WO2013182314A1 - Wärmeübertrager - Google Patents

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WO2013182314A1
WO2013182314A1 PCT/EP2013/001670 EP2013001670W WO2013182314A1 WO 2013182314 A1 WO2013182314 A1 WO 2013182314A1 EP 2013001670 W EP2013001670 W EP 2013001670W WO 2013182314 A1 WO2013182314 A1 WO 2013182314A1
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WO
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heat exchanger
medium
collecting channel
jacket
exchanger according
Prior art date
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PCT/EP2013/001670
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English (en)
French (fr)
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Stefan Kayser
Michael BERNAUER
Steffen Brenner
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Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Publication date
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Priority to US14/406,417 priority patent/US20150153115A1/en
Priority to CN201380029506.9A priority patent/CN104350351B/zh
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/001—Casings in the form of plate-like arrangements; Frames enclosing a heat exchange core
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/026—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits
    • F28F9/0265—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits by using guiding means or impingement means inside the header box
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
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    • F28D21/0017—Flooded core heat exchangers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • 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
    • F28D7/16—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 arranged in parallel spaced relation
    • 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
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0006—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the plate-like or laminated conduits being enclosed within a pressure vessel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/06—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media

Definitions

  • Heat exchanger The invention relates to a heat exchanger according to the preamble of claim 1.
  • Such a heat exchanger is shown, for example, in "The Standards of the Brazed Aluminum Plate-Fin Heat Exchanger Manufacturer's Association (ALPEMA)” Third Edition, 2010, page 67 in Figure 9-1, which has a shell, which encloses a jacket space, and at least one heat transfer block (“core”) arranged in the jacket space, which is designed as a plate heat exchanger
  • ALPEMA Brazed Aluminum Plate-Fin Heat Exchanger Manufacturer's Association
  • core heat transfer block
  • a first medium which forms a bath surrounding the heat transfer block during operation of the heat exchanger and rises from bottom to top in the heat transfer block (along the vertical) (thermosiphon effect) can be brought into indirect heat transfer with a second medium (For example, to be liquefied gaseous phase or a liquid phase to be cooled), which is preferably performed in countercurrent or cross flow to the first medium in the heat transfer block.
  • a resulting gaseous phase of the first medium collects in the jacket space above the heat transfer block and is withdrawn via at least one outlet nozzle provided on the jacket and optionally fed to further process steps via a (external) collecting duct provided outside the jacket.
  • outlet spigots are pressure-bearing components of a ("core-in-shell") Heat exchanger of the type mentioned and are therefore structurally complex, which brings increased manufacturing costs in the case of multiple outlet pipe with it. Furthermore, by determining the outlet nozzle position at the top of the shell, a degree of freedom in the construction of the surrounding components (eg.
  • the present invention seeks to provide a heat exchanger, in view of the above
  • the collecting channel is located in the shell space and is designed to remove the gaseous phase from the shell space.
  • a plurality of heat transfer blocks or plate heat exchangers may also be provided in the shell space. can be operated in parallel or in series.
  • Such plate heat exchangers generally have a plurality of plates or plates arranged parallel to one another, which have a plurality of
  • a preferred embodiment of a plate heat exchanger has a plurality of corrugated sheets (so-called fins), each between two parallel
  • Partition plates or plates of the plate heat exchanger are arranged, wherein the two outermost layers of the plate heat exchanger are formed by cover plates. In this way, between each two partition plates or between a
  • Separation plate and a cover plate formed due to the respective interposed fin a plurality of parallel channels or a heat exchange passage through which a medium can flow. Therefore, media flowing in adjacent heat exchange passages can exchange heat indirectly.
  • To the sides are provided between each two adjacent partition plates or between a cover plate and the adjacent partition plate preferably end strips (so-called side bars) for closing the respective heat exchange passage.
  • the Cover plates, separator plates, fins and side bars are preferably made of aluminum and are, for example, soldered together in an oven. Via appropriate headers with nozzles media can be introduced into the heat exchange passages or subtracted from these.
  • the jacket of the heat exchanger can in particular be a circumferential
  • the arranged state of the heat exchanger is preferably aligned so that the longitudinal axis (cylinder axis) of the wall or the jacket extends along the horizontal.
  • the jacket preferably has one another
  • said collecting channel for withdrawing the gaseous phase of the first medium with an outlet nozzle which is arranged in particular on an upper side of the jacket, flow-connected (eg via a line), so that the gaseous phase of the first medium via those outlet nozzle from the shell space can be deducted.
  • the collecting channel (relative to a condition of the heat exchanger arranged as intended) along the vertical above the liquid level of the first medium or above the
  • Heat transfer block arranged in the shell space, so that the (from
  • Heat transfer block ascending gaseous phase of the first medium meets the collecting channel.
