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Die Erfindung betrifft einen Rohrbündelwärmeübertrager nach Anspruch 1.
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Rohrbündelwärmeübertrager werden auch als Rohrbündelwärmetauscher bezeichnet und sind die in der Industrie am Häufigsten eingesetzten Wärmetauscher. Bei den Rohrbündelwärmetauschern trennt die Wärmeübertragungsfläche einen heißen von einem kalten Fluidraum. Ein Fluid fließt durch die Rohre (rohrseitig), während das andere Fluid um die Rohre strömt (mantelseitig). Rohrbündel werden im Mantel platziert und dabei so in einem Rohrboden gehalten, dass dieser eine Barriere bildet, um die Vermischung der beiden unterschiedlich temperierten Fluide zu vermeiden. Um eine höhere Geschwindigkeit im Mantel zu erzeugen bzw. die Kontakthäufigkeit des Mediums im Mantelraum mit der Wärmeübertragungsfläche zu erhöhen, werden Umlenksegmente eingesetzt. Das Fluid im Mantel hat eine längere Strecke zwischen Ein- und Ausgangsstutzen zur passieren.
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Ein derartiger Wärmetauscher gemäß dem Stand der Technik ist in 1 dargestellt. In der Abbildung oben ist ein Längsschnitt durch einen im Kreuzstrom betriebenen Rohrbündelwärmetauscher dargestellt. In der Abbildung unten ist eine offene perspektivische Darstellung des Mantelraums mit Rohrbündel und Umlenksegmenten gezeigt.
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Auf der Mantelseite hat die Rohrteilung einen großen Einfluss auf die Fluidgeschwindigkeit und damit auf die Wärmeübertragung sowie auf den Druckverlust. Herkömmliche Kreuzströmungswärmetauscher haben auf der Mantelseite ungleichmäßige Strömungslinien und dadurch eine höhere mechanische Belastung. Außerdem sind die Druckverluste bei diesen Wärmetauschern sehr hoch.
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Der nächste Schritt in der Entwicklung von Rohrbündelwärmetauschern war ein sogenannter radial durchströmter Apparat. Ein derartiger Wärmeübertrager ist in 2 in einem Längsschnitt dargestellt. In der Abbildung oben ist ein Längsschnitt durch einen im Kreuzstrom betriebenen Rohrbündelwärmetauscher dargestellt. In der Abbildung unten ist eine offene perspektivische Darstellung des Mantelraums mit Rohrbündel und Umlenksegmenten gezeigt, wobei der jeweilige Kopfraum für die Zufuhr und Abfuhr des rohrseitigen und mantelseitigen Fluids nicht dargestellt sind.
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Mit einem radial durchströmten Rohrbündelwärmeübertrager können Schwächen des klassischen Rohbündelwärmetauschers verringert werden. Durch gleichmäßige Strömung vom Zentralkanal nach außen in radialer Richtung beziehungsweise vom Raum zwischen dem Mantel des Wärmetauschers um die Rohrbündel herum zum Zentralkanal erreicht man sowohl geringere mechanische Belastungen als auch kleinere Druckverluste im Mantelraum des Wärmetauschers. Damit gewinnt man nicht nur Freiheit in der Wahl der mantelseitigen Ausrichtung der Zu- und Abführstutzen, sondern auch eine kompaktere Bauweise des Rohrbündels
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Die radiale Anordnung der Rohre hat den Nachteil, dass man bei der Anzahl der Rohrreihen limitiert ist. Als „Rohrreihe“ werden hier die Rohre bezeichnet, welche nebeneinander im Wesentlichen auf einer Kreisbahn um die Längsachse des Rohrbündels angeordnet sind. Das Rohrbündel weist mehrere derartige Rohrreihen mit unterschiedlichem Radius auf. Die Abstände der Rohre zueinander in jeder Rohrreihe sowie der Abstand benachbarter Rohrreihen ist so gewählt, dass eine möglichst gleichmäßige Durchströmung des Rohrbündels in radialer Richtung durch das Mantelraumfluid gegeben ist, damit die beabsichtigte Wärmeübertragung zuverlässig erfolgen kann.
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Probleme können bei Rohrbündelwärmeübertragern insbesondere dann entstehen, wenn große Wärmeübertragungsflächen realisiert werden sollen. Wie die Abbildung in 3A zeigt, werden sich bei vorgegebenen Abmessungen des Rohrbündelwärmeübertragers nach einer kleinen Anzahl von Rohrreihen die Rohrreihen derart nah kommen, so dass diese Bauweise unwirtschaftlich ist beziehungsweise praktisch unmöglich wird. Im gezeigten Beispiel kann eine Erhöhung von drei auf vier Rohreihen nicht mehr erfolgen. Außerdem hat die schlechte Durchströmung solcher Engpässe zwischen den Rohren eine Reduzierung der effektiven Wärmeaustauschfläche zur Folge. Durch die Kollision der Rohre wird die Unterbringung der Bedarfsfläche zum Wärmeaustausch eingeschränkt, was die Grenzen des Wärmetauscher-Entwurfs eines Rohrbündelwärmeübertragers aufzeigt.
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Als Gegenmaßnahme wird ein größerer Durchmesser des Zentralraums des Bündels gewählt. In 3B ist diese Lösung illustriert. Durch die Wahl größerer Abmessungen können im Vergleich zu dem in 3A gezeigten Rohrspiegel nun vier Rohrreihen untergebracht werden, was allerdings wiederum einen größeres Gesamtdurchmesser der Wärmetauschers zur Folge hat.
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Die
US 2007/ 0 023 173 A1 betrifft einen Wärmeübertrager mit vergrößertem Durchmesser insbesondere für die Schwefelsäureherstellung. Der Wärmeübertrager weist eine Vielzahl paralleler Rohre auf, welche in Bögen angeordnet sind. Gemäß einer möglichen Anordnung der Rohre umfassen diese zwei Sets kreisförmiger Ringe.
