EP2859295B1 - Wärmeübertrager - Google Patents

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Publication number
EP2859295B1
EP2859295B1 EP13730801.1A EP13730801A EP2859295B1 EP 2859295 B1 EP2859295 B1 EP 2859295B1 EP 13730801 A EP13730801 A EP 13730801A EP 2859295 B1 EP2859295 B1 EP 2859295B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
collecting channel
heat exchanger
medium
shell
exchanger according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Not-in-force
Application number
EP13730801.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2859295A1 (de
Inventor
Stefan Kayser
Michael BERNAUER
Steffen Brenner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
Publication of EP2859295A1 publication Critical patent/EP2859295A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2859295B1 publication Critical patent/EP2859295B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • 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
    • F28F9/001—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
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • 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
    • 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
    • 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

  • the invention relates to a heat exchanger according to the preamble of claim 1.
  • a heat exchanger is made US 2005/0039486 known.
  • 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.
  • JP 2002 349999 refers to a heat exchanger with tubular heat exchange structures AD.
  • a demister 7 is attached to a frame structure 5 above the pipe groups AD.
  • FIG. 4 shows below the tube groups a distributor plate 18 for a liquid refrigerant.
  • the plate 18 has a special arrangement of distribution openings 18a to distribute the liquid refrigerant in a defined manner in the tube groups.
  • the present invention seeks to provide a heat exchanger, which is improved in view of the aforementioned problem.
  • 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 parallel plates or plates, which form a plurality of heat exchange passages for media involved in the heat exchange.
  • a preferred embodiment of a plate heat exchanger has a plurality of corrugated sheets (so-called fins), each disposed between two parallel separator plates or plates of the plate heat exchanger, wherein the two outermost layers of the plate heat exchanger are formed by cover plates.
  • fins corrugated sheets
  • 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 manufactured and are soldered together, for example 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 have a circumferential, (circular) cylindrical wall, which is preferably aligned in an intended arranged state of the heat exchanger so that the longitudinal axis (cylinder axis) of the wall or the jacket extends along the horizontal.
  • the jacket preferably has mutually opposite walls connected to that wall, which extend transversely to the horizontal or longitudinal axis.
  • 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, is conductively connected (eg via a line) so that the gaseous phase of the first medium is above those outlet nozzles can be deducted from the shell space.
  • the collecting channel extends along an extension direction that is parallel to the longitudinal axis (cylinder axis) of the shell or along the horizontal, and preferably preferably a tubular (circular) or a box-shaped (transverse) to said extension direction (longitudinal axis). rectangular) cross section.
  • the collecting channel is arranged along the vertical above the liquid level of the first medium or above the heat transfer block in the jacket space, so that the gaseous phase of the first medium rising from the heat transfer block strikes the collecting channel (relative to a condition of the heat exchanger arranged as intended).
  • the collecting channel preferably has a wall which encloses an interior of the collecting channel, in which the gaseous phase can flow to the said outlet connection.
  • 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 end face of the collecting channel is bounded by opposite end faces, which connect the top, bottom and side walls together.
  • 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 a plurality of inlet openings, which are formed in particular on the bottom (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).
  • the distances between adjacent inlet openings decrease towards the respective end face of the collecting channel. That is, the two adjacent entrance openings, which are located closer to one of the end faces of the collecting channel, preferably have a smaller distance from each other along the extension direction of the collecting channel than two adjacent inlet openings, which are arranged towards the center of the collecting channel (with respect to the extension direction).
  • 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 even several outlet nozzle) can be arranged on an upper, a lower, a lateral region of the circumferential wall of the jacket or on one of the frontal walls of the jacket.
  • FIG. 1 shows in connection with the FIGS. 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 in this case has a plurality of corrugated sheets (so-called fins), which are each arranged between two flat partition plates or plates of the plate heat exchanger 4.
  • fins corrugated sheets
  • the two outermost layers are formed by cover plates of the plate heat exchanger; towards the sides are between each two adjacent partition plates or separating and cover plates end strips (so-called "side bars") provided.
