WO2020011399A1

WO2020011399A1 - Temperaturausgleichselement, rohr und verfahren zur herstellung eines rohrs

Info

Publication number: WO2020011399A1
Application number: PCT/EP2019/025226
Authority: WO
Inventors: Manfred Steinbauer; Konrad Braun; Alexander WOITALKA; Stefan Gewald
Original assignee: Linde Aktiengesellschaft
Priority date: 2018-07-11
Filing date: 2019-07-11
Publication date: 2020-01-16
Also published as: US20210270540A1; CN112352134A; EP3821191A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Temperaturausgleichselement (40) für ein Rohr (30), wobei das Temperaturausgleichselement (40) zumindest ein Phasenwechselelement (20) aufweist und in das Rohr (30) derart einsetzbar ist, dass das Temperaturausgleichselement (40) flächig an einer Innenfläche (32a) eines Rohrmantels (32) des Rohrs (30) anliegt und dass das Phasenwechselelement (40) in thermischem Kontakt mit dem Rohr (30) steht, und wobei das Temperaturausgleichselement (40) einen Durchlasskanal (22) entlang einer Verlaufsrichtung (100) des Rohrs (30) bildet.

Description

Beschreibung

Temperaturausaleichselement. Rohr und Verfahren zur Herstellung eines Rohrs

Die Erfindung betrifft ein Temperaturausgleichselement für ein Rohr, ein Rohr, insbesondere für einen Wärmetauscher und/oder einen chemischen Reaktor, einen Wärmetauscher, einen chemischen Reaktor und ein Verfahren zur Herstellung eines Rohrs. 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, wie etwa an den Rohren, 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, insbesondere in den Rohren, und in unerwünschten

Materialermüdungen resultieren. Insbesondere können an und nahe der

Eintrittsöffnung eines Rohrs, d.h. an und/oder nahe der Öffnung, über die das rohrseitige wärmetauschende Fluid in das Rohr eintritt, sehr große thermische

Belastungen auftreten, da dort das einströmende Fluid typischerweise die höchste oder niedrigste Temperatur aufweist, da mit Eintritt des Fluids in das Rohr das Fluid erst dem Wärmetauschprozess zugeführt wird. Daher können vor allem die

Eintrittsbereiche der Rohre sehr großen Temperaturdifferenzen durch das einerseits rohrseitige in die Rohre einströmende Fluid und andererseits das zum

Wärmeaustausch vorgesehene mantelseitige Fluid ausgesetzt sein, welche folglich zu großen mechanischen Belastungen des Rohrs führen können. Beispielsweise können Materialermüdungen, wie etwa Verformungen und/oder Haarrisse, auftreten und eine Reparatur oder gar den Austausch des Rohrs und/oder des Wärmetauschers und/oder chemischen Reaktors erforderlich machen.

Um unerwünschte thermische Spannungen in einem Rohr zumindest teilweise zu vermeiden, werden herkömmlicherweise zum Teil externe Bedingungen 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 das Rohr bzw. die Rohre angepasst werden. Dies birgt jedoch den Nachteil, dass häufig eine sehr aufwändige

Regelungstechnik zur Anpassung dieser Bedingungen erforderlich ist und/oder dass der Wärmetauscher und/oder der chemische Reaktor anderweitige aufwändige Ausgestaltungen und/oder Komponenten erfordert, welche die Komplexität des Wärmetauschers bzw. chemischen Reaktors vergrößern und/oder die

Anschaffungskosten und/oder die Wartungskosten des Wärmetauschers bzw.

chemischen Reaktors erhöhen.

Die Verwendung von Phasenwechselelementen ist im Stand der Technik für den Einsatz in Kühlern für elektronische Bauteile bekannt, wie dies beispielsweise in den Druckschriften EP 1162659 A2 und WO 2003046982 A1 offenbart ist. Auch ist die Verwendung eines Phasenwechselelements in einem Wärmespeicher ist in der Druckschrift US 20170127557 A1 offenbart. Die US 201 1/0186169 A1 beschreibt ein Rohr für eine Unterwasserpipeline mit einer Isolierschicht, die zwischen einem inneren und einem dazu koaxialen äußeren Rohr insbesondere in Form eines gelförmigen Phasenwechselmaterials eingefüllt ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Rohr für einen Wärmetauscher und/oder für einen chemischen Reaktor derart bereitzustellen oder anzupassen, dass die den im Stand der Technik bekannten Rohren anhaftenden Nachteile zumindest teilweise behoben werden. Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Rohr bereitzustellen, welches geringere Beeinträchtigungen durch thermische

Belastungen erfährt. Die Erfindung wird durch ein Temperaturausgleichselement für einen Rohr, ein Rohr, einen Wärmetauscher, einen chemischen Reaktor und ein Verfahren zur Herstellung eines Rohrs mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Ansprüche gelöst.

Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung.

In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Temperaturausgleichselement für ein Rohr, wobei das Temperaturausgleichselement zumindest ein Phasenwechselelement aufweist und in ein Rohr derart einsetzbar ist, dass das Temperaturausgleichselement flächig an einer Innenfläche eines Rohrmantels des Rohrs anliegt und dass das Phasenwechselelement in thermischem Kontakt mit dem Rohr steht. Dabei bildet das Temperaturausgleichselement einen Durchlasskanal entlang einer Verlaufsrichtung des Rohrs.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Rohr aufweisend ein

erfindungsgemäßes T emperaturausgleichselement.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Rohr mit einem Rohrmantel, welcher einen vom Rohrmantel umschlossenen Hohlraum umfasst. Das Rohr weist ferner ein Phasenwechselelement auf, welches in dem Hohlraum im Rohrmantel derart angeordnet ist, dass das Phasenwechselelement zumindest teilweise in thermischem Kontakt mit dem Rohrmantel steht.

In weiteren Aspekten betrifft die Erfindung einen Wärmetauscher und einen

chemischen Reaktor mit jeweils zumindest einem erfindungsgemäßen Rohr.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Rohres. Das Verfahren umfasst ein Herstellen eines Rohrmantels derart, dass der Rohrmantel einen vom Rohrmantel umschlossenen Hohlraum aufweist, sowie ein Anordnen eines Phasenwechselelements in dem Hohlraum im Rohrmantel derart, dass das Phasenwechselelement mit dem Rohrmantel zumindest teilweise in thermischem Kontakt steht.

Dass das Temperaturausgleichselement in ein Rohr einsetzbar ist bedeutet dabei, dass das Temperaturausgleichselement zumindest teilweise im Inneren des Rohrs angeordnet werden kann. Beispielsweise kann dies durch ein Einschieben und/oder Einpressen des Temperaturausgleichselements in das Rohr derart geschehen, dass das Temperaturausgleichselements mit einer Innenseite des Rohrmantels in mechanischem Kontakt steht. Dazu kann vorzugsweise das

Temperaturausgleichselement hinsichtlich seiner Ausgestaltung und/oder seiner Abmessungen an das Rohr angepasst sein, in welches das

Temperaturausgleichselement eingesetzt werden soll. Beispielsweise kann dazu eine Querschnittsform des Temperaturausgleichselements im Wesentlichen einer

Querschnittsform der Innenseite des Rohrmantels entsprechen und/oder eine

Querschnittsabmessung, beispielsweise ein Durchmesser, des

Temperaturausgleichselements im Wesentlichen einer Abmessung der Innenseite des Rohrmantels, beispielweise dem Innendurchmesser, entsprechen. Dass das

Temperaturausgleichselement flächig mit dem Rohr verbunden ist, bedeutet dabei, dass das Temperaturausgleichselement nicht nur punktuell und/oder entlang einer Linie oder Kante mit dem Rohr verbunden ist, sondern eine zweidimensionale und insbesondere signifikante Kontaktfläche mit dem Rohr aufweist. Mit anderen Worten liegt das Temperaturausgleichselement vorzugsweise großflächig an der Innenseite des Rohrs an. Bevorzugt steht das Temperaturausgleichselement mit zumindest einem Teil der Innenseite bzw. Innenfläche des Rohrs in thermischem und mechanischem Kontakt, sodass ein effizienter Wärmeaustausch zwischen dem

Temperaturausgleichselement bzw. Phasenwechselelement und dem Rohrmantel erfolgen kann. Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann das

Temperaturausgleichselement eine anpassbare und/oder flexible Form aufweisen, um sich an die Innenabmessungen des Rohrs anpassen und/oder anschmiegen zu können. Vorzugsweise umfasst das Temperaturausgleichselement eine Ummantelung, welche einen Hohlraum bildet, wobei das Phasenwechselelement in dem Hohlraum angeordnet ist und mit der Ummantelung in thermischem Kontakt steht.

