CH642164A5 - Surface heat exchanger having a horizontal tube bundle - Google Patents

Description

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PATENTANSPRÜCHE entstehenden Kondensats zu, das ständig einen grösseren Teil

1. Oberflächen-Wärmeaustauscher mit einem horizonta- des Durchgangsquerschnitts des Rohrs ausfüllt. Umgekehrt len Rohrbündel, mit einer Dampfkammer (3), einer Trenn- nimmt der Dampfanteil in dem durchfliessenden Gemisch aus wand (4) und mit U-förmigen Rohren (7,8), deren äussere Wasser und Dampf nach und nach ab, bis am Ende des Kon-Oberfläche die Gesamt-Wärmeaustauschfläche bildet, und 5 densationsprozesses Ansammlungen von Kondensat entste-mit einem Strömungsgleichrichterkanal (30), dadurch ge- hen, die Dampfblasen einschliessen. Diese Strömung ist äus-kennzeichnet, dass die Gesamt-Wärmeaustauschfläche durch serst unstabil und führt zu Druckpulsationen und Wärmepul-ein Haupt-Rohrbündel (5), dessen Rohre (7) in senkrechten sationen des Gemisches im Innern des Rohres, was im Betrieb Ebenen parallel zur Längsachse des Oberflächen-Wärmeaus- zu einer gefährlichen Ermüdungsbeanspruchung der Verbin-tauschers angeordnet sind, und durch mindestens ein Neben- 10 dung mit der Rohrwand und zu einem raschen Verlust an Rohrbündel (6,), dessen Rohre (8) in waagrechten Ebenen Dichtheit führt.

parallel zur Längsachse des Wärmeaustauschers angeordnet Die Dampfmenge, die in die einzelnen Rohre eintritt, ist sind, und deren Wärmeaustauschfläche wesentlich kleiner ist durch das Druckgefalle beeinflusst, das sich zwischen dem als die Wärmeaustauschfläche des Haupt-Rohrbündels (5), Eingangsteil und dem Ausgangsteil der Dampfkammer eingebildet ist, wobei diese Fläche im Strömungsgleichrichterka- 15 stellt. Dabei kondensiert im Innern der Rohre, die durch den nal (30) untergebracht ist, der durch Längswände (31), die noch kalten Arbeitsdampf umströmt werden, der Heizdampf entlang der Seiten des Haupt- und Neben-Rohrbündels (5,6) in Folge des grösseren Wärmegefälles schneller als in den angeordnet sind, und durch Querwände (32) an beiden Enden Rohren, die durch den schon erwärmten Arbeitsdampf um-der Längswände gebildet ist, und wobei das Neben-Rohrbün- flössen werden. Im Ausgangsteil der Dampfkammer kann es del (6) unterhalb des Haupt-Rohrbündels (5) untergebracht 20 daher zu einer Rückströmung des nicht kondensierten Heizist, dessen Rohre (7) aus einem Eingangsraum (10) der dampfs aus den durch den erwärmten Arbeitsdampf um-Dampfkammer (3) ausgehen und in einen Ausgangsraum (11) strömten Rohren in die Ausgangsabschnitte derjenigen Rohre der Dampfkammer (3) münden, wogegen die Rohre (8) des kommen, die durch den kalten Arbeitsdampf umflossen wer-Neben-Rohrbündels (6) aus einer Eingangskammer (15) der den. Dieser Rückfluss bildet im Dampf die Ursache des Ent-Dampfkammer (3) ausgehen und in eine Ausgangskammer 25 Stehens von weiteren Pulsationen mit ähnlichen ungünstigen (16) der Dampfkammer (3) münden. Effekten, wie sie schon vorher beschrieben wurden. Ausser-

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekenn- dem kommt es im Innern der betroffenen Rohre zur Anzeichnet, dass der Eingangsraum (10) der Dampfkammer (3) Sammlung von nicht kondensierenden Gasen und dadurch zu vom Ausgangsraum (11) der Dampfkammer (3) durch eine einer funktionellen Ausschaltung eines Teils der Wärmeaus-obere Horizontalwand (12) abgeteilt und mit einem Ein- so tauschfläche.

