DE102006003317B4 - Rohrbündel-Wärmetauscher - Google Patents

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Abstract

Rohrbündel-Wärmetauscher mit Rohren (2), die beidseitig in Rohrplatten (3, 4) oder Dualrohr-Sammlerrohrplatten (5, 6) gehalten und mit diesen jeweils mittels Schweißnaht (7) verbunden sind, zum Abkühlen eines durch die Rohre (2) geleiteten heißen Gasstromes (18) durch ein die Rohre (2) umgebendes Kühlmittel (19), aufweisend
wenigstens eine Gaseintrittskammer (8), von der aus der heiße Gasstrom (18) in die einzelnen Rohre (2) eingeleitet wird und die an einer Seite durch die eingangsseitige Rohrplatte (3) oder Dualrohr-Sammlerrohrplatte (5) begrenzt ist und wenigstens eine Gasaustrittskammer (9), in der der durch die Rohre (2) hindurchgeleitete Gasstrom (18) gesammelt und abgeführt wird und die an einer Seite durch die ausgangsseitige Rohrplatte (4) oder Dualrohr-Sammlerrohrplatte (6) begrenzt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der Rohre (2) mit der eingangseitigen Rohrplatte (3) oder Dualrohr-Sammlerrohrplatte (5) jeweils mittels eines konus- und/oder trompetenförmigen Übergangsstückes (10) gebildet ist, dessen Querschnitt sich in Gasströmungsrichtung gesehen verringert, dass das in...

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Rohrbündel-Wärmetauscher mit Rohren, die beidseitig in Rohrplatten oder Ovalrohr-Sammlerrohrplatten gehalten und mit diesen jeweils mittels Schweißnaht verbunden sind, zum Abkühlen eines durch die Rohre geleiteten heißen Gasstromes durch ein die Rohre umgebendes Kühlmittel, aufweisend wenigstens eine Gaseintrittskammer, von der aus der heiße Gasstrom in die einzelnen Rohre eingeleitet wird und die an einer Seite durch die eingangsseitige Rohrplatte oder Ovalrohr-Sammlerrohrplatte begrenzt ist und wenigstens eine Gasaustrittskammer, in der der durch die Rohre hindurchgeleitete Gasstrom gesammelt und abgeführt wird und die an einer Seite durch die ausgangsseitige Rohrplatte oder Ovalrohr-Sammlerrohrplatte begrenzt ist.
  • Für die Kühlung von Gasen in zahlreichen verfahrenstechnischen Anlagen, wie z. B. Vergasungsanlagen, thermischen und katalytischen Spaltanlagen, Dampfreformierungsanlagen etc., werden in der Regel Wärmetauscher, insbesondere Rohrbündel-Wärmetauscher (Kühler), eingesetzt, in den die zu kühlenden Gase durch gerade Rohre strömen und dabei die latente Wärme des heißen Gases über die Rohrwand an das die Rohre umgebende Medium, insbesondere Kühlmedium, abgeben. Charakteristisch für derartige Wärmetauscher ist es, dass die zu kühlenden Gase oft unter einem hohen Druck und einer hohen Temperatur stehen und in die geraden Rohre des Wärmetauschers mit einer hohen Geschwindigkeit eintreten. Dadurch wird am Rohreintritt bzw. dem ersten Rohrabschnitt eine hohe Wärmestromdichte erreicht, die sowohl eine hohe Temperatur als auch eine hohe Wärmespannung in den Rohren des Wärmetauschers bzw. in der Verbindung Rohrplatte-Rohr verursachen.
  • Bei Wärmetauschern gemäß dem Stand der Technik werden die gasführenden Rohre in die Rohrplatten eingeschweißt, wobei die Schweißnaht zwischen Rohrplatte und Rohr entweder an der Außen- oder Innenwand der Rohrplatte oder innerhalb der Rohrplattenöffnung angebracht ist. Die Druckschrift DE 37 15 713 C2 weist beispielsweise eine Schweißverbindung des Rohres bzw. der Rohre mit der Außenwand der Rohrplatte bzw. der Dualrohr-Sammlerrohrplatte auf.
