DE1074605B - Kessel-Warmeaustauscher mit im Querschnitt kreis ringförmigem Rohrenbundel und daran angeschlossenen Verteilerkammern - Google Patents

Description

B EKANNTMACHÜNG DER ANMELDUNG UND AUSGABE DER AUSLEGESCHRIFT: 4. FEBRUAR 1960

mit im Querschnitt

kreisringförmigem Röhrenbündel und daran angeschlossenen Verteilerkammern

Anmelder:

GEA- Luftkühler - Gesellschaft m. b. H., Bochum, Königsallee 45

Josef Meier und Dipl.-Ing. Karl Weiß, Bochum, sind als Erfinder genannt worden

Die Erfindung betrifft einen Kessel-Wärmeaustauscher für mit großem Druckunterschied im Kreuz-Gegenstrom geführte gasförmige Medien, insbesondere für Gasturbinenanlagen, bei welchem unter Verwendungeineis von Heizgas.umströmten, im Querschnitt 5
kreisförmigen Röhrenbündels mit an den Enden, vorgesehenen Verteilerkammern mindestens einer der die
Kesselboden axial durchsetzenden Ein- und Austrittsstutzen für ein Druckgas zusammen mit der ihm
zugeordneten Verteilerkammer längsverschieblich ge- ίο
führt ist. Bei derartigen, mit Austauschmedien oft
sehr unterschiedlichen Druckes gefahrenen Wärmeaustauschern werfen die notwendigen, oft sehr erheblichen Abmessungen und Gewichte Probleme verschiedener Art auf, die insbesondere durch die Maß- 15
nahmen zur Beherrschung der sich aus dem großen
Druckunterschied der Austauschmedien ergebenden
Belastungen bedingt sind. Weitere Schwierigkeiten

ergeben sich durch das konstruktive Erfordernis, mit

Rücksicht auf die Wärmeausdehnung die die Strö- 20 «

mungskanäle der beiden Austauschmedien bildenden

Bestandteile des Wärmeaustauschers zueinander rela- aufwirft, insbesondere mit Bezug auf das Einbringen tiv verschieblich anzuordnen und gegeneinander abzu- der Bohrlöcher für die Austauschrohre, vor allem dichten. Hierbei wirkt sich nachteilig aus, daß bei der Bohrlöcher für die äußeren Rohre, abgesehen von dem erheblichen Abstand der gegebenenfalls ein 25 der notwendigen Anpassung der Rohrenden an die axiales Spiel ermöglichenden Auflager des Rohr- Kugelform der Verteilerkammern. Hinzu kommt, daß bündeis innerhalb des vielfach 12 bis 15 m langen bei dieser Konstruktion mehr als ein Drittel der GeWärmeaustauschers große Biegemomente auftreten. samtlänge des Wärmeaustauschers für den Wärme-Auch aus herstellungstechnischen Gründen sind mit austausch praktisch ausfällt, weil die kugelförmigen derartigen, für Medien großen Druckunterschiedes 3° Verteilerkammern mit den sich anschließenden vorgesehenen Wärmeaustauschern Nachteile ver- axialen Längsführungen für den Röhrenteil eine große bunden, da beispielsweise die Rohrboden zur Be- Länge aufweisen, welch letztere zum Ausgleich der herrschung der hohen Drücke sehr stark bemessen starken Biegemomente und zur Entlastung der Verwerden müssen. Abgesehen von den hierdurch verur- bindungsstellen zwischen den Rohrenden und dem sachten hohen Materialkosten für die vielfach aus 35 Rohrboden der Verteilerkammer erforderlich ist. wertvollen Legierungen bestehenden Rohrboden, er- Durch einen anderen Vorschlag ist zwar die ringfordert das Einbringen der Bohrlöcher für die ein- förmige Anordnung der Wärmeaustauschrohre bezusetzenden Wärmeaustauschrohre wegen der zu kanntgeworden, indessen werden hierbei das auffordernden Genauigkeit sehr viel Zeit, wobei nicht zuheizende Medium ebenso wie das Heizmedium an nur hohe Lohnkosten, sondern auch ein unerwünschter 40 dem gleichen Ende zugeführt, während andererseits Materialverlust in Kauf genommen werden muß. das aufzuheizende Medium an dem gleichen Ende des Außerdem sind Spezialmaschinen, besondere Werk- Wärmeaustauschers aus diesem durch mehrere durch zeuge und entsprechend ausgebildete Spezialkräfte den Kessel hindurchgeführte Austrittsrohre entweicht, erforderlich, um in die vielfach sehr stark bemessenen Das aufzuheizende Medium wird durch die Längs-Rohrböden Bohrlöcher in großer Zahl und geringen 45 mitte des Kessels durch ein nach Art einer Venturi-Abständen einzubringen. röhre ausgebildetes Rohr hindurchgeführt, wodurch

