WO2022214118A1 - Wärmetauscher zur temperierung eines feststoffs - Google Patents

Abstract

Ein Wärmetauscher weist mehrere rohrförmige, im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtete Behälter (1, 1a) auf, die mit einem Feststoff gefüllt sind. Die Behälter tauchen in ein Gefäß ein, das Öffnungen (4) für den Eintritt und Austritt eines Fluids hat, um sie einer gerichteten Fluidströmumg auszusetzen. Die Behälter sind über eine als Gefäßverschluß dienende Halteplatte (2) fixiert und werden durch mehrere Leitbleche (3) gestützt.

Description

Wärmetauscher zur Temperierung eines Feststoffs

Die Erfindung betrifft einen als Gefäß ausgebildeten Wärmetauscher zur Beeinflussung der Temperatur eines darin befindlichen Feststoffs, wobei ein Fluidstrom in dem Gefäß einen Wärmetransport ermöglicht.

Im Prozess-Anlagenbau, beispielsweise in der chemischen Industrie, existiert eine große Bandbreite unterschiedlich aufgebauter Wärmetauscher, die den Übergang von Wärme energie über eine Barriere hinweg erlauben. Es findet also ein Energietransfer innerhalb des Wärmetauschers statt, ein Stofftransfer wird jedoch unterbunden. Damit verhindert die Barriere bestimmungsgemäß eine Vermischung der beteiligten Stoffe; unerwünschte Verunreinigungen oder chemische Reaktionen sind somit ausgeschlossen.

Diese Wärmetauscher lassen sich in zwei Kategorien unterteilen, je nachdem, ob es sich bei den beteiligten Stoffen ausschließlich um Fluide handelt, oder ob Feststoffe an dem Prozess beteiligt sind. Die Erfindung gehört der zweiten Kategorie an: der erste Stoff ist ein Feststoff, der einen oder mehrere metallische Bestandteile aufweist und der dauerhaft im Wärmetauscher verbleibt. Der Wärmetauscher kann dabei baulich auf die Verwendung eines bestimmten Feststoffs hin optimiert sein. Zudem ist ein Einbringen des Feststoffs bereits am Herstellungsort des Wärmetauschers denkbar, z.B. falls der spätere Betriebsort nicht identisch zum Herstellungsort ist.

Der zweite Stoff ist ein Fluid, das in einer gerichteten Strömung durch das Innere des als Gefäß ausgebildeten Wärmetauschers geführt wird. Zu diesem Zweck weist das Gefäß eine Fluid-Eintrittsöffnung und eine davon räumlich beabstandete Fluid-Austrittsöffnung auf. Bei dem Fluid kann es sich um ein Gas oder eine Flüssigkeit handeln. Bevorzugt ist Wasser ein Bestandteil des Fluids, dem zur Erweiterung der Betriebsbandbreite zudem ein Frostschutz mittel beigemischt sein kann, etwa eine Glykolverbindung.

In dem Gefäß sind Leitbleche angeordnet, die die Fluidströmung beeinflussen. Insbesondere können die Leitbleche so angeordnet sein, daß eine direkte, insbesondere kürzest mögliche Wegstrecke zwischen der Fluid-Eintrittsöffnung und der Fluid-Austrittsöffnung blockiert wird. Dadurch wird für die gerichtete Fluidströmung eine verlängerte Wegstrecke vorgegeben, zur Steigerung des Wärmeaustauschs.

Der Wärmeaustausch wird bewirkt, indem Behälter von dem Fluid umströmt werden, die mit dem Feststoff gefüllt sind. Es handelt sich um rohrförmig langgestreckte Behälter aus Metall, die nahezu vollständig in das Gefäß eintauchen und somit nahezu vollständig von Fluid um- strömbar sind. Die Behälter sind im Wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet und werden entlang ihrer Längserstreckung im Gefäß durch mehrere Leitbleche gestützt. In einer bevor zugten Ausführungsform haben die Leitbleche Öffnungen, durch welche die Behälter jeweils einzeln hindurchgeführt sind. Besonders bevorzugt sind diese Öffnungen dabei so bemessen, daß ihre Größe den Behälterquerschnittsflächen ungefähr entspricht. Daraus ergibt sich, daß die Anordnung der Öffnungen in den Leitblechen die Abstände der Behälter zueinander defi niert und daß die Leitbleche einen durchgehenden, insbesondere laminaren Fluidstrom ent lang der Längserstreckung der Behälter behindern.