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Die
US 2004/ 0 194 932 A1 beschreibt einen Wärmeübertrager für besonders hohe Temperaturen. Der Wärmeübertrager ist ringförmig mit Reihen von Rohren aufgebaut, welche in Form eines ersten Satzes von Rohren mit einem ersten Durchmesser und einem zweiten Satzes von Rohren mit einem zweiten Durchmesser aufgebaut sein. Ein inneres Bündel von Rohren umfasst dann einen ersten Satz und einen zweiten Satz von Rohren; und ein äußeres Bündel 24 von Rohren umfasst ebenfalls genau einen solchen einen ersten Satz und genau einen solchen zweiten Satz von Rohren wie das innere Bündel.
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Die
DE 19 63 394 A beschreibt einen Kühler für den Durchlauf einer regelbaren Teilmenge eines in einem Reaktionsbehälter umgewälzten Wärmeträgers, wobei im Bereich des Kühlers ein Bypass angeordnet ist, der mittels eines Regelorgans zur veränderbaren Unterteilung der aus dem Reaktionsbehälter abgezweigten gleichbleibenden Teilmenge des Wärmeträgers in zwei vorübergehend parallelgeschaltete und dann wieder zusammengeführte Ströme dient, von denen nur der eine das Kühlerrohrbündel beaufschlagt.
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Es ergibt sich daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Rohrbündelwärmeübertrager zur Verfügung zu stellen, welcher die Nachteile bekannter Rohrbündelwärmeübertrager überwindet. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit zu schaffen, die Wärmeaustauscherfläche zu erhöhen, ohne den Gesamtdurchmesser des Rohrbündelwärmetauschers vergrößern zu müssen. Gerade bei konstanten Abmessungen des Rohrbündelwärmetauschers soll eine Erhöhung der Wärmeaustauscherfläche ermöglicht werden.
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Diese Aufgaben werden auf überraschend einfache Weise gelöst mit einem Rohrbündelwärmeübertrager gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfindung stellt einen Rohrbündelwärmeübertrager zur Verfügung, in welchem in einem Mantelraum ein Rohrbündel aus mehreren Rohren mit zumindest einem Rohrboden angeordnet ist, wobei der Rohrbündelwärmeübertrager nach außen von einer Mantelfläche begrenzt wird und eine zentral im Mantelraum verlaufende Längsachse hat, um welche ein von Rohren freier innerer Kanal ausgebildet ist, und wobei innenseitig, der Mantelfläche benachbart ein von Rohren freier äußerer Kanal ausgebildet ist, wobei das Rohrbündel zwischen innerem Kanal und äußerem Kanal zumindest zwei Rohrbündelkomponenten umfasst, welche sich in der Anzahl der Rohre pro Fläche und/oder im Außendurchmesser der Rohre und/oder im Abstand der Rohre unterscheiden, wobei die Rohrbündelkomponenten senkrecht zur Längsachse gesehen jeweils im Wesentlichen einen kreisringförmigen Querschnitt aufweisen und im Mantelraum in einer Richtung senkrecht zur Längsachse sequentiell angeordnet sind, wobei zumindest zwei Rohrbündelkomponenten lösbar miteinander verbunden sind.
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Damit realisiert die Erfindung den Vorteil, dass die Wärmeaustauscherfläche des Rohrbündelwärmeübertragers bei konstanten Abmessungen des Mantels flexibel an unterschiedliche Anforderungen angepasst werden kann. Der erfindungsgemäße Rohrbündelwärmeübertrager kann auch als Mehrfachbündel-Radialwärmetauscher bezeichnet werden.
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Mit einem derartigen Mehrfachbündel-Radialwärmetauscher besteht die Flexibilität, zunächst kleinstmögliche Rohrbündeldurchmesser zu wählen, und bei Bedarf beziehungsweise zu Optimierungszwecken zu einem neu orientierten Rohrbündel zu wechseln. Dies gilt sowohl für vollständig am Umfang jeder Rohrreihe berohrte Wärmetauscherbündel, als auch für sogenannte semi-radiale Wärmetauscher, auf die unten im Zusammenhang mit der Weiterbildung der Erfindung durch eine Verbindungszone näher eingegangen wird.
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Die Anzahl der Rohre pro Fläche der Rohrbündelkomponente senkrecht zur Längserstreckung der Rohre definiert die Rohrdichte.
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Der Abstand der Rohre voneinander ist die kürzeste Distanz zwischen der Außenwand eines Rohrs zur Außenwand des nächsten benachbarten Rohrs.
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Die zumindest zwei kreisringförmigen Rohrbündelkomponenten werden im Betrieb vom Mantelraumfluid als radial sequentielle Rohrbündel durchströmt. Sie sind insbesondere konzentrisch zur Längsachse angeordnet. So schafft die Erfindung einen Rohrbündelwärmeübertrager mit im Mantelraum in einer Richtung senkrecht zur Längsachse sequentiell angeordneten Rohrbündelkomponenten.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Rohrbündelwärmeübertrager weisen die zumindest zwei Rohrbündelkomponenten senkrecht zur Längsachse gesehen jeweils im Wesentlichen einen kreisringförmigen Querschnitt auf. Damit wird eine konstruktiv besonders einfache Möglichkeit geschaffen, Rohrbündelkomponenten sozusagen radial zu einem Rohrbündel stapeln zu können. Insbesondere kann der Rohrbündelwärmeübertrager ein Rohrbündel mit zwischen zwei und zehn Rohrbündelkomponenten umfassen.
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Um je nach Anwendungsfall ein darauf abgestimmtes Rohrbündel bereit stellen zu können, sieht die Erfindung des Weiteren vor, dass zumindest zwei Rohrbündelkomponenten lösbar miteinander verbunden sind. Insbesondere ist das Rohrbündel modulartig aus zumindest zwei Rohrbündelkomponenten aufgebaut.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schließt sich von der Längsachse radial nach außen gesehen an den inneren Kanal eine erste Rohrbündelkomponente an und an diese eine zweite Rohrbündelkomponente, wobei der Radius der zur Längsachse hin weisenden inneren Begrenzung der zweiten Rohrbündelkomponente korrespondierend zu dem Radius der äußeren Begrenzung der ersten Rohrbündelkomponente ausgebildet ist.
