DE1501684B2 - Wärmetauscher - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, dessen Wärmeübertragungsflächen überwiegend aus schraubenförmig gewundenen Rohren bestehen, die konzentrisch zueinander angeordnete Wicklungen mit verschiedenen Wickeldurchmessern bilden, deren Rohrdurchmesser gleich oder gruppenweise gleich sind, wobei die Steigungswinkel der Rohrwendeln mit gleichem Rohrdurchmesser mit zunehmendem Wickeldurchmesser um abnehmbare Beträge kleiner werden.

Wärmetauscher mit schraubenförmig gekrümmten Rohren bieten den Vorteil, einen gegebenen zylindrischen Raum systematisch, gleichmäßig und nahezu vollständig mit Heizflächenrohren auszufüllen, die quer angeströmt sind und daher gute Wärmeübergangseigenschaften aufweisen. Das ist insbesondere dann wichtig, wenn das die Rohre umspülende Medium höheren als atmosphärischen Druck aufweist, weil dann das Druckgefäß vorzugsweise kreiszylindrische Gestalt aufweist. Dies ist z. B. bei Dampferzeugern von Kernkraftwerken mit gasgekühltem Reaktor der Fall. Ein weiterer Vorteil der schraubenförmigen Rohre ist, daß sie über die ganze Erstreckung der Heizflächen vollkommen konstante Krümmung aufweisen und über die ganze Länge gleichmäßig im Querstrom angeordnet sind. Die hohen Widerstände von Umkehrbogen, wie sie z. B. bei Wärmetauschern mit Schlangenrohren auftreten, entfallen hier.

Der Strömungswiderstand je Längeneinheit von schraubenförmig gekrümmten Rohren ist von der Krümmung der Rohre, und zwar vom Verhältnis des inneren Rohrdurchmessers zum Wickeldurchmesser bzw. zum Durchmesser des Krümmungskreises abhängig. Der Widerstand steigt mit zunehmendem Verhältnis Rohrdurchmesser zu Krümmungsdurchmesser. Sind deshalb Rohre gleicher Länge und gleichen Innendurchmessers, aber verschiedener Krümmung in einem Wärmetauscher parallel geschaltet, so sind die Druckdifferenzen zwischen den Verzweigungspunkten gleich, aber die .Durchsatzmengen in den einzelnen Rohren verschieden, und zwar wird in den stärker gekrümmten Rohren wegen der Erhöhung des Widerstandsbeiwerts die Durchsatzmenge kleiner sein als in den weniger stark gekrümmten Rohren. Diese Ungleichmäßigkeit führt zu verschiedener Wärmeaufnahme der einzelnen Rohre eines Heizflächenabschnitts und daher zu verschiedenen Austrittsenthalpien. Diese können sich bei gleicher Austrittstemperatur z. B. in verschiedenen Dampfziffern der einzelnen Rohre einer Verdampfungsheizfläche auswirken. In anderen Fällen kann die verschiedene Austrittsenthalpie zu verschiedenen Austrittstemperaturen führen, wie z.B. in einem Vorwärmerteil oder Überhitzerteil eines Dampferzeugers. Solche Ungleichmäßigkeiten sind unerwünscht, können die Gefahr des Durchbrennens von Heizflächenrohren heraufbeschwören und führen bei hohen Arbeitsdrücken und -temperaturen zu hohen Wandstärken oder zur Verwendung von teurem Material. Auch kann die Stabilität der Strömung des Durchlaufkessels durch ungleiche Durchflußmengen bzw. Enthalpiezunahmen ungünstig beeinflußt werden.

Wärmetauscher mit schraubenförmig gewundenen Rohren sind an sich bekannt. Bei diesen sind jedoch die Rohre nicht nach dem Widerstandsgesetz der Strömung angeordnet bzw. weisen die einzelnen Rohrwicklungen unterschiedliche Widerstandsbeiwerte und schraubenförmig parallel zueinander verlaufende Rohre verschiedene Rohrdurchmesser auf. So ist bei einem bekannten Wärmetauscher vorgesehen, daß die äußeren Rohrwendeln von einer Länge sind, die zur Länge der inneren Rohrwendel etwa im Verhältnis der äußeren Wickeldurchmesser zu den inneren Wickeldurchmessern stehen. Dadurch ergeben sich in den äußeren Rohrwendeln wesentlich höhere Druckverluste als in den inneren Rohrwendeln, so daß die Durchsatzmenge in ersteren geringer als in den letzteren ist. Diese Ungleichmäßig-

