EP3102899B1

EP3102899B1 - Strömungsapparat zur führung eines fluidstroms

Info

Publication number: EP3102899B1
Application number: EP15703755.7A
Authority: EP
Inventors: Frank Eckert; Fabian TREFZ; Timm GRESCHNER
Original assignee: Duerr Systems AG
Current assignee: Duerr Systems AG
Priority date: 2014-02-03
Filing date: 2015-01-30
Publication date: 2022-11-30
Anticipated expiration: 2035-01-30
Also published as: WO2015114105A2; WO2015114105A3; ES2937639T3; KR20160117423A; KR102301068B1; US20160334175A1; DE102014201908A1; US10386130B2; EP3102899A2; CN105992927A; PT3102899T; CN105992927B

Description

Die Erfindung betrifft einen Strömungsapparat zur Durchführung eines Verfahrens zur Führung einer Fluidströmung die einen Anström- und einen Abströmabschnitt mit einer im Wesentlichen parallelen, vorzugsweise koaxialen An- und Abströmachse aufweist.
Unter einem Anström- bzw. Abströmabschnitt einer Fluidströmung wird dabei insbesondere der Teil eines Strömungspfades verstanden, welcher in Strömungsrichtung vor bzw. hinter einem Wirkungsabschnitt des gesamten Strömungspfades des betrachteten Verfahrens liegt. Als Wirkungsabschnitt wird dabei der Teil des Strömungspfades verstanden, in welchem das Verfahren auf die Fluidströmung einwirkt bzw. in welchem die Fluidströmung verfahrensgemäß behandelt wird. Unter einer An- bzw. Abströmachse wird insbesondere eine - gedachte - Achse parallel zu einer Strömungsrichtung im An- bzw. Abströmabschnitt verstanden. Vorzugsweise steht die An- bzw. Abströmachse dabei im Wesentlichen senkrecht auf einer Querschnittsfläche des An- bzw. Abströmabschnitts des Strömungspfades. Diese Strömungsachsen sind dabei vorzugsweise parallel zu einer Flächennormalen der genannten Querschnittsflächen ausgerichtet oder angeordnet.
Es sind bereits eine Vielzahl an Verfahren zur Führung einer Fluidströmung bekannt. So ist aus EP 1 486 126 A2 ein Rohrbündelwärmetauscher bekannt, bei welchem eine der Fluidströmung durch Leitblechspirale zirkular um die Rohrbündel, in welchen die zweite Fluidströmung geführt wird, geleitet wird. Die Leitblechspirale bietet dabei der Fluidströmung eine relativ große Oberfläche, welche ihrerseits Wärmeenergie aufnimmt, die dann nicht für eine Wärmetausch mit der Fluidströmung im Rohrbündel zur Verfügung steht. EP-A-1486126 offenbart weiterhin einen Strömungsapparat gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine andere Ausführung ist beispielsweise aus DE 35 28 426 A1 bekannt, wobei in dieser Ausführung die das Rohrbündel umströmende Fluidströmung durch etagenweise, quer zur Strömungsrichtung angeordnete Leitbleche das Rohrbündel meandernt umströmt. Diese meanderartige Strömung hat dabei durch die mehrfache 180°-Richtungsumkehr der Strömung einen erhöhten Strömungswiderstand zur Folge. Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine Variante derartiger Verfahren aufzufinden, welche eine besonders kompakte Umsetzung in einem Strömungsapparat erlaubt, wobei die Fluidströmung bzw. ein Fluidstrom auf möglichst kurzer Baulänge des Strömungsapparates einer großen Wirklänge ausgesetzt werden kann. Unter einer Wirklänge wird dabei insbesondere ein Abschnitt der Fluidströmung bzw. eines Strömungspfades des Fluidstroms verstanden, in der dieser einer Wechselwirkung ausgesetzt, unterzogen oder zugeführt werden kann. Die Wechselwirkung kann dabei insbesondere eine chemische, thermische, mechanische und/oder elektromagnetische Wechselwirkung mit mindestens einem geeigneten Wechselwirkungspartner sein. Dabei ist der Wechselwirkungspartner eine weitere Fluidströmung.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Strömungsapparat gemäß Anspruch 1 gelöst.
Das Führungsmittel des erfindungsgemäßen Strömungsapparats ist dabei eine Trennwand in einem Führungsrohr und/oder eine Kombination aus derartigen Elementen sein, welches die Fluidströmung bzw. einen Fluidstrom der Fluidströmung geeignet umlenkt. In einer besonders bevorzugten Ausführung eines Führungsmittels umfasst dieses ein Führungsrohr mit endseitig angeordneten Eingangs- bzw. Ausgangsanschlüssen, an welchen sich rohrseits ein An- und Abströmbereich anschließen bzw. der An- und Abströmungabschnitt der Fluidströmung anschließen kann. Das Führungsrohr kann dabei insbesondere geradlinig ausgebildet sein, so dass der Eingangs- bzw. Ausgangsanschluss und die zugehörigen An- und Abströmbereiche des Leitungssystems bzw. der An- und Abströmungabschnitt der Fluidströmung einen im Wesentlichen geradlinigen Strömungsverlauf des Fluidstroms entlang einer An- bzw. Abströmachse erzwingen oder herbeiführen, zumindest aber begünstigen. Die An- und Abströmachse sind dabei bevorzugt koaxial zueinander ausgerichtet. Die Trennwand ist dabei im Führungsrohr zwischen dem An- und Abströmbereich angeordnet, welche dem sich entlang der Anströmachse strömenden Fluidstrom eine querverlaufende Richtungskomponente verleiht. Bevorzugt wird der Fluidstrom dabei entlang dieses Umströmabschnitts in Teilströme mit radialen Fließrichtungen zerlegt. Durch weitere Umlenkkomponenten des Führungsmittels werden die so entstandenen Radialströme in Umfangsrichtung um die An- und Abströmachse umgelenkt, bevor sie schließlich nach einem Umfangswinkel UW durch weitere Umlenckomponenten wieder in Richtung der Abströmachse umgelenkt werden. Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale.
Eine besonders gut skalierbare Umsetzung des Verfahrens in einem Strömungsapparat wird erreicht, wenn der Umfangswinkel UW im Wesentlichen ein ganzzahliges Vielfaches von 30°, 45°, 60°, 90°, 180° oder 360° ist.
Eine bevorzugte Ausbildung wird dadurch erreicht, dass die Fluidströmung über einen Eingangsanschluss in ein Führungsrohr eintritt und sich entlang einer Strömungsrichtung im Führungsrohr ausbreitet, wobei die Fluidströmung über einen Rohrabschnitt hinweg durch eine Trennwand, insbesondere abschnittsweise, vorzugsweise stetig fortschreitend in eine Radialströmung umgelenkt wird. Die Radialströmung kann durch zumindest einen Radialdurchlass im Führungsrohr aus diesem austreten und in einem von einem sich um das Führungsrohr erstreckenden, vorzugsweise im Wesentlichen geschlossenen Rohrmantel gebildeten Zwischenraum eintreten. Dabei lenkt der Rohrmantel die Radialströmung in eine Umfangsrichtung um das Führungsrohr ab, so dass die Fluidströmung nun in den Umströmungsabschnitt übergeht bevor sie durch einen weiteren Radialdurchlass im Führungsrohr wieder in dieses eintritt und durch das Führungsrohr wieder in Abströmrichtung umgelenkt und zu einem Ausgangsanschluss geführt wird.
Dadurch dass die Fluidströmung in dem Umströmungsbereich mit einer weiteren Fluidströmung in Wechselwirkung tritt oder zumindest in Wechselwirkung treten kann, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine besonders kompakte Umsetzung in einem Strömungsapparat für die Wechselwirkung zwischen der ersten und der weiteren Fluidströmung erreicht werden. Vorzugsweise erfährt dabei mindestens eine Fluidströmung eine Zustandsänderung, wobei unter einer Zustandsänderung hier insbesondere eine Änderung eines thermodynamischen Zustands, insbesondere der Temperatur, Druck, Volumen und/oder des Aggregatzustands, und/oder eines chemischen Zustands, insbesondere einer chemischen Zusammensetzung, und/oder eines anderen physikalischen Zustandes verstanden werden soll.
Eine besonders gute Wechselwirkung zwischen der ersten und weiteren Fluidströmung wird dadurch erreicht, dass die weitere Fluidströmung im Umströmungsbereich im Wesentlich quer von der ersten Fluidströmung angeströmt wird. Unter einer "quer verlaufenden Anströmung" wird dabei insbesondere ein Strömungsverlauf verstanden, bei dem im Bereich der Wechselwirkung der beiden Fluidströmungen der Richtungsvektor der ersten Fluidströmung in etwa senkrecht, zumindest jedoch unter einem Winkel von mindestens 30°, insbesondere 45°, bevorzugt jedoch mindestens 0° auf dem Richtungsvektor der weiteren Fluidströmung steht. Unter dem "Richtungsverktor" einer Strömung wird dabei insbesondere der lokale Richtungspfeil bzw. die lokale Raumrichtungsangabe eines jeweiligen Strömungsabschnitts bzw. einer Strömungszelle bzw. einer Volumenzelle der Strömung verstanden.
Um einen direkten Kontakt der beiden Fluidströmung zu unterbinden, zu verhindern oder zumindest zu begrenzen, ist es vorteilhaft, wenn die weitere Fluidströmung in einem Leitungssystem, insbesondere einem Rohrbündelsystem durch die erste Fluidströmung geführt wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Strömungsapparat mit einem ersten Leitungssystem zur Durchleitung eines ersten Fluidstroms, wobei das erste Leitungssystem ein Führungsrohr und mindestens ein, eine Strömungsrichtung des Fluidstroms beeinflussendes Führungsmittel und/oder mindestens einen Strömungskörper umfasst, gelöst. Das Führungsmittel und/oder der Strömungskörper sind dabei erfindungsgemäß dazu vorgesehen und ausgebildet, einen Strömungsverlauf zur Anhebung der Effizienz des Strömungsapparates zu optimieren. Dabei wird unter "Optimierung eines Strömungsverlaufs" insbesondere die Einstellung einer Verweildauer innerhalb bestimmter Abschnitte des Strömungsapparats, die Unterdrückung oder auch gezielte Herbeiführung von Turbulenzen in bestimmten Strömungsabschnitten der Fluidstroms und/oder Ausrichtung von Strömungsrichtungen in bestimmten Abschnitten des Strömungsapparats und/oder der bestimmter Strömungsabschnitte des Fluidstroms verstanden.
Der erfindungsgemäße Strömungsapparat ist dabei für eine Wechselwirkung mindestens zweier Fluidströme, wobei insbesondere einer der Fluidströme nach dem vorgenannten Verfahren geführt wird, ausgebildet. Der Strömungsapparat weist dabei ein erstes Leitungssystem zur Durchleitung eines ersten Fluidstroms und bevorzugt mindestens ein weiteres Leitungssystem zur Durchleitung eines weiteren Fluidstroms auf. Jedes der Leitungssysteme weist jeweils zumindest einen Eingangs- und zumindest einen Ausgangsanschluss zur Zu- bzw. Ableitung des jeweiligen Fluidstroms auf. Unter einem Anschluss, insbesondere einem Eingangs- bzw. Ausgangsanschluss soll dabei im weiteren insbesondere ein Leitungsabschnitt des Leitungssystems in Strömungsrichtung vor bzw. hinter einem Verfahrensabschnitt der Fluidströmung bzw. des jeweiligen Fluidstroms, aber auch ein entsprechender Flansch bzw. entsprechend angeordneter Verbindungsflansch am jeweilige Leitungssystem und/oder auch ein dort am jeweiligen Leitungssystem angeordneter Stutzen verstanden werden, welcher der Zu- bzw. Ableitung des jeweiligen Fluidstroms dient.
Derartige Strömungsapparate werden häufig als Kessel, Wärmetauscher und/oder Verdampfer eingesetzt, wobei grundsätzlich eine möglichst gute Raumausnutzung, d.h. eine möglichst große Kontakt- oder Übertragungsfläche zwischen den Fluidströmen erreicht werden soll. Durch eine Ausrichtung einer Hauptströmungsachse des weiteren Fluidstroms im Wesentlichen parallel zur An- und/oder Abströmachse des ersten Fluidstroms kann dies erreicht werden. Vorzugsweise sind die An- und Abströmachse des ersten Fluidstroms dabei koaxial zueinander ausgerichtet. Unter einer Hauptströmungsachse wird dabei insbesondere eine Achse verstanden, entlang derer bzw. parallel zu der sich eine Strömung zu mindestens 50% einer Gesamtpfadlänge bezogen auf ein Leitungssystem ausbreitet.
In einer bevorzugten Ausbildung ist eine Strömungsachse mindestens einer der beiden Anschlüsse des weiteren Leitungssystems nicht parallel, vorzugsweise unter einem Winkel größer 45°, besonders bevorzugt nahezu rechtwinklig zu mindestens einer Strömungsachse eines der beiden Anschlüsse des ersten Leitungssystems ausgerichtet. Eine derartige Anordnung kann insbesondere bei einer Verwendung des Strömungsapparats als Verdampfer oder Wärmetauscher zwischen gasförmigen und flüssigen Fluidströmen von Vorteil sein.
Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, wenn eine Strömungsachse mindestens eines der beiden Anschlüsse, vorzugsweise beider Anschlüsse des weiteren Leitungssystems parallel zu einer Strömungsachse eines der beiden Anschlüsse des ersten Leitungssystems ausgerichtet ist. Insbesondere bei einer Verwendung des Strömungsapparats als Wärmetauscher zwischen zwei flüssigen Fluidströmen kann die zweitgenannte Variante zu einer vorteilhaften Kompaktifizierung des Strömungsapparats bzw. dessen Einbaus in eine Verrohrung oder eine Anlage führen.
Wenn der Eingangs- und der Ausgangsanschluss, insbesondere die Strömungsachsen des Eingangs- und Ausgangsanschlusses, zumindest eines der Leitungssysteme in einer Ebene liegen, vorzugsweise parallel zueinander ausgerichtet sind, besonders bevorzugt koaxial zueinander ausgerichtet sind, kann eine leicht in bestehende Anlagen integrierbarer Strömungsapparat erzielt werden. Insbesondere erlaubt eine koaxiale Anordnung des Eingangs- und Ausgangsanschlusses des ersten Leitungssystems die leichte Integration des Strömungsapparats in vorhandene Leitungssysteme des ersten Fluidstroms. So könnte beispielsweise der Strömungsapparat zur Nutzbarmachung einer Abwärme eines ersten Fluidstroms als Wärmetauscher direkt in ein bestehendes Leitungsnetz zur Durchleitung des ersten Fluidstroms integriert werden, in dem ein geradliniger Leitungsabschnitt durch den Strömungsapparat ersetzt wird.
Um den weiteren Fluidstrom aus dem weiteren Leitungssystem des Strömungsapparats leicht handhabbar bereitstellen zu können, kann es vorteilhaft sein, wenn die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse, insbesondere die Strömungsachsen des Eingangs- und Ausgangsanschlusses, mindestens eines, vorzugsweise jedes Leitungssystems des Strömungsapparats in jeweils einer Ebene liegen, vorzugsweise jeweils parallel zueinander ausgerichtet sind, besonders bevorzugt jeweils koaxial zueinander ausgerichtet sind, wobei die jeweiligen Ebenen vorzugsweise einen Winkel zwischen 45 und 90° einschließen.
Es kann jedoch auch von Vorteil sein, wenn der Eingangs- und Ausgangsanschluss des weiteren Leitungssystems an einander gegenüberliegenden Endbereichen des Rohrmantel entlang einer Längserstreckung des Führungsrohrs angeordnet sind. Vorzugsweise können der Eingangs- und Ausgangsanschluss dabei im Wesentlichen in radialer Richtung vom Führungsrohr fortweisende ausgerichtet und insbesondere in im Wesentlichen diametral gegenüberliegenden Richtungen voneinander weisende angeordnet sein. Eine derartige Ausbildung kann insbesondere bei weiteren Leitungssystemen, welche im Wesentlichen aus geradlinigen Rohrabschnitten oder Rohrstrecken aufgebaut sind, zum Einsatz kommen.
In einer bevorzugten Ausbildung weist der erfindungsgemäße Strömungsapparat eine sich entlang einer Hauptachse erstreckende zylindrische Form auf, wobei die Strömungsachse des Eingangs- und/oder Ausgangsanschlusses des ersten Leitungssystems parallel, vorzugsweise koaxial zu dieser Hauptachse ausgerichtet ist.
In einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführung des erfindungsgemäßen Strömungsapparats ist der Eingangs- und/oder Ausgangsanschluss des weiteren Leitungssystems in der Nähe des Eingangs- oder Ausgangsanschlusses des ersten Leitungssystem angeordnet, wobei die Strömungsachse des Eingangs- und/oder Ausgangsanschluss des weiteren Leitungssystems im Wesentlichen senkrecht oder alternativ parallel zur Hauptachse ausgerichtet ist.
Alternativ kann es auch vorteilhaft sein, wenn der Eingangsanschluss des weiteren Leitungssystems in der Nähe des Eingangsanschlusses des ersten Leitungssystems vorgesehen ist, während der Ausgangsanschluss des weiteren Leitungssystems in der Nähe des Ausgangsanschlusses des ersten Leitungssystems angeordnet ist, oder umgekehrt. Diese Ausführung kann insbesondere bei Strömungsapparaten mit weiteren Leitungssystemen, welche im Wesentlichen aus geradlinigen Rohrabschnitten oder Rohrstrecken aufgebaut sind, von Vorteil sein.
Wird das erste Leitungssystem im Wesentlichen von einem Führungsrohr und einem das Führungsrohr umschließenden Rohrmantel gebildet, wobei der Rohrmantel einen sich zwischen dem Führungsrohr und dem Rohrmantel erstreckenden Zwischenraum umschließt bzw. bildet, und wobei der Eingangs- und Ausgangsanschluss des ersten Leitungssystems an den beiden, im Wesentlichen gegenüberliegenden Enden des Führungsrohrs angeordnet sind, so kann in besonderes einfacher Weise ein erfindungsgemäßer Strömungsapparat bzw. ein Strömungsapparat zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erhalten werden.
Eine besonders vorteilhafte, weil leicht montierbare Ausführung wird erhalten, wenn der Rohrmantel haubenartig ausgebildet ist und dabei eine im Wesentlichen zylindrische Mantelstruktur und an je einer Stirnseite einen Boden bzw. einen Montageabschnitt aufweist, wobei der Boden an einen Anschlussabschnitt des Führungsrohres angrenzt. Der Montageabschnitt kann dabei beispielsweise als Montageabsatz und/oder Anlagefläche und/oder Anlagering ausgebildet sein. Insbesondere ist der Montageabschnitt dazu vorgesehen, den Rohrmantel an einem anderen Bauteil oder einen anderen Baugruppe des Strömungsapparats anzuordnen, insbesondere den Rohrmantel dort festzulegen.
In einer weiteren, bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strömungsapparats bzw. eines Strömungsapparats zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahrens ist im Führungsrohr, insbesondere zwischen dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss, eine schräg durch einen Längsquerschnitt des Führungsrohrs verlaufende Trennwand als ein Führungsmittel angeordnet ist. Ein Strömungsabschnitt im Bereich des Eingangs- bzw. Ausgangsanschlusses bildet dabei den An- bzw. Abströmabschnitt der Fluidströmung. Das Führungsrohr weist dabei im vom Rohrmantel umschlossenen Bereich in seiner Mantelfläche jeweils mindestens einen, vorzugweise mehrere Radialdurchlässe zum Durchtritt des ersten Fluidstroms aus dem Führungsrohr in den Zwischenraum bzw. zum Durchtritt aus dem Zwischenraum in das Führungsrohr entlang einer Strömungsrichtung des ersten Fluidstroms auf. Vorzugsweise ist in diesem Zwischenraum im Wesentlichen der Umströmungsabschnitt der ersten Fluidströmung angeordnet oder lokalisiert. Die Trennwand erlaubt zusammen mit den Radialdurchlässen im Führungsrohr vorteilhaft die erste Umlenkung und ggf. die Aufteilung des ersten Fluidstroms in radial gerichtete Teilströme, während der Rohrmantel für eine Umlenkung in Umfangsrichtung sorgt.
