CH632583A5

CH632583A5 - Rohrbuendel zur waermeuebertragung durch beruehrung.

Info

Publication number: CH632583A5
Application number: CH757378A
Authority: CH
Inventors: Max Weber
Original assignee: Sulzer Ag
Priority date: 1978-07-12
Filing date: 1978-07-12
Publication date: 1982-10-15
Also published as: US4276930A; DE2832938B2; JPS5517097A; FR2431105A1; DE2832938C3; DE2832938A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Rohrbündel zur Wärmeübertragung durch Berührung, bestehend aus mehreren Gruppen von Rohrabschnitten, wobei in jeder Gruppe die Rohrabschnitte mit etwa horizontaler Achse vertikal übereinander angeordnet sind und durch mehrere über die Länge der Rohrabschnitte verteilte Reihen von Rippen miteinander verbunden sind, die je Reihe vertikal übereinander angeordnet an jeweils zwei einander benachbarte Rohrabschnitte angeschweisst sind.

Es ist ein Rohrbündel dieser Art, z.B. in Helissenform, aus der CH-PS 550 984 bekannt. Bei diesem Rohrbündel verlaufen die Mittellinien der Rippen oder Flossen durch die Rohrachse, wie dies auch bei gasdicht verschweissten Rohrwänden von Brennkammern für Dampferzeuger üblich ist. Die Verbindung von Bündelrohren durch mit den Rohren verschweisste, der Rohraufhängung dienende Rippen hat den Vorteil, dass die einzelnen Rohre zu einem stabilen Gebilde versteift werden, an dem keiner erheblichen Rohrschwingungen auftreten können. Solche Rohrschwingungen sind bei in inerter Gasatmosphäre, beispielsweise Helium, arbeitenden Wärmeübertragern gefürchtet, weil gewisse Fretting-Erscheinungen auftreten kön-s nen, bei denen an den Rohren und/oder an den Rohraufhängungen erheblich Material abgetragen wird.

Neben diesem Vorteil hat die bekannte Anordnung von Rippen aber den Nachteil, dass die Rohrwandungen durch den zentralen Anschluss der Rippen auf Biegung beansprucht wer-lo den. Bei Rohrbündeln, die in einem hohen Temperaturbereich arbeiten, können diese zusätzlichen Biegespannungen zur Verwendung dickwandigerer Rohre zwingen. Eine solche Lösung hat aber nicht nur den Nachteil, dass dadurch der Wärmeübertrager schwerer wird, sondern auch, dass die höchsten Temperais turen an der Rohrwand höher liegen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Rohrbündel der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass unter Beibehaltung des Vorteils des bekannten Rohrbündels, nämlich Vermeidung des Entstehens von Schwingungen die Biegebeanspru-20 chung in den Rohrabschnitten kleiner sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Rippen bezüglich der Rohrabschnitte exzentrisch derart angeordnet sind, dass die äusseren Flächen der Rippen etwa mit den entsprechenden äussersten Mantellinien der Rohrabschnit-25 te fluchten.

Durch die exzentrische Anordnung der Rippen werden auf einfache Weise die Biegebeanspruchungen der Rohrabschnitte kleiner als bei dem bekannten Rohrbündel. Damit ist dessen Gewicht wegen der Verwendimg dünnwandigerer Rohrab-30 schnitte geringer. Dies erlaubt auch die Anwendung des Rohrbündels in Wärmeübertragern, die mit relativ hohen Medientemperaturen betrieben werden, z.B. in Verbindung mit Hochtemperaturreaktoren.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der fol-35 genden Beschreibung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen fragmentarischen Ausschnitt eines Helissenwär-meübertragers gemäss dem Stand der Technik,

Fig. 2 einen fragmentarischen Ausschnitt eines Helissenwär-40 meübertragers gemäss der Erfindung,

Fig. 3 einen Ausschnitt eines abgewandelten Rohrzylinders für einen Helissenwärmeübertrager,

Fig. 4 einen Horizontalschnitt eines Helissenwärmeübertra-gers mit Rohrzylindern gemäss Fig. 3,

45 Fig. 5 einen Ausschnitt eines weiteren abgewandelten Rohrzylinders und

Fig. 6 und 7 einen fragmentarischen Ausschnitt bzw. einen Horizontalschnitt (Linie VII-VII in Fig. 6) durch einen abgewandelten Helissenwärmeübertrager.