Die Leitbleche stützen sich randseitig an der Gefäßinnenwand ab. Vorteilhaft können dabei Ausnehmungen in der Berandung der Leitbleche vorgesehen sein, aufgrund derer die Leit bleche gemeinsam mit der Gefäßinnenwand Durchlässe ausbilden, durch welche ein Fluid strom passieren kann. Um eine Verschiebung der Leitbleche entlang der Längserstreckung der Behälter zu unterbinden, können die Leitbleche durch Abstandhalter in ihren Positionen zueinander fixiert sein. Die Abstandhalter können mit durchgehenden, entlang der Behälter längserstreckung verlaufenden Gewindestangen realisiert sein, über welche die Leitbleche miteinander verschraubt sind.

Es sind Anwendungsfälle denkbar, in denen eine bereichsweise Beeinflussung des Wärme- austauschs gewünscht ist. Beispielsweise kann es erstrebenswert sein, den Feststoff in den Behältern in einem Abschnitt ihrer Längserstreckung stärker zu temperieren, als in anderen Abschnitten. Für solche Fälle kann das Gefäß mindestens drei räumlich beabstandete Fluid öffnungen aufweisen. Entweder werden davon zeitgleich jeweils weniger Fluidöffnungen genutzt, als insgesamt vorhanden sind (dann kann es Gefäßabschnitte ohne gerichteten Fluidstrom geben), oder alle Fluidöffnungen werden zeitgleich genutzt. Gegebenenfalls gehen mehrere Fluidströme im Gefäß von einer Fluidöffnung aus oder laufen darauf zu. Beispielsweise ist eine von mindestens drei Fluidöffnungen annähernd mittig zur Längs erstreckung des Gefäßes positioniert, auf die zwei gegensätzlich orientierte Fluidströme zulaufen, ausgehend von an beiden Ende des Gefäßes positionierten Fluidöffnungen.

Als Auslöser eines gerichteten Fluidstroms kommt ein Druckunterschied zwischen zwei Fluidöffnungen infrage, hervorgerufen durch eine Vorrichtung außerhalb des Gefäßes, beispielsweise eine Pumpe. In dieser Variante ist die Gefäßwand überdruckfest gestaltet, beispielsweise ist sie für einen Fluiddruck > 0,5 bar(g) ausgelegt. Zudem kann der Gefäß querschnitt druckoptimiert gestaltet sein, beispielsweise kreisrund innerhalb der senkrecht zu seiner Längserstreckung verlaufenden Ebene.

Je nach geplanter Verwendung des Wärmetauschers kann ein Auslegungskriterium die Maximierung der enthaltenen Feststoffmenge innerhalb vorgegebener Gefäßabmessungen, etwa bei einem festgelegten Querschnitt, sein. Eine Lösung dafür ist die Anordnung der Behälter in einem auf einen hohen Füllgrad optimierten Ordnungsschema innerhalb dieses Querschnitts, mit anderen Worten, möglichst viel von der Gefäßquerschnittsfläche ist mit Behälterquerschnittsfläche ausgefüllt. Welches Ordnungsschema dazu geeignet ist, hängt von der Behältergeometrie ab. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind die Behälter aus Rohren mit kreisrundem Querschnitt hergestellt, insbesondere wird jeweils ein nahtloses Rohr zur Herstellung eines Behälters verwendet. An ihrem im Gefäßinneren liegenden Ende sind die Behälter abgeschlossen; dafür können kappenartige Endstücke verwendet werden, die durch eine Schweißverbindung an das Rohr angefügt sind.

