DD291823A5 - Ringstromwaermeuebertrager mit mehreren ringbahnstufen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf Ringstromwaermeuebertrager mit mehreren Ringbahnstufen, die mantelseitig einflutig oder parallelflutig durchstroemt sind und bei dem ein Zentralrohr, gegebenenfalls mit Leitblechen, zur Gasleitung von Ringbahnstufe zu Ringbahnstufe vorgesehen ist. Die Anwendung erfolgt vorrangig bei Prozessen mit groszen Temperaturspruengen je Ringbahnstrasze zur Vermeidung extremer Spannungsspitzen, beispielsweise zur Abwaermegewinnung wie bei Verdichterkuehlern oder grosztechnischen Absorptionskaelteanlagen. Erfindungsgemaesz wird das erreicht, indem die Gasstroemungsrichtung jeder Ringbahnstufe bzw. von Gruppen von Ringbahnstufen gegenlaeufig ist. Die Anzahl der Ringbahnstufen jeder Stroemungsrichtung differiert maximal dabei um eine Ringbahnstufe. Die Gaseintritts- bzw. Gasaustrittsoeffnungen der Ringbahn an der Trennstelle gegenlaeufiger Stroemungsrichtungen der Ringbahnstufen sind auf dem Umfang des Zentralrohres axial fluchtend angeordnet. Fig. 4{Ringstromwaermeuebertrager; Ringbahnstufen; Rohrbuendelwaermeuebertrager; Stroemungsgaenge; Waermeaustauschprozesse; Gaskuehlung; Zentralrohr; Dehnungsverlauf; Stufenzahl; Betriebssicherheit; Eigenverspannung}

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ringstromwärmeübertrager mit mehreren Ringbahnstufen, die mantelseitig einflutig oder parallelflutig durchströmt sind und bei dem ein Zentralrohr mit Gaseintritts- bzw. Gasaustrittsöffnungen für die Ringbahn versehen ist sowie gegebenenfalls Leitbleche im Zentralrohr zur Gasleitung von Ringbahnstufe zu Ringbahnstufe aufweist. Die Ausbildung ist dabei in Schwimmkopfausführung bzw. mit festen Rohrboden im Genäusemantel.

Derartige Wärmeübertrager eignen sich für viele verfahrenstechnische Belange, insbesondere für Wärmeaustauschprozesse zwischen einem gasförmigen Mantelraummedium, welches senkrecht zur Rohrbündelachse geführt wird und einem flüssigen Rohrraummedium mittlerer Durchsätze.

Die Anwendung erfolgt vorrangig bei Prozessen mit großen Temperatursprüngen je Ringbahnstufe bzw. wo aus medialer bzw.

werkstoffmäßiger Sicht auf die Vermeidung von extremen Spannungsspitzen großer Wert gelegt wird, z, B. bei der Abwärmegewinnung, wie bei Verdichterkühlern bzw. bei der Kältegewinnung in großtechnischen Absorptionskälteanlagen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Nach der DD-PS 239853 ist bereits ein Rohrbündelwärmeübertrager mit Zentralrohr bzw. Zentralrohrsegmenten bekannt. Hier ist das Zentralrohr mittels Trennblechen, die als Schrägbleche ausgebildet sind, in einzelne Schrägstromkammern unterteilt, wobei die Schrägbleche jeweils parallel und zwischen zwei benachbarten ringschsibenförmigen Trennblechen von Ringkammern angeordnet sind. Die Öffnungen im Zentralrohr sind gegenüberliegend als Gasein- und Gasaustrittsöffnungen der Ringkammern vorgesehen.

