WO2020035167A1 - Gewickelter wärmeübertrager, verfahren zur herstellung eines gewickelten wärmeübertragers und verfahren zur temperatur- und/oder dehnungsmessung in einem gewickelten wärmeübertrager - Google Patents

Gewickelter wärmeübertrager, verfahren zur herstellung eines gewickelten wärmeübertragers und verfahren zur temperatur- und/oder dehnungsmessung in einem gewickelten wärmeübertrager Download PDF

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WO2020035167A1
WO2020035167A1 PCT/EP2019/025244 EP2019025244W WO2020035167A1 WO 2020035167 A1 WO2020035167 A1 WO 2020035167A1 EP 2019025244 W EP2019025244 W EP 2019025244W WO 2020035167 A1 WO2020035167 A1 WO 2020035167A1
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WO
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heat exchanger
web
optical waveguide
wound heat
wound
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/025244
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Inventor
Manfred Schönberger
Christian Michael HERWERTH
Daniel BJESSE
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Linde Aktiengesellschaft
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    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/02—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being helically coiled
    • F28D7/024—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being helically coiled the conduits of only one medium being helically coiled tubes, the coils having a cylindrical configuration
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F27/00—Control arrangements or safety devices specially adapted for heat-exchange or heat-transfer apparatus
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G01K11/32—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/0033—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for cryogenic applications

Definitions

  • Coiled heat exchanger method for producing a wound heat exchanger and method for temperature and / or strain measurement in a wound heat exchanger
  • the invention relates to a wound heat exchanger, a method for
  • Such wound heat exchangers have a pressure-carrying jacket which surrounds a jacket space and extends along a longitudinal axis, and a core tube which extends in the jacket and which extends in an axial direction along the
  • Longitudinal axis extends, which - based on a heat exchanger arranged as intended - preferably runs along the vertical when the heat exchanger is operated as intended.
  • the heat exchanger further has a tube bundle arranged in the jacket space, which has a plurality of tubes, the tubes at least
  • the sections are wound helically around the core tube in a plurality of turns.
  • the winding around the core tube takes place in a plurality of tube layers arranged one above the other.
  • the tube layers can be formed from one tube or a plurality of tubes (which are wound in the form of a multiple helix around the core tube), the tubes of a tube layer each forming a plurality of turns.
  • the core tube takes on the load of the tube bundle in particular.
  • the tubes are designed to carry a first fluid and the jacket space is designed to receive a second fluid, so that the first fluid flowing through the tubes can exchange heat with the second fluid during operation of the heat exchanger.
  • So-called webs are also provided as spacers in the radial direction perpendicular to the longitudinal axis between the pipe layers, the webs running in the axial direction (parallel to the longitudinal axis), in particular perpendicular to the turns of the tube bundle.
  • Strain measurement in a tube bundle of a wound heat exchanger using optical fibers is known (DE 10 2007 021 564 A1, DE 10 2007 021 565 A1, WO 2014/056588 A1). These are e.g. used to optimally control parameters when operating the heat exchanger.
  • the temperature measurement is used in particular to monitor the temperature profile during operation, the strain measurement takes place e.g. for recording the mechanical loads on individual parts of the heat exchanger.
  • Spatially resolved temperature and strain measurements using optical fibers can e.g. by evaluating optical signals such as those generated by Raman scattering, Brillouin scattering or scattering on a Bragg grating.
  • Optical fibers are typically made from doped quartz glass (having an amorphous solid structure mainly from silicon dioxide). Thermal and strain-dependent lattice vibrations are induced in such solid-state structures by means of thermal effects and mechanical expansion. These are temperature and load dependent.
  • Light that strikes the molecules of the optical waveguide interacts with the electrons of these molecules.
  • Light is backscattered (so-called Raman scattering), which can be divided into three spectral groups: Rayleigh scattering, in which the wavelength of the backscattered light corresponds to the wavelength of the incident light, the Stokes components shifted to higher wavelengths, and those to lower wavelengths shifted anti-Stokes components.
  • the anti-Stokes components are temperature-dependent and the Stokes components are
  • the intensity ratio between Stokes and Anti-Stokes components can therefore be used to determine the temperature.
  • the temperature can be determined for each point of the optical waveguide.
  • spatially resolved temperature and strain values can be obtained by evaluating the Brillouin scatter of the optical waveguide.
  • the difference frequency between the primary wave coupled into the optical waveguide and a wave backscattered by Brillouin scattering is determined.
  • the frequency of the scattered wave is reduced compared to the primary wave.
  • the primary wave can also be irradiated in a pulsed manner, with the time-resolved detection of the scattered light for various frequency differences, with knowledge of the propagation time, being able to determine the frequency shift based on the temperature difference or the mechanically induced expansion.
  • the said running time is also influenced here by the expansion of the optical waveguide, so that an expansion or temperature measurement is possible.
  • the measurement based on Rayleigh scattering is characterized by a particularly high spatial resolution of approx. 1 mm.
  • Lattice structure (Rayleigh pattern) of the glass fiber locally.
  • the elongation is determined in particular by discretizing the fiber length and transforming the
  • the corresponding band stops result from the Bragg condition and the spectral width of the band stop depends on the grating length, the refractive index and the temperature. In this way, given and over the optical fiber different grating length and refractive index, the temperature or the elongation at the respective point can be measured by evaluating the width of the band stop.
  • optical fibers are placed in capillary tubes in the bundle between
  • optical fibers (glass fiber sensors) laid in the capillaries must be laid individually in the tube bundle.
  • the optical fibers are in particular loosely attached between the webs and the tubes and e.g. fastened with cable ties.
  • the capillaries which are not in the tube bundle, are usually laid more or less freely on the core tube and wound on a roll.
  • the optical fibers or the capillaries are exposed to the risk of damage during the manufacturing process.
  • the gluing of the individual glass fibers onto the webs is associated with a great deal of effort. Furthermore, the glass fibers are unprotected from mechanical or thermal destruction (e.g. through blows, kinking or welding spatter).
  • a first aspect of the invention relates to a wound heat exchanger, comprising a core tube extending along a longitudinal axis and a tube bundle having a plurality of tubes for guiding a first fluid, the tubes being wound in a plurality of turns around the core tube, and wherein the Pipes in a first radial direction perpendicular to the longitudinal axis in one
  • a plurality of tube layers are arranged, and wherein the wound heat exchanger has at least one web arranged between two respective, in particular adjacent, tube layers, the web being designed to form a distance between the respective tube layers in the first radial direction, and wherein the Web has a receptacle for arranging an optical waveguide along a longitudinal direction of the web, the optical waveguide being designed to measure a temperature and / or an elongation at at least one position of the wound heat exchanger.
  • the recording can e.g. through a bracket for connecting to the
  • Optical fiber a sleeve for receiving the optical fiber or a
  • Recess e.g. a groove or a channel for receiving the optical waveguide.
  • the at least one web runs in an axial direction parallel to the longitudinal axis or to the core tube.