Ein hoher Füllgrad kann dann erreicht werden, indem die Behälter so angeordnet sind, daß die Mittelachsen benachbarter Behälter in der Querschnittsbetrachtung als Eckpunkte eines Dreiecks darstellbar sind. Insbesondere bildet jede Abstandslinie zwischen den Mittelachsen benachbarter Behälter eine Seite eines gleichseitigen Dreiecks. Besonders bevorzugt unter schreitet dabei die Länge der Winkelhalbierenden eines Dreiecks den Rohrdurchmesser eines Behälters.

Eine weitere Maßnahme zur Steigerung des Füllgrads ist ein Ordnungsschema, bei dem Behältervarianten mit zwei unterschiedlichen Rohrdurchmessern kombiniert werden. So sind verbleibende Flächenanteile der Querschnittsfläche nutzbar, indem dort Behälter mit kleinem Rohrdurchmesser angeordnet werden. Vorzugsweise kann das Verhältnis der Rohrdurch messer beider Behältervarianten dem Faktor 1,5 oder größer entsprechen.

Das Ordnungsschema wird konstruktiv dadurch umgesetzt, daß die Behälter an einer Halte platte fixiert sind. Sie ragen endseitig durch diese Halteplatte hindurch, wobei die Halteplatte zugleich als Gefäßverschluß dient. Infolgedessen befindet sich ein Ende jedes der Behälter außerhalb des Gefäßes bzw. des Wärmetauschers, wohingegen der verbleibende Behälter anteil in das Gefäß eintaucht.

Durch die Fixierung an der Halteplatte, die bevorzugt durch eine Schweißnaht an der Gefäß- aussenseite gebildet wird, ist eine Längsverschiebung der Behälter relativ zum Gefäß unter bunden; eine Ausdehnung der Behälter in Richtung ihrer Längserstreckung in das Gefäß hinein (etwa bei Erwärmung) ist jedoch ungehindert möglich, da die Behälter an den Leit blechen, durch die sie entlang der Längserstreckung gestützt werden, nicht festgelegt sind. Es ist ausreichend Freiraum für ein ausdehnungsbedingtes Längenwachstum der Behälter innerhalb des Wärmetauschers vorgesehen, indem das Gefäß auf der Seite, die der Halte platte gegenüberliegt, mit entsprechendem Übermaß gegenüber den Behältern gefertigt ist. Das Gefäß kann an dieser Seite durch einen Klöpperboden abgeschlossen sein; ebenso ist dort die Anordnung einer ebenen Bodenplatte vorstellbar. Mit Vorzug ist ein Zugangsweg in das Gefäßinnere vorsehbar, um die Behälterenden für Inspektionszwecke o.ä. erreichen zu können, etwa für eine lebensdauerrelevante Zustandsbewertung von Schweißnähten.

In einen Klöpperboden könnte eine Inspektionsöffnung eingefügt sein, eine Bodenplatte wäre ggf. demontierbar ausgelegt, etwa durch Verschraubung mit einem an die Gefäßwand ange formten Flansch.

Bei entsprechender Ausführungsart des Wärmetauschers - wie vorstehend bereits erläutert - können alle anderen Schweißnähte außenseitig des Gefäßes angeordnet sein, was deren Zustandsbewertung erleichtert. Dieser Aspekt ist deswegen bedeutsam, weil die Behälter eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers zumindest gasdicht vorgesehen sind. Bevorzugt sind sie überdruckfest konzipiert; besonders bevorzugt sind die Behälter auf einen Betriebsdruck > 5 bar(g) in ihrem Inneren ausgelegt. Damit ist der Wärmetauscher Richtlininen für den Betrieb von Druckgeräten unterworfen, was eine regelmäßige Zustandsüberprüfung erforderlich macht.

Die Behälter sind gasdicht vorgesehen, um einen Gasstrom in ihrem Inneren zu ermög-lichen, bei vollständiger Abgeschlossenheit gegenüber der Umgebung außerhalb. Jeder Behälter weist eine Gasöffnung auf, vergleichbar zu den Fluidöffnungen am Gefäß.