Dass das Temperaturausgleichselement mit dem Rohr in Kontakt steht bedeutet dabei, dass das Temperaturausgleichselement mit dem Rohr in thermischem Kontakt und vorzugsweise in mechanischem Kontakt steht. Mechanischer Kontakt bedeutet dabei insbesondere, dass sich das Temperaturausgleichselement und das Rohr berühren und vorzugsweise eine signifikante Berührungsfläche bzw. Kontaktfläche miteinander aufweisen. Thermischer Kontakt bedeutet dabei, dass ein Wärmeaustausch, vorzugsweise ein direkter Wärmeaustausch, zwischen dem

Temperaturausgleichselement und dem Rohr möglich ist.

Dass das Temperaturausgleichselement, wenn in das Rohr eingesetzt, einen

Durchlasskanal entlang der Verlaufsrichtung des Rohrs bildet, bedeutet dabei, dass das in das Rohr eingesetzte Temperaturausgleichselement das Rohr nicht vollständig verschließt, sondern nach wie vor einem Fluid das Durchströmen des Rohrs ermöglicht. Zwar kann das eingesetzte Temperaturausgleichselement eine

verbleibende innere Abmessung des Rohrs, insbesondere den sodann zur Verfügung stehenden Innendurchmesser, verjüngen, jedoch das Rohr nicht vollständig

verschließen. Dies ist dafür notwendig, dass das Rohr beispielsweise in einem

Wärmetauscher und/oder einen chemischen Reaktor seiner Funktion als Fluid

Transportkanal weiterhin gerecht werden kann. Die Verlaufsrichtung des Rohrs ist dabei die Richtung, in welche sich eine Längsachse des Rohrs und insbesondere der Rohrmantel erstreckt. Mit anderen Worten verläuft die Verlaufsrichtung des Rohrs senkrecht zur Querschnittrichtung des Rohrs und entspricht damit der Richtung, in welche ein Fluid das Rohr durchströmen kann.

Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung des Temperaturausgleichselements in Form eines Rohres oder Rohrelements, welches seinerseits flächig an zumindest einem Abschnitt der Innenfläche des Rohrmantels des (Wärmetauscher-)Rohrs anliegt, in das es einsetzbar ist. Einsetzbar heißt hier insbesondere, dass das rohrförmige Temperaturausgleichselement nachträglich und reversibel in dem Rohr montiert werden kann, also eine entfernbare Einheit bildet.

Das Phasenwechselelement weist 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 Rohr 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 des Rohrs oder zumindest eines solchen Teils des Rohrs, welcher ein Temperaturausgleichselement aufweist und/oder mit diesem in thermischem Kontakt steht, verlangsamt und/oder reduziert werden. Somit können mechanische Spannungen in dem Rohr reduziert oder gar ganz vermieden werden. Somit bietet sich das Einsetzen eines Temperaturausgleichselements in ein Rohr insbesondere in der Nähe von Schweißnähten an, beispielsweise dort, wo das Rohr an einem Rohrboden festgeschweißt ist oder werden soll, um eine hohe thermische und/oder mechanische Belastung der Schweißnaht zu vermeiden. Die Erfindung weist daher 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.

Auch bietet die Erfindung den Vorteil, dass besonders große Temperaturgradienten zumindest teilweise abgeschwächt werden können. Eine Abschwächung des

Temperaturgradienten kann somit auch mechanische Spannungen in dem Rohr reduzieren oder gar ganz vermeiden und somit eine Materialermüdung verlangsamen oder verhindern.

Ferner bietet die Erfindung den Vorteil, dass die Lebensdauer von Rohren und insbesondere von Wärmetauschern und/oder chemischen Reaktoren die mit erfindungsgemäßen Rohren ausgestattet sind, verlängert werden kann und/oder ein Verschleiß des Rohrs und/oder Wärmetauschers und/oder chemischen Reaktors reduziert werden kann. Auch bietet die Erfindung den Vorteil, dass die

Wartungsarbeiten und/oder Wartungskosten reduziert werden können, da

vorzugsweise ein Austausch von Rohren, welche herkömmlicherweise thermisch sehr stark beansprucht werden und/oder eine Wartung von besonders belasteten

Schweißnähten, nicht mehr oder nur noch in geringerem Umfang erforderlich sind.

