DE102022131754A1

DE102022131754A1 - Wärmeübertrager mit mehreren Rohren

Info

Publication number: DE102022131754A1
Application number: DE102022131754.4A
Authority: DE
Inventors: Aitzol INCHAURBE; Jens Hetzer; Karsten Stückrath; Karsten Hartmann; Sebastian MANN
Original assignee: Arvos GmbH
Current assignee: Arvos GmbH
Priority date: 2022-11-30
Filing date: 2022-11-30
Publication date: 2024-06-06
Also published as: WO2024114973A1

Abstract

Wärmeübertrager (1) mit mehreren Rohren (3), die von einem ersten, zu kühlenden Medium durchströmbar sind, wobei zumindest ein Ab-schnitt (3a) der Rohre (3) jeweils von einem Raum (5) umgeben ist oder jeweils ein Abschnitt (3a) von mehreren der Rohre (3) gemein-sam in einem Raum (5) angeordnet ist, wobei der Raum (5) oder die Räume (5) von einem zweiten wärmeaufnehmenden Medium durchströmbar ist bzw, sind, und wobei die Rohre (3) zumindest in dem Abschnitt (3a) einen konstanten Außendurchmesser aufweisen, wobei die Rohre jeweils zumindest in mindestens einem Teilbereich des jeweiligen Abschnitts einen sich in Strömungsrichtung des ersten Mediums verjüngenden Innendurchmesser aufweisen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Um Wärmeenergie von einem Prozessmedium auf ein zweites Prozessmedium zu übertragen, werden Wärmeübertrager verwendet. Bei rekuperativen Wärmeübertragern besitzt jedes Medium dabei einen von dem anderen Medium abgetrennten Raum.
Eine häufig verwendete Bauart von Wärmeübertragern sind sogenannte Rohrbündelwärmeübertrager, bei der ein Medium durch mehrere in einem Bündel angeordnete parallele Rohre geleitet wird. Das zweite Medium wird durch eine das Rohrbündel umgebenden Raum geleitet.
Wärmeübertrager werden beispielsweise zur Kühlung von Prozessgasen bei hohen Temperaturen, beispielsweise 700 bis 1.500°C, eingesetzt. Zumeist werden dabei die Prozessgase durch die Rohre geleitet und das wärmeaufnehmende Medium befindet sich in dem die Rohre umgebenden Raum und umströmt die Rohre an der Außenseite.
Beim Abkühlen des Prozessgases in den Rohren kann es zum sogenannten Fouling kommen, was Ablagerungen und Verschmutzung an der Rohrinnenseite darstellt. Das Fouling erfolgt durch Partikel in dem Prozessgas oder durch kondensierende Phasen des Prozessgases auf der kühlen Innenseite des Rohres.
Die Ablagerungen werden zumeist durch Reinigung der Rohre entfernt, wobei in diesem Fall der Wärmeübertrager außer Betrieb genommen werden muss, was zu unerwünschten Stillstandzeiten führt.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmeübertrager zu schaffen, bei dem das Fouling reduziert ist.
Die Erfindung ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager weist mehrere Rohre auf, die von einem ersten, zu kühlenden Medium durchströmbar sind. Zumindest ein Abschnitt der Rohre ist jeweils von einem Raum umgeben oder jeweils ein Abschnitt von mehreren der Rohre ist gemeinsam in einem Raum angeordnet. Der Raum oder die Räume ist bzw. sind von einem zweiten, wärmeaufnehmenden Medium durchströmbar, wobei die Rohre zumindest in dem Abschnitt einen konstanten Außendurchmesser aufweisen. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre jeweils zumindest in mindestens einem Teilbereich des jeweiligen Abschnitts einen sich in Strömungsrichtung des ersten Mediums verjüngenden Innendurchmesser aufweisen.
Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager kann den Aufbau eines Rohrbündel Wärmeübertragers aufweisen, bei dem mehrere Rohre sich durch einen gemeinsamen Raum erstrecken. Durch den konstanten Außendurchmesser der Rohre zumindest in dem Abschnitt, der sich in dem gemeinsamen Raum befindet, wird sichergestellt, dass das zweite Medium in strömungstechnisch vorteilhafterweise die Rohre umströmen kann. Gleichzeitig wird der vorrichtungstechnische Aufwand vergleichsweise gering gehalten, da der erfindungsgemäße Wärmeübertrager weitestgehend wie ein herkömmlicher Wärmeübertrager aufgebaut sein kann. In einer alternativen Ausführungsform kann der Wärmeübertrager auch derart ausgestaltet sein, dass sich jedes Rohr durch einen eigenen Raum, der beispielsweise ringförmig um das jeweilige Rohr ausgebildet ist, erstreckt.
Dadurch, dass die Rohre jeweils zunächst in den Teilbereich des jeweiligen Abschnitts ein sich in Strömungsrichtung des ersten Mediums verjüngenden Innendurchmesser aufweisen, kann erreicht werden, dass sich die Strömungsgeschwindigkeit des ersten Mediums entlang des Rohres auch bei einer Abkühlung des ersten Mediums und dadurch hervorgerufener Dichteänderung nicht oder nur in einem geringen Maße abnimmt und eine Grenzgeschwindigkeit nicht unterschritten wird. Bei vergleichsweise hoher Strömungsgeschwindigkeit, die somit beibehalten werden kann, wird eine hohe Schubspannung der Strömung an der Rohrinnenseite erreicht, so dass die Ablagerung von Partikeln verhindert werden kann oder schon abgelagerte Partikel von der Wand gelöst werden. Somit kann durch die vergleichsweise hohe Strömungsgeschwindigkeit das Rohr von Ablagerungen weitestgehend freigehalten werden oder sogar gereinigt werden.