Bei einem bekannten Wärmeaustauscher hat man naturgemäß der Durchmesser des Wärmeaustauschers ganz erhebliche Wandstärken für die Verteiler- beträchtliche Ausmaße annehmen muß, um den für kammern und die Rohrboden vorgesehen, um die das Heizmedium erforderlichen Strömungsquerschnitt hohen, in dem Wärmeaustauscher wirksamen Drücke 50 für die Umströmung des Rohrbündels zu schaffen, zu beherrschen. Dabei hat man es für erforderlich ge- Auch bei dieser bekannten Konstruktion wird etwa halten, die Verteilerkammern kugelförmig auszu- ein Drittel der Gesamtlänge des Wärmeaustauschers bilden, was festigkeitsmäßig zwar günstig, fertigungs- für einen wirksamen Wärmeaustausch der beiden technisch aber außerordentlich schwierige Probleme Medien nicht ausgenutzt. Um den Druck des Aus-

tauschmediums aufnehmen zu können, muß der Umlenkboden eine große Wandstärke aufweisen und mit zahlreichen Versteifungen und schweren Ankerschrauben versehen werden. Da der Umlenkboden auf einem im Kesselboden vorgesehenen Zapfen verhältnismäßig geringen Durchmessers auf kurzer Länge axialverschieblich geführt ist, wirkt sich auf diesen infolge des zum Kesselinneren hin sich erweiternden Umlenkbodens und dessen verhältnismäßig hohen Gewichtes ein starkes Drehmoment aus. Mit diesem Drehmoment ist in Verbindung mit nie ganz zu vermeidenden Schwingungserscheinungen des Rohrbündels die Gefahr von Kerbkräften an den Verbindungsstellen der Austauschrohre mit dem Rohrboden der Umlenkkammer verbunden. In strömungstechnischer Hinsicht ist bei dem bekannten Vorschlag die Umlenkung des aufzuheizenden Mediums um 180° durch die Umlenkkammer nachteilig, da offenbar zum Ausgleich des damit verbundenen Druckverlustes die raumgreifende Venturidüse dienen soll. Wenn man ferner berücksichtigt, daß mit Rücksicht auf einen nicht zu kleinen Umlenkradius der Durchmesser des Wärmeaustauschers ziemlich groß bemessen werden muß und zahlreiche, komplizierte und eine genaue Bearbeitung erfordernde Halterungen und Dichtungsflächen vorgesehen sind, so ergibt sich, daß durch diesen bekannten Vorschlag eine Verminderung der Herstellungskosten sowie des Raumund Materialbedarfs für derartige hochbeanspruchte Wärmeaustauscher nicht erzielt wird.

Erfindungsgemäß lassen sich Kessel-Wärmeaustauscher der vorstehend beschriebenen Art dadurch verbessern, daß die beiden Verteilerkammern als Ringkammern mit klemstmöglichem Querschnitt ausgebildet und über mehrere stirnseitig über den Umfang verteilt angeordnete Verteilungsrohre an den Ein- bzw. Austrittsstutzen angeschlossen sind, wobei die Verteilerkammern in ihren Außenumfang umschließenden, auf der Innenseite des Kessels in radialer Ebene fest angeordneten Ringplatten längsverschieblich geführt sind, während der Ein- und Austritt für das Heizgas an den beiden Enden des Kessels im Bereich zwischen Kesselboden und Ringkammer derart angeordnet ist, daß die Verteilerrohre und die Ringkammer voll im Heizgasstrom liegen und am Wärmeaustausch teilnehmen. Dieser Wärmeaustauscher ist in seinem Aufbau einfach und leicht an Gewicht, so daß neben der Erzielung einer hohen Betriebssicherheit die Herstellungs- und Materialkosten verhältnismäßig niedrig sind. Durch die längsverschiebliche Führung der Ringkammern in auf der Innenseite des Kesselmantels in radialer Ebene fest angeordneten Ringplatten ist für die Bemessung der an den ringförmigen Querschnitt des Rohrbündels genau angepaßten Rohrböden und die Länge des in die Rohrböden eingeschweißten bzw. eingewalzten Endabschnitts der Rohre in der Hauptsache der aufzunehmende Druck maßgebend. Dagegen spielen festigkeitstechnische Überlegungen nur eine untergeordnete Rolle, da die Ringkammern in ihrer Schwerebene gegenüber dem Kessel abgestützt und geführt sind, so daß sich in Kerbbeanspruchungen äußernde Biegemomente auf die Rohrverbindungen nicht einwirken können. Auf Grund dieser unmittelbaren Gleitlagerung der Ringkammern werden auch die bei der Wärmedehnung auftretenden Kräfte ausschließlich in axialer Richtung übertragen. Dabei können die für eine günstige Verteilung des in die Austauschrohre geleiteten Mediums vorgesehenen Verteilerrohre infolge der längsverschieblichen Abstützung ausschließlich mit Rücksicht auf den aufzunehmenden Druck bemessen werden. Die Abdichtungen des Wärmeaustauschers sind zahlenmäßig auf ein Mindestmaß reduziert, da lediglich der im Kesselboden längsverschiebliche Austrittsstutzen abgedichtet werden muß. Ferner wird praktisch die gesamte Länge des Wärmeaustauschers für den Wärmeaustausch ausgenutzt. Denn das die Rohre umströmende Medium tritt an je einem Ende des