Ist in Strömungsrichtung des ersten Fluidstroms zumindest auf einer vom Eingangsanschluss in Richtung auf die Trennwand hinweisenden Teil des Führungsrohrs im Bereich mindestens eines Radialdurchlasses mindestens ein Strömungsleitkörper vorgesehen, der sich vorzugsweise in das Führungsrohr erstreckt, kann die Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Strömungsapparat vorteilhaft begünstigt werden. Alternativ oder ergänzend kann der Strömungsleitkörper auch eine radiale Erstreckung in den Zwischenraum aufweisen. Unter einer "Anordnung im Bereich eines Radialdurchlasses" wird dabei insbesondere verstanden, dass der Strömungsleitkörper in Strömungsrichtung vor dem Radialdurchlass, auf Höhe des Radialdurchlasses und/oder dem jeweiligen Radialdurchlass nachgelagert vorgesehen oder angeordnet sein kann. Der Strömungsleitkörper wirkt dabei vorteilhaft vergleichmäßigend und/oder turbulenzunterdrückend auf die ersten Fluidströmung, den ersten Fluidstrom oder den jeweiligen Teilstrom.
In einem anderen Aspekt kann der erfindungsgemäße Strömungsapparat dadurch verbessert werden, dass ein erster Strömungsquerschnitt QE eines dem Eingangsanschlusses zugewandten Teils des Führungsrohrs entlang der Strömungsrichtung des ersten Fluidstroms im Wesentlichen im gleichen Maße abnimmt wie ein zweiter Strömungsquerschnitt QA eines dem Ausgangsanschlusses zugewandten Teils des Führungsrohrs entlang der Strömungsrichtung des ersten Fluidstroms zunimmt. Vorzugsweise ist die Summe aus QE und QA nicht größer ist als ein Strömungsquerschnitt im Eingangsanschluss, wobei in besonderen Anwendungen des Strömungsapparats jedoch auch eine abweichende Ausbildung des Summenquerschnitts aus QE und QA bezogen auf den Eingangs- oder Ausgangsquerschnitt der Anschlüsse von Vorteil sein kann. Durch diese Ausbildung wird erreicht, dass der aus dem Eingangsanschluss anströmende erste Fluidstrom und der in Richtung Ausgangsanschluss abströmende erste Fluidstrom möglichst gleichmäßig über eine axiale Länge des Zwischenraums bzw. des Umströmbereichs oder -abschnitts oder zumindest eines Axialabschnitts des Zwischenraums verteilt bzw. aus diesem wieder zusammengeführt werden kann. Auf diese Weise wird die vorteilhaft druckverlustmindernde und/oder turbulenzunterdrückende Wirkung des erfindungsgemäßen Aufbaus unterstützt. Vorteilhaft ist dabei eine stetige, monotone oder streng monotone Änderung der Querschnitte QE, QA als Funktion der axialen Position entlang des Zwischenraums, des Umströmabschnitts oder Umströmbereichs beschreibbar oder ausbildet. In der einfachsten Ausbildung ist der Verlauf des ersten Strömungsquerschnitts QE geradlinig, linear fallend, während der Verlauf des zweiten Strömungsquerschnitts im selben Masse geradlinig, linear steigend ist. Es können jedoch auch komplexere Kurvenverläufe von Vorteil sein. Beispielsweise könnte abhängig von der Beschaffenheit des ersten Fluidstroms ein hyperbelförmiger, parabelförmiger, exponentieller und/oder anderer geeigneter Kurvenverlauf insbesondere in Abhängigkeit der axialen Position entlang des Zwischenraums des Umströmabschnitts oder Umströmbereichs von Vorteil sein.
In anderen Weiterbildungen ist/sind der bzw. die Radialdurchlässe bezogen auf den Umfang schlitzartig ausgebildet. Dabei werden in diesem Zusammenhang unter schlitzartigen Durchlässen neben einteiligen, im Wesentlichen längserstreckten Ausnehmungen, Durchbrüchen oder Durchlässen auch eine Anzahl von im Umfang insgesamt schlitzartig wirkenden, entlang der Längserstreckung angeordneten und/oder gruppierten Kleindurchlässen wie Bohrungen, Gittern oder dergleichen verstanden. Alternativ oder ergänzend können die Radialdurchlässe auch als flächige Ausnehmungen, Bohrungen oder Durchbrüche ausgebildet sein. In einer bevorzugten Ausführung weisen die Radialdurchlässe oder der sich aus Kleindurchlässen ergebende effektive Radialdurchlass eine effektive Durchlassbreite auf, welche vorzugsweise kleiner als oder im Wesentlichen gleich einer Durchlasslänge der Radialdurchlässe oder des sich aus Kleindurchlässen ergebende effektiven Radialdurchlasses bezogen auf eine Längserstreckung des Führungsrohr ist. Dabei können die Radialdurchlässe oder die Kleindurchlässe durch schneidende, stanzende, zerspanende und/oder umformende Bearbeitung in den Mantel des Führungsrohres eingebracht werden oder sein. Vorzugsweise liegt weiters eine Querschnittsfläche des Radialdurchlasses bzw. eine Summenfläche der Querschnitte der Radialdurchlässe zwischen 25% und 400%, insbesondere zwischen 90% und 300%, besonders bevorzugt zwischen 140% und 270% des Strömungsquerschnitt im Eingangsanschluss.
Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterentwicklung des Strömungsapparates umfasst das weitere Leitungssystem einen Verteilerkopf und ein Rohrbündelsystem, wobei zumindest der Eingangsanschluss des weiteren Leitungssystems an dem Verteilerkopf angeordnet ist und in einen im Verteilerkopf vorgesehenen Verteilerraum mündet. Vorzugsweise kann der Rohrmantel an einer Seitenfläche des Verteilerkopfs, insbesondere einer Flanschfläche, angeordnet sein. In einer Weiterbildung ist auch der Ausgangsanschluss des zweiten Leitungssystems am Verteilerkopf angeordnet und mündet dabei ebenfalls in den Verteilerraum, welcher hinsichtlich des Ausgangsanschlusses auch als Sammelraum verstanden werden kann. Durch diese Ausgestaltung kann unter anderem vorteilhaft erreicht werden, dass der den Zwischenraum, den Umströmungsabschnitt oder ein Wechselwirkungsbereich radial begrenzende Rohrmantel als Gesamtkomponente bei einer Montage bzw. Demontage axial über das Rohrbündelsystem verschoben werden kann, ohne dass das zweite Leitungssystem dabei bewegt oder anderweitig manipuliert werden müsste. Insbesondere kann dadurch der Rohrmantel besonders einfach als axial montierbare, über das Führungsrohr des ersten Leitungssystems aufsetz- bzw. ausschiebbare Haube ausgestaltet werden. Durch diese Ausbildung wird der erfindungsgemäße Strömungsapparat besonders montage- und wartungsfreundlich, da größere Untereinheiten des Strömungsapparates unabhängig voneinander vormontiert, im zusammengebauten Zustand leicht geöffnet bzw. wieder voneinander getrennt werden können.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist dabei der Verteilerraum durch mindestens ein Trennelement in mindestens eine Eingangskammer und eine Ausgangskammer unterteilt, wobei der Eingangsanschluss in die Eingangskammer und der Ausgangsanschluss in die Ausgangskammer münden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Rohrbündelsystem mindestens ein, vorzugsweise mehrere Rohrschlaufen, wobei jede Rohrschlaufe sich in den Zwischenraum zwischen Führungsrohr und Rohrmantel erstreckt und vorzugsweise eingangsseitig mit dem Eingangsanschluss oder der Eingangskammer und ausgangsseitig mit dem Ausgangsanschluss oder der Ausgangskammer derart in Wirkbeziehung steht, dass der durch den Eingangsanschluss einströmende weitere Fluidstrom zumindest teilweise durch die jeweilige Rohrschlaufe zum Ausgangsanschluss oder Ausgangskammer strömen kann. Die Ausbildung als Rohrschlaufen begünstigt dabei ebenfalls den bevorzugten axial montierbaren Aufbau in vormontierten Untereinheiten des erfindungsgemäßen Strömungsapparats. Eine derartige Ausbildung des Rohrbündelsystems eignet sich insbesondere für die Kombination mit einem Verteilerkopf, an dem sowohl der Eingangs- als auch der Ausgangsanschluss des weiteren Leitungssystems vorgesehen sind.
In einer alternativen oder ergänzenden Ausführung kann das Rohrbündelsystem auch im Wesentlichen geradlinige Rohrabschnitte oder Rohrstrecken umfassen oder zumindest teilweise anstelle von Rohrschlaufen aus diesen aufgebaut sein. Insbesondere verbinden die Rohrabschnitte oder Rohrstrecken dabei den Verteilerraum des Verteilerkopfes mit einem Sammelraum, welcher vorzugsweise an einem dem Verteilerkopf entfernten Ende der Rohrstrecken vorgesehen ist. Die Rohrabschnitte oder Rohrstrecken erstrecken sich in ihrer Längsrichtung dabei vorzugsweise, zumindest jedoch abschnittsweise, einfach in oder durch den Zwischenraum, insbesondere durchstoßen oder durchmessen sie den Wechselwirkungsabschnitt oder den Umströmungsabschnitt im Zwischenraum genau einmal. Vorzugsweise ist der Sammelraum weiters mit dem Ausgangsanschluss des weiteren Leitungssystems verbunden, insbesondere kann der Ausgangsanschluss an einem den Sammelraum bildenden oder im Wesentlichen umschließenden, dem Verteilerkopf ähnlichen Sammelkopf vorgesehen sein.
In bevorzugter Weiterbildung sind im Verteilerraum weitere Trennelemente zur Bildung von Zwischenkammern zwischen der Eingangs- und Ausgangskammer vorgesehen, wobei je Zwischenkammer mindestens eine zusätzliche Rohrschlaufe vorgesehen ist und wobei die Rohrschlaufen die Ausgangskammer nicht direkt mit der Eingangskammer verbinden, sondern der weitere Fluidstrom erst sequentiell von der Eingangskammer, über mindestens eine Zwischenkammer zur Ausgangskammer gelangen kann, wobei er mindestens zwei Rohrschlaufen durchströmt. Durch diesen Aufbau kann das Rohrbündelsystem in einfacher Weise mehrpässig ausgebildet werden, wobei unter einer Passigkeit oder Passzahl eines Rohrbündelsystems insbesondere die Anzahl von einfachen Rohrleitungen oder die doppelte Anzahl von Rohrschlaufen verstanden wird, die zumindest ein Teilstrom einer sich durch ein, das Rohrbündelsystem umfassendes Leitungssystem strömender Fluidstrom zwischen einer Anströmabschnitt und einem Abströmabschnitt durchströmt.
In einem anderen Weiterentwicklungsaspekt des erfindungsgemäßen Strömungsapparates ist in mindestens einem Leitungssystem, insbesondere an Querschnittsübergängen oder Strömungsrichtungsumlenkungen, ein Strömungskörper angeordnet. Dem Strömungskörper kommt dabei die Aufgabe zu, einen Druckverlust des durch das Leitungssystem strömenden Fluidstrom, insbesondere an Querschnittsübergängen oder Strömungsrichtungsumlenkungen durch geeignete Umlenkung und/oder Vergleichmäßigung zu minimieren. Die Vergleichmäßigung der Strömung durch den Strömungskörper hat weiters den Vorteil, dass ein Niederschlag, Anlagerung und/oder Ansammlung von mit der Fluidströmung mitgeführten Verschmutzungen, insbesondere Schmutzpartikel wie Asche, Schlacken oder dergleichen, im Leitungssystem, insbesondere an funktional notwendigen Querschnittsübergängen oder Strömungsrichtungsumlenkungen, reduziert oder vermindert wird. Dieser Effekt basiert auf einer Verringerung der Grenzschichtdicke im jeweiligen Strömungsbereich. Dies hat zur Folge, dass durch das Vorsehen von geeigneten Strömungskörpern im bzw. in den Leitungssystem/-en des Strömungsapparats ein Reinigungsintervall und damit eine Nettobetriebsdauer des Strömungsapparats vorteilhaft verlängert werden kann. Insbesondere bei Wärmetauschern bzw. Rohranlagen für Rauchgas aus Biomassefeuerungen und Verbrennungen kann dies vorteilhaft zum Tragen kommen.
Eine besonders zu bevorzugende Ausführung eines Strömungskörpers ist hülsenartig ausgebildet, wobei er zumindest einen Umlenkkörper zur Beeinflussung einer Strömungsrichtung einer den Strömungskörper im Betrieb umgebenden Fluidströmung aufweist. Der Strömungskörper ist dabei als, vorzugsweise auswechselbares Element in die jeweilige Verrohrungsposition des Leitungssystems des Strömungsapparates einsetzbar bzw. eingesetzt. Derartige Strömungskörper können dabei auch als Nachrüstlösungen ausgeführt und ausgebildet sein, welche nachträglich in bereits existierende Strömungsapparate wie z. B. Wärmetauscher, Verdampfer, Kessel und/oder Leitungssysteme für den Fluidtransport (z. B. Heizsysteme, Fluidversorgungssysteme, Tankanlagen etc.) eingesetzt werden können. Besonders einfach ließen sich derartige Strömungskörper an vorhandenen Verbindungsstellen in derartigen Leitungsaufbauten durch Lösen der Verbindung, Einsetzen/Wechseln des Strömungskörpers und anschließendem Wiederherstellens der Verbindung einbringen oder austauschen, ohne dass dabei beispielsweise die Anzahl der Dichtstellen im System nachteilig verändert würde. Besonders vorteilhaft können derartige Nachrüstungen in Leitungsabschnitten eingebracht werden, deren effektiver Querschnitt nicht der begrenzende Wirkquerschnitt des betroffenen Systems bzw. Apparates ist, wobei unter Umstände durch eine Vergleichmäßigung der Strömung sogar ein begrenzender Querschnitt zumindest ausgeglichen oder sogar vorteilhaft verbreitert werden kann.
Wird der erfindungsgemäße Strömungsapparat mit zumindest zeitweise stärker Partikel belasteten Fluidströmungen verwendet kann es vorteilhaft sein, wenn im Rohrmantel eine Vorrichtung zur Abscheidung und zum Austrag von Partikeln vorgesehen ist, welche einen Abscheider, einen Sammelbereich und eine Fördereinheit, insbesondere eine Austragsschnecke, umfasst. Eine derartige Vorrichtung lässt sich insbesondere gut an dem erfindungsgemäßen Rohrmantel anordnen, vorzugsweise als mit dem Rohrmantel vormontierte oder in den Rohrmantel integrierte Vorrichtung ausführen, wodurch die vorteilhaft einfache Montier- und/oder Wartbarkeit des erfindungsgemäßen Strömungsapparats vorteilhaft aufrechterhalten bleibt.
Der erfindungsgemäße Strömungsapparat kann weiters durch einen im Anschluss an die Ausgangskammer bzw. an den Ausgangsanschluss angeordneten Tropfenabscheider vorteilhaft weitergebildet werden. Vorzugweise ist der Tropfenabscheider an dem Verteilerkopf befestigt, in dem Verteilerkopf aufgenommen oder in diesen integriert. Insbesondere kann so leicht das in einem Abscheideraum des Tropfenabscheiders gesammelte Kondensat über zumindest eine Rückführleitung der Eingangskammer oder zumindest einer Zwischenkammer im Verteilerkopf zugeführt werden. Diese Ausführung eines erfindungsgemäßen Strömungsapparats ist insbesondere für die Verwendung als Verdampfer von Vorteil, wobei die Fluidströmung im ersten Leitungssystem im Wesentlichen als Wärmequelle für die Verdampfung der weiteren Fluidströmung im zweiten Leitungssystem dient. Unverdampfte Anteile der zweiten bzw. weiteren Fluidströmung können auf dieses Weise leicht dem Verdampfungsprozess im Strömungsapparat, insbesondere dem die weitere Fluidströmung führenden Rohrbündelsystem zurückgeführt bzw. erneut zugeführt werden.
In einer anderen bevorzugten Weiterbildung weist der erfindungsgemäße Strömungsapparat eine Bypass-Einrichtung auf, vermittels derer der erste Fluidstrom zumindest teilweise und/oder ein einstellbarer, vorzugsweise regelbarer Anteil zwischen 0 bis 100% des Fluidstroms am ersten Leitungssystem, insbesondere am Umströmungsabschnitt des ersten Leitungssystems des Strömungsapparats vorbeigeführt werden kann. Die Bypass-Einrichtung ist dabei dazu vorgesehen, den entsprechenden Anteil des ersten Fluidstroms an der Umlenkung durch das Führungsmittel im ersten Leitungssystem vorbeizuführen. Aus diese Weise kann über die Bypass-Einrichtung der Anteil des ersten Fluidstroms, welcher über das Führungsmittel umgelenkt und damit einem Umströmungsbereich zugeführt wird, vorteilhaft einstellbar ausgebildet werden. So kann in einer beispielhaften Anwendung des erfindungsgemäßen Strömungsapparats als Wärmetauscher zwischen einem ersten, im ersten Leitungssystem strömenden wärmeführenden Fluid und einem zweiten, wärmeaufnehmenden Fluid, welches in Umströmungsbereich mit dem ersten Fluid wärmeübertragend wechselwirken kann, die auf das zweite Fluid übertragbare Wärmemenge über die Bypass-Einrichtung eingestellt und/oder geregelt werden, da der Anteil des in den Umströmungsbereich einströmenden ersten Fluids über die Bypass-Einrichtung gedrosselt werden kann.
Die Bypass-Einrichtung weist dabei zumindest eine Bypass-Leitung und einen Bypass-Steller auf, wobei die Bypass-Leitung vorzugsweise zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangsanschluss des ersten Leitungssystems des Strömungsapparates angeordnet ist.
Die Bypass-Leitung kann dabei als im Führungsrohr des ersten Leitungssystems angeordnetes Innenrohr ausgebildet sein, welches vorzugsweise zentrisch entlang der Hauptströmungsachse durch das Führungsrohr greift. Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass die Bypass-Leitung aus einer oder mehreren Teilleitungen besteht, welche sich entlang des Führungsrohres durch das erste Leitungssystem erstrecken. In einem bevorzugten Beispiel durchstößt dabei die Bypass-Leitung die im Führungsrohr angeordnete Trennwand, so dass der sich durch die Bypass-Leitung ausbreitende Anteil des ersten Fluidstroms nicht in den Umströmungsbereich abgelenkt wird bzw. keinen Umströmungsabschnitt aufweist.
Alternativ oder ergänzend kann die Bypass-Leitung auch als eine den Strömungsapparat an einer Außenwand, insbesondere an einer Außenwand des Rohrmantels angeordnete Leitung ausgebildet sein. Bevorzugt kann dabei die Bypass-Leitung als den Rohrmantel umschließender Bypass-Mantel ausgebildet sein. Der Bypass-Mantel bildet dabei zwischen der Außenwand, insbesondere der Außenwand des Rohrmantels und einer Innenwandfläche des Bypass-Mantels die Bypass-Leitung oder einen Bypass-Kanal aus.
Der Bypass-Steller weist zumindest einen Strömungsregler, insbesondere ein Ventil und/oder eine Klappe und/oder ein anderes für die wählbare Drosselung und/oder Aufteilung und/oder Umlenkung geeignetes Fluidkontrollelement auf. So kann der Bypass-Steller beispielsweise als Strömungsteiler, insbesondere trichterartiger Strömungsteiler mit einer einstellbaren Klappe aufgebaut sein. Die Klappe ist dabei so in der Bypass-Leitung oder dem ersten Leitungssystem, insbesondere dem Führungsrohr angeordnet, dass in Abhängigkeit von einer Schaltstellung der Klappe die anströmende erste Fluidströmung über den Strömungsteiler in das erste Leitungssystem und/oder die Bypass-Leitung strömen kann. Alternativ kann der Bypass-Steller auch als ein verschließbares Ableitgitter ausgebildet sein, welches in der Bypass-Leitung oder dem ersten Leitungssystem, insbesondere dem Führungsrohr angeordnet ist und diese wählbar miteinander in Kommunikation bringt. Das Ableitgitter wirkt dabei wie ein Strömungsteiler und kann beispielsweise über ein Dreh- und/oder Axial-Schieberventil wählbar geöffnet und/oder geschlossen werden. Alternativ ist denkbar, dass das Ableitgitter in Strömungsrichtung, insbesondere Hauptströmungsrichtung so vor einer Klappe angeordnet ist, dass die Klappe den Durchlass in die Bypass-Leitung wählbar öffnet und/oder schließen kann.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Verwendung bzw. die Ausbildung eines erfindungsgemäßen Strömungsapparats als Wärmetauscher, insbesondere als Kreuzgegenstrom oder Kreuzgleichstrom-Gas-Gas-, -Gas-Flüssigkeits-, -Flüssigkeits-Gas-, -Flüssigkeit-Dampf-, -Dampf-Flüssigkeit- , -Gas-Dampf-, -Dampf-Gas- oder -Flüssigkeits-Flüssigkeits-Wärmetauscher, zwischen zwei zumindest teilweise gasförmigen, einem zumindest teilweise flüssigen und einem zumindest teilweise gasförmigen, oder zwei zumindest teilweise flüssigen Fluidströmen. Dabei werden unter gasförmigen Fluiden insbesondere auch dampfförmige oder teilweise dampfförmige Fluide verstanden. In einer besonders bevorzugten Verwendung kann der erfindungsgemäße Strömungsapparat auch als Verdampfer eines eingangsseitig flüssigen weiteren Fluidstroms durch Wärmeübertrag aus einem ersten Fluidstrom erfindungsgemäß zum Einsatz kommen.