Die Erfindung nutzt somit aus, dass durch die Verringerung des Innendurchmessers der Rohre die Strömungsgeschwindigkeit des ersten Mediums relativ erhöht und somit der Reduktion der Strömungsgeschwindigkeit aufgrund der Abkühlung und der sich daraus ergebenden Dichteänderung entgegengewirkt werden kann.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der jeweilige Teilbereich eines Rohres in Strömungsrichtung des ersten Mediums ein Endbereich des jeweiligen Abschnitts des Rohres bildet. Mit anderen Worten der Teilbereich eines Rohres, in dem eine Verjüngung des Innendurchmessers erfolgt, liegt im in Strömungsrichtung des ersten Mediums hinteren Teil des Rohres, der sich in dem jeweiligen Raum befindet. Dies hat den Vorteil, dass die Verjüngung des Innendurchmessers in dem Teil des Rohres erfolgt, in dem das erste Medium bereits stark abgekühlt ist und somit in dem Bereich, in dem die Neigung zum Fouling besonders ausgeprägt ist. Auf Grund der Verjüngung des Innendurchmessers bei konstantem Außendurchmesser nimmt die Rohrwanddicke des Rohres in diesem Bereich zu. Dadurch, dass die Verjüngung des Innendurchmessers jedoch in einem Teilbereich des Rohres erfolgt, der in einem vergleichsweise kühlen Abschnitt angeordnet ist, ist die Relevanz der Oberwanddicke für die Wärmeübertragung des bereits abgekühlten ersten Mediums auf das zweite Medium vernachlässigbar.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Teilbereich oder die Teilbereiche eines Rohres, in dem eine Verjüngung des Innendurchmessers erfolgt, eine Länge aufweist, die kumuliert zwischen 1/4 und 9/10 einer Gesamtlänge des Abschnitts beträgt.
Der Innendurchmesser der Rohre kann sich in dem Teilbereich jeweils kontinuierlich verjüngen. Auch besteht die Möglichkeit, dass der Innendurchmesser sich in dem Teilbereich gestuft verjüngt. Es kann auch vorgesehen sein, dass sich der Innendurchmesser in dem Teilbereich verjüngt, indem alternierend Rohrelemente mit sich konisch verjüngenden Innendurchmesser und Elemente mit konstantem Innendurchmesser angeordnet sind. Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, dass verschiedene Varianten der Verjüngung des Innendurchmessers kombiniert Anwendung finden.
Bei einem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager kann vorgesehen sein, dass um jedes Rohr ein Außenrohr angeordnet ist, wobei durch jedes Außenrohr jeweils einer der Räume gebildet ist. Der Wärmeübertrager kann somit in Form eines Doppelrohrwärmeübertragers ausgebildet sein.
Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass mehrere Rohre parallel in einem Mantelrohr angeordnet sind, wobei das Mantelrohr den Raum bildet.
Bei dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager kann vorgesehen sein, dass die Rohre in anderen, von dem Teilbereich unterschiedlichen Bereichen, einen konstanten Innendurchmesser aufweisen.
Das Material eines Rohres oder der Rohre wird in Abhängigkeit des wärmeabgebenden Mediums und des wärmeaufnehmenden Mediums gewählt. Ist beispielsweise das wärmeaufnehmende Medium eine Flüssigkeit, Wasser oder Wasser/Dampfgemisch, hat sich niedrig legierter Stahl, höher legierter Stahl bis hin zu Edelstahl als vorteilhaftes Rohrmaterial herausgestellt. Ist das wärmeaufnehmende Medium Luft, Prozessgas, Dampf, kann das Rohrmaterial niedrig legierter Stahl, höher legierter Stahl bis hin zu Edelstahl oder eine Nickelbasislegierung sein. Ein Rohr kann auch aus Teilabschnitten aus unterschiedlichen Rohrmaterialien bestehen.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers kann auch ein Rohr aufweisen, das von einem ersten, zu kühlenden Medium durchströmbar ist, wobei zumindest ein Abschnitt des Rohres von einem Raum umgeben ist, wobei der Raum von einem zweiten wärmeaufnehmenden Medium durchströmbar ist, und wobei das Rohr zumindest in dem Abschnitt einen konstanten Außendurchmesser aufweist, wobei das Rohr zumindest in einem Teilbereich des Abschnitt einen sich in Strömungsrichtung des ersten Mediums verjüngenden Innendurchmesser aufweist. Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers können auch die weiteren zuvor beschriebenen Merkmale verwirklicht sein.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren die Erfindung näher erläutert.
Es zeigen