  • Der Nachteil dieser bekannten Ausführung besteht darin, dass die dem Gas zugewandte Kontur bzw. Oberfläche des Überganges von Rohr zu Rohrplatte bzw. Dualrohr-Sammlerrohrplatte keine exakte aerodynamische Form aufweist. Die Verwendung einer eingesteckten Hülse ist in der Regel aus mehreren unterschiedlichen Gründen, u. a. eine Einengung des gasseitigen Querschnittes sowie eine unzureichende Kühlung der Hülse, unerwünscht. Darüber hinaus kann auf der Kühlmediumseite der Rohrplatten-Rohr Verbindung ein Spalt vorkommen, der zu einer wasserseitigen Korrosion führt, oder die Rohrplatten-Rohr Verbindung kann eine Ecke aufweisen, in der eine unerwünschte Spannungskonzentration auftritt.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Rohrbündel-Wärmetauscher zu schaffen, bei dem die vorgenannten Nachteile vermieden werden bzw. der Übergang von der Rohrplatte bzw. der Dualrohr-Sammlerrohrplatte zu den Rohren auf der Gasseite eine strömungsgünstige Kontur aufweist sowie auf der Kühlmediumseitee und der Gasseite keine störenden Elemente vorhanden sind.
  • Die vorstehend genannte Aufgabe wird bei einem Rohrbündel-Wärmetauscher, der die Merkmale des Oberbegriffs von Patentanspruch 1 aufweist durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Die Lösung sieht dabei vor, dass die Verbindung der Rohre mit der eingangseitigen Rohrplatte oder Dualrohr-Sammlerrohrplatte jeweils mittels eines konus- und/oder trompetenförmigen Übergangsstückes gebildet ist, dessen Querschnitt sich in Gasströmungsrichtung gesehen verringert, dass das in Gasströmungsrichtung gesehen eingangseitige Ende des Übergangsstückes stoßartig mit der Rohrplatte oder Dualrohr-Sammlerrohrplatte verbunden ist und die Innen- und Außenkonturen des Übergangstückes und des Schweißverbindungsbereiches zur Rohrplatte oder Dualrohr-Sammlerrohrplatte spalt- und kantenfrei sowie gerade und/oder mit einem an der Außenkontur ansetzenden Radius von gleich oder größer 5 mm ausgebildet sind.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Durch die erfindungsgemäße Lösung wird ein Rohrbündel-Wärmetauscher geschaffen, der die nachfolgenden Vorteile aufweist:
    • – Durch die Vermeidung von vorstehenden Kanten sowie Spalten an der Verbindungsstelle zwischen den Rohren und der Rohrplatte bzw. der Ovalrohr-Sammlerrohrplatte werden einerseits Verwirbelungen des Gas- sowie des Kühlmediums vermieden und andererseits Korrosion unterbunden,
    • – Der Übergang von Rohrplatte bzw. Dualrohr-Sammlerrohrplatte zu den Rohren ist aerodynamisch ausgebildet, so dass der Eintritt des Gases in die Rohre in höchstem Maße verwirbelungsfrei verläuft und Temperaturspitzen im Eingangsbereich abgebaut werden können.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung beträgt die Länge Lü des Übergangsstückes mindestens das 1,5-fache des Innendurchmessers di des Wärmetauscher-Rohres und/oder der Innendurchmesser Di des Übergangsstückes an dessen Eintritt mindestens das 1,2-fache des Innendurchmessers di des Wärmetauscher-Rohres um einen optimierten aerodynamischen Übergang der Rohrplatte bzw. der Ovalrohrsammler-Rohrplatte zu den jeweiligen Wärmetauscher-Rohren zu erzielen.
