DE102014200820A1

DE102014200820A1 - Verfahren zur Herstellung eines wenigstens eine Wärmeübertragungsfläche aufweisenden Wärmetauschers

Info

Publication number: DE102014200820A1
Application number: DE102014200820.4A
Authority: DE
Inventors: Florian Reißner; Jochen Schäfer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-01-17
Filing date: 2014-01-17
Publication date: 2015-07-23
Also published as: CA2937029A1; EP3071905A1; KR20160110982A; WO2015107073A1; JP2017503141A; CN105765322A; US20160334149A1; US9885505B2

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines wenigstens eine Wärmeübertragungsfläche aufweisenden Wärmetauschers (1), welcher Wärmetauscher (1) in einem thermodynamischen Prozess einzusetzen ist, in welchem ein Fluid verwendet wird, das in einem Kreislaufprozess kondensiert, expandiert, verdampft und verdichtet wird, wobei
– die flächenmäßige Bemessung der Wärmeübertragungsfläche im Hinblick auf ein Mindestflächenmaß der Wärmeübertragungsfläche erfolgt,
– welches Mindestflächenmaß mindestens für eine Übertragung einer Mindestwärmemenge auf das mit dem herzustellenden oder hergestellten Wärmetauscher (1) im Rahmen eines thermodynamischen Prozesses zu verwendende Fluid erforderlich ist, um ein Kondensieren des Fluids vor, nach und während des Verdichtens zu verhindern,
– wobei die flächenmäßige Bemessung der Wärmeübertragungsfläche auf Grundlage einer Korrelation zwischen der Molmasse (M) des Fluids und dem Mindestflächenmaß der Wärmeübertragungsfläche durchgeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines wenigstens eine Wärmeübertragungsfläche aufweisenden Wärmetauschers, welcher Wärmetauscher in einem thermodynamischen Prozess einzusetzen ist, in welchem ein Fluid verwendet wird, das in einem Kreislaufprozess kondensiert, expandiert, verdampft und verdichtet wird.
Es ist bekannt, Wärmetauscher in thermodynamischen Prozessen einzusetzen. Die Wärmetauscher dienen hierbei insbesondere dazu, ein gasförmiges Arbeitsfluid, kurz Fluid, auf ein bestimmtes Temperaturniveau zu erwärmen, um sicherzustellen, dass das gasförmige Fluid vor, während und nach dem Verdichten, d.h. vor dem Eintritt in eine Verdichtungseinrichtung respektive nach dem Austritt aus einer Verdichtungseinrichtung in einem gasförmigen Zustand verbleibt. Auf diese Weise können durch so genannte Flüssigkeitsschläge bedingte Beschädigungen entsprechender Verdichtungseinrichtungen verhindert werden.
Aufgrund bestehender und kommender gesetzlicher Regelungen im Zusammenhang mit in entsprechenden thermodynamischen Prozessen einzusetzenden Fluiden ist eine Entwicklung von chemisch komplexen Fluiden zu beobachten, welche sich insbesondere durch ihre gute Umweltverträglichkeit sowie ihre Sicherheitseigenschaften auszeichnen.
Der Einsatz von Wärmetauschern im Rahmen von derartige Fluide verwendenden thermodynamischen Prozessen ist insbesondere deshalb schwierig, da bis dato kein Herstellungsverfahren entsprechender Wärmetauscher bekannt ist, über welches in technisch zuverlässiger und zufrieden stellender Weise eine flächenmäßige Bemessung von wärmetauscherseitigen Wärmeübertragungsflächen derart, dass über diese eine ein Kondensieren derartiger Fluide vor, nach und während des Verdichtens verhindernde Wärmeübertagung auf die Fluide sichergestellt wird, ermöglicht wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden Wärmetauschers anzugeben.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, welches sich erfindungsgemäß dadurch auszeichnet, dass

– die flächenmäßige Bemessung der Wärmeübertragungsfläche im Hinblick auf ein Mindestflächenmaß der Wärmeübertragungsfläche erfolgt,
– welches Mindestflächenmaß mindestens für eine Übertragung einer Mindestwärmemenge auf das mit dem herzustellenden oder hergestellten Wärmetauscher im Rahmen eines thermodynamischen Prozesses zu verwendende Fluid erforderlich ist, um ein Kondensieren des Fluids vor, nach und während des Verdichtens zu verhindern,
– wobei die flächenmäßige Bemessung der Wärmeübertragungsfläche auf Grundlage einer Korrelation zwischen der Molmasse (M) des Fluids und dem Mindestflächenmaß der Wärmeübertragungsfläche durchgeführt wird.

Das erfindungsgemäße Prinzip betrifft ein technisches Herstellungsverfahren zur Herstellung eines wenigstens eine Wärmeübertragungsfläche aufweisenden Wärmetauschers. Der herzustellende bzw. hergestellte Wärmetauscher ist im Rahmen eines thermodynamischen Prozesses, in welchem ein Arbeitsfluid, kurz Fluid, in einem Kreislaufprozess kondensiert, expandiert, verdampft und verdichtet wird, einzusetzen. Der Wärmetauscher wird im Rahmen des thermodynamischen Prozesses typischerweise zwischen eine Verdampfungseinrichtung zum Verdampfen des Fluids und eine Verdichtungseinrichtung, d.h. z.B. einen Kompressor, zum Verdichten des Fluids geschaltet. Der Wärmetauscher kann auch als Rekuperator bezeichnet bzw. erachtet werden.