gangsstutzen (9) für den Heizdampf versehen ist, wogegen der Falls die Rohre im Rohrbündel so zusammengebaut sind, Ausgangsraum (11) mit der Dampf kammer (3) von der Ein- dass der zu erwärmende Arbeitsdampf senkrecht zu den Ebe-gangskammer (15) und von der Ausgangskammer (16) durch nen derselben fliesst, werden beide Zweige eines jeden Rohrs eine untere Horizontalwand (13) abgeteilt ist, dieser Aus- durch Dampf mit der gleichen Temperatur umströmt, und die gangsraum (11) mit der Eingangskammer (15) durch einen 35 Wärme (Temperatur) der Wände der Rohre ist in beiden Übergangsstutzen (17) verbunden und mit einem Abflussstut- Zweigen praktisch dieselbe, sodass eine Wärmespannung aus zen (18) für das Kondensat und mit einem Ausgleichsstutzen dem Unterschied der Temperaturen in den Zweigen ausge-(19) versehen ist, während die Ausgangskammer (16), die von schlössen ist. Eine solche Anordnung des Rohrbündels weist der Eingangskammer (15) durch eine Vertikalwand (14) abge- jedoch einen bedeutenden Unterschied in der Menge des konteilt ist, mit einem Ablauf (20) für das Kondensatz und mit ei- 40 densierten Heizgases in den einzelnen Reihen in Richtung der nem Abblasstutzen (21) versehen ist. Arbeitsdampfströmung auf. Es wird jedoch auch eine Va riante des Rohrbündels, in welchem die Rohre in zur Strö-

mungsrichtung des Arbeitsdampfes parallelen Ebenen liegen,

benutzt. Diese Variante bringt eine grössere Ausgeglichenheit

Die bisherigen Oberflächen-Wärmeaustauscher dieses . 45 in der Verteilung des Heizgases in den einzelnen Reihen und Typs werden bei Turboaggregaten für Sattdampf angewen- insgesamt eine kleinere Menge des nicht kondensierten det, wo sie zum Zwischenüberhitzen des Arbeitsdampfs nach Dampfs im Verhältnis zur Menge des zugeführten Heizdamp-einer teilweisen Expansion im Hochdruckteil der Dampftur- fes. Der Unterschied der Temperaturen der Wände eines je-bine und nach einer mechanischen Ausscheidung der Wasser- den Rohrs in den einzelnen Zweigen, der durch die Temperatropfen in einer vorgeschalteten Separationsvorrichtung ver- 50 tur des zu erwärmenden Arbeitsdampfes beeinflusst wird, wendet werden. Der Arbeitsdampf umströmt die äussere kann jedoch, insbesondere bei den äusseren Rohren des

Oberfläche der Rohre, meistenteils in einer zu den Achsen Rohrbündels, bedeutende Werte erreichen. Bei verhältnis-derselben senkrechten Richtung, wobei er erwärmt wird. Der mässig langen geraden Abschnitten der Rohre können die Heizdampf mit einem höheren Druck als der Druck des Ar- Wärmespannungen, die durch die Temperaturdifferenz in den beitsdampfs wird in die Dampfkammer des Rohrbündels ge- 55 beiden Zweigen des Rohrs hervorgerufen werden, eine Defor-leitet, aus der er in die Rohre strömt, worauf er beim Durch- mation und schliesslich eine Beschädigung der Rohre im fluss durch diese Rohre seine Verdampfungswärme dem Ar- Rohrbündel zur Folge haben.

beitsdampf abgibt. Die äussere Oberfläche der Rohre des Die Nachteile der bisherigen Lösungen werden erfin-

Rohrbündels bildet auf diese Weise die Wärmeaustauschflä- dungsgemäss durch den Oberflächen-Wärmeaustauscher der che. Bei der beschriebenen Wärmeaustauschtätigkeit kommt 60 eingangs erwähnten Art vermieden, der durch die Merkmale es im Innern der Rohre zu einer fortlaufenden Kondensation des Anspruches 1 gekennzeichnet ist.

des Heizdampfs. Bei einer Rohranordnung als Wärmeaus- Eine bevorzugte Ausbildung der Erfindung besteht darin,

tauschfläche sind die Enden der Rohre mit einer Trennwand dass der Eingangsraum der Dampfkammer von dem Ausverbunden, an die von der entgegengesetzten Seite die Dampf- gangsraum dieser Dampfkammer durch eine horizontale kammer mit ihrem Eingangsteil und Ausgangsteil anschliesst. 65 Trennwand abgeteilt ist und mit einem Eingangsstutzen für

Im Verlauf des Kondensationsprozesses nimmt im Innern den Heizdampf versehen ist. Der Ausgangsraum der Dampf-der Rohre entsprechend der Wärmeabgabe des Arbeitsdamp- kammer ist von der Eingangskammer und von der Ausgangsfes und fortlaufend mit der Länge des Rohrs die Menge des kammer durch eine Teilungstrennwand abgeteilt, jedoch die-

