DE102015114130A1

DE102015114130A1 - Rohrbündelwärmeaustauscher

Info

Publication number: DE102015114130A1
Application number: DE102015114130.2A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-08-26
Filing date: 2015-08-26
Publication date: 2017-03-02
Also published as: DE202015009185U1

Abstract

Die Erfindung betrifft Rohrbündelwärmeaustauscher für den Wärmeaustausch von flüssigen und gasförmigen Medien. Der Wärmeaustauscher besteht aus einem Mantel, der mit Stutzen für den Ein- und Ausgang des Wärmeaustauschermediums versehen ist, aus Deckeln mit Stutzen für den Ein- und Ausgang des Wärmeaustauschermediums und einem Bündel von Wärmeaustauschröhren, die in Vertiefungen von Rohrböden fixiert sind, die aus einer Innen- und nachfolgenden Lochplatte mit einem Dichtungsmaterial dazwischen bestehen. Jeder Rohrboden ist mit mindestens einer zusätzlichen nachfolgenden Lochplatte versehen. Der Mantel ist mit Innenausnehmungen an Stirnflächen ausgeführt. Die Innen- und nachfolgenden Platten des Rohrbodens sind mit Deckeln in Ausnehmungen des Mantels eingespannt. Die Wärmeaustauschröhren sind mit Bandagen ausgestattet. Technisches Ergebnis: eine Vereinfachung der Herstellung und eine Erhöhung der Zuverlässigkeit des Wärmeaustauschers.