Den vorgenannten, erfindungsgemäßen Verwendungen kommen insbesondere im Zusammenhang mit Wärme-Kraft-Anlagen, bevorzugt mit Anlagen nach dem Rankine-Zyklus, besonders bevorzugt mit Anlagen für die Durchführung eines Rankine-Zyklus mit einem organischen Arbeitsfluid besondere Bedeutung zu. Insbesondere kann dabei das organische Arbeitsfluid als durch das weitere Leitungssystem des erfindungsgemäßen Strömungsapparats strömenden weiteren Fluidstroms durch Wärmeübertrag vom im ersten Leitungssystem strömenden ersten Fluidstrom derart erwärmt werden, dass es zumindest teilweise von einer flüssigen Phase in eine Dampfphase übertritt. Die Fluidströme bleiben dabei im erfindungsgemäßen Strömungsapparat voneinander getrennt, so dass unterschiedlichste Arten von wärmeführenden Fluiden (z. B. Rauchgas, Abgase, Heißwasser, Warmwasser insbesondere aus solarthermischer und/oder geothermischer Quelle, abzukühlende Prozessflüssigkeiten aus Industrieprozessen, etc.) als erste Fluidströme als Energiequelle des Rankine-Zyklus eingesetzt werden können. Bevorzugt kann in einer Verwendung in einem Rankine-Zyklus vorgesehen sein, dass der als Arbeitsmedium im Rankine-Zyklus wirkende weitere Fluidstrom in dem zugeordneten Leitungssystem des Strömungsapparats durch Wärmeübertrag vom ersten Fluidstrom zumindest teilweise, insbesondere zumindest zu 60%, bevorzugt nahezu vollständig aus einer flüssigen Phase in eine Dampfphase überführt wird. Unter einem direktverdampfenden Betrieb des Rankine-Zyklus wird dabei eine Betriebsweise verstanden, bei welcher das in einem Strömungsapparat als weiteren Fluidstrom fließende Arbeitsmedium des Rankine-Zyklus durch Wärmeübertrag von dem ersten Fluidstrom, welcher dem Strömungsapparat als abwärmeführende/-s Abluft/Abgas eines Vorprozesses zugeführt wird, direkt zumindest teilweise von seiner flüssigen Phase in eine Dampfphase überführt wird. Alternativ kann zwischen der/dem abwärmeführenden Abluft/Abgas eine zusätzliche Wärmeübertragungsstufe vorgesehen sein, bei der Wärmeenergie von Abluft/Abgas auf ein Zwischenmedium, z.B. Thermalöl, und von diesem in einer nächsten Wärmeübertragungsstufe auf das Arbeitsmedium übertragen wird.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein System aus mindestens zwei Strömungsapparaten der vorgenannten Art. Die beiden Strömungsapparate sind sequentielle mit einander verbunden, wobei der Ausgangsanschluss des ersten Leitungssystems des ersten Strömungsapparats im Wesentlichen direkt dem Eingangsanschluss des ersten Leitungssystems des zweiten Strömungsapparats verbunden ist, und wobei der Ausgangsanschluss des zweiten Leitungssystems des ersten Strömungsapparats über eine Verbindungsleitung mit dem Eingangsanschluss des zweiten Leitungssystems des zweiten Strömungsapparats verbunden ist. Mit einem derartigen System kann beispielsweise eine effektive Wechselwirkungslänge zwischen dem ersten und dem zweiten Fluidstrom verdoppelt werden, wobei vorteilhaft auf kleinere Einheiten von Strömungsapparaten zurückgegriffen werden kann, ohne eine Neuauslegung eines größer dimensionierten Strömungsapparates vornehmen zu müssen. Auch kann es vorteilhaft sein, wenn das System zwei unterschiedlich oder abweichend ausgelegte, insbesondere hinsichtlich des zweiten Leitungssystems unterschiedlich oder abweichend dimensionierte Strömungsapparate der eingangserwähnten Art als System verkoppelt werden. Dabei kann unter einer abweichenden Dimensionierung der Strömungsapparate insbesondere eine voneinander abweichende Ausbildung hinsichtlich Leitungsarten und/oder Leitungsquerschnitten und/oder Passzahlen und/oder Ausbildung des Verteilerkopfes, insbesondere der Eingangs-, Zwischen- und/oder Ausgangskammer, und/oder Ausbildung der Führungsmittel, insbesondere Anzahl und/oder Ausbildung von Radialdurchlässen und/oder Ausbildung der Trennwand, verstanden werden.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Wärme-Kraft-Anlage, insbesondere Anlage zur Gewinnung von mechanischer und/oder elektrischer Energie nach einem Rankine-Zyklus, mit mindestens einem Strömungsapparat der vorgenannten Art. Bevorzugt ist dabei der weitere Fluidstrom des Strömungsapparats durch ein Arbeitsmedium, insbesondere ein organisches Arbeitsfluid, gebildet, wobei das Arbeitsmedium durch Wärmeübertrag von einem ersten Fluidstrom zumindest teilweise im erfindungsgemäßen Strömungsapparat verdampft werden kann.
Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und in der folgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:

Fig. 1: einen schematischen Strömungsverlauf einer Fluidströmung zur grundlegenden Veranschaulichung der Wirkungsweise des Erfindungsgegenstandes;
Fig. 2: eine Fluidströmung nach Fig. 1 in Wechselwirkung mit einer weiteren Fluidströmung zur weiteren Erläuterung des im Erfindungsgegenstand realisierten Verfahrens;
Fig. 3: eine schematische Längsansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Strömungsapparats;
Fig. 4a: ein erstes Ausführungsbeispiel eines Strömungskörpers;
Fig. 4b: ein zweites Ausführungsbeispiel eines Strömungskörpers;
Fig. 4c: ein drittes Ausführungsbeispiel eines Strömungskörpers;
Fig. 5: zwei Ansichten des ersten Ausführungsbeispiels eines Strömungskörpers nach Fig. 9a;
Fig. 6: eine Querschnitt des Beispiels nach Fig. 3 entlang der Linie A - A;
Fig. 7a: eine Querschnittsansicht eines erste Beispiels eines Verteilerkopfs eines Strömungsapparats ähnlich Fig. 3;
Fig. 7b: eine Querschnittsansicht eines zweiten Beispiels eines Verteilerkopfs eines Strömungsapparats ähnlich Fig. 3;
Fig. 8: einen Verteilerkopf nach Fig. 7a mit einem Tropfenabscheider;
Fig. 9: eine schematische Längsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Strömungsapparats mit einer Vorrichtung zur Abscheidung und zum Austrag von Partikeln;
Fig. 10: eine schematische Längsansicht eines Systems aus zwei erfindungsgemäßen Strömungsapparaten;
Fig. 11: ein Schema einer ORC-Anlage mit Strömungsapparaten nach Fig. 3;
Fig. 12a: eine schematische Ansicht eines Rohlings eines Führungsrohres für einen Strömungsapparat ähnlich Fig. 3;
Fig. 12b: einen Schnitt durch die Trennwand im Führungsrohr nach Montage.
Fig. 13a: eine schematischen Längsschnitt eines weiterentwickelten Ausführungsbeispiels nach Fig. 3 mit einem ersten Beispiel einer zentrisch angeordneten Bypass-Einrichtung
Fig. 13b: eine schematischen Längsschnitt eines weiterentwickelten Ausführungsbeispiels nach Fig. 3 mit einem zweiten Beispiel einer zentrisch angeordneten Bypass-Einrichtung
Fig. 13c: eine schematischen Längsschnitt eines weiterentwickelten Ausführungsbeispiels nach Fig. 3 mit einem dritten Beispiel einer zentrisch angeordneten Bypass-Einrichtung
Fig. 14: eine schematischen Längsschnitt eines weiterentwickelten Ausführungsbeispiels nach Fig. 3 mit einem Beispiel einer außenliegend angeordneten Bypass-Einrichtung

Einen ersten schematischen Eindruck zum im Erfindungsgegenstand realisierten Verfahrens zur Führung einer Fluidströmung vermittelt Fig. 1. Dabei folgt eine Fluidströmung 10 einem Strömungspfad 11 zwischen einem Anströmabschnitt 12 und einem Abströmabschnitt 13. Die Fluidströmung folgt dabei im Anströmabschnitt 12 im Wesentlichen einer linearen Anströmachse 14, im Abströmabschnitt 13 im Wesentlichen einer ebenfalls linearen Abströmachse 15. Die Anströmachse 14 und die Abströmachse 15 sind dabei erfindungsgemäß parallel zueinander ausgerichtet. In der Ausführung nach Fig. 1 sind sie insbesondere in einer bevorzugten koaxialen Ausrichtung zueinander gezeigt.
Ein zwischen dem Anströmabschnitt 12 und dem Abströmabschnitt 13 liegender Zwischenabschnitt des Strömungspfades 11 der Fluidströmung 10 kann gemäß Fig. 1 dabei als Verfahrensabschnitt 16 bezeichnet werden. Zwischen dem Anströmabschnitt 12 und dem Abströmabschnitt 13 ist mindestens ein Führungsmittel 20 zur Lenkung des Strömungspfads 11 angeordnet. Das Führungsmittel 20 wirkt dabei insbesondere im Verfahrensabschnitt 16 der Fluidströmung 10 auf diese ein. Durch das Führungsmittel 20 wird die Fluidströmung 10 im Verfahrensabschnitt 16 derart umgelenkt, dass sie in einem Umströmungsabschnitt 17 des Verfahrensabschnitt 16 die An- und Abströmachse 14, 15 erfindungsgemäß radial umlaufen kann. Der Umströmungsabschnitt 17 der Fluidströmung 10 kann dabei im Wesentlichen durch einen Umfangswinkel UW charakterisiert werden.
Unter dem Umfangswinkel UW wird dabei insbesondere ein Winkelmaß für die Erstreckung des Strömungsabschnitts bzw. eines Teils des Strömungspfades 11 entlang einer Umfangslinie 18 um die An- bzw. Abströmachse 14, 15 verstanden. Die Fluidströmung 10 breitet sich im Umströmungsabschnitt 16 dabei im Wesentlichen entlang dieser Umfangslinie 18 aus bzw. bewegt sich im Umströmungsabschnitt 17 dabei im Wesentlichen entlang dieser Umfangslinie 18. Vorzugsweise verläuft die Umfangslinie 18 dabei in einer Spirale um die An- bzw. Abströmachse 14, 15, besonders bevorzugt im Wesentlichen in einer Ebene EV. Die Ebene EV schließt dabei einen von null verschiedenen Winkel mit der An- bzw. Abströmachse 14, 15 ein, vorzugsweise schneiden die An- bzw. Abströmachse 14, 15 die Ebene EV unter einem Winkel von mindestens 45°, besonders bevorzugt schneiden die An- bzw. Abströmachse 14, 15 die Ebene EV nahezu senkrecht, wobei eine Winkelabweichung von bis zu ±10° dabei noch als nahezu senkrecht verstanden werden soll.
Fig. 1 zeigt dabei weiters eine bevorzugte, einfach herstellbare Ausführung des mindestens einen Führungsmittels 20. Das Führungsmittel 20 umfasst ein Führungsrohr 21, welches vorzugsweise die An- und Abströmachse 14, 15 des Strömungspfades 11 im Wesentlichen koaxial umgibt. Im Führungsrohr 21 ist eine Trennwand 22 als Umlenkmittel 23 angeordnet. Die Trennwand 22 teilt einen die Fluidströmung 10 aufnehmenden Innenraum des Führungsrohrs 21 in zwei, vorzugsweise im Wesentlichen getrennte Segmente, eine anströmungsseitigen Rohrabschnitt 24 und einen abströmungsseitigen Rohrabschnitt 25. Die Trennwand 22 ist dabei als Teil des Führungsmittels 20 so angeordnet bzw. ausgebildet, dass die Fluidströmung 10 über den Rohrabschnitt 24 hinweg, insbesondere abschnittsweise, vorzugsweise stetig fortschreitend in eine Radialströmung umgelenkt wird. Unter einer Radialströmung wird dabei insbesondere eine Strömung verstanden, die im Wesentlichen in radialer Richtung zu der An- bzw. Abströmachse 14, 15 verläuft. Die Radialströmung 26 tritt dabei gemäß Fig. 1 durch zumindest einen Radialdurchlass 27 im Führungsrohr 21 aus diesem aus.
Zumindest in einem Rohrabschnitt 28 um den mindestens einen Radialdurchlass 27 des Führungsrohrs 21 ist dieses durch einen Rohrmantel 29 umschlossen. Der Rohrmantel 29 bildet dabei mit dem Führungsrohr 21 einen Zwischenraum 30 aus. Die Radialströmung 26 tritt durch den Radialdurchlass 27 in diesen Zwischenraum 30 ein und Radialströmung 26 geht dabei in den Umströmungsabschnitt 17 über. Dazu wird die Radialströmung 26 entlang einer Innenwand des Rohrmantels 29 in eine Umfangsströmung 31 umgelenkt. Unter einer Umfangsströmung 31 wird dabei insbesondere eine Strömung entlang der Umfangslinie 18 verstanden.
Die Umfangsströmung 31 breitet sich nun über den Umfangswinkel UW um das Führungsrohr 21 aus, wobei in einem dem Umfangswinkel UW im Wesentlichen entsprechenden Winkelabstand im Führungsrohr zumindest ein weiterer Radialdurchlass 32 vorgesehen ist, durch welchen die Fluidströmung 10 in den abströmungsseitigen Rohrabschnitt 25 des Führungsrohrs 21 eintreten kann. Die Radialdurchlässe 27 und 32 weisen dabei vorzugsweise einen Axialabstand entlang des Führungsrohrs 21 auf, welcher einer Abweichung der Orientierung der Ebene EV von einer Rechtwinkligkeit zu den An- und Abströmachsen 14, 15 entspricht bzw. sich aus dieser ergibt. Nach dem die Fluidströmung 10 im Umströmungsabschnitt 17 den Umfangswinkel UW durchlaufen hat, wird sie im Bereich des Radialdurchlasses 32 insbesondere durch die sich einstellenden Druckverhältnisse in eine Radialströmung 33 umgelenkt, welche durch den Radialdurchlass 32 in den abströmungsseitigen Rohrabschnitt 25 eintritt.
Diese Radialströmung 33 erfährt nun in einem letzten erfindungsgemäßen Verfahrensschritt eine Umlenkung in axialer Richtung, wonach Ihre Strömungsrichtung als Abströmrichtung nun wieder im Wesentlichen parallel zu Abströmachse 15 verläuft.
Fig. 1 zeigt dabei nur eine Verfahrensvariante mit einer Umfangsströmung 31 in einem ersten Umlaufsinn, d. h. einem ersten Drehsinn entlang der Umfangslinie 18. Es sind jedoch auch Varianten mit einem zweiten, dem ersten im Wesentlichen entgegengesetzten Umlaufsinn möglich. Insbesondere können auch Varianten mit mindestens zwei Teilströmen mit entgegengesetztem Umlaufsinn vorteilhaft sein, wie sie später im Zusammenhang mit Fig. 3 und Fig.6 gezeigt sind. In einer bevorzugten Ausgestaltung können dabei auch Mittel zur Einstellung eines, zumindest abschnittsweise bestimmten Umlaufsinns zum Einsatz kommen, welche die Fluidströmung auf dem Strömungspfad 11 zwischen dem Anströmabschnitt 12 und dem Abströmabschnitt 13 in einen gewählten Umlaufsinn lenkt.
Eine hier nicht dargestellte Weiterbildung des Verfahrens kann insbesondere dadurch erreicht werden, wenn an- und/oder abströmseitig zwei, drei oder mehr Radialdurchlässe 27, 32 vorgesehen sind, wodurch die Fluidströmung 10 entlang der Trennwand 22 in Teilströmungen überführt werden. Diese Teilströmung weisen dann jeweils einen eigenen Verfahrensabschnitt 16 auf, welche vorzugsweise im Wesentlichen parallel zueinander orientiert sein können.
Auf Fig. 1 aufbauend zeigt Fig. 2 die im Sinne des Erfindungsgegenstandes vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens nach Fig. 1, wobei die Bezugszeichen identischer oder gleichwirkender Merkmale übernommen werden. Im Zwischenraum 30 ist dabei eine weitere Fluidströmung 34 vorgesehen, welche sich zumindest im Bereich des Rohrabschnitts 28 vorzugsweise im Wesentlichen parallel zum Führungsrohr 21 bzw. parallel zu den An- und Abströmachsen 14, 15 der Fluidströmung 10 ausbreitet.
In Abhängigkeit von der vorgesehenen Verwendung des Verfahrens kann dabei eine freie, eine partiell geleitete und/oder eine geführte Ausbreitung der weiteren Fluidströmung 34 zumindest entlang des Rohrabschnitts 28 im Zwischenraum 30 vorgesehen sein. Unter einer freien Ausbreitung wird dabei insbesondere eine nur durch den Rohrmantel 29 und das Führungsrohr 21 begrenzte Ausbreitung im Zwischenraum 30 verstanden. Unter einer partiell geleiteten Ausbreitung wird insbesondere eine zumindest abschnittsweise Leitung der weiteren Fluidströmung 34 oder zumindest von dieser abgezweigten Teilströmung mittels Leitungsmitteln (z. B. Rohrsegmenten, Leitelementen, Strömungskörpern oder dergleichen) verstanden. Unter einer geführten Ausbreitung wird insbesondere eine Leitung der weiteren Fluidströmung 34 als Gesamt- oder aber auch Teilströmungen mittels bezüglich des Zwischenraums 30 im Wesentlichen geschlossener Leitungsmittel (z. B. Rohrsegmenten, Leitelementen, Strömungskörpern oder dergleichen) verstanden.
Unter den Fall einer geführten Ausbreitung fällt die in Fig. 2 als Ausführungsbeispiel dargestellte Durchleitung der weiteren Fluidströmung 34 bzw. aus dieser abgezweigten Teilströmungen in durch den Zwischenraum 30 verlaufenden Rohrleitungen 35. Bevorzugt sind die Rohrleitungen 35 dabei zumindest in einem den Verfahrensabschnitt 16 der Fluidströmung 10 überdeckenden oder umfassenden Abschnitt 36 des Zwischenraums 30 im Wesentlichen parallel zum Führungsrohr 21 bzw. zum Rohrmantel 29 angeordnet. Zu einer Wechselwirkung zwischen der Fluidströmung 10 und dem in den Rohrleitungen 35 fließenden weiteren Fluidströmung 34 kommt es dabei im Wesentlichen im Umströmungsabschnitt 17 der Fluidströmung 10. Die Rohrleitungen 35 bzw. die weitere Fluidströmung 34 wird dabei im Wesentlichen quer angeströmt, d. h. die jeweiligen Strömungsrichtungen stehen dabei im Wesentlichen vorteilhaft senkrecht aufeinander. Von besonderem Vorteil kann es weiters sein, wenn die Rohrleitungen 35 zumindest in etwa gleichmäßig beabstandet, vorzugsweise nahezu homogen im Abschnitt 36 des Zwischenraums 30 angeordnet sind. Dies hat zum einen den Vorteil, dass die Fluidströmung 10 im Umströmungsabschnitt 17 möglichst wenig durch die Rohrleitungen 35 von ihrer nahezu kreisförmigen Ausbreitung entlang der Umfangslinie 18 abgelenkt wird, und zum anderen, dass eine Wechselwirkungszone zwischen den beiden Fluidströmungen 10, 34 möglichst homogen zur Wechselwirkung zwischen diesen genutzt werden kann, wobei unter einer homogenen Wechselwirkung insbesondere eine möglichst geringe Unterschiede zwischen den Wechselwirkungen benachbarter Teilströmungen aufweisende Gesamtwechselwirkung verstanden wird. Weiters kann es vorteilhaft für die Anwendung des Verfahrens sein, wenn die Rohrleitungen 35 zumindest Teil eines Rohrbündelsystems sind, so dass die weitere Fluidströmung 34 durch ein Rohrbündelsystem als Leitungssystem geführt wird.