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ser Ausgangsraum ist dabei mit der Eingangskammer durch tionsdruck des Heizdampfes in den Neben-Rohrbündeln wird einen Abflussstutzen des Kondensats und mit einem Aus- um den Druckverlust im Haupt-Rohrbündel herabgesetzt, gleichsstutzen versehen. Die Ausgangskammer, die von der Da sich jedoch die Neben-Rohrbündel mit dem noch nicht er-Eingangskammer durch eine vertikale Trenn wand abgeteilt hitzten Arbeitsdampf in Kontakt befinden, verliert diese Herist, ist mit einer Abführung des Kondensats mit einem Ab- 5 absetzung ihre praktische Bedeutung mit Rücksicht auf den blasstutzen versehen. grossen Wärmeunterschied zwischen Heiz- und Arbeits-

Ein Vorteil des Oberflächen-Wärmeaustauschers nach der dampf. Im Gegenteil kommt hier der Saugeffekt auf den nicht Erfindung besteht in der Möglichkeit, die Menge des zuge- kondensierten Anteil des Heizdampfes, der aus dem Hauptführten Heizdampfes und die Länge der Rohre so zu wählen, Rohrbündel austritt, günstig zur Wirkung. In den Neben-dass der Kondensationsprozess in sämtlichen Rohren des 10 Rohrbündeln sind die Rohre reihenweise in Ebenen angeord-Haupt-Rohrbündels noch vor dem Auftreten der unstabilen net, die zur Richtung der Strömung des Arbeitsdampfes senk-Strömungen unterbrochen wird. Im Ausgangsraum der recht stehen. Da es sich vorzugsweise um eine sehr kleine An-Dampfkammer kommt es zum Abscheiden des entstandenen zahl von Reihen handelt, die meistenteils nicht 1/7 bis 1/6 der Kondensats von dem nicht kondensierten Anteil des Heiz- Anzahl der Rohrreihen des Haupt-Rohrbündels übersteigen, dampfes. Der Kondensat wird in einen Dampfwassersammler 15 ist auch die Menge des nicht kondensierten Dampfes in den-ausserhalb des Wärmeaustauschers geleitet, der nicht konden- selben, einschliesslich des Abblasdampfes, klein im Vergleich sierte Anteil des Heizdampfes aus dem Haupt-Rohrbündel mit der Menge des Heizdampfes, der dem Haupt-Rohrbündel wird in die Eingangskammer und in die Eingangszweige der zugeleitet wird.

Rohre des Neben-Rohrbündels eingeführt. Hier verläuft der Einen Vorteil der beschriebenen Anordnung der Rohre

Prozess der Kondensierung analog, wie bei den Rohren des 20 bilden in diesem Fall die kleinen Beanspruchungen auf die

Haupt-Rohrbündels, jedoch bei einem Druck, der um den Fläche der Rohrwand, was insbesondere in einer Zweistufen-

Druckverlust innerhalb der Rohre des Haupt-Rohrbündels überhitzung wichtig ist.

herabgesetzt ist. Der nicht kondensierte Anteil des Heizdamp- Ein Ausführungsbeispiel des Oberflächen-Wärmeaustau-

fes kann aus der Ausgangskammer der Dampfkammer als schers nach der Erfindung ist in einer vereinfachten Form mit

Abblasdampf ausserhalb des Oberflächen-Wärmeaustau- 25 einer Überhitzungsstufe und mit einem Neben-Rohrbündel in schers abgeführt werden, oder bei grösseren Mengen kann den beiliegenden Zeichnungen dargestellt; es zeigen:

seine Kondensation im weiteren Neben-Rohrbündel fortge- Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Oberflächen-Wärme-setzt werden, wo die Wärmeaustauschfläche des Bündels pro- austauscher,

portional zur verkleinerten Menge des kondensierten Damp- Fig. 2 einen Querschnitt durch die Dampfkammer des fes verkleinert wird. Der nicht kondensierte Anteil des Heiz- 30 Rohrbündels des Oberflächen-Wärmeaustauschers nach der dampfes, der aus dem weiteren Neben-Rohrbündel als Ab- Linie A-A in Fig. 1, und blasdampf abgeführt wird, ist im Vergleich zur Menge des Fig. 3 einen Querschnitt durch den Körper des Oberflä-

Heizdampfes, der in das Haupt-Rohrbündel zugeleitet wird, . chen-Wärmeaustauschers nach der Linie B-B in Fig. 1.

