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Die Erfindung betrifft ein Wärmetauschersystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein derartiger Wärmetauscher ist zum indirekten Wärmeaustausch zwischen zumindest einem ersten in einem Rohrbündel geführten Medium und einem im Mantelraum geführten zweiphasigen Gemisch (Gas/Flüssigkeit) eingerichtet und vorgesehen, wobei das Rohrbündel eine Mehrzahl an Rohren aufweist, die um ein Kernrohr gewickelt sind, und wobei der Mantelraum durch einen das Rohrbündel umschließenden Mantel definiert ist. Weiterhin ist ein Flüssigkeitsverteiler, mit Verteilerarmen zum Verteilen der besagten Flüssigkeit im Mantelraum auf das Rohrbündel vorgesehen, wobei die Verteilerarme zum Versorgen der Verteilerarme mit der Flüssigkeit über Ablaufrohre mit einem entlang des Umfanges des Mantels umlaufenden Ringkanal strömungsleitend verbunden sind.
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Auf der Mantelseite können die Flüssigkeitsverteilersysteme zum Entgasen und Beruhigen der zu verteilenden Flüssigkeit weiterhin so konzipiert sein, dass das zweiphasige Flüssigkeits-/Gasgemisch z. B. in einem Vorverteilersystem beruhigt und entgast wird, das zumeist einen Ringkanal und in zweiter Stufe eine Sammelwanne aufweist. Anschließend wird die entgaste Flüssigkeit über ein Fallrohr zur Druckerzeugung aufgestaut und dem eigentlichen Hauptverteilersystem zugeführt. Die Flüssigkeit wird von dem Fallrohr aus in die Verteilerarme geleitet, von wo sie durch Bohrungen auf das darunter liegende Rohrbündel hinab regnet. Durch das Fallen der Flüssigkeit in das Fallrohr können jedoch Gasblasen in die Flüssigkeit eingetragen werden. Die Sinkgeschwindigkeit in dem Fallrohr ist so hoch, dass eingeschlossene Gasblasen nicht entgegen der Flüssigkeitsströmung aufsteigen können. Sie werden also weiter in die Verteilerarme mitgenommen und können dann die Flüssigkeitsverteilung auf das Energiebündel negativ beeinflussen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art im Hinblick auf die Verteilung von Flüssigkeit auf den Mantelraum weiter zu verbessern.
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Dieses Problem wird durch ein Wärmetauschersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Danach ist vorgesehen, dass das Kernrohr zur Entgasung der in den Verteilerarmen aufgenommenen, zu verteilenden Flüssigkeit mit den Verteilerarmen strömungsleitend verbunden ist. D. h. insbesondere, dass das Kernrohr, durch das bisher die Flüssigkeit nach unten geleitet wurde, nunmehr als Entgasungskamin fungiert bzw. ausgebildet ist.
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Somit wird zum einen die Zweistufigkeit bisheriger Systeme (siehe oben) umgegangen, da bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher die Flüssigkeit aus dem Ringkanal über die Ablaufrohre direkt in die zugeordneten Verteilerarme strömt, wobei zusätzlich eine effektive Möglichkeit zur Entgasung der im Ringkanal aufgenommenen Flüssigkeit geschaffen wird, nämlich durch das Kernrohr als Entgasungsmittel, das mit stehender Flüssigkeit gefüllt ist. Durch die erfindungsgemäße Führung der Flüssigkeitsströmung im Ringkanal kann insbesondere eine deutlich höhere Verweilzeit und somit eine reduzierte Sinkgeschwindigkeit der Flüssigkeit realisiert werden.
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Des Weiteren hat das Kernrohr erfindungsgemäß bevorzugt die Funktion, eine mögliche Fehlverteilung zwischen den Verteilerarmen zu unterbinden, indem es einen Flüssigkeitstransfer von einem Verteilerarm zu einem anderen zulässt, d. h., die Verteilerarme sind zur Gleichverteilung der Flüssigkeit auf das Rohrbündel vorzugsweise über das Kernrohr strömungsleitend miteinander verbunden, und zwar insbesondere über schlitzförmige Durchgangsöffnungen zum Kernrohr hin.
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Das Kernrohr erstreckt sich in einem bestimmungsgemäß angeordneten Zustand vorzugsweise entlang der Vertikalen, wobei das Kernrohr bevorzugt entlang einer Längsachse (Zylinderachse) des vorzugsweise im Wesentlichen hohlzylinderförmigen Mantels verlauft, und zwar insbesondere koaxial zum Mantel. Die besagten schlitzförmigen Durchgangsöffnungen erstrecken sich vorzugsweise ebenfalls entlang der Vertikalen am Kernrohr.
