. Schließlich kann der thermische Kontakt auch durch ein insbesondere formbares thermisch leitendes Material hergestellt oder verbessert werden, das zwischen Temperaturausgleichselement und Rohrbodenkörper eingebracht ist.
Alternativ ist das Temperaturausgleichselement in den Rohrbodenkörper integriert, wie weiter unten erläutert wird.
Das Phasenwechselelement weist dabei vorzugsweise ein Phasenwechselmaterial auf und/oder ist als ein Latentwärmespeicher ausgebildet. Insbesondere wohnt einem Phasenwechselelement vorzugsweise die Eigenschaft inne, dass die latente
Schmelzwärme und/oder Lösungswärme und/oder Absorptionswärme des
Phasenwechselelements signifikant größer ist als die Wärme, die das
Phasenwechselelement aufgrund seiner normalen spezifischen Wärmekapazität, d.h. ohne Auftreten eines Phasenumwandlungseffekts, speichern kann. Mit anderen Worten ist das Phasenwechselelement dazu ausgelegt, bei einer Phasenumwandlung ein größeres Maß an Wärmeenergie abzugeben und/oder aufzunehmen, als das Maß an Wärmeenergie, das das Phasenwechselelement aufgrund seiner spezifischen Wärmekapazität ohne eine Phasenumwandlung speichern kann. Vorzugsweise umfasst dabei die Phasenumwandlung eine Umwandlung von der festen Phase in die flüssige Phase und/oder von der flüssigen Phase in die feste Phase. Alternativ oder zusätzlich umfasst die Phasenumwandlung vorzugsweise eine Umwandlung von einer kristallinen festen Phase in eine amorphe feste Phase und/oder von einer amorphen festen Phase in eine kristalline feste Phase. Die Erfindung bietet den Vorteil, dass durch das Bereitstellen eines
Temperaturausgleichselements in einem Wärmetauscher, insbesondere in einer Rohrbodenanordnung, ein sehr hohes Maß an Wärme aufgenommen bzw. gespeichert werden kann und/oder ein sehr hohes Maß an gespeicherter wärme abgegeben werden kann. Dadurch kann insbesondere eine besonders schnelle
Temperaturänderung eines Bauteils des Wärmetauschers, welches das
Temperaturausgleichselement aufweist und/oder mit diesem in thermischem Kontakt steht, verlangsamt und/oder reduziert werden und somit können mechanische
Spannungen in dem Bauteil reduziert oder gar ganz vermieden werden. Auch bietet die Erfindung den Vorteil, dass besonders große Temperaturgradienten zumindest teilweise abgeschwächt werden können, indem eines oder mehrere Bauteile, über welche sich der Temperaturgradient erstreckt, mit zumindest einem
Temperaturausgleichselement versehen werden. Eine Abschwächung des
Temperaturgradienten kann somit auch mechanische Spannungen in dem
Wärmetauscher reduzieren oder gar ganz vermeiden und somit eine Materialermüdung verlangsamen oder verhindern.
Zu diesem Zweck ist es ausreichend und insbesondere vorteilhaft, das
Temperaturausgleichselement jeweils lokal an Stellen bzw. in Bereichen des
Wärmetauschers anzubringen bzw. dort zu integrieren, an denen ein zeitlicher und/oder örtlicher Temperaturgradient auf einen vorbestimmten zulässigen
Temperaturgradientenbereich eingeschränkt werden soll. Innerhalb des zulässigen Temperaturgradientenbereichs sind auftretende mechanische Spannungen hinsichtlich einer Materialermüdung unbedenklich. Ein solcher genannter Bereich des
Wärmetauschers liegt in der Praxis häufig zentriert in einem Teil der Querschnittsfläche des Rohrbodenkörpers, wie weiter unten noch erläutert wird. Zusätzlich oder alternativ kann ein solcher Bereich auch zwischen Rohrbodenkörper und dem oben genannten Mantel an der Rohrbodenanordnung bzw. dem Rohrbodenkörper liegen, wobei das Temperaturausgleichselement an der Außenseite des Mantels und/oder an der Innenseite des Mantels in diesem Bereich angeordnet sein kann.