ίο Wärmeaustauschers zwischen Ringkammer und Kesselboden ein und aus, d. h., die Lage der Öffnungen für den Zu- und Austritt des Heizgases ist derart, daß die gesamten Verteilungsrohre mit der Verteilerkammer im Heizgasstrom liegen und ihre gesamte Fläche am Wärmeaustausch teilnimmt. Dabei wirkt sich die Anordnung mehrerer Verteilerrohre im Sinne einer Vergrößerung der wärmeaustauschenden Flächen und einer Verbesserung des Wärmeübertragungswirkungsgrades vorteilhaft aus. Da die Ringkammern durch die Gestaltung der Zu- und Ableitungsrohre als »Spinne«, die durch eine Mehrzahl von Verteilerrohren gebildet wird, mit kleinstmöglichem Querschnitt ausgeführt werden können, ergibt sich der Vorteil einer geringen Bemessung ihrer Wandstärke auch bei Anwendung hoher Drücke.

In manchen Fällen kann es zweckmäßig sein, die Ringkammern in mehrere, jeweils den Verteilungsrohren zugeordnete, gegeneinander getrennte Segmentkammern zu unterteilen.

Um eine einwandfreie Kreuz-Gegenströmung der wärmetauschenden Medien zu erreichen, können in dem Längenbereich zwischen den Verteilerkammern das Heizgas in wechselweisem Kreuzstrom zu dem Röhrenbündel führende, an sich bekannte Umlenkscheiben vorgesehen sein, wobei diese wechselweise den Kreisquerschnitt des Röhrenbündels und den Kreisringquerschnitt zwischen Röhrenbündel und Kesselmantel abdecken. Dabei ist der Kesselmantel zweckmäßig unter Verzicht auf Mittel für einen Dehnungsausgleich an einem Ende starr und am anderen Längsende mittels Walzen abgestützt.
In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 den Kessel-Wärmeaustauscher im Längsschnitt,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Kessel nach'der Linie H-II der Fig. 1.

Der Kessel-Wärmeaustauscher besteht aus dem geschlossenen Kesselmantel 1 mit den Kesselböden 2 und 3 und den an den gegenüberliegenden Enden des Kessels radial angesetzten Ein- und Austrittsstutzen 4, 5 für das Heizgas mit niedrigem Druck. Der Kessel ist an den beiden gegenüberliegenden Enden gelagert, und zwar auf dem Bock 6 starr und auf dem Bock 7 mittels Walzen 8, um auf diese Weise eine Längenänderung des Kesselmantels zu ermöglichen.

Innerhalb des geschlossenen Kessels ist das das Druckgas aufnehmende Röhrensystem längenveränderlich geführt. Zu diesem Zweck ist der Eintrittsstutzen 9 für das Druckgas in der Durchtrittsöffnung des Kesselbodens 2 fest eingeschweißt, jedoch sämtliche an diesen anschließenden Teile des Röhrensystems in Richtung auf den Austrittsstutzen 10 längsverschieblich gelagert. Das das Druckgas aufnehmende Röhrenbündel 11 ist im Querschnitt kreisringförmig angeordnet und an den Enden mittels kreisringförmiger Rohrböden 12 an entsprechend geformten Verteilerkammern 13 angeschlossen. Die kreisringförmigen Verteilerkammern 13 sind stirnseitig mit über den Umfang verteilt angeordneten Verteilungsrohren 14 versehen, welche ihrerseits un-

mittelbar an die Eintritts- bzw. Austrittsstutzen 9,10 des Druckgases angeschlossen sind. Die Enden der Verteilungsrohre 14 münden am Umfang der Ein-Tdzw. Austrittsstutzen 9, 10 in entsprechender Verteilung, wobei die Mündungsöffnung in axialer Riehtung der Stutzen 9, 10 zueinander versetzt sind.