  • the respective optical waveguide which is arranged in or on the receptacle of the web and runs along the longitudinal direction of the web, therefore also runs in the axial direction, that is to say approximately perpendicular to the turns of the tube bundle (due to the helical winding of the tubes).
  • the wound heat exchanger according to the invention with a receptacle in the web has the advantage that no more capillary tubes are required to lay the optical waveguides.
  • the laying process of the optical fibers can be made more efficient due to the invention and is safer for the optical fibers (glass fibers).
  • the web according to the invention is also inexpensive to press and can therefore be manufactured in large numbers. Especially for strain measurements Optical fiber laid through the web according to the invention much safer than according to the prior art.
  • the wound heat exchanger has at least one optical waveguide which is positioned on or in the receptacle of a respective web, so that the optical waveguide runs along the respective web of the wound heat exchanger, the optical waveguide being designed to measure a temperature and / or a temperature Measure elongation at at least one position of the wound heat exchanger.
  • the receptacle is formed by at least one sleeve connected to the respective web for receiving the optical waveguide.
  • the sleeve forms a hollow body that extends along the longitudinal direction of the respective web.
  • the sleeve is in particular designed separately from the respective web and fastened to an outside of the web.
  • the receptacle is formed by a recess running along a longitudinal direction of the respective web, the recess being designed to receive the optical waveguide, so that the optical waveguide runs along the longitudinal direction of the respective web.
  • the optical waveguide is cast in the recess, in particular at the ends of the web or over the entire length of the web, and is thus fixed.
  • the optical waveguide is cast in the recess over the entire length of the web and is thus fixed. This is
  • the cutout is formed by a groove which is at least partially open in a second radial direction of the respective web perpendicular to the longitudinal direction of the respective web.
  • the second radial direction runs in particular parallel to the first radial direction.
  • the optical waveguide is cast in the groove, in particular at the ends of the web or over the entire length of the web, and is thus fixed.
  • the recess is formed by a channel which is completely closed in a circumferential direction of the respective web perpendicular to the longitudinal direction of the respective web.
  • the web forms a hollow body with an in
  • the optical waveguide is cast in the channel, in particular at the ends of the web, and is thus fixed.
  • the optical waveguide is cast in the channel over the entire length of the web and is thus fixed. This is particularly advantageous for strain measurements.
  • the optical waveguide in a channel is mechanically better protected.
  • the optical waveguide when the optical waveguide is glued to the web in the channel when the optical waveguide is floating, the optical waveguide does not protrude from the channel, so that the optical waveguide is protected during the further winding process. Furthermore, optical fibers located close to welding points are through the
  • Laying in the duct is protected from the high temperatures occurring on the webs during the welding process (in particular due to the hot welding gases).
  • a second aspect of the invention relates to a method for producing a wound heat exchanger, in particular according to the first aspect of the
  • Heat exchanger along which a core tube of the wound heat exchanger extends, forms a distance between the respective tube layers, and an optical waveguide for measuring a temperature and / or an elongation
  • At least one position of the wound heat exchanger is positioned on or in a receptacle of the web, so that the optical waveguide runs along a longitudinal direction of the web.
  • the web is received by a recess, in particular one in a circumferential direction of the web, perpendicular to that
  • the optical waveguide e.g. by means of compressed air, is blown into the recess.
  • a third aspect of the invention relates to a method for temperature measurement in a wound heat exchanger, in particular according to the first aspect of the invention, light being coupled into at least one optical waveguide, and wherein the optical waveguide in or on a receptacle of a web or a respective web, of the wound heat exchanger is positioned so that the optical waveguide runs along a longitudinal direction of extension of the web, or the respective web, the web or the respective web in a first radial direction perpendicular to a longitudinal axis of the wound heat exchanger, along which a core tube of the extends wound heat exchanger, forms a distance between two pipe layers of the wound heat exchanger, and wherein a temperature at at least one position of the wound heat exchanger is measured using an optical signal generated by scattering in the light guide.
  • a fourth aspect of the invention relates to a method for strain measurement in a wound heat exchanger, in particular according to the first aspect of the invention, wherein light is coupled into at least one optical waveguide, and wherein the optical waveguide is positioned in or on a receptacle of a web, or a respective web, of the wound heat exchanger, so that the optical waveguide runs along a longitudinal direction of extension of the web, or the respective web , and wherein the web or the respective web in a first radial direction perpendicular to a longitudinal axis of the wound heat exchanger, along which a core tube of the wound heat exchanger extends, forms a distance between two pipe layers of the wound heat exchanger, and wherein by means of a scattering in an elongation is measured at at least one position of the wound heat exchanger in the optical signal generated by the light guide.
  • Figure 1 is a partial sectional view of a wound heat exchanger.
  • Fig. 2 shows a longitudinal section of a web according to the invention or a
  • FIG. 3 shows a first embodiment of the web according to the invention with a sleeve as a receptacle for the optical waveguide in cross section;
  • FIG. 4 shows a second embodiment of the web according to the invention with a groove as a receptacle for the optical waveguide in cross section;
  • Fig. 5 shows a third embodiment of the web according to the invention with a channel as a receptacle for the optical waveguide in cross section.
  • FIG. 1 shows a wound heat exchanger 1 which has a tube bundle 2 with a plurality of tubes 20, the tubes 20 running along a longitudinal axis L of the wound heat exchanger 1 and thereby helically around a core tube 21 or in a plurality of turns 23. are wound onto the core tube 21 so that they run along an imaginary helical or helical path B, which is indicated in FIG. 1.
  • the wound heat exchanger 1 according to the invention according to FIG. 1 has said core tube 21, on which the tubes 20 of the tube bundle 2 are wound, so that the core tube 21 bears the load of the tubes 20.
  • the invention is also fundamentally applicable to wound heat exchangers 1 without a core tube 21, in which the tubes 20 are wound helically around the longitudinal axis L.
  • the wound heat exchanger 1 is designed for indirect heat transfer between a first and a second fluid and has a jacket 10 which surrounds a jacket space M for receiving the second fluid, which e.g. Can be introduced into the casing space M via an inlet connection 101 on the casing 10 and e.g. can be removed from the jacket space M again via a corresponding outlet connection 102 on the jacket 10.
  • the jacket 10 extends along the said longitudinal axis L, which preferably runs along the vertical in relation to a wound heat exchanger 1 arranged as intended.
  • the tube bundle 2 with a plurality of tubes 20 for guiding the first fluid is also arranged in the jacket space M. These tubes 20 are wound in a number of tube layers 22 in a helical manner in each case a plurality of turns 23 onto the core tube 21, the core tube 21 likewise extending along the longitudinal axis L and concentrically in
  • Jacket space M is arranged.
  • a plurality of tubes 20 of the tube bundle 2 can each form a tube group 7 (two such tube groups 7 are shown in FIG. 1), the tubes 20 of a tube group 7 being able to be combined in an associated tube sheet 104, the first fluid being connected to the jacket via inlet connections 103 10 introduced into the tubes 20 of the respective tube group 7 and can be withdrawn from the tubes 20 of the corresponding tube group 7 via drain stubs 105.