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Praktischerweise kann der Radius der zur Längsachse hin weisenden inneren Begrenzung der zweiten Rohrbündelkomponente größer ausgebildet sein als der Radius der äußeren Begrenzung der ersten Rohrbündelkomponente, zumindest so viel größer, dass sich die zweite Rohrbündelkomponente über die erste Rohrbündelkomponente montieren lässt.
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Auf diese Weise können sich an die zweite Rohrbündelkomponente weitere Rohrbündelkomponenten anschließen. Dabei können auch innerhalb eines Rohrbündelkomponente Zonen unterschiedlicher Anzahl der Rohre pro Fläche und/oder unterschiedlichen Außendurchmessers der Rohre und/oder unterschiedlichen Abstands der Rohre ausgebildet sein, so dass eine Rohrbündelkomponente mehrere Rohrbündelstufen umfassen kann.
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Die Anordnung der Rohre im Rohrbündel beziehungsweise in der Rohrbündelkomponente definiert den sogenannten Rohrspiegel. Der Rohrspiegel kann grundsätzlich eine radial geordnete Form haben oder mit Hilfe mehrerer Segmente eine radiale Form nachbilden. Die Anzahl der Segmente kann beliebig sein. Die Segmente sind in der Praxis als Rohrbündelmodule ausgeführt. Wenn zumindest eine Rohrbündelkomponente aus zumindest zwei, vorzugsweise drei oder vier oder fünf, Rohrbündelmodulen zusammengesetzt ist, wird ein Aufbau eines gewünschten Rohrbündels unter Realisierung der erfindungsgemäßen Verbindungszone mit vorgefertigen Modulen nach dem Baukastenprinzip ermöglicht.
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Die Rohrbündelmodule können dabei gleichartig sein. Insbesondere können n-1 (beispielsweise drei) Rohrbündelmodule mit im Querschnitt senkrecht zur Längsachse gesehen im Wesentlichen 1/n-kreisförmigem (beispielsweise viertelkreisförmigem) Rohrspiegel miteinander verbunden werden, wobei die Verbindungszone durch das zum Vollkreis fehlende n-te (beispielsweise vierte) Modul entsteht. Die Verbindung der Rohrbündelmodule erfolgt bevorzug in einfacher Weise durch Einsetzen in den zumindest einen Rohrboden. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist zumindest ein Rohrbündelmodul ungleichartig zu dem zumindest einen anderen Rohrbündelmodul ausgebildet.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Rohrbündelwärmeübertrager eine einzige Kammer auf. Insbesondere ist der Rohrbündelwärmeübertrager mit einer Kammer als ein Modul für einen mehrteiligen Rohrbündelwärmeübertrager ausgebildet, indem der Austritt aus der einen Kammer zum Anschluss an den Eintritt der nächsten Kammer ausgebildet ist. Dadurch wird ein Verbinden mehrerer Rohrbündelwärmeübertrager zu einer Art Turm oder Stapel ermöglicht, in welchem im Betrieb das Mantelraumfluid nach dem Verlassen eines Wärmeübertragermoduls in das nächste Modul eintritt.
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Um längere Strömungswege bei möglichst hohem treibenden Gefälle für die Wärmeübertragung realisieren zu können, weist der Rohrbündelwärmeübertrager in einer Weiterbildung der Erfindung zwei oder mehr, vorzugsweise bis zu zwanzig, Kammern um ein einziges Rohrbündel auf, wobei zwischen einander benachbarten Kammern zumindest ein Umlenksegment für das Mantelraumfluid angeordnet ist.
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Im Betrieb des Rohrbündelwärmeübertragers tritt das Mantelraumfluid in die erste Kammer ein, welche außer durch die Mantelfläche von einem Rohrboden und einem Umlenksegment begrenzt ist. Das Umlenksegment besteht aus einer Scheibe mit einer Fläche senkrecht zur Längsachse, welche invers zum Rohrspiegel korrespondiert, wobei von dieser Fläche ein innerer Bereich ausgeschnitten oder ein äußerer Bereich abgeschnitten ist. Insbesondere korrespondiert der innere Bereich in seinem Querschnitt praktisch mit demjenigen des inneren Kanals, und der äußere Bereich in seinem Querschnitt praktisch mit demjenigen des äußeren Kanals.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung definiert die Anordnung der Rohre im Rohrbündel einen Rohrspiegel, welcher zumindest eine Verbindungszone aufweist, durch welche im Betrieb des Rohrbündelwärmeübertragers Fluid in den Mantelraum eintritt und/oder aus dem Mantelraum austritt. Dabei kann die Anzahl der Rohre pro Querschnittsfläche senkrecht zur Längsachse in der Verbindungszone geringer sein als außerhalb der Verbindungszone, oder dass die Verbindungszone ist gänzlich frei von Rohren. Durch einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager mit Verbindungszone kann auf eine Haube im herkömmlichen Sinn im Anschluss an den Rohrboden in Längsrichtung des Wärmetauschers im Prinzip verzichtet werden. Auf diese Weise kann mit Hilfe der Erfindung kompakter und damit auch kleiner gebaut werden.
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Schlagwortartig ausgedrückt wird mit dem Rohrbündelwärmeübertrager mit Verbindungszone eine „semiradiale Strömung“ realisiert. Ein erfindungsgemäßer Wärmeübertrager wird daher auch als „Semi RF Heat Exchanger“ bezeichnet. Dabei soll der Ausdruck „semi“ dahingehend verstanden werden, dass nur ein Teil - nicht zwingend die Hälfte - des Rohrspiegels mit Rohren bestückt ist.
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Ist zumindest eine Rohrbündelkomponente aus Rohrbündelmodulen zusammengesetzt und ist zumindest ein Rohrbündelmodul ungleichartig zu dem zumindest einen anderen Rohrbündelmodul ausgebildet, kann in konstruktiv einfacher Weise die Verbindungszone realisiert werden. Ein Rohrbündelmodul umfasst dann beispielsweise einen Ausschnitt aus dem Rohrspiegel mit der Verbindungszone und benachbarten Rohren, während das eine weitere oder die weiteren Rohrbündelmodule die übrigen Rohre zum gesamten Rohrspiegel beisteuern.