Wesentlich für das erfindungsgemäße Verfahren ist also die Möglichkeit der Herstellung eines Wärmetauschers mit einer im Hinblick auf einen ein bestimmtes Fluid verwendenden konkreten thermodynamischen Prozess hinreichend flächenmäßig bemessenen bzw. dimensionierten Wärmeübertragungsfläche. Die Wärmeübertragungsfläche soll flächenmäßig derart bemessen bzw. dimensioniert sein bzw. werden, dass im Betrieb des Wärmetauschers im Rahmen des thermodynamischen Prozesses eine hinreichende Wärmeübertragung auf das Fluid realisiert wird. Eine hinreichende Wärmeübertragung auf das Fluid ist erfindungsgemäß insbesondere dann gegeben, wenn auf das Fluid eine Wärmemenge übertragen wird bzw. werden kann, welche – unter gegebenen Prozessbedingungen bzw. Prozessparametern des thermodynamischen Prozesses, in dem der Wärmetauscher einzusetzen ist – ein Kondensieren des Fluids vor, nach und während des Verdichtens verhindert.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist demnach eine flächenmäßige Bemessung bzw. Dimensionierung einer Wärmeübertragungsfläche eines entsprechenden Wärmetauschers im Hinblick auf ein bestimmtes Mindestflächenmaß möglich. Das Mindestflächenmaß ist mindestens für eine Übertragung einer Mindestwärmemenge auf das Fluid, welche Mindestwärmemenge ein Kondensieren des Fluids vor, nach und während des Verdichtens verhindert, erforderlich.
Die flächenmäßige Bemessung der Wärmeübertragungsfläche und somit die Herstellung des Wärmetauschers erfolgt sonach typischerweise unter Berücksichtigung bestimmter Prozessbedingungen bzw. Prozessparameter desjenigen thermodynamischen Prozesses, in dem der herzustellende Wärmetauscher einzusetzen ist. Entsprechende Prozessbedingungen bzw. Prozessparameter können beispielsweise aus Datenbanken und/oder anhand von Simulationen bereitgestellt werden.
Für die flächenmäßige Bemessung der Wärmeübertragungsfläche ist dabei insbesondere die Molmasse desjenigen Fluids, welches im Rahmen des thermodynamischen Prozesses, in welchem der herzustellende Wärmetauscher einzusetzen ist, zu verwenden ist bzw. verwendet wird, von besonderer Bedeutung. Dies ergibt sich daraus, dass das erfindungsgemäße Prinzip auf der Erkenntnis beruht, dass eine Korrelation zwischen der Molmasse des Fluids und dem Mindestflächenmaß der Wärmeübertragungsfläche herstellbar ist. Über diese Korrelation ist eine optimierte flächenmäßige Bemessung der Wärmeübertragungsfläche auf vergleichsweise einfache Weise möglich.
Erfindungsgemäß erfolgt die flächenmäßige Bemessung der wärmetauscherseitigen Wärmeübertragungsfläche sonach auf Grundlage einer Korrelation zwischen der Molmasse des Fluids und dem Mindestflächenmaß der Wärmeübertragungsfläche. Das Mindestflächenmaß ist mindestens für eine Übertragung einer Mindestwärmemenge erforderlich, welche Mindestwärmemenge ein Kondensieren des oder eines mit dem herzustellenden oder hergestellten Wärmetauscher im Rahmen eines thermodynamischen Prozesses zu verwendenden Fluids vor, nach und während des Verdichtens auf das Fluid verhindert.
Neben, wie erwähnt, zweckmäßig vorgegebenen Prozessbedingungen bzw. Prozessparametern des thermodynamischen Prozesses, in dem der herzustellende Wärmetauscher einzusetzen ist, ist also zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere eine Kenntnis über die Molmasse des in dem thermodynamischen Prozess zu verwendenden bzw. verwendeten Fluids notwendig. Die Molmasse des Fluids kann, sofern nicht bekannt, z. B. aus Datenbanken entnommen oder anhand von zur Ermittlung der Molmasse eines Fluids bekannten Messverfahren ermittelt werden.
Die im Weiteren, d. h. nach flächenmäßiger Bemessung bzw. Dimensionierung der wärmetauscherseitigen Wärmeübertragungsfläche, erfolgende eigentliche Fertigung des Wärmetauschers erfolgt auf Basis des Mindestflächenmaßes der Wärmeübertragungsfläche. Je nach Materialität des Wärmetauschers respektive der Wärmeübertragungsfläche können hierzu bekannte, insbesondere formgebende, fertigungstechnische Herstellungsprozesse, wie z. B. Gießprozesse, Stanz-/Biegeprozesse etc., vorgesehen werden.
Konkrete Ausführungsformen von mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren Wärmetauschern sind z. B. Doppelrohr-, Koaxial-, Platten-, Rohrbündel- oder Spiralwärmetauscher.
Sämtliche folgenden Ausführungen im Zusammenhang mit einem thermodynamischen Prozess beziehen sich jeweils auf denjenigen thermodynamischen Prozess, in welchem der herzustellende Wärmetauscher bzw. das Fluid einzusetzen ist.
