DE19501467C2 - Sicherheitswärmeaustauscher in Rohr- und Plattenbauweise mit Überwachung interner Dichtigkeit - Google Patents

Description

Zur Produktion von Industrie-Erzeugnissen werden Wärmeaustauscher in nahezu allen Fertigungen eingesetzt. Sie ermöglichen den Energieaustausch bei den einzelnen Produktionsschritten und tragen gleichzeitig zur wirtschaftlichen Verwendung der Energie bei.

Bei den Wärmeaustauschern sind im Laufe der Zeit in Abhängigkeit der verschiedenen Erfordernisse Apparate in sehr unterschiedli­ chen Ausführungen entwickelt worden, die nach ihrer Bauform Rohrbündel-, Platten-, Rippenrohr-, Block-, Ringnut-, Spiral- oder Hybrid-Wärmeaustauscher genannt werden, wobei ein Hybrid- Wärmeaustauscherblock aus Plattenblechen und Rohren gebildet ist. Neben der Bezeichnung nach der Bauform werden Wärme­ austauscher auch nach dem Werkstoff, der zu ihrer Herstellung verwendet wurde, benannt, beispielsweise Graphit- oder Email- Wärmeaustauscher, womit ihre Korrosionsbeständigkeit gegen Säuren betont wird.

Die genannten Wärmeaustauscher arbeiten trotz der verschiedenartigen Gestaltung der Wärmeaustauschflächen dennoch nach dem einheitlichen Prinzip, d. i. Stoffstrom gegen Stoffstrom, getrennt durch eine Apparatewand. Anders gesagt: Erleidet die Apparatewand einen Defekt wie z. B. einen Riß, ein Loch oder gar einen Bruch, so kommt es zu direktem Kontakt der Stoffströme und zur Vermischung derselben. Die Stoffströme geraten dann außer Kontrolle.

Eine Konsequenz exponierter Produktionsverfahren ist es daher, neben der klassischen Wärmeaustauschaufgabe, die Sicherheitsaspekte stärker zu berücksichtigen. Bisher behalf man sich zur Vermeidung von Risiken, indem man mit einem Wärmeträgermedium arbeitete; das erforderte eine Doppelbestückung mit Wärmeaustauschern. Die Sicherheit wird bei diesem System gewonnen, indem man nicht direkt zwischen zwei Stoffströmen der Wärmeaustausch vornimmt sondern einen dritten dazwischenschaltet, der wiederum nach Risikoverträglichkeit ausgewählt wird. Wenn z. B. ein Produkt zum üblichen Kühlwasser risikobehaftet ist, so vermeidet man dieses durch einen Zwischenträgerstoff, wie es ein Wärmeträgeröl sein kann. Diese Art der Sicherheit bedeutet ein weit größeren Aufwand durch zusätzliche Apparate und Pumpen.

Zur besseren Lösung solcher Wärmeaustauscheraufgaben unter dem Gesichtpunkt der Sicherheit gibt es aber auch Apparate, die konstruktiv diese Aufgabe lösen.

So sind Rohrbündelwärmeaustauscher bekannt, die mit einer Doppelrohrtechnik arbeiten. Sie weisen anstelle der jeweiligen zu einem Rohrbündel zusammengefaßten Einzelrohre in gleicher Anordnung Doppelrohre auf. So ist aus der DE 31 28 497 C2 ein Wärmeaustauscher bekannt, in dessen Mantelraum mehrere Wärmeübertragungsrohrbündel angeordnet sind. Jedes Wärme­ übertragungsrohrbündel besteht aus einem Außenrohr und einem Innenrohr, welche mit Abstand voneinander unter Ausbildung eines Ringraumes angeordnet sind. Jedes Außenrohr ist beidseitig in erste Rohrböden dichtschließend eingesetzt und mündet in erste Kammern, während jedes Innenrohr beidseitig in zweite Rohrbö­ den dichtschließend eingesetzt ist und in zweite Kammern mündet. Die zweiten Kammern sind mit einem Einlauf- bzw. Auslaufstutzen für das eine Medium versehen, während der Mantelraum Einlaß- bzw. Auslaßstutzen für das andere Medium aufweist. Die ersten Kammern und die Ringräume zwischen den Außenrohren und den Innenrohren sind mit einem Wärmeübertragungsmittel gefüllt, wobei die eine erste Kammer einen Drucksensor zur Anzeige von Leckagen aufweist, während die andere erste Kammer mit einem Ausdehnungsgefäß strömungsmäßig verbunden ist. Dieser Wärme­ austauscher kann nach der DE 37 17 010 A1 dadurch weitergebil­ det sein, daß die Ringräume und die ersten Kammern einen Teil eines Sicherheitskreises bilden, indem sich das Wärmeübertra­ gungsmittel unter einem Druck befindet, der höher ist als der Druck der Medien in den Innenrohren und im Mantelraum. Dabei ist an die erste Kammer, die mit dem Ausdehnungsgefäß strömungs­ mäßig verbunden ist, eine druckerzeugende Einrichtung mit Drosseleinrichtung und Manometer angeschlossen, die zusammen mit dem an der anderen ersten Kammer befindlichen Drucksensor im Falle eines Durchbruches eines der Innenrohre oder der Au­ ßenrohre den im Sicherheitskreis entstehenden Druckabfall als De­ fekt anzeigt. Schließlich kann der Wärmeaustauscher gemäß der Patentschrift auch noch dadurch weitergebildet sein, daß bei im wesentlichen drucklos aus der zweiten Kammer ausströmendem Medium an deren Auslaufstutzen eine Einrichtung zum Aufbau eines Druckes in den Innenrohren angeschlossen ist und zur Überwa­ chung des Mediendruckes vor dieser Einrichtung ein Manometer eingebaut ist (DE 92 10 444 U1).