Description

Die Erfindung ist im Bereich der Wärmeenergiewirtschaft einsetzbar, und zwar in Rohrbündelwärmeaustauschern für einen Wärmeaustausch von flüssigen und gasförmigen Medien in der Energie-, Gas- und Chemieindustrie und anderen Industriezweigen.
Es sind Rohrbündelwärmeaustauscher mit verschiedenen Rohrbefestigungsarten in Rohrböden bekannt, aber die Befestigungsart jedes Rohrs im Einzelnen mit Hilfe einer Stopfbuchsenabdichtung ist nicht allgemein verbreitet, da sie kompliziert und teuer ist und die Röhre in einem dichten Bündel nicht verbinden kann (vgl. J. I. Dytnerskyi "Prozessy i apparaty chimitscheskoj technologii" M, Chimija, 1995, Tschast' 1, S. 334–339).
Ein Nachteil von bekannten Wärmeaustauschern mit Rohrböden ist ein hoher Aufwand bei der Rohrbefestigung in diesen Rohrböden und die Notwendigkeit der Kompensation von Temperaturspannungen. Infolge der Unmöglichkeit der Verkleinerung der Rohrteilung ist der Durchgangsquerschnitt des Rohrzwischenraums 2–3 mal größer als der Durchgangsquerschnitt in den Röhren. Deswegen ist die Geschwindigkeit des Wärmeübertragers bei gleichen Wärmeträgerdurchsätzen, die gleiche Formarten haben, niedriger, und die Wärmedurchgangszahlen sind auf der Oberfläche des Rohrzwischenraums nicht groß, was die Wärmedurchgangszahl im Gerät senkt. Für die Steigerung der Wärmedurchgangszahl in bekannten Wärmeaustauschern erhöht man die Geschwindigkeit des Wärmeübertragers im Rohrzwischenraum durch Quer- und Längswände, die keine wesentlichen Ergebnisse bringen, weil Wände den Durchfließwiderstand ebenso erhöhen und Totzonen im Rohrzwischenraum bilden.
Bekannt ist auch ein Rohrbündelwärmeaustauscher, dessen Rohrböden mit einem polymeren Klebfüllstoff gebündelt werden und Ringe an den Wärmeaustauschröhren zum Schutz vor deren Durchsenkung bei Ausführung von Geräten mit einer größeren Länge haben. Eine solche Ausführungsart des Wärmeaustauschers erlaubt, die Werte des Wärmeaustausches bei der Senkung von Massenwerten und Hauptabmessungen durch Verwendung von profilierten, besonders dünnwandigen Wärmeaustauschröhren in einem dichten Bündel zu erhöhen (Patent RF Nr. 2038890, IPK B21 D 53/06, 1995).
Dieser bekannte Wärmeaustauscher ist aber für hohe Nenngrößen nicht ausbaufähig. Er kann nicht für Medien mit hohen thermodynamischen Belastungen verwendet werden, die Rohrböden zerstören können, die mit einem polymeren Klebfüllstoff gebündelt werden. Der Wärmeaustauscher hat eine wesentlich größere lineare Wärmeausdehnungszahl als die Metalle, die bei der Herstellung von Wärmeaustauschröhren und Gehäusen verwendet werden. Außerdem verlieren die polymeren Stoffe bei der Temperaturerhöhung die Stärke, indem sie erweichen, und Ringe an den Wärmeaustauschröhren für den Schutz vor deren Durchsenkung erhöhen den Durchflusswiderstand. Ein wesentlicher Nachteil dieses Wärmeaustauschers ist die Unmöglichkeit einer Zerlegung des Bündels in einzelne Wärmeaustauschröhren für deren Ersatz oder Reinigung von Innen- und Außenrohroberflächen.
Am ähnlichsten dem angebotenen Wärmeaustauscher nach technischen Werten ist ein Rohrbündelwärmeaustauscher, der als Prototyp ausgewählt wurde und einen Zylindermantel mit Stutzen für den Ein- und Ausgang des Wärmeübertragers, einen Deckel mit Stutzen für den Ein- und Ausgang des Heizmediums und ein Bündel von Wärmeaustauschröhren hat. Die Wärmeaustauschröhren sind in Öffnungen von Rohrböden fixiert, die aus einer Innen- und nachträglichen Lochplatte mit einem wärmefesten Dichtungsmittel dazwischen bestehen und die zwischen Deckeln und dem Mantel eingespannt sind. In der nachfolgenden Platte jedes Rohrbodens sind zusätzliche Vertiefungen ausgeführt, die sich unter den Rohrlöchern befinden. Bei der Montage dieses bekannten Wärmeaustauschers füllt das Dichtungsmittel die Lücken zwischen den Platten, den Röhren und dem Mantel aus. Dabei bilden die Überschüsse des Dichtungsmittels, die durch zusätzliche Öffnungen durchfließen, Niete, die die Platten der Rohrböden zusätzlich verbinden (Urheberschein UdSSR Nr. 1758381, IPK F28D 7/00, 1992).
Die Nachteile des ausgewählten Prototyps sind zusätzliche Löcher in den nachfolgenden Platten für Niete, die den Rohrzwischenraum wesentlich dadurch vergrößern, dass sie nicht erlauben, die Wärmeaustauschröhren dicht zu bündeln und somit die Massenwerte und die Hauptabmessungen erhöhen. Außerdem erschweren die angegebenen Niete die Demontage des bekannten Wärmeaustauschers in Teile für deren Ersatz oder Reinigung der Innen- und Außenoberflächen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Rohrbündelwärmeaustauscher ohne Durchmesser- und Längenbegrenzungen zu entwickeln mit einer festen und zuverlässigen Befestigung der Wärmeaustauschröhren sowohl im Bündel als auch in Rohrböden, die die Verwendung von verfügbaren Arten der Wärmeaustauschintensivierung und der Durchflusswiderstandsabnahme bei der Verkleinerung von Massen- und Gewichtswerten und eine Verbesserung der Reparierbarkeit ermöglichen.
Die gestellte Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Dies ist dadurch erreicht, dass jeder Rohrboden im Rohrbündelwärmeaustauscher aus einem Mantel, der mit einem Stutzen für den Ein- und Ausgang des Heizmediums versehen ist, aus Deckeln mit einem Stutzen für den Ein- und Ausgang des Wärmeaustauschermediums und aus einem Bündel von Wärmeaustauschröhren besteht, die in Öffnungen von Rohrböden fixiert sind, die aus einer Innen- und nachfolgenden Lochplatte mit einem Dichtungsmaterial dazwischen bestehen. Nach der Erfindung ist jeder Rohrboden mit mindestens einer zusätzlichen nachfolgenden Lochplatte ausgestattet und der Mantel mit Innenausnehmungen an Stirnflächen ausgeführt. Die Innen- und nachfolgenden Platten der Rohrböden sind durch Deckel in Ausnehmungen des Mantels eingespannt, und die Wärmeaustauschröhren sind mit Bandagen versehen.