Ferner bietet die Erfindung den Vorteil, dass eine Störanfälligkeit eines

Wärmetauschers und/oder eines chemischen Reaktors reduziert werden kann, indem erfindungsgemäße Rohre bereitgestellt werden und/oder Rohre mit einem

erfindungsgemäßen Temperaturausgleichselement versehen werden. Beispielsweise kann die Erfindung den Vorteil bieten, dass bei Wärmetauschern und/oder bei chemischen Reaktoren, 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 des jeweiligen Rohrs und/oder des Rohrbodens vermieden werden und der Betrieb des Wärmetauschers und/oder chemischen Reaktors 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.

Zudem bietet die Erfindung den Vorteil, dass erfindungsgemäß ein Rohr bereits mit Phasenwechselelement hergestellt werden kann. Dadurch können die Rohre auf gleiche Weise wie herkömmliche Rohre bereitgestellt und beispielsweise in einen Wärmetauscher und/oder in einen chemischen Reaktor eingebaut werden. Dadurch kann vorzugsweise der Herstellungsaufwand für einen erfindungsgemäßen

Wärmetauscher und/oder chemischen Reaktor reduziert werden.

Vorzugsweise erfolgt das Herstellen des Rohrmantels mittels eines additiven

Herstellungsverfahrens. Insbesondere kann das Herstellen des Rohrs bzw. des Rohrmantels mittels eines 3D-Druckers erfolgen. Dabei können beispielsweise das Herstellen des Rohrmantels und das Anordnen des Phasenwechselelements zeitlich zumindest teilweise überlappen. D.h. dass das Phasenwechselelement zumindest teilweise in den im Rohrmantel ausgebildeten Hohlraum angeordnet wird, bevor die Herstellung des Rohrmantels abgeschlossen ist.

Vorzugsweise weist das Temperaturausgleichselement einen rohrförmigen

Rohreinsatz auf oder ist als solcher ausgebildet und kann derart in das Rohr eingesetzt werden, dass das Temperaturausgleichselement eine Innenabmessung des Rohrs verjüngt. Mit anderen Worten ist vorzugsweise das Temperaturausgleichselement selbst als ein Rohr ausgebildet und kann beispielsweise in das Rohr als

Temperaturausgleichselement insbesondere reversibel eingesetzt bzw. eingeschoben werden. Besonders bevorzugt ist dazu eine Außenabmessung des

Temperaturausgleichselements an eine Abmessung der Innenseite des Rohres angepasst. Beispielsweise können das Rohr eine runde Ausnehmung und das

Temperaturausgleichselement ebenfalls eine runde Querschnittsform aufweisen und das Temperaturausgleichselement in seinem Außendurchmesser an den

Innendurchmesser des Rohrs angepasst sein. Dies bietet den Vorteil, dass das Temperaturausgleichselement auf besonders einfache Weise in das Rohr einsetzbar ist.

Zum reversiblen Einsetzen des rohrförmigen Temperaturausgleichselements in das (Wärmetauscher-)Rohr weist das Temperaturausgleichselement vorteilhafterweise Befestigungs- und/oder Klemmelemente auf, die eine mechanisch stabile aber lösbare Verbindung des Temperaturausgleichselements mit der Rohrinnenseite ermöglichen. Solche Befestigungselemente können prinzipiell auf einem Verschrauben oder Kleben basieren oder bspw. einen Haken umfassen, der an einem Rohrende angebracht ist und mit dem dasjenige Teil des Temperaturausgleichselements im Rohrinneren weiter stromabwärts verbunden ist, das das Phasenwechselelement umfasst. Ein

Klemmelement ist bspw. gebildet durch ein sich koaxial zum Rohrinneren

erstreckenden Federelement, das mit einer Vorspannung in radialer Richtung gegen das Rohrinnere drückt, um das Temperaturausgleichselement möglichst ortsfest zu platzieren. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das

Temperaturausgleichselement einen trichterförmigen Rohreinsatz mit einem breiteren Ende und einem schmaleren Ende auf oder ist als solcher ausgebildet und derart in eine der Öffnungen des Rohrs einsetzbar, dass das breitere Ende des trichterförmigen Rohreinsatzes aus einer Öffnung des Rohrs herausragt. Das breitere Ende kann dabei hinsichtlich seiner Außenabmessungen und/oder hinsichtlich des Durchlasskanals breiter sein, als das schmalere Ende. Dies bietet den Vorteil, dass ein Einfüllen von Fluid in die Öffnung des Rohrs, welche mit dem trichterförmigen

Temperaturausgleichselement ausgestattet ist vereinfacht werden kann.