  • the jacket 10 and the core tube 21 can also be made cylindrical at least in sections, so that the longitudinal axis L forms a cylinder axis of the jacket 10 and the core tube 21 running concentrically therein. in the
  • Jacket space M can also be arranged a shirt 3, which the
  • Pipe bundle 2 or the tubes 20 encloses so that an intermediate space surrounding the tube bundle 2 or the tubes 20 is formed between the tube bundle 2 and that shirt 3.
  • the shirt 3 is used, if necessary, a bypass flow in the jacket space M guided second fluid, with which the tubes 20 is applied, to suppress the tube bundle 2 as far as possible.
  • the second fluid is therefore conducted in the jacket space M, preferably in the area of the jacket space M surrounded by the shirt 3.
  • webs 6 (also referred to as spacing elements), which support the respective tube layers 22 against one another or against the core tube 21, are arranged between the respectively adjacent tube layers 22 along the longitudinal axis L.
  • the webs 6 run in an axial direction parallel to the longitudinal axis L, that is to say approximately perpendicular to the windings 23 of the tubes 20.
  • optical waveguides 40 e.g. glass fibers
  • the light guides 40 run along a respective web 6 and extend along the longitudinal direction I of the respective web 6 (see FIG. 2).
  • the light guides 40 can be connected in a known manner to at least one device for coupling light into the optical fibers 40 and at least one measuring device can be provided for detecting the light scattered by the optical fibers 40. Furthermore, the measuring device can be designed to use the scattered light detected by the measuring device to determine a temperature and / or an expansion at at least one position of the
  • FIG. 2 shows a web 6 according to the invention in a top view or in longitudinal section with respect to a longitudinal direction I of the web 6. Furthermore, FIG. 2 shows a web 6 according to the invention in a top view or in longitudinal section with respect to a longitudinal direction I of the web 6. Furthermore, FIG. 2 shows a web 6 according to the invention in a top view or in longitudinal section with respect to a longitudinal direction I of the web 6. Furthermore, FIG. 2 shows a web 6 according to the invention in a top view or in longitudinal section with respect to a longitudinal direction I of the web 6. Furthermore, FIG. 2 shows a web 6 according to the invention in a top view or in longitudinal section with respect to a longitudinal direction I of the web 6. Furthermore, FIG. 2 shows a web 6 according to the invention in a top view or in longitudinal section with respect to a longitudinal direction I of the web 6. Furthermore, FIG. 2 shows a web 6 according to the invention in a top view or in longitudinal section with respect to a longitudinal direction I of the web 6. Furthermore, FIG. 2 shows a web 6 according
  • Optical waveguide 40 is shown, which runs along the longitudinal direction I and is arranged in or on a receptacle 30 of the web 6.
  • FIG. 3A shows a schematic illustration of a web 6 according to the invention in accordance with a first embodiment in a plan view
  • FIG. 3B shows the first
  • the web 6 has a receptacle 30 for receiving an optical waveguide 40, the receptacle 30 being designed as a sleeve 31.
  • Said sleeve 31 forms a hollow body in which light guide 40 can be arranged.
  • the sleeve 31 runs along the longitudinal direction I of the web 6.
  • the sleeve 31 is in particular designed separately from the web 6 and fastened to an outside of the web 6.
  • FIG. 4A shows a schematic illustration of a web 6 according to the invention in accordance with a second embodiment in a plan view
  • FIG. 4B shows a schematic illustration of a web 6 according to the invention in accordance with the second embodiment in cross section with respect to the longitudinal direction I of the web 6.
  • the web 6 has a groove 33, that is to say a cutout 32 which is open in a second radial direction r2 of the web 6 perpendicular to the longitudinal direction I of the web 6, the groove 33 serving as a receptacle 30 for an optical waveguide 40.
  • the groove 33 runs along the longitudinal direction I of the web 6, so that an optical waveguide 40 arranged in the groove 33 also runs along the longitudinal direction I.
  • Embodiment shown in cross section with respect to the longitudinal direction I of the web 6 (see FIG. 2).
  • the web 6 has a channel 34 running along the longitudinal direction I of the web 6 (see FIG. 2), that is to say one in a circumferential direction with respect to the
  • the longitudinal direction I of the web 6 has a completely closed recess 32.
  • the web 6 has a through hole which is continuous along the longitudinal direction I.
  • the channel 34 serves as a receptacle 30 for an optical waveguide 40
  • Optical fiber 40 can be introduced into the channel 34 so that the
  • Optical waveguide 40 runs along the longitudinal direction I.
  • the arrangement of the channel 34 advantageously protects the optical waveguide 40, in particular from mechanical damage during operation of the wound heat exchanger 1 or during manufacture.
  • the optical waveguide 40 can be blown into the channel 34 by means of compressed air, for example.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen gewickelten Wärmeübertrager (1), aufweisend ein entlang einer Längsachse (L) erstrecktes Kernrohr (21) und ein Rohrbündel (2), das eine Mehrzahl an Rohren (20) zum Führen eines ersten Fluids aufweist, wobei die Rohre (20) in einer Mehrzahl an Windungen (23) um das Kernrohr (21) gewickelt sind, und wobei die Rohre (20) in einer Mehrzahl an Rohrlagen (22) angeordnet sind, und wobei der Wärmeübertrager (1) mindestens einen Steg (6) zum Bilden eines Abstands zwischen zwei jeweiligen Rohrlagen (22) aufweist, wobei der Steg (6) eine Aufnahme (30) zum Anordnen eines Lichtwellenleiters (40) entlang einer Längserstreckungsrichtung (I) des Stegs (6) aufweist, wobei der Lichtwellenleiter (40) dazu ausgebildet ist, eine Temperatur und/oder Dehnung an mindestens einer Position des Wärmeübertragers (1) zu messen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung des gewickelten Wärmeübertragers (1) sowie ein Verfahren zur Temperaturmessung und ein Verfahren zur Dehnungsmessung in dem gewickelten Wärmeübertrager (1).

Description

Beschreibung
Gewickelter Wärmeübertrager, Verfahren zur Herstellung eines gewickelten Wärmeübertragers und Verfahren zur Temperatur- und/oder Dehnunasmessuna in einem gewickelten Wärmeübertrager
Die Erfindung betrifft einen gewickelten Wärmeübertrager, ein Verfahren zur
Herstellung eines gewickelten Wärmeübertragers, ein Verfahren zur
Temperaturmessung in einem gewickelten Wärmeübertrager und ein Verfahren zur Dehnungsmessung in einem gewickelten Wärmeübertrager.
Derartige gewickelte Wärmeübertrager weisen einen drucktragenden Mantel auf, der einen Mantelraum umgibt und sich entlang einer Längsachse erstreckt, sowie ein im Mantel verlaufendes Kernrohr, das sich in einer axialen Richtung entlang der
Längsachse erstreckt, die - bezogen auf einen bestimmungsgemäß angeordneten Wärmeübertrager - beim bestimmungsgemäßen Betrieb des Wärmeübertragers vorzugsweise entlang der Vertikalen verläuft.
