Die Erfindung betrifft einen Rohrbündelwärmeübertrager gemäß Anspruch 1. 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.

Ein derartiger Wärmetauscher gemäß dem Stand der Technik ist in Figur 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. 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.

Der nächste Schritt in der Entwicklung von

Rohrbündelwärmetauschern war ein sogenannter radial

durchströmter Apparat. Ein derartiger Wärmeübertrager ist in Figur 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.

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 . Als Nachteil des Radialrohrbündelwärmetauschers nimmt man in Kauf, entweder eine komplizierte Kopf- und Endhaube zu konstruieren, indem sowohl Eintritts- als auch

Austrittsstutzen für mantelseitige sowie rohrseitige

Stutzen für die Fluidströmung durch das Rohrbündel

integriert sind. Oder es müssen die Stutzen für den

Fluidein- bzw. austritt auf der Mantelseite direkt auf den Mantel aufgebracht werden, was zu Lasten einer

gleichmäßigen Strömung in der entsprechenden Eintritts ^¬ beziehungsweise Austrittskammer geht.

Aufgabe der Erfindung ist, eine gleichmäßige Strömung vom Zentralkanal nach außen hin zur Mantelfläche

beziehungsweise vom Raum zwischen dem Mantel des

Wärmetauschers um die Rohrbündel herum zum Zentralkanal hin, und gleichzeitig eine konstruktiv einfache Fluidzufuhr in den und Fluidabfuhr aus dem Mantelraum zu ermöglichen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, den

mantelseitigen Druckverlust eines

Rohrbündelwärmeübertragers gegenüber einem solchen mit vergleichbarer Wärmeübertragungsleistung bereit zu stellen. Des Weiteren ist es eine Aufgabe der Erfindung, bei

vergleichbarer Wärmeübertragungsleistung die Baugröße eines Rohrbündelwärmeübertragers verringern zu können.

Diese Aufgaben werden auf überraschend einfache Weise gelöst mit einem Rohrbündelwärmeübertrager gemäß

Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung stellt einen Rohrbündelwärmeübertrager zur Verfügung, in welchem in einem Mantelraum ein Rohrbündel aus mehreren Rohren mit zumindest einem Rohrboden

angeordnet ist, welcher nach außen von einer Mantelfläche begrenzt wird und eine zentral im Mantelraum verlaufende Längsachse hat, wobei die Anordnung der Rohre im Rohrbündel einen Rohrspiegel definiert, welcher einen von Rohren freien inneren Kanal um die Längsachse und einen von Rohren freien äußeren Kanal zwischen dem äußeren Rand des

Rohrbündels und der Mantelfläche aufweist, wobei gemäß der Erfindung der Rohrspiegel zwischen innerem und äußeren Kanal zumindest eine Verbindungszone aufweist, durch welche im Betrieb des Rohrbündelwärmeübertragers Fluid in den Mantelraum eintritt und/oder aus dem Mantelraum austritt.

Am Beispiel der Grundform eines Radial-Rohrbündel- Wärmetauschers sei im Folgenden die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Lösung näher erläutert. Bei einem

zylinderförmigen Wärmetauscher sind die Rohre einem

Rohrspiegel mit Kreisquerschnitt im Prinzip radial

zueinander angeordnet. Das Rohrbündel ist dabei so

ausgebildet, dass es kein komplettes Ringbündel bildet, sondern mittels der Verbindungszone ein wie auch immer geartetes Segment des Kreisquerschnitts des Rohrspiegels von der Rohrbesetzung ausgespart ist. Dadurch werden die Vorteile eines klassischen Rohrbündel-Wärmetauschers, insbesondere so genannter Kreuzströmer, mit einem radialen Rohrbündelwärmetauscher kombiniert. Die Erfindung

ermöglicht so eine bessere Wärmeübertragung mit

Verringerung des Druckverlusts im Mantelraum. Durch den erfindungsgemäßen Wärmeübertrager werden im Betrieb zudem geringere mechanische Belastungen des Wärmetauschers im Vergleich zum klassischen Rohrbündelwärmeübertrager

realisiert, ohne dass eine kompliziert aufgebaute Kopf- und Endhaube erforderlich ist. Vielmehr 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.

Schlagwortartig ausgedrückt wird mit dem erfindungsgemäßen Rohrbündelwärmeübertrager 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.

Der Mantelraum wird nach außen im wesentlichen parallel zur Einhüllenden um das Rohrbündel von der Mantelfläche

begrenzt. Das Rohrbündel kann im Rahmen der Erfindung dabei grundsätzlich eine beliebige äußere Form haben.

Insbesondere kann die äußere Begrenzung des Rohrbündels im Querschnitt gesehen von einem Kreis, einem Polygon, beispielsweise einem Rechteck, vorzugsweise einem Quadrat, oder einer Ellipse eingehüllt werden.

