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Doppelrohr-Wärmeaustauscher Die Erfindung betrifft einen Doppelrohr-Wärmeaustauscher,
bestehend aus einem mit einem Mantel umgebenen Doppelrohrbündel, bei welchem jedes
Innenrohr, der Kreisringquerschnitt des Doppelrohres und der zwischen dem Mantel
und den Außenrohren der Doppelrohre bestehende Hohlraum vom Wärme aufnehmenden oder
dem Wärme abgebenden Fluid durchflossen ist, wobei ein Rohrboden vom Mantelraum
einen Kopfraum abteilt, welcher die in den Rohren strömenden Fluide führt, und der
Kopfraum durch zwei Querwände in drei Kammern unterteilt ist, von denen die äußere
Kammer das in den Innenrohren strömende Fluid führt. Derartige Doppelrohr-Wärmeaustauscher
sind durch die deutsche Patentschrift 58 477, insbesondere Anspruch 1 und 4, sowie
S.1, Zeile 18 bis 24 der rechten Spalte und S. 2, Zeile 10 bis 17 der. linken Spalte,
bekannt.
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Hierbei ist jedoch die Anordnung so getroffen, daß das eine am Wärmeaustausch
beteiligte Fluid zunächst jeweils die eine Hälfte des Innenrohres der Doppelrohre
und anschließend die andere, durch einen Leitsteg abgetrennte -Hälfte des Innenrohres
durchfließt.
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Diese bekannte Anordnung an Doppelrohr-Wärmeaustauschern hat jedoch
vom Standpunkt eines guten Wirkungsgrades des Wärmeaustauscher& einen entscheidenden
Nachteil insofern, als das im Innenrohr fließende Fluid - es mag entsprechend der
deutschen Patentschrift 58 477 sich um das kühlende rluid handeln - von dem in der
anderen Innenrohrhälfte zurückfließenden, schon bis zu einem gewissen Grad erwärmten
gleichen Fluid durch den Leitsteg hindurch erwärmt wird, wodurch die wirksame Temperaturdifferenz
zwischen dem kühlenden und dem abzukühlenden Fluid, und damit der Wärmeaustausch
zwischen diesen Fluiden, verringert wird.
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Die bekannte Einrichtung hat ferner den Nachteil, daß für das Fluid,
das den Innenraum der Doppelrohre bzw. den Raum, der von den Außenrohren der Doppelrohre
und dem Mantel gebildet wird, durchströmt, nicht etwa ein Paar, sondern zwei Paar
Zu-und Ablaufstutzen notwendig sind.
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Durch die deutsche Patentschrift 434 502 sind auch Doppelrohre, deren
Kreisringquerschnitt unterteilt ist, bekannt, wobei das eine am Wärmeaustausch beteiligte
Fluid durch einen Teilquerschnitt des Kreisringquerschnittes einströmt und durch
einen benachbarten Teilquerschnitt des gleichen Kreisringquerschnittes ausströmt.
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Die Aufgabe der Erfmdung besteht darin, ausgehend von der eingangs
angeführten bekannten Gattung von Wärmeaustauschern, die durch Wärmedehnungen hervorgerufenen
Änderungen der Länge der Rohre unschädlich zu machen und die bei den bekannten Fieldrohrausbildungen
auftretenden unerwünschten Wärmerückströmungen durch den Leitsteg bzw. die Leitwand
im Rahmen des Möglichen zu verringern und damit den Wirkungsgrad des Wärmeaustauschers
zu erhöhen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kreisringquerschnitt
der Doppelrohre unterteilt ist, das eine Fluid durch einen Teilquerschnitt des Kreisringquerschnitts
hereingeführt und durch einen benachbarten Teilquerschnitt des gleichen Kreisringquerschnittes
herausgeführt ist und daß das zweite Fluid zunächst durch die Innenrohre und anschließend
durch den Zwischenraum, der durch den Mantel und die Außenrohre gegeben ist, hindurchgeführt
ist, daß von den Kammern des Kopfraumes die beiden innen gelegenen Kammern für den
Zu- und Ablauf des durch den Kreisringquerschnitt fließenden Fluids bestimmt sind
und daß die Außenrohre am Kopfraumende derart abgesetzt sind, daß das den Ringquerschnitt
der Doppelrohre durchfließende Fluid nur in den einen Teilquerschnitt im Bereich
der innersten Kammer eintreten kann, wobei der nicht abgesetzte Teil der Doppelrohre
in der innersten Querwand endet, derart, daß das im anderen Teilquerschnitt zurückfließende
Fluid in die mit zugehörigen Ausstrittsstutzen versehene mittlere Kammer gelangt.