  • the collecting channel preferably has a wall which encloses an interior of the collecting channel, in which the gaseous phase to the said
  • Outlet nozzle can flow.
  • the top and bottom of the collecting channel are preferably through along the longitudinal axis of the shell extended side walls of the collecting channel interconnected.
  • the front side of the collecting channel is preferably by each other
  • a variant of the invention further provides that one or more of the aforementioned regions of the wall of the collecting channel can be formed by the jacket of the heat exchanger.
  • the top of the collecting channel or the top of the wall of the collecting channel is formed by the jacket.
  • the side walls and end faces are therefore attached to the jacket corresponding to the jacket space.
  • the collecting channel preferably has a plurality of inlet openings, which are formed in particular on the underside (bottom) of the collecting channel and possibly on the opposite side walls of the collecting channel.
  • the inlet openings formed at the bottom of the collecting channel are preferably slit-shaped, whereas inlet openings provided on the side walls preferably have a circular contour (for example bores). It is preferably provided that the distances between adjacent inlet openings, and in particular the distances provided at the bottom
  • the two adjacent entrance openings located closer to one of the end faces of the collection channel are preferably spaced closer to each other along the direction of extension of the collection channel than two adjacent entry openings that are more toward the center of the collection channel (referring to FIGS.
  • Extension direction are arranged.
  • the number, distribution, size and / or shape of the inlet openings are chosen so that the velocity field of the gaseous phase of the first medium in the collecting channel sets the amount as uniform as possible.
  • the cross-sectional area (and possibly contour) of the collecting channel is selected such that a uniform as possible flow field of the gaseous phase of the first medium sets in the collecting channel and in the shell space. This is preferably supported by an enlargement / enlargement of the cross section of the collecting channel towards the outlet nozzle and / or by a defined arrangement, shape and size of the inlet openings on the collecting channel.
  • the sheath can of course also have a plurality of outlet stubs, which may be connected to a collecting channel as described above or possibly to a plurality of collecting channels of the type described above.
  • the positions, dimensions and orientations of these collecting ducts are preferably selected such that the velocity field of the gaseous phase of the first medium in the jacket space and in the respective collecting duct is adjusted as uniformly as possible in terms of magnitude.
  • the at least one outlet nozzle (or more
  • Outlet nozzle at an upper, a lower, a lateral region of the circumferential wall of the shell or be arranged on one of the front-side walls of the shell.
  • FIG. 1 shows a sectional view of a heat exchanger according to the invention
  • FIG. 2 shows a further sectional view of the heat exchanger according to FIG. 1
  • Fig. 3 is a sectional view of a collecting channel of the heat exchanger according to
  • Figures 1 and 2 show in connection with Figures 2 and 3, a heat exchanger 1, which has a transverse, (circular) cylindrical shell 2, which limits a shell space 3 of the heat exchanger 1.
  • the jacket 2 in this case has a circumferential, cylindrical wall 14, which is delimited by two opposing walls 15 frontally.
  • a heat transfer block 4 is arranged in the jacket space 2 enclosed by the jacket 2.
  • This may be a plate heat exchanger that provides multiple parallel heat exchange passages.
  • the plate heat exchanger 4 has a plurality of corrugated sheets
  • the jacket space 3 is filled with a first medium F1 during operation of the heat exchanger 1, so that a liquid phase L1 of the first medium F1 forms a bath surrounding the heat transfer block or plate heat exchanger 4, wherein a gaseous phase G1 of the first medium F1 forming during operation can collect above the liquid phase L1 in the jacket space 3.
  • the first medium (liquid phase L1) F1 can ascend in the heat transfer block 4 (in associated heat exchange passages) and is thereby indirectly controlled by a second medium F2 to be cooled, for example crossflowed to the first medium F1 in associated heat exchange passages of the heat transfer block 4 Heat transfer partially evaporated.
  • the resulting Gaseous phase G1 of the first medium F1 can exit at an upper end of the block 4 and rises in the shell space 3 of the heat exchanger 1 with a
  • the second medium F2 is passed through a suitable inlet O (eg via a nozzle on a header) in the heat transfer block or plate heat exchanger 4 and after passing through the associated heat exchange passages via a sequence O '(eg via a corresponding header and a connecting piece ) withdrawn from the block 4.
  • a suitable inlet O eg via a nozzle on a header
  • O ' e.g via a corresponding header and a connecting piece
  • a box-shaped collecting channel 5 which extends along an extension direction 7, is arranged on an inner side 2a of the jacket 2 facing the jacket space 3.
  • the collecting channel 5 is in particular longitudinally formed and correspondingly has a greater extent along the extension direction 7 than transversely to that
  • the collecting channel 5 furthermore has a wall W which delimits an interior I of the collecting channel 5, through which the gaseous phase G1 of the first medium F1 is withdrawn from the jacket space 3.