Die hier als Beispiel gezeigte Variante des Verfahrens nach Fig. 1 ist somit insbesondere zu einer thermischen Wechselwirkung zwischen der Fluidströmung 10 und der weiteren Fluidströmung 34 geeignet, da die Rohrleitungen 35 einen direkten Kontakt der Fluidströmungen 10, 34 zumindest weitestgehend unterbinden. Das so ausgeführte Verfahren eignet sich insbesondere für die Verwendung in als Wärmetauscher und/oder Verdampfer ausgeführten Strömungsapparaten. Grundsätzlich wäre es jedoch auch denkbar, dass die Rohrleitungen 35 zumindest abschnittsweise durchlässig oder teildurchlässig ausgebildet sein können, wobei unter teildurchlässig insbesondere eine filtrierende Durchlässigkeit, insbesondere eine mechanisch filtrierende Durchlässigkeit, und/oder eine selektive Durchlässigkeit im Sinne einer Membranwirkung, insbesondere einer semiosmotischen Membran verstanden werden soll. Auf diese Weise ließe sich das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft für Reaktoren, insbesondere chemische, biochemische oder andere Verfahrensapparate nutzen, bei denen es auf die Reaktion von zumindest Teilkomponenten eines der Fluidströmungen 10, 34 mit zumindest Teilkomponenten der jeweils anderen Fluidströmung 34, 10 ankommt. Die im Vorangehende beschriebene vorteilhafte Queranströmung kann hier vorteilhaft dazu beitragen, dass eine Reaktionszone, eine Reaktionszeit, ein Reaktionsintervall, eine Reaktionsenergie bzw. -dichte und/oder andere Reaktionsparameter im Reaktor bzw. dem Verfahrensapparat mit reduzierter Toleranz gegenüber dem Stand der Technik festgelegt bzw. definiert bzw. der Reaktor oder der Verfahrensapparat entsprechend ausgelegt werden kann.
Fig. 3 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Strömungsapparat 50. Identische oder gleichwirkende Merkmale aus dem im Vorhergehenden beschriebenen Verfahren behalten dabei ihr Bezugszeichen, während Abwandlungen oder Ausdetaillierungen dieser Merkmalen ein durch eine hintangestellte Ziffer gekennzeichnetes Bezugszeichen erhalten. Der Strömungsapparat 50 nach Fig. 3 ist dabei als beispielhafter Wärmetauscher 51 ausgebildet, d.h. der Strömungsapparat 50, 51 dient im Wesentlichen dem Austausch bzw. Übertrag von im Wesentlichen Wärmeenergie eines ersten Fluidstroms 100 auf einen zweiten bzw. weiteren Fluidstrom 340 oder umgekehrt. Der erste Fluidstrom 100 entspricht dabei insbesondere aus der im Verfahren strömenden Fluidströmung 10, während der zweite bzw. weitere Fluidstrom 340 der weiteren Fluidströmung 34 des zuvor beschriebenen Verfahrens zugeordnet werden kann.
Der Strömungsapparat 50, 51 nach Fig. 3 umfasst ein erstes Leitungssystem 60 zur Durchleitung des ersten Fluidstroms 100 sowie ein weiteres Leitungssystem 70 zur Durchleitung des weiteren Fluidstroms 340. Jedes der Leitungssysteme 60, 70 weist dabei einen anströmungsseitigen Eingangsanschluss 61, 71 sowie einen abströmungsseitigen Ausgangsanschluss 62, 72 auf. Dabei umfassen die Eingangsanschlüsse 61, 71 bezüglich der Fluidströme 100, 340 Anströmbereiche 61b, 71b. Die Ausgangsanschlüsse 62, 72 umfassen analog Abströmbereiche 62b, 72b der Fluidströme 100, 340. In der beispielhaften Ausführung nach Fig. 3 ist dabei am Eingangsanschluss 61 des ersten Leitungssystems 60 ein Eingangsflansch 61a, sowie am Ausgangsanschluss 62 ein Ausgangsflansch 62a angedeutet. Die Anschlüsse 71, 72 des zweiten Leitungssystems 70 sind hingegen als Stutzen 71a, 72a dargestellt. Selbstverständlich können in Abwandlungen auch andere, dem Fachmann hinlänglich bekannte Leitungsverbindungsstellen (z. B. Press-, Schraub-, Löt- und/oder Schweißverbindungen) oder Leitungsverbindungsysteme mit Ihren Schnittstellen (z. B. Bajonettsysteme, Profilflansche etc.) im Bereich der Anschlüsse 61, 62, 71, 72 vorgesehen sein.
Das erste Leitungssystem 60 nach dem Beispiel in Fig. 3 umfasst weiters ein Führungsrohr 21, welches sich an den Eingangsanschluss 61 anschließt und sich im Wesentlichen geradlinig bis zum Ausgangsanschluss 62 fortsetzt. Das Führungsrohr 21 besteht dabei aus einem elongierten Hohlkörper 210 dessen Mantel 211 mit seiner Innenfläche 212 den ersten Fluidstrom 100 im Wesentlichen radial umschließt und axial führt. Der Hohlkörper 210 ist dabei vorzugsweise ein Hohlzylinder, kann jedoch auch ein Hohlkegel, eine Hohlpyramide oder ein anderer Hohlkörper sein, der vorzugsweise eine Hauptausdehnungsrichtung, d. h. eine Elongation aufweist, welche gleichzeitig eine Hauptachse 213 des innenliegenden Hohlraums ist, an dessen beiden Enden der Eingangs- und der Ausgangsanschluss 61, 62 angeordnet sind. Weiters sind die Anströmachse 102 und die Abströmachse 103 vorzugsweise parallel, insbesondere koaxial zur Hauptachse 213 des Hohlraums 210 ausgerichtet. Durch diese Ausbildung des ersten Leitungssystems 60 sind eine Anströmachse 102 und eine Abströmachse 103 des ersten Fluidstroms 100 zueinander parallel, insbesondere koaxial zueinander ausgerichtet. Sie entsprechen dabei der An- bzw. Abströmachse 14, 15 hinsichtlich der Fluidströmung 10 des Verfahrens nach Fig. 1. Diese Anordnung ermöglicht den besonders einfachen Einbau des Strömungsapparats 50 in einen geradlinigen Abschnitt eines vorhanden, den ersten Fluidstrom 100 als solchen führenden Rohrsystems (z. B. Rauchgas- oder Abgassystem, Versorgungs- und/oder Entsorgungsleitungen), ohne das größere Änderungen oder Umbauten am Bestandssystem vorgenommen werden müssten.
Das zweite Leitungssystem 70 wiederum weist zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangsanschluss 71, 72 einen Verteilerkopf 73 sowie ein, sich an den Verteilerkopf 73 anschließendes und mit dessen Innenraum kommunizierendes Rohrbündelsystem 74 auf. Der Verteilerkopf 73 ist dabei gemäß Fig. 3 radial um den Ausgangsanschluss 62 des ersten Leitungssystems 60 angeordnet. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, den Verteilerkopf 73 in der Nähe des Eingangsanschlusses 61, insbesondere radial um diesen anzuordnen. Alternativ kann der Verteilerkopf 73 auch als axiale Anbaukomponente insbesondere am Rohrmantel 29 angeordnet sein. In der Ausführung nach Fig. 3 weist der Verteilerkopf 73 eine Flanschfläche 73b auf, an der der Rohrmantel 29 über einen Montageabschnitt 295 im montierten Zustande angeordnet und vorzugsweise befestigt ist. Der Montageabschnitt 295 des Rohrmantels 29 ist dabei vorzugsweise als ein auf die Flanschfläche 73b abgestimmte Anlagefläche ausgebildet. Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass der Rohrmantel 29 an der Flanschfläche 73b verschraubt und/oder verklemmt und/oder verkeilt und/oder verschweißt und/oder verlötet und/oder verklebt wird, um den Rohrmantel 29 für einen betriebsfertigen Zustand des Strömungsapparats 50, 51 bereitzustellen.
Der Verteilerkopf 73 umfasst weiters einen Verteilerraum 73c, in welchen der Eingangs- und Ausgangsanschluss 71, 72 münden. In der Ausführung nach Fig. 3 ist dabei im Verteilerraum 73c mindestens eine Eingangskammer 730 und mindestens eine Ausgangskammer 731 vorgesehen. Es kann dabei vorgesehen sein, dass die beiden Kammern 730, 731 wie im Schnitt dargestellt jeweils an einer Seite des Ausgangsanschlusses 62 vorgesehen sind. Alternativ kann der Verteilerkopf 73 im Beispiel nach Fig. 3 jedoch auch als ringförmiges System von mindestens zwei, im Verteilerkopf 73 voneinander getrennten Kammern 730, 731 ausgebildet sein.
Das Rohrbündelsystem 74 weist dabei im betriebsfertigen Zustand des Strömungsapparats 50 eine axiale Haupterstreckung in Richtung 101 der An- und Abströmachsen 102, 103 des ersten Fluidstroms 100 bzw. in Richtung der Hauptausdehnungsrichtung des Führungsrohrs 21 auf. Der weitere Fluidstrom 340 strömt nach seinem Eintritt in das weitere Leitungssystem 70 in die Eingangskammer 730 des Verteilerkopfs 73. Von der Eingangskammer 730 tritt der Fluidstrom 340 in das Rohrbündelsystem 74 ein, wobei vorzugsweise eine Aufteilung des Fluidstroms 340 durch mit dem Eingangskammer 730 parallel kommunizierende, analog wirkende Rohrbündel 740 bzw. Rohrschlaufen 741 in Teilströme vorgesehen sein kann. Im Beispiel nach Fig. 3 ist eine wirkparallele Anordnung von zwei Rohrschlaufen am Verteilerkopf dargestellt. Je nach Anwendung kann dabei die Zahl der Rohrschlaufen variieren. Insbesondere kann sich eine vorteilhafte Wahl in Abhängigkeit von den im Strömungsapparat zu bewältigenden Fließraten und/oder erforderlichen Fließgeschwindigkeiten oder Strömungs- oder Wechselwirkungsparametern im Zusammenhang mit anderen Auslegungsgrößen der Rohrschlaufen (z. B. Innendurchmesser, Wandstärke, notwendige Abstände benachbarter Rohrschlaufen, Länge der Rohrschlaufen, etc.) ergeben. Im vorliegenden Beispiel nach Fig. 3 verbinden die Rohrschlaufen 741 den Eingangskammer 730 mit der Ausgangskammer 731, so dass der weitere Fluidstrom 340 durch jeweilige Teilströme durch jeweils eine Rohrschlaufe 741 von der Eingangskammer 730 zum Ausgangskammer 731 strömen kann.
Die Rohrschlaufen 741 weisen nach Fig. 3 zwei im Wesentlichen geradlinige Schenkel 742 und einen Wendeabschnitt 743 auf. Eine Summe der Längen der Schenkel 742 ist vorzugsweise größer als der Wendeabschnitt 743, insbesondere mindestens doppelt, vorzugsweise mindestens dreimal, besonders bevorzugt mindestens viermal so lang. Im Betriebszustand des Strömungsapparats 50 sind die Schenkel 742 gemäß Fig. 3 dabei im Wesentlichen parallel zur Hauptachse 213 ausgerichtet, wodurch eine Hauptströmungsachse 341 des weiteren Fluidstroms 340 bzw. von dessen Teilströmen im zweiten Leitungssystem 70 parallel zu der An- und Abströmachse 102, 103 des ersten Fluidstroms 100 orientiert ist. Ergänzend zu der hier gezeigten parallel, geradlinigen Ausführung der Rohrschlaufen 741 nach Fig. 3 kann es vorteilhaft sein, wenn die Rohrschlaufen 741 beispielsweise entlang der Hauptströmungsachse 341 eingedreht bzw. verdrillt ausgeführt sind.
In der bevorzugten Ausführung nach Fig. 3 sind der Eingangsanschluss 71, 71a und der Ausgangsanschluss 72, 72a des zweiten Leitungssystems 70 auf gegenüberliegenden Seitenflächen des Verteilerkopfes 73 angeordnet. Die Anschlüsse 71, 72 sind dabei bevorzugt in einer Ebene liegend am Verteilerkopf 73 vorgesehen, wobei sie insbesondere parallel zueinander, besonders bevorzugt koaxial zueinander ausgerichtet sind. Die sich durch die Anschlüsse 71, 72 ergebenden Strömungsachsen sind dabei vorzugsweise ebenfalls parallel, bevorzugt koaxial. In der Ausführung nach Fig. 3 stehen diese Strömungsachsen der Anschlüsse 71, 72 dabei im Wesentlichen senkrecht auf der Abströmachse 103 des ersten Fluidstroms 100 bzw. des Abströmanschlusses 62. Je nach Anwendungsfall kann es jedoch auch vorteilhaft sein, wenn die Anschlüsse 61 oder 62 in einem anderen, von Null verschiedenen Winkel zu den Anschlüssen 71, 72 ausgerichtet ist.
In der beispielhaften Ausführung eines erfindungsgemäßen Strömungsapparates 50, 51 nach Fig. 3 ist sowohl im Strömungsbereich des Eingangsanschlusses 71 als auch im Strömungsbereich des Ausgangsanschlusses 72 des zweiten Leitungssystems 70 je ein optionaler Strömungskörper 80 vorgesehen. Die Strömungskörper 80 haben dabei die Aufgabe eine Turbulenzneigung des anströmenden bzw. abströmenden Fluidstroms 340 durch geeignete Strömungsführung vorteilhaft zu verringern. Der anströmungsseitige Strömungskörper 80a begünstigt dabei den Übertritt des anströmenden Fluids 340 aus dem Leitungsquerschnitts des Eingangsanschlusses 71 in die Eingangskammer 730, während der abströmungsseitige Strömungskörper 80b den Abfluss des Fluidstroms 340 aus der Ausgangskammer 731 in den Leitungsquerschnitt des Ausgangsanschlusses 72 unterstützt.
Wie in der Fig. 3 bereits angedeutet, weisen die Strömungskörper 80, 80a, 80b dazu mindestens einen, den Fluidstrom 340 zumindest teilweise umlenkenden Lenkungsabschnitt 81. Der Lenkungsabschnitt 81 kann dabei wie in der Fig. 3 gezeigt symmetrisch, insbesondere spiegel- oder rotationssymmetrisch bezüglich der Hauptströmungsachse 341, insbesondere einer An-oder Abströmachse 342, 343 ausgebildet sein. Es kann jedoch in Abhängigkeit von den lokal auftretenden Strömungscharakteristika auch vorteilhaft sein, wenn der Lenkungsabschnitt 81 eine unsymmetrische Gestalt aufweist. Im Beispiel nach Fig. 3 sind die Strömungskörper 80a, 80b weiters zumindest hinsichtlich der Gestaltung ihrer Lenkungsabschnitte 81 im Wesentlichen identisch ausgeführt, was insbesondere die Anzahl unterschiedlicher Montageelemente bei Zusammenbau oder Wartung vorteilhaft reduziert. Treten jedoch Unterschiede bei den Strömungsverläufen zwischen Eingangs- und Ausgangskammer 730, 731 auf, kann es jedoch auch vorteilhaft oder gar angeraten sein, Strömungskörper 80, 80a, 80b mit abweichende voneinander Gestalt, insbesondere voneinander abweichende Lenkungsabschnitten 81 vorzusehen.
Zur Anordnung in den dazu vorgesehenen Leitungsabschnitten des Leitungssystems 70 weist der Strömungskörper 80, 80a, 80b vorzugsweise einen Anordnungsabschnitt 82 auf. Dieser kann dabei beispielsweise als einer auf den am Montageort vorliegenden Leitungsquerschnitt des betroffen Leitungsabschnitts abgestimmter Einpressabschnitt, insbesondere einen Einpresskonus, oder Klemmabschnitt, insbesondere einen Klemmkonus ausgebildet sein. Die Press- oder Klemmverbindung können insbesondere dann leicht eingesetzt werden, wenn die Geometrie des Leitungsquerschnitts am vorgesehenen Montageort nicht zu komplex wird, insbesondere einer eher einfachen Geometrie (z. B. Kreis, Ellipse, Dreieck, Quadrat) folgt. Alternativ oder ergänzend könnte am Anordnungsabschnitt 82 eine andere formschlüssige Verbindungstechnik zum Einsatz kommen, wie beispielsweise eine Clipverbindung an im Bereich des Montageorts im Leitungssystem 70 vorhandenen oder aber auch nachträglich an-oder einbringbaren Oberflächenstrukturen, wie Vorsprüngen, Hinterschnitten oder dergleichen. Auch wäre alternativ oder ergänzend eine stoffschlüssige, insbesondere eine lösbare stoffschlüssige Verbindung mittel Kleben, Löten und/oder Schweißen zur Montage des Strömungskörpers 80 im Leitungssystem 70 denkbar.
In den Fig. 4a bis 4c sind einige mögliche Varianten von Strömungskörpern 80 jeweils im Querschnitt gezeigt.
Ein erstes Ausführungsbeispiel eines Strömungskörpers 80 ist in Fig. 4a gezeigt. Der Strömungskörper 80 ist dabei hülsenartig ausgebildet, wobei der Lenkungsabschnitt 81 in den Anordnungsabschnitt 82 übergeht, insbesondere im Wesentlichen einteilig mit diesem ausgeführt ist, wobei die Abschnitte 81, 82 dabei nicht notwendigerweise aus ein und demselben Material bestehen müssen. Vielmehr ist es denkbar, dass abhängig von Ihrer Aufgabe unterschiedliche Materialien gewählt werden können. So kann der Anordnungsabschnitt 82 aus einem für eine Verbindungsherstellung besonders geeigneten Material (z. B. einem Metall und/oder einer Metalllegierung und/oder einem Kunststoff und/oder einem Verbundwerkstoff) hergestellt sein, während der Lenkungsabschnitt 81 aus einem für die Anströmung mit einem Fluidstrom und/oder eine Formbarkeit oder Formgebung zur Herstellung der Lenkungsgeometrie besonders geeigneten Material (z. B. einem Metall und/oder einer Metalllegierung und/oder einem Kunststoff und/oder einem Verbundwerkstoff und/oder einer Keramik) besteht, wobei bei der Wahl der Materialien die Eigenschaften des auf den Strömungskörper im Betrieb einwirkenden Fluidstroms sowie der Umgebungsparameter zu berücksichtigen sein werden. Bestehen die beiden Abschnitte 81, 82 aus unterschiedlichen Materialien, werden diese für eine Ausführung nach Fig. 4a miteinander verbunden, wobei der Fachmann eine für die verwendeten Materialien geeignete, ihm bekannte Verbindungstechnik wählen wird. Ein Strömungskörper 80 nach Fig. 4a lässt sich dabei besonderes einfach aus einem durchgehenden Material herstellen. So könnte der Strömungskörper 80 nach Fig. 4a durch Umformung, insbesondere eine Blechs, Formsintern, Metall- oder Kunststoffspritzguss oder durch ein ähnliches Verfahren hergestellt werden. Bei einer Blechumformung ist durch Verwendung eines Bi-MetallBlechs als Ausgangsmaterial auch eine zweikomponentige Ausführung für die beiden Abschnitte 81, 82 denkbar.
In der in Fig. 4a gezeigten Form ist der Anordnungsabschnitt 82 als im Wesentlichen zylindrischer Hülsenkörper ausgeführt, der an der Montagestelle in den Leitungsquerschnitt des Leitungssystems eingeführt wird. Eine besonders einfache Montage ist dabei durch eine Klemm- oder Pressverbindung zwischen einer Außenmantelfläche 820 des Anordnungsabschnitts 82 und einer Innenwand des Leitungssystems an der Montagestelle möglich. Werden die Strömungskörper 80 insbesondere lösbar an ihren Montageorten im Strömungsapparat 50 angeordnet, können Sie im Rahmen von Wartungsmaßnahmen zudem leicht entnommen, gereinigt und/oder getauscht werden. Der ebenfalls hülsenartige Lenkungsabschnitt 81 ist dabei beispielhaft als sich vom Anordnungsabschnitt 82 weg öffnender Diffusorkegel 810 ausgebildet. In der gezeigten Ausführung weist der Diffusorkegel 810 dabei einen über eine Krümmungslänge im Wesentlichen konstanten, bezüglich einer Mittenachse 83 symmetrischen Krümmungsradius KR auf. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, wenn der Krümmungsradius KR nicht konstant und/oder nicht symmetrisch ausgebildet ist.
Ein Strömungskörper 80 nach Fig. 4a lässt sich insbesondere auch vorteilhaft zur nachträglichen Herbeiführung einer verrundeten Übergangskante an Querschnittssprüngen in Leitungssystemen nutzen. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn eine direkte Verrundung an den Leitungen im Bereich des Querschnittssprungs nicht oder nur erschwert möglich ist und/oder wenn ein im Betrieb des fraglichen Leitungssystems optimaler Verrundungsverlauf nicht von vornherein bekannt oder bestimmbar ist.
