<Desc/Clms Page number 1>
Mehrflutiger Gegenstromrohrwärmeaustauscher Die vorliegende Erfindung betrifft einen mehr- flutigen Gegenstromrohrwärmeaustauscher. Bei solchen Wärmeaustauschern durchströmt das eine Medium parallel angeordnete Rohre, während das andere Medium auf der Aussenseite dieser Rohre in entgegengesetzter Richtung durch den Apparat hindurchströmt.
Bei derartigen Wärmeaustauschern ist bekanntlich das Verhältnis n (n = Anzahl der parallel geschalteten Rohre) zur notwendigen Rohrlänge L vom sogenannten logarithmischen Temperaturunterschied t", und von den zulässigen Druckverlusten d p1 und d p, in den beiden Strömungssystemen abhängig.
Bei grossen Temperaturunterschieden t", und kleinen Druckverlusten ergeben sich Rohrbündel mit vielen Rohren von verhältnismässig kurzer Länge, somit ein Apparat mit einem grossen Kesseldurchmesser und geringer Länge. Umgekehrt ergeben kleine Temperaturunterschiede und grosse zulässige Druckverluste Rohrbündel mit wenigen, verhältnismässig langen Rohren, also einen verhältnismässig langen Apparat mit kleinem Durchmesser.
Um auch im zweitgenann- ten Fall günstigere Abmessungen für den Apparat zu erhalten, wird das Gegenstromprinzip zweimal, oder auch mehrere Mal angewandt, das heisst es wird vom sogenannten einflutigen Gegenstromapparat zum zwei- und mehrflutigen Gegenstromapparat übergegangen. Bei mehrflutigen Gegenstromapparaten werden im Kreisquerschnitt des Apparatekessels die Rohre üblicherweise durch Distanzierung mehrerer Rohrreihen in die einzelnen Umlenkwege unterteilt.
Es ist ferner bekannt, dass sich bei einem bestimm- ten Rohrdurchmesser d und einem gegebenen Rohrabstand b dann eine maximale Zahl von Rohren in einem Kreisquerschnitt unterbringen lässt, wenn sie gegeneinander um 60 versetzt angeordnet werden. Beim Einbau von derart versetzt angeordneten Roh- ren in einem Kessel mit Kreisquerschnitt, ergeben sich aber gegen die Kesselwandung hin immer Räume mit Segmentquerschnitten oder auch anderen Querschnittsflächen; in welchen sich keine Rohre mehr unterbringen lassen.
In diesen Räumen kommt das zwischen den Rohren durchfliessende Medium mit' keiner Rohraussenfläche in Berührung. Sie bilden also praktisch tote Räume, die zum Wärmeübergang nichts beitragen.
Bei den bekannten Wärmeaustauschern, die nach dem zwei- und mehrflutigen Gegenstromprinzip arbeiten, liegen beim übergang vom einen zum anderen Strömungsweg Rohre mit ganz unterschiedlichen Temperaturen nebeneinander. Dies ist vor allem beim Anfahren des Wärmeaustauschers nachteilig, weil dann grosse Unterschiede in der Rohrwandtempera- tur auftreten können, wodurch nebeneinanderliegende Rohre stark unterschiedliche Längsausdehnungen erfahren.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen mehr- flutigen Gegenstromrohrwärmeaustauscher, bei dem die vorerwähnten Nachteile vermieden sind. Der Wärmeaustauscher ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrbündel der einzelnen Strömungswege bezüglich des Querschnittes des Wärmeaustauscherkessels in Sektoren angeordnet sind.
In der Zeichnung sind einige Ausführungsbei- spiele des Erfindungsgegenstandes schematisch dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt durch den Kessel eines vierflutigen Wärmeaustauschers mit der bisher üblichen Anordnung der Rohre in Rohrreihen, Fig. 2 einen Querschnitt durch den Kessel eines dreiflutigen Wärmeaustauschers mit in Sektoren des Querschnittes angeordneten Rohrbündeln,
<Desc/Clms Page number 2>
Fig. 3 schematisch den Strömungsweg des durch die Rohre des Wärmeaustauschers gemäss der Fig. 2 fliessenden Mediums, Fig. 4 einen Querschnitt durch den Kessel eines sechsflutigen Wärmeaustauschers mit in Sektoren des Querschnittes angeordneten Rohrbündeln, Fig. 5 schematisch den Strömungsweg des durch die Rohre des Wärmeaustauschers gemäss der Fig. 4 fliessenden Mediums, Fig.6 einen Schnitt durch einen Wärmeaustau- scherkessel mit kreisförmigem Querschnitt,
bei dem die toten Räume der Randzone durch Abdeckein- bauten unwirksam gemacht sind, und Fig. 7 einen Schnitt durch einen Wärmeaustau- scherkessel mit sechseckigem Querschnitt.
Die Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch den Kessel eines vierflutigen Wärmeaustauschers, bei dem die Rohre in der bisher üblichen Weise in vier übereinanderliegenden Rohrbündelreihen 1 bis 4 angeordnet sind. Das eine Medium strömt dabei um die Rohre im Gegenstrom zu demjenigen durch die Rohre. Das die Rohre durchströmende Medium wird der ersten Rohrreihe 1 z. B. auf der Vorderseite zugeführt, durchströmt diese von vorn nach hinten, dann die Rohrreihe 2 von hinten nach vorn, hierauf die Rohrreihe 3 von vorn nach hinten und anschliessend die Rohrreihe 4 von hinten nach vorn. In der Fig. 1 sind diese vier Strömungswege durch eine Pfeillinie 5 angedeutet.