  • the wall W has in detail an upper side 9, which in the present case is formed by the jacket 2, as well as two side walls 11 extending therefrom, which extend along the extension direction 7 and via a bottom (lower side) 10 of the collecting channel 5 lying opposite the upper side 9 are connected. Furthermore, the
  • Mantle space 3 are now on the side walls 1 1 and / or the bottom 10 of the collecting channel 5 slot-shaped inlet openings 12 are provided (in this case, slot-shaped inlet openings on the bottom 10) through which the gaseous phase G1 can enter into the collecting channel 5.
  • the inlet openings 12 are arranged next to one another along the extension direction 7, wherein the distance between adjacent inlet openings 13 along the
  • the longitudinal axes of these inlet openings 12 each extend transversely to the direction of extension 7 of the collecting channel 5. Furthermore, on the side walls 1 1 and / or the bottom 10 of the
  • each circular inlet openings 13 are provided (in the present case circular inlet openings 13 on the side walls 11), which are also arranged along the extension direction 7 side by side. Again, the distance between adjacent inlet openings 12 along the extension direction 7, starting from the outlet nozzle 6 to the two end faces 1 1a, 1 1 b of the
  • the collecting channel 5 is further connected to an outlet nozzle 6 of the shell 2, which opens into the top 9 of the collecting channel 5, so that the over
  • the outlet nozzle 6 is preferably arranged centrally along the direction of extent 7 on the collecting channel 5, wherein the underside 10 of the collecting channel 5 preferably has two portions 10a, 10b sloping towards the outlet nozzle 6, which preferably meet below the outlet nozzle 6.
  • the cross section of the collecting channel 5 increases (widens) in each case from the end faces 1 1 a, 1 1 b of the collecting channel 5, starting in the direction of the
  • Outlet nozzle 6 in order to obtain the most homogeneous velocity field v of the gaseous phase G1 of the first medium F1 in the collecting channel 5 (and in the shell space 3).

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Description

Beschreibung Wärmeübertrager Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein derartiger Wärmeübertrager ist beispielsweise in„The Standards of the brazed aluminium plate-fin heat exchanger manufacturer's association (ALPEMA)", dritte Ausgabe, 2010, Seite 67 in Figur 9-1 gezeigt. Er weist einen Mantel („shell") auf, der einen Mantelraum umschließt, sowie mindestens einen im Mantelraum angeordneten Wärmeübertragungsblock („core"), der als Plattenwärmetauscher ausgebildet ist. Eine solche Ausführung eines Wärmeübertragers nennt man auch„core-in-shell"- oder „block-in-sheir1 -Wärmeübertrager.
Mit einem solchen Wärmeübertrager kann insbesondere ein erstes Medium, das beim Betrieb des Wärmeübertragers ein den Wärmeübertragungsblock umgebendes Bad ausbildet und in dem Wärmeübertragungsblock (entlang der Vertikalen) von unten nach oben aufsteigt (Thermosiphon-Effekt), in eine indirekte Wärmeübertragung mit einem zweiten Medium gebracht werden (z.B. eine zu verflüssigende gasförmige Phase oder eine zu kühlende flüssige Phase), das bevorzugt im Gegenstrom oder Kreuzstrom zum ersten Medium im Wärmeübertragungsblock geführt wird. Eine hierbei entstehende gasförmige Phase des ersten Mediums sammelt sich im Mantelraum oberhalb des Wärmeübertragungsblocks und wird über zumindest einen am Mantel vorgesehenen Austrittsstutzen abgezogen und über einen außerhalb des Mantels vorgesehenen (externen) Sammelkanal eventuell weiteren Prozessschritten zugeleitet.
Durch diese Art des Abzuges der gasförmigen Phase entwickelt sich im Mantelraum ein heterogenes Geschwindigkeitsfeld der zum Austrittsstutzen strebenden
gasförmigen Phase, das die Güte der Gas-Flüssigkeitstrennung im Mantelraum beeinträchtigt. Diesem Effekt kann durch eine Variation der Zahl oder der Größe der Austrittsstutzen nur begrenzt entgegengewirkt werden, zumal die
Strömungseigenschaften im externen Sammelkanal ebenfalls auf das
Geschwindigkeitsfeld der gasförmigen Phase im Mantelraum zurückwirken. Darüber hinaus sind die Austrittstutzen drucktragende Bestandteile eines ("core-in-shell") Wärmeübertragers der eingangs genannten Art und sind daher konstruktiv aufwändig, was erhöhte Fertigungskosten im Falle mehrerer Austrittsstutzen mit sich bringt. Des Weiteren wird durch die Festlegung der Austrittsstutzenposition an der Oberseite des Mantels ein Freiheitsgrad bei der Konstruktion der umgebenden Bauteile (z.B.
Coldbox, Feldverrohrung) genommen.