Diese Ausführung weist den Nachteil auf, daß über dem Rohrbündelquerschnitt, d. h. Ringbahneintritt zu Ringhahnaustritt, sin mantelseitigerTemperaturniveauunterschiP'·" .oieht.DieseTemperaturunterschiedederRingbahneintrittsseitegegenüberder Ringbahnaustrittsseite rufen große Tempei aturdifferenzen je Ringbahnstufe bis ca. 5O⁰K hervor, die extreme Dehnungsspannungen ergeben, die sowohl das Rohrbündel als auch den Gehäusemantel sowie das Zentralrohr ungünstig beaufschlagen. Diese Dehnungsspannungen können bis zu Zwangsverwerfungen der Rohre und besonders bei spannungsempfindlichen Werkstoffen bzw. Medien zu spannungsinduzierten Schädigungen mit Rißfolgen führen. Liegen einflutige Ringbahnströmungen vor, so verstärken sich diese Dehnungsspannungen durch den längeren VV?g des Gasstromes in der Ringbahn und die damit vorliegende größere Temperaturdifferenz, die als Dehnungssprung an der Ringbahntrennwand ungeglättet anliegt und somit Gehäusemantel, Rohrbündel und Zentralrohr extrem beansprucht.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, einen Ringstromwärmeübertrager mit mehreren Ringbahnstufen, die mantelsoitig einflutig oder parallolflutig durchströmt sind, zu schaffen, der durch die Vermeidung von betriebsbedingten Eigenverspannungen des gesamten Apparates und vor allem des Rohrbündels eine erhöhte Betriebssicherheit gewährleistet. Dabei wird auf vielseitige Einsetzbarkeit für die verschiedensten verfahrenstechnischen Belange, besonders auch zur Verwendung bei Verfahrens- oder medienbedingten Sonderwerkstoffen und einen hohen Wärmeübergang zwischen den Medien sowie auf energiesparende Arbeitsweise und kompakte Ausbildung besonderer Wert gelegt.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, einen Ringstromwärmeübertrager mit mehreren Ringbahnstufen, die mantelsoitig einflutig oder parallelflutig durchströmt sind, Gasein- und Gasaustrittsöffnungen der Ringbahn im Zentralrohr sowie gegebenenfalls Leitbleche im Zentralrohr aufweist und eine Ausbildung mit Schwimmkopf oder festen Rohrboden zuläßt, zu schaffen. Dabei soll vor allem ein gleichmäßiger Dehnungsverlauf über den gesamten Apparatequerschnitt, einschließlich des Rohrbündels, gewährleistet sein. Auch eine große Variabilität in der Stufenzahl bzw. Stufendimensionierung, wie Druck und Temperatur, die Anwendung bei spannungsrißempfindlichen Werkstoffen und spannungsrißinduzierten Medien soll dabei erreichbar sein. Besondere Aufmerksamkeit ist auch auf ein möglichst über die gesamte Länge des Rohrbündels bzw. des Apparates bezogenes über den Querschnitt verteiltes gleichmäßiges mantelseitiges Temperaturniveau mit dem damit verbundenen unkritischen Spannungs-Dehnungsverhalten zu legen

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß

- die Gasströmungsrichtung jeder Ringbahnstufe bzw. jeder Gruppe gleichströmiger Ringbahnstufen gegenläufig zur Gasströmungsrichtung der benachbarten Ringbahnstufe bzw. der Gruppe gleichströmiger Ringbahnstufen vorgesehen ist,

- die Anzahl der Ringbahnstufen einer Gasströmungsrichtung und die Anzahl der Ringbahnstufen entgegengesetzter Gasströmungsrichtung - unabhängig von der Gruppenbildung gleichströmiger Ringbahnstufen - maximal um eine Ringbahnstufe differiert,

- die Gasein- bzw. Gasaustrittsöffnungen an der Trennstelle entweder benachbarter Ringbahnstufen oder einer Ringbahnstufe und einer benachbarten Grenzstufe einer Gruppe gleichströmiger Ringbahnstufen oder aneinandergrenzender Grenzstufen zwei benachbarter Gruppen jeweils in sich gleichströmiger Ringbahnstufen -jeweils gegenläufiger Strömungsrichtung - auf dem Umfang des Zentralrohres axial fluchtend angeordnet sind.

In einer besonderen Ausführung ist vorgesehen, daß bei radialen Gaszuleitungs- bzw. Gasableitungsstutzen in der Eintritts- bzw. Austrittsringbahnstufe nur eine Gaseintritts- bzw. Gasaustrittsöffnung im Zentralrohr vorgesehen ist. Die Erfindung besitzt gegenüber anderen Lösungen folgende erfindungswesentlichen Vorteile:

- Ausgleich der mantelseitigen Temperaturdifferenzen und der damit verbundenen Glättung der Dehnungsspannungen sowohl über den Querschnitt des Rohrbündels, des Gehäusemantels als auch des Zentralrohres, die je Ringbahnstufe Größenordnungen von ca. 5O⁰K erreichen kann.

- Durch Glättung bzw. Ausschließung der mantelseitig induzierten Dehnungsunterschiede, Vermeidung von Verwerfungserscheinungen bzw. spannungsinduzierten Rissen, besonders bei anfälligen Werkstoffen bzw. kritischen Medien.