Insbesondere bietet die Erfindung den Vorteil, dass bei schnellen
Temperaturänderungen und/oder Lastwechseln in einem in den Wärmetauscher bzw. Rohrboden eingeleiteten Fluidstrom aufgrund unterschiedlicher Wärmeübergänge in einem zentralen Bereich bzw. Kern des Rohrbodens im Vergleich zum Außenbereich des Rohrbodens herkömmlicherweise auftretende thermische Spannungen reduziert oder vermieden werden können und dadurch beispielsweise hohe mechanische Belastungen von Schweißnähten zwischen dem Rohrboden und damit verbundenen Rohren und/oder zwischen dem Rohrboden und einem Mantel reduziert und/oder vermieden werden können. Somit bietet dies den Vorteil, dass die Materialermüdung verringert und/oder die Langlebigkeit des Wärmetauschers bzw. des Rohrbodens erhöht werden kann. Insbesondere kann dazu das Anbringen eines als Schablone ausgebildeten Temperaturausgleichselements, welches an die Größe und/oder Struktur des Rohrbodens und/oder der Rohre angepasst ist, besonders vorteilhaft sein, da dies auch die nachträgliche Aufwertung eines Rohrbodens mittels eines
Temperaturausgleichselements ermöglicht.
Ferner bietet die Erfindung den Vorteil, dass die Lebensdauer von Wärmetauschern verlängert werden kann und/oder ein Verschleiß des Wärmetauschers reduziert werden kann. Auch bietet die Erfindung den Vorteil, dass die Wartungsarbeiten und/oder Wartungskosten reduziert werden können, da vorzugsweise ein Austausch von Bauteilen, welche herkömmlicherweise thermisch sehr stark beansprucht werden, nicht mehr oder nur noch in geringerem Umfang erforderlich sind.
Ferner bietet die Erfindung den Vorteil, dass eine Störanfälligkeit des Wärmetauschers reduziert werden kann. Beispielsweise kann die Erfindung den Vorteil bieten, dass bei Wärmetauschern, bei welchen das mantelseitige Fluid bei Abfallen der Temperatur zum Erstarren neigt, wie etwa bei Wärmetauschern mit Wasser und/oder Glykol auf der Mantelseite, das Erstarren des mantelseitigen Fluids verlangsamt und/oder vermieden werden kann. So kann beispielsweise bei einem Ausfall der Mantelseite, d.h. wenn eine Strömung bzw. eine Zu- und/oder Abfuhr des mantelseitigen Fluids nicht oder nicht in ausreichendem Maße gewährleistet ist, durch das
Temperaturausgleichselement zumindest teilweise und/oder zumindest vorübergehend eine Eisbildung an der Mantelseite der Rohre und/oder des Rohrbodens vermieden werden und der Betrieb des Wärmetauschers zumindest vorübergehend aufrecht erhalten werden. Ferner können dadurch Schäden, welche herkömmlicherweise durch eine räumliche Ausdehnung des mantelseitigen Fluids bei der Eisbildung auftreten, verringert und/oder vermieden und/oder verzögert werden. Des Weiteren weist die Erfindung den Vorteil auf, dass thermische Belastungen und insbesondere daraus resultierende mechanische Belastungen an den Kontaktstellen, an welchen Rohre mit den Anschlussöffnungen des Rohrbodens verbunden sind, reduziert und/oder vermieden werden können. Beispielsweise können Schweißnähte, mittels welcher die Rohre an dem Rohrboden bzw. an den Anschlussöffnungen befestigt sind, vor Beschädigungen durch starke thermische Ausdehnungen geschützt werden.
Vorzugsweise ist bei einer Rohrbodenanordnung mit Anschlussöffnungen in dem Rohrbodenkörper für Rohre des Wärmetauschers das Temperaturausgleichselement in einem vorgegebenen Bereich von Anschlussöffnungen an dem Rohrbodenkörper angeordnet und/oder in den Rohrbodenkörper integriert. Dieser Bereich ist
vorzugsweise derjenige Bereich mit großen Temperaturgradienten bzw. ein Bereich, in dem die zu erwartende thermische Beanspruchung des Rohrbodenkörpers ein vorbestimmtes Maß übersteigt, wie oben und auch weiter unten erläutert. Dieser Bereich ist in der Praxis häufig zentriert in der Querschnittsfläche des
Rohrbodenkörpers angeordnet. Andere Bereiche des Rohrbodenkörpers müssen nicht zwingend mit einem Temperaturausgleichselement versehen werden, was Kosten einspart.