Die gestellte Aufgabe lässt sich auch dadurch lösen, dass Rohrlöcher der nachfolgenden Platte des Rohrbodens an der Seite des Stutzens für den Ausgang des Heizmediums mit einem Durchmesser ausgeführt sein können, der gleich dem Innendurchmesser der Wärmeaustauschröhre ist.
Die gestellte Aufgabe wird auch dadurch gelöst, dass Bandagen der Wärmeaustauschröhren in Form einer spiralen Drahtwicklung ausgeführt sein können.
Die gestellte Aufgabe wird auch dadurch gelöst, dass die Wärmeaustauschröhren mit einem Bügel oder Wickeldraht gebündelt sein können.
Die gestellte Aufgabe lässt sich auch dadurch lösen, dass der Mantel an die Stutzen für den Ein- und Ausgang des Wärmeübertragers ausgedehnt wird und in der erweiterten Zone mit Ausnehmung ausgeführt sein kann.
Die gestellte Aufgabe wird auch dadurch gelöst, dass der Mantel die Form eines sechseckigen Prismas haben kann.
Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen an Ausführungsbeispielen eines Rohrbündelwärmeaustauschers näher erläutert. Es zeigen:
1 einen angebotenen Rohrbündelwärmeaustauscher und
2 eine Variante des angebotenen Rohrbündelwärmeaustauschers mit einem erweiterten Mantel.
Der angebotene Rohrbündelwärmeaustauscher hat einen Mantel 1, der mit Stutzen 2, 3 für den Ein- und Ausgang des Wärmeträgers versehen und mit Innenausnehmungen 4 an Stirnflächen ausgeführt ist, einen Deckel 5 mit Stutzen 6, 7 für den Ein- und Ausgang des Heizmediums und ein Bündel von Wärmeaustauschröhren 8, die in Vertiefungen von Rohrböden fixiert sind, die aus einer Innen- und nachfolgenden Lochplatte 9, 10 mit einem Dichtmaterial 11 dazwischen bestehen. Die Innen- und nachfolgenden Platten 9, 10 von Rohrböden sind mit Deckeln 5 in Ausnehmung 4 des Mantels 1 eingespannt, und die Wärmeaustauschröhren 8 sind mit Bandagen versehen. Die Wärmeaustauschröhren 8 der nachfolgenden Platte 10 des Rohrbodens können an der Seite des Stutzens 7 für den Ausgang des Heizmediums mit einem Durchmesser ausgeführt sein, der gleich dem Innendurchmesser der Wärmeaustauschröhre 8 ist. Somit mündet die Wärmeaustauschröhre 8 in eine nachfolgende Lochplatte 10, was ihr Ausrutschen aus den Rohrböden unter Wirkung von Kräften in axialer Richtung vom Eingang zum Ausgang ausschließt, die durch den Durchflusswiderstand in den Wärmeaustauschröhren und den Druckunterschied zwischen dem Ein- und Ausgang bedingt sind. Die Bandagen der Wärmeaustauschröhren 8 können in Form eines Spiraldrahtwickels 12 (2) ausgeführt sein, der den Durchfluss zwischen den Röhren wirbeln, die fixierte Lücke zwischen den Röhren einstellen und die Reibung der Wärmeaustauschröhren 8 ausschließen lässt. Die Wärmeaustauschröhren 8 können durch Bügel (nicht dargestellt) oder einen Wickeldraht 13 gebündelt werden, der sie fest und zuverlässig in einem Bündel befestigt, was eine Durchsenkung und Vibration der Wärmeaustauschröhren 8 ausschließt und den Verzicht auf Stützen und Trennwände ermöglicht und dadurch den Durchflusswiderstand mit dem realisierbaren reinen Gegenstrom von Wärmeaustauschmedien bei höheren Geschwindigkeiten senken kann. In der Variante für die Senkung der Einzeldurchflusswiderstände und eine Ausschließung der Bildung von Totzonen kann der Mantel 1 an den Stutzen 2, 3 für den Ein- und Ausgang des Wärmeübertragers ausgedehnt und in der erweiterten Zone 14 mit einer Ausnehmung 4 ausgeführt werden und die Form eines sechseckigen Prismas (nicht dargestellt) für ein dichteres Rohrbündel haben.
Bei der Montage des angebotenen Wärmeaustauschers wird ein Rohrbündel 8 in den Mantel 1 eingesetzt. Danach wird eine Innenlochplatte 9 an der Seite des Eingangs des Heizmediums in die Ausnehmung 4 eingeschoben. Dabei werden die Wärmeaustauschröhren 8 in Vertiefungen der Innenlochplatte 9 durchgezogen. Auf die Innenlochplatte 9 wird ein Dichtungsmaterial 11 aufgelegt, das den Raum zwischen den Wärmeaustauschröhren 8 und dem Mantel 1 auffüllt. Danach wird eine nachfolgende Lochplatte 10 in die Ausnehmung 4 eingeschoben. Dabei werden die Wärmeaustauschröhren 8 in die Vertiefungen der nachfolgenden Lochplatte 10 durchgezogen. Auf die nachfolgende Lochplatte 10 wird ebenfalls Dichtungsmaterial 11 aufgelegt. Für die Erhöhung der Abdichtungszuverlässigkeit von hocherhitzten Wärmeaustauschermedien bei großen Druckdifferenzen wird mindestens eine zusätzliche nachfolgende Lochplatte 10 in die Ausnehmung 4 eingeschoben. Dabei werden die Wärmeaustauschröhren 8 ebenfalls in die Vertiefungen der zusätzlichen nachfolgenden Lochplatte 10 durchgezogen. Somit wird die Steigerung von Druckdifferenzen zwischen den hocherhitzten Wärmeaustauschermedien durch eine einfache Vergrößerung der Zahl von nachfolgenden Lochplatten 10 zuverlässig gelöst. Der zusammengebaute Stopfbuchsenrohrboden wird nachher durch den Deckel 2 eingeklemmt. Unter Druck füllen die Überschüsse des Dichtungsmaterials 11 die Lücken zwischen den Wärmeaustauschröhren 8, den Lochplatten 9, 10, den Böden und dem Mantel 1 auf. Analog dazu wird der Rohrboden an der Seite des Ausgangs des Heizmediums aus dem Rohrraum mit einer kleineren Öffnungsweite in der nachfolgenden Lochplatte 10 bis hin zu den Innendurchmessern der Wärmeaustauschröhren 8 montiert.
Der zu beschreibende Wärmeaustauscher funktioniert auf folgende Weise: Der Wärmeübertrager wird über den Stutzen 2 in den Mantel 1 herangeführt, füllt den Rohrzwischenraum auf und wird durch den Stutzen 3 herausgeführt. Durch den Stutzen 6 im Deckel 5 wird das Heizmedium zugeführt, das durch den Stutzen 7 herausgeführt wird. Demzufolge wird der Wärmeaustausch des Wärmeübertragers und des Mediums verwirklicht.
Zwecks Verwendung von verfügbaren Methoden der Wärmeaustauschintensivierung unter Beachtung von physikochemischen Eigenschaften der Wärmeaustauschermedien ermöglicht die Ausführung des angebotenen Rohrbündelwärmeaustauschers Folgendes:

– beliebige Stoffe für die Herstellung von Wärmeaustauschröhren zu benutzen, sowohl metallische als auch nicht metallische;
– Wärmeaustauschröhren mit beliebigem Durchmesser und beliebiger Wandstärke zu verwenden. Es ist bekannt, dass je kleiner der Rohrdurchmesser und die Wandstärke sind desto höher der Nutzungsgrad der Masse und des Volumens des Wärmeaustauschers ist;
– sowohl Glattröhre als auch Wellröhre (Faltenröhre) zu verwenden;
– Wärmeaustauschröhren jeder Form sowie mit der Rollung von Kreis- und Spiralnuten zu verwenden, die Durchflüsse auf der Innen- und Außenrohroberfläche wirbeln, die den Wärmeaustausch intensivieren;
– den Durchflusswiderstand zu senken, indem man auf Quer- und Längswände verzichtet;
– die Reparierbarkeit mit der Möglichkeit einer kompletten Demontage in einzelne Wärmeaustauschröhren und Teile für deren Ersatz oder der Reinigung von Innen- und Außenoberflächen zu verbessern;
– auf die Verblockung mit parallelen und seriell-parallelen Schaltungen von Routen einzelner Rohrbündelwärmeaustauscher bei einer fehlenden Wärmeaustauschoberfläche für große Wärmeströme oder bei großen Druckverlusten zu verzichten, weil der angebotene Rohrbündelwärmeaustauscher keine Längen- und Durchmesserbegrenzungen und demzufolge keine Größenbegrenzung für die Wärmeströme bei geringen Druckverlusten hat.

