-
Die Erfindung betrifft einen gewickelten Wärmeübertrager gemäß Anspruch 1.
-
Derartige gewickelte Wärmeübertrager werden z.B. bei physikalischen Wäschen zur Sauergasentfernung (z.B. Rectisolverfahren), in Ethylenanlagen oder in Anlagen zur Herstellung von flüssigem Erdgas (LNG) verwendet.
-
Gewickelte Wärmeübertrager weisen ein Rohrbündel auf, das in einem Mantelraum des gewickelten Wärmeübertragers angeordnet ist, der von einem Mantel des Wärmeübertrager umgeben ist. Das Rohrbündel weist dabei mehrere Rohre zur Aufnahme eines fluiden Mediums auf, so dass dieses indirekt mit einem im Mantelraum geführten fluiden Medium Wärme austauschen kann. Die Rohre sind jeweils helikal, also nach Art einer Helix, auf ein Kernrohr des Wärmeübertragers gewickelt, das sich entlang einer Längsachse erstreckt, so dass das Rohrbündel mehrere Rohrlagen aufweist, die in einer radialen Richtung des Rohrbündels, die jeweils senkrecht auf der Längsachse steht und von dieser weg weist, übereinander angeordnet sind. Hierbei ist zwischen einer (in der radialen Richtung) innersten Rohrlage und dem Kernrohr sowie zwischen je zwei benachbarten Rohrlagen eine insbesondere konstante Mehrzahl an Stegen vorgesehen, wobei sich die Stege jeweils entlang der Längsachse erstrecken, und wobei die Stege jeweils eine Oberseite mit einer Vielzahl an konkaven Ausnehmungen aufweisen, in denen jeweils ein Rohrabschnitt eines Rohres einer an der Oberseite anliegenden Rohrlage angeordnet ist.
-
Die besagten Stege dienen dazu, die axiale Position der Rohre zu definieren und über Tragarme, an denen die Stege angeschweißt sind, die Gewichtskraft in den Aussenbehälter abzuleiten wenn der WT senkrecht stehend in Betrieb ist.
-
Beim Wickeln der Rohre auf das Kernrohr - hierbei erstreckt sich das Kernrohr entlang der Horizontalen und wird um seine Längsachse rotiert - besteht diesbezüglich die Problematik, dass die Stege in der Regel nicht völlig toleranzfrei auf den Rohren aufliegen, so dass sich das Rohrbündel mit zunehmenden Durchmesser lockert. Hierbei werden die oberhalb des Kernrohres verlaufenden Rohrabschnitte aufgrund ihrer Gewichtskraft zusammengedrückt, wohingegen die unterhalb des Kernrohres verlaufenden Rohrabschnitte aufgrund ihrer Gewichtskraft nach unten hin durchsacken. Das bedeutet, dass sich das anfangs im Querschnitt kreisrunde Rohrbündel nach unten hin ausbaucht. Dieser Bauch wandert beim Drehen des Kernrohres bezüglich des Rohrbündels, wobei schädliche Scher- und Reibungskräfte auf die Rohre des Rohrbündels wirken, die zu einer Beschädigung der Rohre führen können.
-
Aus der
DE 26 13 745 sind Stege zur Anordnung zwischen benachbarten Rohrlagen bekannt, die im Bereich des Anfangs und des Endes eines Rohrbündels zur Anwendung kommen sollen. Hierbei weisen die Stege Nuten auf, in denen jeweils der vollständige Querschnitt des jeweiligen Rohres aufgenommen ist. Die zwischen den Nuten angeordneten Stegabschnitte bilden dabei jeweils eine Ausnehmung aus, wobei der in radialer Richtung nach oben hin benachbarte Steg in diesen Ausnehmungen formschlüssig aufgenommen ist, so dass er entlang der Erstreckungsrichtung des benachbarten Steges gleiten kann.
-
Eine derartige Bewegung der Stege gegeneinander setzt aber voraus, dass der jeweilige in den Ausnehmungen geführte Steg genügend Spiel in den Ausnehmungen aufweist, so dass eine Gleitbewegung über die gesamte Länge des Steges möglichst ungehindert zustande kommen kann. Ein derartiges Spiel begünstigt jedoch wiederum eine Ausbauchung des Rohrbündels beim Wickeln.
-
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, einen gewickelten Wärmeübertrager bereitzustellen, der hinsichtlich der vorgenannten Problematik verbessert ist.
-
Diese Aufgabe wird durch einen Wärmeübertrager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den entsprechenden Unteransprüchen angegeben und werden nachfolgend beschrieben.