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Damit die in den Verteilerarmen aufgenommene, zu verteilende Flüssigkeit über das Kernrohr entgast werden kann, ist in dem Kernrohr bevorzugt ein Entgasungskamin angeordnet (oder der Entgasungskamin wird lediglich durch das Kernrohr ausgebildet), wobei jener Entgasungs- bzw. Verteilerkamin mit den einzelnen Verteilerarmen strömungsleitend verbunden ist, und zwar insbesondere über die besagten schlitzförmigen Durchgangsöffnungen.
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Um eine Entgasung der Flüssigkeit in den Verteilerarmen zu unterstützen, weisen diese bevorzugt – bezogen auf einen bestimmungsgemäß angeordneten Zustand des Wärmetauschers – Dächer zur Begrenzung nach oben hin auf, die zum jeweiligen Boden (Lochboden) eines Verteilerarmes, über den die zu verteilende Flüssigkeit auf das darunter angeordnete Rohrbündel regnet, geneigt verlaufen, und zwar aufsteigend in Richtung auf das Kernrohr, von dem die einzelnen Verteilerarme (in radialer Richtung des Mantels) abgehen. Somit können in die Verteilerarme eingetragene Gasblasen leicht an dem nach innen aufsteigenden Dach der Verteilerarme nach innen Richtung Kernrohr/Entgasungskamin wandern und dann gegebenenfalls über das Kernrohr bzw. den darin aufgenommen Entgasungskamin entweichen.
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Vorzugsweise weist der Flüssigkeitsverteiler zum Einleiten von Flüssigkeit in den Ringkanal einen entlang des Kernrohres erstreckten Prallkasten zur Aufnahme der zu verteilenden Flüssigkeit auf, der (bezogen auf einen bestimmungsgemäß angeordneten Zustand des Wärmetauschers) nach unten hin und seitlich in den Ringkanal einmündet. Dabei weist der Prallkasten vorzugsweise eine entlang des Kernrohres erstreckte Prallwand auf, die einem Zulauf des Flüssigkeitsverteilers zum Einleiten von Flüssigkeit in den Prallkasten in der radialen Richtung des Mantels gegenüberliegt, so dass über den besagten Zulauf in den Prallkasten eingeleitete Flüssigkeit gegen die Prallwand strömt und dann nach unten fällt. Dort trifft die einströmende Flüssigkeit auf die Flüssigkeitsoberfläche auf. Gas und Flüssigkeit haben nunmehr ausreichend Zeit sich in dem Ringkanal zu separieren und eventuell nach unten mitgerissene Gasblasen können entgegen der Flüssigkeitsbewegung aufsteigen.
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Weiterhin ist der Prallkasten nach oben hin vorzugsweise geschlossen ausgebildet. Hierzu kann der Prallkasten ein Dach aufweisen, das sich von der Prallwand zum Mantel erstreckt, der den Prallkasten an einer vom Kernrohr abgewandten Seite begrenzen kann.
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Nach unten hin kann die Prallwand bevorzugt mit einem freien Endbereich in den Ringkanal hinein stehen, so dass die Flüssigkeit an der Prallwand in den Ringkanal ablaufen kann, wobei jener freie Endbereich der Prallwand insbesondere beabstandet zu einer umlaufenden, dem Kernrohr zugewandten Innenwand des Ringkanals angeordnet ist. Der Prallkasten kann auch nach unten hin zu sein, dann fließen Gas und Flüssigkeit nur seitlich ab. Die Flüssigkeit fällt dann auf beiden Seiten des Bodens in den Ringkanal.
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Damit in den Prallkasten eingetragene Gasblasen leicht abziehen können, weist der Prallkasten bevorzugt beidseitig der Prallwand offene Seiten auf.
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Der erfindungsgemäße Flüssigkeitsverteiler bildet somit im Ergebnis ein einstufiges System, wobei der Flüssigkeitsverteiler insbesondere so ausgelegt ist, dass die Flüssigkeit bei einem bestimmungsgemäßen Betrieb des Wärmetauschers im Ringkanal eine definierte Stauhöhe aufweist. Das soll in der Regel bereits für den garantierten Teillastfall gelten.