Vorzugsweise liegt das Temperaturausgleichselement derart flächig an der Innenfläche des Rohrmantels an, dass zumindest 10%, bevorzugt zumindest 20%, weiter bevorzugt zumindest 30%, noch weiter bevorzugt zumindest 40%, mehr bevorzugt zumindest 50%, am meisten bevorzugt zumindest 60%, der Innenfläche des

Rohrmantels in direktem mechanischen Kontakt mit dem

Temperaturausgleichselement stehen. Dies bietet den Vorteil, dass insbesondere diejenigen Bereiche des Rohres mit einem Temperaturausgleichselement versehen werden können, in welchen besonders starke und/oder schnelle

Temperaturänderungen zu erwarten sind, während vorzugsweise andere Bereiche des Rohres nicht notwendigerweise mit einem Temperaturausgleichselement versehen werden müssen.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen

beschrieben.

Figurenbeschreibung

Die Figuren 1A und 1 B zeigen in einer Längs- bzw. Querschnittsansicht ein Rohr gemäß einer bevorzugten Ausführungsform. Die Figuren 2A und 2B zeigen in einer Längs- bzw. Querschnittsansicht ein

Temperaturausgleichselement gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, welches in ein herkömmliches Rohr eingesetzt ist.

Figur 3 zeigt in einem Diagramm einen beispielhaften Verlauf der Temperatur in verschiedenen Rohren.

Detaillierte Beschreibung der Figuren

Die Figuren 1A und 1 B zeigen in einer Längs- bzw. Querschnittsansicht ein Rohr 10 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, insbesondere für einen Wärmetauscher und/oder für einen chemischen Reaktor. Figur 1A zeigt das Rohr 10 in einer

Längsschnittansicht und Figur 1 B in Querschnittansicht entlang der Linie A-A (siehe Figur 1A).

Das Rohr 10 weist einen Rohrmantel 12 auf, der sich gemäß der gezeigten

Ausführungsform in die Verlaufsrichtung 100 erstreckt und eine Außenwand 14 sowie eine Innenwand 16 aufweist, die einen dazwischen liegenden Hohlraum 18

umschließen. Mit anderen Worten ist der Rohrmantel 12 doppelwandig mit einer Innenwand 16 und einer Außenwand 14 ausgebildet. In dem im Rohrmantel 12 ausgebildeten Hohlraum 18 ist dabei ein Phasenwechselelement 20 derart angeordnet, dass das Phasenwechselelement 20 mit dem Rohrmantel 12 flächig in thermischem Kontakt steht. Gemäß der gezeigten Ausführungsform ist das Phasenwechselelement 20 auf ganzer Länge des Rohrs 10 angeordnet, sodass die temperaturausgleichende Wirkung des Phasenwechselelements 20 ebenso auf ganzer Länge des Rohrs 10 zur Verfügung steht. An den Enden des Rohrmantels 12 ist der Hohlraum 18 verschlossen, um ein Austreten des Phasenwechselelements 20 aus dem Hohlraum 18 zu verhindern und/oder um ein Eindringen von Verunreinigungen und/oder Fremdkörpern zu verhindern.

Gemäß der gezeigten Ausführungsform erstrecken sich die Außenwand 14, die Innenwand 16 und der dazwischen liegende Hohlraum 18 über die gesamte Länge des Rohrs 10 entlang der Verlaufsrichtung 100. Jedoch kann gemäß anderen bevorzugten Ausführungsformen auch nur ein Teil bzw. ein Abschnitt des Rohrs 10 mit einem Phasenwechselelement 20 versehen sein, während beispielsweise die übrigen Abschnitte des Rohrs 10 mit einem massiven Rohrmantel 12, d.h. mit einem

Rohrmantel der nicht doppelwandig ist und keinen Hohlraum aufweist, ausgebildet sein. Um eine gute Wärmeleitfähigkeit zu gewährleisten, sollte der Rohrmantel 12 jedoch keine Abschnitte aufweisen, in denen ein ungefüllter Hohlraum ausgebildet ist, da dieser thermisch isolierend wirken könnte und daher nachteilhaft sein könnte.