Die Rohre des Rohrbündels sind insbesondere allein durch die Mantelfläche in einer Richtung senkrecht zu ihrer

Längsachse beziehungsweise zur Längesachse des

Rohrbündelwärmeübertragers eingehaust, so dass im Betrieb des Rohrbündelwärmeübertragers das komplette Rohrbündel zwischen innerem Kanal und äußerem Kanal frei umströmbar ist. Das Rohrbündel ist in der Regel mit seinem ersten Rohrboden an eine Zuführkammer für die Zuführung eines im Betrieb des Rohrbündelwärmeübertragers durch die Rohre strömenden Rohrraummediums und mit seinem zweiten Rohrboden an eine Abführkammer für die Abführung eines im Betrieb des Rohrbündelwärmeübertragers durch die Rohre strömenden

Rohrraummediums gekoppelt, so dass die Rohre sich in die Zu- beziehungsweise Abführkammer öffnen. In einer

speziellen Ausführungsform können die Rohre der Rohrbündels auch nur von einem einzigen Rohrboden gehalten werden und dabei zwischen ihren beiden Durchtritten durch den

Rohrboden eine Umlenkung aufweisen, beispielsweise U-Förmig gebogen sein. Dann können Zu- und Abführkammer einander benachbart in einer einzigen Endhaube untergebracht sein.

Die "Verbindungszone" des erfindungsgemäßen

Rohrbündelwärmeübertragers ist der Bereich, in welchem der Strömungswiderstand für das Mantelraumfluid gegenüber dem Strömungswiderstand für das radiale Umströmen des

Rohrbündels reduziert ist. In diesem Bereich ist die

Packungsdichte der Rohre im Rohrbündel reduziert.

Insbesondere kann der Bereich der Verbindung im Rohrspiegel frei von Rohren sein. Die Anzahl der Rohrdurchtritte durch eine Fläche senkrecht zur Längsachse ist in der

Verbindungszone geringer als im außerhalb der

Verbindungszone gelegenen Bereich des Rohrspiegels.

Die Formulierung, dass durch die Verbindungszone im Betrieb Fluid in den Mantelraum eintritt "und/oder" aus dem

Mantelraum austritt, adressiert eine Bauform im Rahmen der Erfindung, wonach der Wärmeübertrager mehrere Kammern aufweisen kann, so dass in einer ersten Kammer durch die Verbindungszone die Zufuhr von Mantelraumfluid und in einer letzten Kammer durch die Verbindungszone die Abfuhr von Mantelraumfluid aus dem Wärmeübertrager erfolgen kann. Hat der Wärmeübertrager eine einzige Kammer, sind erste und letzte Kammer identisch und das Mantelraumfluid strömt allein durch diese hindurch.

In einer konstruktiv einfachen Ausführungsform sind die Rohre des Rohrbündels mit ihrer Längserstreckung parallel zu der Längsachse ausgerichtet angeordnet. Die parallele Ausrichtung der Rohre ist nicht zwingend, beispielsweise können die Rohre auch jeweils auf einer Spiralbahn um die Längsachse im Mantelraum verlaufen .

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 Abführkammer zum Anschluss an den Eintritt in die Zuführkammer 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.

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. Im Betrieb des Rohrbündelwärmeübertragers tritt das

Mantelraumfluid in die erste Kammer ein, welche außer durch die Mantelfläche und den Rand der Verbindungszone zwischen innerem und äußerem Kanal des Rohrspiegels 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.

Einen konstruktiv einfachen Anschluss an vor- beziehungsweise nachgelagerte Apparate wird gemäß der Erfindung dadurch ermöglicht, dass der

Rohrbündelwärmeübertrager eine Zuführungseinrichtung für Mantelraumfluid in den inneren oder in den äußeren Kanal und eine Abführungseinrichtung für Mantelraumfluid aus dem äußeren oder aus dem inneren Kanal aufweist, wobei die Verbindungszone zwischen innerem und äußerem Kanal ein integraler Bestandteil der Zuführungseinrichtung

beziehungsweise der Abführungseinrichtung ist.

Bei einer ungeraden Anzahl von Kammern ist in Bezug auf die Längsachse die Strömungsrichtung des Mantelraumfluids durch die Zuführungs- und durch die Abführungseinrichtung

dieselbe. Das heißt, durch die Zu- und durch die Abführung fließt das Mantelraumfluid auf die Längsachse zu oder von ihr weg. Bei einer geraden Anzahl von Kammern ist in Bezug auf die Längsachse die Strömungsrichtung des Mantelraumfluids durch die Zuführungseinrichtung der Strömungsrichtung durch die Abführungseinrichtung entgegengesetzt. Das heißt, durch die Zuführung fließt das Mantelraumfluid auf die Längsachse zu (von der Längsachse weg) , und durch die Abführung fließt das Mantelraumfluid von der Längsachse weg (auf die

Längsachse zu) .