geringfügig, und der so verursachte Wärmeverlust ist bedeu- Nach Fig. 1 ist im Körper 1 des Oberflächen-Wärmeaus-

tungslos. 35 tauschers einesteils eine Rohranordnung 2, die aus einem

Der hauptsächliche Beitrag des Oberflächen-Wärmeaus- Haupt-Rohrbündel 5, aus einem Neben-Rohrbündel 6, aus tauschers nach der Erfindung besteht in der Sicherung seines einer Trennwand 4 und aus einer Dampfkammer 3 besteht,

im wesentlichen störungsfreien Betriebes dank dem genügen- und andernteils ein Gleichrichterkanal 30, der auch aus Fig. 3

den Ausschluss der im Betrieb gefährlichen Formen des Dop- ersichtlich ist und der durch Längswände 31 und Querwände pelphasengemisches Wasser-Dampf im Inneren sämtlicher 40 32 abgegrenzt ist, gelagert. In den Raum des Gleichrichterka-

Rohre. Die Stabilisationsmenge des Abblasdampfs ist dabei nals 30 greifen das Haupt-Rohrbündel 5 und das Neben-

vernachlässigbar. Rohrbündel 6 ein. Das Haupt-Rohrbündel wird durch Rohre

Im Haupt-Rohrbündel, das den wesentlichen Teil der 7, die in senkrechten Ebenen angeordnet sind, gebildet und Wärmeaustauschfläche des Oberflächen-Wärmeaustauschers das Neben-Rohrbündel 6 aus Rohren 8, die in waagrechten bildet, sind die Rohre in Ebenen angeordnet, die zur Rieh- 45 Ebenen angeordnet sind. Die äussere Oberfläche der Rohre 7, tung der Strömung des Arbeitsdampfes parallel sind. Dieses 8 bildet die Wärmeaustauschfläche des Oberflächen-Wärme-Bündel arbeitet daher mit einer relativ kleinen Ungleichmäs- austauschers. Die offenen Enden der Rohre 7,8 sind an die sigkeit in der Verteilung des Heizdampfes in den einzelnen entsprechenden Öffnungen in der Trennwand 4 angeschlossen Reihen der Rohre und daher auch mit einer relativ kleinen und münden so in den inneren Raum der Dampfkammer 3, Menge des nicht kondensierten Dampfes; dies auch trotz ei- so die mit dem Körper 1 verbunden ist. Dieser Körper 1 ist mit ner möglichen Vergrösserung um den Stabilisierungsanteil. einem Stutzen 24 für den Austritt für den Arbeitsdampf und Zur Kondensation des Dampfes, der aus dem Haupt-Rohr- mit einem Eingangsstutzen 23, ebenfalls für den Arbeitsbündel abgeleitet wird, genügt daher eine kleine, unwesent- dampf, versehen.

liehe Wärmeaustauschfläche, die zum Beispiel durch ein Ne- Die Querwände 32 des Gleichrichterkanals 30 sind mit ben-Rohrbündel repräsentiert werden kann. 55 Ausschnitten 33 für das Einschieben des Rohrteils der Rohr-Die Neben-Rohrbündel, die in der Strömungsrichtung des anordnung 2 in den Gleichrichterkanal 30 versehen. Der Auserhitzten Arbeitsdampfes dem Haupt-Rohrbündel vorge- schnitt 33 in der Querwand 32 unmittelbar hinter dem Einschaltet sind, arbeiten mit einem grossen Wärmeunterschied gangsstutzen 23 ist durch ein Gehäuse 34 gegen das Eindrin-zwischen dem Heizdampf und dem Arbeitsdampf. In diesem gen des eintretenden Dampfes in den Gleichrichterkanal 30 Teil des Oberflächen-Wärmeaustauschers wird deshalb der 60 geschützt. Die gegenseitige Lage der Rohre 7 und 8 wird Arbeitsdampf in einigen wenigen Reihen von Rohren schnell durch querverlaufende Stützwände 35 gesichert.

erhitzt, wodurch seine Erhitzung im Haupt-Rohrbündel we- Nach Fig. 2 ist der innere Raum der Dampfkammer 3 in sentlich herabgesetzt wird. vier Teile eingeteilt. Der obere Teil, der vom übrigen Raum Der Unterschied der Temperatur der Wände in den einzel- durch eine horizontale Trennwand 12 abgeteilt ist, bildet einen Zweigen der Rohre des Haupt-Rohrbündels, insbeson- 65 nen Eingangsraum 10, der mit einem Eingangsstutzen 9 verse-dere der Randrohre desselben, wird durch diese Anordnung hen ist. Aus diesem Eingangsraum 10 treten Eingangszweige auf ein vom Gesichtspunkt der Wärmespannungen in den der Rohre 7 des Haupt-Rohrbündels aus. Der mittlere Teil Rohren annehmbares Mass herabgesetzt. Der Kondensa- der Dampfkammer 3 ist vom unteren Teil der Arbeitskammer