Die Erfindungsrealisierung wird somit erlauben, eine erforderliche Reparierbarkeit sowie eine Einfachheit und eine Zuverlässigkeit des Wärmeaustauschers zu gewährleisten, ohne dabei die Verwendung von etablierten Methoden der Wärmeaustauschintensivierung ohne eine schnellere Erhöhung des Durchflusswiderstands zu begrenzen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

J. I. Dytnerskyi ”Prozessy i apparaty chimitscheskoj technologii” M, Chimija, 1995, Tschast' 1, S. 334–339 [0002]

Claims

Rohrbündelwärmeaustauscher, der aus einem Mantel, der mit einem Stutzen für den Ein- und Ausgang des Heizmediums versehen ist, aus Deckeln mit einem Stutzen für den Ein- und Ausgang des Wärmeaustauschermediums und einem Bündel von Wärmeaustauschröhren besteht, die in Vertiefungen von Rohrböden fixiert sind, die aus einer Innen- und nachfolgenden Lochplatte mit einem Dichtungsmaterial dazwischen bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Rohrboden mit mindestens einer zusätzlichen nachfolgenden Lochplatte ausgestattet ist, dass der Mantel mit Innenausnehmungen an Stirnflächen ausgeführt ist, dass die Innen- und nachfolgenden Platten der Rohrböden mit Deckeln in Ausnehmungen des Mantels eingespannt sind und dass die Wärmeaustauscherröhren mit Bandagen ausgestattet sind.
Rohrbündelwärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmeaustauschröhren der nachfolgenden Platte des Rohrbodens seitens des Stutzens für den Ausgang des Wärmeaustauschermediums mit einem Durchmesser ausgeführt sind, der gleich dem Innendurchmesser der Wärmeaustauschröhre ist.
Rohrbündelwärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Bandagen der Wärmeaustauschröhren in Form einer spiralen Drahtwicklung ausgeführt sind.
Rohrbündelwärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauschröhren durch Bügel oder einen Wickeldraht gebündelt sind.
Rohrbündelwärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel an Stutzen für den Ein- und Ausgang des Heizmediums erweitert und in der erweiterten Zone mit einer Ausnehmung ausgeführt ist.
Rohrbündelwärmeaustauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass er sich durch die Form eines sechseckigen Prismas unterscheidet.