-
Gemäß Anspruch 1 ist danach ein gewickelter Wärmeübertrager vorgesehen, mit:
- - einem Rohrbündel aufweisend mehrere Rohre zur Aufnahme eines fluiden Mediums, wobei die Rohre jeweils helikal auf ein Kernrohr des Wärmeübertragers gewickelt sind, das sich entlang einer Längsachse erstreckt, so dass das Rohrbündel mehrere Rohrlagen aufweist, die in einer radialen Richtung des Rohrbündels übereinander angeordnet sind,
- - wobei zwischen einer innersten Rohrlage und dem Kernrohr sowie zwischen je zwei benachbarten Rohrlagen eine (insbesondere konstante) Mehrzahl an Stegen vorgesehen ist, wobei sich die Stege jeweils entlang der Längsachse erstrecken, und wobei
- - der jeweilige Steg eine Oberseite mit einer Vielzahl an konkaven Ausnehmungen aufweist, wobei in der jeweiligen Ausnehmung ein Rohrabschnitt eines Rohres einer an der Oberseite anliegenden Rohrlage des Rohrbündels angeordnet ist.
-
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass je zwei in radialer Richtung benachbarte Stege über in radialer Richtung verlaufende Zugelemente miteinander verbunden sind, die jeweils an beiden benachbarten Stegen so festgelegt sind, dass ein Bewegen bzw. Gleiten des jeweiligen Steges bezüglich des jeweiligen Zugelementes in Richtung der Längsachse des Rohrbündels verhindert wird bzw. blockiert ist.
-
Die Festlegung der Zugelemente an den Stegen erfolgt also mit anderen Worten so, dass der Bewegungsfreiheitsgrad der Stege bezüglich des jeweiligen daran festgelegten Zugelementes in Richtung der Längsachse blockiert ist, so dass die Stege z.B. nicht bezüglich der daran festgelegten Zugelemente in Richtung der Längsachse gleiten können.
-
Gleichwohl können die Zugelemente jedoch eine gewisse Elastizität aufweisen, so dass benachbarte Stege, die über die Zugelemente miteinander verbunden sind, relativ zueinander eine gewisse Beweglichkeit aufweisen können, da die Zugelemente z.B. nicht vollkommen biegesteif sein müssen. Insofern reicht es gemäß einer Ausführungsform der Erfindung insbesondere aus, wenn die Einschränkung des oben beschriebenen Bewegungsfreiheitsgrades zumindest für einen Abschnitt (z.B. Endabschnitt) des jeweiligen Zugelementes gilt, über den das jeweilige Zugelement mit dem betreffenden Steg verbunden ist.
-
Die Festlegung der Zugelemente an den Stegen erfolgt bevorzugt weiterhin so, dass auch der translatorische Bewegungsfreiheitsgrad des jeweiligen Steges bezüglich des jeweiligen daran festgelegten Zugelementes bzw. bezüglich des jeweiligen daran festgelegten Endabschnittes des jeweiligen Zugelementes in radialer Richtung (also in der Erstreckungsrichtung des jeweiligen Zugelementes) blockiert ist, um die eigentliche Wirkung der Zugelemente, nämlich das radiale Fixieren der Rohrlagen, nicht zu beeinträchtigen.
-
Das jeweilige Zugelement kann jeweils kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig und/oder formschlüssig mit beiden benachbarten Stegen verbunden sein.
-
Die Festlegung der Zugelemente an dem jeweiligen Steg kann des Weiteren auch so erfolgen, dass abgesehen von den beiden oben genannten Bewegungsfreiheitsgraden (radiale Richtung bzw. Richtung der Längsachse) zumindest einer, mehrere oder alle weiteren Bewegungsfreiheitsgrade des jeweiligen Steges gegenüber dem jeweiligen daran festgelegten Zugelement blockiert ist bzw. sind.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Zugelemente jeweils über ihre beiden einander gegenüberliegenden Endabschnitte fest am jeweiligen Steg eingespannt sind, wobei eine feste Einspannung hierin auch als starre Verbindung bezeichnet wird. D.h., hierbei sind sämtliche Bewegungsfreiheitsgrade des jeweiligen Steges (drei translatorische sowie drei rotatorische Bewegungsfreiheitsgrade) gegenüber dem jeweiligen am Steg festgelegten Zugelement bzw. gegenüber dem jeweiligen am Steg festgelegten Endabschnitt des Zugelementes blockiert.
-
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Zugelemente zylinderförmig ausgebildet sind.