1 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers in der Gesamtansicht,
2a bis 2c schematische Schnittdarstellungen verschiedener Ausführungsformen eines Teilbereichs eines Rohres eines erfindungsgemä-ßen Wärmeübertragers, und
3 eine schematische Detaildarstellung eines Rohres eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers in Form eines Doppelrohrs.

1 ist ein erfindungsgemäßer Wärmeübertrager 1 schematisch im Schnitt dargestellt.
Der Wärmeübertrager weist eine Vielzahl von Rohren 3 auf, die parallel zueinander angeordnet sind. Die Rohre 3 durchlaufen einen Raum 5, der durch ein Mantelrohr 7 gebildet ist. In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel, bei dem die Rohre 3 vertikal angeordnet sind, werden die Rohre 3 von einem ersten, zu kühlenden Medium von oben nach unten durchströmt. Grundsätzlich ist auch eine horizontale Anordnung möglich. Das erste Medium wird dabei über einen Einlass 9 in eine Einlasskammer 11 geleitet, durchströmt die Rohre 3, wobei es gekühlt wird, und gelangt dann in eine Auslasskammer 13. Über einen Auslass 15 wird das nun abgekühlte erste Medium aus dem Wärmeübertrager abgeleitet.
Ein zweites Medium, das die Wärme des ersten Mediums aufnehmen soll, wird durch den Raum 5 geleitet. Das zweite Medium wird durch einen zweiten Einlass 17 in den Raum 5 eingeleitet und durchströmt diesen zu einem zweiten Auslass 19. Das zweite Medium strömt dabei im Gegenstrom zu dem ersten Medium. Je nach Wärmeübertragungsaufgabe kann alternativ das zweite Medium in Gleichstrom zu dem ersten Medium strömen, indem es durch einen entsprechenden Einlass in den Raum 5 eingeleitet wird und diesen zu einem entsprechenden Auslass durchströmt.
Der Teil der Rohre 3, der sich in dem Raum 5 befindet, wird als Abschnitt 3a bezeichnet. Zumindest in diesem Abschnitt weisen die Rohre 3 jeweils einen konstanten Außendurchmesser A auf.
Die Rohre 3 weisen in einem Teilbereich des jeweiligen Abschnitts 3a ein sich in Strömungsrichtung des ersten Mediums verjüngenden Innendurchmesser i auf. Der Teilbereich 3b, in dem die Rohre 3 einen sich verjüngenden Innendurchmesser i aufweisen, erstreckt sich in dem dargestellten Ausführungsbeispiel über beispielsweise etwa 50% der Gesamtlänge des Abschnitts 3a, der sich in dem Raum 5 befindet, wobei der jeweilige Teilbereich 3b eines Rohres 3 jeweils einen Endbereich des jeweiligen Abschnitts 3a des jeweiligen Rohres 3 bildet. In dem übrigen Bereich der Rohre 3 weisen diese jeweils einen konstanten Innendurchmesser i auf.
Das erste Medium durchströmt nun die Rohre 3 und wird mittels des zweiten Mediums, das sich in dem Raum 5 befindet und die Rohre 3 umströmt, abgekühlt. Dadurch erfolgt eine Erhöhung der Dichte des ersten Mediums, so dass die Strömungsgeschwindigkeit des ersten Mediums in den Rohren 3 zunächst abnimmt. Um zu verhindern, dass die Strömungsgeschwindigkeit des ersten Mediums eine Grenzgeschwindigkeit unterschreitet, verjüngt sich der Innendurchmesser i der