Der vorgegebene Bereich beträgt mit Vorteil zumindest 10%, insbesondere zumindest 20%, insbesondere zumindest 30%, insbesondere zumindest 40%, insbesondere zumindest 50%, insbesondere zumindest 60% der Querschnittsfläche des
Rohrbodenkörpers. Besonders vorteilhaft ist eine Ausdehnung im Umfang von 10-50%, insbesondere 20-40%, der Querschnittsfläche.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Temperaturausgleichselement eine Ummantelung auf, welche einen Hohlraum bildet, wobei das Phasenwechselelement in diesem Hohlraum angeordnet ist und mit der Ummantelung in thermischem Kontakt steht. Dies bietet den Vorteil, dass durch die Ummantelung das Austreten des
Phasenwechselmaterials und/oder ein Eindringen von wärmetauschendem Fluid und/oder von Verunreinigungen in den Hohlraum zum Phasenwechselelement vermieden werden kann. Dabei kann das Temperaturausgleichselement vorteilhafterweise derart in den
Rohrbodenkörper integriert sein, dass der Rohrbodenkörper selbst den Hohlraum aufweist, in welchem das zumindest eine Phasenwechselelement angeordnet ist. Das Temperaturausgleichselement und der Rohrbodenkörper bilden in diesem Fall eine bauliche Einheit. Dabei ist vorzugsweise das Phasenwechselelement vollständig von dem Rohrbodenkörper umschlossen. Vorzugsweise kann der gesamte
Rohrbodenkörper als ein Temperaturausgleichselement ausgebildet sein. Dies bietet den Vorteil, dass das Temperaturausgleichselement nicht separat an den
Rohrbodenkörper angeordnet werden muss. Ein solch integraler Aufbau kann insbesondere durch additive Fertigungsverfahren, wie weiter unten erläutert, realisiert werden.
Vorzugsweise umfasst ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher neben der
erfindungsgemäßen Rohrbodenanordnung zumindest ein mit einer Anschlussöffnung im Rohrbodenkörper verbundenes Rohr mit zumindest einem weiteren
Phasenwechselelement bzw. einem weiteren Temperaturausgleichselement, wobei das weitere Temperaturausgleichselement derart an dem Rohr angeordnet ist und/oder in das Rohr integriert ist, dass das weitere Phasenwechselelement mit dem Rohr zumindest teilweise in thermischem Kontakt steht. Dies bietet den Vorteil, dass schnelle und/oder starke Temperaturänderungen sowohl am Rohrboden als auch an dem zumindest einen Rohr reduziert und/oder vermieden und/oder verlangsamt werden können. Es ist hierbei möglich, das weitere Temperaturausgleichselement als Bestandteil zumindest eines Teils des betreffenden Rohrs oder beispielsweise als Einschub in zumindest einen Teil des betreffenden Rohrs auszubilden.
Vorzugsweise wird beim erfindungsgemäßen Verfahren der Rohrbodenkörper und/oder das Temperaturausgleichselement mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt. Diese Verfahren sind auch als "3D-Druck" bekannt. Ein solches additives Fertigungsverfahren bietet sich insbesondere an, wenn das
Temperaturausgleichselement in den Rohrbodenkörper integriert ist. Vorzugsweise wird in der integralen Ausführung der Rohrbodenkörper derart hergestellt, dass er einen Hohlraum umschließt und das Phasenwechselelement in dem Hohlraum derart angeordnet wird, dass das Phasenwechselelement mit dem Rohrbodenkörper in thermischem Kontakt steht. Das Anordnen des Phasenwechselelements erfolgt vor dem vollständigen Schließen des Hohlraums. In einer bevorzugten Ausführungsform wird vorab eine räumliche Verteilung einer zu erwartenden thermischen Beanspruchung des Rohrbodenkörpers ermittelt, wobei das Herstellen des Rohrbodenkörpers anschließend derart erfolgt, dass das
Temperaturausgleichselement zumindest in einem Bereich des Rohrbodenkörpers angeordnet wird, an dem die zu erwartende thermische Beanspruchung des
Rohrbodenkörpers ein vorbestimmtes Maß übersteigt. Dies bietet den Vorteil, dass die Bereitstellung eines Temperaturausgleichselements und/oder eines
Phasenwechselelements gezielt dort erfolgen kann, wo dies einen besonders vorteilhaften Effekt verspricht, d.h. dort, wo mit besonders starken und/oder schnellen Temperaturänderungen zu rechnen ist. Andererseits ermöglicht dies eine besonders kosteneffektive Bereitstellung des Temperaturausgleichselements und/oder des Phasenwechselelements, da dies auf die Bereiche beschränkt werden kann, in welchen die besonders schnellen und/oder starken Temperaturänderungen zu erwarten sind.
Im Folgenden sollen die Erfindung und ihre Vorteile anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Einzelne Komponenten in den dargestellten Figuren können auch in anderen Kombinationen als dargestellt eingesetzt werden.
Figurenbeschreibung
Die Figuren 1A und 1 B zeigen eine Rohrbodenanordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in Draufsichts- und in Querschnittsansicht.
Figur 1 C zeigt eine Rohrbodenanordnung in einer schematischen Querschnittsansicht gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.
Figur 1 D zeigt einen Wärmetauscher mit einer Rohrbodenanordnung in einer bevorzugten Ausführungsform.
Figur 2 zeigt in einer schematischen Querschnittdarstellung ein
Temperaturausgleichselement gemäß einer bevorzugten Ausführungsform. Figur 3 zeigt in einem Diagramm schematisch einen beispielhaften Verlauf der
Temperatur von Bauteilen.