keit führt zu verschiedener Wärmeaufnahme der einzelnen Rohre und deshalb zu verschiedenen Austrittsenthalpien. Diese können sich bei ungleicher Austrittstemperatur z.B. in verschiedenen Dampfziffern der einzelnen Rohre oder in verschiedenen Austrittstemperaturen auswirken. Die Gefahr des Durchbrennens von Heizflächenrohren ist daher erheblich. Auch wird die Stabilität der Strömung hierdurch ungünstig beeinflußt.

Bei einem bekannten Wärmetauscher für öl, bei dem gleichfalls die Wärmetauscherrohre wendelförmig gekrümmt sind, steigt der Rohrdurchmesser der einzelnen Rohrwicklungen von innen nach außen; der Widerstand in der äußeren Wicklung ist geringer als der in der mittleren Wicklung, der wiederum kleiner als der der inneren Wicklung ist. Die einzelnen Rohrwicklungen weisen also unterschiedliche Widerstandsbeiwerte auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Ungleichmäßigkeit des Widerstandsbeiwerts infolge ao der verschiedenen Wickeldurchmesser durch konstruktive Maßnahmen zu kompensieren.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Längen der Rohre mit gleichem Rohrdurchmesser von innen nach außen nach dem Widerstandsgesetz der Strömung in schraubenförmig gewundenen Rohren zunehmen, wobei die Zunahme der Rohrlängen bei zunehmendem Wickeldurchmesser gegenüber der Rohrlänge der weiter innen liegenden Rohre kleiner wird und die Gangzahl mit zunehmendem Wickeldurchmesser größer wird.

Das Widerstandsgesetz der Strömung in schraubenförmig gewundenen Rohren wird wie folgt kurz erläutert: Der Druckverlust läßt sich berechnen aus dem Produkt des geschwindigkeitsabhängigen Stau-ι drucks und des entsprechenden Widerstandsbeiwerts. Der Widerstandsbeiwert setzt sich zusammen aus : dem Produkt des Reibungsbeiwerts des geraden j Rohrs mit dem Verhältnis der entsprechenden Rohrlänge und dem entsprechenden Rohrdurchmesser. Dieser Widerstandsbeiwert für das gerade Rohr gilt nach seiner Multiplikation mit einem Faktor auch für schraubenförmig gekrümmte Rohre. Dieser Faktor wird wie folgt gebildet:

Faktor = (1 + α (d/D)»).E

Die Konstante α beträgt etwa 3,5 bis 4, der Wert b ist etwa 0,7 bis 1,0 und E ist ein Wert, der den Einfluß des Steigungswinkels berücksichtigt. Für ! E = 1 geht der Faktor in denjenigen für ebene Rohrj bögen über, d ist der Rohrdurchmesser, während D den Wickeldurchmesser darstellt.
Der mit der Erfindung erzielbare technische Fortschritt beruht auf der vorteilhaften Wirkung, daß die Ungleichmäßigkeiten, das heißt die Strömungswiderstände in den Rohren ausgeglichen werden, also der Widerstandsbeiwert günstig kompensiert wird.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind im folgenden aufgeführt. Nach einem besonderen Merkmal nehmen die Windungszahlen ! der schraubenförmig gewundenen Rohre gleichen Rohrdurchmessers mit zunehmendem Wickeldurchmesser ab. Dadurch wird in der Ausführung eine gleiche Temperatur am Ein- bzw. Auslaß des in den Rohren strömenden Mediums bewirkt.

Nach einem weiteren Merkmal sind das Produkt aus Windungszahl und Gangzahl einer Wicklung und die Längsteilung für alle Wickeldurchmesser annähernd gleich. Hierdurch ergibt sich ein Wärmetauscher, bei dem das um die Rohre strömende Medium sowohl im Zentrum als auch am Rand dieselbe Anzahl von Rohren umströmt,; so daß der Strömungswiderstand des um die Rohre strömenden Mediums gleich groß ist. Dies bewirkt eine Vergleichmäßigung der Ablauftemperaturen des die Rohre durchströmenden Mediums in Zusammenwirken mit den Merkmalen des vorhergehenden Absatzes. Der entsprechende Wärmetauscher erhält dabei das geringste Leistungsgewicht.