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Der durch die Verbindungszone geschaffene Ein-und/oder Austrittsspalt für das Mantelraumfluid kann beliebige Geometrie annehmen. Dazu weist die Verbindungszone in einer vorteilhaft einfachen Ausgestaltung eine erste und eine zweite Durchtrittsfläche sowie zwei seitliche Begrenzungen auf, wobei die erste Durchtrittsfläche der Übergang zwischen dem äußeren Kanal und der Verbindungszone ist, die zweite Durchtrittsfläche der Übergang zwischen der Verbindungszone und dem inneren Kanal ist, die erste seitliche Begrenzung sich vom einen in Längsrichtung des Mantelraums verlaufenden Rand der ersten Durchtrittsfläche zum korrespondierenden in Längsrichtung des Mantelraums verlaufenden Rand der zweiten Durchtrittsfläche erstreckt, und die zweite seitliche Begrenzung sich vom anderen in Längsrichtung des Mantelraums verlaufenden Rand der ersten Durchtrittsfläche zum korrespondierenden in Längsrichtung des Mantelraums verlaufenden Rand der zweiten Durchtrittsfläche erstreckt.
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Die beiden seitlichen Begrenzungen der Verbindungszone verlaufen im wesentlichen parallel zueinander, wenn die Verbindungszone den kürzesten Weg zwischen innerem und äußeren Kanal realisieren soll. Im Rahmen der Erfindung können die seitlichen Begrenzungen der Verbindungszone in einer Richtung senkrecht zur Längsachse oder einer Parallelen der Längsachse auch abschnittsweise unterschiedliche Querschnittsformen der Verbindungszone schaffen. Der Querschnitt der Verbindungszone ist die vom Mantelraumfluid durchströmte Fläche, wenn dieses zwischen dem inneren und dem äußeren Kanal strömt.
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Die Erfindung schafft eine Vielzahl von Möglichkeiten, durch die Gestaltung der Geometrie der Verbindungszone das im Betrieb gewünschte Strömungsprofil des Mantelraumfluids und damit auch die Kinetik des Wärmeübergangs einzustellen. Die seitlichen Begrenzungen der Verbindungszone können beispielsweise zumindest abschnittsweise im wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
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Die beiden seitlichen Begrenzungen können von der Längsachse aus gesehen zumindest abschnittsweise miteinander einen Winkel (α) im Bereich von etwa 180° bis etwa 10° einschließen. Eine weitere Möglichkeit im Rahmen der Erfindung ist, dass die beiden seitlichen Begrenzungen in Richtung vom äußeren Kanal auf den inneren Kanal hin zumindest abschnittsweise miteinander einen Winkel (α) im Bereich von etwa 180° bis etwa 10° einschließen.
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Des Weiteren bietet die Erfindung die Möglichkeit, dass die erste oder die zweite seitliche Begrenzung oder beide seitliche Begrenzungen der Verbindungszone zumindest abschnittsweise radial von der Längsachse aus gesehen verläuft oder verlaufen. Eine zusätzliche Möglichkeit ist, dass die erste oder die zweite seitliche Begrenzung oder beide seitliche Begrenzungen der Verbindungszone im Querschnitt senkrecht zur Längsachse gesehen zumindest abschnittsweise im wesentlichen tangential zum Rand des inneren Kanals verläuft oder verlaufen.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, das die erste oder die zweite seitliche Begrenzung oder beide seitliche Begrenzungen der Verbindungszone im Querschnitt senkrecht zur Längsachse gesehen zumindest abschnittsweise gekrümmt verläuft oder verlaufen, wobei die erste oder die zweite seitliche Begrenzung oder beide seitliche Begrenzungen zumindest abschnittsweise insbesondere ein Kreisbogensegment oder einen Abschnitt einer Spirale definiert oder definieren. Hinsichtlich einer noch ausführlicheren Beschreibung der Verbindungszone in verschiedenen Gestaltungsmöglichkeiten wird auf die am selben Tag von der Anmelderin eingereichte deutsche Patentanmeldung mit dem Titel „Rohrbündelwärmeübertrager“, und dort insbesondere auf die 12 bis 30 und ihre Beschreibung verwiesen, welche durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.
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Die Erfindung stellt auch ein Rohrbündel für einen oben beschriebenen Rohrbündelwärmeübertrager sowie eine Rohrbündelkomponente für ein derartiges Rohrbündel zur Verfügung. Ein derartiges Rohrbündel beziehungsweise jede Rohrbündelkomponente kann separat gefertigt und vertrieben werden. Die Endmontage des gesamten Wärmetauschers kann dann beispielsweise erst am Einsatzort durch Einbau in den Mantel und Anbringen der Zu- und Abführungen an die Anschlüsse für die Verbindungszone erfolgen.
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Die Erfindung schafft zudem über weitere Parameter die Möglichkeit, die Strömung insbesondere des Mantelraumfluids gezielt zu beeinflussen und an die jeweiligen praktischen Anforderungen anzupassen. So ist zum einen vorgesehen, dass die Anordnung der Rohre im Rohrbündel einen Rohrspiegel definiert, in welchem die Rohre zumindest bereichsweise fluchtend zueinander und/oder zumindest bereichsweise versetzt zueinander angeordnet sind. Des Weiteren kann das Rohrbündel auch exzentrisch zur Längsachse im Mantelraum angeordnet werden.
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Der erfindungsgemäße Rohrbündelwärmeübertrager kann grundsätzlich für flüssige und gasförmige Medien verwendet werden sowie für Fluide, die flüssige und gasförmige Komponenten enthalten wie etwa Aerosole oder Nassdampf. Durch die mit der Erfindung erreichbare relativ hohe Wärmeaustauschfläche ist der Rohrbündelwärmeübertrager besonders vorteilhaft zu verwenden als Gas-Gas-Wärmeübertrager, also zum Wärmeaustausch zwischen zwei im Wesentlichen gasförmigen Fluiden. Beispielsweise kann der erfindungsgemäße Rohrbündelwärmeübertrager zur Wärmerückgewinnung aus heißen Abgasströmen eingesetzt werden. Ein besonderes Anwendungsgebiet ergibt sich mit dem Einsatz im Rahmen von Verfahren zur Synthese von Schwefelsäure (H2SO4).