Der Wärmeübertrager weist weiterhin ein im Mantelraum angeordnetes Rohrbündel auf, das eine Mehrzahl an Rohren aufweist, wobei die Rohre zumindest
abschnittsweise schraubenlinienförmig in einer Mehrzahl an Windungen um das Kernrohr gewickelt sind. Das Wickeln um das Kernrohr erfolgt dabei in einer Mehrzahl an übereinander angeordneten Rohrlagen. Die Rohrlagen können aus einem Rohr oder mehreren Rohren (die in Form einer Mehrfachschraubenlinie um das Kernrohr gewickelt sind) gebildet sein, wobei die Rohre einer Rohrlage jeweils eine Mehrzahl an Windungen bilden.
Das Kernrohr nimmt dabei insbesondere die Last des Rohrbündels auf.
Die Rohre sind zum Führen eines ersten Fluids ausgebildet und der Mantelraum ist zur Aufnahme eines zweiten Fluids ausgebildet, so dass das durch die Rohre strömende erste Fluid mit dem zweiten Fluid beim Betrieb des Wärmeübertragers Wärme austauschen kann. Zwischen den Rohrlagen sind weiterhin sogenannte Stege als Abstandhalter in der radialen Richtung senkrecht zu der Längsachse vorgesehen, wobei die Stege in der axialen Richtung (parallel zu der Längsachse), insbesondere senkrecht zu den Windungen des Rohrbündels verlaufen.
Weiterhin sind aus dem Stand der Technik Verfahren zur Temperatur- und
Dehnungsmessung in einem Rohrbündel eines gewickelten Wärmeübertragers mittels Lichtwellenleitern bekannt (DE 10 2007 021 564 A1 , DE 10 2007 021 565 A1 , WO 2014/056588 A1 ). Diese werden z.B. eingesetzt, um Parameter beim Betrieb des Wärmeübertragers möglichst optimal zu regeln. Dabei dient die Temperaturmessung insbesondere zur Überwachung des Temperaturprofils während des Betriebs, die Dehnungsmessung erfolgt z.B. zur Erfassung der mechanischen Belastungen von Einzelteilen des Wärmeübertragers.
Ortsaufgelöste Temperatur- und Dehnungsmessungen mittels Lichtwellenleitern können z.B. durch Auswertung von optischen Signalen, wie sie durch Ramanstreuung, Brillouin-Streuung oder Streuung an einem Bragg-Gitter entstehen, durchgeführt werden.
Lichtwellenleiter werden typischerweise aus dotiertem Quarzglas (aufweisend eine amorphe Festkörperstruktur hauptsächlich aus Siliziumdioxid) hergestellt. Über thermische Effekte sowie über mechanisch aufgeprägte Dehnung werden in solchen Festkörperstrukturen temperatur- und dehnungsabhängige Gitterschwingungen induziert. Diese sind temperatur- bzw. lastabhängig. Licht, das auf die Moleküle des Lichtwellenleiters trifft, tritt mit den Elektronen dieser Moleküle in Wechselwirkung. Dabei wird Licht zurückgestreut (sogenannte Ramanstreuung), das sich in drei spektrale Gruppen einteilen lässt: die Rayleigh-Streuung, bei der die Wellenlänge des zurückgestreuten Lichts der Wellenlänge des eingestrahlten Lichts entspricht, die zu höheren Wellenlängen verschobenen Stokes-Komponenten und die zu niedrigeren Wellenlängen verschobenen Anti-Stokes-Komponenten. Dabei sind die Anti-Stokes- Komponenten temperaturabhängig und die Stokes-Komponenten sind
temperaturunabhängig. Daher kann das Intensitätsverhältnis zwischen Stokes- und Anti-Stokes-Komponenten zur Temperaturbestimmung genutzt werden. Durch eine Fouriertransformation der rückgestreuten Komponenten (im Vergleich mit einer Fouriertransformation eines Referenzsignals) kann auf diese Weise für jeden Punkt des Lichtwellenleiters die Temperatur ermittelt werden.
Alternativ können ortsaufgelöste Temperatur- und Dehnungswerte durch Auswertung der Brillouin-Streuung des Lichtwellenleiters erfolgen. Dabei wird die Differenzfrequenz zwischen der einer in den Lichtwellenleiter eingekoppelten Primärwelle und einer durch Brillouin-Streuung zurückgestreuten Welle bestimmt. Die Frequenz der gestreuten Welle ist dabei, abhängig von der Temperatur, gegenüber der Primärwelle verringert.
Die Primärwelle kann auch gepulst eingestrahlt werden, wobei durch zeitaufgelöste Erfassung des gestreuten Lichts für verschiedene Frequenzdifferenzen bei Kenntnis der Laufzeit die Frequenzverschiebung aufgrund des Temperaturunterschieds oder der mechanisch induzierten Dehnung ortsaufgelöst bestimmt werden kann. Die besagte Laufzeit wird hier außerdem durch die Dehnung des Lichtwellenleiters beeinflusst, so dass eine Dehnungs- oder Temperaturmessung möglich ist.
Die auf Rayleigh-Streuung basierende Messung zeichnet sich im Gegensatz zur reinen Temperaturmessung (die auf Raman- oder Brillouin-Systemen beruht) durch eine besonders hohe Ortsauflösung von ca. 1 mm aus.
Durch temperaturinduzierte oder mechanische Dehnungen ändert sich die
Gitterstruktur (Rayleigh-Muster) der Glasfaser lokal. Die Ermittlung der Dehnung erfolgt insbesondere durch Diskretisierung der Faserlänge und Transformation des
diskretisierten Lichtsignals in den Frequenzbereich (Fouriertransformation). Die Zustandsänderung (Dehnung durch Last oder Temperatur) drückt sich in einer
Frequenzdifferenz der Rayleigh-Strahlung aus, wobei die Frequenzänderung proportional zur Zustandsänderung ist.
Schließlich ist es möglich, in einen Lichtwellenleiter Bragg-Gitter bzw. optische
Bandfilter einzubauen und die Streuung von in den Lichtwellenleiter eingekoppelten Lichtsignalen an den Bragg-Gittern auszuwerten. Die Mittenwellenzahl des
entsprechenden Bandstopps ergibt sich dabei aus der Bragg-Bedingung und die spektrale Breite des Bandstopps hängt von der Gitterlänge, der Brechzahl und der Temperatur ab. Auf diese Weise kann bei gegebener und über den Lichtwellenleiter verschiedener Gitterlänge und Brechzahl die Temperatur bzw. die Dehnung an der jeweiligen Stelle durch Auswertung der Breite des Bandstopps gemessen werden.