Um eine gute Annäherung an den Idealwert zu bewirken und dadurch die Berechnung der einzelnen Wicklungen zu vereinfachen, wird die Gangzahl mit zunehmendem Wickeldurchmesser um jeweils gleiche Beträge größer.

Zur Beeinflussung des Temperaturprofils des um die Rohre strömenden Mediums, wodurch gleiche Austrittstemperaturen des in den Rohren strömenden Mediums beibehalten werden, ist das Verhältnis von Gangzahl einer Wicklung zum zugehörigen Wickeldurchmesser konstant und nehmen die Längsteilungen der Rohre mit größer werdendem Wickeldurchmesser ab.

Eine Senkung der Wandtemperaturen des Wärmetauscherdruckgefäßes wird dadurch erzielt, daß die Erstreckung der Wicklungen in Richtung parallel zur Hauptachse des Wärmetauschers mit größer werdendem Wickeldurchmesser zunimmt.

Bei einer abgewandelten Ausführungsform nimmt die Längsteilung der Wärmetauscherrohre mit größer werdendem Wickeldurchmesser zu, wobei das Produkt aus Windungszahl und Gangzahl in allen konzentrischen Wicklungen gleich ist. Dadurch ergeben sich sowohl gleiche Austrittsgeschwindigkeiten und Austrittsenthalpien des in den Rohren strömenden Mediums als auch gleichzeitig eine Verringerung der Beheizung der Druckgefäßwand, so daß beispielsweise auf diese Art und Weise ein Hochtemperatur-Zwangsdurchlauf-Dampferzeuger optimal ausgelegt werden kann.

Die Erfindung ist in der Zeichnung an mehreren Ausführungsbeispielen veranschaulicht. Es zeigt

F i g. 1 bis 3 einen Wärmetauscher, der vier ineinanderliegende, konzentrische Wicklungen aufweist, auf deren Flächen die Achsen der schraubenförmig gewundenen Rohre liegen,

F i g. 4 die Erfindung in Diagrammform und

F i g. 5 und 6 einen Teil eines Wärmetauschers, wobei verschiedene Heizflächen nebeneinander angeordnet sind.

F i g. 1 zeigt einen Längsschnitt durch den Wärmetauscher und F i g. 2 einen zugehörigen Querschnitt. Das eine Medium — beispielsweise Heizgas — tritt am Einlaß 6 ein und am Auslaß 7 aus. Im Inneren eines rotationssymmetrischen Mantels 8 des Wärmetauscherdruckgefäßes sind schraubenförmig gewundene Rohre gleichmäßig angeordnet, die den Innenraum vollständig ausfüllen, wobei die Längsteilungen 13 im ganzen Rohrbündel gleich groß sind. Die Gangzahlen nehmen mit steigendem Wickeldurchmesser zu.

Das zweite Medium — Speisewasser — tritt über einen oder mehrere Eintrittssammler 9 ein und wird mittels Verbindungsrohre 10 zu den eigentlichen Wärmetausch- bzw. Heizflächenrohren 5 geleitet, nach deren Durchströmen es über Verbindungsrohre 11 und einen oder mehrere Austrittssammler 12

wieder austritt.