Hiervon ausgehend liegt daher der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeübertrager bereitzustellen, der im Hinblick auf die vorgenannte
Problematik verbessert ist.
Dieses Problem wird durch einen Wärmeübertrager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Danach ist vorgesehen, dass sich der Sammelkanal im Mantelraum befindet und zum Abziehen der gasförmigen Phase aus dem Mantelraum ausgebildet ist.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung können im Mantelraum auch mehrere Wärmeübertragungsblöcke bzw. Plattenwärmetauscher vorgesehen sein, die z.B. parallel oder in Serie betrieben werden können.
Derartige Plattenwärmetauscher weisen in der Regel eine Mehrzahl an parallel zueinander angeordneten Platten bzw. Blechen auf, die eine Vielzahl von
Wärmeaustauschpassagen für am Wärmetausch beteiligte Medien bilden. Eine bevorzugte Ausführungsform eines Plattenwärmetauschers weist eine Mehrzahl an gewellten Blechen auf (sogenannte Fins), die jeweils zwischen zwei parallelen
Trennplatten bzw. -blechen des Plattenwärmetauschers angeordnet sind, wobei die beiden äußersten Lagen des Plattenwärmetauschers durch Deckplatten gebildet sind. Auf diese Weise werden zwischen je zwei Trennplatten bzw. zwischen einer
Trennplatte und einer Deckplatte aufgrund des jeweils dazwischen angeordneten Fins eine Vielzahl an parallelen Kanälen bzw. eine Wärmeaustauschpassage gebildet, durch die ein Medium strömen kann. In benachbarten Wärmeaustauschpassagen strömende Medien können daher indirekt Wärme austauschen. Zu den Seiten hin sind zwischen je zwei benachbarten Trennplatten bzw. zwischen einer Deckplatte und der benachbarten Trennplatte vorzugsweise Abschlussleisten (so genannte Side Bars) zum Verschließen der jeweiligen Wärmeaustauschpassage vorgesehen. Die Deckplatten, Trennplatten, Fins und Side Bars sind vorzugsweise aus Aluminium gefertigt und werden z.B. in einem Ofen miteinander verlötet. Über entsprechende Header mit Stutzen können Medien in die Wärmeaustauschpassagen eingeleitet bzw. aus diesen abgezogen werden.
Der Mantel des Wärmeübertragers kann insbesondere eine umlaufende,
(kreis)zylindrische Wandung aufweisen, die bei einem bestimmungsgemäß
angeordneten Zustand des Wärmeübertragers vorzugsweise so ausgerichtet ist, dass sich die Längsachse (Zylinderachse) der Wandung bzw. des Mantels entlang der Horizontalen erstreckt. Stirnseitig weist der Mantel bevorzugt einander
gegenüberliegende, mit jener Wandung verbundene Wände auf, die sich quer zur Horizontalen bzw. Längsachse erstrecken.
Bevorzugt ist der besagte Sammelkanal zum Abziehen der gasförmigen Phase des ersten Mediums mit einem Austrittsstutzen, der insbesondere an einer Oberseite des Mantels angeordnet ist, strömungsleitend verbunden (z.B. über eine Leitung), so dass die gasförmige Phase des ersten Mediums über jenen Austrittsstutzen aus dem Mantelraum abgezogen werden kann.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass sich der Sammelkanal entlang einer Erstreckungsrichtung erstreckt, die parallel zur Längsachse
(Zylinderachse) des Mantels bzw. entlang der Horizontalen ausgerichtet ist, und dabei bevorzugt quer zur besagten Erstreckungsrichtung (Längsachse) einen rohrförmigen (kreisförmigen) oder einen kastenförmigen (rechteckförmigen) Querschnitt aufweist. Vorzugsweise ist der Sammelkanal (bezogen auf einen bestimmungsgemäß angeordneten Zustand des Wärmeübertragers) entlang der Vertikalen oberhalb des Flüssigkeitsspiegels des ersten Mediums bzw. oberhalb des
Wärmeübertragungsblocks im Mantelraum angeordnet, so dass die (vom
Wärmeübertragungsblock) aufsteigende gasförmige Phase des ersten Mediums auf den Sammelkanal trifft.