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche und ähnliche Bauteile sind dabei mit gleichen Bezugszeichen versehen, wobei die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können. Es zeigen:
- 1 Schematische Darstellung eines Längsschnitts durch einen im Kreuzstrom betriebenen Rohrbündelwärmetauscher nach dem Stand der Technik (oben) sowie eine schematische offene perspektivische Darstellung des entsprechenden Mantelraums mit Rohrbündel und Umlenksegmenten (unten),
- 2 schematische Darstellung eines Längsschnitts durch einen im Kreuzstrom betriebenen radialen Rohrbündelwärmetauscher nach dem Stand der Technik (oben) sowie eine schematische offene perspektivische Darstellung des entsprechenden Mantelraums mit Rohrbündel und Umlenksegmenten (unten), wobei der jeweilige Kopfraum für die Zufuhr und Abfuhr des rohrseitigen und mantelseitigen Fluids nicht dargestellt sind,
- 3 schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Rohrbündel im Mantel mit kollidierenden Rohren (3A) und mit vergrößerten Abmessungen (3B) zur Unterbringung von vier statt drei Rohrreihen,
- 4 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Rohrbündel im Mantel gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
- 5 eine schematische Darstellung fluchtender und versetzter Rohranordnung (5A) sowie eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Rohrbündel (5B) im Mantel (links) und ohne Mantel (rechts) mit versetzter Rohranordnung,
- 6 eine schematische offene perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Rohrbündelwärmetauschers mit zwei Kammern mit einem Rohrbündel gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
- 7 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Rohrbündel im Mantel gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
- 8 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Rohrbündel im Mantel gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
- 9 eine schematische offene perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Rohrbündelwärmetauschers mit zwei Kammern mit einem Rohrbündel gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
- 10 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Rohrbündel im Mantel gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
- 11 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Rohrbündel im Mantel gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
- 12 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Rohrbündel im Mantel gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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In den Figuren ist zur Veranschaulichung teilweise die Strömungsrichtung des Mantelraumfluids M und des Rohrraumfluids R durch Pfeile angedeutet, wie sie im Betrieb des erfindungsgemäßen Rohrbündelwärmeübertragers 1 prinzipiell erfolgt. Des Weiteren sind teilweise gepunktete Linien eingezeichnet, welche zur Veranschaulichung der Unterteilung des Rohrbündels 2 in Rohrbündelkomponenten 50, 51, 52, 53, 54 (4 und 8) beziehungsweise des Rohrbündels 2 und der Verbindungszone 4 (10) dienen sollen.
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Die Fluidein- und -austrittstutzen 13, 14 für das Mantelraumfluid M können im Rahmen der Erfindung grundsätzlich eine beliebige Gestalt annehmen, beispielsweise mit einem rechteckigen, ovalen oder kreisförmigen Querschnitt. Der Arbeitstemperaturbereich des erfindungsgemäßen Rohrbündelwärmetauschers 1 kann grundsätzlich zwischen -270 °C bis 2000 °C liegen, insbesondere zwischen -80°C und 2000°C, vor allem zwischen -50 °C und 1300 °C. Bevorzugt wird ein Arbeitskreis zwischen 0 bis 600 °C.
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Um die Wärmeaustauscherfläche eines Rohrbündelwärmetauschers variieren zu können, ohne die äußeren Abmessungen des Rohrbündels 2 beziehungsweise des Wärmetauschers 1 zu verändern, schafft die Erfindung ein Rohrbündel 2 mit mehreren Rohrbündelkomponenten 51, 52, 53, 54, welche miteinander kombiniert sind und deren Rohre 20, 22, 27 gemeinsam die gesamte Wärmeübertragungsfläche bestimmen.
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In 4 ist ein erfindungsgemäßes Rohrbündel 2 im Querschnitt dargestellt. Es erstreckt sich entlang der Längsachse 33 und weist einen inneren Kanal 21 auf. Zwischen der äußersten Rohrreihe des Rohrbündels 2 und der Innenseite der Mantelfläche 31 verläuft der äußere Kanal 23. Im gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst das Rohrbündel 2 drei Rohrbündelkomponenten 50, 51, 52. Diese sind konzentrisch zueinander um die Längsachse 33 positioniert.
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Die Rohrbündelkomponenten 50, 51, 52 haben jeweils eine kreisringförmige Querschnittsfläche. Senkrecht zu dieser Querschnittsfläche verlaufen in der äußeren Rohrbündelkomponente 50 Rohre 27 in sechs konzentrischen Rohrreihen um die Längsachse 33.
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Die mittlere Rohrbündelkomponente 51 hat eine Erstreckung in radialer Abmessung zur Längsachse 33, welche etwa die Hälfte der entsprechenden Erstreckung der äußeren Rohrbündelkomponente 50 beträgt. Die Rohre 22 der mittleren Rohrbündelkomponente 51 haben einen größeren Durchmesser als die Rohre 27 der der äußeren Rohrbündelkomponente 50. Die Rohre 22 verlaufen in drei konzentrischen Rohrreihen zur Längsachse 33.
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Die innere Rohrbündelkomponente 52 weist Rohre 20 auf, die ebenfalls in drei konzentrischen Rohrreihen zur Längsachse 33 verlaufen. Die Rohre 20 haben einen größeren Durchmesser als die Rohre 22 der mittleren Rohrbündelkomponente 51. Deren Rohre 22 haben einen Durchmesser, der ebenfalls größer als der Durchmesser der Rohre 27 der äußeren Rohrbündelkomponente 50 ist. Je nach Prozessbedarf kann diese Durchmesserrelation genau in der umgekehrten Reihenfolge realisiert oder in radialer Richtung gesehen eine Mischung aus aufeinander folgenden zunehmenden und abnehmenden Durchmessern der Rohrbündelkomponenten 52, 51, 50 sein.