Nach dem Stand der Technik werden bei der Temperaturmessung in gewickelten Wärmeübertragern Lichtwellenleiter in Kapillarröhrchen im Bündel zwischen
verschiedenen Rohrlagen des Rohrbündels verlegt, um Temperaturmesswerte an verschiedenen Positionen des Rohrbündels zu erhalten. Bei der Dehnungsmessung werden dagegen Lichtwellenleiter durch Kleben mit dem zu vermessenden Bauteil, z.B. einem Steg, verbunden, um Dehnungsmesswerte an verschiedenen Positionen des Rohrbündels zu erhalten.
Die in den Kapillaren verlegten Lichtwellenleiter (Glasfasersensoren) müssen dabei einzeln im Rohrbündel verlegt werden. Hierbei sind die Lichtwellenleiter insbesondere lose zwischen den Stegen und den Rohren angebracht und z.B. mit Kabelbindern befestigt.
Weiterhin sind die Kapillaren, die sich nicht im Rohrbündel befinden, üblicherweise mehr oder weniger frei am Kernrohr verlegt und auf einer Rolle aufgespult. So sind die Lichtwellenleiter bzw. die Kapillaren während des Fertigungsprozesses der Gefahr einer Beschädigung ausgesetzt.
Im Fall des direkten Aufklebens ist das Aufkleben der einzelnen Glasfaser auf die Stege mit einem großen Aufwand verbunden. Weiterhin sind die Glasfasern dadurch einer mechanischen oder thermischen Zerstörung (z.B. durch Schläge, Abknicken oder Schweißspritzer) schutzlos ausgeliefert.
Daher ergibt sich die Aufgabe, einen gewickelten Wärmeübertrager, ein
Herstellungsverfahren für einen gewickelten Wärmeübertrager sowie ein Verfahren zur Temperaturmessung und ein Verfahren zur Dehnungsmessung in einem
Wärmeübertrager zur Verfügung zu stellen, der bzw. das im Hinblick auf die zuvor beschriebenen Nachteile des Standes der Technik verbessert ist.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche 1
(Gewickelter Wärmeübertrager), 7 (Herstellungsverfahren), 9 (Verfahren zur
Temperaturmessung) und 10 (Verfahren zur Dehnungsmessung) gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 6 und 8 angegeben und werden im Folgenden beschrieben.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen gewickelten Wärmeübertrager, aufweisend ein entlang einer Längsachse erstrecktes Kernrohr und ein Rohrbündel, das eine Mehrzahl an Rohren zum Führen eines ersten Fluids aufweist, wobei die Rohre in einer Mehrzahl an Windungen um das Kernrohr gewickelt sind, und wobei die Rohre in einer ersten radialen Richtung senkrecht zu der Längsachse in einer
Mehrzahl an Rohrlagen angeordnet sind, und wobei der gewickelte Wärmeübertrager mindestens einen zwischen zwei jeweiligen, insbesondere aneinander angrenzenden, Rohrlagen angeordneten Steg aufweist, wobei der Steg dazu ausgebildet ist, in der ersten radialen Richtung einen Abstand zwischen den jeweiligen Rohrlagen zu bilden, und wobei der Steg eine Aufnahme zum Anordnen eines Lichtwellenleiters entlang einer Längserstreckungsrichtung des Stegs aufweist, wobei der Lichtwellenleiter dazu ausgebildet ist, eine Temperatur und/oder eine Dehnung an mindestens einer Position des gewickelten Wärmeübertragers zu messen.
Die Aufnahme kann z.B. durch eine Halterung zum Verbinden mit dem
Lichtwellenleiter, eine Hülse zum Aufnehmen des Lichtwellenleiters oder eine
Aussparung (z.B. eine Nut oder einen Kanal) zur Aufnahme des Lichtwellenleiters gebildet sein.
Der mindestens eine Steg verläuft dabei in einer axialen Richtung parallel zu der Längsachse bzw. zu dem Kernrohr. Der jeweilige Lichtwellenleiter, der in oder an der Aufnahme des Stegs angeordnet ist und entlang der Längserstreckungsrichtung des Stegs verläuft, verläuft also ebenfalls in der axialen Richtung, das heißt annähernd senkrecht zu den Windungen des Rohrbündels (aufgrund der helikalen Wicklung der Rohre).
Der erfindungsgemäße gewickelte Wärmeübertrager mit einer Aufnahme im Steg hat den Vorteil, dass keine Kapillarröhrchen zum Verlegen der Lichtwellenleiter mehr benötigt werden. Zudem lässt sich der Verlegeprozess der Lichtwellenleiter aufgrund der Erfindung effizienter gestalten und ist sicherer für die Lichtwellenleiter (Glasfasern). Der erfindungsgemäße Steg ist außerdem kostengünstig pressbar und dadurch in großer Stückzahl fertigbar. Insbesondere für Dehnungsmessungen ist der Lichtwellenleiter durch den erfindungsgemäßen Steg deutlich sicherer verlegt als nach dem Stand der Technik.
Gemäß einer Ausführungsform weist der gewickelte Wärmeübertrager mindestens einen Lichtwellenleiter auf, der an oder in der Aufnahme eines jeweiligen Stegs positioniert ist, so dass der Lichtwellenleiter entlang des jeweiligen Stegs des gewickelten Wärmeübertragers verläuft, wobei der Lichtwellenleiter dazu ausgebildet ist, eine Temperatur und/oder eine Dehnung an mindestens einer Position des gewickelten Wärmeübertragers zu messen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Aufnahme durch mindestens eine mit dem jeweiligen Steg verbundene Hülse zum Aufnehmen des Lichtwellenleiters gebildet. Dabei bildet die Hülse einen entlang der Längserstreckungsrichtung des jeweiligen Stegs erstreckten Hohlkörper.
Die Hülse ist dabei insbesondere separat von dem jeweiligen Steg ausgeführt und an einer Außenseite des Stegs befestigt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Aufnahme durch eine entlang einer Längserstreckungsrichtung des jeweiligen Steges verlaufende Aussparung gebildet, wobei die Aussparung dazu ausgebildet ist, den Lichtwellenleiter aufzunehmen, so dass der Lichtwellenleiter entlang der Längserstreckungsrichtung des jeweiligen Stegs verläuft.
Unter dem Begriff„Aussparung“ ist hierbei insbesondere eine Nut oder ein Kanal (Durchgangsöffnung) zu verstehen)
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Lichtwellenleiter, insbesondere an den Enden des Stegs oder über die gesamte Länge des Stegs, in der Aussparung vergossen und somit fixiert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Lichtwellenleiter über die gesamte Länge des Steges in der Aussparung vergossen und somit fixiert. Dies ist
insbesondere für Dehnungsmessungen vorteilhaft. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Aussparung durch eine in einer zweiten radialen Richtung des jeweiligen Stegs senkrecht zu der Längserstreckungsrichtung des jeweiligen Stegs zumindest teilweise geöffnete Nut gebildet.