Fig. 4b zeigt eine erweiterte Ausführung eines Strömungskörpers 80, bei welchem der Lenkungsabschnitt 81 über eine Trägerstruktur 84 mit dem Anordnungsabschnitt 82 verbunden, insbesondere an dieser gehalten ist. Der Anordnungsabschnitt 82 ist dabei analog zur Ausführung nach Fig. 4a als im Wesentlichen zylindrischer Hülsenkörper ausgeführt, welcher in einfacher Weise eine Klemm- oder Pressverbindung zwischen einer Außenmantelfläche 820 des Anordnungsabschnitts 82 und einer Innenwand des Leitungssystems an der Montagestelle möglich macht.
Der Lenkungsabschnitt 81 wird über brückenartige Verbindungen der Trägerstruktur 84 mit dem Anordnungsabschnitt verbunden, insbesondere zu dieser ausgerichtet angeordnet. Die Anordnung der Verbindungsbrücken 840 der Trägerstruktur 84 am Anordnungsabschnitt 82 erfolgt vorzugsweise an einer Innenmantelfläche 821, kann jedoch beispielsweise auch an zumindest einer Stirnseite 822 des Anordnungsabschnitts 82 vorgesehen sein. Die Anordnung der Verbindungsbrücken 840 der Trägerstruktur 84 am Lenkungsabschnitt 81 erfolgt vorzugsweise an einer Außenwand 811.
Der Lenkungsabschnitt 81 selbst ist dabei wiederum hülsenartig ausgebildet, wobei die vom Anordnungsabschnitt 82 separierte Ausführung einen gegenüber der Ausführung nach Fig. 4a dem Fachmann einen vorteilhaft erhöhten Gestaltungsspielraum (beispielsweise Wahl einer Wandstärke und/oder komplexere Formgebung und/oder erhöhter Freiheitsgrad bei Wahl des Materials, da weniger durch Verbindungstechnik beschränkt) gewährt. Insbesondere könnte auch eine Ausführung in Betracht bekommen, bei welcher sich die strömungsleitenden Eigenschaften des Lenkungsabschnitts 81 in Abhängigkeit von Strömungsparametern (z. B. Druck, Temperatur und/oder Fließgeschwindigkeit, Zusammensetzung etc.) ändern. So könnte eine BiMetall-Ausführung eines Lenkungsabschnitts 81 beispielsweise temperaturabhängig den Krümmungsradius ändern. Auch die Ausbildung von drucksensibel verformbaren Oberflächenstrukturen kann von Vorteil sein. In der Ausführung nach Fig. 4b ist beispielswiese eine Wandstärke des Lenkungsabschnitts 81 gegenüber derjenigen des Anordnungsabschnitts 82 deutlich reduziert. Fig. 5 zeigt dazu zwei Projektionsansichten einer beispielhaften, rotationssymmetrischen Ausführung eines Lenkungsabschnitts 81 nach Fig. 4b aus zwei Blickrichtungen.
In einer Abwandlung eines Strömungskörpers 80 nach Fig. 4b kann beispielsweise der Lenkungsabschnitt 81 auch als gitterartige Struktur von Lenkungsflügeln ausgebildet sein. Auch wäre eine auf die Mittenachse 83 zulaufende Schachtelung von mehreren, über die Trägerstruktur 84 mit dem Anordnungsabschnitt 82 verbunden Lenkungsabschnitten 81 denkbar, wobei sich insbesondere die so geschachtelten Lenkungsabschnitte 81 hinsichtlich ihrer axialen Position bezüglich der Hülse des Anordnungsabschnitts 82 und/oder ihrer Geometrie, Struktur und/oder Materialien unterscheiden können. Durch diese Vielfalt an Gestaltungsparametern lassen sich hinsichtlich ihrer Strömungsbeeinflussung besonders wirkungsvolle Strömungskörper 80 erzeugen, welche insbesondere bei starker Turbulenzneigung eines Leitungssystems im Ausgangszustand, d. h. ohne diese zusätzliche Maßnahme, zum Einsatz kommen können.
Fig. 4c zeigt eine dritte Ausführungsvariante eines Strömungskörpers 80, bei welcher auf eine Trägerstruktur 84, wie sie aus dem vorhergehenden Beispiel bekannt ist, verzichtet wird. Vielmehr wird ein analog zum vorherigen Beispiel ausgebildeter, hülsenartiger Lenkungsabschnitt 81 direkt an der Innenmantelfläche 821 des Anordnungsabschnitts 82 angeordnet bzw. verbunden. Hierbei kann insbesondere eine Klemm- oder Pressverbindung zwischen der Außenwand 811 des Lenkungsabschnitt 81 und der Innenmantelfläche 821 des Anordnungsabschnitts 82 vorgesehen sein. Alternativ oder ergänzend können jedoch auch andere Fügetechniken, wie Kleben, Löten, Schweißen, Klippen oder Rasten aber auch Schrauben oder Verstiften eingesetzt werden.
Die in den Fig. 4a - 4c gezeigten Ausführungsformen von Strömungskörpern 80 stellen dabei nur exemplarische Beispiele dieser Mittel zur Optimierung von Strömungsverläufen dar. Der Fachmann wird leicht durch Kombination der in den Beispielen im Einzelnen offenbarten Einzelmerkmale zu veränderten, aber letztlich gleichwirkenden Ausführungen von Strömungskörpern 80 mit einem geeignetem Lenkungsabschnitt 81 kommen.
Neben den in Fig. 3 konkret vorgesehen beiden Strömungskörpern 80, 80a, 80b kann es weiters für den Betrieb eines Strömungsapparates vorteilhaft sein, wenn auch in anderen, insbesondere eine Querschnittsänderung und/oder eine Strömungsumlenkung aufweisenden Leitungsbereichen eines Leitungssystems analoge Strömungskörper 80 angeordnet werden. Im Strömungsapparat 50, 51 nach Fig. 3 sind Strömungskörper 80 nur im Bereich des Eingangsanschlusses 71 und Ausgangsanschlusses 72. Alternativ oder ergänzend können jedoch auch ähnliche Strömungskörper 80 an anderen geeigneten Stellen der Leitungssysteme 60, 70 des Strömungsapparats 50, 51 vorgesehen bzw. angeordnet sein. So können beispielsweise die Übergänge zwischen der Eingangs- bzw. Ausgangskammer 730, 731 und dem Rohrbündelsystem 74 durch entsprechende Anordnung von Strömungskörpern 80 strömungstechnisch optimiert werden.
Die Ausbildung der Strömungskörper 80 als vom Zielleitungssystem zunächst unabhängige Baugruppe ermöglicht, weiterhin auch bereits installierte Strömungsapparate (wie z. B. Wärmetauscher, Verdampfer, Kessel etc.) und/oder Leitungssysteme durch die Nachrüstung von Strömungskörpern 80 strömungstechnisch zu optimieren. So wären derartige Nachrüstströmungskörper 80 insbesondere für genormte Leitungsgrößen als vorkonfektionierte Einheiten bereitstellbar und auch unabhängig von dem erfindungsgemäßen Strömungsapparat vorteilhaft verwertbar.
Nach diesem Einschub zu Details der Strömungskörper 80, 80a, 80b soll auf den weiteren Aufbau des Strömungsapparat gemäß Fig. 3 zurückgekommen werden.
An den Verteilerkopf 73 angrenzend ist beim Strömungsapparat nach Fig. 3 ein haubenartiger Rohrmantel 29 angeordnet. Der Rohrmantel 29 erstreckt sich dabei zumindest entlang der Hauptachse 213 des ersten Leitungssystems 60 und überdeckt bzw. überspannt dabei zumindest das Rohrbündelsystem 74 des zweiten Leitungssystems 70. Der sich so zwischen dem Führungsrohr 21 und dem Rohrmantel 29 ergebende Zwischenraum 30 wird an einem vom Verteilerkopf 73 abgewandten Ende durch einen Boden 290 abgeschlossen. Durch diese Ausführung erstrecken sich die Rohrschlaufen 741 im Zwischenraum 30. Um die Rohrschlaufen 741 bei Ihrer Erstreckung durch den Zwischen- bzw. Innenraum 30 zumindest einer begrenzten Führung und/oder Positionsstabilisierungen aussetzen zu können, ist im Rohrmantel 29 mindestens ein, vorzugsweise mehrere Stabilisator 294 vorgesehen. Der Stabilisator 294 kann dabei als Gitter- und/oder Trägerstruktur ausgebildet sein, durch welche die Rohrschlaufen 741, insbesondere einzelne Rohrleitungen des Rohrbündelsystems 74, hindurchgreifen können und dabei in zumindest einer Raumrichtung gegen Verschiebung aus ihrer Ruhelage geführt, gestützt oder gesichert werden.
Nach Fig. 3 ist im Inneren eines vom Rohrmantel 29 umschlossenen Abschnitts des Führungsrohrs 21 eine Trennwand 22 angeordnet. Die Trennwand 22 trennt dabei einen vom Eingangsanschluss 61 kommenden anströmungsseitigen Bereich 214 des Führungsrohrs 21 von einem auf den Ausgangsanschluss 62 zugehenden abströmungsseitigen Bereich 215. Die Trennwand 22 ist im Beispiel nach Fig. 3 dabei im Wesentlichen als geradlinige, ebene Wand ausgeführt, welche derart im Inneren angeordnet ist, dass eine Querschnittsfläche des Innenraums des anströmungsseitigen Bereichs 214 des Führungsrohrs 21 mit zunehmendem Abstand vom Eingangsanschluss 61 in nahezu demselben Maß abnimmt, wie ein Querschnitt des abströmungsseitigen Bereichs 215 zunimmt. Dies ist, wie in Fig. 3 dargestellt, besonders leicht durch eine Verkippung der Trennwand 22 in zumindest einer auf der Hauptachse 213 senkrechten Achse zu erreichen. Abweichend von der Ausführung nach Fig. 3 kann es auch vorteilhaft sein, wenn die Trennwand 22 auch in einer zweiten, auf der Hauptachse 213 senkrecht stehenden Achse verkippt ist und/oder wenn die Trennwand 22 nicht geradlinig eben, sondern einem Flächenprofil (z. B. gestuft eben, gestuft winklig, parabolisch, hyperbolisch, oder dergleichen) folgend, insbesondere einem von der Axialposition entlang der Hauptachse 213 abhängigen Flächenprofil folgend ausgebildet oder geformt ist, so dass der Querschnitt im anströmungs- und/oder abströmungsseitigen Bereichs 214, 215 eine komplexere Funktion der Position entlang der Hauptachse 213 sein kann.
Im Beispiel nach Fig. 3 ist die Trennwand 22 als Bestandteil des Führungsmittels 20 doppelwandig ausgeführt. Dabei ist vorteilhafterweise ein erstes Wandsegment 220 insbesondere mit dem anströmungsseitigen Bereich 214 des Mantels 211 bzw. des Führungsrohrs 21 verbunden, während ein zweites Wandsegment 221 mit dem abströmungsseitigen Bereich 215 verbunden ist. In einem Zwischenraum 222 zwischen den Wandsegmenten 220, 221 kann zusätzlich eine Isolierung 223 vorgesehen werden. Dadurch kann vorteilhaft sichergestellt werden, dass ein Anströmabschnitt 120 des ersten Fluidstroms 100 möglichst wenig mit einem Abströmabschnitt 130 desselben in Wechselwirkung treten kann. Dies könnte sich insbesondere bei einer Ausbildung als Wärmetauscher 51 des Strömungsapparats 50 nachteilig auswirken, da die Trennwand 22 ohne Isolation als Wärmekurzschluss zwischen einer Anströmung und einer Abströmung des ersten Fluidstroms 100 wirken könnte. Die Isolierung 223 kann dabei durch ein geeignetes Isolations- oder Dämmmaterial mit möglichst niederer Wärmeleitfähigkeit und/oder ein Dichtungsband und/oder einen Einschluss eines evakuierten Bereichs im Zwischenraum 222 erreicht werden.
In seinem vom Rohrmantel 29 umschlossenen Abschnitt weist das Führungsrohr 21, insbesondere der Mantel 211 sowohl im anströmungsseitigen Bereich 214 als auch im abströmungsseitigen Bereich 215 jeweils mindestens einen Radialdurchlass 27, 32 auf. Im Beispiel nach Fig. 3 sind dabei entlang des anströmungsseitigen Bereichs drei Radialdurchlässe 27 vorgesehen. Analog sind gemäß Fig. 3 im abströmungsseitigen Bereich 215 ebenfalls drei Radialdurchlässe 32 vorgesehen. Es kann jedoch auch Vorteile bringen, mehr oder weniger Radialdurchlässe 27, 32 und/oder eine voneinander abweichende Anzahl von Radialdurchlässen 27, 32 vorzusehen.
Die entlang der Anströmachse 102 ersten beiden Radialdurchlässe 27 sind gemäß Fig. 3 zusätzlich mit jeweils einem Strömungsleitkörper 64 versehen. In der Ausführung nach Fig. 3 sind diese dabei entlang der Anströmachse 102 axial hinter den jeweiligen Radialdurchlässen angeordnet und erstrecken sich im Wesentlichen in den Innenraum des Führungsrohrs 21. Aufgabe dieser Strömungsleitkörper 64 ist es, eine Aufteilung des ersten Fluidstroms 100 in durch die jeweiligen Radialdurchlässe 27 tretenden radialen Teilströme 260 durch die erfindungsgemäße Anordnung der Trennwand 22 zu begünstigen, insbesondere die Teilströme 260 untereinander zu vergleichmäßigen. Dabei soll die Darstellung in Fig. 3 jedoch nur als beispielhafte Ausführung verstanden werden. Das Vorsehen von Strömungsleitkörpern 64 kann unter Umständen an allen oder aber zumindest einer anderen Auswahl von Radialdurchlässen 27, 32 vorteilhafte Effekte bringen. Zudem kann die Anordnung der Strömungsleitkörper 64 bezogen auf den jeweils zugeordneten Radialdurchlass 27, 32 von der Darstellung nach Fig. 3 abweichen, wobei insbesondere die Axialposition entlang des Radialdurchlasses 27, 32 und/oder die Radialerstreckung, insbesondere die Erstreckungsrichtung, des Strömungsleitkörpers 64 und/oder die geometrische Form und/oder auch eine axial Erstreckung (z. B. in Form eines Gitters) Freiraum für Optimierungen im jeweiligen Anwendungsfall eines erfindungsgemäßen Strömungsapparats 50 bieten.
Diese Strömungsleitkörper 64 können alternativ oder zusätzlich auch als Mittel zur Einstellung des Umlaufsinns der Teilströme 260 im Umströmungsabschnitt 17 dienen. Alternativ oder ergänzend können auch die Radialdurchlässe 27 selbst so ausgeführt sein, dass die durch sie hindurchtretenden Teilströme 260 so ausgerichtet sind, dass sie einen fest gewählten Umlaufsinn im Umströmungsabschnitt 17 folgen. Auf diese Weise können auch die Radialdurchlässe 27 als Mittel zur Einstellung des Umlaufsinns wirken. Ergänzend oder alternativ können auch auf einer den Radialdurchlässen 27 im Wesentlichen gegenüberliegenden Innenseite des Rohrmantels 29 hier nicht bildlich gezeigte, für die Einstellung des Umlaufsinns der Teilströme 260 geeignete Umlenkkörper als derartige Mittel vorgesehen sein.
Die Funktionsweise eines erfindungsgemäßen Strömungsapparats 50 soll nun an einem besonders vorteilhaften Anwendungsbeispiel als Wärmetauscher 51 für den Austausch von Wärmeenergie zwischen einem ersten, wärmeenergieführenden Fluidstrom 100 und einem weiteren, wärmeaufnehmenden Fluidstrom 340 erläutert werden. Eine Ausführung nach Fig. 3 eignet sich dabei besonders für einen großvolumigen ersten Fluidstrom 100 bei einem anfallenden Wärmeübertrag auf einen weiteren Fluidstrom 340 mit niedrigerem Volumenstrom. Derartige Anwendungen finden sich beispielsweise in Form von Vorwärmern und/oder Verdampfern in Wärme-Kraft-Anlagen nach dem Rankine-Zyklus, d. h. insbesondere Anlagen zur Rückgewinnung und Verstromung von Energie aus wärmeführenden Fluidströmen 100 (z. B. Rauchgase oder Abgase aus beispielsweise industriellen Prozessen, geothermisch oder solarthermischen erhitzten Fluidströmen, etc.).
Der wärmeaufnehmende Fluidstrom 340 (z. B. ein Arbeitsfluid einer Wärme-Kraft-Anlage, insbesondere ein organisches Arbeitsfluid einer ORC-Anlage) wird dabei durch den Eingangsanschluss 71 des zweiten Leitungssystems 70 dem Strömungsapparat 50 zugeführt und strömt aus der Eingangskammer 730, über das sich in den Zwischenraum 30 erstreckende Rohrbündelsystem 74 zur Ausgangskammer 731.
Der wärmeführende Fluidstrom 100 (z. B. heißes Rauch- und/oder Abgas) wiederum wird über den Eingangsanschluss 61 im Anströmungsbereich 61b dem ersten Leitungssystems 60 des Strömungsapparats 50 zugeführt. Der Fluidstrom 100 breitet sich nun entlang der Anströmachse 102 im anströmseitigen Bereich 214 des Führungsrohrs 21 aus und wird in Wechselwirkung mit der Trennwand 22 in radiale Teilströme 104 umgelenkt und aufgeteilt. Diese Teilströme 104 treten durch die anströmseitigen Radialdurchlässe in den Zwischenraum 30 ein. Dort werden die Teilströme 104 jeweils in eine Umfangsströmung entlang der Umfangslinie 18 bzw. entlang im Wesentlichen parallel laufender Umfangslinien 18 umgelenkt, wobei jeder Teilstrom 104 so einen Umströmungsabschnitt 17 aufweist. Der gesamte Bereich der umlaufenden Teilströme 104 kann dabei auch als Umströmungsbereich105 bezeichnet werden.
Die Teilströme 104 umströmen dabei die Rohrbündel 740 bzw. Rohrschlaufen 741 des Rohrbündelsystems 74 in einer Richtung quer zur einer Verlaufsrichtung des Rohrbündelsystems 74, insbesondere quer zu den Schenkel 742 der Rohrschlaufen 741. Dadurch wird die weitere Fluidströmung 340 bzw. deren durch die Rohrschlaufen 741 strömenden Anteile im Wesentlichen quer von den Teilströmen 104 angeströmt, so dass ein Wärmeübergang in den sich dabei bildenden Kontaktzonen lokal optimiert wird.
In einer bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Strömungsapparats 50 als Verdampfer einer Energiewandler-Anlage nach dem Rankine-Zyklus, insbesondere einer ORC-Anlage, wird das Arbeitsmedium derart durch das Rohrbündelsystem 74 geleitet, dass die Teilströme 104 des wärmeführenden Fluidstroms 100 möglichst so viel Wärme auf das Arbeitsmedium übertragen kann, dass das Arbeitsmedium , vorzugsweise nahe vollständig, von einer flüssigen Phase in eine Dampf- oder Gasphase überführt werden kann.
Zur Verdeutlichung dieses Vorgangs zeigt Fig. 6 einen Schnitt durch den Strömungsapparat 50 nach Fig. 3 entlang der Linie A - A. Wie bereits in Fig. 3 ansatzweise zu erkennen ist, sind die Radialdurchlässe 27 und die Radialdurchlässe 32 im vorliegenden Beispiel im Wesentlichen auf einander gegenüberliegenden Seiten des Führungsrohrs angeordnet. Dies wird Fig. 6 nochmals deutlicher. Durch diese Ausführung umläuft bzw. umrundet jeder Teilstrom 104 das Führungsrohr 21 und damit die An- bzw. Abströmachse 102, 103 des wärmeführenden Fluidstrom 100 um einen Umfangswinkel UW von ca. 360°.
Nach Überdeckung bzw. Durchlaufen dieses Umfangswinkels treten die Teilströme 104 an den Radialdurchlässen 32 in den abströmungsseitigen Bereich 215 des Führungsrohrs 21. Dort werden die Teilströme 104 gemäß Fig. 3 wieder in axiale Richtung umgelenkt und zusammengeführt. Der so zusammengeführte, durch Wärmeübertrag auf den weiteren Fluidstrom 340 "abgekühlte" Fluidstrom 100 verlässt den Strömungsapparat 50 durch den Ausgangsanschluss 62. Er kann nun ggf. einem nachfolgenden Prozess (z. B. nach gelagerte Filtrierung und/oder Reinigung und/oder einem weiteren Wärmeaustausch und/oder einer Aufbereitung) unterzogen bzw. einem entsprechenden Apparat (z. B. Wärmetauscher und/oder Reinigungs- und/oder Filtrier- und/oder Wascheinrichtung und/oder einem Schlot) zugeführt werden.