  • Zweckmäßig ist es, das Übergangsstück am in Gasströmungsrichtung gesehen eingangsseitigen Ende des Rohres mechanisch aufzuweiten. Durch diese Maßnahme wird lediglich an einem Teil – dem Rohr – gefertigt und der Arbeitsprozess zur Herstellung des erfindungsgemäßen Übergangstückes lässt sich vereinfachen und abkürzen.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Übergangsstück aus einem gesonderten Rohrteil gebildet und das in Gasströmungsrichtung gesehen ausgangseitige Ende des Übergangsstückes stoßartig mit dem Rohr durch eine Schweißnaht verbunden. Durch die Verwendung eines gesonderten Rohrteiles können auch in ihrer Form komplizierte Übergangstücke (beispielsweise mehrere unterschiedliche Übergangsradien) wesentlich einfacher und kostengünstiger hergestellt werden. Zweckmäßig ist es bei dieser Ausgestaltung der Erfindung, die Innen- und Außenkonturen des Schweißverbindungs-bereiches zwischen Übergangsstück und Rohr spalt- und kantenfrei sowie gerade und/oder mit einem Radius gleich oder größer 5 mm auszubilden. Durch diese Maßnahme wird eine aerodynamische Form am Eintritt des Gases in die Rohre erzielt.
  • In besonders vorteilhafter Weise sind die Innen- und Außenkonturen des Übergangstückes und des Schweißverbindungsbereiches zur Rohrplatte oder Ovalrohr-Sammlerrohrplatte und zum Rohr spalt- und kantenfrei sowie gerade und/oder mit einem Radius gleich oder größer 2 mm ausgebildet.
  • In zweckmäßigerweise ist das als Übergangstück eingesetzte Rohrteil als Schmiedestück ausgebildet.
  • Nachstehend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung und der Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigt:
  • 1 einen Längsschnitt durch einen Rohrbündel-Wärmetauscher,
  • 2 einen Detailschnitt des Überganges von Rohrplatte zu Rohr gemäß Einzelheit „A" aus 1,
  • 3 wie 2, jedoch alternative Ausführung,
  • 4 wie 2, jedoch alternative Ausführung,
  • 5 einen Detailschnitt des Überganges einer Dualrohr-Sammlerrohrplatte zu einem Rohr.
  • 1 zeigt einen Rohrbündel-Wärmetauscher 1 schematisch dargestellt im Längsschnitt. Derartige Rohrbündel-Wärmetauscher 1 werden in zahlreichen verfahrenstechnischen Anlagen, wie z. B. Vergasungsanlagen, thermischen und katalytischen Spaltanlagen, Dampfreformierungsanlagen etc., benötigt, in denen ein Prozessgas, ein Abgas oder dgl. produziert wird. Der Rohrbündel-Wärmetauscher 1 dient in der Regel zum Kühlen des vorgenannten heißen Gases 18, das durch eine nicht dargestellte Leitung in die Gaseintrittskammer 8 des Wärmetauschers 1 eingeführt und von hier durch eine Vielzahl von geraden Rohren 2 hindurchgeleitet wird, anschließend in der Gasaustrittskammer 9 des Wärmetauschers 1 gesammelt und mittels nicht dargestellter Leitung aus dem Wärmetauscher 1 abgeführt wird. Die Rohre 2, durch die ein indirekter Wärmetausch mit einem die Rohre 2 umgebenden Kühlmedium 19 stattfindet, sind dabei jeweils voneinander beabstandet zwischen zwei Rohrplatten 3, 4 bzw. Dualrohr-Sammlerrohrplatten 5, 6 angeordnet und mit diesen fest und gasdicht – in der Regel verschweißt – verbunden.