Rohre 3 in dem Teilbereich 3b, in dem das erste Medium bereits schon deutlich abgekühlt ist und somit entsprechend eine reduzierte Strömungsgeschwindigkeit aufweist. Durch die Verjüngung des Innendurchmessers der Rohre wird die Strömungsgeschwindigkeit des ersten Mediums wieder relativ erhöht, so dass der auf Grund der Abkühlung hervorgerufenen Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit entgegengewirkt wird. Dadurch kann verhindert werden, dass es zu Ablagerungen an der Rohrinnenseite kommen kann, da die Rohrgeschwindigkeit dieses verhindert oder sich ablagernde Partikel wieder mitreißen.
Durch das Vorsehen eines konstanten Außendurchmessers A der Rohre 3 wird eine gleichmäßige Umströmung der Rohre in Raum 5 in vorteilhafterweise ermöglicht.
In den 2a bis 2c sind verschiedene Varianten von Teilbereichen von Rohren 3 gezeigt, bei dem sich der Innendurchmesser i verjüngt. Bei 2a verjüngt sich der Innendurchmesser i in Strömungsrichtung kontinuierlich. In 2b ist eine stufenweise Verjüngung gezeigt. In 2c wird die Verjüngung erreicht, in dem Abschnitt mit sich konisch verjüngenden Innendurchmesser und Abschnitte mit konstantem Innendurchmesser alternierend angeordnet sind.
Je nach Einsatz, Zweck und verwendeten zu kühlendem ersten Medium bieten die verschiedenen Varianten Vor- und Nachteile. Beispielsweise ist eine gestufte Verjüngung konstruktiv einfach und kostengünstig herstellbar, jedoch können die Stufenformen im Fall eines partikelbeladenen ersten Mediums zu Erosionsangriff neigen oder strömungstechnisch ungünstig sein. Eine sich kontinuierlich verjüngender Querschnitt ist strömungstechnisch günstiger, führt jedoch zu einem herstellungstechnisch höheren Aufwand.
Der in 1 dargestellte Wärmeübertrager 1 weist die Bauform eines klassischen Rohrbündelwärmeübertragers auf, bei dem parallel verlaufende Rohre 3 durch ein Mantelrohr 7 gebildeten Raum 5 gemeinsam durchlaufen. Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, dass der Wärmeübertrager als Doppelrohrwärmeübertrager ausgebildet ist. In 3 ist ein derartiges Doppelrohr schematisch im Schnitt dargestellt. Das Rohr 3 ist dabei von einem Außenrohr 21 umgeben. Der zwischen dem Rohr 3 und dem Außenrohr gebildete Ringspalt bildet den Raum 5, durch den das zweite Medium strömen kann.
Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager 1 hat den Vorteil, dass auf konstruktiv einfache Art und Weise Fouling an der Rohrinnenseite reduziert oder vermieden werden kann, so dass Ausfallzeiten des Wärmeübertragers 1 für die Reinigung der Rohre 3 reduziert werden können.
Das erste Medium kann beispielsweise ein Prozessgas oder Luft sein. Das wärmeaufnehmende zweite Medium kann Prozessgas, Luft, Wasser, eine andere Flüssigkeit, Dampf oder ein Gemisch aus Wasser/Dampf sein. Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager 1 ist beispielsweise zur Kühlung von Prozessgasen bei hohen Temperaturen, beispielsweise zwischen 700 und 1.500°C einsetzbar.
Bezuaszeichenliste