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Durch die verbesserte Flüssigkeitsverteilung lässt sich die Heizfläche des Wärmetauschers optimal nutzen. Die Konzeption ist ebenfalls bei Floating-LNG-Anlagen (schwimmenden Erdgasverflüssigungsanlagen) einsetzbar, da der Ringraum bzw. der Ringkanal in einfacher Weise in Segmente unterteilt werden kann, um ein Überschwappen oder Aufschaukeln des Systems zu vermeiden, d. h., der Ringkanal ist vorzugsweise derart in Segmente unterteilt, dass eine im Ringkanal stehende Flüssigkeit bei Veränderung der Raumlage des Ringkanals durch die Unterteilung des Ringkanals in Segmente beruhigt wird. Bevorzugt sind diese Segmente jeweils durch zwei einander gegenüberliegende, von einem Boden des Ringkanals abragende Wände gebildet, wobei die Flüssigkeit vorzugsweise ab einem gewissen Flüssigkeitsstand von einem Segment in die umgebenden Segmente gelangen kann (durch Überströmen der jeweiligen Wand).
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Weiterhin kann der vorliegende Wärmetauscher mit einem regelbaren Flüssigkeitsverteiler versehen werden. Der Ringkanal kann hierzu in Segmente unterteilt werden, die dann unterschiedliche Verteilerarme beschicken. Bei unterschiedlicher Ausführung oder Verteilung der im Boden der Verteilerarme ausgebildeten Durchgangslöcher, durch die die Flüssigkeit auf das darunter liegende Rohrbündel regnet, kann dann gezielt die Flüssigkeitsaufgabe auf bestimmte Sektionen des Bündels beeinflusst werden. Bevorzugt ist dabei die Beschickung der einzelnen Segmente für jedes Segment separat regelbar ausgebildet (z. B. mittels entsprechender, den einzelnen Segmenten zugeordneten Ventilen).
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sollen bei der nachfolgenden Figurenbeschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren erläutert werden.
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Es zeigen:
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1 eine schematische, ausschnitthafte Schnittansicht eines Wärmetauschers mit einem Flüssigkeitsverteilers; und
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2 eine schematische, teilweise geschnittene Draufsicht auf einen Ringkanal des Flüssigkeitsverteilers gemäß 1.
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1 zeigt im Zusammenhang mit der 2 einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher 1. Der Wärmetauscher 1 weist einen drucktragenden, insbesondere hohlzylinderförmigen Mantel 20 auf, der sich entlang einer Längsachse (Zylinderachse) erstreckt, die – bezogen auf einen bestimmungsgemäß angeordneten Zustand des Wärmetauschers 1 parallel zur Vertikalen Z verläuft. Der Mantel 20 begrenzt einen Mantelraum 200, in dem zumindest ein einen Rohrraum definierendes Rohrbündel 10 angeordnet ist, das aus einer Mehrzahl an Rohren gebildet ist, die (in mehreren Lagen) um ein Kernrohr 100 gewickelt sind, dessen Längsachse mit der Längsachse des Mantels 20 zusammenfällt. Der Rohrraum dient zur Aufnahme eines ersten Mediums, das in indirekten Wärmeaustausch mit einer im Mantelraum 200 geführten Flüssigkeit F tritt.
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Oberhalb des Rohrbündels 10 ist ein Flüssigkeitsverteiler 30 angeordnet, der dazu ausgebildet ist, jene Flüssigkeit F auf einen senkrecht zur Vertikalen Z verlaufenden Querschnitt des Mantelraumes 200 zu verteilen bzw. auf das Rohrbündel 10 aufzugeben.
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Um den Flüssigkeitsverteiler 30 mit Flüssigkeit F versorgen zu können, ist am Mantel 20 ein Zulauf 510 vorgesehen (z. B. in Form eines am Mantel 20 vorgesehenen Stutzens), der in einen Prallkasten 50 mündet, der sich im Mantelraum 200 entlang der Vertikalen Z erstreckt. Der Prallkasten 50 wird nach außen hin durch eine durch den Mantel 20 gebildet Außenwand 504 begrenzt, wobei gegenüberliegend eine Prallwand 500 des Prallkastens 50 vorgesehen ist, die so bezüglich des Zulaufs 510 angeordnet ist, das aus dem Zulauf 510 in den Prallkasten 50 strömende Flüssigkeit F auf der Prallwand 500 auftrifft und nach unten in den Prallkasten 50 strömt, wobei dieser nach unten hin in einen Ringkanal 400 mündet, in dem sich die Flüssigkeit F sammelt, derart, dass die Flüssigkeit F in einem bestimmungsgemäßen Betrieb des Wärmetauschers 1 in dem Ringkanal 400 steht (Flüssigkeitsspiegel F' oberhalb Verteilerarme 300, siehe unten). Hierdurch kann die Flüssigkeit F mit Vorteil beruhigt und entgast werden. Nach oben hin ist der Prallkasten 50 durch ein Dach 502 begrenzt, weist jedoch vorzugsweise beidseitig der Prallwand 500 offene Seiten 503 auf, über die durch die Flüssigkeit F mitgerissene Gasblasen G nach oben aus dem Flüssigkeitsverteiler 30 entweichen können. Die Prallwand 500 kann weiterhin einen freien Endbereich 501 aufweisen (oder kann unten ein Bodenblech aufweisen), der in den Ringkanal 400 hinein steht und zu dessen Innenwand 402 (siehe unten) entlang der radialen Richtung R beabstandet ist. Somit kann die Flüssigkeit F stets an der Prallwand 500 bis in den Ringkanal 400 abfließen.
