DE102005054093A1

DE102005054093A1 - Wärmeaustausch durch Siliziumcarbid-Rohre

Info

Publication number: DE102005054093A1
Application number: DE102005054093A
Authority: DE
Inventors: Helmut Aaslepp
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-11-18
Filing date: 2005-11-14
Publication date: 2006-06-14

Abstract

Zur Erwärmung oder Kühlung von Gasen, Flüssigkeiten oder Feststoffen werden vorzugsweise Rohrbündel- oder Doppelrohrwärmeaustauscher und in Energieanlagen Rohrbündelapparate als Turbinenkondensatoren verwendet. In der Regel sind die Rohrbündelwärmetauscher mit metallischen Rohren zur Wärmeübertragung ausgerüstet, mit dem Nachteil einer geringen Wärmeleitung, der durch eine verringerte Wanddicke und oder durch den Einsatz hochwertiger Materialien ausgeglichen werden muß. So werden u. a. in Oberflächenkondensatoren nach Dampfturbinen und in Meerwasserentsalzungsanlagen sehr dünnwandige Rohre aus hochlegierten CrNi-Stählen oder Titan verwendet. DOLLAR A Der Nachteil der geringen mechanischen Stabilität, bedingt durch die kleine Rohrwandstärke, läßt sich durch die Verwendung von SiC-Rohren in Wärmeaustauschern bei zusätzlich deutlich höherer Wärmeübertragung umgehen, so kann z. B. die Länge der Wärmeübertragungsrohre aus Mat. 1.4571-18X1,5 bei Verwendung von SiC-Rohren 14x1,5 um 87% gesenkt werden. DOLLAR A Durch die gute Wärmeleitung und die Korrosionsbeständigkeit von Siliciumcarbid können RWÜ mit aus austenitischen WT-Rohren generell durch wesentlich kleinere und leichtere RWÜ mit SiC-Rohren ersetzt werden. DOLLAR A Damit die Siliciumcarbidrohre mit dem WT-Rohrboden verbunden werden können, wird durch Anpressen und - oder Aufschrumpfen eines metallischen Rohrstückes auf die verwendeten Siliciumcarbidrohre ein verschweißbares Rohrende erzeugt.

Description

Zur Erwärmung oder Kühlung von Gasen, Flüssigkeiten oder Feststoffen werden vorzugsweise Rohrbündel- oder Doppelrohrwärmeaustauscher und in Energieanlagen Rohrbündelapparate als Turbinenkondensatoren verwendet. In der Regel sind die Rohrbündelwärmeaustauscher mit metallischen Rohren zur Wärmeübertragung ausgerüstet, mit den Vorteilen eines metallischen Werkstoffes, u. a. die Schweißbarkeit und andererseits dem Nachteil einer geringen Wärmeleitung, der durch eine verringerte Wanddicke und durch den Einsatz hochwertiger Materialien ausgeglichen werden muß. So werden z.B. in Oberflächenkondensatoren nach Dampfturbinen und in Meerwasserentsalzungsanlagen sehr dünnwandige Rohre aus hochlegierten CrNi-Stählen oder Titan verwendet. Der Nachteil der geringen mechanischen Stabilität, bedingt durch die kleine Rohrwandstärke läßt sich durch die Verwendung von SiC-Rohren in Wärmeaustauschern bei zusätzlich deutlich höherer Wärmeübertragung umgehen. Siliziumcarbid vereinigt neben seiner großen Härte, der guten Wärmeleitung eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit, so ist z. B. SiC₁ gegen alle Medien bei moderaten Temperaturen korrosionsbeständig und SiC₂ ist bis ph=10 einsetzbar.

Demzufolge vereinigt ein Rohrbündelwärmeaustauscher mit Siliziumcarbid-Rohren die thermische Leistungsfähigkeit eines Plattenwärmetauschers (Tab.6) mit der mechanischen Stabilität eines Rohrbündelwärmetauschers. Überdies ist eine kontinuierliche Umlaufreinigung infolge der großen Härte von SiC zum Erhalt der ursprünglichen Wärmeübertragung mit beliebigen Materialien während des Betriebes problemlos möglich.

Die ausgezeichnete Verschleißbeständigkeit der SiC-Rohre erlaubt es den Wärmeaustauscher rohrseitig, zum maximalen Wärmeaustausch, mit hohen Fließgeschwindigkeiten zu betreiben, da keine Erosionsschäden an den Rohren auftreten.

Ein Geradrohrwärmetauscher eröffnet zusätzlich die Möglichkeit während des Betriebes durch eine kontinuierliche Umlaufreinigung den Wärmedurchgang behindernde Beläge zu entfernen.

Der im Patentanspruch angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kompakten Rohrwärmetauscher für zahlreiche Anwendungen zu schaffen.

Dieses Problem wird durch den RB-Wärmetauscher mit Siliziumcarbid-Rohren, zur Erwärmung oder Kühlung von Gasen, Flüssigkeiten oder Feststoffen gelöst.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß durch das Aufschrumpfen eines metallischen Rohrstückes (2) auf das SiC-Wärmeaustauscherrohr (1) in Detail 1 dargestellt, eine kraftschlüssige, druckdichte Verbindung entsteht.

Es besteht dadurch die Möglichkeit durch Einschweißen der aufgeschrumpften Rohrenden in einen Wärmetauscherrohrboden (3) beide Räume, die Mantel- und die Rohrseite, vollkommen voneinander zu trennen. Eine Verlängerung der Wärmeaustauscherrohre kann durch das Aufschrumpfen einer Rohrhülse auf zwei anliegende Siliziumcarbid-Rohre mit der gleichen Technik, wie in Detail 2 dargestellt, erreicht werden.