In Fig. 3 sind zur Verdeutlichung der Ausführung die Rohre der vier Wicklungen!, 2, 3, 4 gesondert nebeneinander gezeichnet. Es ist bei der Ausführung nach den F i g. 1 bis 3 die Erstreckung der einzelnen Wicklungen 1 bis 4 in Richtung parallel zur Hauptachse des Wärmetauschers gleich groß. Die Gangzahl der Wicklungen 1 bis 4 nimmt mit steigendem Wickeldurchmesser zu und beträgt für die vier dargestellten Wicklungen 1 bis 4 eins, zwei, drei und vier. Insgesamt sind also zehn Rohre vorhanden. Das Produkt aus Gangzahl und Windungszahl ist konstant und beträgt im dargestellten Fall fünf. Die Steigung der Wicklungen 1 bis 4 ist definitionsgemäß das Produkt aus Längsteilung 13 und Gangzahl und nimmt ebenfalls mit steigendem Wickeldurchmesser zu. Die vier konzentrischen Wicklungen 1 bis 4 der schraubenförmig gewundenen Rohre haben die Steigungen oder Ganghöhen 14, 15, 16 und 17. Das Verhältnis von Steigung oder Ganghöhe zu Wickeldurchmesser und wegen der gleichen Längsteilung auch das Verhältnis von Gangzahl zu Wickeldurchmesser nimmt erfindungsgemäß mit steigendem Wickeldurchmesser ab. Daher nehmen die Steigungswinkel 18, 19, 20 und 21 der Rohre mit steigendem Wickeldurchmesser ab, wobei die Abnahme der Steigungswinkel mit wachsendem Wickeldurchmesser kleiner wird. Demgemäß nehmen die Rohrlängen mit steigendem Wickeldurchmesser zu. Die Windungszahl nimmt mit steigendem Wickeldurchmesser ab. Das Produkt aus Windungszahl und Wickeldurchmesser nimmt mit . steigendem Wickeldurchmesser zu.

In Fig. 4 sind unter der Voraussetzung der gleichen Enthalpiezunahme die Beziehungen in Diagrammform als Funktion des Wickeldurchmessers D bzw. des Verhältnisses vom Wickeldurchmesser D zu lichtem:. Rohrdurchmesser d aufgetragen, und zwar vom Durchmesser der inneren Wicklung D,-beginnend bis zum Durchmesser der äußeren Wicklung D₀.

Der Linienzug 22 versinnbildlicht die Abhängigkeit des Widerstandsbeiwerts in schraubenförmig gekrümmten Rohren vom Durchmesserverhältnis. In diesem Zusammenhang wird auf die eingangs gegebene Erklärung des Widerstandsgesetzes der Strömung in schraubenförmig gewundenen Rohren verwiesen. Zur Erzielung gleicher Enthalpiezunahmen werden die Rohrlängen in Abhängigkeit vom Wickeldurchmesser D so gewählt, daß für alle Wicklungen die Rohrlängen sich umgekehrt verhalten wie die kubischen Wurzeln aus den Widerstandsbeiwerten. Es verhalten sich dann die Durchsatzmengen wie die Rohrlängen. Da die Temperaturdifferenz und die Wärmedurchgangszahl, also auch der Wärmefluß, annähernd konstant sind und die Heizflächen den Längen proportional sind, sind auch die Enthalpiedifferenzen konstant.

Der Linienzug 23 zeigt die Abhängigkeit der Größen: Rohrlängen und Durchsatzmengen.

Die Gerade 24 zeigt die Zunahme der Gangzahl und der Steigung, die in den F i g. 1 bis 3 mit 14 bis 17 bezeichnet ist, mit dem Wickeldurchmesser.

Der Linienzug 25 zeigt das Verhalten folgender Größen: Verhältnis von Steigung zu Wickeldurchmesser; Verhältnis der Gangzahl zu Wickeldurchmesser·, Sinus des Steigungswinkels.

Das Verhältnis von Gangzahl zu Wickeldurchmesser D nimmt mit steigendem D zunächst stärker und dann schwächer ab, was dem Gesetz des Widerstandsbeiwerts der Strömung in gekrümmten Rohren entspricht. Auf diese Weise ist es möglich, die erfindungsgemäßen Effekte mit einer einfachen linearen Funktion für die Gangzahl zu verwirklichen.

Schließlich versinnbildlicht der gerade, abszissenparallele Linienzug 26 die konstanten Werte:. axiale Erstreckung; Längsteilung 13; Enthalpiezunahme; Austrittsenthalpie; sowie Temperatur des Mediums am Austritt aus den Rohren. Auch die Wärmedurchgangszahl ist konstant oder annähernd konstant, weil die beiden gegensinnig wirkenden Einflüsse: Krümmung des Rohrs (Erhöhung der inneren Wärmeübergangszahl) und verminderte Durchsatzmenge (Verringerung der inneren Wärmeübergangszahl) sich in erster Näherung kompensieren.