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3 durch eine Trennwand 13 abgeteilt, die ebenfalls horizontal angeordnet ist und einen Ausgangsraum 11 bildet, in den die Ausgangszweige der Rohre 7 des Haupt-Rohrbündels 5 münden. Der untere Teil der Dampfkammer 3 unterhalb einer vertikal angeordneten Trennwand 14 ist in zwei identische Teile eingeteilt. Ein derselben bildet eine Eingangskammer 15, aus der die Eingangszweige der Rohre 8 des Neben-Rohrbündels 6 austreten und der andere bildet eine Ausgangskammer 16, in die Ausgangszweige der Rohre 8 des Neben-Rohrbündels 6 münden. Der Ausgangsraum 11 der Dampfkammer 3 und die Eingangskammer 15 dieser Dampfkammer sind miteinander durch einen Übergangsstutzen 17 verbunden. Der Ausgangsraum 11 der Dampf kammer 3 ist im weiteren mit einem Abflussstutzen 18 zur Ableitung des Kondensats und mit einem Druckausgleichsstutzen 19, der im weiteren an einen nicht eingezeichneten Dampfraum des Dampfwassersammlers angeschlossen ist, versehen. Die Ausgangskammer 16 der Dampfkammer 3 ist mit einem Ablass 20 für das Kondensat und mit einem Abblasventilstutzen oder Abblasstutzen 21 zur Ableitung des Abblasdampfs versehen.

In Fig. 3 ist in einem Querschnitt durch den Wärmeaustauscher die Unterbringung des Haupt-Rohrbündels 5 und des Neben-Rohrbündels 6 im Gleichrichterkanal 30 dargestellt, der durch Längswände und durch Querwände 31,32 gebildet ist. Der freie Raum im mittleren Teil des Neben-Rohrbündels 6 ist durch einen Einbau 36 ausgefüllt. Im Raum, der durch den Körper 1 entlang der Längswände 31 abgeschlossen ist, ist noch ein Separationsmechanismus (nicht dargestellt), untergebracht.

Der Arbeits-Nassdampf, der aus dem Hochdruckteil der Turbine austritt, wird durch den Eingangsstutzen 23 in den Körper 1 des Oberflächen-Wärmeaustauschers eingeführt und beim Durchgang durch den Separationsmechanismus mechanisch entfeuchtet. Die Strömung des getrockneten Arbeitsdampfes wird nachher durch die Längswände und Querwände 31,32 des Gleichrichterkanals 30 so gerichtet, dass er 5 senkrecht zu den Rohren 7,8 der Rohranordnung 2, d.h. in der Richtung von unten nach oben, verlauft. Beim Durchfluss durch die Rohranordnung 2 wird der Arbeitsdampf fortlaufend erhitzt und verlässt dann den Körper 1 durch den Stutzen 24. Der Heizdampf wird durch den Eingangsstutzen 9 in io den Eingangsraum 10 der Dampfkammer 3 eingeleitet, von wo er in die Eingangszweige der Rohre 7 des Haupt-Rohrbündels 5 und durch diese Rohre 7 hindurchströmt, wobei er teilweise kondensiert und dabei einen Teil seiner Verdampfungswärme dem Arbeitsdampf überträgt, der die Rohre 7 i5 von aussen umströmt. Im Ausgangsraum 11 des Haupt-Rohrbündels 5 kommt es zur Separation der beiden Phasen des Dampfleitungsgemisches, das in diesem Raum durch die Rohre 7 zugeleitet wird. Das entstandene Kondensat wird durch den Abflussstutzen 18 in den Dampfwassersammler ab-20 geleitet, der ausserhalb des Geräts untergebracht ist, was den Anschluss seines Dampfraumes mit dem Ausgangsraum 11 des Haupt-Rohrbündels 5 durch eine Rohrleitung, die an den Ausgleichsstutzen 19 angeschlossen ist, ermöglicht. Ein Teil der zugeführten Menge des Heizdampfes, der in den Rohren 7 25 des Haupt-Rohrbündels 5 nicht kondensiert wurde, wird durch den Übergangsstutzen 17 in die Eingangskammer 15 des Neben-Rohrbündels 6 abgeleitet, von wo er in die Eingangszweige der Rohre 8 des Neben-Rohrbündels 6 eintritt. Nach einer teilweisen Kondensation in den Rohren 8 tritt das so Dampfleitungsgemisch in die Ausgangskammer 16 des Neben-Rohrbündels 6 aus, von wo das Kondensat durch den Ablass 20 und eine kleine Menge des nichtkondensierten Dampfes durch den Abblasstutzen 21 abgeleitet wird.

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2 Blatt Zeichnungen