  • Um am Eintritt des heißen Gases 18 von der Gaseintrittskammer 8 in die jeweiligen Wärmetauscher-Rohre 2 die auftretenden Wärmespannungen an der in Gasströmungsrichtung gesehen eingangseitigen Rohrplatte 3, 5 und dem eingangseitigen Ende 16 der Rohre 2 möglichst gering zu halten, wird erfindungsgemäß die Verbindung der Rohre 2 mit der eingangseitigen Rohrplatte 3 (siehe 2 bis 4) oder Dualrohr-Sammlerrohrplatte 5 (siehe 5) jeweils mittels eines konus- und/oder trompetenförmigen Übergangsstückes 10 gebildet, dessen Querschnitt sich in Gasströmungsrichtung (siehe Pfeil) gesehen verringert. Ferner wird das in Gasströmungsrichtung gesehen eingangseitige Ende 16 des Übergangsstückes 10 stoßartig mit der Rohrplatte 3 oder Dualrohr-Sammlerrohrplatte 5 verbunden und die Innen- und Außenkonturen 11, 12 des Übergangstückes 10 und des Schweißverbindungsbereiches 13 zur Rohrplatte 3 oder Dualrohr-Sammlerrohrplatte 5 spalt- und kantenfrei sowie gerade und/oder mit einem an der Außenkontur 12 ansetzenden Radius, der wenigstens 5 mm beträgt, ausgebildet.
  • Das heißt, dass die erfindungsgemäße Ausbildung des Überganges von Rohrplatte 3 bzw. von Dualrohr-Sammlerrohrplatte 5 auf das Rohr 2 eine aerodynamische Kontur 11, 12 sowohl an der gasberührten als auch an der kühlmediumberührten Seite der Rohre 2, des Übergangstückes 10 und der Rohrplatte 3 bzw. Ovalrohr-Sammlerrohrplatte 5 schafft, die an keiner Stelle eine Spalte, eine Kante oder einen eckigen Übergang aufweist. Sämtliche Übergänge einschließlich des Schweißverbindungsbereiches 13 an der Innen- sowie Außenkontur 11, 12 sind demnach erfindungsgemäß entweder gerade bzw. plan und/oder mit einem Radius ausgebildet.
  • Gemäß 2 und 5 ist das Übergangsstück 10 das beispielsweise mechanisch aufgeweitete Ende 16 des Rohres 2. Bei dieser Ausbildung ist lediglich eine Schweißnaht 7 zwischen Rohr 2 und Rohrplatte 3 bzw. 5 erforderlich, die den Schweißverbindungsbereich 13 zwischen Rohr 2 und Rohrplatte 3, 5 bildet. 3 und 4 weist ein Übergangsstück 10 auf, das aus einem gesonderten Rohrteil 15 besteht und in der Regel einfacher zu fertigen ist, da das Rohrteil 15 gegenüber dem gesamten Rohr 2 wesentlich kürzer ist und somit auch leichter zu bearbeiten ist. Zur kopfseitigen Verbindung des in Gasströmungsrichtung gesehen ausgangseitigen Ende 17 des Rohrteiles 15 ist eine weitere Schweißnaht 22 erforderlich, die den Schweißverbindungsbereich 14 zwischen Rohr 2 und Rohrteil 15 bildet. Dieser Schweißverbindungsbereich 14 ist sowohl an der Innen- wie auch an der Außenkontur 11, 12 vorteilhaft entweder gerade bzw. plan und/oder mit einem Radius ausgebildet, d. h. der Bereich 14 ist kanten- und spaltfrei ausgeführt.
