DE1551553A1 - Verfahren zur Temperaturbegrenzung der Rohrwand und der Gefaesswandung eines Rohrbuendel-Waermetauschers,insbesondere mit parallelen Rohren - Google Patents

Description

lar. wall

Dr. V/.'}!:.-:o' ' . 22. Kai 1967

Mi- η H" he- η 9
Abc xu a ti a lie 8 ' '. \ . ΡΟβ 3819/***

Waagner-Biro Aktiengesellschaft in Wien

Verfahren zur Teinperatiirbeg-renzung "der Bohrwand und der Gefäßwandung eines Rohr bunde l-Tfärme tausche rs insbesondere mit parallelen Rohren

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Begrenzung der Temperatur der Rohrwand und der Gefäßwandung eines Rohrbündel-Wärmetauschers insbesondere mit parallelen.Rohren.

Es sind zwei Arten von Wärmetauschern bekannt; die eine arbeitet■nach dem Gleichstrom-,die andere nach dem .Gegenströmprinzip.Der Gleichstromwärmetauscher hat den Kachteil,daß eine relativ große Temperaturdiffefenz zwischen dem einströmenden heißen Medium und'dem abströmenden erwärmten Medium benötigt wird.Der Gegenstromwärmetauscher hat den Nachteil,daß dievWandteraperaturen der Wärmetausch-· rohre große Unterschiede aufweisen und daß die höchsten Wandtemperaturen an. der Eintrittestelle des heißen Mediums auf treten, wob ei bei Temperaturen : _-— -..

BADGRIGfNAI. _; ! . ΐ .0088 21/OU 9 _;

nur geringfügig unter der des heißen Mediums liegen.Dieser Umstand führt,zu einer ungleichmäßigen Werkstoffausnützung der Wärmetausehrohre,sodaß der Gegenstrom-Warmetauscher . daher bei höheren Temperaturen und Drücken unwirtschaftlich ist.

Diese Nachteile werden durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen behoben.Die Erfindung besteht darin,daß bei. einem Rohrbündelwärmetauscher das außerhalb des Rohrbündels strömende Medium zum Teil im Gleichstrom bzw.Kreuz-Gleichstrom, zum anderen Teil im Gegenstrcm bzw.Kreuz-Gegenstrom zu dem in den Rohren strömenden Medium geführt wird.Die wärmetauschenden Medien werden also im an den Eintritt des heißen Mediums anschließenden Bereich im Gleichstrom bzw. Kreuz-Gleichstrom,im übrigen Wärmetauscher im Gegenstrom bzw.Kreuz-Gegenstrom geführt.

Die Erfindung ist in den Fig.l und 2 beispielsweise dargestellt.]?ig 1 zeigt schematisch den Aufbau und Schaltung eines erfindungsgemäßen V/ärmetauschers.Pig 2 zeigt in gedrängter Darstellung konstruktive Einzelheiten des Wärmetauschers.

In Pig.l ist schematisch, ein Wärmetauscher in geknickter Form dargestellt.Der Knick ermöglicht die Aufnahme ■ von unterschiedlichen Wärmedehnungen der einzelnen Rohre, die durch Ungleichmäßigkeiten in der Gasströmung,dem Rohrdurchmesser auftreten können.Durch den Knick ist die Richtung des Ausweichens vorgegeben.^as heißere Medium 1 strömt, von links nach rechts durch den diffusorartigen Eintritts-' teil 17 in die Rohrplatte 16 bzw. in die V/ärmet aus ehr öhre 2 ein.Das Medium 1 verläßt im abgekühlten Zustand die Rohre 2