Wie im Vorhergehenden bereits kurz angerissen, besteht eine bevorzugte Weiterbildung des Strömungsapparats 50, 51 nach Fig. 3 in einem mehrfach segmentierten Aufbau des Verteilerkopfes 73, so dass eine mehrpassige Durchleitung des weiteren Fluidstroms 340 durch den Zwischenraum 30 ermöglicht wird. Die Figuren 7a und 7b zeigen zwei bevorzugte Varianten des Verteilerkopfes 73 nach Fig. 3 als stirnseitige Projektion.
Der Verteilerkopf 73 ist gemäß Fig. 3 als ein sich um das erste Leitungssystem 60, insbesondere den Ausgangsanschluss 62, erstreckender Ringkanal 732 ausgebildet. Alternativ kann der Verteilerkopf 73 auch um den Eingangsanschluss 61 des ersten Leitungssystems 60 angeordnet sein. Auf einander gegenüberliegenden Seiten sind, durch Trennwände 733 von einander abgetrennt, die Eingangskammer 730 und die Ausgangskammer 731 angeordnet. Sowohl die Eingangskammer 730 als auch die Ausgangskammer 731 sind dabei im Ringkanal 732 in Umfangsrichtung um den Ausgangsanschluss 62 durch je zwei in einem Winkelabstand voneinander beabstandete Trennwände 733 gebildet. Die Eingangs- und die Ausgangskammer 730, 731 weisen dabei in diesem Beispiel einen im Wesentlichen identischen Querschnitt in der gezeigten Projektionsebene auf. Besonders bevorzugt ist ein Innenvolumen der Eingangs- und die Ausgangskammer 730, 731 im Wesentlichen gleich.
Abweichend von den hier gezeigten Ausführungen, kann es jedoch auch von Vorteil sein, wenn die Querschnitte und/oder die Innenvolumina der Eingangskammer 730 und der Ausgangskammer 731 voneinander abweichend ausgeführt sind. Wird der Strömungsapparat 50 beispielsweise als Verdampfer eingesetzt, steigt ein Volumenstrom des weiteren Fluidstroms 340 zwischen Eingangs- und Ausgangskammer 730, 731 typischerweise an. Um beispielsweise die Druckverhältnisse im Strömungsapparat 50, insbesondere im zweiten Leitungssystem 70 dabei nicht ungünstig zu beeinflussen, kann die Ausgangskammer 731 ein gegenüber der Eingangskammer 730 vergrößertes Innenvolumen aufweisen. Wird der Strömungsapparat 50 alternativ als Kondensator eingesetzt, kann es umgekehrt vorteilhaft sein, wenn das Innenvolumen der Ausgangskammer 731 gegenüber dem Innenvolumen der Eingangskammer 730 reduziert ist. Dem Fachmann sind darüber hinaus weitere Anwendungen bzw. Verwendungen des erfindungsgemäßen Strömungsapparats 50 bekannt, die voneinander abweichende Querschnitte und/oder Volumina der Eingangskammer 730 und der Ausgangskammer 731 begünstigen oder erfordern.
In der Ausführung nach Fig. 7a ist weiters in beiden Umlaufrichtungen um den Ausgangsanschluss 62 zwischen der Eingangskammer 730 und der Ausgangskammer 731 jeweils eine weitere Trennwand 733 derart angeordnet, dass jeweils zwei zusätzliche Zwischenkammern 734, 734a - 734d im Ringkanal gebildet werden. Die Zwischenkammern 734a - 734d weisen dabei vorzugsweise einen im Wesentlichen identischen Querschnitt in der, in Fig. 7a gezeigten Projektionsebene auf. Besonders bevorzugt ist ein Innenvolumen der Zwischenkammern 734, 734a - 734d im Wesentlichen gleich.
Durch den in Fig. 7a gezeigten Aufbau des Verteilerkopfes 73 lässt sich in einfacher Weise ein sechspassiger Aufbau des zweiten Leitungssystems 70 realisieren. Dazu werden die Eingangskammer 730 über einen hier nicht gezeigten ersten Satz Rohrschlaufen 741, 741a mit einer der beiden Zwischenkammern 734a, 734b verbunden, so dass Teilströme des über den Eingangsanschluss 71 zugeführten weiteren Fluidstroms 340 über diesen ersten Rohrschlaufensatz 741a in eine von beiden Zwischenkammern 734a, 734b strömen können. Dabei durchlaufen die Teilströme nach Fig. 3 bereits in dieser ersten Stufe zweimal den Zwischenraum 30. Je eine der Zwischenkammern 734a, 734b ist weiters über je einen Teilsatz von Rohrschlaufen 741b mit je einer der Zwischenkammern 734c, 734d verbunden, so dass die Teilströme nun in dieser Stufe den Zwischenraum 30 erneut zweifach durchlaufen. Schließlich ist jede der Zwischenkammern 734c, 734d über einen weiteren Teilsatz von Rohrschlaufen 741c mit der Ausgangskammer 731 verbunden, wodurch die Teilströme ein letztes Mal den Zwischenraum 30 zweifach durchströmen. Insgesamt durchläuft damit jeder Teilstrom des Fluidstroms 340 den Innenraum 30 zwischen der Eingangskammer 730 und der der Ausgangskammer 731 insgesamt sechsmal, d. h. es finden sechs Passagen der Fluidströmung 340 durch den Innenraum 30 statt.
In der Ausführung nach Fig. 7b sind zwischen der Eingangskammer 730 und der Ausgangskammer 731 insgesamt in jeder Umlaufrichtung um den Ausgangsanschluss 72 drei Trennwände angeordnet. Dadurch werden in analoger Weise zum Beispiel nach Fig. 7a insgesamt vier Paare von Zwischenkammern 734a - 734h gebildet. Auch in dieser Ausführung ist vorgesehen, dass benachbarte Kammern 730, 734a, 734c, 734e, 734g, 731 nacheinander über Sätze bzw. Teilsätze von Rohrschlaufen 741a, 741b, 741c, 741d und 741e verbunden werden. Auf diese Weise treten die Teilströme des Fluidstroms 340 insgesamt zehnmal durch den Zwischenraum 30, d. h. es finden zehn Passagen der Fluidströmung 340 durch den Innenraum 30 statt.
Die in den Fig. 7a und 7b gezeigten und im Vorhergehenden beschriebenen Ausführungen von Verschaltungen des zweiten Leitungssystems 70 über den Verteilerkopf 73 sind dabei nur exemplarisch als bevorzugte Ausführungen zu verstehen. Es können jedoch andere Verschaltungen von Eingangskammer 730, Zwischenkammern 734 und/oder Ausgangskammer 731 vorteilhafte Anordnungen ergeben. Auch kann die Anzahl der Zwischenkammern 734 von den hier gezeigten Beispielen abweichen, insbesondere wäre auch denkbar, dass die Anzahl und/oder die Ausführung der Zwischenkammern 734 entlang beider Umlaufrichtungen um den Anschluss 62 oder 61 voneinander abweicht, um eine vorteilhafte Ausbildung zu ermöglichen.
Neben dem im Beispiel nach Fig. 3 und den dazu beschriebenen Varianten des zweiten Leitungssystems 70 als Rohrbündelsystem 74 mit Rohrschlaufen 741 lässt sich der erfindungsgemäße Strömungsapparat 50 in einer hier nicht bildlich gezeigten Variante mit im Wesentlichen geradlinigen Rohrstrecken realisieren. Dabei sind die Rohrstrecken wie auch die Rohrschlaufen 741 am Verteilerkopf 73, insbesondere an dessen Ringkanal 732, angeschlossen und erstrecken sich in den Zwischenraum 30. Vorzugsweise durchmessen die Rohrstrecken den Zwischenraum 30 derart, dass sie an einem dem Ringkanal 732 entfernten Ende in einen Sammelkanal münden. Um eine Abströmung des im Sammelkanal einströmenden Fluidstroms 340 zu ermöglichen, kann der Sammelkanal sowohl mit der Ausgangskammer 731 verbunden sein als auch mindestens eine eigenen Ausgangsanschluss aufweisen, der dann vorzugsweise den Ausgangsanschluss 72 des zweiten Leitungssystems 70 bildet. Bei einem aus derartigen Rohrstrecken aufgebauten zweiten Leitungssystem 70 kann sich eine besonders bevorzugten Weiterbildung eines Verteilerkopfs 73 anbieten. Dabei weist dieser beispielsweise einen hier nicht detailliert gezeigten, den Ringkanal 732 zu einer Stirnseite lösbar abschließenden Verschlussdeckel 73a auf, wodurch der Ringkanal 732 zu Wartungszwecken und/oder für Anpassungen verteilhaft geöffnet und wieder verschlossen werden kann. Der Verschlussdeckel 73a kann dabei als Schraubdeckel ausgeführt und/oder mit einem anderen Verschlussmechanismus, wie beispielsweise einer Verschraubung, einem Klemm- oder Keilmechanismus oder dergleichen ausgeführt sein. Ein lösbarer Verschlussdeckel 73a erlaubt zu dem, die Trennwände 733 auswechselbar und/oder in Umlaufrichtung im Ringkanal versetzbar auszuführen. Können die Trennwände 733 versetzt und/oder in ihrer Anzahl zwischen der Eingangskammer 730 und der Ausgangskammer 731 variiert werden, kann die Ausgestaltung und/oder die Anzahl von Zwischenkammern 734 variiert werden. Dadurch kann vorteilhaft eine Passzahl bzw. Anzahl von Passagen des weiteren Fluidstroms 340 durch den Zwischenraum 30 im zweiten Leitungssystem 70 des Strömungsapparats 50, 51 angepasst werden. Ein zu Wartungszwecken lösbarer Verschlussdeckel 73a kann jedoch auch bei Verteilerköpfen 73 wie sie im beispielhaften Strömungsapparat 50 nach Fig. 3 gezeigt sind von Vorteil sein.
Eine vorteilhafte Weiterbildung eines erfindungsgemäßen Strömungsapparats 50, 51 nach Fig. 3 ist in Fig. 8 grob skizziert. Dabei ist an dem Ausgangsanschluss 72 des zweiten Leitungssystems 70, insbesondere an einem sich an die Ausgangskammer 731 anschließenden Abströmabschnitt 735, eine Abscheidevorrichtung 90 angeordnet. In einer bevorzugten Ausführung ist die Abscheidevorrichtung 90 dabei als ein Tropfenabscheider ausgeführt. Ein am Verteilerkopf 73 angeordneter, integrierter oder zumindest mit Ausgangskammer 731 wirkverbundener Tropfenabscheider 90 kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn der Strömungsapparat 50, 51 als Verdampfer für den weiteren Fluidstrom 340 eingesetzt wird. Dabei kann es vorkommen, dass der zweite, in der Eingangskammer 730 im Wesentlichen flüssige Fluidstrom 340 im Zuge seiner Passage durch das zweite Leitungssystem 70, insbesondere durch den Zwischenraum 30 nur teilweise, insbesondere nicht vollständig aus einer Flüssigphase in eine Dampfphase überführt wird. Insbesondere kann es vorkommen, dass ein die Ausgangskammer 731 verlassender weiterer Fluidstrom 340 zumindest flüssige Anteile (z. B. in Form von Tropfen) mitführt, die für nachgelagerte Prozesse oder Vorrichtungen störend wirken können. Wird nun der Verteilerkopf 73 des Strömungsapparats 50, 51 gemäß Fig. 8 ausgeführt, kann diesen Effekten vorgebeugt werden.
Die Anordnung oder Integration der Abscheidevorrichtung 90 am Verteilerkopf 73 ermöglicht eine vorteilhaft einfache Rückführung des Abscheideguts, insbesondere des Kondensats bzw. der Restflüssigkeit in zumindest eine der Kammern 730, 734. So kann ein Abscheideraum 900 über zumindest eine Rückführleitung 901 mit der Eingangskammer 730 und/oder einer Zwischenkammer 734 verbunden sein oder werden. Dabei kann die Rückführung durch einfache Ausnutzung der Schwerkraft und/oder eine spezielle Ausgestaltung der Rückführleitung 901 bewirkt werden. Dabei ist der Abscheideraum 901 über die Rückführleitung 901 derart mit der Kammer 730, 734 verbunden, dass das Abscheidegut, insbesondere das Kondensat bzw. die abgeschiedene Restflüssigkeit in diese zurückströmen kann. Vorzugsweise kann die Rückführleitung dabei so ausgebildet sein, dass das Abscheidegut, insbesondere das Kondensat bzw. die abgeschiedene Restflüssigkeit durch die Strömung des Fluidstroms 340 in bzw. durch die Kammern 730, 734 in die über die Rückführleitung angeschlossene Kammer 730, 734 gedrückt oder gesaugt wird. Alternativ oder ergänzend kann die Abscheidevorrichtung 90 eine Rückführvorrichtung (z. B. eine Pumpe oder dergleichen) umfassen, welche das Abscheidegut aus dem Abscheideraum 900 über die Rückführleitung 901 bereitstellt.
Fig. 9 zeigt eine weitere, vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Strömungsapparats 50, 51 nach Fig. 3. Diese Weiterbildung zeichnet sich durch eine am bzw. im Rohrmantel 29 angeordnete Vorrichtung 91 zur Abscheidung und zum Austrag von Partikeln aus. Die Vorrichtung 91 ist dabei zumindest auf einer Seite entlang des Führungsrohrs 21 angeordnet. Vorzugsweise ist die Vorrichtung 91 dabei so in den Strömungsapparat 50 integriert oder an diesen angebaut, dass die Vorrichtung 91 sich bei einem betriebsfertig montierten Strömungsapparat 50, 51 in einen radial an den Bereich des Rohrbündelsystems 74 angrenzenden Radialbereich 291 erstreckt. Besonders bevorzugt ist die Vorrichtung 91 dabei so am bzw. im Rohrmantel 29 angeordnet, dass in den Radialströmungen 26 und/oder den Umfangsströmungen 31 des Fluidstroms 100 mitgeführte Feststoffe, insbesondere Partikel in den Radialbereich 291 gelangen.
Im Radialbereich 291 ist dabei ein Abscheider 910, ein Sammelbereich 911 und vorzugsweise eine Fördereinheit 912, insbesondere eine Austragsschnecke, der Vorrichtung 91 vorgesehen.
Der Abscheider 910 kann dabei als einfache Abscheideöffnung oder Abscheideschlitz und/oder als ein Abscheidegitter, -sieb und/oder -filter ausgebildet sein, welches in der Lage ist, die im Fluidstrom 100 bzw. in dessen Teilstrom mitgeführte Feststoffe, insbesondere Partikel (z. B. Ruß, Kristallite, oder dergleichen) vom weiterströmenden Fluid getrennt werden kann. Alternativ oder ergänzend zu den eben genannten mechanischen Abscheidern kann der Abscheider 910 auch ein auf einem elektrischen, magnetischen oder elektromagnetischen Feld aufbauender Abscheider sein, welcher zur Abscheidung der im Fluidstrom 100 bzw. in dessen Teilstrom mitgeführten Feststoffe geeignet ist.
Die vom Abscheider 910 aus dem Fluidstrom 100 abgetrennten Feststoffe bzw. Partikel werden im Sammelbereich 911 gesammelt und ggf. zwischengespeichert. In der einfachsten Form kann der Sammelbereich 911 dabei als Sammelvolumen, -container oder -raum ausgebildet sein. Es ist jedoch auch denkbar, dass der Sammelbereich 911 für die Aufnahme der im Abscheider 910 abgeschiedenen Feststoffe bzw. Partikel geeignete Sammel- oder Speicherelemente aufweist.
Eine besonders bevorzugte Vorrichtung 91 umfasst weiters eine in den Sammelbereich 911 eingreifende Fördereinheit 912, zum stetige, zyklischen oder gelegentlichen Austrag von im Sammelbereich 911 gesammelten Feststoffen bzw. Partikeln, so dass vorzugswiese ein kontinuierlicher Betrieb des Strömungsapparats 50, 51 auch mit zumindest zeitweise feststoffbelastendem Fluidstrom 100 möglich wird.
Fig. 9 zeigt dazu eine erste bevorzugte Ausführung eines Strömungsapparats 50, 51 mit einer Vorrichtung 91. Der Abscheider 910 ist dabei als mindestens eine Radialöffnung 910a ausgebildet, welche in einer Zwischenwand 292 oder einer Seitenwand 293 des Rohrmantels 29 vorgesehen ist. Ist der Abscheider 910 in der Zwischenwand 292 angeordnet, kann der Sammelbereich 911 und die Fördereinheit 912 in den Zwischenraum 30 im Rohrmantel 29 integriert sein. In der Ausführung nach Fig. 9 ist der Abscheider 910 in die Seitenwand 293 des Rohrmantels 29 integriert, insbesondere als Radialöffnung 910a in die Seitenwand 293 des Rohrmantels 29 eingebracht. Der Sammelbereich 911 wird dabei durch einen Anbausammelbehälter 911a gebildet, welcher zumindest den Bereich des Abscheiders 910, 910a in der Seitenwand 293 überdeckt. Beim Durchtritt des mit Feststoffen bzw. Partikel belasteten Fluids 100 in dem Abschnitt mit der Radialströmung 26 bzw. in dem Umströmungsabschnitt 17 durch den Abscheider 910, 910a werden die Partikel zumindest teilweise abgeschieden und in dem Anbausammelbehälter zurückbelassen. Der Anbausammelbehälter 911a kann dabei als Sammelcontainer, insbesondere austauschbarer, wartbarer und/oder entleerbarer Sammelcontainer ausgebildet sein. Bei der in Fig. 9 gezeigten bevorzugten Ausführungsform ist im Anbausammelbehälter 911a eine Austragsschnecke 912a angeordnet. Wird die Austragsschnecke 912a rotierend bewegt, befördert diese die im Sammelbereich 911, 911a befindlichen Partikel in Richtung einer Austragsöffnung 911b im Anbausammelbehälter 911a. Durch diese Austragsöffnung 911b werden die gesammelten Partikel nun aus dem Strömungsapparat 50, 51 und aus dessen Wirkkreislauf entfernt. In einer Weiterbildung kann in der Austragsöffnung 911b zusätzlich eine Verschlussvorrichtung 913, wie beispielsweise eine Klappe, ein Ventil, eine Zellradschleuse oder dergleichen vorgesehen sein. Diese Verschlussvorrichtung 913 dient dabei insbesondere in einem Normalbetrieb des Strömungsapparats 50, 51 dazu, eine Leckage von Teilmengen des Fluidstroms 100 über die Austragsöffnung 911b zu verhindern. Auch kann es ergänzend oder alternativ vorgesehen sein, dass der Abscheider 910 über eine Vorrichtung zur Eingriffssteuerung und/oder zu Verhinderung einer Fluid-Leckage insbesondere bei aktivierter Fördereinheit 912 verfügt. In einer Weiterbildung kann der Abscheider 910 zusätzlich verschließbar ausgeführt sein, wozu beispielsweise Verschlussklappen vorgesehen sein können.
Die Austragsschnecke 912a kann dabei bevorzugt über einen Antriebsmotor 912b angetrieben werden. Wird der Antriebsmotor 912b über eine hier nicht gezeigte, geeignete Steuerung geschaltet und/oder geregelt, kann der Austrag von aufgesammelten Partikeln vorteilhaft automatisiert werden. So kann beispielsweise der Sammelbereich 911 durch einen Beladungssensor überwacht werden, um einen Füllstand zu überwache und ggf. eine Überladung zu verhindern. Auch wäre eine zyklische Initiierung des Austragsvorgangs denkbar, um das ausgetragene Material auch bei wechselnder Belastung des Fluidstroms 100 einem nachfolgenden Prozess (z. B. Aufbereitung, Reinigung, etc.) kontrolliert zuführen zu können.
Die Ausführung mit einem Anbausammelbehälter 911a bzw. die Anordnung der Vorrichtung 91 in einem Anbausammelbehälter 911a, wie sie in Fig. 9 als besonders bevorzugte Ausführung gezeigt ist, lässt sich zudem eine einfache, vorteilhafte Nachrüstung bereits vorhandener Strömungsapparate 50, 51 mit einem, von mit Partikel belasteten Fluidstrom durchströmten Rohrmantel 29 erreichen. Dazu ist es lediglich erforderlich, dass der Rohrmantel 29 an einer Seitenwand 293 mit mindestens einem Abscheider 910, insbesondere einem Radialsieb oder -filter 910a versehen wird. Die Fördereinheit 912 kann, wie in Fig. 10 angedeutet, in einem Anbausammelbehälter 911a angeordnet und dieser nachträglich an den Rohrmantel 29 um den Abscheider 910 angebracht werden. Somit ist keine größere Modifikation am Strömungsapparat 50, 51 selber erforderlich.