Im Rahmen der Erfindung kann das Rohrbündel insbesondere einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, so dass in konstruktiv einfacher Weise ein innerer Aufbau des

Wärmeübertragers realisiert wird, der im Betrieb eine besonders gleichmäßige Umströmung der Rohre vom

Mantelraumfluid gewährleistet.

Das Rohrbündel kann dabei konzentrisch zur Längsachse angeordnet sein. In einer Weiterbildung der Erfindung ist das Rohrbündel exzentrisch zur Längsachse angeordnet, wodurch über die Positionierung des Rohrbündels eine zusätzliche Möglichkeit geschaffen wird, die Strömung im Mantelraum zu beeinflussen.

Die Verbindungszone weist 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.

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 Verbindungs zone schaffen. Der Querschnitt der Verbindungszone ist die vom Mantelraumfluid durchströmte Fläche, wenn dieses zwischen dem inneren und dem äußeren Kanal strömt.

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. Beispiele für die Gestaltung der Geometrie der

Verbindungszone werden unten anhand der beigefügten Figuren näher beschrieben.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der

Erfindung ist das Rohrbündel aus zumindest zwei,

vorzugsweise drei oder vier oder fünf, Rohrbündelmodulen zusammengesetzt. So wird ein Aufbau eines gewünschten Rohrbündels unter Realisierung der erfindungsgemäßen

Verbindungszone mit vorgefertigen Modulen nach dem

Baukastenprinzip ermöglicht. 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 Verbindungs zone 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. Insbesondere umfasst nach dieser Ausführungsform ein Rohrbündelmodul 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. Die Erfindung stellt auch ein Rohrbündel für einen oben beschriebenen Rohrbündelwärmeübertrager zur Verfügung. Ein derartiges Rohrbündel 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. 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 (H ₂ S0 ₄ ) .

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:

Figur 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) ,

Figur 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,

Figur 3 eine schematische offene perspektivische

Darstellung eines erfindungsgemäßen

Rohrbündelwärmetauschers mit einer Kammer,

Figur 4 eine schematische offene perspektivische

Darstellung eines erfindungsgemäßen

Rohrbündelwärmetauschers mit zwei Kammern,

Figur 5 eine schematische offene perspektivische

Darstellung eines erfindungsgemäßen

Rohrbündelwärmetauschers mit drei Kammern,

Figur 6 eine schematische offene perspektivische

Darstellung eines erfindungsgemäßen

Rohrbündelwärmetauschers mit vier Kammern, Figur 7 eine schematische perspektivische Außenansicht des Mantelraums mit Zu- und Abführeinrichtungen des in Figur 6 dargestellten

Rohrbünde1wärmetausehers ,

Figur 8 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts einer weiteren Ausführungsform des

erfindungsgemäßen Rohrbünde1wärmetausehers , Figur 9 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts einer weiteren Ausführungsform des

erfindungsgemäßen Rohrbünde1wärmetausehers ,

Figur 10 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts einer weiteren Ausführungsform des

erfindungsgemäßen Rohrbünde1wärmetausehers , Figur 11 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Rohrbündel gemäß einer weiteren

Ausführungsform des erfindungsgemäßen

Rohrbünde1wärmetausehers , Figuren 12 bis 30

schematische Darstellungen jeweils eines Querschnitts durch ein Rohrbündel gemäß jeweils einer weiteren Ausführungsform des

erfindungsgemäßen Rohrbünde1wärmetausehers ,

Figur 31 eine schematische offene perspektivische

Darstellung eines erfindungsgemäßen

Rohrbündelwärmetauschers mit einer Kammer (oben) , bei welchem der Mantel exzentrisch zum Rohrbündel angeordnet ist, und die korrespondierende Ansicht im Querschnitt (unten) .

In den Figuren ist zur Veranschaulichung teilweise die Strömungsrichtung des Mantelraumfluids und des

Rohrraumfluids durch Pfeile angedeutet, wie sie im Betrieb des erfindungsgemäßen Rohrbündelwärmeübertragers

prinzipiell erfolgt.

Der Rohrspiegel kann gemäß der Erfindung im einfachsten Fall eine radiale Form haben, das heißt, kreisförmig sein, wobei aber Rohre nicht über den gesamten Umfang des Kreises angeordnet sind. Über einen freistehenden Spalt der

Verbindungszone kann das Mantelraumfluid in den

Zentralkanal des Wärmetauschers strömen. Von dort fließt das Fluid radial um die Rohre herum Richtung Mantel des Wärmetauschers. Bei einem Rohrbündelwärmeübertrager mit mehreren Kammern strömt das Fluid von dort parallel zur Mantelwand in die nächste Kammer, wo es wieder radial über das Rohrbündel zum Zentralkanal des Wärmetauschers strömen kann. So wird das Fluid zum Zentralkanal der nächsten

Kammer geleitet. Die Position der Stutzen als Zuführ- und Abführeinrichtung für das Mantelraumfluid sowie der Haube folgen dem gleichen Prinzip wie dem eines klassischen

Rohrbündelwärmetauschers mit dem Unterschied, dass der Rohrspiegel nach dem Prinzip eines

Radialrohrbündelwärmetauschers aufgebaut ist.