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Eine solche Anordnung hat zur Folge, daß, wie bei dem Wärmeaustauscher
nach der deutschen Patentschrift 434 502, zwischen dem einen und dem anderen am
Wärmeaustausch beteiligten Fluid sich unmittelbar Wandungen befinden, die auch einen
entsprechenden unmittelbaren Wärmeübergang gestatten, und hierbei sind die Wandungen
des Innenrohres sowohl als auch die Wandungen des Außenrohres an diesem unmittelbaren
Wärmeübergang dieser beiden Fluide beteiligt.
Durch diese Weiterentwicklung
eines Doppelrohr-Wärmeaustauschers nach der deutschen Patentschrift 58477
wird gegenüber diesem ein ganz wesentlicher Fortschritt in dem Wärmeübergang von
einem Fluid zum anderen Fluid erreicht, so daß die Abmessungen des Wärmeaustauschers
entsprechend kleiner gehalten werden können. Es stellt einen weiteren Fortschritt
der Erfindung dar, daß diese Art der Aufteilung und Aneinanderreihung der von beiden
Fluiden zu durchströmenden Querschnitte des Wärmeaustauschers in einer sehr zweckmäßigen
Bauart so erreicht wird, daß sich die Fertigung und die Montage dieser Wärmeaustauscher
hierdurch besonders erleichtert.
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Die Gestaltung der dem Kopfteil abgewendeten Enden der Doppelrohre
wird in der Weise vorgenommen, daß diese Enden der Doppelrohre ausschließlich im
Bereich des- Kreisringquerschnittes in an sich bekannter Weise abgeschlossen sind.
Die Unterteilung des Kreisringquerschnittes in Teilabschnitte endet hierbei in einem
Abstand vor dem Abschluß des Kreisringquerschnittes. .-Die Doppelrohre- können,-
um unter- anderem auch eine gute Halterung des Doppelrohrbündels innerhalb des Mantels
zu gewährleisten; nach -einer Ausgestaltung der Erfindung an dem dem Kopfteil abgewendeten
Ende in Bohrungen einer Distanzplatte gehalten sein, die .ihrerseits mit Rückströmöffnungen
im Bereich zwischen den einzelnen Doppelrohren versehen ist. Das am Wärmeaustausch
beteiligte Fluid, das vom Kopfteil-aus die Innenrohre der- Doppelrohre durchströmt;
wird somit in dem Raum, der sich zwischen der genannten Distänzplatte-und der dem
Kopfteil gegeirüberliegenden Stirnfläche des Mantels befindet;' -umgelenkt, "-um-
durch die Rückströmöffnungen an der Außenwandung dieser Doppelrohre zurückfließen.
Der Xückfluß dieses Fluids kann dadurch unterstützt werden; dgß die Distanzplatte
vorzugsweise die Form eines Vielechs entsprechend der Anordnung des Doppelrohrbündels
aufweist. Durch die Vieleckform- der Distanzplatte und den kreisförmigen Mantel
des Wärmetauschers bleiben Kreisabschnitte für= den Durchfluß des Fluids frei: Gemäß
einer Weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Kammer im Kopfteil in zwei oder
mehrere Unterkammern unterteilt, und ferner- ist entsprechend diesen Unterkammern
der Raum zwischen dem Mantel -und den Doppelrohren ebenfalls durch eine oder mehrere
Trennwände unterteilt. Durch eine derartige Anordnung ist gegenüber der vorher erläuterten
Ausführungsform eine erhöhte Durchflußgeschwindigkeit des am Wärmeaustausch beteiligten
Fluides erreichbar. Diese Ausführungsform ist deshalb dann zu bevorzugen, wenn für
den Wärmeaustausch z. B. nur geringe Wassermengen zur Verfügung stehen.
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Durch die letztgenannte Bauart kann noch der Vorteil erzielt werden,
daß der Kopfteil des Wärmeaustauschers, wie an sich bekannt, sämtliche Anschlußstutzen
für die am Wärmeaustauscher beteiligten Fluide aufweist. -Es sei noch bemerkt, daß
sowohl die Ein- und Ausströmanschlüsse für das eine als auch für das andere am Wärmeaustausch
beteiligte Fluid austauschbar sind.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
wiedergegeben, und zwar zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen Doppelrohr-Wärmeaustauscher,
F i g. 2 einen Querschnitt eines Doppelrohres des Wärmeaustauschers nach F i g.
1, F i g. 3 eine abgewandelte Ausführungsform des Rohrquerschnittes nach F i g.
2, F i g. 4 eine Ansicht auf die Distanzplatte des Wärmeaustauschers, F i g. 5 eine
Draufsicht auf die mittlere Kammerquerwand des Kopfteiles und F i g. 6 eine Sonderausführung
eines Wärmeaustauschers gemäß F i g. 1 bis 5 im Längsschnitt und in verkleinertem
Maßstab. .