  • 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, with a gaseous phase G1 of the first medium forming during operation F1 above the liquid phase L1 in the mantle space 3 can collect.
  • 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, which is cross-flown 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 escape at an upper end of the block 4 and rises in the shell space 3 of the heat exchanger 1 with a certain speed field v.
  • 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 designed, in particular, longitudinally extended and accordingly has a greater extent along the direction of extent 7 than transversely to that direction of extent 7.
  • 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.
  • slot-shaped inlet openings 12 are now provided on the side walls 11 and / or the bottom 10 of the collecting channel (in the present case slot-shaped inlet openings on the bottom 10) through which the gaseous phase G1 can enter the collection channel 5.
  • the inlet openings 12 are arranged side by side along the extension direction 7, wherein the distance between adjacent inlet openings 13 along the extension direction 7, starting from the outlet nozzle 6 to the two end faces 11 a, 11 b of the collecting channel 5 towards each preferably decreases.
  • the longitudinal axes of these inlet openings 12 in each case extend transversely to the direction of extension 7 of the collecting channel 5.
  • circular inlet openings 13 are provided on the side walls 11 and / or the underside 10 of the collecting channel 5 (in the present case circular inlet openings 13 on the side walls 11), which are likewise arranged alongside one another along the extension direction 7.
  • the distance between adjacent inlet openings 12 along the extension direction 7, starting from the outlet nozzle 6 to the two end faces 11 a, 11 b of the collecting channel 5 towards each preferably decreases.
  • the collecting channel 5 is further connected to an outlet nozzle 6 of the jacket 2, which opens into the upper side 9 of the collecting channel 5, so that the gaseous phase G1 of the first medium F1, which has reached the interior I of the collecting channel 5 via the inlet openings 12, 13 Collection channel 5 can be deducted via the outlet nozzle 6.
  • 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 (widened) in each case from the end faces 11 a, 11 b of the collecting channel 5, starting in the direction of the outlet nozzle 6, in the collecting channel 5 (and in the shell space 3) as homogeneous as possible velocity field v of the gaseous phase G1 of first medium F1.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein derartiger Wärmeübertrager ist aus US 2005/0039486 bekannt.
  • In "The standards of the brazed aluminium plate-fin heat exchanger manufacturer's association (ALPEMA)", dritte Ausgabe, 2010, Seite 67 ist in Figur 9-1 ein sogenannter "core-in-shell"- oder "block-in-shell"-Wärmeübertrager gezeigt. Er weist einen Mantel ("shell") auf, der einen Mantelraum umschließt, sowie mindestens einen im Mantelraum angeordneten Wärmeübertragungsblock ("core"), der als Plattenwärmetauscher ausgebildet ist.
  • 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.
  • JP 2002 349999 bezieht sich auf einen Wärmetauscher mit rohrförmigen Wärmeaustauschstrukturen A-D. Ein Demister 7 ist oberhalb der Rohrgruppen A-D an einer Rahmenkonstruktion 5 angebracht. Figur 4 zeigt unterhalb der Rohrgruppen eine Verteilerplatte 18 für ein flüssiges Kältemittel. Die Platte 18 weist eine spezielle Anordnung von Verteilöffnungen 18a auf, um das flüssige Kältemittel in definierter Weise in die Rohrgruppen zu verteilen.
  • 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.
  • Demnach wird ein Wärmeübertrager zur indirekten Wärmeübertragung zwischen einem ersten Medium und einem zweiten Medium bereitgestellt, mit:
    • einem Mantel, der einen Mantelraum zur Aufnahme des ersten Mediums aufweist,
    • zumindest einem im Mantelraum angeordneten Wärmeübertragungsblock, der bei einem bestimmungsgemäßen Betrieb vom ersten Medium umgeben ist, wobei der Wärmeübertragungsblock dazu ausgebildet ist, das zweite Medium gegen das erste Medium abzukühlen und / oder zumindest teilweise zu verflüssigen, so dass sich im Mantelraum eine gasförmige Phase des ersten Mediums bildet,
    • wobei zum Abziehen der gasförmigen Phase des ersten Mediums aus dem Mantelraum ein im Mantelraum befindlicher Sammelkanal vorgesehen ist, der sich entlang einer Erstreckungsrichtung erstreckt, die parallel zur Längsachse des Mantels ausgerichtet ist,
    • und wobei der mindestens eine Wärmeübertragungsblock ein Plattenwärmetauscher ist,
    • und wobei der Sammelkanal mit zumindest einem am Mantel vorgesehenen Austrittsstutzen verbunden ist, so dass die gasförmige Phase des ersten Mediums durch den Sammelkanal über den zumindest einen Austrittsstutzen aus dem Mantelraum abziehbar ist,
    • und wobei der Sammelkanal zwei Stirnseiten aufweist, die entlang der Erstreckungsrichtung des Sammelkanals einander gegenüberliegen.