Die zweite radiale Richtung verläuft insbesondere parallel zu der ersten radialen Richtung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Lichtwellenleiter, insbesondere an den Enden des Stegs oder über die gesamte Länge des Stegs, in der Nut vergossen und somit fixiert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Aussparung durch einen in einer Umfangsrichtung des jeweiligen Steges senkrecht zu der Längserstreckungsrichtung des jeweiligen Steges vollständig geschlossenen Kanal gebildet.
Mit anderen Worten, der Steg bildet einen Hohlkörper mit einem in
Längserstreckungsrichtung erstreckten Innenraum aus.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Lichtwellenleiter, insbesondere an den Enden des Stegs, in dem Kanal vergossen und somit fixiert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Lichtwellenleiter über die gesamte Länge des Steges in dem Kanal vergossen und somit fixiert. Dies ist insbesondere für Dehnungsmessungen vorteilhaft.
Wird ein Steg mit einem im Profil eingeschlossenen Kanal für die Lichtwellenleiter verwendet, erübrigt sich vorteilhafterweise die Verlegung in den Kapillarrohren.
Im Gegensatz zur Anbringung des Lichtwellenleiters in einer Nut des Stegs ist der Lichtwellenleiter in einem Kanal mechanisch besser geschützt.
Zudem ragt insbesondere beim Verkleben des Lichtwellenleiters mit dem Steg in dem Kanal bei einem Aufschwimmen des Lichtwellenleiters der Lichtwellenleiter nicht aus dem Kanal heraus, so dass der Lichtwellenleiter beim weiteren Wickelprozess geschützt ist. Weiterhin sind nahe an Schweißpunkten gelegene Lichtwellenleiter durch die
Verlegung in dem Kanal vor beim Schweißprozess an den Stegen auftretenden hohen Temperaturen (insbesondere durch die heißen Schweißgase) geschützt.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines gewickelten Wärmeübertragers, insbesondere gemäß dem ersten Aspekt der
Erfindung, wobei ein Steg so zwischen zwei, insbesondere aneinander angrenzenden, Rohrlagen des gewickelten Wärmeübertragers positioniert wird, dass der Steg in einer ersten radialen Richtung senkrecht zu einer Längsachse des gewickelten
Wärmeübertragers, entlang derer ein Kernrohr des gewickelten Wärmeübertragers erstreckt ist, einen Abstand zwischen den jeweiligen Rohrlagen bildet, und wobei ein Lichtwellenleiter zur Messung einer Temperatur und/oder einer Dehnung an
mindestens einer Position des gewickelten Wärmeübertragers an oder in einer Aufnahme des Stegs positioniert wird, so dass der Lichtwellenleiter entlang einer Längserstreckungsrichtung des Stegs verläuft.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Aufnahme des Stegs durch eine Aussparung, insbesondere einen in einer Umfangsrichtung des Stegs senkrecht zu der
Längserstreckungsrichtung des Stegs vollständig geschlossenen Kanal, gebildet, wobei der Lichtwellenleiter, z.B. mittels Druckluft, in die Aussparung eingeblasen wird.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturmessung in einem gewickelten Wärmeübertrager, insbesondere gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, wobei Licht in mindestens einen Lichtwellenleiter eingekoppelt wird, und wobei der Lichtwellenleiter in oder an einer Aufnahme eines Stegs, bzw. eines jeweiligen Stegs, des gewickelten Wärmeübertragers positioniert wird, so dass der Lichtwellenleiter entlang einer Längserstreckungsrichtung des Stegs, bzw. des jeweiligen Stegs, verläuft, wobei der Steg bzw. der jeweilige Steg in einer ersten radialen Richtung senkrecht zu einer Längsachse des gewickelten Wärmeübertragers, entlang derer ein Kernrohr des gewickelten Wärmeübertragers erstreckt ist, einen Abstand zwischen zwei Rohrlagen des gewickelten Wärmeübertragers bildet, und wobei anhand eines durch Streuung in dem Lichtleiter erzeugten optischen Signals eine Temperatur an mindestens einer Position des gewickelten Wärmeübertragers gemessen wird.
Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dehnungsmessung in einem gewickelten Wärmeübertrager, insbesondere nach dem ersten Aspekt der Erfindung, wobei Licht in mindestens einen Lichtwellenleiter eingekoppelt wird, und wobei der Lichtwellenleiter in oder an einer Aufnahme eines Stegs, bzw. eines jeweiligen Stegs, des gewickelten Wärmeübertragers positioniert wird, so dass der Lichtwellenleiter entlang einer Längserstreckungsrichtung des Stegs, bzw. des jeweiligen Stegs, verläuft, und wobei der Steg bzw. der jeweilige Steg in einer ersten radialen Richtung senkrecht zu einer Längsachse des gewickelten Wärmeübertragers, entlang derer ein Kernrohr des gewickelten Wärmeübertragers erstreckt ist, einen Abstand zwischen zwei Rohrlagen des gewickelten Wärmeübertragers bildet, und wobei anhand eines durch Streuung in dem Lichtleiter erzeugten optischen Signals eine Dehnung an mindestens einer Position des gewickelten Wärmeübertragers gemessen wird.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen durch die nachfolgende
Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren erläutert werden.
Es zeigen:
Fig. 1 eine teilweise Schnittansicht eines gewickelten Wärmeübertragers;
Fig. 2 einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Stegs bzw. eine
Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Steg mit einem Lichtwellenleiter in einer Aufnahme des Stegs;
Fig. 3 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Steges mit Hülse als Aufnahme für den Lichtwellenleiter im Querschnitt;
Fig. 4 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Steges mit Nut als Aufnahme für den Lichtwellenleiter im Querschnitt;
Fig. 5 eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Steges mit Kanal als Aufnahme für den Lichtwellenleiter im Querschnitt.
Fig. 1 zeigt einen gewickelten Wärmeübertrager 1 , der ein Rohrbündel 2 mit einer Mehrzahl an Rohren 20 aufweist, wobei die Rohre 20 entlang einer Längsachse L des gewickelten Wärmeübertragers 1 verlaufen und dabei in einer Mehrzahl an Windungen 23 helikal um ein Kernrohr 21 herum bzw. auf das Kernrohr 21 gewickelt sind, so dass sie entlang einer gedachten helikalen bzw. schraubenlinienförmigen Bahn B verlaufen, die in der Figur 1 angedeutet ist. Im Einzelnen weist der erfindungsgemäße gewickelte Wärmeübertrager 1 gemäß Figur 1 das besagte Kernrohr 21 auf, auf das die Rohre 20 des Rohrbündels 2 aufgewickelt sind, so dass das Kernrohr 21 die Last der Rohre 20 trägt. Die Erfindung ist jedoch auch grundsätzlich auf gewickelte Wärmeübertrager 1 ohne Kernrohr 21 anwendbar, bei denen die Rohre 20 um die Längsachse L schraubenlinienförmig gewickelt sind.