Im Inneren des Rohrs 10 befindet sich ein Durchlasskanal 22, welcher durch die Innenseite bzw. Innenfläche 16a der Innenwand begrenzt wird und von einem Fluid durchströmt werden kann, beispielsweise zum Wärmetausch in einem Wärmetauscher und/oder in einem chemischen Reaktor. Dabei verringert sich der Innendurchmesser des Rohrsl O, sodass lediglich der Durchlasskanal 22 für das Strömen des Fluids durch das Rohr 10 verbleibt. Hingegen ermöglicht das Phasenwechselelement 20 ein Reduzieren bzw. Verlangsamen schneller Temperaturänderungen. Die Verwendung derartiger Rohre 10 kann besonders in Wärmetauschern und/oder in chemischen Reaktoren 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 können und dennoch ein Überschreiten und/oder Unterschreiten dieser Grenztemperatur verhindert werden kann, da das Phasenwechselelement 20 eine thermische Trägheit des Rohrs 10 vergrößert und somit ein rasches Überschreiten und/oder Unterschreiten der

Grenztemperatur verhindern kann.

Wie in Figur 1 B zu erkennen ist, ist das Phasenwechselelement 20 über den gesamten Umfang des Rohrmantels 12 angeordnet, sodass in alle Richtungen die

temperaturausgleichende Wirkung des Phasenwechselelements 20 genutzt werden kann und keine unerwünschten Temperaturgradienten in Umfangsrichtung des Rohrmantels 12 auftreten. Das Rohr gemäß der gezeigten Ausführungsform weist eine runde Querschnittsform auf. Jedoch sind gemäß anderen Ausführungsformen auch andere Querschnittsformen möglich, wie etwa elliptische und/oder vieleckige

Querschnittsformen, beispielsweise drei-, vier-, sechs oder . Ferner können die Querschnittsformen der Innenwand 16 und der Außenwand 14 wie in der gezeigten Ausführungsform identisch sein, oder gemäß anderen Ausführungsformen auch voneinander abweichen. Beispielsweise kann die Querschnittsform der Außenwand 14 vieleckig sein, während die Querschnittsform der Innenwand 16 rund sein kann.

Die Figuren 2A und 2B zeigen in einer Längs- bzw. Querschnittsansicht ein

herkömmliches Rohr 30, in welches ein Temperaturausgleichselement 40 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eingesetzt ist.

Das Rohr 30 kann als ein herkömmliches Rohr, beispielsweise für einen

Wärmetauscher und/oder für einen chemischen Reaktor, ausgebildet sein und einen einfachen und insbesondere einwandigen Rohrmantel 32 aufweisen. In das Rohr 30 ist ein Temperaturausgleichselement 40 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eingesetzt, welches in einem Abschnitt entlang der Verlaufsrichtung 100 einen

Längenabschnitt des Rohrs 30 verläuft und in diesem Abschnitt eine

Temperaturausgleichswirkung bereitstellt.

Das Temperaturausgleichselement 40 weist eine doppelwandige Ummantelung 42 auf, welche einen Hohlraum 43 einschließt, in welchem ein Phasenwechselelement 20 angeordnet ist. An den Stirnseiten, d.h. an den in Verlaufsrichtung abschließenden Seiten, ist die rohrförmige Ummantelung 42 verschlossen, um ein Austreten des Phasenwechselelements 20 und/oder ein Eindringen von Verunreinigungen und/oder Fremdkörpern zu verhindern. Der rohrförmige Abschnitt 40a des

Temperaturausgleichselements 40 verjüngt die Innenabmessung des Rohrmantels 32 bzw. verringert den Innendurchmesser des Rohrmantels 32, sodass im rohrförmigen Abschnitt 40a des Temperaturausgleichselements 40 ein Durchlasskanal 22 verbleibt, der kleiner als der reguläre Kanal bzw. Innendurchmesser des Rohrmantels ist.

Ferner weist das Temperaturausgleichselement 40 gemäß der gezeigten bevorzugten Ausführungsform im Abschnitt 40b einen trichterförmigen Rohreinsatz 44 auf, welcher als Füllstutzen dient, der fest mit dem rohrförmigen Abschnitt 40a des

Temperaturausgleichselements 40 verbunden ist. Gemäß der gezeigten bevorzugten Ausführungsform weist der trichterförmige Rohreinsatz 44 bzw. der Abschnitt 40b kein Phasenwechselelement 20 auf, wenngleich dies gemäß anderen bevorzugten

Ausführungsformen möglich ist. Der trichterförmige Rohreinsatz 44 ragt aus einer Öffnung 34 des Rohrs 30 heraus und dient dazu, das Einspeisen bzw. Einfüllen eines Fluids in Strömungsrichtung 200 in das Rohr 30 bzw. den verjüngten Durchlasskanal 22 zu erleichtern, indem das breitere Ende 44a des trichterförmigen Rohreinsatzes 44 aus der Öffnung 34 herausragt oder dieser zugewandt ist, während das schmalere Ende 44b an den Durchlasskanal 22 angeschlossen ist und vorzugsweise mit dessen Abmessungen übereinstimmt.