λ 009821/0449

" BAD ORIGINAL ""*-

an der Rohrplatte 20.Es strömt dann durch den düsenförmigen Austrittsteil 23 undverläßt den Wärmetauscher durch die Leitung 14.Das zweite,kühlere Medium 6 .strömt durch einen seitlichen Einströmstutzen 7 in den Gleichstromteil 3 des Rohrbündelwärmetauschers,welchen es durch ringförmige Öffnungen 8 in der Nähe der Druckgefäßwandung 5 verläßt. In den nun folgenden ringförmigen Kanälen strömt das Medium zwischen der Druckgefäßwandung 5»dem Strahlungsblech 10 und dem Umlenkblech 25 in die Umlenkkammer 12. Ein Teilstrom des Mediums 6 wird an seiner Eintrittsstelle in das Druckgefäß 15,5 oder in den Gleichstromwärmetauscher 3abgezweigt und strömt zwischen dem·Strahlungsblech 11 und der Gefäßwandung 5 im Bypaß zu den durch den Gleichstromteil 3 des Rohrbündelwärmetauschers führendem Medium 6.Dieser Teilstrom dient zur Wandkühlung undwird dem Wesen nach über die ganze Warmetauscherlänge geführt.Am Ende des Gleichstromwärmetauscherteiles 3 wird, auch der Hauptstrom,der durch den Gleichstromteil 3 des Wärmetauscher hindurchgeführt wurde,in ähnlicher V/eise,wie bereits erwähnt,längs Strahlungsblechen 10 geführt.

Bei hohen Temperaturen im V/ärme tausch er wird die Temperatur der Gefäßwandung 5 trotz des Isolationsverlustes höher liegen als die Gastemperatur des Mediums 6,da von den Rohren 2,bzw.vom Umlenkblech.25,Wärme durch Körperstrahlung an den Mantel 5 übertragen wird.In solchen Fällen wird erfindungsgemäß zwischen dem Mantel 5 und dem Umlenkblech ein ähnlich geformtes,vorzugsweise zylinderisches Strahlungs-

-3-BADORIGINAt 009821/0.449

blech 10 angeordnet,das die Menge der. durch Strahlung vom Gegenstromteil 4 des Wärmetauschers an den Mantel 5 übertragenen Wärmemenge reduziert.in besonderen Fällen können auch mehrere S.trahlungs bleche' 10 angeordnet werden.Auf diese Weise wird die Wirkung verstärkt und die Temperatur des Mantels 5 tief gehalten.

Von der Umlenkkammer 12 wird das Medium 6 in den Gegenstrom 4 des Rohrbündelwärmetauschers eingeleitet,wo es auf die Endtemperatur gebracht wird.Das Medium 6 verläßt den Wärmetauscher durch den Stutzen 13·

Diese Einrichtung gestattet die maximalen Wandtemperaturen des Wärmetauschers trotz hoher Temperaturen des MediumsJL und der hohen Aufheiztemperaturen des kälteren Mediums 6 relativ niedrig zu halten.

Die Einrichtung ist unter anderem geeignet für regenerative Wärmetauscher,das sind Warmetauscher deren Arbeitsmedien von einer Wärmequelle kommend den Rohrbündelwärmetauscher zunächst als heißen Medium 1 durchsetzt und nach Abkühlung und Druckerhöhung als kaltes Medium.6.nochmals den Wärmetauscher durchströmt.Eine solche Anwendung ist bei einer magnetogasdynamischen Anlage gegeben,bei der nach dem,mit höchsten Temperaturen arbeitenden magnetogasdynamischen Generator zunächst die heiße Seite des Rohrbündelwärmetauschers durchsetzt wird,worauf sich ein Dampferzeuger und/oder Vorkühler sowie ein Kompressor anschließen, bevor die kältere Seite des Wärmetauschers und sodann die Wärmequelle,z.B.ein Höchsttemperatur-Kernreaktor im ge-

-4-BAOORiGJNAt 009821/0:449

schlossenen Kreislauf durchströmt werden."

Pur derartige Anwendungen mit hohen und höchsten Temperaturen z.B.1000⁰C und mit höherem als athmosphärischem Druck -in der Größenordnung von etwa 10-50 at.auf der kälteren Seite und 2-20 at.auf der heißeren Seite-ist es erforderlieh,hohq Temperaturen auf die Rohre 2 zu .beschränken, die einen relativ geringeren Durchmesser aufweisen und nur auf den Differenzdruck zwischen·kälterem und heißerem Medium beansprucht sind. Das Druckgefäß muß den vollen Druck der Athmosphäre standhalten und darf daher im Hinblick auf die Warmfestigkeit des verwendeten Materials keine zu hohe Temperatur annehmen.

Durch die erwähnten Maßnahmen gelingt es die Maximaltemperaturen der Rohrwandung und des Druckgefäßes gegen-

zu über den bekannten Wärmetauschern/verringern.