Der gewickelte Wärmeübertrager 1 ist zur indirekten Wärmeübertragung zwischen einem ersten und einem zweiten Fluid ausgebildet und weist einen Mantel 10 auf, der einen Mantelraum M zur Aufnahme des zweiten Fluids umgibt, das z.B. über einen Einlassstutzen 101 am Mantel 10 in den Mantelraum M einleitbar und z.B. über einen entsprechenden Auslassstutzen 102 am Mantel 10 wieder aus dem Mantelraum M abziehbar ist. Der Mantel 10 erstreckt sich entlang der besagten Längsachse L, die bezogen auf einen bestimmungsgemäß angeordneten gewickelten Wärmeübertrager 1 vorzugsweise entlang der Vertikalen verläuft. In dem Mantelraum M ist weiterhin das Rohrbündel 2 mit einer Mehrzahl an Rohren 20 zum Führen des ersten Fluids angeordnet. Diese Rohre 20 sind in mehreren Rohrlagen 22 schraubenlinienförmig in jeweils mehreren Windungen 23 auf das Kernrohr 21 gewickelt, wobei sich das Kernrohr 21 ebenfalls entlang der Längsachse L erstreckt und konzentrisch im
Mantelraum M angeordnet ist.
Mehrere Rohre 20 des Rohrbündels 2 können jeweils eine Rohrgruppe 7 bilden (in Fig. 1 sind zwei solche Rohrgruppen 7 gezeigt), wobei die Rohre 20 einer Rohrgruppe 7 in einem zugeordneten Rohrboden 104 zusammengefasst sein können, wobei das erste Fluid über Einlassstutzen 103 am Mantel 10 in die Rohre 20 der jeweiligen Rohrgruppe 7 eingeleitet und über Ablassstutzen 105 aus den Rohren 20 der entsprechenden Rohrgruppe 7 abgezogen werden kann.
Somit kann zwischen den beiden Fluiden indirekt Wärme übertragen werden. Der Mantel 10 sowie das Kernrohr 21 können weiterhin zumindest abschnittsweise zylinderförmig ausgeführt sein, so dass die Längsachse L eine Zylinderachse des Mantels 10 und des konzentrisch darin verlaufenden Kernrohres 21 bildet. Im
Mantelraum M kann des Weiteren ein Hemd 3 angeordnet sein, welches das
Rohrbündel 2 bzw. die Rohre 20 umschließt, so dass zwischen dem Rohrbündel 2 und jenem Hemd 3 ein das Rohrbündel 2 bzw. die Rohre 20 umgebender Zwischenraum ausgebildet ist. Das Hemd 3 dient dazu, ggf. eine Bypassströmung des im Mantelraum M geführten zweiten Fluids, mit dem die Rohre 20 beaufschlagt wird, am Rohrbündel 2 vorbei möglichst zu unterdrücken. Das zweite Fluid wird also im Mantelraum M vorzugsweise in dem vom Hemd 3 umgebenen Bereich des Mantelraumes M geführt.
Weiterhin sind zwischen den jeweils aneinander angrenzenden Rohrlagen 22 entlang der Längsachse L erstreckte Stege 6 (auch als Abstandselemente bezeichnet) angeordnet, welche die jeweiligen Rohrlagen 22 aneinander bzw. am Kernrohr 21 abstützen. Die Stege 6 verlaufen dabei in einer axialen Richtung parallel zu der Längsachse L, also annähernd senkrecht zu den Windungen 23 der Rohre 20.
Außerdem sind Lichtwellenleiter 40 (z.B. Glasfasern) zur Messung einer Temperatur und/oder einer Dehnung an zumindest einer Position des Rohrbündels 2 bzw. des gewickelten Wärmeübertragers 1 gezeigt. Die Lichtleiter 40 verlaufen dabei an einem jeweiligen Steg 6 entlang und sind entlang der Längserstreckungsrichtung I des jeweiligen Stegs 6 (s. Fig. 2) erstreckt.
Die Lichtleiter 40 können in bekannter Weise mit mindestens einer Vorrichtung zum Einkoppeln von Licht in die Lichtwellenleiter 40 verbunden sein und es kann mindestens eine Messvorrichtung zur Erfassung des von den Lichtwellenleitern 40 gestreuten Lichts vorgesehen sein. Weiterhin kann die Messvorrichtung dazu ausgebildet sein, anhand des von der Messvorrichtung erfassten gestreuten Lichts eine Temperatur und/oder eine Dehnung an mindestens einer Position des
Rohrbündels 2 bzw. des gewickelten Wärmeübertragers 1 zu bestimmen.
Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Steg 6 in einer Draufsicht bzw. im Längsschnitt bezüglich einer Längserstreckungsrichtung I des Steges 6. Weiterhin ist ein
Lichtwellenleiter 40 gezeigt, der entlang der Längserstreckungsrichtung I verläuft und in oder an einer Aufnahme 30 des Stegs 6 angeordnet ist.
Fig. 3A zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Stegs 6 gemäß einer ersten Ausführungsform in einer Draufsicht und Fig. 3B zeigt die erste
Ausführungsform des Steges 6 im Querschnitt bezüglich der
Längserstreckungsrichtung I des Stegs 6. Der Steg 6 weist eine Aufnahme 30 zum Aufnehmen eines Lichtwellenleiters 40 auf, wobei die Aufnahme 30 als Hülse 31 ausgebildet ist. Die besagte Hülse 31 bildet einen Hohlkörper, in dem der Lichtleiter 40 angeordnet werden kann.
Wie in Fig. 3A gezeigt, verläuft die Hülse 31 entlang der Längserstreckungsrichtung I des Stegs 6. Die Hülse 31 ist insbesondere separat von dem Steg 6 ausgeführt und an einer Außenseite des Stegs 6 befestigt.
Fig. 4A zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Stegs 6 gemäß einer zweiten Ausführungsform in einer Draufsicht und Fig. 4B zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Stegs 6 gemäß der zweiten Ausführungsform im Querschnitt bezüglich der Längserstreckungsrichtung I des Stegs 6.
Der Steg 6 weist eine Nut 33, das heißt eine in einer zweiten radialen Richtung r2 des Stegs 6 senkrecht zu der Längserstreckungsrichtung I des Stegs 6 offene Aussparung 32 auf, wobei die Nut 33 als Aufnahme 30 für einen Lichtwellenleiter 40 dient.
Wie in Fig. 4A gezeigt, verläuft die Nut 33 entlang der Längserstreckungsrichtung I des Stegs 6, so dass ein in der Nut 33 angeordneter Lichtwellenleiter 40 ebenfalls entlang der Längserstreckungsrichtung I verläuft.
In Fig. 5 ist schließlich ein erfindungsgemäßer Steg 6 gemäß einer dritten
Ausführungsform im Querschnitt bezüglich der Längserstreckungsrichtung I des Stegs 6 (s. Fig. 2) dargestellt.
Der Steg 6 weist einen entlang der Längserstreckungsrichtung I des Stegs 6 (s. Fig. 2) verlaufenden Kanal 34, also eine in einer Umfangsrichtung bezüglich der
Längserstreckungsrichtung I des Stegs 6 vollständig geschlossene Aussparung 32, auf. Mit anderen Worten, der Steg 6 weist ein entlang der Längserstreckungsrichtung I durchgängiges Durchgangsloch auf.