Der Sammelkanal weist bevorzugt eine Wandung auf, die einen Innenraum des Sammelkanals umschließt, in dem die gasförmige Phase zu dem besagten
Austrittstutzen strömen kann. Dabei wird derjenige Bereich jener Wandung des Sammelkanals, der zu einer Oberseite des Wärmeübertragers weist bzw. entlang der Vertikalen nach oben weist, als Oberseite des Sammelkanals bezeichnet, und der gegenüberliegende Bereich der Wandung des Sammelkanals, der zur Unterseite des Wärmeübertragers weist, stellt entsprechend die Unterseite des Sammelkanals dar. Die Ober- und Unterseite des Sammelkanals werden bevorzugt durch entlang der Längsachse des Mantels erstreckte Seitenwände des Sammelkanals miteinander verbunden. Stirnseitig wird der Sammelkanal bevorzugt durch einander
gegenüberliegende Stirnseiten begrenzt, die jeweils die Ober-, die Unterseite und die Seitenwände miteinander verbinden. Eine Variante der Erfindung sieht weiterhin vor, dass eine oder mehrere der vorgenannten Bereiche der Wandung des Sammelkanals durch den Mantel des Wärmeübertragers ausgebildet werden können. Bevorzugt wird die Oberseite des Sammelkanals bzw. die Oberseite der Wandung des Sammelkanals durch den Mantel gebildet. Die Seitenwände und Stirnseiten sind also entsprechend vom Mantelraum her an den Mantel angesetzt.
Zum Abziehen der gasförmigen Phase weist der Sammelkanal vorzugsweise eine Mehrzahl an Eintrittsöffnungen auf, die insbesondere an der Unterseite (Boden) des Sammelkanals sowie ggf. an den einander gegenüberliegenden Seitenwänden des Sammelkanals ausgebildet sind. Dabei sind die am Boden des Sammelkanals ausgebildeten Eintrittsöffnungen vorzugsweise schlitzförmig ausgebildet, wohingegen an den Seitenwänden vorgesehene Eintrittsöffnungen vorzugsweise eine kreisförmige Kontur aufweisen (z.B. Bohrungen). Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Abstände benachbarter Eintrittsöffnungen, und zwar insbesondere die Abstände der an der Unterseite vorgesehenen
Eintrittsöffnungen, zur jeweiligen Stirnseite des Sammelkanals hin abnehmen. D.h., das zwei benachbarte Eintrittsöffnungen, die näher an einer der Stirnseiten des Sammelkanals gelegen sind, vorzugsweise einen geringeren Abstand zueinander entlang der Erstreckungsrichtung des Sammelkanals aufweisen als zwei benachbarte Eintrittsöffnungen, die eher zur Mitte des Sammelkanals hin (bezogen auf die
Erstreckungsrichtung) angeordnet sind. Bevorzugt sind die Anzahl, Verteilung, Größe und/oder Form der Eintrittsöffnungen so gewählt, dass sich das Geschwindigkeitsfeld der gasförmigen Phase des ersten Mediums im Sammelkanal betragsmäßig möglichst gleichförmig einstellt.
Weiterhin ist gemäß einem Aspekt der Erfindung die Querschnittsfläche (und ggf. Kontur) des Sammelkanals (in einer Ebene senkrecht zur Erstreckungsrichtung des Sammelkanals) derart gewählt, dass sich im Sammelkanal und im Mantelraum ein möglichst gleichförmiges Strömungsfeld der gasförmigen Phase des ersten Mediums einstellt. Bevorzugt wird dies durch eine Erweiterung / Vergrößerung des Querschnitts des Sammelkanals hin zum Austrittsstutzen und/oder durch eine definierte Anordnung, Form und Größe der Eintrittsöffnungen am Sammelkanal unterstützt.
Weiterhin kann der Mantel natürlich auch eine Mehrzahl an Austrittsstutzen aufweisen, die mit einem wie vorstehend beschriebenen Sammelkanal oder gegebenenfalls mit mehreren Sammelkanälen der vorstehend beschriebenen Art verbunden sein können.
Die Positionen, Dimensionen und Ausrichtungen dieser Sammelkanäle werden dabei vorzugsweise so gewählt, dass sich das Geschwindigkeitsfeld der gasförmigen Phase des ersten Mediums im Mantelraum und in dem jeweiligen Sammelkanal betragsmäßig möglichst gleichförmig einstellt.
Weiterhin kann der mindestens eine Austrittstutzen (oder auch mehrere
Austrittsstutzen) erfindungsgemäß an einem oberen, einem unteren, einem seitlichen Bereich der umlaufenden Wandung des Mantels oder an einer der stirnseitigen Wände des Mantels angeordnet sein.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen durch die nachfolgenden Figurenbeschreibungen von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren erläutert werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind außerdem in den
Unteransprüchen angegeben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers Fig. 2 eine weitere Schnittansicht des Wärmeübertragers gemäß Figur 1 ; und Fig. 3 eine Schnittansicht eines Sammelkanals des Wärmeübertrager gemäß
Figuren 1 und 2. Figur 1 zeigt im Zusammenhang mit den Figuren 2 und 3 einen Wärmeübertrager 1 , der einen querliegenden, (kreis)zylindrischen Mantel 2 aufweist, der einen Mantelraum 3 des Wärmeübertragers 1 begrenzt. Der Mantel 2 weist dabei eine umlaufende, zylindrische Wandung 14 auf, die stirnseitig durch zwei einander gegenüberliegende Wände 15 begrenzt wird.