-
Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Zugelemente, insbesondere zur Kompensation von temperaturinduzierten Spannungen und/oder Verformungen des Rohrbündels, in Richtung der Längsachse elastisch biegbar sind, so dass das Rohrbündel in Richtung der Längsachse flexibel ist.
-
Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass sich die Stege in Richtung der Längsachse über die gesamte Länge des Rohrbündels erstrecken. Ebenso sind bevorzugt die Zugelemente in z.B. regelmäßigen Abständen, über die gesamte Länge des Rohrbündels entlang der entsprechenden Stege angeordnet.
-
Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform vorgesehen, dass der jeweilige Rohrabschnitt in der radialen Richtung aus seiner Ausnehmung heraus ragt, wobei bevorzugt der jeweilige Rohrabschnitt in radialer Richtung des Rohrbündels mit mehr als der Hälfte seines Rohrquerschnitts aus der zugeordneten Ausnehmung heraus ragt.
-
Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Zugelemente jeweils zwischen zwei Ausnehmungen von der Oberseite des jeweiligen Steges in radialer Richtung abragen.
-
Hierbei sind die Zugelemente gemäß einer Ausführungsform bevorzugt starr mit dem Steg bzw. der Oberseite verbunden, von dem bzw. der sie jeweils in radialer Richtung des Rohrbündels mit einem oberen Endabschnitt abragen, z. B. über eine stoffschlüssige Verbindung (insbesondere Schweißverbindung) oder über eine kraftschlüssige Verbindung (z. B. Schraubverbindung).
-
Bevorzugt ist weiterhin vorgesehen, dass die Zugelemente jeweils mit dem besagten oberen Endabschnitt starr mit dem in radialer Richtung benachbarten Steg verbunden sind.
-
Hierbei kann gemäß einer Ausführungsform der jeweilige obere Endabschnitt in eine Durchgangsöffnung des in radialer Richtung benachbarten Steges eingeführt sein.
-
Weiterhin kann diesbezüglich gemäß einer Ausführungsform vorgesehen sein, dass der jeweilige obere Endabschnitt stoffschlüssig mit einer dem Kernrohr abgewandten Oberseite des in radialer Richtung benachbarten Steges verbunden ist, insbesondere mittels einer Schweißverbindung. Diese kann leicht jeweils von oben her ausgeführt werden.
-
Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass zwischen zwei in Richtung der Längsachse benachbarten Zugelementen zumindest ein Rohrabschnitt, insbesondere zumindest zwei Rohrabschnitte, insbesondere zumindest drei Rohrabschnitte eines oder mehrere Rohre einer Rohrlage des Rohrbündels angeordnet sind.
-
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen durch die nachfolgende Figurenbeschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren erläutert werden.
-
Es zeigen:
- 1 eine ausschnitthafte Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers mit über Zugelementen miteinander verbundenen Stegen;
- 2 eine teilweise geschnittene Ansicht eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers zur Verdeutlichung der Anordnung der Stege bezüglich der Rohrlagen des Rohrbündels des Wärmeübertragers;
-
Die 1 zeigt im Zusammenhang mit der 2 einen erfindungsgemäßen gewickelten Wärmeübertrager 1.
-
Der Wärmeübertrager 1 weist ein Rohrbündel 3 auf, das beispielhaft in der 1 in 1 in einer radialsymmetrischen bzw. in der 2 in einer perspektivischen sowie teilweise geschnittenen Ansicht gezeigt ist.
-
Das Rohrbündel 3 weist dabei mehrere Rohre 30 zur Aufnahme zumindest eines ersten fluiden Mediums M auf, wobei die Rohre 30 gemäß 2 jeweils helikal auf ein Kernrohr 300 des Wärmeübertragers 1 gewickelt sind, das sich entlang einer Längsachse z erstreckt, so dass das Rohrbündel 3 mehrere Rohrlagen 4a, 4 aufweist, die in einer radialen Richtung R des Rohrbündels 3 übereinander angeordnet sind. Die jeweilige radiale Richtung R steht dabei senkrecht auf der Längsachse z und weist von dieser weg bzw. nach außen.