Ebenso wie der Fluidstrom im Gefäßinneren, beeinflußt auch der Gasstrom im Behälterinneren die Temperatur des Feststoffs. Ebenso wie bei dem Fluidstrom im Gefäßinneren, dient auch bei dem Gasstrom im Behälterinneren ein Druckunterschied als Ursache, um die Strömung zu initiieren bzw. aufrecht zu erhalten. Während jedoch der Fluidstrom von einem externen Antriebsmittel hervorgerufen wird, kann bei geeigneter Materialwahl der Feststoff selbst eine Druckänderung im Behälterinneren hervorrufen, wodurch ein Druck unterschied und somit ein Gasstrom herbeigeführt wird. Dazu ist der Feststoff so gewählt, daß er zur Gasbindung durch Anlagerung von Gas an seine Oberfläche bzw. Einlagerung von Gas in sein Inneres fähig ist, wobei dieser Vorgang reversibel ist. Mit der Einlagerung geht eine Druckminderung einher, umgekehrt verursacht eine Gasfreisetzung aus dem Feststoff einen Druckanstieg. Der Gasstrom wird also durch einen Druckunterschied zwischen dem Behälteräußeren und dem Behälterinneren verursacht, weshalb bereits eine Gasöffnung, im Gegensatz zu mindestens zwei Fluidöffnungen, zur Betriebsfähigkeit eines erfindungs gemäßen Wärmetauschers ausreicht.

Besonders geeignet für diesen Betrieb sind Gase mit kleinem Atomkern, da sie sowohl gute Wärmetransporteigenschaften zeigen als auch in die Kristallgitterstrukturen einiger metallischer Feststoffe eingelagert werden. Besonders bevorzugt ermöglicht der Fest stoff eine Anlagerung bzw. Einlagerung von Gas mit einem Molekulargewicht < 3 g/mol.

Eine möglichst große Feststoffoberfläche verbessert das Anlagerungs- bzw. Einlagerungs verhalten. Bevorzugt liegt deshalb der Feststoff als Formkörper vor, welcher aus Pulver durch Pressen geformt wurde. Insbesondere bestehen diese Formkörper überwiegend aus gepreßtem Metallpulver. Die Formkörper sind dann beispielsweise als Schüttung oder als Ansammlung in die Behälter eingebracht, wobei eine Ansammlung hier als regel mäßige Anordnung von Formkörpern (beispielsweise als Stapelung, oder zu Blöcken zusammengefaßt) zu verstehen ist, im Gegensatz zur Schüttung. Derartige Formkörper vereinen die Vorteile großer Oberfläche des Feststoffs mit zugleich gesteigerter Material dichte, also besserem Füllgrad des Wärmetauschers.

Die Gasöffnungen der Behälter sind an ihren aus dem Gefäß herausragenden Enden angeordnet und gasleitend miteinander verbunden, um die Gasströme aller Behälter in einem einzigen Gasstrom zu bündeln; dieser kann erwärmt oder aber gekühlt werden, um nach Eintritt in die Behälter die Temperatur des Feststoffs zu beeinflussen.

Bevorzugt wird die Verbindung durch ein Rohrwerk bereitgestellt, das unmittelbar auf die Gasöffnungen aufgesetzt ist, was eine kompakte Bauweise und kurze Verbindungs strecken erlaubt. Besonders bevorzugt kann das Rohrwerk so gestaltet sein, daß jedes Behälterende über zwei disjunkte Leitungspfade mit jedem anderen verknüpft ist. Diese Regel bewirkt eine Vergleichmäßigung der Gasströme und erhöht ihre Volumenleistung.

Da das Rohrwerk viele Verbindungsstellen zu nahe beieinander liegenden Gasöffnungen aufweist, ist der Einsatz von Ausgleichsmitteln denkbar, um mechanische Spannungen, die auf die Gasleitung einwirken können, zu reduzieren. Zwischen den Rohrabschnitten der Behälter und der Gasleitung kann ein Zwischenglied vorgesehen sein, welches mit elastischer Verformung die Spannung verringert. Eine kostengünstige Methode für die Konstruktion solcher Zwischenglieder ist die Verwendung eines oder mehrerer Redu zierstücke. Zusätzlich können die Behälter auch an ihrem im Gefäßinneren liegende Ende über eine Gasleitung alle miteinander verbunden sein. Die Gasleitung kann dann entlang der Längsrichtung des Gefäßes verlaufend weitergeführt werden und tritt am gegen überliegenden Gefäßende durch die Halteplatte hindurch nach außen.