In dem vom Mantel 2 umschlossenen Mantelraum 3 ist ein Wärmeübertragungsblock 4 angeordnet. Hierbei kann es sich um einen Plattenwärmetauscher handeln, der mehrere parallele Wärmeaustauschpassagen bereitstellt. Der Plattenwärmetauscher 4 weist dabei eine Mehrzahl an gewellten Blechen auf
(sogenannte Fins), die jeweils zwischen zwei ebenen Trennplatten bzw. -blechen des Plattenwärmetauschers 4 angeordnet sind. Auf diese Weise werden zwischen je zwei Trennplatten (bzw. eine Trennplatte und einer Deckplatte, siehe unten) eine Vielzahl an parallelen Kanälen bzw. eine Wärmeaustauschpassage gebildet, durch die das jeweilige Medium strömen kann. Die beiden äußersten Lagen werden durch
Deckplatten des Plattenwärmetauschers gebildet; zu den Seiten hin sind zwischen je zwei benachbarten Trennplatten bzw. Trenn- und Deckplatten Abschlussleisten (so genannte„side bars") vorgesehen. Der Mantelraum 3 ist während eines Betriebes des Wärmeübertragers 1 mit einem ersten Medium F1 befüllt, so dass eine flüssigen Phase L1 des ersten Mediums F1 ein den Wärmeübertragungsblock bzw. Plattenwärmetauscher 4 umgebendes Bad ausbildet, wobei sich eine beim Betrieb bildende gasförmige Phase G1 des ersten Mediums F1 oberhalb der flüssigen Phase L1 im Mantelraum 3 sammeln kann.
Das erste Medium (flüssige Phase L1) F1 kann in dem Wärmeübertragungsblock 4 (in zugeordneten Wärmeaustauschpassagen) aufsteigen und wird dabei durch ein zu kühlendes zweites Medium F2, das z.B. im Kreuzstrom zum ersten Medium F1 in zugeordneten Wärmeaustauschpassagen des Wärmeübertragungsblocks 4 geführt wird, durch indirekte Wärmeübertragung teilweise verdampft. Die hierbei entstehende gasförmige Phase G1 des ersten Mediums F1 kann an einem oberen Ende des Blocks 4 austreten und steigt im Mantelraum 3 des Wärmeübertragers 1 mit einem
bestimmten Geschwindigkeitsfeld v auf. Das zweite Medium F2 wird über einen geeigneten Zulauf O (z.B. über einen Stutzen an einem Header) in den Wärmeübertragungsblock bzw. Plattenwärmetauscher 4 geleitet und nach einem Durchlaufen der zugeordneten Wärmeaustauschpassagen über einen Ablauf O' (z.B. über einen entsprechenden Header und einem damit verbundenen Stutzen) aus dem Block 4 abgezogen.
An der Oberseite 8 des Wärmeübertragers 1 ist an einer dem Mantelraum 3 zugewandten Innenseite 2a des Mantels 2 ein kastenförmiger Sammelkanal 5 angeordnet, der sich entlang einer Erstreckungsrichtung 7 erstreckt. Der Sammelkanal 5 ist dabei insbesondere längserstreckt ausgebildet und weist entsprechend entlang der Erstreckungsrichtung 7 eine größere Ausdehnung auf, als quer zu jener
Erstreckungsrichtung 7.
Der Sammelkanal 5 weist des Weiteren eine Wandung W auf, die einen Innenraum I des Sammelkanals 5 begrenzt, durch den hindurch die gasförmige Phase G1 des ersten Mediums F1 aus dem Mantelraum 3 abgezogen wird. Die Wandung W weist im Einzelnen eine Oberseite 9 auf, die vorliegend durch den Mantel 2 gebildet wird, sowie zwei davon abgehende Seitenwände 11 , die sich entlang der Erstreckungsrichtung 7 erstrecken und über einen der Oberseite 9 gegenüberliegenden Boden (Unterseite) 10 des Sammelkanals 5 miteinander verbunden sind. Des Weiteren weist der
Sammelkanal 5 bzw. dessen Wandung W zwei Stirnseiten 1 1 a, 1 1 b auf, die einander entlang der Erstreckungsrichtung 7 gegenüberliegen.