Im Rahmen der Korrelation zwischen der Molmasse des Fluids und dem Mindestflächenmaß der Wärmeübertragungsfläche erfolgt typischerweise zunächst eine Korrelierung der Molmasse des Fluids mit der inversen Steigung der Taulinie des Fluids. Da die grundsätzlich fluidspezifische inverse Steigung der Taulinie insbesondere von der Temperatur des Fluids abhängt, erfolgt die Korrelierung zwischen der Molmasse und der inversen Steigung der Taulinie des Fluids zweckmäßig für eine (vor)gegebene Temperatur des Fluids. Dabei handelt es sich typischerweise um die Verdampfungstemperatur des Fluids, d.h. die Temperatur, die das Fluid nach dem Verdampfen und vor erfolgter Überhitzung aufweist.
Die Korrelation zwischen der Molmasse und der inversen Steigung der Taulinie entsprechender Fluide konnte in Untersuchungen gezeigt und dargelegt werden. Die Untersuchungen ergaben dabei insbesondere einen (nahezu) linearen Zusammenhang zwischen der Molmasse und der inversen Steigung der Taulinie entsprechender Fluide.
Die Zweckmäßigkeit der Verwendung der inversen Steigung der Taulinie des Fluids ergibt sich dadurch, dass einige in entsprechenden thermodynamischen Prozessen zu verwendende oder verwendete Fluide annähernd isentrope und somit senkrechte Taulinien und sonach sehr hohe Steigungen, z.B. in entsprechenden Temperatur-Entropie-Diagrammen, kurz T-S-Diagrammen, aufweisen. Die Verwendung der inversen Steigung der Taulinie des Fluids ermöglicht sonach insbesondere eine bessere Vergleichbarkeit mehrerer betrachteter Fluide.
Die inverse Steigung der Taulinie des Fluids wird im Weiteren typischerweise mit einer minimal notwendigen Temperaturerhöhung des Fluids ausgehend von einer gegebenen Temperatur korreliert, welche minimal notwendige Temperaturerhöhung ein Kondensieren des Fluids vor, nach und während des Verdichtens verhindert. Bei der gegebenen Temperatur handelt es sich wiederum zweckmäßig um die Verdampfungstemperatur des Fluids, d.h. die Temperatur, die das Fluid nach dem Verdampfen aufweist. In Untersuchungen konnte gezeigt und dargelegt werden, dass ein (nahezu) linearer Zusammenhang zwischen der minimal notwendigen Temperaturerhöhung und der inversen Steigung der Taulinie des Fluids besteht.
Die sonach ermittelte minimal notwendige Temperaturerhöhung wird im Weiteren typischerweise mit einer minimal notwendigen Enthalpiedifferenz korreliert, welche minimal notwendige Enthalpiedifferenz diejenige Wärmemenge darstellt, die auf das Fluid übertragen werden muss, um ein Kondensieren des Fluids vor, nach und während des Verdichtens zu verhindern. Die minimal notwendige Enthalpiedifferenz betrifft sonach die Wärmemenge, die über die Wärmeübertragungsfläche des Wärmetauschers auf das Fluid übertragen werden muss, um ein Kondensieren vor, nach und während des Verdichtens zu verhindern. In Untersuchungen konnte gezeigt und dargelegt werden, dass auch zwischen der minimal notwendigen Enthalpiedifferenz, der inversen Steigung der Taulinie des Fluids und somit auch der Molmasse des Fluids ein (nahezu) linearer Zusammenhang besteht.
Im Folgenden wird die minimal notwendige Enthalpiedifferenz typischerweise mit dem Mindestflächenmaß korreliert. Derart kann sonach schlussendlich eine Fläche ermittelt werden, die dem Mindestflächenmaß der Wärmeübertragungsfläche des Wärmetauschers für den jeweiligen thermodynamischen Prozess, in dem der Wärmetauscher einzusetzen ist, entspricht.
Die Korrelation zwischen der minimal notwendigen Enthalpiedifferenz und dem Mindestflächenmaß erfolgt insbesondere über den Zusammenhang ṁ·min∆h = k·A·∆T mit ṁ = Fluidmassenstrom, min∆h = minimal notwendige Enthalpiedifferenz, k = Wärmeübertragungskoeffizient, A = Mindestflächenmaß und ∆T = Temperaturdifferenz zwischen einer Hochtemperaturseite und einer Niedertemperaturseite der Wärmeübertragungsfläche des Wärmetauschers.
Es wird dabei zweckmäßig, insbesondere in Abhängigkeit des Fluids respektive dessen chemischer Zusammensetzung, des den Wärmetauscher bildenden Materials sowie gegebenenfalls weiterer Prozessbedingungen bzw. Prozessparameter des thermodynamischen Prozesses, ein bestimmter Wärmeübertagungskoeffizient k sowie eine bestimmte Temperaturdifferenz ∆T angenommen.
So wird im Rahmen der Korrelation zwischen der Molmasse des Fluids und dem Mindestflächenmaß der Wärmeübertragungsfläche als Randbedingung vorzugsweise zumindest wenigstens eine bestimmte Temperatur, d. h. insbesondere die Temperatur des Fluids nach dem Verdampfen, und/oder ein bestimmter Wärmeübertragungskoeffizient k und/oder eine bestimmte Temperaturdifferenz ∆T zwischen einer Hochtemperaturseite und einer Niedertemperaturseite der Wärmeübertragungsfläche verwendet.