Je nach gewünschtem Detaillierungsgrad der Erfassung der Temperatursituation im Wärmetauscher ist zumindest ein oder es sind mehrere Temperatursensoren in den verschiedenen Gefäßabschnitten verteilt vorgesehen, die in den Feststoff eingebettet sind. Dazu kann der Sensor als Sonde ausgeführt sein, die innerhalb eines Behälters durch die Haltplatte hindurch in das Gefäßinnere geführt ist, sodaß ihre Verschaltung außerhalb des Gefäßes vorgenommen sein kann.

Ausführunqsbeispiel

Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung unter Zuhilfenahme einiger Figuren näher erläutert. Alle Figuren beziehen sich auf dasselbe Ausführungsbeispiel, von dem in den einzelnen Darstellungen verschiedene Details wiedergegeben sind.

Die Figur 1 zeigt einen Wärmetauscher in Gesamtansicht.

Die Figur 2 zeigt eine Leitblechkombination.

Die Figur 3 zeigt ein Detail eines Ordnungsschemas.

Die Figur 4 zeigt ein auf die Behälterenden aufgesetztes Rohrwerk.

Die Figur 5 zeigt eine Ausschnittsvergrößerung im Bereich der Halteplatte.

Figur 1 : ein Gefäß enthält Behälter in zwei Varianten 1 und 1a, deren Rohrdurchmesser sich voneinander unterscheiden. Die Behälter sind an einer Halteplatte 2 fixiert und treten durch dreiundzwanzig Leitbleche 3 hindurch. An dem der Halteplatte gegenüber liegenden Ende ist das Gefäß durch einen Klöpperboden abgeschlossen, wobei ein Abstand zu den Behälter enden besteht, um deren ungehinderte Ausdehnung zu ermöglichen.

Das Gefäß hat drei Fluidöffnungen 4, eine liegt ungefähr mittig zu seiner Längserstreckung. Zur Erfassung der Temperatur ist jeweils eine Sonde TS in zwei Behältern der Variante 1 vorgesehen. Der Abstand zwischen Sensor und Behälterende beträgt jeweils weniger als ein Viertel der Behälterlänge.

Die Figur 2 zeigt eine Prinzipdarstellung, bei der zur Veranschaulichung zwei benachbarte Leitbleche 3 nebeneinander, anstatt wie im Gefäß angeordnet hintereinander, gezeigt sind. Die linke Darstellungshälfte enthält zudem einige Maßhilfslinien, sowie ein aus Dreiecken zusammengesetztes Ordnungsschema. In der rechten Darstellungshälfte ist oberseitig des Leitblechs eine Ausnehmung 5 gezeigt, in Relation zu der gestrichelten Kreiskontur; dort ist also im Zusammenwirken mit der Gefäßwand der Durchlaß für den Fluidstrom oberseitig angelegt. Zueinander benachbarte Leitbleche sind um jeweils 180° gedreht in dem Gefäß angeordnet, wodurch die Richtungsänderungen der Fluidströmung hervorgerufen werden und somit die Behälter überwiegend quer zu ihrer Längserstreckung umströmt werden.

Figur 3 verdeutlicht das auf hohen Füllgrad ausgerichtete Ordnungsschema anhand eines der gleichseitigen Dreiecke, aus denen es zusammengesetzt ist. In der vorliegenden Aus führung hat jedes Dreieck mindestens zwei Seiten mit jeweils einer Seite eines benach barten Dreickes gemeinsam. Die Mittelpunkte der Öffnungen in den Leitblechen, bzw. die Mittelachsen zueinander benachbarter Behälter liegen entsprechend nahe beieinander.