Zum Abziehen der gasförmigen Phase G1 des ersten Mediums F1 aus dem
Mantelraum 3 sind nun an den Seitenwänden 1 1 und/oder der Unterseite 10 des Sammelkanals 5 schlitzförmige Eintrittsöffnungen 12 vorgesehen (vorliegend schlitzförmige Eintrittsöffnungen an der Unterseite 10), durch die hindurch die gasförmige Phase G1 in den Sammelkanal 5 eintreten kann. Die Eintrittsöffnungen 12 sind dabei entlang der Erstreckungsrichtung 7 nebeneinander angeordnet, wobei der Abstand zwischen benachbarten Eintrittsöffnungen 13 entlang der
Erstreckungsrichtung 7 ausgehend vom Austrittsstutzen 6 zu den beiden Stirnseiten 1 1 a, 1 1 b des Sammelkanals 5 hin jeweils bevorzugt abnimmt. Die Längsachsen dieser Eintrittsöffnungen 12 verlaufen dabei jeweils quer zur Erstreckungsrichtung 7 des Sammelkanals 5. Des Weiteren sind an den Seitenwänden 1 1 und/oder der Unterseite 10 des
Sammelkanals 5 jeweils kreisförmige Eintrittsöffnungen 13 vorgesehen (vorliegend kreisförmige Eintrittsöffnungen 13 an den Seitenwänden 11 ), die ebenfalls entlang der Erstreckungsrichtung 7 nebeneinander angeordnet sind. Auch hier nimmt der Abstand zwischen benachbarten Eintrittsöffnungen 12 entlang der Erstreckungsrichtung 7 ausgehend vom Austrittsstutzen 6 zu den beiden Stirnseiten 1 1a, 1 1 b des
Sammelkanals 5 hin jeweils bevorzugt ab.
Der Sammelkanal 5 ist ferner mit einem Austrittstutzen 6 des Mantels 2 verbunden, der in die Oberseite 9 des Sammelkanals 5 einmündet, so dass die über die
Eintrittsöffnungen 12, 13 in den Innenraum I des Sammelkanals 5 gelangte gasförmige Phase G1 des ersten Mediums F1 aus dem Sammelkanal 5 über den Austrittstutzen 6 abgezogen werden kann.
Der Austrittstutzen 6 ist entlang der Erstreckungsrichtung 7 vorzugsweise mittig am Sammelkanal 5 angeordnet, wobei die Unterseite 10 des Sammelkanals 5 bevorzugt zwei zum Austrittsstutzen 6 hin abfallende Abschnitte 10a, 10b aufweist, die sich vorzugsweise unterhalb des Austrittsstutzens 6 treffen.
Der Querschnitt des Sammelkanals 5 vergrößert (verbreitert) sich jeweils von den Stirnseiten 1 1 a, 1 1 b des Sammelkanales 5 ausgehend in Richtung auf den
Austrittsstutzen 6, um im Sammelkanal 5 (und im Mantelraum 3) ein möglichst homogenes Geschwindigkeitsfeld v der gasförmigen Phase G1 des ersten Mediums F1 zu erhalten. Bezugszeichenliste
1 Wärmeübertrager
2 Mantel
2a Innenseite
3 Mantelraum
4 Wärmeübertragungsblock
5 Sammelkanal
6 Austrittsstutzen
7 Erstreckungsrichtung
8 Oberseite des Mantels
9 Oberseite des Sammelkanals
10 Unterseite des Sammelkanals
10a, 10b Abschnitte Unterseite
11 Seitenwände des Sammelkanals
11a, 11 b Stirnseiten
12 Schlitzförmige Eintrittsöffnungen
13 kreisförmige Eintrittsöffnungen
14 Umlaufende Wandung des Mantels
15 Stirnseitige Wände des Mantels
16 Unterseite des Mantels
F1 Erstes Medium
G1 Gasförmige Phase des ersten Mediums
L1 Flüssige Phase des ersten Mediums
F2 Zweites Medium
I Innenraum
O Zulauf für zweites Medium
0' Ablauf für zweites Medium
V Geschwindigkeitsfeld der gasförmigen Phase G1

Claims

Patentansprüche
Wärmeübertrager (1) zur indirekten Wärmeübertragung zwischen einem ersten Medium (F1) und einem zweiten Medium (F2), mit:
- einem Mantel (2), der einen Mantelraum (3) zur Aufnahme des ersten Mediums (F1) aufweist,
- zumindest einem im Mantelraum(3) angeordneten Wärmeübertragungsblock (4), der bei einem bestimmungsgemäßen Betrieb vom ersten Medium (F1) umgeben ist, wobei der Wärmeübertragungsblock (4) dazu ausgebildet ist, das zweite Medium
(F2) gegen das erste Medium (F1) abzukühlen und / oder zumindest teilweise zu verflüssigen, so dass sich im Mantelraum (3) eine gasförmige Phase des ersten Mediums (G1) bildet, wobei der mindestens eine Wärmeübertragungsblock (4) ein Plattenwärmetauscher ist, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abziehen der gasförmigen Phase des ersten Mediums (G1 ) aus dem Mantelraum (3) ein im Mantelraum
(3) befindlicher Sammelkanal (5) vorgesehen ist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der
Wärmeübertragungsblock (4) so ausgebildet ist, dass das erste Medium (F1) beim Betrieb des Wärmeübertragers (1) im Wärmeübertragungsblock (4) aufsteigen kann, wobei insbesondere der Wärmeübertragungsblock (4) dazu ausgebildet ist, das zweite Medium (F2) im Gegenstrom oder Kreuzstrom zum ersten Medium (F1) im Wärmeübertragungsblock (4) zu führen.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Mantelraum eine Mehrzahl an Wärmeübertragungsblöcken
(4) in Form von Plattenwärmetauschern angeordnet sind.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelkanal (5) mit zumindest einem am Mantel (2) vorgesehenen Austrittsstutzen (6) verbunden ist, so dass die gasförmige Phase des ersten Mediums (G1) durch den Sammelkanal (5) über den zumindest einen Austrittsstutzen (6) aus dem Mantelraum (3) abziehbar ist.