Der Kanal 34 dient als Aufnahme 30 für einen Lichtwellenleiter 40, wobei der
Lichtwellenleiter 40 so in den Kanal 34 eingebracht werden kann, dass der
Lichtwellenleiter 40 entlang der Längserstreckungsrichtung I verläuft. Durch die Anordnung den Kanal 34 ist der Lichtwellenleiter 40 vorteilhafterweise geschützt, insbesondere vor mechanischer Beschädigung beim Betrieb des gewickelten Wärmeübertragers 1 oder während der Fertigung. Der Lichtwellenleiter 40 kann z.B. mittels Druckluft in den Kanal 34 eingeblasen werden.
Bezuaszeichenliste
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Claims

Patentansprüche
1. Gewickelter Wärmeübertrager (1 ), aufweisend ein entlang einer Längsachse (L) erstrecktes Kernrohr (21 ) und ein Rohrbündel (2), das eine Mehrzahl an Rohren (20) zum Führen eines ersten Fluids aufweist, wobei die Rohre (20) in einer Mehrzahl an Windungen (23) um das Kernrohr (21 ) gewickelt sind, und wobei die Rohre (20) in einer ersten radialen Richtung (r1 ) senkrecht zu der
Längsachse (L) in einer Mehrzahl an Rohrlagen (22) angeordnet sind, und wobei der gewickelte Wärmeübertrager (1 ) mindestens einen zwischen zwei jeweiligen Rohrlagen (22) angeordneten Steg (6) aufweist, wobei der Steg (6) dazu ausgebildet ist, in der ersten radialen Richtung (r1 ) einen Abstand zwischen den jeweiligen Rohrlagen (20) zu bilden, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (6) eine Aufnahme (30) zum Anordnen eines Lichtwellenleiters (40) entlang einer Längserstreckungsrichtung (I) des Stegs (6) aufweist, wobei der Lichtwellenleiter (40) dazu ausgebildet ist, eine Temperatur und/oder eine Dehnung an mindestens einer Position des gewickelten Wärmeübertragers (1 ) zu messen.
2. Gewickelter Wärmeübertrager (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der gewickelte Wärmeübertrager (1 ) mindestens einen Lichtwellenleiter (40) aufweist, der an oder in der Aufnahme (30) eines jeweiligen Stegs (6) des gewickelten Wärmeübertragers (1 ) positioniert ist, so dass der Lichtwellenleiter (40) entlang des jeweiligen Stegs (6) verläuft, wobei der Lichtwellenleiter (40) dazu ausgebildet ist, eine Temperatur und/oder eine Dehnung an mindestens einer Position des gewickelten Wärmeübertragers (1 ) zu messen.
3. Gewickelter Wärmeübertrager (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass die Aufnahme (30) durch mindestens eine mit dem jeweiligen Steg (6) verbundene Hülse (31 ) zum Aufnehmen des
Lichtwellenleiters (40) gebildet ist.
4. Gewickelter Wärmeübertrager (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass die Aufnahme (30) durch eine entlang einer
Längserstreckungsrichtung (I) des jeweiligen Steges (6) verlaufende
Aussparung (32) gebildet ist, wobei die Aussparung (32) dazu ausgebildet ist, den Lichtwellenleiter (40) aufzunehmen, so dass der Lichtwellenleiter (40) entlang der Längserstreckungsrichtung (I) des jeweiligen Stegs (6) verläuft.
5. Gewickelter Wärmeübertrager (1 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (32) durch eine in einer zweiten radialen Richtung (r2) des jeweiligen Stegs (6) senkrecht zu der Längserstreckungsrichtung (I) des jeweiligen Stegs (6) zumindest teilweise geöffnete Nut (33) gebildet ist.
6. Gewickelter Wärmeübertrager (1 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (32) durch einen in einer Umfangsrichtung des jeweiligen Steges (6) senkrecht zu der Längserstreckungsrichtung (I) des jeweiligen Steges (6) geschlossenen Kanal (34) gebildet ist.
7. Verfahren zur Herstellung eines gewickelten Wärmeübertragers (1 ),
insbesondere gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Steg (6) so zwischen zwei Rohrlagen (22) des gewickelten Wärmeübertragers (1 ) positioniert wird, dass der Steg (6) in einer ersten radialen Richtung (r1 ) senkrecht zu einer Längsachse (L) des gewickelten Wärmeübertragers (1 ), entlang derer ein Kernrohr (21 ) des gewickelten Wärmeübertragers (1 ) erstreckt ist, einen Abstand zwischen den jeweiligen Rohrlagen (22) des gewickelten Wärmeübertragers (1 ) bildet, und wobei ein Lichtwellenleiter (40) zur Messung einer Temperatur und/oder einer Dehnung an mindestens einer Position des gewickelten Wärmeübertragers (1 ) an oder in einer Aufnahme (30) des Stegs (6) positioniert wird, so dass der Lichtwellenleiter (40) entlang einer
Längserstreckungsrichtung (I) des Stegs (6) verläuft.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Aufnahme (30) des Stegs (6) durch eine Aussparung (31 ) gebildet ist, und wobei der Lichtwellenleiter (40) in die
Aussparung (31 ) eingeblasen wird.
9. Verfahren zur Temperaturmessung in einem gewickelten Wärmeübertrager (1 ), insbesondere gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei Licht in mindestens einen Lichtwellenleiter (40) eingekoppelt wird, wobei der Lichtwellenleiter (40) in oder an einer Aufnahme (30) eines Stegs (6) des gewickelten
Wärmeübertragers (1 ) positioniert wird, so dass der Lichtwellenleiter (40) entlang einer Längserstreckungsrichtung (I) des Stegs (6) verläuft, und wobei anhand eines durch Streuung in dem Lichtleiter (40) erzeugten optischen Signals eine Temperatur an mindestens einer Position des gewickelten
Wärmeübertragers (1 ) gemessen wird.
10. Verfahren zur Dehnungsmessung in einem gewickelten Wärmeübertrager (1 ), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei Licht in mindestens einen Lichtwellenleiter (40) eingekoppelt wird, wobei der Lichtwellenleiter (40) in oder an einer Aufnahme (30) eines Stegs (6) des gewickelten
Wärmeübertragers (1 ) positioniert wird, so dass der Lichtwellenleiter (40) entlang einer Längserstreckungsrichtung (I) des Stegs (6) verläuft, und wobei anhand eines durch Streuung in dem Lichtleiter (40) erzeugten optischen Signals eine Dehnung an mindestens einer Position des gewickelten
Wärmeübertragers (1 ) gemessen wird.
PCT/EP2019/025244 2018-08-14 2019-07-23 Gewickelter wärmeübertrager, verfahren zur herstellung eines gewickelten wärmeübertragers und verfahren zur temperatur- und/oder dehnungsmessung in einem gewickelten wärmeübertrager WO2020035167A1 (de)

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