Aus der Fig. 1 ist leicht ersichtlich, dass bei der bekannten Anordnung der Rohre der Kesselquerschnitt nicht zweckmässig ausgenützt wird, dass verhältnismässig umfangreiche tote Räume vorliegen und dass beim, Übergang vom einen zum anderen Strömungsweg Rohre mit unterschiedlichen Temperaturen nebeneinanderliegen.
Erfindungsgemäss werden diese Mängel dadurch umgangen, dass der Querschnitt eines Wärmeaus- tauscherkessels in Sektoren unterteilt wird. Bei zweckmässiger Wahl der Öffnungswinkel solcher Querschnittsektoren, kann der zur Verfügung stehende Kesselquerschnitt möglichst günstig ausgenützt werden.
Die Fig.2 zeigt eine solche Lösung für einen dreiflutigen Wärmeaustauscher mit kleinem Verhältnis n zu L, bei welchem das Medium um die Rohre, wiederum im Gegenstrom zu demjenigen durch die Rohre strömt. Der Sektor Se mit einem Öffnungswinkel von 120 ist dem Eintrittssirömungs- weg, und der Sektor S" mit gleichem Öffnungswinkel dem Austrittsströmungsweg zugeordnet, während die beiden Sektoren S" mit je einem Öffnungswinkel von 60 zwei Umkehrströmungswegen zugeordnet sind.
Das Medium, welches die in den vier Sektoren unter 60 versetzt angeordneten Rohre durchströmt, wird dem Eintrittssektor Se beispielsweise auf der Vorderseite zugeführt, strömt in den Rohren dieses Sektors nach hinten, wird dann zur Hälfte dem oberen Umkehrsektor S" und zur Hälfte dem unteren Umkehrsektor S" über Rohrbogen zugeführt und durchströmt die Rohre dieser Sektoren von hinten nach vorn, worauf es über Rohrbogen dem Austrittssektor S" zugeführt wird und die Rohre dieses Sektors von vorn nach hinten durchströmt. In der Fig.2 sind diese Strömungswege durch die Pfeile E, H, V und A angedeutet.
In der Fig. 3 ist unter Benutzung der Bezugszeichen der Fig.2 der Strömungsweg des durch die Rohre fliessenden Mediums schematisch dargestellt. Da der Wärmeaustauscher ebenfalls im Gegenstrom arbeitet, strömt das Medium um die Rohre im Gegenstrom zu demjenigen durch die Rohre. Aus der Darstellung nach Fig. 3 ist ersichtlich, dass die Rohre zwischen zwei Rohrplatten 6 und 7, in welche sie durch Einwalzen, Löten, Schweissen oder Einschrauben befestigt sind, liegen. Infolge der gewählten Anordnung können sich diese Rohre allen Unterschieden in der Längenausdehnung ohne weiteres anpassen.
Die Fig.4 zeigt einen Querschnitt durch den Kessel eines sechsflutigen, wiederum im Gegenstrom arbeitenden Wärmeaustauschers, der insbesondere für ein sehr kleines Verhältnis n zu L geeignet ist. Hier sind ein Sektor Se für den Eintrittsströmungs- weg, ein Sektor Sa für den Austrittsströmungsweg und vier Sektoren S"1 bis S1,4 für vier Umkehrungs- strömungswege vorgesehen.
Alle sechs Sektoren weisen einen Öffnungswinkel von 60 auf und die in ihnen untergebrachten Rohre sind gegeneinander um 60 versetzt. Das die Rohre durchströmende Medium wird dem Eintrittssektor Se beispielsweise von hinten zugeführt, durchströmt die Rohre dieses Sektors von hinten nach vorn, wird dem Umkehrsektor S,1 über Rohrbogen zugeführt und durchströmt die Rohre dieses Sektors nach hinten.
Dort gelangt das Medium über eine Umlenkkammer K, (siehe Fig. 5) zum Umkehrsektor S" 2, durchströmt die Rohre desselben nach vorn, worauf es über Rohrbogen den Rohren des Umkehrsektors S" 3 zugeführt wird und diese von vorn nach hinten durchströmt und in eine zweite Umkehrkammer K2 (siehe Fig.5) gelangt.
Hierauf durchströmt das Medium die Rohre des Umkehrsektors S"4 von hinten nach vorn und wird über Rohrbogen den Rohren des Austrittssektors zugeführt. In der Fig. 5 ist unter Benutzung der Bezugszeichen der Fig. 4 den Strömungsweg des durch die Rohre fliessenden Mediums schematisch dargestellt. Daraus ist ersichtlich, dass die Rohre in diesem Fall U-förmig gebogen und ihre beiden Enden in einer Rohrplatte 8 befestigt sind.
Um die beim Einbau von Rohren in einen Kreisquerschnitt sich un-. vermeidlicherweise ergebenden Kreissegmente, in welchen keine Rohre untergebracht werden können und deshalb kein Wärmeaustausch stattfinden kann, unschädlich zu machen, ist gemäss Fig. 6 vorgesehen, diese Segmente bzw.
die entsprechenden Kesselräume durch Abdeckeinbauten 9 gegen den Kessel dicht abzuschliessen. Das gleiche Ziel wird gemäss Fig. 7 dadurch erreicht, dass der ebenfalls im Gegenstrom arbeitende Wärmeaustauscher mit einem eckigen Querschnitt, im Falle des sechsflutigen
<Desc/Clms Page number 3>
Wärmeaustauschers gemäss der Fig. 4 also mit einem sechseckigen Querschnitt, ausgeführt wird.
Der beschriebene, im Gegenstromprinzip arbeitende Wärmeaustauscher kann für den Wärmeaustausch zwischen zwei beliebigen Medien, wie z. B. zwischen zwei Flüssigkeiten, einer Flüssigkeit und einem Gas, oder zwischen einem Dampf und einer Flüssigkeit, Verwendung finden.