  • Erfindungsgemäß ist des Weiteren vorgesehen,
    • dass der Sammelkanal (5) quer zur Erstreckungsrichtung (7) einen Querschnitt aufweist, der sich zum Austrittsstutzen (6) hin vergrößert und
    • dass der Sammelkanal (5) zum Abziehen der gasförmigen Phase eine Mehrzahl an Eintrittsöffnungen (12, 13) aufweist, wobei die Abstände benachbarter Eintrittsöffnungen zur jeweiligen Stirnseite (11 a, 11 b) des Sammelkanals (5) hin abnehmen.
  • 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.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung 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.
  • Erfindungsgemäß 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) vorzugsweise 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 ist der Sammelkanal 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 erfindungsgemäß 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).
  • Erfindungsgemäß 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 11 a, 11 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 11 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 11 a, 11 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 11 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 11a, 11 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 11 a, 11 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, 11b 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
    O' Ablauf für zweites Medium
    V Geschwindigkeitsfeld der gasförmigen Phase G1

Claims (13)

  1. 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 zum Abziehen der gasförmigen Phase des ersten Mediums (G1) aus dem Mantelraum (3) ein im Mantelraum (3) befindlicher Sammelkanal (5) vorgesehen ist, der sich entlang einer Erstreckungsrichtung erstreckt, die parallel zur Längsachse des Mantels ausgerichtet ist,
    - und wobei der mindestens eine Wärmeübertragungsblock (4) ein Plattenwärmetauscher ist,
    - und wobei 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,
    - und wobei der Sammelkanal (5) zwei Stirnseiten (11 a, 11 b) aufweist, die entlang der Erstreckungsrichtung des Sammelkanals (5) einander gegenüberliegen,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass der Sammelkanal (5) quer zur Erstreckungsrichtung (7) einen Querschnitt aufweist, der sich zum Austrittsstutzen (6) hin vergrößert und
    - dass der Sammelkanal (5) zum Abziehen der gasförmigen Phase eine Mehrzahl an Eintrittsöffnungen (12, 13) aufweist, wobei die Abstände benachbarter Eintrittsöffnungen zur jeweiligen Stirnseite (11a, 11b) des Sammelkanals (5) hin abnehmen.
  2. 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.
  3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Mantelraum eine Mehrzahl an Wärmeübertragungsblöcken (4) in Form von Plattenwärmetauschern angeordnet sind.
  4. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 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 der horizontalen Erstreckungsrichtung (7) längserstreckt entlang einer Oberseite (8) des Mantels (2) verläuft.
  5. Wärmeübertrager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelkanal (5) quer zur Erstreckungsrichtung (7) einen kasten- oder rohrförmigen Querschnitt aufweist.
  6. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 4 oder 5, 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.
  7. Wärmeübertrager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bereich der Wandung (W) des Sammelkanals (5), insbesondere eine Oberseite (9) der Wandung (W), durch den Mantel (2) gebildet wird.
  8. Wärmeübertrager nach Anspruch 6 oder 7, 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.
  9. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterseite (10) und/oder die Seitenwände (11) 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.
  10. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (1) weitere Austrittsstutzen (6) aufweist, die über den Sammelkanal (5) miteinander verbunden sind.
  11. 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.
  12. 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.
  13. Wärmeübertrager nach Anspruch 12, 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.
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