Mit einem Temperaturausgleichselement 40 gemäß dieser gezeigten Ausführungsform lässt sich somit vorteilhafterweise ein herkömmliches Rohr 30 um eine

Temperaturausgleichsfunktion erweitern. Das Temperaturausgleichselement 40 kann dabei bereits bei der Herstellung des Rohrs 30 bereitgestellt werden und/oder nachträglich in ein Rohr 30 eingesetzt werden.

Figur 2B zeigt das Rohr 30 und das Temperaturausgleichselement 40 in einer schematischen Querschnittsdarstellung, wobei der Querschnitt entlang der Linie A-A (siehe Figur 2A) erfolgte. Dabei ist erkennbar, dass die Form und Abmessung des Temperaturausgleichselements 40 an die Innenseite 32a des Rohrmantels 32 angepasst ist und mit dieser flächig in mechanischem und thermischem Kontakt steht. Ferner ist in Figur 4B erkennbar, dass sich das Temperaturausgleichselement 40 und insbesondere das Phasenwechselelement entlang der gesamten Umfangsrichtung des Rohrmantels 32 erstreckt.

Das Temperaturausgleichselement 40 erstreckt sich gemäß der gezeigten

Ausführungsform nicht über die gesamte Länge des Rohrs 30, sondern lediglich über eine kürzere Länge beginnend an dem Ende bzw. der Öffnung 34 des Rohrs30, an dem das rohrseitige Fluid in das Rohr 30 einströmt. Dies kann ausreichend sein, da bei bereits teilweise erfolgtem Wärmeaustausch zu Beginn des Rohrs 30 der

Temperaturunterschied zwischen dem rohrseitigen und dem mantelseitigen Fluid geringer ist, als bei Einströmen des rohrseitigen Fluids in das Rohr 30

Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass ein bereits bestehendes Rohr 30 mit einem Temperaturausgleichselement 40 auf einfache Weise nachgerüstet werden kann.

Figur 3 zeigt in einem Diagramm 300 schematisch einen beispielhaften Verlauf der Temperatur (Achse 304) gegen die Zeit (Achse 302) eines Rohrs mit einem

Temperaturausgleichselement 40 oder mit einem Phasenwechselelement 20 (Graph 310) im Vergleich zum Temperaturverlauf eines Rohrs ohne

Temperaturausgleichselement 40 und ohne Phasenwechselelement (Graph 312), wenn diese einem starken von außen einwirkenden Temperaturwechsel ausgesetzt sind. Dabei ist erkennbar, dass sich die Temperatur des Rohrs mit

Temperaturausgleichselement 40 bzw. mit Phasenwechselelement deutlich langsamer und kontinuierlicher ändert, als dies bei dem Rohr ohne Temperaturausgleichselement und ohne Phasenwechselelement 20 der Fall ist. Dadurch können thermische und mechanische Belastungen auf das Rohr durch das Einbringen und/oder Anbringen eines Phasenwechselelements 20 bzw. Temperaturausgleichselement 40 reduziert werden.

Bezugszeichen

10 Rohr

12 Rohrmantel

14 Außenwand des Rohrmantels

16 Innenwand des Rohrmantels

16 Innenseite der Innenwand

18 Hohlraum

20 Phasenwechselelement

22 Durchlasskanal

30 herkömmliches Rohr

32 Rohrmantel

32a Innenseite des Rohrmantels

40 Temperaturausgleichselement

40a rohrförmiger Abschnitt des Temperaturausgleichselements 40b trichterförmiger Abschnitt des Temperaturausgleichselements

42 Ummantelung

43 Hohlraum

44 trichterförmiger Rohreinsatz

44a breiteres Ende des trichterförmigen Rohreinsatzes

44b schmaleres Ende des trichterförmigen Rohreinsatzes

100 Verlaufsrichtung

200 Strömungsrichtung

300 Diagramm

302 Zeitachse

304 Temperaturachse

310 Graph (Temperaturverlauf mit Phasenwechselelement)

312 Graph (Temperaturverlauf ohne Phasenwechselelement)

Claims

Patentansprüche

1. T emperaturausgleichselement (40) für ein Rohr (30), wobei das

Temperaturausgleichselement (40) zumindest ein Phasenwechselelement (20) aufweist und in das Rohr (30) derart einsetzbar ist, dass das