Gegenüberstellung - SiC/Titan und SiC/1.4571
I. SiC/Titan - Kondensatoren nach Dampfturbinen -

1. Wie aus der Tabelle 2 ersichtlich ist, könnte die Länge der Rohre bei der Verwendung von SiC₂-, SiC_2.1-, SiC_2.2- oder SiC_2.3-Rohren gegenüber Titanrohren auf 74%, 52%, 75% oder 92% reduziert werden!
2. SiC ist ein Material mit sehr hoher Härte und unempfindlich gegen Tropfenschlagerosion. Die SiC-Rohre sind dickwandiger als die verwendeten Metallrohre und das E-Modul ist bedeutend höher als das der Metalle, aus dem die WT-Rohre hergestellt sind. Die Schwingungsanfälligkeit wird deutlich geringer und der Stützabstand der Kondensatorrohre kann somit vergrößert werden.
3. Der Punkt 2 gilt auch für den Vergleich SiC/1.4571.

II. SiC/1.4571 - Kondensatoren nach Dampfturbinen -
Wie aus der Tabelle 2 ersichtlich ist, wären bei Einsatz von SiC₁, SiC_2.1, SiC_2.2 oder SiC_2.3 gegenüber 1.4571 nur 35%, 24%, 35% oder 43% der Kondensatorrohrlänge nötig!
Zusammenfassung:
Die Kondensatorrohre können dichter unter der Turbine angeordnet werden, die Höhe und das Gewicht des Kondensators verringern sich deutlich. Wärmeübertragung – Titanrohr 22,5 × 0,7; 1.4571-Rohr 22,5 × 1,0; Cu-Rohr 22,5 × 1,5 mit SiC₁ 19 × 2,25; SiC_2.1, 14 × 1,5, SiC_2.2 17 × 2,5 und SiC_2.3 20 × 3,5

*T = 20 bzw. 100°C

Tabelle 2
Wärmestrom Q = 2·π·l·(Tw1 – Tw2)·λ/Ln(Da/di) [W]
Vergleich der Wärmeleitung eines Rohrbündel-WT mit Rohren aus SiC-14 × 1,5 mit Rohren aus 1.4571-18 × 1,5

Q = 2π·L·(Ti – Ta)/l/λ·ln(da – di)

Durch die wesentlich bessere Wärmeübertragung, SiC/1.4571 = 8,1 kann die Länge der WT-Rohre auf 12,4% verringert werden.
Der Platzbedarf – Rohrspiegel für die WT-Rohre SiC/1.4571 im Rohrboden verringert sich auf 60%. Vergleich der Wärmeleitung SiC₂, s = 1,5 mm mit 1.4571, Alloy C 276 und Titan mit s = 0,6 bzw. 1,0 mm

*ΔT = 50°C

Der Vergleich der Wärmeübertragung verschiedener Metalle in obiger Tabelle zeigt, daß die Wärmeleitung durch Siliciumcarbid gegenüber Metallen eine wesentlich höhere Wärmeübertragung ermöglicht.
Die 7fache Wärmeübertragung von SiC₂ gegenüber dem Edelstahl 1.4571 mit 1 mm Dicke übertrifft die bis 5 mal höhere Wärmeübertragung, Aussage Fa. Alfa-Laval, ALFACOND betreffend, eines Plattenwärmeübertrager gegenüber einem Rohrbündelwärmeübertrager deutlich.
Ein Rohrbündelwärmeübertrager mit einer SiC-Berohrung ist, wie der Vergleich zeigt, in der Wärmeübertragung einem Plattenwärmeübertrager gleichzusetzen.

Claims

Wärmeaustauscher zur Erwärmung oder Kühlung von Gasen, Dämpfen, Flüssigkeiten oder Feststoffen, einschließlich der Verdampfung oder Kondensation von Flüssigkeiten oder Dämpfen, versehen mit Siliziumcarbid-Rohren, dadurch gekennzeichnet, daß auf die verwendeten Siliziumcarbid- oder andere keramische Rohre, durch Anpressen und/oder Aufschrumpfen ein metallisches Rohrstück (2) angebracht wird Die kraftschlüssige und druckdichte Verbindung des keramischen Wärmetauscherrohres (1) mit der Rohrhülse (2) ermöglicht das Verbinden, z. B. das Verschweißen und/oder das Einwalzen der Wärmetauscherrohre mit dem Rohrboden.
Wärmeaustauscher mit Siliziumcarbid-Rohren, zur Erwärmung oder Kühlung von Gasen, Dämpfen, Flüssigkeiten oder Feststoffen nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Anpressen und/oder Aufschrumpfen einer metallischen Rohrhülse (2) auf zwei angrenzende Siliziumcarbid- oder andere keramische Rohre eine Verlängerung der zum Wärmeaustausch verwendeten Rohre geschaffen wird.
Wärmeaustauscher mit Siliziumcarbid-Rohren, zur Erwärmung oder Kühlung von Gasen, Dämpfen, Flüssigkeiten oder Feststoffen nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch Aufwickeln, Aufschrumpfen, Löten oder Kleben metallischer Rippen auf die keramischen Wärmetauscherrohre aus Siliziumcarbid- oder einem anderen keramischen Rohr ein Rippenrohr erzeugt wird.