Die Figuren 4A und 4B zeigen in Längs- bzw. Querschnittsansichten ein Rohr eines Wärmetauschers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.
Die Figuren 5A und 5B zeigen in Längs- bzw. Querschnittsansichten ein Rohr eines Wärmetauschers gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.
Detaillierte Beschreibung der Figuren
Die Figuren 1A und 1 B zeigen eine Rohrbodenanordnung 10 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in Draufsicht (Figur 1A) und in einer Querschnittsansicht (Figur 1 B). Figur 1 B zeigt die Rohrbodenanordnung in einer Querschnittansicht entlang der in Figur 1 A gezeigten Linie A-A. Die Draufsicht in Figur 1A entspricht somit einer
Projektion in eine Ebene senkrecht zu einer Lotachse 300 (siehe Figuren 1 B und 1 C), welche senkrecht auf der Oberfläche des Rohrbodenkörpers 12 steht und parallel zu den Anschlussöffnungen 14 verläuft. Die Rohrbodenanordnung 10 umfasst einen Rohrbodenkörper 12, welcher scheibenförmig mit einem runden Querschnitt ausgebildet ist und eine Mehrzahl von Anschlussöffnungen 14 aufweist, an welchen Rohre (nicht gezeigt) des Wärmetauschers angeordnet und befestigt werden können. Beispielsweise können die Rohre derart an dem Rohrbodenkörper 12 befestigt werden, wie etwa durch Verschweißen, dass der Innenquerschnitt der Rohre mit den
Anschlussöffnungen 14 überlappt. Über die den Rohren sodann abgewandte Seite des Rohrbodenkörpers 12 kann demnach ein zum Wärmetausch vorgesehenes Fluid in die Rohre eingespeist werden, welches sodann rohrseitig am Wärmetausch beteiligt ist. Über die Außenseiten der Rohre, d.h. mantelseitig, kann ein weiteres am
Wärmetausch beteiligtes Fluid mit den Rohren in thermischem Kontakt stehen, sodass über die Rohrwände der Wärmeaustausch erfolgen kann.
Da der Temperaturunterschied der Fluide üblicherweise am Eintritt der Fluide in den Rohrboden bzw. in den Rohrbodenkörper 12 bzw. in die Rohrbodenanordnung 10 bzw. in den Wärmetauscher 60 (vgl. Figur 1 D) am größten ist, ist insbesondere am
Rohrbodenkörper 12 und an den am Rohrbodenkörper 12 befestigten Rohrenden mit den größten Temperaturunterschieden zu rechnen. Insbesondere kann vor allem auch beim Eintreten des Fluids in den Rohrbodenkörper 12 und in die Rohre eine sehr schnelle Temperaturänderung auftreten, welche zu großen mechanischen Belastungen des Rohrbodenkörpers 12 und der Rohre führen kann. Um derartigen schnellen Temperaturänderungen des Rohrbodenkörpers 12 und der damit verbundenen Rohrenden vorzubeugen bzw. um diese zumindest teilweise auszugleichen, weist die Rohrbodenanordnung 10 ein Temperaturausgleichselement 16 auf, welches derart an dem Rohrbodenkörper 12 angeordnet ist, dass ein thermischer Kontakt zwischen dem Rohrbodenkörper 12 und dem Temperaturausgleichselement 16 sowie dem
Phasenwechselelement dieses Temperaturausgleichselements besteht. Insbesondere kann das Temperaturausgleichselement 16 derart an dem Rohrbodenkörper 12 befestigt sein, dass ein effizienter Wärmeübertrag zwischen dem
Temperaturausgleichselement 16 und dem Rohrbodenkörper 12 ermöglicht wird.
Gemäß der gezeigten Ausführungsform ist das Temperaturausgleichselement 16 nach Art einer Schablone (hier als runde Scheibe) ausgebildet, welche in ihrer Formgebung an den Rohrbodenkörper 12 und die daran zu befestigenden Rohre angepasst ist. Insbesondere ist das Temperaturausgleichselement 16 als ein flächiges Element ausgebildet, welches auf dem Rohrbodenkörper 12 liegend anordenbar ist und zu den Anschlussöffnungen 14 korrespondierende Ausnehmungen 18 aufweist, durch welche die Rohre verlaufen können, um an dem Rohrbodenkörper 12 befestigt zu werden. Dadurch wird sichergestellt, dass das Temperaturausgleichselement 16 an dem Rohrbodenkörper 12 zwischen den Rohren verlaufend angeordnet werden kann.