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Die Rohre 20, 22, 27 sind in der Rohrbündelkomponente 50, 51, 52 nach Art eines Mauerverbundes, das heißt sozusagen auf Lücke zueinander, angeordnet. Der Abstand zweier benachbarter Rohre 20, 22, 27 in einer Rohrbündelkomponente 52, 51, 50 hat einen Minimumabstand des 1,05-fachen Rohrdurchmessers vom Zentrum eines Rohres 20, 22, 27 zum Zentrum des benachbarten Rohres 20, 22, 27. Prozessbedingt sowie konstruktiv bedingt kann dieser vergrößert werden.
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Der Abstand der Rohre 20 der inneren Rohrbündelkomponente 52 beträgt etwa das 1,8- bis 2,0-fache des Rohrdurchmessers. Der Abstand der Rohre 22 der mittleren Rohrbündelkomponente 51 beträgt etwa das 1,1- bis 1,3-fache des Rohrdurchmessers. Der Abstand der Rohre 27 der äußeren Rohrbündelkomponente 50 beträgt etwa das 1,8- bis 2-fache des Rohrdurchmessers.
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Oben wurde ein Rohrbündel 2 aus Rohrbündelkomponenten 50, 51, 52 beschrieben, wobei jede Rohrbündelkomponente 50, 51, 52 eine versetzte Anordnung der Rohre 20, 22, 27 bei rohrfreier Mitte und rohrfreiem Außenring hat (Mauerverbund). Eine weitere Möglichkeit zur Anordnung der Rohre 20, 22, 27 relativ zueinander im Rahmen der Erfindung ist eine spezielle Variante der versetzten Anordnung, nämlich das Anordnen von - von der Längsachse 33 aus gesehen - hintereinander positionierten Rohrreihen derart, dass die Rohre 20, 22, 27 auf einer gekrümmten Bahn 28 angeordnet sind. Diese Anordnung wird erreicht, wenn ein Mauerverbund mit Rohren 20, 22, 27 aufgebaut wird, deren Mittelpunkte auf konzentrischen Kreisen um die Längsachse 33 positioniert sind. In 4 sind als gepunktete Linien solche gekrümmte Bahnen 28 für die innere und äußere Rohrbündelkomponente 52, 50 markiert.
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Die erfindungsgemäße Rohrbündelkomponente 50, 51, 52, 53, 54 weist in einer bevorzugten entsprechenden Ausführungsform zumindest eine Rohrbündelkomponente 50, 51, 52, 53, 54 auf, in welcher Rohre 20, 22, 27 mit ihren Mittelpunkten auf zumindest drei zur Längsachse 33 konzentrischen Kreisen derart angeordnet sind, dass die Verbindungslinie der Mittelpunkte eines Rohres 20, 22, 27 eines Kreises zu einem Rohr 20, 22, 27 des Kreises mit dem nächstgrößeren Durchmesser bei Weiterführung zu einem benachbarten Rohr 20, 22, 27 eines nächsten Kreises mit größerem Durchmesser eine gekrümmte Bahn 28 ergibt. Damit schafft die Erfindung die Möglichkeit, die Rohre 20, 22, 27 auf einander benachbarten Kreisen besonders eng zu packen, denn der Abstand der Kreise, auf denen die Mittelpunkte der Rohre 20, 22, 27 angeordnet sind, kann bei passend dimensioniertem Rohrabstand auch geringer gewählt werden als der Rohrradius. Derartige Rohranordnungen sind in den Rohrbündeln 2 verwirklicht, die in den 7 bis 12 dargestellt sind.
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Im Rahmen der Erfindung können die Rohre 20, 22, 27 in einer Rohrbündelkomponente 50, 51, 52, 53, 54 jedoch auch fluchtend zueinander angeordnet sein. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, fluchtende und versetzte Rohranordnungen miteinander zu kombinieren. Eine derartige Kombination kann innerhalb einer einzigen Rohrbündelkomponente 50, 51, 52, 53, 54 vorliegen. Des Weiteren können Rohrbündelkomponenten 50, 51, 52, 53, 54 mit versetzter Rohranordnung mit solchen mit fluchtender Rohranordnung in einem Rohrbündel 2 kombiniert sein. Dabei können sich die Rohrabstände in jeder Rohrbündelkomponente 50, 51, 52, 53, 54 voneinander unterscheiden. Beispiele für fluchtende und versetzte Rohranordnungen sind in 5 dargestellt. In 5A ist auf der linken Seite eine fluchtende Anordnung von Rohren 20 gezeigt, in welcher die Mittelpunkte benachbarter Rohre 20 in einer Rohrreihe auf einer Geraden liegen. Ebenso liegen die Mittelpunkte benachbarter Rohre 20 von unmittelbar aufeinander folgenden Rohrreihen jeweils auf einer Geraden. Jedes Rohr 20 ist somit der Mittelpunkt eines Kreuzes mit orthogonalen Armen, auf dessen Armen die benachbarten 20 Rohre liegen.
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Bei der in 5A auf der rechten Seite dargestellten versetzten Rohranordnung definieren zwei einander benachbarte Rohre 20 einer Rohrreihe einen Abstand, wobei in der folgenden Rohrreihe die Rohre 20 an der Stelle angeordnet sind, welche einen halben Abstand entfernt von einem Rohr 20 der vorausgegangenen und nachfolgenden Rohrreihe in der Reihe positioniert ist. Die Rohre 20 sind also nach Art eines Mauerverbundes auf Lücke angeordnet.
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In 6 ist eine offene perspektivische Darstellung einer Kammer eines Rohrbündelwärmeübertragers 1 mit einem Rohrbündel 2 dargestellt, welches drei Rohrbündelkomponenten 50, 51, 52 aufweist. Deren Rohre 20 haben denselben Rohrdurchmesser, jedoch ist die Anzahl der Rohre 20 pro Querschnittsfläche der inneren Rohrbündelkomponente 52 geringer.