In den Figuren 3 bis 10 ist die oben grundsätzlich

erläuterte Funktionsweise des erfindungsgemäßen

Rohrbündelwärmeübertragers anhand unterschiedlicher

Beispiele illustriert.

In Figur 3 ist ein Wärmeübertrager mit einer Kammer

dargestellt. Das rohrseitige Fluid tritt über die in der ebenen Wiedergabe der perspektivischen Darstellung links nach hinten mündende Haube ein, wird auf die Rohre verteilt und tritt durch die rechts nach vorne mündende Haube wieder aus. Das Mantelraumfluid wird durch eine m der ebenen Wiedergabe der perspektivischen Darstellung unten liegende Öffnung in die Verbindungszone zugeführt und tritt nach seiner Passage des Mantelraums durch eine oben liegende Öffnung aus dem Wärmeübertrager aus. Die Geometrie der Verbindungszone wird neben der Länge des Mantelraums der Kammer, welche mit der Eintritts- beziehungsweise

Abführeinrichtung für das Mantelramfluid in Verbindung steht, bestimmt durch die Breite dieser Kammer und die Abmessung und Positionierung der beiden flächig schwarz dargestellten seitlichen Begrenzungen der Verbindungszone.

In Figur 4 ist eine weitere Ausführungsform des

erfindungsgemäßen Rohrbündelwärmübertragers gezeigt, welcher zwei Kammern hat, die über ein Leitblech im

Rohrspiegel getrennt werden. Das Mantelraumfluid wird durch eine in der ebenen Wiedergabe der perspektivischen

Darstellung rechts unten liegende Öffnung in die

Verbindungszone zugeführt und von dort in den inneren Kanal zugeführt. Nach seiner Passage der ersten Kammer des

Mantelraums tritt es durch den vom Leitblech frei

gelassenen äußeren Kanal in die zweite Kammer über und durchströmt dort den Rohrspiegel von außen nach innen in den inneren Kanal. Von dort verläßt das Mantelraumfluid den inneren Kanal in die Verbindungszone und tritt durch die in der perspektivischen Darstellung links unten liegende

Öffnung aus dem Wärmeübertrager aus.

Zwischen den beiden Kammern der in Figur 4 dargestellten Ausführungsform können weitere Kammern angeordnet werden, um die Wärmeaustauschfläche zu erhöhen. In Figur 5 ist ein entsprechender Wärmeübertrager mit einer solchen zusätzlichen Kammer dargestellt. In Figur 6 ist ein

entsprechender Wärmeübertrager mit zwei solchen

zusätzlichen Kammern dargestellt.

Figur 7 zeigt eine Außenansicht auf den Mantelraum der in Figur 6 dargestellten Ausführungsform. Eine Zu- und eine Abführeinrichtung für das Mantelraumfluid ist jeweils in Form einer Haube auf den Mantelraum aufgesetzt, dessen Mantelfläche entsprechende Ausnehmungen aufweist, um den Durchtritt des Mantelraumfluids aus der Zuführeinrichtung in die Verbindungszone der ersten Kammer und aus der

Verbindungszone der letzten Kammer in die Abführeinrichtung zu ermöglichen.

In Figur 8 ist ein Längsschnitt durch einen

Rohrbündelwärmeübertrager mit zwei Kammern dargestellt. Bei dieser Ausführungsform erfolgt die Zufuhr des

Mantelraumfluids in Richtung auf die Papierebene zu in den inneren Kanal der ersten Kammer, welche in der Darstellung in Figur 8 unten liegt. Nach Passage des Rohrbündels in der ersten Kammer strömt das Mantelraumfluid im äußeren Kanal um das Leitblechherum und passiert von außen nach innen das Rohrbündel der zweiten Kammer, welche in der Darstellung in Figur 8 oben liegt. Die Abfuhr des Mantelraumfluids erfolgt durch die Verbindungszone hin zur Abführeinrichtung in Richtung aus der Papierebene heraus aus dem inneren Kanal der zweiten Kammer. Über oben und unten in der Darstellung in Figur 8 schematisch wiedergegebenen Endhauben wird das Rohrseitige Fluid in den Wärmeübertrager eingebracht und aus diesem entnommen. In der in Figur 9 gezeigten Variante eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers erfolgt die Abfuhr des Mantelraumfluids erfolgt direkt aus dem inneren Kanal der zweiten Kammer heraus durch eine zentral angeordnete Abführeinrichtung.