An dieser Stelle soll nochmals erwähnt werden, dass im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmte Prozessbedingungen bzw. Prozessparameter des thermodynamischen Prozesses als Randbedingungen definiert werden können.
Hierzu zählen insbesondere auch vorgebbare oder vorgegebene Betriebsparameter, d. h. insbesondere Leistungen bzw. Leistungsaufnahmen, einzelner oder mehrerer in den thermodynamischen Prozess geschalteter Einrichtungen, welche zum Kondensieren, Expandieren, Verdampfen oder Verdichten des Fluids ausgebildet bzw. eingerichtet sind. Beispielsweise zählt hierzu demnach die Leistung einer in den thermodynamischen Prozess geschalteten Kondensationseinrichtung zum Kondensieren des (gasförmigen) Fluids.
Die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgende Korrelation zwischen der Molmasse des Fluids und dem Mindestflächenmaß der Wärmeübertragungsfläche wird typischerweise für ein, insbesondere organisches, Fluid mit einer Molmasse oberhalb 150 g/mol durchgeführt. Diese Fluide weisen in ihrem Temperatur-Entropie-Diagramm, kurz T-S-Diagramm, ein, insbesondere stark, überhängendes Zweiphasengebiet auf. Ein überhängendes Zweiphasengebiet liegt im Allgemeinen vor, wenn die Taulinie des Fluids in einem solchen T-S-Diagramm zumindest abschnittsweise, insbesondere überwiegend, in Richtung steigender Entropie geneigt ist.
Konkrete Beispiele für derartige Fluide sind in nicht abschließender Aufzählung: Perfluormethylbutanon, Perfluormethylpentanon (Handelszeichen Novec^TM 649) oder Perfluormethylhexanon. Es handelt sich hierbei jeweils um komplexe organische Fluorketonverbindungen. Diese Fluide zeichnen sich zudem durch eine gute Umweltverträglichkeit sowie ihre Sicherheitseigenschaften, wie z. B. keine Brennbarkeit und ein sehr geringes Treibhauspotential, aus.
Die Erfindung betrifft ferner einen Wärmetauscher zur Verwendung in einem thermodynamischen Prozess, in welchem ein Fluid in einem Kreislaufprozess kondensiert, expandiert, verdampft und verdichtet wird. Der Wärmetauscher weist wenigstens eine Wärmeübertragungsfläche auf. Der Wärmetauscher zeichnet sich dadurch aus, dass er gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellt ist. Demzufolge gelten sämtliche Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren analog für den erfindungsgemäßen Wärmetauscher.
Bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher handelt es sich z.B. um einen Doppelrohr-, Koaxial-, Platten-, Rohrbündel- oder einen Spiralwärmetauscher.
Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung eines solchen Wärmetauschers in einem thermodynamischen Prozess, in welchem ein Fluid in einem Kreislaufprozess kondensiert, expandiert, verdampft und verdichtet wird. Auch für die Verwendung des Wärmetauschers in einem derartigen thermodynamischen Prozess gelten sämtliche Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren analog.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung eines in einen thermodynamischen Prozess geschalteten Wärmetauschers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Korrelation zwischen der Molmasse eines Fluids und der inversen Steigung der Taulinie des Fluids;
3 ein Temperatur-Entropie-Diagramm für ein in einem thermodynamischen Prozess verwendetes Fluid;
4 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Korrelation zwischen der inversen Steigung der Taulinie eines Fluids und der minimal notwendigen Temperaturerhöhung; und
5 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Korrelation zwischen der inversen Steigung der Taulinie eines Fluids und einer minimal notwendigen Enthalpiedifferenz.
1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines in einen thermodynamischen Prozess geschalteten Wärmetauschers 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Der thermodynamische Prozess, welcher beispielsweise in einem umgekehrten Rankine-Prozess in einer Kältemaschine oder einer Wärmepumpe implementiert sein kann, umfasst die in einem Kreislaufprozess nacheinander abfolgenden Schritte: Verdampfen eines flüssigen Fluids, Verdichten des nach dem Verdampfen gasförmigen Fluids, Kondensieren des gasförmigen, verdichteten Fluids und Expandieren des nach dem Kondensieren flüssigen, kondensierten Fluids. Das expandierte, in flüssigem Zustand vorliegende Fluid wird wieder verdampft, der Kreislaufprozess beginnt von neuem.
Die jeweiligen Schritte werden über entsprechende in den thermodynamischen Prozess geschaltete Einrichtungen realisiert. Hierzu zählt eine Verdampfungseinrichtung 2 zum Verdampfen des Fluids, eine dieser fluidstromabwärts nachgeschaltete Verdichtungseinrichtung 3 zum Verdichten des Fluids, eine dieser fluidstromabwärts nachgeschaltete Kondensationseinrichtung 4, typischerweise in Form eines Kompressors, zum Kondensieren des Fluids und eine dieser fluidstromabwärts nachgeschaltete Expansionseinrichtung 5, typischerweise in Form eines Expansionsventils, zum Expandieren des Fluids.