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Im Betrieb tritt das Mantelraumfluid M durch den zentralen Kanal 21 ein und umströmt nacheinander die Rohre 20 der inneren Rohrbündelkomponente 52, der mittleren Rohrbündelkomponente 51 und der äußeren Rohrbündelkomponente 50. Dann passiert das Mantelraumfluid M im äußeren Kanal 23 das Umlenkblech 32 und umströmt auf seinem Weg zurück in den zentralen Kanal 21 die Rohre 20 der genannten Rohrbündelkomponenten in umgekehrter Reihenfolge, bevor es aus dem inneren Kanal 21 austritt.
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In 7 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rohrbündels 2 im Querschnitt dargestellt. Es erstreckt sich entlang der Längsachse 33 und weist einen inneren Kanal 21 auf. Zwischen der äußersten Rohrreihe des Rohrbündels 2 und der Innenseite der Mantelfläche 31 verläuft der äußere Kanal 23. Das Rohrbündel 2 umfasst zwei Rohrbündelkomponenten 50, 51. Diese sind konzentrisch zueinander um die Längsachse 33 positioniert.
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Die Rohrbündelkomponenten 50, 51 haben jeweils eine kreisringförmige Querschnittsfläche. Senkrecht zu dieser Querschnittsfläche verlaufen Rohre 20.
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Die Rohre 20 der inneren Rohrbündelkomponente 51 verlaufen in drei konzentrischen Rohrreihen zur Längsachse 33. Der Abstand der Rohre 20 der inneren Rohrbündelkomponente 51 beträgt etwa das 0,95- bis 1,05-fache des Rohrdurchmessers.
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Im Anschluss an die dritte Rohrreihe der inneren Rohrbündelkomponente radial in Richtung nach außen gesehen befindet sich ein Bereich ohne Rohre 20. Dieser entspricht in seiner radialen Abmessung in etwa einer Rohrreihe. Ein derartiger Freiraum kann bei modularem Aufbau des Rohrbündels 2 aus miteinander lösbar verbindbaren Rohrbündelkomponenten 50, 51, 52, 53, 54 etwa als Montagefläche genutzt werden, in welcher Befestigungsmittel wie zum Beispiel Flanschverbindungen angebracht werden können (in den Figuren nicht dargestellt). Anschließend an den Freiraum ist die äußere Rohrbündelkomponente 50 angeordnet. In dieser sind die Rohre 20 deutlich dichter gepackt als in der inneren Rohrbündelkomponente 51. Der Abstand der Rohre 20 in der äußeren Rohrbündelkomponente 50 beträgt etwa das 0,05- bis 0,1-fache des Rohrdurchmessers.
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In 8 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rohrbündels 2 im Querschnitt dargestellt, welches fünf radial sequentiell angeordnete Rohrbündelkomponenten 50, 51, 52, 53, 54 mit jeweils kreisringförmiger Querschnittsfläche umfasst. Der Abstand der Rohrreihen voneinander ist in der äußeren, mittleren und inneren Rohrbündelkomponente 50, 52, 54 gleich. Allerdings ist die Anzahl der Rohre 20 pro Reihe in der inneren Rohrbündelkomponente 54 deutlich geringer als in der äußeren Rohrbündelkomponente 50.
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In der in 8 gezeigten Ausführungsform des Rohrbündels 2 wechseln sich berohrte und nicht berohrte Zonen radial von der Längsachse 33 aus gesehen ab. Dadurch werden zwischen der äußeren und der mittleren Rohrbündelkomponente 50, 52 sowie zwischen der mittleren und der inneren Rohrbündelkomponente 52, 54 rohrfreie Zone geschaffen, welche ebenfalls als Rohrbündelkomponente 51, 53 bezeichnet werden können. Diese haben eine Rohrdichte von Null. Diese Zonen helfen bei einem modularen Aufbau und Montage der Wärmetauscher sowie der besseren Wartung und einer spätere Ertüchtigung der Anlage.
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In 9 ist eine offene perspektivische Darstellung einer Kammer eines Rohrbündelwärmeübertragers mit Rohrböden 25, 26 für ein Rohrbündel 2 gemäß der in 6 dargestellten Ausführungsform mit zwei Rohrbündelkomponenten 50, 51 dargestellt. Jedoch sind nicht in alle Öffnungen Rohre 20 eingesetzt, vielmehr wird ein Bereich von Rohren 20 freigehalten. Dieser Bereich stellt eine Verbindungszone 4 dar, durch welche im Betrieb das Mantelraumfluid M durch entsprechende Zu- und Abführstutzen 250, 260 (vergleiche 1, nicht dargestellt in 9) in den inneren Kanal 21 um die Längsachse 33 eingeleitet beziehungsweise aus diesem abgezogen werden kann.
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Im Betrieb tritt das Mantelraumfluid M durch die Verbindungszone 4 in den zentralen Kanal 21 ein und umströmt nacheinander die Rohre 20 der inneren Rohrbündelkomponente 51 und der äußeren Rohrbündelkomponente 50. Dann passiert das Mantelraumfluid M im äußeren Kanal 23 das Umlenkblech 32 und umströmt auf seinem Weg zurück in den zentralen Kanal 21 die Rohre 20 der genannten Rohrbündelkomponenten 50, 51 in umgekehrter Reihenfolge, bevor es aus dem inneren Kanal 21 durch die Verbindungzone 4 wieder austritt.
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In 10 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rohrbündels 2 im Querschnitt dargestellt, welches vier Rohrbündelkomponenten 51, 52, 53, 54 mit jeweils ringförmiger Querschnittsfläche eines Dreiviertelkreises umfasst. Der zum Vollkreis ausgesparte Bereich bildet die Verbindungszone 4, die den inneren Kanal 21 und den äußeren Kanal 23 (in 10 nicht dargestellt) direkt miteinander verbindet. Der Abstand der Rohre 20 voneinander nimmt von innen nach außen von einer Rohrbündelkomponente 51, 52, 53, 54 zur nächstfolgenden ab. Die größte Rohrdichte hat die äußere Rohrbündelkomponente 51.