Bei der in Figur 10 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers ist die

Strömungsrichtung des Mantelraumfluids gegenüber der in Figur 9 gezeigten Darstellung umgekehrt; die Zufuhr des Mantelraumfluids erfolgt direkt in den inneren Kanal der dann zuerstdurchströmte Kammer durch eine zentral

angeordnete Zuführeinrichtung. Die Abfuhr des

Mantelraumfluids erfolgt in Richtung aus der Papierebene heraus aus dem inneren Kanal der dann als zweites

durchströmten Kammer über die Verbindungszone in die Abführeinrichtung

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 .

Innerhalb des Rohrspiegels können die Rohre relativ zueinander fluchtend oder versetzt zueinander angeordnet sein. Eine weitere Möglichkeit zur Anordnung der Rohre relativ zueinander im Rahmen der Erfindung ist eine spezielle Variante der versetzten Anordnung, nämlich das Anordnen von - von der Längsachse aus gesehen - hintereinander positionierten Rohrreihen derart, dass die Rohre auf einer gekrümmten Bahn angeordnet sind. Diese Anordnung wird erreicht, wenn ein Mauerverbund mit Rohren aufgebaut wird, deren Mittelpunkte auf konzentrischen

Kreisen um die Längsachse positioniert sind. In den Figuren sind als gepunktete Linien solche gekrümmte Bahnen 28 markiert .

Das erfindungsgemäße Rohrbündel weist in einer bevorzugten entsprechenden Ausführungsform zumindest ein Segment auf, in welchem Rohre mit ihren Mittelpunkten auf zumindest drei zur Längsachse konzentrischen Kreisen derart angeordnet sind, dass die Verbindungslinie der Mittelpunkte eines Rohres eines Kreises zu einem Rohr des Kreises mit dem nächstgrößeren Durchmesser bei Weiterführung zu einem benachbarten Rohr eines nächsten Kreises mit größerem

Durchmesser eine gekrümmte Bahn 28 ergibt. Damit schafft die Erfindung die Möglichkeit, die Rohre auf einander benachbarten Kreisen besonders eng zu packen, denn der Abstand der Kreise, auf denen die Mittelpunkte der Rohre angeordnet sind, kann bei passend dimensioniertem

Rohrabstand auch geringer gewählt werden als der

Rohrradius. Derartige Rohranordnungen sind in den

Rohrbündeln verwirklicht, die in den Figuren dargestellt sind .

Die Fluidein- und Fluidaustrittspalten der Verbindungszone, welche durch fehlende Rohre auf dem Rohrspiegel gebildet wird, können eine beliebige Geometrie annehmen, wie

beispielsweise radial, axial, spiral, rechteckig, dreieckig mit der Spitze zum Zentrum bzw. nach Außen gerichtet.

Derartige Geometrien werden im Folgenden anhand der

Figuren 11 bis 31 näher erläutert. In den Figuren 11 bis 16 sind zusätzlich Strömungspfeile eingezeichnet, die die Strömung des Mantelraumfluids im Betrieb illustrieren.

In den Figuren 11 und 12 ist ein Rohrspiegel nach einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt, bei welchem die Verbindungszone in Richtung auf die Längsachse zu einen konstanten Querschnittsfläche hat; die seitlichen

Begrenzungsflächen der Verbindungszone sind zueinander parallel. Figur 17 zeigt einen alternativen Rohrspiegel bei gleicher Fläche mit einer anderen Anordnung der Rohre und ebenfalls parallelen Wänden der Verbindungszone. Auch in Figur 27 sind die seitlichen Begrenzungen der

Verbindungszone parallel zueinander im Rohrspiegel

angeordnet, wobei die Verbindungszone das Mantelraumfluid hier tangential zum inneren Kanal führt (siehe unten) .

In den Figuren 13 bis 16, 18, 19, 21, 25, 26, 28, 29 und 30 sind Rohrspiegel gezeigt, bei welchen die Verbindungszone sich in Richtung auf die Längsachse zu in einem Winkel CC (alpha) verjüngt. In Figur 20 ist ein Rohrspiegel

dargestellt, bei welchem die Verbindungszone sich in

Richtung auf die Längsachse zu in einem Winkel CC

erweitert. Die erste oder die zweite seitliche Begrenzung der Verbindungszone verläuft dabei zumindest

abschnittsweise radial von der Längsachse aus gesehen. Auch können beide seitliche Begrenzungen der Verbindungs zone zumindest abschnittsweise radial von der Längsachse aus gesehen verlaufen. Die beiden seitlichen Begrenzungen der Verbindungszone können im Rahmen der Erfindung von der Längsachse aus gesehen oder in Richtung vom äußeren Kanal auf den inneren Kanal hin miteinander einen Winkel im Bereich von etwa 180° bis etwa 10° einschließen.