  • Die Übergangstücke 10 gemäß der 2 bis 5 weisen an ihrem eingangseitigen Ende 16, bezogen auf die Außenkontur 12 der Übergangsstücke 10, beispielhaft einen Radius R1 von 5 mm auf. Gemäß der 2, 3 und 5 schließt sich daran ein weiterer Radius R2 von beispielsweise 60 mm an, wogegen sich beim Übergangstück 10 gemäß der 4 dem ersten Radius eine konusförmige Verengung mit einem anschließenden Radius von beispielsweise 20 mm anschließt. Die Innenkontur 11 der Übergangsstücke 10 gemäß der 2 und 5 weist dann entsprechend Radien auf, die um die Wandstärke s des Übergangstückes 10 größer sind. Entspricht die Wandstärke t der Rohrplatte 3, 5 nicht der Wandstärke s des Rohres 2, dann ist der Übergang zwischen den beiden Wandstärken s und t innerhalb des Schweißverbindungsbereiches 13 erfindungsgemäß entweder gerade bzw. plan und/oder mit einem Radius ausgebildet. Eine abweichende Wandstärke t der Rohrplatte 3, 5 gegenüber der Wandstärke s des Rohres 2 kann gemäß der 3 und 4 mit einem als Rohrteil 15 ausgebildeten Übergangstück 10 ausgeglichen werden, indem die jeweiligen Wandstärken an den Rohrenden des Rohrteiles 15 an die Wandstärken t und s der Rohrplatte 3, 5 sowie des Rohres 2 angepasst sind. D. h., dass sich, in Gasströmungsrichtung gesehen, innerhalb des Rohrstückes 15 die Wandstärke t kontinuierlich auf die Wandstärke s verringert bzw. vergrößert. Das Rohrteil 15 kann dabei vorteilhaft als Schmiedestück ausgebildet sein.
  • Die Länge Lü des Übergangstückes 10 beträgt vorteilhaft das 1,5-fache des Innendurchmessers di des Rohres 2 und der Innendurchmesser Di des Übergangsstückes 10 direkt am Eintritt in das Übergangsstück 10 beträgt vorteilhaft das 1,2-fache des Innendurchmessers di des Rohres 2.
  • 4 weist beispielhaft anstelle eines trompetenförmigen Übergangstückes 10 ein konusförmiges Übergangsstück 10 auf, das wiederum aus einem gesonderten Rohrteil 15 gebildet wird. Auch hier wird das Rohrteil 15 durch zwei Schweißnähte 7, 22 mit der Rohrplatte 3 sowie dem Rohr 2 verbunden.
  • 5 zeigt einen Rohrbündel-Wärmetauscher 1 mit Doppelrohren 2, 21 auf, bei denen das Kühlmedium 19 im kreisringförmigen Querschnitt zwischen Innenrohr 2 und Außenrohr 21 zirkuliert. Durch die, das Kühlmedium 19 führende, Außenrohre 21 wird der ansonsten, und wie in 1 dargestellt, erforderliche Wärmetauscher-Außenmantel 23 entbehrlich. Während bei dem in 1 dargestellten Wärmetauscher 1 das Kühlmedium 19 dem Raum innerhalb des Außenmantels 23 und der Rohrplatten 3, 5 sowie 4, 6 zu- und abgeführt wird, wird das Kühlmedium 19 gemäß der 5 mittels Dualrohr-Sammler 20 zu- bzw. abgeführt. Die Verbindung des erfindungsgemäßen Übergangstückes 10 erfolgt in diesem Fall mit der Ovalrohr-Sammlerrohrplatte 5.
  • Als Kühlmedium 19 kann Wasser eingesetzt werden, das durch die Wärmezufuhr zum Teil oder ganz verdampft wird.