Weiterhin ist in der DE 37 01 614 A1 ein Rohrwärmeaustauscher beschrieben, bei welchem in einem Mantel eine Anzahl von jeweils aus einem Innenrohr und einem Außenrohr bestehenden Doppel­ rohren parallel zur Mantellinie eingesetzt sind. Dabei enden die Innenrohre dichtschließend in Rohrtragwänden, welche sich an den beiden Enden des Mantels befinden, während die Außenrohre dichtschließend in Rohrtragwände eingesetzt sind, die im inneren Bereich des Mantels befestigt sind. An den beiden Stirnseiten des Mantels sind kegelförmige Endstücke angeordnet, welche in Rohr­ stutzen enden. Diese Rohrstutzen dienen als Zulauf bzw. Ablauf für das eine Medium, während in die Oberseite und die Unterseite des Mantels Stutzen eingesetzt sind, durch die der Zulauf bzw. Ablauf des anderen Mediums erfolgt. Zwischen den Rohrtragwänden für die Innenrohre und denen für die Außenrohre sind Räume gebildet, in welche das bei einer Leckage der Innen- oder Außenrohre aus­ tretende Medium abströmen kann, wobei das Ansprechen von Überdruckventilen, die im Bereich dieser Räume in den Mantel ein­ gesetzt sind, eine größere Leckage anzeigt.

Schließlich weist das aus der DE 30 25 075 A1 bekannte Wärme­ austauschsystem einen Wärmeaustauscher auf, der aus drei kon­ zentrisch zueinander angeordneten Rohren besteht, wobei die Innenseite eines jeden Rohres mit integralen Rippen versehen ist. Dadurch wird zwischen dem äußeren und dem mittleren Rohr so­ wie zwischen dem mittleren und inneren Rohr zur Verbesserung der Wärmeleitung ein Metall/Metall-Kontakt erreicht. Bei diesem Wärme­ austauscher strömt das erste Medium durch den freien Ringraum zwischen dem äußeren und dem mittleren Rohr, während das zwei­ te Medium das innere Rohr im Gegenstrom durchfließt. Schließ­ lich befindet sich im freien Ringraum zwischen dem mittleren und dem inneren Rohr ein nichttoxisches Fluid, beispielsweise Wasser. Dabei sind die beiden Sammelleitungen, in die der freie Ringraum zwischen dem mittleren und dem inneren Rohr beidseitig einmün­ det, durch eine äußere Rohrleitung strömungsmäßig miteinander verbunden. In dieser Rohrleitung sind Einrichtungen zur Leckan­ zeige, beispielsweise ein Schauglas oder ein Druckschalter, an­ geordnet.

Schließlich ist aus der in der DE 44 03 144 A1 publizierten älteren Patentanmeldung ein Plattenwärmeaustauscher bekannt, dessen Rohrpaket aus mit Abstand übereinander angeordneten Flachrohren besteht, wobei das erste Medium durch das erste, dritte, fünfte usw. Flachrohr strömt, während das zweite, vierte, sechste usw. Flachrohr von dem zweiten Medium durchströmt wird. In den Zwischenräumen zwischen den Flachrohren sind Trennwände angeordnet, die mit den Flachrohren in Berührungskontakt stehen. Dabei sind die Trennwände so ausgebildet und angeordnet, daß für den Fall, daß ein oder mehrere Flachrohre beispielsweise durch Korrosion oder Erosion undicht werden, das dann aus den Flachrohren austretende erste oder zweite Medium über die Zwischenräume gleich nach außen zur Außenseite des Rohrpaketes abströmen und ins Umfeld gelangen kann, so daß eine Vermischung beider Medien sicher ausgeschlossen ist.

Um die Risiken von einwandigen Wärmeaustauschern aufgrund von Korrosion, Spannungen oder Materialfehlern zu vermeiden, aber auch um die aufwendigen Bauformen mit der Luftspalttechnik, die die Wärme schlecht übertragen und demzufolge großer Flächen bedürfen, wird erfindungsgemäß ein Sicherheitswärmeaustauscher aus der Kombination eines Rohrbündeltauschers mit einem Hybridwärmeaustauscher unter Einbeziehung einer Wärmeträgerfüllung beschrieben.