Der Scheitelpunkt des Winkels CC muss dabei nicht zwingend auf der Längsachse liegen, vielmehr kann seine Position im Hinblick auf die Gestaltung des Strömungsprofils des

Mantelraumfluids gewählt werden.

Insbesondere im Fall von zumindest einer tangential an den Rand des inneren Kanals geführten seitlichen Begrenzung der

Verbindungszone liegt der Scheitelpunkt des Winkels CC nicht auf der Längsachse, sondern insbesondere im Bereich des inneren Kanals außerhalb der Längsachse oder in dem mit Rohren versehenen Bereich des Rohrspiegels.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung verläuft die erste oder die zweite seitliche Begrenzung oder

verlaufen beide seitliche Begrenzungen der Verbindungszone im Querschnitt senkrecht zur Längsachse gesehen zumindest abschnittsweise im wesentlichen tangential zum Rand des inneren Kanals.

In Figur 26 ist eine Variante dieser Ausführungsform dargestellt, bei welcher beide seitlichen Begrenzungen tangential zum Rand des inneren Kanals verlaufen. Bei der in Figur 28 dargestellten Ausführungsform verläuft eine seitliche Begrenzung tangential zum Rand des inneren

Kanals, die andere seitliche Begrenzung der Verbindungszone verläuft radial zur Längsachse.

Bei der in Figur 29 dargestellten Ausführungsform verläuft eine seitliche Begrenzung tangential zum Rand des inneren Kanals, die andere seitliche Begrenzung der Verbindungszone verläuft auf einer Spiralbahn, welche sich vom äußeren Kanal hin zum inneren Kanal einwickelt. Das Zentrum der Spirale liegt im mit Rohren versehenen Bereich des

Rohrspiegels außerhalb der Verbindungszone.

Im Rahmen der Erfindung können je nachdem, wie die Strömung des Mantelraumfluids in der Verbindungszone geführt werden soll, 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.

Der Radius der Kreisbogensegmente beider Begrenzungen kann dabei gleich oder unterschiedlich sein. Die Spirale hat Zentrum im Raum zwischen innerem und äußerem Kanal. In Figur 22 ist ein Rohrspiegel gemäß einer weiteren

Ausführungsform der Erfindung gezeigt, bei welchem beide seitliche Begrenzungen nach einer Spiralbahn verlaufen. Die Darstellungen in den Figuren 24 und 25 zeigen

Ausführungsformen, bei welchen in einem ersten Abschnitt benachbart zum inneren Kanal die seitlichen Begrenzungen spiralförmig verlaufen, und in einem zweiten Abschnitt benachbart zum äußeren Kanal die seitlichen Begrenzungen radial zur Längsachse verlaufen. Die Anzahl der Rohre pro Querschnittsfläche senkrecht zur Längsachse in der Verbindungszone kann im Rahmen der

Erfindung variiert werden. In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Anzahl der Rohre pro Querschnittsfläche senkrecht zur Längsachse in der Verbindungszone geringer ist als außerhalb der Verbindungszone, insbesondere kann die Verbindungszone frei von Rohren sein.

In den Figuren 13, 14, 18, 19 und 23 bis 25 sind

Ausführungsformen gezeigt, bei welchen in der

Verbindungszone Rohre angeordnet sind, jedoch weniger als im übrigen Bereich des Rohrspiegels außerhalb des inneren und des äußeren Kanals. Bei der Ausführungsform, deren Rohrspiegel im Querschnitt in Figur 23 dargestellt ist, sind die Rohre in der Verbindungszone derart angeordnet, dass eine doppelte Spiralbahn für den Transport des

Mantelraumfluids durch die Verbindungszone gebildet wird. Zumindest ein Rohr, vorzugsweise mehrere Rohre, kann oder können erfindungsgemäß derart in der Verbindungszone angeordnet sein, dass eine mehrgängige Verbindungszone realisiert wird.

Im Rahmen der Erfindung können die erste oder die zweite seitliche Begrenzung oder beide seitliche Begrenzungen der Verbindungszone zumindest abschnittsweise verkleidet sein. In den Figuren 12 bis 21 und 26 bis 30 sind

Ausführungsformen mit derartigen Verkleidungen im

seitlichen Bereich der Verbindungszone dargestellt. Als Verkleidung wird vorzugsweise ein Blech zur Abtrennung der Verbindungszone im Bereich der seitlichen Begrenzung oder Begrenzungen im Rohrspiegel eingebaut. Das Blech ist insbesondere entsprechend der Form der betreffenden

seitlichen Begrenzung oder Begrenzungen plan oder gekrümmt geformt .

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Rohrbündelwärmeübertrager zumindest zwei, insbesondere drei oder vier oder fünf, Verbindungszonen auf, welche vorzugsweise gleichmäßig im Rohrspiegel verteilt sind. Ein Rohrspiegel einer solchen Ausführungsform ist in Figur 30 mit vier Verbindungszonen dargestellt. Diese verteilen sich gleichmäßig am Umfang des Rohrspiegels.