Ersichtlich ist der Wärmetauscher 1 zwischen die Verdampfungseinrichtung 2 und die Verdichtungseinrichtung 3 geschaltet. Eine Hochtemperaturseite einer dem Wärmetauscher 1 zugehörigen Wärmeübertragungsfläche wird sonach dem Fluidstrom zwischen der Verdampfungseinrichtung 2 und der Verdichtungseinrichtung 3 zugeordnet. Eine Niedertemperaturseite der dem Wärmetauscher 1 zugehörigen Wärmeübertragungsfläche wird dem Fluidstrom zwischen der Kondensationseinrichtung 4 und der Expansionseinrichtung 5 zugeordnet.
Bei dem Fluid handelt es sich beispielsweise um ein unter dem Handelsnamen Novec^TM 649 bekanntes Fluorketon.
Der Wärmetauscher 1 ist über ein spezielles Herstellungsverfahren hergestellt. Das Verfahren richtet sich sonach im Allgemeinen auf die Herstellung eines wenigstens eine Wärmeübertragungsfläche aufweisenden Wärmetauschers 1, welcher Wärmetauscher 1 in einem thermodynamischen Prozess, in welchem ein Fluid verwendet wird, das in einem Kreislaufprozess kondensiert, expandiert, verdampft und verdichtet wird, einzusetzen ist.
Gemäß dem Verfahren erfolgt neben sonstigen fertigungstechnischen Herstellungsschritten zur Ausbildung des Wärmetauschers 1 eine besondere flächenmäßige Bemessung bzw. Dimensionierung der wärmetauscherseitigen Wärmeübertragungsfläche. Die flächenmäßige Bemessung bzw. Dimensionierung der Wärmeübertragungsfläche erfolgt dahin, dass diese ein Mindestflächenmaß aufweist. Das Mindestflächenmaß ist mindestens für eine Übertragung einer Mindestwärmemenge auf ein mit dem herzustellenden Wärmetauscher 1 im Rahmen eines thermodynamischen Prozesses zu verwendenden Fluids erforderlich. Die Mindestwärmemenge ist die Wärmemenge, die ein Kondensieren des Fluids vor, nach und während des Verdichtens auf das Fluid verhindert.
Die wärmetauscherseitige Wärmeübertragungsfläche wird also im Hinblick auf bestimmte Prozessbedingungen bzw. Prozessparameter des thermodynamischen Prozess derart bemessen, dass über die Wärmeübertragungsfläche eine hinreichende Wärmeenge auf das Fluid übertragen werden kann, welche ein Kondensieren des Fluids vor, nach und während des Verdichtens verhindert. Derart können beispielsweise durch so genannte Flüssigkeitsschläge bedingte Beschädigungen der Verdichtungseinrichtung 3 verhindert werden.
Im Rahmen des Verfahrens erfolgt die flächenmäßige Bemessung der wärmetauscherseitigen Wärmeübertragungsfläche auf Grundlage einer Korrelation zwischen der Molmasse M des Fluids und dem Mindestflächenmaß.
Neben zweckmäßig vorgegebenen Prozessbedingungen bzw. Prozessparametern des thermodynamischen Prozesses, in dem der herzustellende Wärmetauscher 1 einzusetzen ist, ist also zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere Kenntnis über die Molmasse M des in dem thermodynamischen Prozess zu verwendenden bzw. verwendeten Fluids notwendig.
Im Rahmen der Korrelation zwischen der Molmasse M des Fluids und dem Mindestflächenmaß der Wärmeübertragungsfläche erfolgt zunächst eine Korrelierung, d.h. eine Erstellung eines Zusammenhangs, der Molmasse M des Fluids mit der inversen Steigung der Taulinie des Fluids. Die inverse Steigung der Taulinie ist den in den 2, 4 und 5 gezeigten Diagrammen jeweils mit „IS“ abgekürzt.
Da die grundsätzlich fluidspezifische inverse Steigung der Taulinie des Fluids insbesondere von der Temperatur des Fluids abhängt, erfolgt die Korrelierung zwischen der Molmasse M des Fluids und der inversen Steigung der Taulinie des Fluids zweckmäßig für eine gegebene Temperatur des Fluids. Bei der Temperatur kann es sich beispielsweise um die Verdampfungstemperatur des Fluids, d.h. die Temperatur, die das Fluid nach dem Verdampfen, d. h. nach Verlassen der Verdampfungseinrichtung 2, aufweist, handeln.
2 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Korrelation zwischen der Molmasse M eines Fluids (x-Achse) und der inversen Steigung der Taulinie des Fluids (y-Achse).
Aufgetragen sind unterschiedliche Fluide, insbesondere Fluorketone, bei einer Temperatur von 348 K. Diese Temperatur entspricht typischerweise der Verdampfungstemperatur eines Fluids im Rahmen des thermodynamischen Prozesses. Die Verdampfungstemperatur des Fluids ist, wie erwähnt, diejenige Temperatur, die das Fluid nach Verlassen der Verdampfungseinrichtung 2 aufweist.
Anhand von 2 ist ersichtlich, dass ein (nahezu) linearer Zusammenhang zwischen der Molmasse M und der inversen Steigung der Taulinie entsprechender Fluide besteht.
Die Zweckmäßigkeit der Verwendung der inversen Steigung der Taulinie entsprechender Fluide liegt darin, dass eine Vielzahl an in entsprechenden thermodynamischen Prozessen einzusetzenden oder eingesetzten Fluiden annähernd senkrechte Taulinien und somit sehr hohe Steigungen aufweisen. Die Verwendung der inversen Steigung der Taulinie ermöglicht sonach eine bessere Vergleichbarkeit mehrerer betrachteter Fluide.