-
Gemäß 2 ist das Rohrbündel 3 von einem insbesondere zylindrisch ausgeformten Mantel 5 umgeben, der einen Mantelraum 6 begrenzt, in dem das Rohrbündel 3 zusammen mit dem Kernrohr 300 angeordnet ist. In den Mantelraum 6 ist zum Beispiel über einen Stutzen 52 ein zweites Medium M' einleitbar sowie über einen weiteren Stutzen 53 aus dem Mantelraum 6 abziehbar, sodass das mindestens eine erste Medium M sowie das zweite Medium M' miteinander indirekt Wärme austauschen können. Es besteht die Möglichkeit, die Rohre 30 in mehrere Rohrgruppen zu unterteilen (in der 2 sind zum Beispiel drei Rohrgruppen gezeigt) die zum Beispiel auch mit unterschiedlichen ersten Medien M beschickt werden können. Zum Einleiten des mindestens einen ersten Mediums M in die Rohre 30 des Rohrbündels 30 weist der Wärmeübertrager 1 zumindest einen Stutzen 50 auf. Über zumindest einen weiteren Stutzen 51 kann das mindestens eine erste Medium M wieder aus dem Rohrbündel 3 abgezogen werden. Des Weiteren kann das Rohrbündel 3 von einem zylindrischen Hemd 7 umgeben sein, das dazu dient, eine Bypassströmung im Mantelraum 6 am Rohrbündel 3 vorbei zu unterdrücken.
-
Wie in der 1 weiterhin dargestellt ist, ist zwischen einer innersten Rohrlage 4a des Rohrbündel 3 und dem Kernrohr 300 sowie zwischen je zwei benachbarten Rohrlagen 4 des Rohrbündels 3 eine insbesondere konstante Mehrzahl an Stegen 10 vorgesehen, wobei sich die Stege 10 jeweils entlang der Längsachse z erstrecken (vgl. 2) und in der radialen Richtung R übereinander angeordnet sind.
-
Dabei weist der jeweilige Steg 10 gemäß 1 eine Oberseite 10a auf, die vom Kernrohr 300 weg weist, sowie eine der Oberseite abgewandte Unterseite 10b, die dem Kernrohr 300 jeweils zugewandt ist. An der Oberseite 10a des jeweiligen Steges 10 ist eine Vielzahl an konkaven Ausnehmungen 10c vorgesehen, die insbesondere entlang des jeweiligen Steges 10 äquidistant zueinander angeordnet sind, wobei in der jeweiligen Ausnehmung 10c jeweils ein Rohrabschnitt 30a eines gewickelten Rohres 30 einer an der Oberseite 10a anliegenden bzw. aufliegenden Rohrlage 4 angeordnet ist. Dabei steht der jeweilige Rohrabschnitt 30a in radialer Richtung R des Rohrbündels 3 bevorzugt aus seiner Ausnehmung 10c heraus. Weiterhin sind je zwei in radialer Richtung R benachbarte bzw. übereinander angeordnete Stege 10 über in radialer Richtung R verlaufende Zugelemente 40 miteinander verbunden, die an beiden benachbarten Stegen 10 so festgelegt sind, dass der jeweilige Steg 10 nicht bezüglich des jeweiligen Zugelementes 40 bzw. des jeweiligen am Steg 10 festgelegten Endabschnittes 40a, 40b des betreffenden Zugelementes 40 in Richtung der Längsachse z gleiten kann. Vorzugsweise sind die Zugelemente 40 mit ihren Endabschnitten 40a, 40 jeweils fest an den zugeordneten Stegen 10 eingespannt bzw. jeweils starr mit den beiden benachbarten Stegen 10 verbunden.
-
Hierdurch wird mit Vorteil verhindert, dass das Rohrbündel 3 beim Aufwickeln der Rohre 30 auf das Kernrohr 300, wobei das Kernrohr 300 horizontal angeordnet ist und um seine Längsachse z gedreht wird, nach unten hin ausbaucht, was sich schädlich auf die Rohre 30 auswirken kann. Gleichzeitig erhält das Rohrbündel 3 durch die Zugelemente 40 in axialer Richtung, d.h., entlang der Längsachse z eine gewisse Flexibilität, sodass das Rohrbündel 3 im Betrieb thermisch induzierte Spannungen oder Verformungen kompensieren kann.
-
Bevorzugt sind die einzelnen Zugelemente 40 zylinderförmig ausgestaltet. Hierbei kann man von einer zylinderförmigen Gestalt sprechen, wenn zumindest ein zwischen zwei einander zugewandten Oberflächen der Stege 10 verlaufender Abschnitt des Zugelementes 40 zylinderförmig ausgestaltet ist.
-
Um das Rohrbündel 3 beim Wickeln möglichst gut zu schützen, erstrecken sich die Stege 10 (zusammen mit den Ausnehmungen 10c zur Aufnahme der Rohre 39) über die gesamte Länge des Rohrbündels in Richtung der Längsachse z. Dabei sind zwei in radialer Richtung R benachbarte Stege 10 vorzugsweise auch über ihre gesamte Länge entlang der Längsachse z in insbesondere regelmäßigen Abständen über Zugelemente 40 miteinander verbunden.