Temperaturausgleichselement (40) flächig an einer Innenfläche (32a) eines Rohrmantels (32) des Rohrs (30) anliegt und dass das Phasenwechselelement (40) in thermischem Kontakt mit dem Rohr (30) steht, und wobei das

Temperaturausgleichselement (40) einen Durchlasskanal (22) entlang einer Verlaufsrichtung (100) des Rohrs (30) bildet.

2. Temperaturausgleichselement (40) gemäß Anspruch 1 , wobei das

Temperaturausgleichselement (40) einen rohrförmigen Rohreinsatz aufweist oder als solcher ausgebildet ist und derart in das Rohr (30) einsetzbar ist, dass das Temperaturausgleichselement (40) eine Innenabmessung des Rohrs (30) verjüngt.

3. Temperaturausgleichselement (40) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das

Temperaturausgleichselement (40) reversibel in das Rohr (30) einsetzbar ist und eine aus dem Rohr (30) entfernbare Einheit bildet.

4. Temperaturausgleichselement (40) gemäß Anspruch 3, wobei das

Temperaturausgleichselement (40) zum reversiblen Einsetzen Befestigungs- und/oder Klemmelemente aufweist, die eine lösbare Verbindung des

Temperaturausgleichselements mit der Innenseite des Rohres (30) hersteilen.

5. Temperaturausgleichselement (40) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche

, wobei das Temperaturausgleichselement (40) einen trichterförmigen Rohreinsatz (44) mit einem breiteren Ende (44a) und einem schmaleren Ende (44b) aufweist oder als solcher ausgebildet ist und derart in eine der Öffnungen (34) des Rohrs (30) einsetzbar ist, dass das breitere Ende (44a) des trichterförmigen

Rohreinsatzes (44) aus der Öffnung (34) des Rohrs (30) herausragt.

6. Temperaturausgleichselement (40) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Phasenwechselelement (20) dazu ausgelegt ist, bei einer

Phasenumwandlung ein größeres Maß an Wärmeenergie abzugeben und/oder aufzunehmen, als das Maß an Wärmeenergie, das das Phasenwechselelement (20) aufgrund seiner spezifischen Wärmekapazität ohne eine Phasenumwandlung speichern kann.

7. Temperaturausgleichselement (40) gemäß Anspruch 6, 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.

8. Temperaturausgleichselement (40) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Ummantelung (42), welche einen Hohlraum (43) bildet, wobei das Phasenwechselelement (20) in dem Hohlraum (43) angeordnet ist und mit der Ummantelung (42) in thermischem Kontakt steht.

9. Rohr aufweisend ein Temperaturausgleichselement (40) gemäß einem der

vorhergehenden Ansprüche.

10. Rohr (10), aufweisend:

einen Rohrmantel (12), welcher einen vom Rohrmantel (12) umschlossenen Hohlraum (18) umfasst;

ein Phasenwechselelement (20), welches in dem Hohlraum (18) im

Rohrmantel (12) derart angeordnet ist, dass das Phasenwechselelement (20) zumindest teilweise in thermischem Kontakt mit dem Rohrmantel (12) steht.

11. Wärmetauscher, aufweisend zumindest ein Rohr (10) gemäß Anspruch 9 oder 10.

12. Chemischer Reaktor, aufweisend zumindest ein Rohr (10) gemäß Anspruch 9 oder 10.

13. Verfahren zur Herstellung eines Rohres (10), umfassend die Schritte:

Herstellen eines Rohrmantels (12) derart, dass der Rohrmantel (12) einen vom Rohrmantel (12) umschlossenen Hohlraum (18) aufweist; Anordnen eines Phasenwechselelements (20) in dem Hohlraum (18) im Rohrmantel (12) derart, dass das Phasenwechselelement (20) mit dem Rohrmantel (12) zumindest teilweise in thermischem Kontakt steht.

14. Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei das Herstellen des Rohrmantels (12) und das Anordnen des Phasenwechselelements (20) zeitlich zumindest teilweise überlappen und/oder wobei das Herstellen des Rohrmantels (12) mittels eines additiven Herstellungsverfahrens erfolgt.