Fig.2 zeigt den konstruktiven Aufbau eines Wärmetausehers, ähnlich Pig.l in gedrängter Darstellung.Es gelten dieselben Bezugszeichen.Das heißere Medium 1 strömt durch die Rohre 2,das kältere Medium 6 um die Rohre.Zur Verbesserung des Wärmeüberganges und der Regulierung der Strömungsgeschwindigkeit sind Führungsbleche 18,19 im Raum um die Rohre angeordnet.Durch die Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit wird die Kühlung der 'Rohre erhöht und damit die Rohrwandtemperatur niedrig gehalten.Bei Vorhandensein derartiger Gasführungsbleche handelt es sich daher um einen Kreuz-Gleichstrom und Kreuz-Gegenstromwärme*-—'tauscherteil

-5- .
BAD ORIGINAL

* γΛ ί_~ ■

009821 /0U9

im Gegensatz zu den in Fig.l beschriebenen Gleichstrom- und Gegenstromwärmetauscherteilen.Nach Passieren des • Gleichstromteiles strömt das kältere Medium 6 im Ringraum 9 zwischen dem Mantel 5,dem Strahlungsblech 10 und dem Umlenkblech 25 des Druckgefäßes 15 in die Umlenkkammer 12 und in den Gegen-stromteil 4 des Wärmetauschers, welcher am anderen Ende mittels einer Rohrplatte 21 abgeschlossen ist,die auf den Rohren 2 des Rohrbündelwärmetauschers mit geringem Spielraum gleitet.Diese Rohrplatte 21 trennt den Gleichstrom-und Gegenstromteil.Das Spiel zwischen den Bohrungen der Rohrplatte 21 und den Rohren 2 ist so groß gehalten,daß eine Verschiebung möglich ist,und so klein, daß die Leckverluste zwischen dem unter höherem Druck stehenden Medium im Gleichstromteil und dem unter geringerem Druck stehenden Medium im Gegenstromteil möglichst gering, gehalten werden.Bei einem Regenerativwärmetauscher sind solche Leckverluste tragbar.Der aus der Rohrplatte 21, dem Umlenkblech 25 sowie aus den Gasführungsblechen 19 und dem Austrittsstutzen 13 des Mediums 6 bestehende Einbauteil ist gegenüber dem Rohrsystem 2 frei beweglich und wird durch den Austrittsstutzen 13 mit dem Druckgefäßmantel 5 verbunden.Das heißere Medium 1 tritt durch einen konisch erweiterten Eintrittsteil 17 über die Eintrittsrohrplatte 16,die mittels 'dünnwandiger Isolationsbleche 22 stirnseitig von der Berührung mit dem heißen Medium geschützt ist,in das Rohrbündel 2 ein.Zwischen den Isolationsblechen ■ 22 und der Rohrplatte 16 bildet sich eine stagnierende

-6- BAD ORIGINAL ^ 003821/0*4 9

Schicht des Mediums 1,welche die Värmeisolation erhöht. Im Prinzip kann es sich beim Medium 1 um ein Gas,Gasgemisch, Dampf oder Dampf gemisch bzw. um eine Flüssigkeit mit einem sehr hohen Siedepunkt handeln,ohne daß am Prinzip der Erfindung etwas geändert wird.

Die Austrittsrohrplatte 20 kann im Vergleich zu den Rohrplatten 16 und 21 eine geringe Wandstärke aufweisen, was eine gewisse Differenzdehnung der einzelnen Rohre 2 ermöglicht,Die Aufnahme der Differenzdehnung zwischen dem Rohrbündel 2 sowie dem Eintrittskonus 17 und dem Mantel 5 erfolgt mit Hilfe der Kolbenringdichtung 24.Selbstverständlich kann die Kolbenringdichtung 24 auch nach der Einziehung auf den Austrit.tsdurchmesser angeordnet sein. Gemäß der Erfindung ist es auch möglich den Knickwinkel des Rohrbündels 2,wie er in Fig.l dargestellt ist,mit oder 180° auszuführen.ImIetzteren Pail hat man die sogenannte U-Form.Es ist auch möglich zwei Knicke in entgegengesetzter Richtung vorzusehen,so daß die Richtungen der Roh—rstücke in der Eintritts-und in der Austrittsrohr-, platte parallel/sind «Der Knick wird vorteilhaft in den längeren/ler beiden Wärmetauscherteile 3 und 4 gelegt.

-7-

00 9821/O;AA9

Claims (1)

1. 22« fiel 1967 3819/··»

   Patentansprüche: ...