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Bei dem Doppelrohr-Wärmeäustauscher gemäß F i g. 1 ist an dem Kopfteil
lein in diesem Fall zylinderförmig gehaltener Mantel 2 mit Hilfe der Schrauben
3 sowie einem Ringflansch 4 unter Zwischenschaltung einer Dichtung 5 befestigt.
,-' - --' Der Kopfteil 1 ist mit einem-Eintrittsstutzen 6 tznd einem
Austrittsstutzen 7 für das eilig' arn Wäfta#-w aüstausch beteiligte Fluid versehen,
währirid an tfer Stirnfläche des Kopfteiles 1- der .Zulaufstutzen 8--Iüt das zweite
am Wärmeaustausch -b-feiiigte Fluid"-m= gebracht ist. Der innere Raum :des Kopfteils
ist4 drei Kammern I, 1I, III unterteilt. ZU dieserrl'-Zweck sind die beiden Qüerwände9
und 10_--und die schllßwand 11 vorgesehen: -In dem Innenraum des-_Mantels 2 befinden
sich die Doppelrohre-12. Der Querschnitt dieser Üöppelrohre ist,Ift F` i g. 2, dargestellt.
Mäh erkennt hiet'as Inne rollt 12a und das Außenrohr 12b. Die--Kreis riug:= fläche-
zwischen den beiden Rohren 12a und -12b ig durch 13 und 14 derart unterteilt,-a8
Teilquerschnitte 15 und 16 'gebildet werden.-"-"--' Die -F i g. 3 zeigt eitle:
abgewandelte Qnersclini@= form für solch eine,Rohränördnung. Hierbei- ist ein Innenrohr
17 mit ovalem Querschnitt in -ein"kWs= förmiges Außenrohr 18 so eingesetzt,
ääß ain-.InIdtn= rohr 17 zwei sichelförmige Teilquerschnitte Iefind a@-20
entstehen. - "-. -Aus der Fig. 1 ist -zu erkennen, daß die'Außtitrohre 12 b an dein
-dem Kopfteil 1 zugewendeten Ende in ihrer unteren Hälfte abgesetzt sind.-
Zucke sein Zweck ist eine winkelförmige Ausnehmungh jedem Ende dieser Außenrohre
vorgesehen. 'ü t3= gegen ragen die Leitwände 13, 14 in den mittleren Kammerraum
1I hinein. Der Anschlußstutzen-6 für das eine am Wärmeaustausch beteiligte Fluid
führt ausschließlich zu dem inneren KammerraumIII. Dieses Fluid kann also im Bereich
des Kammer= raumes III an den abgesetzten Enden der Außenrohre 12b in den einen
Teilquerschnitt 15 oder-l6 der Außenrohre 12 b eintreten und fließt -in-_ diesem
Teilquerschnitt zu dem dem Kopfteil abgewendeten Ende dieser Doppelrohre. Dort wird
dieses Fluid in einer noch zu beschreibenden Weise von dein einen Teilquerschnitt
15 oder 16 in den zweiten Teilquerschnitt übergeführt und fließt nunmehr
in diesem Doppelrohr zurück, um oberhalb des abgesetzten Endes dieses Doppelrohres
in den mittleren Kammerraum II überzugehen, von welchem aus dieses Fluid den Auslaßstutzen
7 erreicht.
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Das zweite am Wärmeaustausch beteiligte Fluidtritt, wie erwähnt, bei
dem Einlaßstutzen 8 im Kopfteil 1, und zwar in den äußeren Kammerraum I, ein -und
muß von hier aus ausschließlich durch die Innenrohre 12a hindurchfließen. An dem
dem Kopfteil 1
gegenüberliegenden Ende ist der Querschnitt 22 die=
ser
Innenrohre nicht verschlossen. Dieses Fluid tritt somit in den Raum IV zwischen
der Distanzplatte 23 und der Stirnfläche 24 des Mantels 2.
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Die Umlenkung des durch die Teilquerschnitte des Doppelrohres hindurchfließenden
Fluids an dem dem Kopfteil 1 abgekehrten Ende des Wärmeaustauschers wird dadurch
erreicht, daß an diesem Ende der Ringquerschnitt zwischen dem Innenrohr 12a und
dem Außenrohr 12 b abgeschlossen ist, indem z. B. beide Rohre an diesem Ende miteinander
verbunden sind. Die Leitwände 13, 14 enden jedoch, wie F i g. 1 zeigt, in einem
Abstand von dem Abschluß des Kreisringquerschnittes dieser beiden Rohre, so daß
in diesem ohne Leitwände versehenen Kreisringquerschnitt der Übergang des Fluids
von dem .einen Teilquerschnitt in den benachbarten Teilquerschnitt sich vollziehen
kann.