    • 1
    Rohrbündel-Wärmetauscher
    2
    Rohr
    3
    Rohrplatte, eingangseitig
    4
    Rohrplatte, ausgangseitig
    5
    Ovalrohr-Sammlerrohrplatte, eingangseitig
    6
    Dualrohr-Sammlerrohrplatte, ausgangseitig
    7
    Schweißnaht
    8
    Gaseintrittskammer
    9
    Gasaustrittskammer
    10
    Übergangstück
    11
    Innenkontur
    12
    Außenkontur
    13
    Schweißverbindungsbereich
    14
    Schweißverbindungsbereich
    15
    Rohrteil
    16
    Eingangseitiges Ende des Übergangstückes bzw. des Rohres
    17
    Ausgangseitiges Ende des Übergangstückes bzw. Rohrteiles
    18
    Gas
    19
    Kühlmedium
    20
    Dualrohr-Sammler
    21
    Außenrohr
    22
    Schweißnaht
    23
    Mantel

Claims (8)

  1. Rohrbündel-Wärmetauscher mit Rohren (2), die beidseitig in Rohrplatten (3, 4) oder Dualrohr-Sammlerrohrplatten (5, 6) gehalten und mit diesen jeweils mittels Schweißnaht (7) verbunden sind, zum Abkühlen eines durch die Rohre (2) geleiteten heißen Gasstromes (18) durch ein die Rohre (2) umgebendes Kühlmittel (19), aufweisend wenigstens eine Gaseintrittskammer (8), von der aus der heiße Gasstrom (18) in die einzelnen Rohre (2) eingeleitet wird und die an einer Seite durch die eingangsseitige Rohrplatte (3) oder Dualrohr-Sammlerrohrplatte (5) begrenzt ist und wenigstens eine Gasaustrittskammer (9), in der der durch die Rohre (2) hindurchgeleitete Gasstrom (18) gesammelt und abgeführt wird und die an einer Seite durch die ausgangsseitige Rohrplatte (4) oder Dualrohr-Sammlerrohrplatte (6) begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der Rohre (2) mit der eingangseitigen Rohrplatte (3) oder Dualrohr-Sammlerrohrplatte (5) jeweils mittels eines konus- und/oder trompetenförmigen Übergangsstückes (10) gebildet ist, dessen Querschnitt sich in Gasströmungsrichtung gesehen verringert, dass das in Gasströmungsrichtung gesehen eingangseitige Ende (16) des Übergangsstückes (10) stoßartig mit der Rohrplatte (3) oder Ovalrohr-Sammlerrohrplatte (5) verbunden ist und die Innen- und Außenkonturen (11, 12) des Übergangstückes (10) und des Schweißverbindungsbereiches (13) zur Rohrplatte (3) oder Ovalrohr-Sammlerrohrplatte (5) spalt- und kantenfrei sowie gerade und/oder mit einem an der Außenkontur (12) ansetzenden Radius (R) von wenigstens 5 mm ausgebildet sind.
  2. Rohrbündel-Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (Lü) des Übergangsstückes (10) mindestens das 1,5-fache des Innendurchmessers (di) des Rohres (2) beträgt.
  3. Rohrbündel-Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser (Di) des Übergangsstückes (10) in Gasströmungsrichtung gesehen an dessen Eintritt mindestens das 1,2-fache des Innendurchmessers (di) des Rohres (2) beträgt.
  4. Rohrbündel-Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Übergangsstück (10) durch eine mechanische Aufweitung am in Gasströmungsrichtung gesehen eingangseitigen Ende (16) des Rohres (2) gebildet ist.
  5. Rohrbündel-Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Übergangsstück (10) aus einem gesonderten Rohrteil (15) gebildet ist und das in Gasströmungsrichtung gesehen ausgangseitige Ende (17) des Übergangsstückes (10) stoßartig mit dem Rohr (2) durch eine Schweißnaht (22) verbunden ist.
  6. Rohrbündel-Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Innen- und Außenkonturen (11, 12) des Schweißverbindungsbereiches (14) zwischen Übergangsstück (10) und Rohr (2) spalt- und kantenfrei sowie gerade und/oder mit einem an der Außenkontur (12) ansetzenden Radius (R) von wenigstens 5 mm ausgebildet sind.
  7. Rohrbündel-Wärmetauscher nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innen- und Außenkonturen (11, 12) des Übergangstückes (10) und des Schweißverbindungsbereiches (13, 14) zur Rohrplatte (3) oder Dualrohr-Sammlerrohrplatte (5) und zum Rohr (2) spalt- und kantenfrei sowie gerade und/oder mit einem an der Außenkontur (12) ansetzenden Radius (R) von wenigstens 2 mm ausgebildet sind.
  8. Rohrbündel-Wärmetauscher nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrteil (15) als Schmiedestück ausgebildet ist.
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