50 Gemäss Fig. 1 bildet ein erstes, nach einer Schraubenlinie gebogenes Rohr 1 einen äusseren Rohrzylinder 2 und ein zweites ebenfalls nach einer Schraubenlinie gebogenes Rohr 3 einen inneren Rohrzylinder 4. Der Rohrzylinder 2 ist konzentrisch zum Rohrzylinder 4 angeordnet; sie bilden Bestandteile eines 55 aus weiteren, konzentrisch angeordneten Rohrzylindern bestehenden Helissenwärmeübertragers. Die einzelnen Windungen der Rohre 1 und 3 sind dabei durch mit ihnen verschweisste Rippen 5 bzw. 6 verbunden, die jeweils zu den kreisförmigen Querschnitten der Rohre 1 bzw. 3 zentral verlaufen. 60 Durch diese Rippen 5 und 6 werden die Rohrzylinder 2 und 4 zu steifen Gebilden, die keinerlei Neigung zum Schwingen aufweisen. Anstelle der mehrfach über den Umfang sich erstreckenden Rippen 5 und 6 ist es nach dem Stand der Technik auch möglich, mehrere kurze Rippen anzuordnen, deren Aus-6S dehnung in Richtung des Umfangs beispielsweise mit dem Rohrdurchmesser vergleichbar ist.

Bei dieser bekannten Anordnung werden mindestens die obersten Rohrwindungen durch das Gewicht der an ihnen hän

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genden Rohre so belastet, dass in der Rohrwand erhebliche Biegespannungen auftreten können. Solche Biegespannungen lassen sich durch Verdickung der Rohrwand beliebig verkleinern, was jedoch zu einer schweren Konstruktion führt.

Gemäss Fig. 2 verlaufen Rohrabschnitte 8 schraubenlinien-förmig auf einem äusseren Rohrzylinder 22 und Rohrabschnitte 9 ebenfalls schraubenlinienförmig auf einem inneren Rohrzylinder 21. Die einzelnen Rohrabschnitte der Rohrzylinder 21 und 22 sind untereinander durch Rippen 10 verbunden, die etwa gleich dick sind wie die Wände der Rohrabschnitte 8 und 9, im Gegensatz zu den Rippen 5 und 6 von Fig. 1, jedoch an Tangentialebenen der Rohrabschnitte so anliegen, dass sie aussen mit den Rohrabschnitten bündig sind. Die Rippen 10 sind dabei, in Umfangsrichtung der Rohrzylinder 21,22 gemessen, relativ kurz, d.h. in der Grössenordnung des Rohraussendurchmessers, so dass die Zwickelräume 11 zwischen den Aussenflächen der Rohrabschnitte 8,9 und der ihnen zugekehrten Seite der Rippen verhältnismässig kurz werden. In diesen Zwickelräumen ist die Wärmeübertragung wegen der dort reduzierten Strömungsgeschwindigkeit verschlechtert. Durch die beschränkte Ausdehnung der Zwickelräume 11 bleibt diese Verschlechterung des Wärmeübergangs jedoch unbedeutend. Zudem tritt eine gewisse Kompensation dadurch auf, dass die Rippen 10 am Wärmeübergang beteiligt sind und gerade im Bereich der Zwickelräume zusätzliche Wärme an die benachbarten Rohrabschnitte abgeben.