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Die Rohrbündelkomponenten 50, 51, 52, 53, 54 der oben beschriebenen Ausführungsformen erlauben in radialer Richtung in Bezug auf die Längsachse 33 einen Aufbau des Rohrbündels 2 nach dem Baukastenprinzip. Dies wird im Rahmen der Erfindung auch in Richtung parallel der Längsachse 33 ermöglicht, was gerade in Bezug auf Ausführungsformen mit Verbindungszone 4 eine besonders einfache Konstruktion erlaubt. Zudem wird über die Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Rohrbündels 2 mit mehreren Rohrbündelmodulen 200 ein weiterer Freiheitsgrad im Aufbau und der Berohrung des Rohrbündels 2 geschaffen.
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In 11 ist ein Rohrbündel 2 im Mantelraum 3 einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1 im Querschnitt dargestellt. Hinsichtlich der radialen Unterteilung in Rohrbündelkomponenten entspricht dieses Rohrbündel 2 dem in 6 dargestellten Rohrbündel 2. Das Rohrbündel 2 ist aus vier Rohrbündelmodulen 200 zusammengesetzt, welche sich parallel zur Längsachse 33 erstrecken. Die vier Rohrbündelmodule 200 sind derart im Rohrboden montiert, dass sie sich zu einem in Umfangsrichtung geschlossenen Rohrbündel 2 ergänzen. Im gezeigten Beispiel hat jedes der vier Rohrbündelmodule 200 einen im Wesentlichen viertelkreisringförmigen Querschnitt. Im Rahmen der Erfindung können auch Rohrbündelmodule 200 mit Querschnittsflächen, welche jeweils in Umfangsrichtung in Bezug auf die Längsachse 33 gesehen unterschiedliche Anteile eines Vollkreisringes abdecken, miteinander zu einem Rohrbündel 2 kombiniert werden.
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Im Rahmen der Erfindung können beispielsweise auch drei Rohrbündelmodule 200 der in 11 dargestellten Ausführungsform zu einem Rohrbündel 2 verbunden werden, welches dann anstelle des vierten Rohrbündelmoduls 200 eine Verbindungszone 4 aufweist. Diese Bauform entspricht im Prinzip der in 10 dargestellten Ausführungsform. Die Unterteilung in vier Rohrbündelmodule 200 beziehungsweise die Ausführungsform mit einer Verbindungszone 4 mit viertelkreisringförmigem Querschnitt ist beispielhaft zu verstehen; im Rahmen der Erfindung können größere und kleinere Unterteilungen der Vollkreisringquerschnittsfläche des Rohrbündels 2 gewählt werden und/oder auch mehrere Verbindungszonen 4 im Rohrbündel 2 angeordnet werden.
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Des Weiteren ist es im Rahmen der Erfindung möglich, Einfluss auf die Strömung des Mantelraumfluids M dadurch zu nehmen, dass das Rohrbündel 2 mit seiner Längsachse versetzt zu der Längsachse 33 des Mantelraums 3 angeordnet wird. Eine derartige exzentrische Anordnung des Rohrbündels 2 im Mantelraum 3 ist in 12 dargestellt.
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Der Abstand des äußeren Randes 24 des Rohrbündels 2 zur Innenseite der Mantelfläche 31 nimmt im Uhrzeigersinn gesehen bei der in 12 dargestellten Ausführungsform von oben mittig aus betrachtet zunächst zu, bis er sein Maximum unten in der Mitte erreicht und entsprechend wieder abnimmt bis zum Minimum oben in der Mitte. Mit einer exzentrischen Anordnung des Rohrbündels 2 zur Zentralachse 33 kann die Fluidverteilung optimiert werden, besonders, wenn Gas als Matelraumfluid M nicht durch den Zentralkanal 21, sondern direkt durch Mantel in das Rohrbündel 2 strömt. Damit schafft die Erfindung die Möglichkeit, auch auf konstruktive Besonderheiten eingehen zu können.
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Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Beispiele beschränkt ist, sondern vielmehr in vielfältiger Weise variiert werden kann. Insbesondere können die Merkmale der einzeln dargestellten Beispiele auch miteinander kombiniert oder gegeneinander ausgetauscht werden. Dies gilt insbesondere für die Rohrdichte, den Außendurchmesser der Rohre 20, 22, 27 und den Abstand der Rohre 20, 22, 27 voneinander in miteinander kombiniert dargestellten Rohrbündelkomponenten 50, 51, 52, 53, 54. Gerade hinsichtlich dieser Parameter besteht im Rahmen der Erfindung Freiheit in der Gestaltung eines aus mehreren Rohrbündelkomponenten 50, 51, 52, 53, 54 aufgebauten Rohrbündels 2, so dass für jeden in der Praxis interessierenden Anwendungsfall die optimale Berohrung gewählt werden kann. Dies gilt sowohl für Ausführungsformen mit als auch ohne Verbindungszone 4.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rohrbündelwärmeübertrager, Rohrbündelwärmetauscher, Wärmetauscher
- 11
- Kammer, erste Kammer
- 12
- letzte Kammer
- 13
- Zuführung für Mantelraumfluid, Zuführungseinrichtung
- 14
- Abführung für Mantelraumfluid, Abführungseinrichtung
- 2
- Rohrbündel
- 20, 22, 27
- Rohr
- 21
- innerer Kanal, insbesondere zentraler Kanal
- 23
- äußerer Kanal
- 24
- äußerer Rand des Rohrbündels
- 200
- Rohrbündelmodul
- 25
- erster Rohrboden
- 26
- zweiter Rohrboden
- 28
- gekrümmte Bahn
- 250
- Zuführkammer
- 260
- Abführkammer
- R
- Rohrraummedium, insbesondere Rohrraumfluid
- M
- Mantelraummedium, insbesondere Mantelraumfluid
- 3
- Mantelraum
- 31
- Mantelfläche
- 32
- Leitblech, Umlenksegment für das Mantelraumfluid, insbesondere Umlenkblech
- 33
- Längsachse, insbesondere Zentralachse
- 4
- Verbindungszone
- 50 bis 54
- Rohrbündelkomponente