Die Verbindungszonen sind durch mit Rohren besetzte

Bereiche voneinander getrennt. Mehrere Verbindungszonen können im äußeren Mantel zusammenlaufen, so dass nur jeweils eine Zuführ- und Abführeinrichtung für das

Mantelraumfluid an dem Rohrbündelwärmeübertrager

angeschlossen werden müssen. Im Rahmen der Erfindung können jedoch je nach Anwendungsfall auch mehr, bis hin zur Anzahl der Verbindungszonen, Zu- und/oder Abführeinrichtungen am Rohrbündelwärmeübertrager angebracht sein.

In Figur 31 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung gezeigt, gemäß welcher die Strömung des Mantelraumfluids im Hinblick auf eine gleichmäßige Gasverteilung im Rohrbündel weiter verbessert ist. Wie in der in Figur 31 oben

wiedergegebenen perspektivischen Ansicht oben zu erkennen ist, ist eine Eintrittsöffnung in den äußeren Kanal

vorgesehen mit einer Erstreckung in Richtung parallel der Längsachse, welche größer ist als in Richtung senkrecht dazu. Die Austrittsöffnung, welche sich an die

Verbindungszone anschließt, hat im Vergleich mit der Eintrittsöffnung eine kürzere Ausdehung in Richtung

parallel zur Längsachse und eine breitere Ausdehnung in Richtung senkrecht dazu, insbesondere ist die

Austrittsöffnung kreisförmig. Bei der gezeigten

Ausführungsform erfolgt allein die Abfuhr des

Mantelraumfluids durch die Verbindungszone. Zum Vergleich: Bei der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform erfolgte allein die Zufuhr des Mantelraumfluids durch die

Verbindungszone .

Des Weiteren - und hierbei handelt es sich um eine von der Wahl der Querschnittsbemessungen von Ein- und

Austrittsöffnung für das Mantelraumfluid unabhängige konstruktive Massnahme - ist der Rohrspiegel exzentrisch zum Mantelraum in diesem positioniert (siehe untere

Abbildung in Figur 31) . Die Längsachse des Rohrbündels ist gegenüber der Längsachse des Mantels versetzt angeordnet. Die Richtung des Versatzes verbreitert den äußeren Kanal an der gegenüberliegenden Seite, im gezeigten Beispiel ist das Rohrbündel nach unten versetzt, so dass der äußeren Kanal oben verbreitert ist. Dadurch kann sich das einströmende Mantelraumfluid vor der Passage durch die Rohre in einem größeren Bereich verteilen. Auch die exzentrische Anordnung des Rohrbündels kann so zu einer gleichmäßigeren

Gasverteilung im Rohrbündel beitragen.

Die Fluidein- und -austrittstutzen für das Mantelraumfluid können im Rahmen der Erfindung grundsätzlich eine beliebige Gestalt annehmen, beispielsweise mit einem rechteckigen, ovalen oder kreisförmigen Querschnitt. Der

Arbeitstemperaturbereich des erfindungsgemäßen

Rohrbündelwärmetauschers kann zwischen -270 bis 2000 °C liegen. Bevorzugt wird ein Arbeitskreis zwischen 0 bis 700 °C.

Die hier beschriebenen Rohrbündel können als

Rohrbündelwärmetauscher oder separat als Teil eines anderen Apparates eingesetzt werden, sobald ein Wärmetransport als Haupt- bzw. Nebenfunktion geschieht.

In den folgenden Beispielen wird die Leistung zweier Wärmetauscher, eines erfindungsgemäßen sogenannten

"semiradialen Wärmetauschers" und eines herkömmlichen "radialen Wärmetauschers" miteinander verglichen. In jedem Beispiel haben beide Wärmetauscher die gleiche Rohrlänge sowie den gleichen Rohrinnen- und -außendurchmesser , sowie die gleiche Rohrteilung. Die verglichenen Wärmetauscher unterscheiden sich hinsichtlich der Anzahl der Rohre.

Ausführungsbeispiel 1

Ein semiradialer Wärmetauscher mit Rohren von 76,1 mm Außendurchmesser mit einer gesamten Wärmetransportfläche von 573,78 Quadratmetern wird für die Wärmeübertragung zwischen Gasströmen in einer Schwefelsäureanlage mit den Folgenden wiedergegebenen Parametern eingesetzt.