Die Sicherheit im Wärmeaustausch bei kritischen Stoffen wird mit der Erfindung dadurch erreicht, daß überraschend durch das Ineinanderstecken des Rohrbündels eines Rohrbündelwärmeaustauschers in die Rohrseite eines Hybridwärmeaustauschers ein neuer Sicherheitswärmeaustauscher entsteht, der die Sicherheit aus seinen zwei eigenständigen Stoffkanälen und ihrer völligen Trennung voneinander und der dabei entstandenen Zwischenkammer zur Überwachung bezieht, wobei die Zwischenkammer zu Wärmeübertragungszwecken und zur Anzeige von Schäden am Apparat mit einem Kontaktstoff gefüllt ist.

Die Konstruktion und Funktion der Erfindung wird wie folgt beschrieben:

Fig. 1:

Der Sicherheitswärmeaustauscher besteht aus der Wärmeaustauscher- Kammer A, die zunächst den Hybrid-Wärmeaustauscherblock enthält und der Wärmeaustauscher-Kammer B, die zunächst das Rohrbündel enthält. Von beiden Kammern A und B wird durch Verschachtelung die Sicherheitskammer C gebildet, deren Überwachung in Form einer Schadensanzeigevorrichtung D zeichnerisch dargestellt ist.

Fig. 2:

Nunmehr werden die Einzelelemente der Erfindung beschrieben. Der Hybrid-Wärmeaustauscherblock A besteht aus den Formblechen 1, die die Stoffkanäle 2 bilden. In ihrer Anordnung liegen die Bleche 1 in festgelegten Abständen aneinander und bilden die rohrartigen querliegenden Kanäle 3. In die Kanäle 3 sind die stabförmigen Rohre 4 des Rohrbündels der Wärmeaustauscherkammer B gesteckt. Auf diese Weise ergeben sich die Stoffkanäle 3, die die Rohre 4 umfassen und in die der Kontaktstoff eingelagert ist. Die Rohre 4 selbst bilden die Stoffkanäle 5. Stoffkanäle 2 und Stoffkanäle 5 werden jeweils getrennt durch das Blech 1, den Stoffkanal 3 und das Rohr 4, also durch zwei Wandungen und einen Stoffspalt. Funktionsmäßig unterliegen die Stoffströme 2 und 5 dem Wärmeaustausch. Zur Wirksamkeits- und Übertragungs­ verbesserung ist der Stoffkanal 3 mit einem wärmeleitenden Kontaktstoff gefüllt, der auch als Indikator für Undichtigkeiten, d. h. Schäden an den Blechen 1 oder den Rohren 4 auf eine Schadensanzeigevorrichtung D, beispielsweise eine Druckanzeige, der Sicherheitskammer C wirkt. Ein Druckanstieg oder -abfall signalisiert den Schaden einer Wandung, sei es der des Formbleches 1 oder des Rohres 4. Der Wärmeaustausch ist jederzeit unter Kontrolle, da Unwägbarkeiten im Material über den Stoffkanal 3 mittels des Kontaktstoffes jederzeit wahrgenommen werden.

Claims (6)

1. Sicherheitswärmeaustauscher zur Vermeidung des Zusammen­ treffens unverträglicher Stoffe (2) und (5) durch Schäden in einem Plattenblech oder einer Rohrwand (1) oder (4) und damit Vermeidung unzulässiger und gefährlicher Stoffreaktionen, bestehend aus einem Hybrid-Wärmeaustauscherblock, der die Wärmeaustauscherkammer A mit Stoffstrom (2) bildet, in die ein Rohrbündelwärmeaustauscher durchgesteckt ist, der die Wärme­ austauscherkammer B mit Stoffstrom (5) bildet, wobei aus der Durchdringung beider Wärmeaustauscher die Sicherheitskammer C mit Stoffkanal (3) geschaffen ist, die über die Schadens­ anzeigevorrichtung D überwacht wird.

2. Sicherheitswärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicherheitskammer C mit einem Kontaktstoff gefüllt ist, der hydraulisch den Schadensfall auf die Schadensanzeigevorrichtung D überträgt.

3. Sicherheitswärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicherheitskammer C mit einem Kontaktstoff gefüllt ist, der physikalisch eine gute Wärmeübertragung gewährleistet.

4. Sicherheitswärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich zur besseren Wärmeübertragung das Plattenblech 1 und die Rohrwand (4) berühren.

5. Sicherheitswärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur besseren Wärmeübertragung die Rohre (4) als Rippenrohre ausgebildet sind.

6. Sicherheitswärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur besseren Wärmeübertragung der Kontaktstoff der Sicherheitskammer C in den Stoffkanälen (3) durch Umpumpen bewegt wird.