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Damit auch eine Rückströmmöglichkeit für das zweite am Wärmeaustausch
beteiligte Fluid gegeben ist, ist die Distanzplatte 23 mit Rückströmöffnungen 25
versehen. Diese Rückströmöffnungen 25 befinden sich zwischen den einzelnen Doppelrohren
12a, 12b. Die Rohranordnung dieser Doppelrohre 12a, 12b ist nach F i g. 4 in Form
eines Sechsecks gewählt. Demzufolge hat auch die Distanzplatte 23 eine dieser Sechseckform
angepaßte Viereckform. Diese Distanzplatte 23, eingesetzt in den kreisförmigen
Mantel 2,
ergibt somit an den Steitenkanten der Distanzplatte Kreisabschnitte
im Verhältnis zum Mantelquerschnitt, so daß auch hier Rückströmquerschnitte für
das aus den Innenrohren 12a kommende Fluid gegeben sind.
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Damit nun das aus den Doppelrohren bestehende Rohrbündel in dem Mantel
2 eine sichere Halterung hat, ist in einem Abstand von der Distanzplatte
23 eine Ringplatte 26 vorgesehen. Die Seitenkanten des Mittelausschnittes
dieser Ringplatte 26 stützen die in der Außenzone des Rohrbündels vorgesehenen Außenrohre
12b ab. Das an der Innenfläche des Mantels in Richtung zum Kopfteil 1 zurückfließende
Medium wird in Richtung auf das Zentrum des Rohrbündels abgelenkt. Das an der Außenfläche
des Außenmantels der Doppelrohre zurückfließende Medium kann alsdann in den Stutzen
30 des Mantels 2 abfließen.
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Die innere Querwand 10 im Kopfteil 1 zum Abschluß der Kammer II ist
in F i g. 5 im Aufriß dargestellt. Man erkennt, daß diese Querwand 10 Ausnehmungen
31 aufweist, die aus zwei Halbkreisflächen zusammengesetzt sind. Die obere Halbkreisfläche
31 a ist dazu bestimmt, den nicht abgesetzten Teil des hier befindlichen Endes der
Außenrohre 12b aufzunehmen, während die untere Halbkreisfläche 31b die Aufgabe hat,
hier die Innenrohre 12a abzustützen, bzw. hier den Durchlaß für die Innenrohre bis
zur äußeren Querwand 9 freizugeben. In der F i g. 5 ist auch noch an dem einen Doppelrohr
angedeutet, wie die Teilwände 13, 14 angeordnet sind. Diese Teilwände 13,
14 in Verbindung mit den Halbkreisflächen 31a und 31b haben die Aufgabe, die beiden
Kammern I und 1I flüssigkeitsdicht voneinander zu trennen.
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Das Ausführungsbeispiel nach F i g. 6 stellt eine Sonderbauart dar,
bei welcher die äußerste Kammer 1 im Kopfteil 1 in zwei Unterkammern I a und I b
unterteilt ist. Im übrigen sind hier die Querwände 9 und 10 entsprechend
angeordnet. Der Kopfteil l ist mit dem Zulaufstutzen 8 a und dem Austrittsstutzen
8 b des einen Fluids und dem Zulaufstutzen 6 und dem Ablaufstutzen
7 des zweiten Fluids versehen, weist also sämtliche Anschlüsse für die am Wärmeaustausch
beteiligten Fluide auf. Die Doppelrohrbündelanordnung ist in diesem Falle so gewählt,
daß dieses Bündel durch eine Längswand 32 in zwei gleiche Rohrbündelhälften unterteilt
wird. Die Führung des Fluids, das durch den Teilquerschnitt des Kreisringquerschnittes
strömt, entspricht auch bei dieser Ausführungsart der Anordnung gemäß Fig. 1.
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Durch die Unterteilung der Kammer I strömt das zweite Fluid durch
die Innenrohre der einen durch die Längswand 32 gebildeten Hälfte des Wärmeaustauschers
ein, tritt an dem dem Kopfteil abgewendeten Ende in die zugehörige Hälfte des Außenraumes
des Rohrbündels, geht am Kopfteilende in die durch die Längswand 32 abgeteilte zweite
Hälfte des Außenraumes über, tritt in dieser zweiten Hälfte des Außenraumes an dem
dem Kopfteil abgewendeten Ende in die Innenrohre der zweiten Wärmeaustauscherhälfte
ein und wird von hier in die zweite Unterkammer I b übergeführt.