In Fig. 10 ist ein System 52 aus zwei Strömungsapparaten 50.1, 50.2 gemäß Fig. 3 und der vorhergehenden Beschreibung gezeigt. Dabei sind die Strömungsapparate 50.1, 50.2 bezüglich des ersten Leitungssystems 60.1, 60.2 sequentiell hintereinander liegend angeordnet, wobei die beiden Strömungsapparate 50.1, 50.2 vorzugsweise gespiegelt, insbesondere an einer Ebene senkrecht zu den An- und Abströmachsen 102.1, 103.1; 102.2, 103.2 zu einander angeordnet sind. Dabei ist der Ausgangsanschluss 62.1 des ersten Strömungsapparats 50.1 vorzugsweise koaxial zum Eingangsanschluss 61.2 des zweiten Strömungsapparats 50.2 angeordnet. Insbesondere sind der Ausgangsanschluss 62.1 und der Eingangsanschluss 61.2 dabei direkt miteinander verbunden, so dass ein aus dem Ausgangsanschluss 62.1 abströmender Fluidstrom 100 dem Eingangsanschluss 61.2 zugeführt wird. Gegenüber der Ausführung nach Fig. 3 tauschen bei dem zweiten Strömungsapparat 50.2 gemäß Fig. 10 der Eingangs- und der Ausgangsanschluss 61.2, 62.2 des ersten Leitungssystems 60.2 ihre Funktion, so dass die Bezeichnung in der Beschreibung des Systems 52 an diesen Funktionstausch angepasst wurde. Die zweiten Leitungssysteme 70.1, 70.2 sind im beispielhaften System 52 nach Fig. 10 über eine Verbindungsleitung 75 derart miteinander verbunden, dass aus dem Ausgangsanschluss 72.2 des Strömungsapparats 50.2 austretendes Fluid des Fluidstroms 340 dem Eingangsanschluss 71.1 des Strömungsapparats 50.1 zugeführt wird. Der Eingangsanschluss 71.2 dient dabei als Eingangsanschluss des zweiten Leitungssystems 70 des Systems 52, während der Ausgangsanschluss 72.1 als Ausgangsanschluss des zweiten Leitungssystems 70 des Systems 52 fungiert.
Wird ein System 52 nach Fig. 10 als Wärmetauscher eingesetzt, geschieht der Wärmeübertrag vom ersten Fluidstrom 100 auf den weiteren Fluidstrom 340 bzw. umgekehrt in zwei Stufen: Zunächst wirkt der bereits im ersten Strömungsapparat 50.1 vorabgekühlte erste Fluidstrom 100 im zweiten Strömungsapparat 50.2 zur Vorerwärmung eines über den Eingangsanschluss 71.2 frisch zugeführten weiteren Fluidstroms 340. Das so im zweiten Strömungsapparat 50.2 vorgewärmte Fluid 340 erfährt dann in der zweiten Erwärmungsstufe im ersten Strömungsapparat 50.1 durch wärmeübertragenden Kontakt mit über den Eingangsanschluss 61.1 frisch zugeführtem ersten Fluid 100 eine Haupterwärmung, bevor es über den Ausgangsanschluss 72.1 des Systems 52 zur Verfügung gestellt wird. Im Zuge der Haupterwärmung wird dabei das frisch zugeführte erste Fluid 100 in einen Zustand als vorabgekühlter Fluid 100 überführt, welcher im Vorerwärmungsprozess noch als Wärmequelle dient.
Das System 52 nach Fig. 10 eignet sich dabei insbesondere als kompakte und hocheffiziente Vorwärmer-Verdampfer-Kombination für eine Wärme-Kraft-Anlage, insbesondere eine RC- oder ORC-Anlage nach dem Rankine-Zyklus, wobei ein Abwärme führender Fluidstrom 100 seine Wärmeenergie zu einen hohen Anteil über die genannten zwei Stufen (Vorerwärmung und Haupterwärmung/Verdampfung) auf einen Fluidstrom 100 eines Arbeitsmediums, insbesondere eines organischen Arbeitsmediums übertragen kann.
Ein Basis-Schema einer derartigen Wärme-Kraft-Anlage, insbesondere ORC-Anlage 95 ist in Fig. 11 gezeigt. Dem Fachmann sind dabei eine Vielzahl von erweiterten Schemata einer Wärme-Kraft-Anlage nach Fig. 11 bekannt, die jedoch in ähnlichem Maße von einem erfindungsgemäßen Strömungsapparat 50 bzw. einem System 52 nach Fig. 10 vorteilhaft profitieren können. Neben einem System 52 aus zwei gekoppelten Strömungsapparaten 50.1, 50.2 umfasst die Anlage 95 zumindest eine Turbine 950, einen Kondensator 951 und eine Arbeitsmittelpumpe 952. Die Turbine 950 treibt dabei vorzugsweise einen Generator 953 zur Bereitstellung von elektrischem Strom aus der rückgewonnen Wärmeenergie eines Fluidstroms 100.
Die Turbine 950 ist eingangsseitig mit einer, am Ausgangsanschluss 72.1 des Systems 52 abgehenden Vorlaufleitung 954 eines Arbeitsmittelkreislaufs verbunden. Durch die Vorlaufleitung 954 strömt im Betrieb der Anlage 95 im System 52 erhitztes, vorzugsweise verdampftes Arbeitsmedium als Fluidstrom 340 zur Turbine 950. Das Arbeitsmedium des Fluidstroms 340 wird dabei bevorzugt nahezu vollständig im System 52, zumindest in einem der Strömungsapparate 50.1, 50.2 des Systems 52 verdampft bzw. in eine Dampf- oder Gasphase überführt. In der Turbine 950 wird das anströmende Arbeitsmedium des Fluidstroms 340 zumindest teilweise entspannt, vorzugsweise im Wesentlichen entspannt, wodurch die Turbine 950 angetrieben wird. Das entspannte Arbeitsmedium strömt nun über eine Rücklaufleitung 955 zu dem Kondensator 951, in welchem das Arbeitsmedium mindestens bis zu einem Kondensationspunkt abgekühlt wird und vorzugsweise auskondensiert. Es kann jedoch beispielsweise auch vorgesehen sein, dass das entspannte Arbeitsmedium vor der Einleitung in den Kondensator 951 einem in Fig. 11 nicht gezeigten Rekuperator zugeführt wird, um etwaig vorhandene Restwärmenergie anderweitig nutzbar zu machen. Das im Kondensator 951 kondensierte Arbeitsmedium wird mittels der Arbeitsmittelpumpe 952 über eine Versorgungsleitung 956 und den Eingangsanschluss 71.2 wieder dem System 52 zugeführt, wodurch der Arbeitsmittelkreislauf im Wesentlichen geschlossen wird.
Der Fluidstrom 100 wird der Anlage 95 über einen Eingangsanschluss 957 zugeführt, welcher vorzugsweise direkt mit dem Eingangsanschluss 61.1 des ersten Strömungsapparats 50.1 des Systems 52 verbunden ist. Das frisch zugeführte Fluid 100 wird dabei, wie bereits in der Beschreibung zum System 52 nach Fig. 10 beschildert, zunächst der Haupterwärmungsstufe des Systems 52 (Strömungsapparat 50.1) zugeführt, um einen Wärmeübertrag auf ein in der Vorwärmstufe (Strömungsapparat 50.2) vorgewärmtes Arbeitsmedium des Fluidstroms 340 zu maximieren. Das so abgekühlte Fluid 100 wird dann im System 52 dem Strömungsapparat 50.2 als Wärmequelle zur Vorwärmung des über die Versorgungsleitung 956 bereitgestellten, frischen Arbeitsmediums des Fluidstroms 340 genutzt. Nach erfolgtem zweitem Wärmeübertrag im Zuge der Vorwärmung wird das Fluid 100 über einen Ausgangsanschluss 958 wieder aus der Anlage abgeführt.
Der erfindungsgemäße Strömungsapparat 50, 51 bzw. das System 52 aus zwei derartiger Strömungsapparaten 50.1, 50.2, 51.1, 51.2 erlaubt so eine besonders kompakte Ausführung einer Wärme-Kraft-Anlage 95, die gleichzeitig durch einfach zu integrierende Maßnahmen auf spezielle Anforderungen hin (z. B. feststoffbelastete Fluidströme, variierende Wärmeleistungen, etc.) adaptiert werden kann, ohne dass das grundlegende Konzept nach Fig. 11 verlassen werden muss. So können beispielsweise jederzeit Vorrichtungen 91 nachgerüstet oder umgebaut werden, ohne das System 52 vollständig zerlegen zu müssen. Auch wäre eine Anpassung der Passagezahlen der zweiten Leitungssysteme 70.1, 70.2 ohne größere Aufwendungen möglich, insbesondere wenn die Verteilerköpfe 73.1, 73.2 entsprechende Verschlussdeckel aufweisen.
Der Strömungsapparate 50, 51 der erfindungsgemäßen Art oder Systeme 52 von erfindungsgemäßen Strömungsapparaten eignen sich dabei besonders zur Erschließung von abwärmeführenden Fluidströmen 100 von Verbrennungsanlagen (z. B. thermische Reinigungs- oder Oxidationsanlagen, Trocknern, thermische Prozessanlagen, Öfen, oder dergleichen), Brennstoffzellen und Brennstoffzellensystemen, insbesondere Kühlmittelströmen von Hochtemperatur-Brennstoffzellen und andere industrielle Abwärme ströme in RC- oder ORC-Anlagen der Fig. 11 beispielhaft gezeigten Art. Neben dem hier gezeigten Beispiel einer Wärme-Kraft-Anlage, insbesondere einer ORC-Anlage 95 kann der erfindungsgemäße Strömungsapparat 50 bzw. ein System 52 aber auch in der chemischen Verfahrenstechnik, der Heiztechnik und ähnlichen Anwendung vorteilhaft eingesetzt werden.
Abschließend soll nun noch kurz auf einen bevorzugten Aufbau eines der Herzstücke des erfindungsgemäßen Strömungsapparats 50 nach Fig. 3 eingegangen werden. Dabei soll ein bevorzugtes Herstellverfahren für ein Führungsrohr 21 skizziert werden. Die Fig. 12a zeigt eine Rohrform des Führungsrohrs 21. Das Führungsrohr 21 weist in einer bevorzugten Ausführung eine Trennwand 22 aus zwei Wandsegmenten 220, 221, insbesondere zwei Trennblechen auf, welche den Innenraum des Führungsrohres 21 diagonal in zwei Bereiche 214, 215 trennen sollen. Die doppelte Ausführung der Wandsegmente 220, 221 bzw. Trennbleche dient dabei der zusätzlichen thermischen Isolation zwischen einem Fluidein- und Fluidaustritt. Der Raum 222 zwischen den Wandsegmenten 220, 221 oder Trennblechen kann entweder hohl oder mit zusätzlichem Isoliermaterial gefüllt sein. Um nun thermische Spannungen zwischen den Wandsegmenten 220, 221 bzw. Trennblechen und dem Mantel 211 des Führungsrohrs 21 einerseits sowie den Montageaufwand andererseits so gering wie möglich zu halten, werden die Wandsegmente 220, 221 bzw. die Trennbleche jeweils nur auf einer Seite mit dem Mantel verschweißt. Die Verschweißung wird dabei vorzugsweise auf im montierten Zustand gegenüberliegenden Seiten des Führungsrohr 21 vorgesehen. Zum Einbringen der Wandsegmente 220, 221 bzw. Trennbleche in den Rohrrohling wird das Führungsrohr 21 vorzugsweise in Längsrichtung mittig in zwei Rohrhälften 21a, 21b getrennt. Die Form der vorgefertigten Wandsegmente 220, 221 bzw. Trennbleche gleicht dabei bevorzugt einer Ellipse, wobei eine Abmessungen der Ellipse insbesondere dem Schnittflächenintegral entspricht, wenn der Rohrrohling in diagonaler Richtung über seine gesamte Länge halbiert würde. In jeder der Rohrhälften 21a, 21b ist jeweils ein Wandsegment 220, 221 bzw. ein Trennblech diagonal so befestigt, vorzugsweise eingeschweißt, dass sich die Wandsegmente 220, 221 bzw. Trennbleche bei einem anschließenden Zusammenfügen der Rohrhälften 21a, 21b nicht berühren. Vor dem abschließenden Zusammenfügen der Rohrhälften 21a, 21b wird vorzugsweise über zumindest eines der Wandsegmente bzw. der Trennbleche, insbesondere über dessen gesamte Länge ein Dichtungsband 224 aufgebracht, insbesondere aufgeschweißt. Das Dichtungsband 224 wird dabei vorzugsweise als V-förmig gefalzter Blechstreifen ausgeführt, kann jedoch auch eine andere geeignete Form aufweisen. Nach dem Zusammenfügen der Rohrhälften 21a, 21b werden in das Führungsrohr 21 in vertikal gegenüberliegender, radialer Anordnung Öffnungen in runder oder schlitzförmiger Ausführung eingebracht. Diese dienen beim späteren Betrieb im erfindungsgemäßen Strömungsapparat 50 als Radialdurchlässe 27, 32. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Öffnungen in Form von Ausnehmungen bereits in Rohrhälften 21a, 21b eingebracht werden, welche bei deren Zusammenfügen die Öffnungen bilden. Die Öffnungen oder Ausnehmungen können dabei bevorzugt aus dem Rohrteil ausgestanzt, ausgeschnitten oder ausgesägt werden. Im montierten Zustand sind dabei die Wandsegmente bzw. Trennbleche und Öffnungen insbesondere so im Führungsrohr 21 angeordnet, dass das einströmende Fluid das Führungsrohr 21 radial nach außen gerichtet verlassen und nach durchströmen des Rohrbündelzwischenraums 30 in das Führungsrohr 21 radial nach innen gerichtet einströmen kann. Weiters können an den Öffnungen Strömungsleitkörper, insbesondere Umlenkbleche angeordnet, insbesondere angeschweißt werden. Das so aufgebaute Führungsrohr kann nun für die weitere Montage des erfindungsgemäßen Strömungsapparats bereitgestellt werden.
Zusammenfassend sind insbesondere folgende bevorzugten Merkmale der Erfindung festzuhalten: Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Führung einer Fluidströmung 10 die einen Anström- und einen Abströmabschnitt 12, 13 mit einer im Wesentlichen parallelen, vorzugsweise koaxialen An- und Abströmachse 14, 15 aufweist. Dabei wird vorgeschlagen, dass die Fluidströmung 10 durch mindestens ein zwischen dem Anströmabschnitt 12 und die Abströmabschnitt 13 angeordneten Führungsmittel 20 in einem Umströmungsabschnitt 17 um einen Umfangswinkel UW die An- und Abströmachse 14, 15 radial umlaufend gelenkt wird, wobei der Umfangswinkel UW größer als 0° ist. Weiters betrifft die Erfindung einen Strömungsapparat 50 zur Durchführung eines Verfahrens umfassend ein erstes Leitungssystem 60 zur Durchleitung eines ersten Fluidstroms 100, wobei das erste Leitungssystem 60 ein Führungsrohr 21 und mindestens ein, eine Strömungsrichtung des Fluidstroms 100 beeinflussendes Führungsmittel 20, 22 umfasst, so dass der Fluidstrom 100 zwischen einem Anströmbereich 61b und einem Abströmbereich 62b des ersten Leitungssystems 60 eine An- und/oder Abströmachse 102, 103 in einem Umströmungsbereich105 um einen Umfangswinkel UW radial umlaufend umströmt.
Die Fig. 13a - 13c und 14 zeigen Varianten einer Weiterentwicklung des Strömungsapparats 50 nach Fig. 3, welche jeweils zusätzlich eine Bypass-Einrichtung 92 aufweisen. Identische oder zu den im Vorhergehenden Beschriebenen gleichwirkende Merkmale sind in diesen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen kenntlich gemacht.
Gemäß Fig. 13a weist die Bypass-Einrichtung 92 eine Bypass-Leitung 921 auf, welche sich als beispielhaft zylindrisches Rohr entlang der Hauptachse 213 durch das Führungsrohr 21 des ersten Leitungssystems 60 erstreckt. Vorzugsweise ist die Bypass-Leitung 921 dabei koaxial zur Hauptachse 213 ausgerichtet und insbesondere konzentrisch zu dieser ausgebildet. Dabei durchstößt oder durchbricht die Bypass-Leitung 921 die im Führungsrohr 21 angeordnete Trennwand 22, so dass über die Bypass-Leitung 921 der über den Eingangsanschluss 61 anströmende erste Fluidstrom 100 in Richtung des Ausgangsanschlusses 62 abströmen kann, ohne über das Führungsmittel 20, 22 in den Umströmungsbereich105 zu gelangen. In bevorzugter Ausführung ist die Bypass-Leitung 921 als isolierte, insbesondere doppelwandige Leitung bzw. isoliertes, insbesondere doppelwandiges Rohr ausgebildet, um eine thermische Kopplung zwischen dem in der Bypass-Leitung 921 strömenden Anteil A_BP des ersten Fluidstroms 100 und dem sich im Führungsrohr 21 ausbreitenden Anteil 1 - A_BP zu unterbinden, zumindest jedoch zu reduzieren.
Neben der Bypass-Leitung 921 weist die Bypass-Einrichtung 92 gemäß Fig. 13a einen Bypass-Steller 922 auf. Dem Bypass-Steller 922 kommt dabei insbesondere die Aufgabe zu, einen Anteil A_BP des über die Bypass-Leitung 921 abströmenden Fluidstroms 100 des über den Eingangsanschluss 61 anströmende erste Fluidstroms 100 wähl- oder einstellbar, insbesondere regelbar auszuführen oder zu gestalten. Der Anteil A_BP kann dabei einen Wert zwischen 0% und 100%, insbesondere zwischen 20% und 80%, vorzugsweise zwischen ca. 30% und 70% aufweisen. Der Bypass-Steller 922 gemäß Fig. 13a umfasst dabei mindestens eine Klappe 923 und einen der Klappe 923 entgegen der Strömungsrichtung vorgelagerten Strömungsteiler 924. Im Beispiel nach Fig. 13a ist dabei der Eingangsanschluss 61 des Strömungsapparats 50 direkt am Strömungsteiler 924 angeordnet, während die Klappe 923 an oder in der Bypass-Leitung 921 angeordnet ist. Vorzugsweise ist die Klappe 923 dabei in dem, dem Eingangsanschluss 61 zugewandten Endbereich der Bypass-Leitung 921 angeordnet.
Befindet sich die Klappe 923 in der Offenstellung oder, wie in Fig. 13a gezeigt, in einer Teiloffenstellung wird zumindest ein Teil entsprechend dem Anteil A_BP des anströmenden Fluidstroms 100 über die Bypass-Leitung 921 abgeführt, wobei die Bypass-Leitung 921 vorzugsweise einen gegenüber dem ersten Leitungssystem 60 niedrigere Druckdifferenz bzw. geringeren Strömungswiderstand aufweist. Dadurch steht im Umströmungsbereich 105 ein entsprechend reduzierter Anteil 1 - A_BP für die Wechselwirkung mit dem weiteren Fluidstrom 340 zur Verfügung. Wird die Klappe 923 geschlossen, strömt der anströmende Fluidstrom 100 vollständig durch das erste Leitungssystem 60 und steht damit vollständig im Umströmungsbereich105 an.
Die Bypass-Leitung 921 mündet gemäß der Ausführung nach Fig. 13a in einen trichterartigen Strömungssammler 925, welcher die über das erste Leitungssystem 60 strömenden Anteile 1 - A_BP und die über die Bypass-Leitung 921 strömenden Anteile A_BP des ersten Fluidstroms 100 im Anschluss an den Umströmungsbereich 105 wieder zusammenführt und dem Ausgangsanschluss 62 zuleitet.
Optional können, wie in Fig. 13a über die gestrichelten Einsätze im Bereich des Strömungsteilers 924 bzw. des Strömungssammlers 925 angedeutet, Strömungskörper 93 zur Optimierung eines lokalen Strömungsverlaufs, insbesondere zur Reduktion oder Unterdrückung von Turbulenzbildung und/oder Reduktion eines lokalen Strömungswiderstandes angeordnet. Abweichend von der beispielhaften Darstellung nach Fig. 13a sind die Strömungskörper 93 dabei symmetrisch, insbesondere an die räumliche Gestalt des Führungsrohrs 21 und/oder der Bypass-Leitung 921 angepasst, vorzugsweise angepasst symmetrisch ausgebildet. Im Falle der beispielhaften Ausbildung des Führungsrohrs 21 als entlang der Hauptachse 213 erstreckter Hohlzylinder sind die Strömungskörper 93 dabei selbst zylindersymmetrisch ausgebildet und weisen eine der Strömung zugewandte Umlenkfläche 931 auf. Die Umlenkfläche 931 kann dabei ein in Umfangsrichtung konstantes Querschnittsprofil aufweisen. Ebenso kann es jedoch vorteilhaft sein, wenn die Umlenkfläche 931 ein mit dem Umfangswinkel variierendes Querschnittsprofil aufweist. Dies mag insbesondere dann von Vorteil sein, wenn die aus dem Umströmungsbereich 105 abströmenden Teilströme 104 nicht gelichmäßig über den Umfangswinkel verteilt sind, sondern insbesondere bevorzugte Bereiche über die Umfangslinie aufweisen.