1: Wärmeübertrager
3: Rohr
3a: Abschnitt
3b: Teilbereich
5: Raum
7: Mantelrohr
9: Einlass
11: Einlasskammer
13: Auslasskammer
15: Auslass
17: zweiter Einlass
19: zweiter Auslass
21: Außenrohr

Claims

Wärmeübertrager (1) mit mehreren Rohren (3), die von einem ersten, zu kühlenden Medium durchströmbar sind, wobei zumindest ein Abschnitt (3a) der Rohre (3) jeweils von einem Raum (5) umgeben ist oder jeweils ein Abschnitt (3a) von mehreren der Rohre (3) gemeinsam in einem Raum (5) angeordnet ist, wobei der Raum (5) oder die Räume (5) von einem zweiten wärmeaufnehmenden Medium durchströmbar ist bzw, sind, und wobei die Rohre (3) zumindest in dem Abschnitt (3a) einen konstanten Außendurchmesser (A) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (3) jeweils zumindest in mindestens einem Teilbereich (3b) des jeweiligen Abschnitts (3a) einen sich in Strömungsrichtung des ersten Mediums verjüngenden Innendurchmesser (i) aufweisen.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Teilbereich (3b) eines Rohres (3) in Strömungsrichtung des ersten Mediums einen Endbereich des jeweiligen Abschnitts (3a) des Rohres (3) bildet.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilbereich (3b) oder die Teilbereiche (3b) eine Länge aufweist, die zwischen 25% und 90% einer Gesamtlänge des Abschnitts (3a) beträgt.
Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Innendurchmesser (i) in dem Teilbereich (3b) kontinuierlich verjüngt.
Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Innendurchmesser (i) in dem Teilbereich (3b) gestuft verjüngt.
Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Innendurchmesser verjüngt, indem alternierend Teilbereiche (3b) mit sich konisch verjüngenden Innendurchmesser (i) und Elemente mit konstanten Innendurchmesser (i) angeordnet sind.
Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass um jedes Rohr ein Außenrohr angeordnet ist, wobei durch jedes Außenrohr jeweils einer der Räume gebildet ist.
Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Rohre parallel in einem Mantelrohr angeordnet sind, wobei das Mantelrohr den Raum bildet.
Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre in anderen, von dem Teilbereich unterschiedlichen Bereichen einen konstanten Innendurchmesser aufweisen.
Wärmeübertrager (1) mit einem Rohr (3), das von einem ersten, zu kühlenden Medium durchströmbar ist, wobei zumindest ein Abschnitt (3a) des Rohres (3) von einem Raum (5) umgeben ist, wobei der Raum (5) von einem zweiten wärmeaufnehmenden Medium durchströmbar ist, und wobei das Rohr (3) zumindest in dem Abschnitt (3a) einen konstanten Außendurchmesser aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (3) zumindest in einem Teilbereich (3b) des Abschnitt (3a) einen sich in Strömungsrichtung des ersten Mediums verjüngenden Innendurchmesser (i) aufweist.