Vorzugsweise ist dabei das Temperaturausgleichselement derart ausgestaltet, dass Eintrittsöffnungen bzw. die Anschlussöffnungen, durch welche Fluide in den
Rohrboden eingeleitet werden können, nicht oder höchstens teilweise durch das Temperaturausgleichselement 16 bedeckt werden.
Zusätzlich oder alternativ können ein oder mehrere (hier nicht dargestellte)
Temperaturausgleichselemente 16 in einem Bereich zwischen Rohrbodenkörper 12 und dem den Rohrbodenkörper 12 umgebenden Mantel liegen, wobei das bzw. die Temperaturausgleichselemente 16 an der Außenseite des Mantels und/oder an der Innenseite des Mantels in diesem Bereich angeordnet sein können. Auf diese Weise kann das Temperaturausgleichselement 16 nicht nur schnelle Temperaturänderungen des Rohrbodenkörpers 12 ausgleichen und/oder
verlangsamen, sondern auch rasche Temperaturänderungen der mit dem
Rohrbodenkörper 12 verbundenen Rohre und insbesondere der Kontaktstellen bzw. Nahtstellen zwischen den Rohren und dem Rohrbodenkörper 12. Dadurch kann eine Beschädigung dieser Nahtstellen, welche insbesondere Schweißnähte aufweisen können, aufgrund thermischer Beanspruchung und temperaturbedingter Ausdehnung zumindest teilweise und/oder zumindest vorübergehend verhindert werden.
Gemäß der gezeigten Ausführungsform überlappt das Temperaturausgleichselement 16 nicht mit der gesamten Querschnittsfläche des Rohrbodenkörpers 12, sondern bedeckt nur seinen zentralen bzw. innenliegenden Bereich. Dies kann beispielsweise für Wärmetauscher vorteilhaft sein, bei welchen nur in diesem zentralen Bereich starke und/oder schnelle Temperaturänderungen zu erwarten sind, während in den äußeren Bereichen, die nicht von dem Temperaturausgleichselement 16 bedeckt sind, dies nicht zu erwarten ist.
Das Temperaturausgleichselement 16 kann dabei beispielsweise ausschließlich aus einem Phasenwechselelement 24 bestehen und/oder eine Ummantelung aufweisen, welche einen mit dem Phasenwechselelement befüllten Hohlraum aufweist.
Figur 1 C zeigt eine Rohrbodenanordnung 10 in einer schematischen
Querschnittsansicht gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform. Gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform ist das Temperaturausgleichselement 16 in den Rohrbodenkörper 12 integriert, sodass der Rohrbodenkörper 12 und das
Temperaturausgleichselement 16 einen kompakten und einstückigen Rohrboden bilden. Dabei ist das Temperaturausgleichselement 16 von dem Rohrbodenkörper 12 vollständig umschlossen. Es ist in diesem Fall auch möglich, dass das
Temperaturausgleichselement 16 ganz aus dem Phasenwechselelement 24 besteht, so dass letzteres von dem Rohrbodenkörper 12 vollständig umschlossen ist.
Wenngleich in der gezeigten Querschnittsansicht das Temperaturausgleichselement 16 als mehrere separate Segmente dargestellt ist, so sind diese vorzugsweise miteinander verbunden und bilden vorzugsweise ein zusammenhängendes, sich im Inneren des Rohrbodenkörpers 12 erstreckendes Temperaturausgleichselement 16. Alternativ können jedoch gemäß anderen bevorzugten Ausführungsformen auch mehrere, separat voneinander ausgebildete Temperaturausgleichselemente 16 in einen Rohrbodenkörper 12 integriert sein, welche nicht Zusammenhängen.
Figur 1 D zeigt eine Ausführungsform eines Wärmetauschers 60 schematisch im Längsschnitt, wobei auf der linken Seite der Figur 1 D ein Querschnitt durch den Rohrboden des Wärmetauschers 60 dargestellt ist. Entsprechend ist dort eine
Rohrbodenanordnung 10 (vgl. Fig. 1A) mit einem Rohrbodenkörper 12 und einem Temperaturausgleichselement 16 zu sehen. Im Längsschnitt bilden zwei Rohrböden die Abschlüsse des Wärmetauschers 60, wobei beide Rohrböden als
erfindungsgemäße Rohrbodenanordnungen 10 ausgebildet sein können. Mit 61 und 62 sind die Zu- bzw. Abführungsleitungen für ein erstes Prozessmedium, mit 63 und 64 die Zu- bzw. Abführungsleitungen für ein zweites Prozessmedium dargestellt. In einer möglichen Variante vollziehen beide Prozessmedien einen Wärmeaustausch in Gegenströmung, wobei das eine Prozessmedium in den Rohren 26 verläuft
("rohrseitig"), das andere außerhalb ("mantelseitig"). Andere Varianten mit
beispielsweise mehreren Wegen auf der Rohrseite sind ebenfalls möglich.