Fig. 13b zeigt eine zweite Variante eines Strömungsapparats 50 mit analog zu Fig. 13a angeordneter Bypass-Einrichtung 92. Abweichend zum vorhergehenden Beispiel nach Fig. 13a erstreckt sich die Bypass-Leitung 921 bis direkt an den Eingangsanschluss 61. Der Strömungsteiler 924 wird dabei durch Durchlässe, insbesondere Schlitze im sich an den Eingangsanschluss 61 anschließenden Endabschnitt der Bypass-Leitung 921 gebildet. Durch diese Durchlässe kann ein Anteil 1 - A_BP des über den Eingangsanschluss 61 anströmenden Fluidstroms 100 in das erste Leitungssystem 60, insbesondere in den Umströmungsbereich 105 gelangen.
Zur Einstellung des über die Bypass-Leitung 921 strömenden Anteils ABP weist der Bypass-Steller 922 im Beispiel nach Fig. 13b zwei Klappen 923, 923a auf, wobei die Klappe 923 sich an den Endabschnitt der Bypass-Leitung 921 mit den Durchlässen anschließt. Die zweite Klappe 923a ist in einem dem Ausgangsanschluss 62 zugewandten Endbereich der Bypass-Leitung 921 vorgesehen. Die zweite Klappe 923a dient dabei dazu, einen möglichen Rückfluss aus dem Strömungssammler 925 über die Bypass-Leitung 921 zu unterbinden. Der Strömungssammler 925 ist dabei analog zum Beispiel nach Fig. 13a ausgebildet. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Bypass-Leitung 921 bezüglich ihrer beiden Endbereich symmetrisch aufgebaut oder ausgebildet ist, so dass auch Strömungsteiler 924 und Strömungssammler 925 analog zu einander aufgebaut sind.
Alternativ ist es auch denkbar, dass wie im Beispiel nach Fig. 13a keine zweite Klappe 923a in der Bypass-Leitung 921 vorgesehen ist. Umgekehrt kann das Beispiel nach Fig. 13a dahingehend modifiziert werden, dass in Analogie zum Beispiel nach Fig. 13b eine zweite Klappe 923a in der Bypass-Leitung 921 vorgesehen wird.
In der Wirkungsweise bezüglich Einstellung der Anteile A_BP, 1 - A_BP entspricht das Beispiel nach Fig. 13b der Ausführung nach Fig. 13a. Sollte eine zweite Klappe 923a, wie in Fig. 13b gezeigt, vorgesehen sein, ist es vorteilhaft, wenn die beiden Klappen 923, 923a bezüglich der Umschaltung zwischen einer geschlossenen und einer offenen Stellung synchronisiert bewegt werden. Es kann jedoch auch Anwendungen oder Betriebszustände des Strömungsapparats 50 geben, in denen es günstig ist, die Klappen 923, 923a unabhängig voneinander zu verfahren bzw. einzustellen.
Fig. 13c zeigt eine dritte Variante eines Strömungsapparats 50 mit analog zu Fig. 13a angeordneter Bypass-Einrichtung 92. Diese Variante greift dabei die Durchlässe in Bypass-Leitung 921 aufweisende Ausbildung des Strömungsteilers 924 nach Fig. 13b auf, wobei die Klappe 923 des Bypass-Stellers 922 durch eine Schieberanordnung 926 ersetzt wurde.
Die Schieberanordnung 926 weist dabei eine die Durchlässe in zumindest einer Stellung verschließende Schiebehülse 926a auf, wobei die Schiebehülse 926a zur Umschaltung von einer Offenstellung in eine Schließstellung axial und/oder radial verschoben und/oder verdreht wird. Eine Schaltcharakteristik zur Steuerung bzw. Einstellung des Anteils 1 - A_BP kann dabei u.a. über die Anzahl, Form und/oder Platzierung der Durchlässe in der Bypass-Leitung 921 bestimmt werden. Grundsätzlich ist es auch denkbar, verschiedene Durchlässe, insbesondere verschieden angeordnete Durchlässe mittels mehreren Schiebehülsen 926a oder anderen für das Verschließen von flächigen Durchlässen geeigneten Verschlusselementen vorzusehen.
Weitere Varianten eines Strömungsapparats nach Fig. 13a bis 13c ergeben sich u. a. durch Kombination der in den Beispielen einzeln gezeigten Merkmale.
In Abweichung zu den in den Fig. 13a bis 13c exemplarisch gezeigten Ausführungen eines Strömungsapparats 50 mit Bypass-Einrichtung 92 zeigt Fig. 14 einen alternativen Strömungsapparat 50 mit Bypass-Einrichtung 92, welche eine außenliegend angeordnete Bypass-Leitung 921 aufweist. Der Bypass-Steller 922 umfasst im Beispiel nach Fig. 14a eine Klappe 923, welche in einem eingangsseitigen Abschnitt des Führungsrohres 21 angeordnet ist.
Die Bypass-Leitung 921 ist dabei vorzugsweise als ein das erste Leitungssystem 60, insbesondere den Rohrmantel 29 zumindest teilweise, vorzugsweise nahezu vollständig aufnehmender und/oder umschließender rohrartiger Hohlkörper 927 ausgebildet oder ausgeführt. Der Hohlkörper 927 erstreckt sich im Beispiel nach Fig. 14a entlang der Hauptachse 213 parallel zum Führungsrohr 21. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Hohlkörper 927 das Führungsrohr derart aufnimmt oder umschließt, dass der Eingangs- und Ausgangsanschluss 61, 62 des ersten Leitungssystems 60 als, insbesondere stirnseitig am Hohlkörper 927 angeordnete Flansche ausgebildet sind.
Ein sich an den Eingangsanschluss 61 anschließender, trichter- oder fächerartiger Abschnitt des Hohlkörpers 927 bildet dabei im vorliegenden Beispiel den Strömungsteiler 924 des Bypass-Stellers 922. Die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse 71, 72 des zweiten Leitungssystems 70, welche analog zum beispielhaften Strömungsapparat 50 nach Fig. 3 am Verteilerkopf 73 angeordnet sind, werden dabei durch den Hohlkörper 927 hindurchgeführt, so dass sie aus der Wandung des Hohlkörpers 927 herausragen und innerhalb des vom Hohlkörpermantel umschlossenen Bereichs zwischen Rohrmantel 29 und Innenmantelfläche des Hohlkörpers 927 zumindest teilweise vom Anteil A_BP des ersten Fluidstroms 100 umströmt werden können. In Richtung auf den Ausgangsanschluss 62 zu geht der Hohlkörper 927 über einen analogen trichter- oder fächerartigen Abschnitt, welcher den Strömungssammler 925 bildet, in Ausgangsanschluss 62 über.
Ergänzend zu der Klappe 923 kann in einem dem Ausgangsanschluss 62 zugewandten Endabschnitt des Führungsrohrs 21 zusätzlich eine optionale zweite Klappe 923a angeordnet sein. Aufgabe der Klappe 923a ist dabei analog zum Beispiel nach Fig. 13b, eine Rückströmung in das Führungsrohr 21 zu verhindern, zumindest aber zu reduzieren.
Die im Führungsrohr 21 angeordnete Klappe 923 ist dabei dazu vorgesehen oder ausgebildet einen über das erste Leitungssystem 60 strömenden Anteil 1 - A_BP wählbar einstellbar oder regelbar bereitzustellen. Bei einer voll geöffneten Klappe 923 bzw. bei voll geöffneten Klappen 923, 923a wird der Anteil 1 - A_BP maximiert, während eine voll geschlossene Stellung der Klappe 923 bzw. der Klappen 923, 923a zu einer Maximierung des Anteil A_BP des über die Bypass-Leitung 921 abströmenden Anteils des ersten Fluidstroms 100 führt.
Bevorzugt ist der im Beispiel nach Fig. 14a vorgesehene Hohlkörper 927 dabei als isolierter Hohlkörper, insbesondere doppelwandiger Hohlkörper ausgebildet, um eine ungünstige Aufheizung der Außenwand des Hohlkörpers 927 bei aktiviertem Bypass, d.h. bei im Wesentlichen geschlossener Klappe 923, zu unterbinden, zumindest jedoch zu reduzieren.
Fig. 14b zeigt nun eine zweite Variante eines Strömungsapparats 50 mit außen angeordneter Bypass-Leitung 921 in Form eines Hohlkörpers 927, wie er bereits aus dem im Vorhergehenden beschriebenen Beispiel nach Fig. 14a bekannt, auf deren Beschreibung hinsichtlich der Bypass-Leitung 921 bzw. des Hohlkörpers 927 an dieser Stelle verwiesen wird.
Abweichend zur Ausführung nach Fig. 14a ist der Bypass-Steller 922 in zum Beispiel nach Fig. 13c analoger Weise als Schieberanordnung 926 ausgeführt. Dabei erstreckt sich das Führungsrohr 21 über die volle Strecke zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangsanschluss 61, 62 und ist in den Überlappungsbereichen mit den aus Fig. 14a bekannten Strömungsteiler 924 und Strömungssammler 925 mit schlitzartigen Durchlässen versehen. Zumindest die in Richtung des Eingangsanschlusses 61 vorgesehen Durchlässe sind dabei mittels einer Schieberanordnung 926 wählbar, einstellbar öffen- und schließbar. Im Beispiel nach Fig. 14b ist darüber hinaus eine zweite Schieberanordnung 926a zum Öffnen und Schließen der dem Ausgangsanschluss 62 naheliegenden Durchlässe vorgesehen, welche jedoch optional auch entfallen kann. Dieser zweiten Schieberanordnung 926a kommt dabei eine analoge Aufgabe zu wie die zweite Klappe 923a aus den Beispielen nach Fig. 13b oder 14a, so dass auf die diesbezügliche Beschreibung verwiesen wird. Die Schieberanordnungen 926, 926a können dabei als Axial- und/oder Drehschieber ausgebildet sein, wie sie bereits im Beispiel nach Fig. 13c beschrieben wurden.
Gegenüber den Ausführungen eines Strömungsapparats 50 nach Fig. 14a und 14b kann es in bestimmten Ausführungen auch vorteilhaft sein, wenn die Bypass-Leitung 921 nicht als umschließender Hohlkörper 927 ausgebildet, sondern als ein oder mehrere sich an der Außenwand des Rohrmantels 29 erstreckender Bypass-Kanal.
Ergänzend zu den Beispielen nach den Fig. 13a bis 14b kann es auch vorteilhaft sein, wenn der Bypass-Steller 922 wechselweise die Bypass-Leitung 921 und das Führungsrohr 21 verschließen kann, was eine Eindeutigkeit der Strömungsführung über den Umströmungsabschnitt 17 und/oder den Bypass begünstigt. Dabei sind die jeweiligen Drosselstellungen, insbesondere ein effektiv wirksamer und durch den Bypass-Steller 922 freigebbarer bzw. freigegebener Strömungsquerschnitt an den Eingangsabschnitten von Bypass-Leitung 921 und Führungsrohr 21 günstigerweise umgekehrt proportional zueinander.

Claims

Strömungsapparat (50) aufweisend ein erstes Leitungssystem (60) zur Durchleitung eines ersten Fluidstroms (100), wobei das erste Leitungssystem (60) ein Führungsrohr (21) und mindestens ein, eine Strömungsrichtung des ersten Fluidstroms (100) beeinflussendes Führungsmittel (20, 22) und/oder mindestens einen Strömungskörper (80) umfasst, wobei der erste Fluidstrom (100) zwischen einem Anströmbereich (61b) und einem Abströmbereich (62b) des ersten Leitungssystems (60) eine An- und/oder Abströmachse (102, 103) in einem Umströmungsbereich (105) um einen Umfangswinkel UW radial umlaufend umströmt, wobei der Umfangswinkel UW vorzugsweise im Wesentlichen ein ganzzahliges Vielfaches von 30°, 45°, 60°, 90°, 180° oder 360° ist, und mindestens ein weiteres Leitungssystem (70) zur Durchleitung eines weiteren Fluidstroms (340), wobei jedes der Leitungssysteme (60, 70) vorzugsweise mindestens je einen Eingangs- und je einen Ausgangsanschluss (61, 62; 71, 72) zur Zu- bzw. Ableitung des jeweiligen Fluidstroms (100, 340) aufweist, wobei eine Hauptströmungsachse (341) des weiteren Fluidstroms (340) im Wesentlichen parallel zur An- und/oder Abströmachse (102, 103) des ersten Fluidstroms (100) ausgerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Führungsrohr (21), insbesondere zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangsanschluss (61, 62), mindestens eine schräg durch einen Längsquerschnitt des Führungsrohrs (21) verlaufende Trennwand (22) als ein Führungsmittel (20) angeordnet ist, wobei das Führungsrohr (21) im vom Rohrmantel (29) umschlossenen Bereich in seinem Mantel (211) jeweils mindestens einen, vorzugweise mehrere Radialdurchlässe (27; 32) zum Durchtritt des ersten Fluidstroms (100) aus dem Führungsrohr (21) in den Zwischenraum (30) bzw. zum Durchtritt aus dem Zwischenraum (30) in das Führungsrohr (21) entlang einer Strömungsrichtung des ersten Fluidstroms (100) aufweist.
Strömungsapparat (50) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der bzw. die Radialdurchlässe (27; 32) bezogen auf den Umfang des Führungsrohr (21) schlitzartig ausgebildet ist/sind.
Strömungsapparat (50) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung des ersten Fluidstroms (100) zumindest auf einer vom Eingangsanschluss (61) in Richtung auf die Trennwand (22) hinweisenden Teil des Führungsrohrs (21) im Bereich mindestens eines Radialdurchlasses (27) mindestens ein Strömungsleitkörper (64) vorgesehen ist, der sich vorzugsweise in das Führungsrohr (21) erstreckt.
Strömungsapparat (50) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Umlaufsinn von Teilströmen (260) im Umströmungsabschnitt (17) über den Strömungsleitkörper (64) eingestellt wird.
Strömungsapparat (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (22) einen vom Eingangsanschluss (61) kommenden anströmungsseitigen Bereich (214) des Führungsrohrs (21) von einem auf den Ausgangsanschluss (62) zugehenden abströmungsseitigen Bereich (215) trennt, wobei die Trennwand (22) als geradlinig, ebene, zumindest in einer auf der Hauptachse (213) senkrechten Achse verkippte Wand ausgeführt oder einem Flächenprofil, insbesondere einem von der Axialposition entlang der Hauptachse (213) abhängigen Flächenprofil folgend ausgebildet oder geformt ist.
Strömungsapparat (50) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (22) doppelwandig ausgeführt ist, wobei ein erstes Wandsegment (220) insbesondere mit dem anströmungsseitigen Bereich (214) eines Mantels (211) bzw. des Führungsrohrs (21) verbunden, während ein zweites Wandsegment (221) mit dem abströmungsseitigen Bereich (215) verbunden ist.
Strömungsapparat (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Strömungsquerschnitt QE eines dem Eingangsanschluss (61) zugewandten Teils des Führungsrohrs (21) entlang der Strömungsrichtung des ersten Fluidstroms (100) im Wesentlichen im gleichen Maße abnimmt wie ein zweiter Strömungsquerschnitt QA eines dem Ausgangsanschluss (62) zugewandten Teils des Führungsrohrs (21) entlang der Strömungsrichtung des ersten Fluidstroms (100) zunimmt.
Strömungsapparat (50) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem Leitungssystem (60; 70) insbesondere an Querschnittsübergängen oder Strömungsrichtungsumlenkungen ein Strömungskörper (80) angeordnet ist.
Strömungsapparat (50) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskörper (80) hülsenartig ausgebildet ist, wobei er zumindest einen Umlenkkörper (81) zur Beeinflussung einer Strömungsrichtung einer den Strömungskörper im Betrieb umgebenden Fluidströmung aufweist, und als, vorzugsweise auswechselbares Element in die jeweiligen Verrohrungsposition des Leitungssystems des Strömungsapparates einsetzbar bzw. eingesetzt ist.
Strömungsapparat (50) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskörper (80) einen Lenkungsabschnitt (81) zur Umlenkung der Fluidströmung und einen Anordnungsabschnitt (82) zur Anordnung in den dazu vorgesehenen Leitungsabschnitten aufweist, wobei der Lenkungsabschnitt (81) symmetrisch, insbesondere spiegel- oder rotationssymmetrisch bezüglich der Hauptströmungsachse (341) ausgebildet oder eine in Abhängigkeit von den lokal auftretenden Strömungscharakteristika eine unsymmetrische Gestalt aufweist.
Strömungsapparat (50) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Lenkungsabschnitt (81) über eine Trägerstruktur (84) mit dem Anordnungsabschnitt (82) verbunden ist, wobei vorzugsweise die strömungsleitenden Eigenschaften des Lenkungsabschnitts (81) in Abhängigkeit von Strömungsparametern (z. B. Druck, Temperatur und/oder Fließgeschwindigkeit, Zusammensetzung etc.) ändernd ausgebildet sind.
Strömungsapparat (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsapparat (50) weiters eine Bypass-Einrichtung (92) aufweist, vermittels derer der erste Fluidstrom (100) zumindest teilweise und/oder ein einstellbarer, vorzugsweise regelbarer Anteil zwischen 0 bis 100% des Fluidstroms (100) am ersten Leitungssystem (60), insbesondere am Umströmungsabschnitt (17) des ersten Leitungssystems (60) vorbeigeführt werden kann.
Strömungsapparat (50) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypass-Einrichtung (92) zumindest eine Bypass-Leitung (921) und einen Bypass-Steller (922) aufweist, wobei die Bypass-Leitung (921) vorzugsweise zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangsanschluss (61, 62) des ersten Leitungssystems (60) angeordnet ist.
Strömungsapparat (50) nach mindestens einem Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Rohrmantel (29) eine Vorrichtung (910) zur Abscheidung und zum Austrag von Partikeln (910) vorgesehen ist, welche einen Abscheider (910), einen Sammelbereich (911) und eine Fördereinheit (912), insbesondere eine Austragsschnecke (912a), umfasst.
Strömungsapparat (50) nach mindestens einem Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an die Ausgangskammer (731) bzw. an den Ausgangsanschluss (72) bzw. an den Ausgangsstutzen (72a) ein Tropfenabscheider (90) angeordnet ist, welcher vorzugweise an dem Verteilerkopf (73) befestigt, in dem Verteilerkopf (73) aufgenommen oder in diesen integriert ist.
Strömungsapparat (50) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das in einem Abscheideraum (900) des Tropfenabscheiders gesammelte Kondensat über zumindest eine Rückführleitung (901) der Eingangskammer (730) oder zumindest einer Zwischenkammer (734) zugeführt werden kann.
System (52) aus mindestens zwei Strömungsapparaten (50.1, 50.2) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Strömungsapparate (50.1, 50.2) sequentiell mit einander verbunden sind, wobei der Ausgangsanschluss (62.1) des ersten Leitungssystems (60.1) des ersten Strömungsapparats (50.1) im Wesentlichen direkt dem Eingangsanschluss (61.2) des ersten Leitungssystems (60.2) des zweiten Strömungsapparats (50.2) verbunden ist, und wobei der Ausgangsanschluss (72.1) des zweiten Leitungssystems (70.1) des ersten Strömungsapparats (50.1) über eine Verbindungsleitung (75) mit dem Eingangsanschluss (71.2) des zweiten Leitungssystems (70.2) des zweiten Strömungsapparats (50.2) verbunden ist.
Wärme-Kraft-Anlage (95), insbesondere Anlage zur Gewinnung von mechanischer und/oder elektrischer Energie nach einem Rankine-Zyklus, mit mindestens einem Strömungsapparat (50, 50.1, 50.2) nach einem der Ansprüche 1 bis 16 und/oder einem System (52) gemäß Anspruch 17, wobei vorzugsweise der weitere Fluidstrom (340) des Strömungsapparats (50, 50.1, 50.2, 52) durch ein Arbeitsmedium, insbesondere ein organisches Arbeitsfluid, gebildet ist, wobei das Arbeitsmedium durch Wärmeübertrag von einem ersten Fluidstrom (100) zumindest teilweise im Strömungsapparat (50, 50.1, 50.2, 52) verdampft werden kann.