Mantelseitige Strömung:

Volumenstrom 110.000 nm ³ /h

(Normkubikmeter pro Stunde)

Anteil an S0 ₂ in Vol.-% 0,35

Anteil an 0 ₂ in Vol.-% 6 Anteil an N ₂ in Vol.-% 93, 65

Eingangstemperatur in °C 70

Ausgangstemperatur in °C 125 für semiradialen

Wärmetauscher

Ausgangstemperatur in °C 120 für radialen

Wärmetauscher

Rohrseitige Strömung

Volumenstrom 135.000 nm ³ /h

(Normkubikmeter pro Stunde)

Anteil an S0 ₂ in Vol.-% 0,3

Anteil an S0 ₃ in Vol.-% 9,5

Anteil an 0 ₂ in Vol.-% 5,5

Anteil an N ₂ in Vol.-% 84,7

Eingangstemperatur in °C 240

Ausgangstemperatur in °C 201 für semiradialen

Wärmetauscher

Ausgangstemperatur in °C 204 für radialen

Wärmetauscher

Die übertragene Wärmemenge beträgt 607 kW.

Bei einem radialen Wärmetauscher mit derselben Rohrteilung und demselben Rohrdurchmesser sowie derselben Rohrlänge mit einer Wärmeübertragungsfläche von 577 Quadratmeter beträgt die Leistung nur 560 kW. Ausführungsbeispiel 2

Beim Einsatz derselben semiradialen und radialen

Wärmeübertrager wie in Ausführungsbeispiel 1 in einem anderen Prozess mit folgender Gaszusammensetzung hat der radiale Wärmetauscher nur eine Leistung von 634 kW, während der erfindungsgemäße semiradiale WÄrmeübertrager eine Leistung von 677 kW hat.

Mantelseitige Strömung:

Volumenstrom 25.000 nm ³ /h (Normkubikmeter pro Stunde)

Anteil an S0 ₂ in Vol.-% 0,3

Anteil an S0 ₃ in Vol.-% 9,5

Anteil an O ₂ in Vol.-% 5,5

Anteil an N ₂ in Vol.-% 84,7

Eingangstemperatur in °C 430

Ausgangstemperatur in °C 198 für semiradialen

Wärmetauscher

Ausgangstemperatur in °C 213 für radialen

Wärmetauscher

Rohrseitige Strömung

Volumenstrom 135.000 nm ³ /h

(Normkubikmeter pro Stunde)

Anteil an S0 ₂ in Vol.-% 0,35

Anteil an O ₂ in Vol.-% 6

Anteil an N ₂ in Vol.-% 93, 65

Eingangstemperatur in °C 70 Ausgangstemperatur in °C 115 für semiradialen

Wärmetauscher

Ausgangstemperatur in °C 112 für radialen

Wärmetauscher

Ausführungsbeispiel 3

In diesem Beispiel erzielt der semiradiale Wärmeübertrager gemäß der Erfindung dieselbe Leistung wie der radiale Wärmetauscher aus dem Ausführungsbeispiel 2 unter den gleichen Prozessbedingungen, das heißt eine Leistung von 634 kW. Die Rohrdurchmesser, Rohrlänge sowie Rohrteilung bleiben für beide Wärmetauscher gleich, jedoch verringert sich die Anzahl der Rohre für den semiradialen

Wärmeübertrager. In diesem Fall ist dann für die angegeben Leistung des semiradialen Wärmetauschers nur eine

Wärmeübertragungsfläche von 474 Quadratmetern nötig, während der radiale Wärmetauscher eine Übertragungsfläche von 577 Quadratmetern besitzt.

Mantelseitige Strömung:

Volumenstrom 25.000 nm ³ /h (Normkubikmeter pro Stunde)

Anteil an S0 ₂ in Vol.-% 0,3

Anteil an S0 ₃ in Vol.-% 9,5

Anteil an 0 ₂ in Vol.-% 5,5

Anteil an N ₂ in Vol.-% 84,7

Eingangstemperatur in °C 430

Ausgangstemperatur in °C 213 für semiradialen Wärmetauscher

Ausgangstemperatur in °C 213 für radialen

Wärmetauscher

Rohrseitige Strömung

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. Bezugszeichenliste

1 Rohrbündelwärmeübertrager

11 Kammer, erste Kammer

12 letzte Kammer

13 Zuführung für Mantelraumfluid, Zuführungseinrichtung

14 Abführung für Mantelraumfluid, Abführungseinrichtung

2 Rohrbündel

20 Rohr

21 innerer Kanal

23 äußerer Kanal

24 äußerer Rand des Rohrbündels

28 gekrümmte Bahn

200 Rohrbündelmodul

25 erster Rohrboden

26 zweiter Rohrboden

250 Zuführkammer

260 Abführkammer

R Rohrraummedium

M Mantelraummedium

3 Mantelraum

31 Mantelfläche

32 Leitblech, Umlenksegment für das Mantelraumfluid 33 Längsachse

4 Verbindungszone

41 erste Durchtrittsfläche

45 Rand der ersten Durchtrittsfläche

42 zweite Durchtrittsfläche

46 Rand der zweiten Durchtrittsfläche

43, 44 seitliche Begrenzungen

430, 440 Verkleidung, Blech der seitlichen Begrenzung Winkel (0C = alpha)