5. Wärmeübertrager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der
Sammelkanal (5) eine Wandung (W) aufweist, die einen Innenraum (I) des Sammelkanals (5) definiert, in dem die gasförmige Phase des ersten Mediums (G1) zum Austrittsstutzen (6) strömen kann, und die entlang einer horizontalen Erstreckungsrichtung (7) längserstreckt entlang einer Oberseite (8) des Mantels (2) verläuft.
6. Wärmeübertrager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der
Sammelkanal (5) quer zur Erstreckungsrichtung (7) einen insbesondere kasten- oder rohi-förmigen Querschnitt aufweist.
7. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (W) des Sammelkanals (5) eine Oberseite (9) und eine gegenüberliegende Unterseite (10) aufweist, wobei die Oberseite (9) und die Unterseite (10) über einander gegenüberliegende Seitenwände (11 ) der Wandung (W) des Sammelkanals (5) mit einander verbunden sind.
8. Wärmeübertrager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bereich der Wandung (W) des Sammelkanals (5), insbesondere eine Oberseite (9) der Wandung (W), durch den Mantel (2) gebildet wird.
9. Wärmeübertrager nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterseite (10) und/oder die Seitenwände (11 ) des Sammelkanals (5) eine
Mehrzahl an insbesondere schlitzförmigen Eintrittsöffnungen (12) aufweisen, durch die die gasförmige Phase des ersten Mediums (G1 ) in den Sammelkanal (5) einströmen kann.
10. Wärmeübertrager nach den Ansprüchen 4 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelkanal (5) zwei Stirnseiten (1 1 a, 1 1 b) aufweist, die entlang der
Erstreckungsrichtung (7) einander gegenüber liegen, wobei die Abstände benachbarter Eintrittsöffnungen (12) zur jeweiligen Stirnseite (11 a, 1 1 b) hin abnehmen.
1 1. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterseite (10) und/oder die Seitenwände (1 1) des Sammelkanals (5) eine Mehrzahl an insbesondere kreisförmigen Eintrittsöffnungen (13) aufweisen, durch die die gasförmige Phase des ersten Mediums (G1) in den Sammelkanal (5) einströmen kann.
12. Wärmeübertrager nach den Ansprüchen 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Querschnitt des Sammelkanals (5) zum Austrittsstutzen (6) hin vergrößert, so dass ein Geschwindigkeitsfeld (v) der gasförmigen Phase des ersten Mediums
(G1) im Sammelkanal (5) betragsmäßig im Wesentlichen konstant bleibt.
13. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (1 ) weitere Austrittsstutzen (6) aufweist, die über den Sammelkanal (5) miteinander verbunden sind.
14. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (1 ) eine Vielzahl von
Sammelkanälen (5) aufweist, die jeweils mit zumindest einem Austrittsstutzen (6) verbunden sind.
15. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Mantel (2) eine zylindrische, quer zur
Erstreckungsrichtung (7) umlaufende Wandung (14) aufweist, die zwei stirnseitige Wände (15) des Mantels (2) miteinander verbindet.
16. Wärmeübertrager nach den Ansprüchen 4 und 15, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Austrittsstutzen (6) an der umlaufenden Wandung (W) des Mantels (2) angeordnet ist, insbesondere an einem oberen, einem seitlichen oder einem unteren Bereich (8, 16) der Wandung (14) des Mantels (2), oder dass der mindestens eine Austrittsstutzen (6) an einer der stirnseitigen Wände (15) des Mantels (2) angeordnet ist.
17. Wärmeübertrager nach Anspruch 9 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl, Verteilung, Größe und/oder Form der Eintrittsöffnungen (12, 13) am Sammelkanal (5) so gewählt ist bzw. sind, dass sich das Geschwindigkeitsfeld (v) der gasförmigen Phase des ersten Mediums (G1) im Sammelkanal (5) und insbesondere auch im Mantelraum (3) betragsmäßig als im Wesentlichen gleichförmig einstellt.
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