Um den Längenausgleich zu ermöglichen, ist der Austrittsstutzen 10 innerhalb der Durchtrittsöffnung des Kesselbodens 3 längsverschieblich geführt und durch eine als Wellrohr ausgebildete Dehnungsmanschette 15 gegen den Kesselboden 3 abgedichtet.

Das Röhrenbündel 11 ist mittels einer axialen Verlängerung des Außenmantels der kreisringförmigen Verteilerkammer 13 längsverschieblich auf den Fühxungsflächen 16 kreisringförmiger Stützbleche 17 gelagert, welche auf der Innenseite des Kesselmantels 1 in radialer Ebene fest angeordnet sind.

Um eine einwandfreie Kreuz-Gegenströmung der Gase zu ermöglichen, sind innerhalb des Kessels im Bereich zwischen den beiden Verteilerkammern 13 Umlenkbleche 18, 18 a angeordnet, welche wechselweise entweder den geschlossenen Kreisquerschnitt ■des Röhrenbündels 11 oder den Kreisringquerschnitt zwischen Außenumfang des Röhrenbündels 11 und ■dem Kesselmantel 1 abdecken. Gleichzeitig dienen ■diese Umlenkbleche zur gegenseitigen Verankerung •der einzelnen Rohre des Röhrenbündels 11.

In manchen Fällen können die Verteilerkammern 13 mit Vorteil in mehrere, jeweils den Verteilungsrohren 14 zugeordnete, getrennte Segmentkammern unterteilt werden, um auf diese Weise eine bessere Verteilung des Druckgases innerhalb des Röhrensystems zu ermöglichen und den Strömungswiderstand auf ein Mindestmaß herabzusetzen.

Claims (4)

35 Patentansprüche=

1. Kessel-Wärmeaustauscher für mit großem Druckunterschied im Kreuz-Gegenstrom geführte gasförmige Medien, bei welchem unter Verwendung eines von Heizgas umströmten, im Querschnitt kreisringförmigen Röhrenbündels mit an den Enden vorgesehenen Verteilerkammern mindestens einer der die Kesselboden axial durchsetzenden Ein- und Austrittsstutzen für ein Druckgas zusammen mit der ihm zugeordneten Verteilerkammer längsverschieblich geführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Verteilerkammern (13) als Ringkammern mit kleinstmöglichem Querschnitt ausgebildet und über mehrere stirnseitig über den Umfang verteilt angeordnete Verteilungsrohre (14) an den Ein- bzw. Austrittsstutzen (9,10) angeschlossen sind, wobei die Verteilerkammern in ihren Außenumfang umschließenden, auf der Innenseite des Kessels (1) in radialer Ebene fest angeordneten Ringplatten (17) längsverschieblich geführt sind, während der Ein- und Austritt (4, 5) für das Heizgas an den beiden Enden des Kessels im Bereich zwischen Kesselboden und Ringkammer derart angeordnet ist, daß die Verteilungsrohre und die Ringkammer voll im Heizgasstrom liegen und am Wärmeaustausch teilnehmen.

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringkammern (13) in mehrere, jeweils den Verteilungsrohren (14) zugeordnete, gegeneinander getrennte Segmentkammern unterteilt sind.

3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Längenbereich zwischen den Verteilerkammern (13) das Heizgas in wechselweisem Kreuzstrom zu dem Röhrenbündel (11) führende, an sich bekannte Umlenkscheiben (18, 18 a) vorgesehen sind, wobei diese wechselweise den Kreisquerschnitt des Röhrenbündels (11) und den Kreisringquerschnitt zwischen Röhrenbündel (11) und Kesselmantel (1) abdecken.

4. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Kesselmantel (1) unter Verzicht auf Mittel für einen Dehnungsausgleich an einem Ende starr und am anderen Längsende mittels Walzen (8) abgestützt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 831 400, 684 578;
schweizerische Patentschrift Nr. 88 630;
britische Patentschrift Nr. 521 548;
USA.-Patentschriften Nr. 2 594 761, 2 391 244.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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