-
Wie insbesondere aus der 1 ersichtlich ist, ist vorgesehen, dass der jeweilige Rohrabschnitt 30a eines Rohres 30 einer Rohrlage 4a, 4 in radialer Richtung R des Rohrbündels 3 mit mehr als der Hälfte seines Rohrquerschnitts aus der zugeordneten Ausnehmung 10c heraus ragt, d.h., mehr als die Hälfte des Durchmessers D des jeweilige Rohres 30 bzw. Rohranschnitts 30a ist (in der radialen Richtung R) außerhalb der jeweiligen Ausnehmung 10c angeordnet.
-
Das jeweilige Zugelemente 40 ragt bevorzugt von einem zugeordneten Abschnitt 10d der Oberfläche 10a des jeweiligen Steges 10 in radialer Richtung R ab, wobei sich der jeweilige Abschnitt 10d zwischen zwei benachbarten Ausnehmungen 10c des betreffenden Steges 10 erstreckt.
-
Hierbei ist das jeweilige Zugelement 40 starr über einen unteren Endabschnitt 40b mit dem jeweiligen Steg 10 bzw. dem jeweiligen Abschnitt 10d, von dem es in der radialen Richtung R abragt, verbunden. Eine solche feste Einspannung kann durch eine stoffschlüssige Verbindung, insbesondere Schweißverbindung, oder durch eine kraftschlüssige Verbindung (insbesondere Schraubverbindung) bewirkt sein.
-
Insbesondere können die Zugelemente 40 bereits mit den Abschnitten 10d stoffschlüssig verbunden sein bzw. integral mit diesen ausgebildet sein.
-
Weiterhin ist das jeweilige Zugelement 40 mit einem oberen Endabschnitt 40a bevorzugte starr mit dem in radialer Richtung R benachbarten Steg 10 verbunden. Auch hier liegt also bevorzugt eine feste Einspannung des jeweiligen Zugelementes 40 vor. Hierbei kann z.B. der jeweilige obere Endabschnitt 40a in eine Durchgangsöffnung 10e des in radialer Richtung R benachbarten Steges 10 eingeführt sein, wobei der jeweilige obere Endabschnitt 40a dann bevorzugt stoffschlüssig mit der dem Kernrohr 300 abgewandten Oberseite 10a des in radialer Richtung R benachbarten Steges 10 verbunden ist, insbesondere mittels einer Schweißverbindung V.
-
Eine solche Verbindung V kann beim Wickeln der Rohre 30 einfach ausgeführt werden. Hierzu wird der jeweilige Steg 10 beim Wickeln der Rohre 30 oberhalb des darunter angeordneten Steges 10 positioniert, wobei die abragenden Zugelemente 40 des unteren Steges 10 in die Durchgangsöffnungen 10e des oberen Steges 10 eingeführt werden. Sodann kann von oben her die jeweilige Schweißverbindung V ausgeführt werden.
-
Die Anzahl der Zugelemente 40 pro Rohrlage 4a, 4 kann an das Gewicht der Rohre 30 bzw. des Rohrbündels 3 angepasst werden.
-
Bevorzugt ist vorgesehen, dass zwischen zwei in Richtung der Längsachse z benachbarten Zugelementen 40 zumindest ein Rohrabschnitt 30a, insbesondere zumindest zwei Rohrabschnitte 30a, insbesondere zumindest drei Rohrabschnitte 30a eines oder mehrerer Rohre 30 einer Rohrlage 4, 4a des Rohrbündels 3 angeordnet sind.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Wärmeübertrager
- 3
- Rohrbündel
- 4a
- Innerste Rohrlage
- 4
- Rohrlage
- 5
- Mantel
- 6
- Mantelraum
- 7
- Hemd
- 10
- Steg
- 10a
- Oberseite
- 10b
- Unterseite
- 10c
- Ausnehmung
- 10d
- Abschnitt
- 10e
- Durchgangsöffnung
- 30
- Rohre
- 30a
- Rohrabschnitt
- 40
- Zugelement
- 40a
- Oberer Endabschnitt
- 40b
- Unterer Endabschnitt
- 50, 51, 52, 53
- Stutzen
- 300
- Kernrohr
- D
- Durchmesser
- M
- erstes Medium
- M'
- zweites Medium
- R
- Radiale Richtung
- V
- Schweißverbindung
- Z
- Längsachse
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