   Q. J Verfahren zur Temperäturbegrenzung der Rohrwand und der Gefäßwändung eines Rohrbündel-V/ärmetauschers insbesondere mit parallelen Rohren,dadurch gekennzeichnet, daß'das außerhalb des Rohrbündels strömende Medium zum Teil im Gegenstrom bzw.Kreuz-Gegenstrom,zum andern Teil im Gleichstrom bzw.Kreuz-Gleichstrom zu dem in den Rohren strömende Medium geführt wird.

   2« Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß das heißere Medium in den Rohren des Rohrbündels strömen gelassen wird und das kühlere Medium zuerst im Gleichstrom und dann im Gegenstrom zum heißeren Medium geführt wird.

   3. Verfahren nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet, daß das kältere Medium in einem Ringraum zwischen dem Mantel des Gefäßes und einem das Rohrbündel umschlie'ßenden zylindrischen Gefäß geführt wird.

   4· Verfahren nach den Ansprüchen 1-3,dadurch gekennzeichnet,daß im Gleichstromteil ein Teil des kälteren Mediums zur Kühlung der Gefäßwandung des Wärmetauschers zwischen Strahlungsblechen und der Gefäßwandung im Bypass zu den Wärmetauscherrohren geführt "Wird und daß dieser Teilstrom zusammen mit den durch den Gleichstromteil fließendem Hauptstrom des Mediums durch den Gegenstromteil geführt wird.

   -8- - BAOOR.G.NAL 009821/0_:**9

   ■ 1 5 51 b 5 3

   5· Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1-4,dadurch/gekennzeichnet,daß in einem Wärmetauscherdruckgefäß (15) der Gleichstromteil (3). und . der G-egenstromteil (4) eines Wärme tauschers mit Parallelrohrbündeln angeordnet ist, wobei die durchgehenden Wärmetauscherrohre (2) durch mindestens 2 Rohrplatten (16,20) gehalten sind. ' . ■

   6. Einrichtung nach Anspruch 5,dadurch gekennzeichnet, ■daß der Eintrittsteil des heißen Mediums (1) von einem konischen Gasführungskanal (17),der das Druckgefäß (Ί5) durchdringt,und einer Eintrittsrohrplatte (16) gebildet ist. 7· Einrichtung nach Anspruch 6,dadurch gekennzeichnet, daß vor der Eintrittsrohrplatte (16) dünnwandige Isolationsbleche (18) angeordnet sind,die die Rohreintritte /

   frei lassen,wobei zwischen den Blechen (18) und der Rohrplatte (16) sich stagnierende Gas-oder Flüssigkeitsschichten befinden.

   8. Einrichtung nach Anspruch 5,dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Gleichstromteil (3)unddem Gegenstromteil (4) eine Rohrplatte (21) angeordnet ist,die auf den Rohren (2) des Rohrbündels mit geringem Spiel gleitet.

   9. Einrichtung nach Anspruch 5 und 8,dadurch gekennzeichnet,daß das aus Rohrplatte (21) und dem Umlenkblech £5) gebildete innere Gefäß mit dem Mantel (5) verbunden ist.

   10. Einrichtung nach Anspruch 9,dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Rohren (2) und/oder dem zylindrischen Umlenkblech (25) einerseits und dem Mantel (5)andrerseits

   -9-

   .·/ V-^QQ982 1 /OU 9

   ein oder mehrere konzentrische Strahlungsbleche (10)angeordnet sind.

   .11. Einrichtung-nach Anspruch 5»dadurch gekennzeichnet, daß die' Rohrplatte ' (20) zur Ermöglichung einer gev/issen Differenzdehnung der Rohre (2) eine im Vergleich zu den Rohrplatten (21,16) geringere Wandstärke aufweist.

   12. Einrichtung nach Anspruch 5,dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme der Differenzdehnung zwischen Rohrbündel (2) und iMantel (5) eine aus einem äußeren Gasführungskanal (26),den Kolbenringen und einen inneren Gasführungskanal bestehende Kolbenringdichtung (24) angeordnet ist,wobei der innere Gasführungskanal in den Austrittsteil (23)des Mediums (1) übergeht.

   13. Einrichtung nach Anspruch 5,dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (2) und der Mantel (5) einen oder zwei Knicke aufweisen.

   - 10 -

   BAD ORIGINAL 009821/0449

   L e e r s e 11 e