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Der Ringkanal 400 selbst umläuft entlang des Umfanges Mantels 20 in einer senkrecht zur Längsachse des Mantels 20 orientierten Ebene, wobei eine umlaufende Außenwand 401 des Ringkanals 400 durch den Mantel 20 gebildet ist, der die umlaufende Innenwand 402 des Ringkanals 400 gegenüberliegt. Außen- und Innenwand 401, 402 des Ringkanals 400 sind über einen umlaufenden Boden 403 des Ringkanals 400 miteinander verbunden, der den Ringkanal 400 nach unten hin begrenzt.
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Der Ringkanal 400 ist seinerseits über eine Mehrzahl an entlang der Vertikalen Z erstreckten Ablaufrohren 340 mit einer Mehrzahl an Verteilerarmen 300 verbunden, die sich ausgehend vom Kernrohr 100 in Radialer Richtung R des Mantels 20 nach außen zum Mantel 20 hin erstrecken, wobei die Verteilerarme 300 insbesondere tortenstückartig (kreissektorförmig) ausgebildet sein können. Die Verteilerarme 300 können somit aus dem Ringkanal 400 mit der Flüssigkeit F beschickt werden. Zwischen den Verteilerarmen 300 können insbesondere Lücken (Durchgangsbereiche) ausgebildet sein, durch die Rohre des Rohrbündels 10 entlang der Vertikalen Z hindurch geführt werden können.
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Die Verteilerarme
300 werden nach unten hin jeweils durch einen Boden
301 begrenzt, wobei jene Böden (Lochböden)
301 jeweils eine Mehrzahl an Durchgangslöchern aufweisen, durch die hindurch in den Verteilerarmen
300 befindliche Flüssigkeit F auf das Rohrbündel
10 regnen kann, so dass die Flüssigkeit F in indirekten Wärmeaustausch mit dem im Rohrraum geführten Medium treten kann. Die Verteilerarme
300 sind weiterhin jeweils über eine vorzugsweise schlitzförmige Durchgangsöffnung
310 mit einem im Kernrohr
100 koaxial angeordneten Entgasungskamin
110 verbunden, der eine umlaufende Stufe aufweist, so dass er abschnittsweise einen Außendurchmesser aufweist, der kleiner ist als der entsprechende Innendurchmesser des Kernrohres
100. Über diesen Entgasungskamin
110 können in die Verteilerarme
300 eingetragene Gasblasen nach oben hin (über das Kernrohr
100) entweichen. Zur Unterstützung der Entgasung weisen die Verteilerarme
300 jeweils zum Kernrohr
100 hin aufsteigende, also zum jeweiligen Boden
301 entsprechend geneigte Dächer
320 auf, an denen entlang die Gasblasen in den Entgasungskamin
110 aufsteigen können. Das Kernrohr
100 funktioniert somit erfindungsgemäß nicht als Zulauf für die Verteilerarme
300, sondern als Entgasungs- bzw. Verteilerkamin. Bezugszeichenliste
| 1 | Wärmetauscher |
| 10 | Rohrbündel |
| 20 | Mantel |
| 30 | Flüssigkeitsverteiler |
| 50 | Prallkasten |
| 100 | Kernrohr |
| 110 | Entgasungskamin |
| 200 | Mantelraum |
| 300 | Verteilerarm |
| 301 | Boden |
| 310 | Durchgangsöffnung |
| 320 | Dach |
| 340 | Ablaufrohr |
| 400 | Ringkanal |
| 401 | Außenwand |
| 402 | Innenwand |
| 403 | Boden |
| 500 | Prallwand |
| 501 | Freier Endbereich |
| 502 | Dach |
| 504 | Außenwand |
| 510 | Zulauf |
| F | Flüssigkeit |
| F | Flüssigkeitsspiegel |
| R | Radiale Richtung |
| Z | Vertikale |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004040974 A1 [0003]