Legt man gedanklich die linke und die rechte Darstellungshälfte der Figur 2 übereinander, dann ergibt sich das vollständige Ordnungsschema, entsprechend dessen die Behälter an der Halteplatte fixiert sind bzw. ihre Enden durch die Halteplatte hindurchtreten.

In der Figur 4 ist ein Rohrwerk gezeigt, das alle Behälter des Wärmetauschers miteinander gasleitend verbindet. Die Gasöffnungen der Behälter sind als gestrichelte Kreise 6 erkenn bar. Das Gefäß enthält insgesamt achtunddreizig Behälter. Von jeder Gasöffnung führen zwei verschiedene Leitungspfade (ohne eine gemeinsame Teilstrecke) zu jeder beliebigen anderen Gasöffnung. Das Rohrwerk ist auch in der Figur 1 in seitlicher Ansicht ganz links als Darstellungsbestandteil gezeigt.

Die Figur 5 ist eine Ausschnittsvergrößerung zu den Behälterenden im Durchtrittsbereich durch die Halteplatte 2. Behältervariante 1 ist mit einem Zwischenglied 7 versehen, das zwischen dem Rohrabschnitt des Behälters und seiner Gasöffnung angeordnet ist.

Beide Behältervarianten enthalten eine Ringscheibe 8 und eine Filterscheibe 9 am Ende ihres jeweiligen Rohrabschnitts (für die Variante 1a ohne Bezugszeichen dargestellt).

Die Ringscheibe dient als Rückhaltemittel, um eine Verlagerung der in die Behälter eingebrachten Formkörper zu unterbinden (die Formkörper sind in den Zeichnungen nicht dargestellt), beispielsweise beim Transport des Wärmetauschers.

Die Filterscheibe als weiteres Rückhaltemittel verhindert, daß freie Partikel, die sich mög licherweise von den Formkörpern gelöst haben, mit dem Gasstrom aus den Behältern und somit aus dem Wärmetauscher ausgetragen werden.

Zudem ist die Lage einer Schweißnaht zur Behälterfixierung an der Halteplatte angedeutet.

Claims

Patentansprüche

1. Wärmetauscher, der mehrere rohrförmig langgestreckte, im wesentlichen parallel zueinander ausgerichtete, mit einem einen metallischen Bestandteil enthaltenden Feststoff gefüllte Behälter (1, 1a) aufweist, die von einem Fluid umströmbar sind, indem sie nahezu vollständig in ein Gefäß eintauchen, das eine Fluid-Eintrittsöffnung (4) und eine Fluid- Austrittsöffnung (4) zum Aufbau einer gerichteten Fluidströmung in seinem Inneren sowie mehrere, sich randseitig an der Gefäßinnenwand abstützende Leitbleche (3) sowie eine als Gefäßverschluß dienende Halteplatte (2) aufweist, an der die Behälter fixiert sind und durch welche sie hindurchragen, dadurch gekennzeichnet, daß die Behälter (1) entland ihrer Längserstreckung im Gefäß durch mehrere Leitbleche (3) gestützt werden.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitbleche (3) Öffnungen haben, durch welche die Behälter (1 , 1a) jeweils einzeln hindurchgeführt sind.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitbleche (3) einen durchgehenden, insbesondere laminaren, Fluidstrom entlang der Längserstreckung der Behälter (1, 1a) behindern.

4. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitbleche (3) gemeinsam mit der Gefäßinnenwand Durchlässe (5) zur Ermöglichung eines Fluidstroms bilden.

5. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Behältervarianten (1, 1a) mit unterschiedlichen Abmessungen, insbesondere mit verschiedenen Rohrdurchmessern, miteinander kombiniert werden.

6. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Behälter (1, 1a) an ihrem aus dem Gefäß herausragenden Ende über eine Gasleitung alle miteinander verbunden sind.

7. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Feststoff in den Behältern (1, 1a) zur Einlagerung von Gas in sein Inneres fähig ist.

8. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der Behälter mit einem Temperatursensor versehen ist.

9. Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatur sensor als Sonde ausgeführt ist, die innerhalb des Behälters durch die Halteplatte in das Gefäßinnere geführt ist.