Vom Helissenwärmeübertrager gemäss Fig. 4 sind die drei innersten Rohrzylinder 20,21 und 22 zu sehen. Während in den beiden inneren Rohrzylindern 20 und 21 je ein einziges Rohr vorgesehen ist, das die über Rippen verbundenen Rohrabschnitte bildet, verlaufen im Rohrzylinder 22 zwei Rohre ineinander-gewickelt, die die über Rippen verbundenen Rohrabschnitte 25, 26 aufweisen und deren Steigung zwischen derjenigen der beiden Rohre der inneren Zylinder 20 und 21 liegt. Durch die so geschaffene Erhöhung der Rohrzahl mit dem Rohrzylinderdurchmesser kann erreicht werden, dass Rohre gleicher Länge auf verschiedene Durchmesser gewickelt, in Richtung der Achse des Rohrzylinders gemessen, etwa dieselbe Länge beanspruchen, was in der Praxis häufig gefordert wird.

Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind gemäss Fig. 3 am selben Rohrabschnitt 25 und 26 aufeinanderfolgende Rippen 10 und 10' abwechslungsweise auf verschiedenen Seiten des Rohrabschnittes angeschweisst. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Rippen nur vernachlässigbar durch Biegespannungen belastet werden. Diesbezüglich noch günstiger wäre eine Lösung, bei welcher am gleichen Rohrquerschnitt auf beiden Seiten der Rohrabschnitte je eine Rippe angeordnet würde, so dass die zwei Rippen am selben Rohrabschnitt einander gegenüberstehen würden. Eine solche Lösung hätte jedoch den Nachteil, dass der Zwischenraum zwischen den beiden Rippen vom die Rohrabschnitte umströmenden Medium schlecht durchspült würde.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 sind die Rippen 50 5 und 50' tailliert, so dass in halber Höhe der Rippen gemessen deren Länge L erheblich kleiner ist als die Länge K der Rippenkanten 13, an denen die Rippen 50 und 50' mit den benachbarten Rohrabschnitten 25 und 26 verschweisst sind. Diese besondere Gestalt der Rippen 50 und 50' bringt den Vorteil, dass die io Spannungen in den Rohrwänden im Bereich der Rippenecken herabgesetzt werden. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführung ist darin zu sehen, dass die höchsten Rippentemperaturen, die in halber Rippenhöhe an den Kanten auftreten, geringer sind als bei rechteckigen Rippen. Die Einschnürung K—L beträgt zweck-15 mässig das 0,2 ... 2fache der Höhe H der Rippe.

Im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 6 und 7 sind jeweils an den Rohrabschnitten 9,25,26 auf der Rohrzylinder-Innenseite durch Raupen 31 Rippen 30' angeschweisst, die je Rohrzylinder Bestandteile eines T-Profilstabes 32 bilden, und zwar 20 von dessen Flansch. Der Flansch jenes Stabes 32 ist im Bereich jedes Rohrabschnittes ausgefräst, wobei jede Ausfräsung auch den Fuss des Steges 34 erfasst; die zwischen den Ausfräsungen stehenbleibenden Flanschabschnitte bilden also die Rippen 30'.

Nach dem Anschweissen der T-Profilstäbe 32 an den Rohr-25 abschnitten 9,25,26 entlang den gefrästen Flanschkanten können die im Bereich der Ausfräsungen verbleibenden Stege 34 durch dünne Trennschnitte 40 aufgetrennt werden, so dass die Stegpartien, die im Betrieb eine etwas höhere Temperatur annehmen als die Rohrwandungen, keine zusätzliche Wärmespan-30 nung im Rohrabschnitt zur Folge haben.