- Durch weitgehende Ausschließung der mantelseitig induzierten Dehnungsunterschiede, Vermeidung von Dehnungsspannungsüberlagerungen der bei mehrglutigen Rohrräumen bestehenden rohrseitig induzierten Dehnungsunterschiede übe ° dem Rohrbündelquerschnitt.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Dabei zeigen

Fig. 1: einen erfindungsgemäßen Ringstromwärmeübertrager mit parallelflutigen Ringbahnstufen in Schwimmkopfausführung

Fig.2: Schnitt A-A nach Fig. 1

Fig.3: Schnitt B-B nach Fig. 1

Fig.4: einen erfindungsgemäf?"-. Pngstromwärmeübertrager mit einflutigen Ringbahnstufen bei Ausführung mit festen

Rohrboden

Fig.5: SchnittC-C nach Fig.4

Fig.6: Schnitt D-D nach Fig.4.

Die Ausführung nach Fig. 1-3 zeigt einen Ringstromwärmeübertrager mit einem Rohrbündel 1 aus quer- bzw. spiralberippten Austauschrohren 2, mit sieben parallelflutigen Ringbahnstufen 3, die zu zwei gegenläufig durchströmten Gruppen zusammengefaßt sind, Schwimmkopf 4, axialen Gaszuleitungsstutzen 5, radialen Gasableitungsstutzen 6, schrägen Leitblechen 7 im Zontralrohr 8 sowie Gasaustrittsöffnungen 9 und Gaseintrittsöffnungen 10 der Ringbahn 11 in das Zentralrohr 8. Die Gasaustritts· und Gaseintrittsöffnungen 9,10 der Ringbahn 11 der benachbarten Ringbahnstufen 3 an der Trennstelle 12 der beiden angrenzenden Gruppen von Ringbahnstufen 3 sind axial fluchtend auf dem Umfang des Zentralrohres 8 angeordnet. Die Gasströmungsrichtung der Gruppen der Ringbahnstufen 3 ist auf beiden Seiten der Trennstelle 12 gegenläufig. Die Anzahl der Ringbahnstufen unterschiedlicher Gasströmungsrichtung beträgt 3:4 und ist dabei weitgehend angenähert.

Die Austrittsringbahnstufe 13 ist mit radialen Gasableitungsstutzen 6 ausgeführt und weist im Zentralrohr 8 kein Leitblech 7 und keine Gasaustrittsöffnung 9 aus der Ringbahn 11 auf. Die Arbeitsweise des Ringstromwärmeübertragers ist folgende:

Über den axialen Gaszuleitungsstutzen 5 wird der Gasstrom durch den Schwimmkopf 4 in das Zentralrohr 8 geführt und von dort radial mittels schrägen Leitbleches 7 durch die Gaseintrittsöffnung 10 im Zentralrohr 8 der Ringbahn 11, dor Eintrittsringbahnstufe 14 zugeführt. Nach Passiorung dioser ersten Ringbahnstufe 14 strömt der Gasstrom über die Gasaustrittsöffnungen 9 der Ringbahn 11 in das Zentralrohr 8 und wird von dort jeweils übor die schrägen Leilblocho 7 in die nächste Ringbahnstufe 3 geführt. An der Trennstello 12 erfolgt der Umschlag der Qasströmungsrichtung in die entgegengesetzte, gegenläufige Richtung für die weitoren Ringbahnstufen 3. Dabei strömt das Gas über die axial fluchtond auf dom Umfang des Zentralrohres 8 angeordneten Gasaustritts· und Gaseintrittsöffnungen 9,10 der benachbarten Ringbahnstufen 3.

Die verbleibende Gruppe von drei Ringbahnstufen 3 wird in entgegengesetzter Gasströmungsrichtung wie die vorausgegangene Gruppe von vier Ringbahnstufen 3 passiert, dann verläßt der Gasstrom über den radialen Gasableitungsstutzen 6 den Gehäusemantel 15.

Die weitgehende Annäherung der Anzahl der Ringbahnstufen 3 gleicher Gasströmungsrichtung im Verhältnis von 4:3 gewährleistet ein weitgehend mantelseitiges gleicnes querschnittsmäßiges Temperaturniveau mit einei Glättung bis auf wenige Grad K Unterschied über das Rohrbündel 1, den Gehäusemantel 15 sowie das Zentralrohr 8 und vermeidet damit unzulässige Dehnungsspannungen. Die rohrseitigle Durchströmung der Austauschrohre 2 mit Fluid erfolgt zweiflutig.