Der Fortgang des Verfahrens soll im Weiteren anhand des bei Punkt P1 angedeuteten Perfluormethylpentanons (Handelsname Novec^TM 649) mit einer Molmasse M von ca. 316 g/mol erörtert werden. Anhand von 2 ist ersichtlich, dass die inverse Steigung der Taulinie dieses Fluids 0,526 J mol^–1K^–2 beträgt. Die inverse Steigung der Taulinie des Fluids lässt sich sonach insbesondere auch graphisch bestimmen bzw. ermitteln.
Die inverse Steigung der Taulinie des Fluids wird im Weiteren mit einer minimal notwendigen Temperaturerhöhung des Fluids ausgehend von der angenommenen Temperatur, d.h. hier ausgehend von 348 K, korreliert. Die minimal notwendige Temperaturerhöhung des Fluids ist die Temperaturerhöhung, welche mindestens notwendig ist, um ein Kondensieren des Fluids vor, nach und während des Verdichtens zu verhindern.
Zur näheren Erläuterung der Ermittlung der minimal notwendigen Temperaturerhöhung wird auf 3 verwiesen, welche ein Temperatur-Entropie-Diagramm, kurz T-S-Diagramm, für ein in einem thermodynamischen Prozess verwendetes Fluid, zeigt. Die Temperatur T des Fluids ist auf der y-Achse, die Entropie S des Fluids ist auf der x-Achse aufgetragen.
Grundsätzlich lässt sich anhand des in 3 gezeigten T-S-Diagramms insbesondere eine Taulinie 6 des Fluids (vgl. den rechten Ast des Graphen), eine Siedelinie 7 des Fluids (vgl. den linken Ast des Graphen) sowie ein Zweiphasengebiet 8 des Fluids erkennen. In dem Zweiphasengebiet 8 befindet sich das Fluid in zwei Phasen, d.h. einer gasförmigen und einer flüssigen Phase. In dem rechts der Taulinie 6 liegenden Bereich 9 ist das Fluid gasförmig, in dem links der Siedelinie 7 liegenden Bereich 10 ist das Fluid flüssig.
Ersichtlich weist das Fluid ein stark überhängendes Zweiphasengebiet 8 auf. Dies ist daran zu erkennen, dass die Taulinie 6 des Fluids in Richtung steigender Entropie stark geneigt ist.
Die mit Bezug auf 1 beschriebenen, in den thermodynamischen Prozess geschalteten Einrichtungen sind in 3 ebenso eingetragen. Rechts des Bezugszeichens 2 hat das Fluid sonach die Verdampfungseinrichtung 2 verlassen (ohne Berücksichtigung einer eventuellen Überhitzung in der Verdampfungseinrichtung 2), links des Bezugszeichens 3 hat das Fluid die Verdichtungseinrichtung 3 verlassen etc. Die Verdichtung des Fluids findet sonach zwischen Bezugszeichen 3 und 4 statt.
Die in 3 durch den Doppelpfeil P2 erkennbare minimal notwendige Temperaturerhöhung wird als „min∆T“ abgekürzt und ergibt sich aus den folgenden Formeln (1)–(5): min∆T = T₃ – T₂ (1) mit: T₃= Temperatur des Fluids bei Eintritt in die Verdichtungseinrichtung 3; T₂ = Temperatur des Fluids bei Verlassen der Verdampfungseinrichtung 2.
Dabei gilt: T₃ = f(p₂, h₃) (2) mit: p₂= Druck des Fluids bei Verlassen der Verdampfungseinrichtung 2; h₃ = Enthalpie des Fluids bei Eintritt in die Verdichtungseinrichtung 3.
Dabei gilt: h₃= h₄ – (h₄ – h_3S)/η_S (3) mit: h₄ = Enthalpie des Fluids bei Eintritt in die Kondensationseinrichtung 4; h_3S = Enthalpie des Fluids bei Eintritt in die Verdichtungseinrichtung 3 bei einem idealen Wirkungsgrad des thermodynamischen Prozesses von 1; η_S = tatsächlicher Wirkungsgrad des thermodynamischen Prozesses, wobei typischerweise ein Wirkungsgrad von ca. 0,8 angenommen wird.
Dabei gilt: h₄= f(T₄ + 5 K; p₄) (4) mit: T₄ = Temperatur des Fluids beim Verlassen der Kondensationseinrichtung 4, zu welcher Temperatur 5 K addiert werden, um ein Verbleiben des Fluids in dem gasförmigen Zustand sicherzustellen; p₄ = Druck des Fluids beim Verlassen der Kondensationseinrichtung 4.
Ferner gilt: h_3S= f(p₂; S₄) (5) mit: p₂ = Druck des Fluids beim Verlassen der Verdampfungseinrichtung 2; S₄ = Entropie des Fluids beim Eintritt in die Kondensationseinrichtung 4.
4 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Korrelation zwischen der inversen Steigung der Taulinie eines Fluids (x-Achse) und der minimal notwendigen Temperaturerhöhung min∆T (y-Achse), welche ein Kondensieren des Fluids in einem thermodynamischen Prozess vor, nach und während des Verdichtens verhindert.