Figur 2 zeigt in einer schematischen Querschnittdarstellung ein
Temperaturausgleichselement 16 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, welches beispielsweise in einen Rohrbodenkörper 12 eingebaut und/oder daran angeordnet und/oder darin integriert werden kann. Das Temperaturausgleichselement 16 weist eine Ummantelung 20 auf, welche vorzugsweise aus einem Material mit großer Wärmeleitfähigkeit ausgebildet ist. Beispielsweise kann die Ummantelung 20 aus einem Metall, wie etwa aus Aluminium ausgebildet sein. Es ist auch möglich und vorteilhaft, wenn die Ummantelung 20 Teil des Rohrbodenkörpers 12 selbst ist. Die Ummantelung 20 bildet und umschließt einen Hohlraum 22. In den Hohlraum 22 ist ein Phasenwechselelement 24 bzw. Phasenwechselmaterial eingebettet, sodass die Ummantelung 20 den Hohlraum 22 vollständig umschießt. Der Hohlraum 20 kann vorzugsweise durch die Ummantelung 28 an allen Seiten verschlossen sein, sodass das Phasenwechselmaterial 18 durch die Ummantelung 28 am Austreten aus dem Hohlraum 20 gehindert wird. Beispielsweise kann bei der Herstellung des
Temperaturausgleichselements 16 zunächst die Ummantelung hergestellt werden, sodass der Hohlraum zumindest teilweise entsteht, dann das Phasenwechselmaterial 24 in den Hohlraum 22 gefüllt werden und anschließend der Hohlraum 22 bzw. die Ummantelung 20 verschlossen werden. Alternativ kann das gesamte Temperaturausgleichselement 16 zumindest teilweise mittels eines additiven
Herstellungsverfahrens hergestellt werden, beispielsweise mittels 3D-Druckens. Dies kann die Möglichkeit bieten, das Phasenwechselmaterial 24 bereits in dem zumindest teilweise fertiggestellten Hohlraum 22 anzuordnen, auch wenn die Herstellung der Ummantelung 20 noch nicht abgeschlossen ist. Dies kann vorteilhaft sein, um
Temperaturausgleichselemente 16 mit besonders komplexen Strukturen herzustellen, bei welchen ein nachträgliches Einbringen des Phasenwechselmaterials 24 nicht oder nur schwer möglich wäre.
Figur 3 zeigt in einem Diagramm 100 schematisch einen beispielhaften Verlauf der Temperatur (Achse 104) gegen die Zeit (Achse 102) eines Bauteils, wie etwa eines Rohrbodenkörpers 12, mit einem Temperaturausgleichselement 16 (Graph 1 10) im Vergleich zum Temperaturverlauf eines Bauteils ohne Temperaturausgleichselement 16 (Diagramm 112), wenn diese einem starken von außen einwirkenden
Temperaturwechsel ausgesetzt sind. Dabei ist erkennbar, dass sich die Temperatur des Bauteils mit Temperaturausgleichselement 16 deutlich langsamer und
kontinuierlicher ändert, als dies bei dem Bauteil ohne Temperaturausgleichselement der Fall ist. Dadurch können thermische und mechanische Belastungen auf das Bauteil durch das Einbringen und/oder Anbringen eines Phasenwechselelements 24 reduziert werden.
Die Figuren 4A und 4B zeigen in einer Längs- bzw. Querschnittsansicht ein Rohr 26 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform für einen Wärmetauscher 60 (vgl. Fig. 1 D) in einer weiteren Ausgestaltung, wobei hier zusätzlich das Rohr 26 zumindest zum Teil als ein weiteres Temperaturausgleichselement 16 ausgestaltet ist bzw. ein solches aufweist. Figur 4A zeigt das Rohr 26 in einer Längsschnittansicht und Figur 4B in Querschnittansicht entlang der Linie A-A. Die Rohrwand 28 und eine darin
angeordnete Innenwand 30 bilden einen dazwischen liegenden Hohlraum, welche mit dem Phasenwechselelement 24 befüllt ist. Dabei verringert sich der Innendurchmesser des Rohrs, sodass der Innenraum 32 für das Strömen des Fluids durch das Rohr 26 verbleibt. Hingegen ermöglicht das Phasenwechselelement 24 ein Reduzieren bzw. Verlangsamen schneller Temperaturänderungen. Die Verwendung derartiger Rohre kann besonders in Wärmetauschern vorteilhaft sein, in welchen es ein Überschreiten und/oder ein Unterschreiten einer vorbestimmten Temperatur zu vermeiden gilt, da es beispielsweise andernfalls zur Bildung von Eis kommt. Auch kann dies den Vorteil bieten, dass das rohrseitige Fluid und/oder das mantelseitige Fluid möglichst nahe an eine vorbestimmte Grenztemperatur herangeführt werden kann bzw. können und dennoch ein Überschreiten und/oder Unterschreiten dieser Grenztemperatur zu verhindert werden kann, da das Phasenwechselelement 24 eine thermische Trägheit des Rohrs 26 vergrößert und somit ein rasches Überschreiten und/oder Unterschreiten der Grenztemperatur verhindern kann.