Die Funktionen sind in der Ausführung nicht kontinuierlich wie die gezeigten Linienzüge. Die Maßgrößen nehmen jeweils um diskrete Beträge von einer Wicklung zur nächsten zu oder ab. Die Linienzüge können aber als Verbindungslinien dieser diskreten Größen aufgefaßt werden.

Bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 4 ist die Längsteilung konstant und das Verhältnis von Gangzahl zu Wickeldurchmesser nimmt mit zunehmendem Wickeldurchmesser ab. Eine Modifikation dieser Ausführungsform besteht darin, daß das Verhältnis von Gangzahl zu Wickeldurchmesser konstant ist und die Längsteilungen mit steigendem Wickeldurchmesser abnehmen, während die übrigen Beziehungen erhalten bleiben.

F i g. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform des Erfindungsgedankens. Die Heizflächen des Wärmetauschers bestehen hier aus zwei konzentrischen, ineinanderliegenden Gruppen von Wicklungen aus schraubenförmig gewundenen Rohren. Der Durchmesser der Rohre 41 der äußeren ringförmigen Gruppe ist hier größer als der Durchmesser der Rohre 40 der inneren ringförmigen Gruppe. Die Gangzahlen der schraubenförmigen Rohre

40 betragen von innen nach außen zunehmend vier, sechs und acht, so daß achtzehn Rohre vorhanden sind, während die schraubenförmigen Rohre

41 von innen nach außen zunehmende Gangzahlen vier, fünf und sechs, und eine Gesamtzahl von fünfzehn aufweisen. Wesentlich ist, daß für die Rohre jeder der beiden ringförmigen Heizflächengruppen unabhängig von der anderen Gruppe die erfindungsgemäßen Beziehungen gelten.

In F i g. 6 sind bei einer weiteren Ausführungsform ebenfalls zwei konzentrische Heizflächengruppen mit Rohren 42 und 43 von verschiedenem Rohrdurchmesser vorgesehen, beispielsweise Überhitzer und Zwischenüberhitzer eines Dampferzeugers für ein Kernkraftwerk. Die beiden Heizflächengruppen sind aber hier so angeordnet, daß benachbarte Rohrwicklungen in gleichmäßiger Folge jeweils abwechselnd der einen und der anderen Heizflächengruppe angehören. Es gelten wiederum für jede der beiden Heizflächengruppen gesondert die erfindungsgemäßen Beziehungen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Wärmetauscher, dessen Wärmeübertragungsflächen überwiegend aus schraubenförmig gewundenen Rohren bestehen, die konzentrisch zueinander angeordnete Wicklungen mit verschiedenen Wickeldurchmessern bilden, deren Rohrdurchmesser gleich oder gruppenweise gleich sind, wobei die Steigungswinkel der Rohrwendeln mit gleichem Rohrdurchmesser mit zunehmenden Wickeldurchmessern um abnehmende Beträge kleiner werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Längen der Rohre (5, 40, 41, 42, 43) mit gleichem Rohrdurchmesser von innen nach außen nach dem Widerstandsgesetz der Strömung in schraubenförmig gewundenen Rohren zunehmen, wobei die Zunahme der Rohrlängen bei zunehmendem Wickeldurchmesser gegenüber der Rohrlänge der weiter innen liegen- ao den Rohre kleiner wird und die Gangzahl mit zunehmendem Wickeldurchmesser größer wird.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungszahlen der schraubenförmig gewundenen Rohre (5) gleichen as Rohrdurchmessers mit zunehmendem Wickeldurchmesser abnehmen.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt aus Windungszahl und Gangzahl einer Wicklung (1, 2, 3, 4) und die Längsteilung (13) für alle Wickeldurchmesser annähernd gleich sind.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gangzahl mit zunehmendem Wickeldurchmesser um jeweils gleiche Beträge größer wird.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Gangzahl einer Wicklung zum zugehörigen Wickeldurchmesser konstant ist und die Längsteilungen der Rohre mit größer werdendem Wickeldurchmesser abnehmen.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erstreckung der Wicklungen in Richtung parallel zur Hauptachse des Wärmetauschers mit größer werdendem Wickeldurchmesser zunimmt.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsteilung der Wärmetauscherrohre (5) mit größer werdendem Wickeldurchmesser zunimmt, wobei das Produkt aus Windungszahl und Gangzahl in allen konzentrischen Wicklungen gleich ist.