Anhand von 4 ist ersichtlich, dass auch ein (nahezu) linearer Zusammenhang zwischen der inversen Steigung der Taulinie und der minimal notwendigen Temperaturerhöhung min∆T entsprechender Fluide besteht.
Die sonach ermittelbare bzw. ermittelte minimal notwendige Temperaturerhöhung min∆T wird im Weiteren mit einer minimal notwendigen Enthalpiedifferenz min∆h korreliert. Die minimal notwendige Enthalpiedifferenz min∆h stellt diejenige Wärmemenge dar, die auf das Fluid übertragen werden muss, um ein Kondensieren des Fluids vor, nach und während des Verdichtens zu verhindern. Die minimal notwendige Enthalpiedifferenz min∆h ist sonach als diejenige Wärmemenge zu verstehen, die über die Wärmeübertragungsfläche des Wärmetauschers auf das Fluid übertragen werden muss, um ein Kondensieren vor, nach und während des Verdichtens zu verhindern.
5 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Korrelation zwischen der inversen Steigung der Taulinie eines Fluids (x-Achse) und der minimal notwendigen Enthalpiedifferenz min∆h (y-Achse), welche, wie erwähnt, diejenige Wärmemenge darstellt, die auf das Fluid übertragen werden muss, um ein Kondensieren des Fluids in einem thermodynamischen Prozess vor, nach und während des Verdichtens zu verhindern.
Anhand von 5 ist ersichtlich, dass auch ein (nahezu) linearer Zusammenhang zwischen der minimal notwendigen Enthalpiedifferenz min∆h und der inversen Steigung der Taulinie des Fluids und somit auch der Molmasse M des Fluids besteht.
Im Folgenden wird die die minimal notwendige Enthalpiedifferenz min∆h mit dem Mindestflächenmaß der Wärmeübertragungsfläche korreliert. Es wird also schlussendlich eine Fläche A ermittelt, die dem Mindestflächenmaß der Wärmeübertragungsfläche des Wärmetauschers 1 entspricht.
Die Korrelation zwischen der minimal notwendigen Enthalpiedifferenz min∆h und dem Mindestflächenmaß erfolgt über folgenden Zusammenhang: ṁ·min∆h = k·A·∆T mit: ṁ = Fluidmassenstrom, min∆h = Enthalpiedifferenz, k = Wärmeübertragungskoeffizient, A = Mindestflächenmaß und ∆T = Temperaturdifferenz zwischen einer Hochtemperaturseite und einer Niedertemperaturseite der Wärmeübertragungsfläche.
Es wird dabei, insbesondere in Abhängigkeit des Fluids respektive dessen chemischer Zusammensetzung, des den Wärmetauscher 1 bildenden Materials sowie gegebenenfalls weiterer Prozessbedingungen bzw. Prozessparameter des thermodynamischen Prozesses, ein bestimmter Wärmeübertagungskoeffizient k sowie eine bestimmte Temperaturdifferenz ∆T angenommen.
Im Rahmen der Korrelation zwischen der Molmasse M des Fluids und dem Mindestflächenmaß der Wärmeübertragungsfläche wird als Randbedingung also zumindest eine bestimmte Temperatur, insbesondere die Temperatur des Fluids nach dem Verdampfen, und/oder ein bestimmter Wärmeübertragungskoeffizient k und/oder eine bestimmte Temperaturdifferenz ∆T zwischen einer Hochtemperaturseite und einer Niedertemperaturseite der wärmetauscherseitigen Wärmeübertragungsfläche verwendet.
Im Rahmen des Verfahrens werden sonach bestimmte Prozessbedingungen bzw. Prozessparameter des thermodynamischen Prozesses als Randbedingungen definiert. Hierzu zählen insbesondere auch vorgebbare oder vorgegebene Betriebsparameter, d.h. insbesondere Leistungen bzw. Leistungsaufnahmen, einzelner oder mehrerer in den thermodynamischen Prozess geschalteter Einrichtungen, welche zum Kondensieren, Expandieren, Verdampfen oder Verdichten des Fluids ausgebildet bzw. eingerichtet sind. Beispielsweise zählt hierzu eine in den thermodynamischen Prozess geschaltete Kondensationseinrichtung 4 zum Kondensieren des Fluids.
Hinsichtlich des zu ermittelnden Mindestflächenmaßes der Wärmeübertragungsfläche gilt qualitativ, dass diese proportional zu der über die wärmetauscherseitige Wärmeübertragungsfläche auf das Fluid zu übertragenden Wärmemenge ist. Je kleiner die minimal notwendige Enthalpiedifferenz min∆h ist, desto kleiner ist sonach auch das Mindestflächenmaß der wärmetauscherseitigen Wärmeübertragungsfläche.
Die im Rahmen des Verfahrens erfolgende Korrelation zwischen der Molmasse M des Fluids und dem Mindestflächenmaß der wärmetauscherseitigen Wärmeübertragungsfläche wird typischerweise für ein, insbesondere organisches, Fluid mit einer Molmasse M oberhalb 150 g/mol durchgeführt. Derartige Fluide weisen in ihrem Temperatur-Entropie-Diagramm, kurz T-S-Diagramm, typischerweise ein, insbesondere stark, überhängendes Zweiphasengebiet auf.