Die Figuren 5A und 5B zeigen in einer Längs- bzw. Querschnittsansicht ein Rohr 26 gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform für einen Wärmetauscher 60 (vgl. Fig. 1 D) in einer weiteren Ausgestaltung, wobei hier zusätzlich das Rohr 26 mit einem weiteren Temperaturausgleichselement 16 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform versehen ist. Figur 5A zeigt das Rohr 26 in einer Längsschnittansicht und Figur 5B in Querschnittansicht entlang der Linie A-A. Das Temperaturausgleichselement 16 ist dabei als Einschub ausgebildet, welches in ein vorgefertigtes Rohr 26 eingeschoben werden kann. Das Temperaturausgleichselement 16 weist dabei eine zylinderförmige Ummantelung 20 auf, in welche das Phasenwechselelement 24 eingebracht ist. Ferner weist das Temperaturausgleichselement 16 einen Stutzen bzw. Trichter 36 auf, welcher in der Zeichnung aus einem der Rohrenden herausragt und der primär zur Fixierung des Einschubs im Rohr 26 dient, wobei er auch nach Art eines Trichters ein leichteres Einführen des Fluids in den durch das Temperaturausgleichselement 16 verjüngten Innendurchmesser des Rohrs 26 ermöglicht, wie mit Pfeil 200 angedeutet ist. Das Temperaturausgleichselement 16 erstreckt sich gemäß der gezeigten
Ausführungsform nicht über die gesamte Länge des Rohrs 26, sondern lediglich über eine kürzere Länge beginnend an dem Ende des Rohrs, an dem das rohrseitige Fluid in das Rohr 26 einströmt. Dies kann ausreichend sein, da bei bereits teilweise erfolgtem Wärmeaustausch zu Beginn des Rohrs 26 der Temperaturunterschied zwischen dem rohrseitigen und dem mantelseitigen Fluid geringer ist, als bei
Einströmen des rohrseitigen Fluids in das Rohr 26.
Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass ein bereits bestehendes Rohr 26 mit einem Temperaturausgleichselement 16 auf einfache Weise nachgerüstet werden kann. Bezugszeichen
10 Rohrbodenanordnung
12 Rohrbodenkörper
14 Anschlussöffnung
16 Temperaturausgleichselement
18 Ausnehmung
20 Ummantelung
22 Hohlraum
24 Phasenwechselelement
26 Rohr
28 Rohrwand
30 Innenwand
32 Innenraum
36 Stutzen, Trichter
60 Wärmetauscher
61 Zuführungsleitung für erstes Prozessmedium
62 Abführungsleitung für erstes Prozessmedium
63 Zuführungsleitung für zweites Prozessmedium
64 Abführungsleitung für zweites Prozessmedium
100 Diagramm
102 Zeitachse
104 Temperaturachse
110 Graph eines Bauteils mit Temperaturausgleichselement 112 Graph eines Bauteils ohne Temperaturausgleichselement
200 Strömungsrichtung
202 Strömungsrichtung
300 Lotachse

Claims

Patentansprüche
1. Rohrbodenanordnung (10) für einen Wärmetauscher (60), umfassend:
einen Rohrbodenkörper (12);
ein Temperaturausgleichselement (16) mit zumindest einem
Phasenwechselelement (24), wobei das Temperaturausgleichselement (16) derart an dem Rohrbodenkörper (12) angeordnet ist und/oder in den
Rohrbodenkörper (12) integriert ist, dass das Phasenwechselelement (24) mit dem Rohrbodenkörper (12) zumindest teilweise in thermischem Kontakt steht.
2. Rohrbodenanordnung (10) gemäß Anspruch 1 mit Anschlussöffnungen (14) in dem Rohrbodenkörper (12) für Rohre (16) des Wärmetauschers (60), wobei das Temperaturausgleichselement (16) in einem vorgegebenen Bereich von
Anschlussöffnungen (14) an dem Rohrbodenkörper (12) angeordnet ist und/oder in den Rohrbodenkörper (12) integriert ist.
3. Rohrbodenanordnung (10) gemäß Anspruch 2, wobei der vorgegebene Bereich zumindest 10%, insbesondere zumindest 20%, insbesondere zumindest 30%, insbesondere zumindest 40%, insbesondere zumindest 50%, insbesondere zumindest 60% der Querschnittsfläche des Rohrbodenkörpers (12) beträgt.