Auf dem inneren Rohrzylinder 21 sind auf dessen Aussen-seite an den Rohrabschnitten 9 Rippen 30 angeschweisst, von denen jede aus einem T-Profil 52 besteht. Bei diesen T-Profilen 52 verläuft der Steg 51 jeweils in Richtung der Rohrachse. Jeder 35 Steg 51 ist mit einem Querschlitz 53 versehen, der den Steg 34 des benachbarten T-Profilstabes 32, vorzugsweise mit Spiel in radialer Richtung, aufnimmt. Durch diese Anordnung werden die einzelnen Rohrzylinder 21,22 aneinander und an nicht gezeichneten äusseren und inneren zylindrischen Begrenzungs-4o wänden des Wärmeübertragers gegen seitliche Verschiebungen abgestützt. Durch das erwähnte Radialspiel in den Querschlitzen 53 wird dabei vermieden, dass Wärmedehnungsunterschiede einander benachbarter Rohrzylinder bzw. Begrenzungswände zu zusätzlichen Spannungen in den Rohrabschnitten führen. 45 Die Erfindung ist nicht auf Helissenwärmeübertrager beschränkt. Es ist z.B. auch möglich, die Rippen bei Rohrbündeln anzuordnen, die aus Rohrgruppen aufgebaut sind, deren Rohrabschnitte jeweils in einer vertikalen Ebene schlangenförmig gebogen sind.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

632 583 PATENTANSPRÜCHE

1. Rohrbündel zur Wärmeübertragung durch Berührung, bestehend aus mehreren Gruppen von Rohrabschnitten, wobei in jeder Gruppe die Rohrabschnitte mit etwa horizontaler Achse vertikal übereinander angeordnet sind und durch mehrere über die Länge der Rohrabschnitte verteilte Reihen von Rippen miteinander verbunden sind, die je Reihe vertikal übereinander angeordnet an jeweils zwei einander benachbarte Rohrabschnitte angeschweisst sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (10,10', 30,30', 50,50') bezüglich der Rohrabschnitte (8,9, 25,26) exzentrisch derart angeordnet sind, dass die äusseren Flächen der Rippen (10,10', 30,30', 50,50') etwa mit den entsprechenden äussersten Mantellinien der Rohrabschnitte (8, 9,25,26) fluchten.

2. Rohrbündel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am selben Rohrabschnitt (25,26) in dessen Längsrichtung aufeinander folgende Rippen (10,10', 50,50') abwechselnd an entgegengesetzten Seiten des Rohrabschnittes angeordnet sind.

3. Rohrbündel nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (50,50') derart tailliert sind, dass sie auf halber Höhe erheblich kürzer sind als an den Kanten, längs denen sie mit den benachbarten Rohrabschnitten ver-schweisst sind.

4. Rohrbündel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (30') jeweils einer Reihe aus dem Flansch (30') eines T-Profilstabes (32) gebildet sind, welcher jeweils im Rohrbereich Ausfräsungen aufweist.

5. Rohrbündel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (34) des T-Profilstabes (32) jeweils im Höhenbereich der Ausfräsungen durch je einen Trennschnitt (40) unterteilt ist.

6. Rohrbündel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (30) einer Reihe aus je einem Flansch eines T-Profils (52) gebildet sind, indem die Flansch-Längskanten jedes Profils mit den benachbarten Rohrabschnitten (9) verschweisst sind.

7. Rohrbündel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der etwa horizontal angeordnete Steg (51) jedes T-Profils (52) einen Querschlitz (53) aufweist.

8. Rohrbündel nach den Ansprüchen 4 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass in zusammengebautem Zustand jeweils eine Reihe von aus T-Profilen (32) bestehenden Rippen (30') einer Gruppe (22) von Rohrabschnitten (25,26) gegenüber einer Reihe von aus einem T-Profilstab (52) bestehenden Rippen (30) einer benachbarten Gruppe (21) von Rohrabschnitten (9)angeordnet ist und dass zur Zentrierung jeweils ein vertikaler Steg (34) eines T-Profilstabes (32) in die Querschlitze (53) der T-Profile (52) einer benachbarten Reihe von Rippen (30) eingreift.