Im Folgenden werden beispielhaft Daten zu einem im Rahmen des Verfahrens ermittelten Mindestflächenmaß gezeigt. Bei dem den Daten zugrunde liegenden Fluid handelt es sich um das vorstehend erwähnte Perfluormethlypentanon mit einer Molmasse M von 316 g/mol.
Es wurde eine Leistung Q von 1000 kW in der Kondensationseinrichtung 4, eine mittlere Temperaturdifferenz ∆T von 10 K sowie ein Wärmeübertagungskoeffizient k von 200 W m^–2 K ^–1 angenommen. Grundsätzlich sollten mittlere Temperaturdifferenzen ∆T zwischen 5 und 30 K und Wärmeübertagungskoeffizient k zwischen 50 und 1000 W m^–2 K ^–1 angenommen werden.

M ṁ ∆h₄ Q min∆h Q₁ k ∆T A

[g/mol] [kg/s] [kJ/kg] [kW] [kJ/kg] [kW] [kW/m²K] [K] [m²]

316 12,8 78,0 1000 25,9 332 0,2 10 166
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht sonach auf einfache Weise eine Ermittlung einer für einen bestimmten thermodynamischen Prozess geeigneten wärmetauscherseitigen Wärmeübertragungsfläche. Ausgehend von der Molmasse M des in dem thermodynamischen Prozess zu verwendenden oder verwendeten Fluids lässt sich auf die inverse Steigung der Taulinie des Fluids, die minimal notwendige Temperaturerhöhung min∆T, die minimal notwendige Enthalpiedifferenz min∆h und weiter auf ein entsprechendes Mindestflächenmaß einer wärmetauscherseitigen Wärmeübertragungsfläche schließen.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines wenigstens eine Wärmeübertragungsfläche aufweisenden Wärmetauschers (1), welcher Wärmetauscher (1) in einem thermodynamischen Prozess einzusetzen ist, in welchem ein Fluid verwendet wird, das in einem Kreislaufprozess kondensiert, expandiert, verdampft und verdichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass – die flächenmäßige Bemessung der Wärmeübertragungsfläche im Hinblick auf ein Mindestflächenmaß der Wärmeübertragungsfläche erfolgt, – welches Mindestflächenmaß mindestens für eine Übertragung einer Mindestwärmemenge auf das mit dem herzustellenden oder hergestellten Wärmetauscher (1) im Rahmen eines thermodynamischen Prozesses zu verwendende Fluid erforderlich ist, um ein Kondensieren des Fluids vor, nach und während des Verdichtens zu verhindern, – wobei die flächenmäßige Bemessung der Wärmeübertragungsfläche auf Grundlage einer Korrelation zwischen der Molmasse (M) des Fluids und dem Mindestflächenmaß der Wärmeübertragungsfläche durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Molmasse des Fluids zunächst mit der inversen Steigung der Taulinie des Fluids korreliert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die inverse Steigung der Taulinie im Weiteren mit einer minimal notwendigen Temperaturerhöhung (min∆T) des Fluids ausgehend von einer gegebenen Temperatur korreliert wird, welche minimal notwendige Temperaturerhöhung (min∆T) ein Kondensieren des Fluids vor, nach und während des Verdichtens verhindert.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die minimal notwendige Temperaturerhöhung (min∆T) im Weiteren mit einer minimal notwendigen Enthalpiedifferenz (min∆h)korreliert wird, welche minimal notwendige Enthalpiedifferenz (min∆h) diejenige Wärmemenge darstellt, die auf das Fluid übertragen werden muss, um ein Kondensieren des Fluids vor, nach und während des Verdichtens zu verhindern.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die minimal notwendige Enthalpiedifferenz (min∆h) mit dem Mindestflächenmaß korreliert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrelation zwischen der minimal notwendigen Enthalpiedifferenz (min∆h) und dem Mindestflächenmaß über den Zusammenhang ṁ·min∆h = k·A·∆T , mit ṁ = Fluidmassenstrom, min∆h = minimal notwendige Enthalpiedifferenz, k = Wärmeübertragungskoeffizient, A = Mindestflächenmaß und ∆T = Temperaturdifferenz zwischen einer Hochtemperaturseite und einer Niedertemperaturseite der Wärmeübertragungsfläche, erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen der Korrelation zwischen der Molmasse (M) des Fluids und dem Mindestflächenmaß als Randbedingung zumindest wenigstens eine bestimmte Temperatur, insbesondere die Temperatur des Fluids nach dem Verdampfen, und/oder ein bestimmter Wärmeübertragungskoeffizient (k) und/oder eine bestimmte Temperaturdifferenz (∆T) zwischen einer Hochtemperaturseite und einer Niedertemperaturseite der Wärmeübertragungsfläche verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrelation für ein Fluid mit einer Molmasse (M) oberhalb 150 g/mol durchgeführt wird.
Wärmetauscher (1) zur Verwendung in einem thermodynamischen Prozess, in welchem ein Fluid in einem Kreislaufprozess kondensiert, expandiert, verdampft und verdichtet wird, wobei der Wärmetauscher (1) wenigstens eine Wärmeübertragungsfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass er gemäß einem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche hergestellt ist.
Verwendung eines Wärmetauschers (1) in einem thermodynamischen Prozess, in welchem ein Fluid in einem Kreislaufprozess kondensiert, expandiert, verdampft und verdichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetauscher nach Anspruch 9 verwendet wird.