4. Rohrbodenanordnung (10) gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei der vorgegebene Bereich zentriert in der Querschnittsfläche des Rohrbodenkörpers (12) angeordnet ist.
5. Rohrbodenanordnung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das
Temperaturausgleichselement (16) in Form einer Schablone auf dem
Rohrbodenkörper (12) angeordnet ist.
6. Rohrbodenanordnung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein oder mehrere Temperaturausgleichselemente (16) in einem Bereich zwischen
Rohrbodenkörper (12) und einem den Rohrbodenkörper (12) umgebenden Mantel angeordndet sind, wobei das bzw. die Temperaturausgleichselemente (16) an der Außenseite des Mantels und/oder an der Innenseite des Mantels in diesem Bereich angeordnet sind.
7. Rohrbodenanordnung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Temperaturausgleichselement (16) eine Ummantelung (20) aufweist, welche einen Hohlraum (22) bildet, wobei das Phasenwechselelement (24) in dem Hohlraum (22) angeordnet ist und mit der Ummantelung (20) in thermischem Kontakt steht.
8. Rohrbodenanordnung (10) gemäß Anspruch 7, wobei das
Temperaturausgleichselement (16) derart in den Rohrbodenkörper (12) integriert ist, dass der Rohrbodenkörper (12) den Hohlraum (22) aufweist, in welchem das zumindest eine Phasenwechselelement (24) angeordnet ist, das dabei vorzugsweise vollständig von dem Rohrbodenkörper (12) umschlossen ist.
9. Rohrbodenanordnung (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Phasenwechselelement (24) dazu ausgelegt ist, bei einer Phasenumwandlung ein größeres Maß an Wärmeenergie abzugeben und/oder aufzunehmen als das Maß an Wärmeenergie, das das Phasenwechselelement (24) aufgrund seiner spezifischen Wärmekapazität ohne eine Phasenumwandlung speichern kann.
10. Rohrbodenanordnung (10) gemäß Anspruch 9, wobei die Phasenumwandlung eine Umwandlung von der festen Phase in die flüssige Phase und/oder von der flüssigen Phase in die feste Phase und/oder von einer kristallinen festen Phase in eine amorphe feste Phase und/oder von einer amorphen festen Phase in eine kristalline feste Phase umfasst.
11. Wärmetauscher (60) umfassend zumindest eine Rohrbodenanordnung (10)
gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.
12. Wärmetauscher (60) nach Anspruch 11 mit Rohren (26), die mit der zumindest einen Rohrbodenanordnung (10) verbunden sind, wobei mindestens eines der Rohre (26) mit einem weiteren Temperaturausgleichselement (16) mit zumindest einem weiteren Phasenwechselelement (24) ausgestattet ist, wobei das weitere Temperaturausgleichselement (16) derart an dem Rohr (26) angeordnet ist und/oder in das Rohr (26) integriert ist, dass das weitere Phasenwechselelement (24) mit dem Rohr (26) zumindest teilweise in thermischem Kontakt steht.
13. Verfahren zur Herstellung einer Rohrbodenanordnung (10) für einen
Wärmetauscher (60) umfassend:
Herstellen eines Rohrbodenkörpers (12) der Rohrbodenanordnung;
- Anordnen und/oder Integrieren eines Temperaturausgleichselements (16) mit zumindest einem Phasenwechselelement (24) an dem und/oder in den Rohrbodenkörper (12) derart, dass das Phasenwechselelement (24) mit dem Rohrbodenkörper (12) zumindest teilweise in thermischem Kontakt steht.
14. Verfahren gemäß Anspruch 13, bei dem der Rohrbodenkörper (12) und/oder das
Temperaturausgleichselement (16) zumindest zum Teil mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt wird oder werden.
15. Verfahren gemäß Anspruch 13 oder 14, bei dem der Rohrbodenkörper (12) derart hergestellt wird, dass er einen Hohlraum (22) umschließt und das
Phasenwechselelement (24) in dem Hohlraum (22) derart angeordnet wird, dass das Phasenwechselelement (24) mit dem Rohrbodenkörper (12) in thermischem Kontakt steht.
16. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, bei dem vorab eine räumliche
Verteilung einer zu erwartenden thermischen Beanspruchung des
Rohrbodenkörpers (12) ermittelt wird, wobei das Herstellen des Rohrbodenkörpers (12) anschließend derart erfolgt, dass das Temperaturausgleichselement (16) zumindest in einem Bereich des Rohrbodenkörpers (12) angeordnet wird, an dem die zu erwartende thermische Beanspruchung des Rohrbodenkörpers (12) ein vorbestimmtes Maß übersteigt.
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