Die Ausführung nach Fig. 4-6 zeigt einen Ringstromwärmeübertrager mit einem Rohrbündel 1 und querberippton Austauschrohren 2 mit zwei einflutigen Ringbahnstufen 3, die dabei als Eintrittsringbahnstufe 14 und Austrittsringbahnstufe 13 fungieren, mit Ringbahntrennwand 17 festen Rohrböden 16 und radialen Gaszuleitungs- und Gasableitungsstutzen 5,6, Gasaustritts- und Gaseintrittsöffnungen 9,10 der Ringbahn 11 in das Zentralrohr 8.

Die Eintrittsringbahnstufe 14 weist Gasaustrittsöffnungen 9 der Ringbahn 11 in das Zentralrohr 8 auf und die Austrittsringbahnstufe 13 weist Gaseintrittsöffnungen 10 im Zentralrohr 8 für die Ringbahn 11 auf.

Die Gasaustritts- und Gaseintrittsöffnungen 9,10 der Ringbahn 11 in das Zentralrohr 8 sind für die benachbarten Ringbahnstufen 13,14 axial fluchtend auf dem Umfang des Zentralrohres 8 angeordnet. Die Gasströmungsrichtung ist in beiden Ringbahnstiifen 13,14 gegenläufig vorgesehen und somit bei zwei Stufen in der Anzahl mit gleicher Gasströmungsrichtung übereinstimmend ausgeführt.

Der Gasstrom wird über den radialen Gaszuleitungsstutzen 5 in die Ringbahn 11 der Eintrittsringbahnstufe 14 geleitet, passiert diese im Gegenuhrzeigersinn bis zur Ringbahntrennwand 17, verläßt dann über die Gasaustrittsöffnungen 9 die Ringbahn 11 und tritt in das Zentralrohr 8 ein sowie über die Gaseintrittsöffnungen 10 dann in die Ringbahn 11 der Austrittsringbahnstufe 13 ein passiert diese gegenläufig zur benachbarten im Uhrzeigersinn und verläßt den Gehäusemantel 15 über den Gasableitungsstutzen 6.

Die rohrseitige Fluidströmung erfolgt einflutig im Gegenstrom. Die unterschiedlichen querschnittsbezogenen Temperaturniveauunterschiede der beiden Ringbahnstufen 13,14 sind vollständig querschnittsbezogen auf die Gesamtlänge ausgeglichen, so daß keinerlei partielle Drehnungsspannungsspitzen sowohl für den Gehäusemantel 15, das Rohrbündel 1 oder das Zentralrohr 8 vorliegen.

Claims (2)

1. Ringstromwärmeübertrager mit mehreren Ringbahnstufen, die mantelseitig einflutig oder parallelflutig durchströmt sind, dabei Gaseintritts- und Gasaustrittsöffnungen der Ringbahn im Zentralrohr für die Überleitung von Stufe zu Stufe aufweisen, wozu gegebenenfalls das Zentralrohr mit Leitblechen versehen ist, und Gaszuleitungs- bzw. Gasableitungsstutzen radial und/oder stirnseitig axial für die Ringbahn bzw. das Zentralrohr vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Gasströmungsrichtung jeder Ringbahnstufe (3) bzw. jeder Gruppe gleichströmiger Ringbahnstufen (3) gegenläufig zur Gasströmungsrichtung der benachbarten Ringbahnstufe (3) bzw. der benachbarten Gruppe gleichströmiger Ringbahnstufen (3) vorgesehen ist,

- die Anzahl der Ringbahnstufen (3) einer Gasströmungsrichtung und die Anzahl der Ringbahnstufen (3) entgegengesetzter Gasströmungsrichtung - unabhängig von der Gruppenbildung gleichströmiger Ringbahnstufen (3) - maximal um eine Ringbahnstufe (3) differiert,

- die Gaseintritts- bzw. Gasaustrittsöffnungen (10,9) der Ringbahn (11) an der Trennstelle (12) entweder benachbarter Ringbahnstufon (3) oder einer Ringbahnstufe (3) und einer benachbarten Grenzstufe einer Gruppe gleichströmiger Ringbahnstufen (3) oder aneinandergrenzender Grenzstufen zweier benachbarter Gruppen jeweils in sich gleichströmiger Ringbahnstufen (3) jeweils gegenläufiger Strömungsrichtung-auf dem Umfang des Zentralrohres (8) axial fluchtend angeordnet sind.

2. Ringstromwärmeübertrager mit mehreren Ringbahnstufen, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei radialen Gaszuleitungs- bzw. Gasableitungsstutzen (5, 6) in der Eintritts- bzw. Austrittsringbahnstufe (14,13) nur eine Gasaustritts-bzw. Gaseintrittsöffnung (9,10) im Zentralrohr (8) vorgesehen ist.