DE19544185C2 - Wärmetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für strömende Medien mit zu einem Rohrbündel zusammengefaßten, in Rohr­ böden gelagerten Rohren, welche in Längsrichtung von um die Rohrlängsachse gebundenen Einbauten durchsetzt sind.

Wärme fällt in den verschiedensten Maschinenaggregaten, Prozessen und Verfahren an und muß umweltfreundlich ent­ sorgt werden. Die wirtschaftlichste und umweldfreundlich­ ste Form ist hierbei die Wiederverwendung der Abwärme.

Bei der Rückgewinnung von Wärme beispielsweise aus Abgas bzw. der Kühlung von Abgas kommen Rohrbündelwärmetauscher in kompakter Bauweise zum Einsatz. Die Rohrbündel setzen sich aus einer Vielzahl von Rohren zusammen, welche in Rohrböden gehalten werden. Durch die Rohre wird das heiße Medium geleitet, während auf deren Außenseite ein Tau­ schermedium, meist Wasser, geführt wird.

An die Leistung der Wärmetauscher werden hohe Ansprüche gestellt. So ist es beispielsweise aus der DE- AS 1 069 165 bekannt, bei Rohrbündelwärmetauschern für strömende Medien zur Verbesserung des Wärmeübergangs in den Rohren schraubenförmig gewundene Bandbleche geringer Wanddicke anzuordnen, welche die Rohre in Längsrichtung durchsetzen. Um eine gute wärmeleitende Verbindung mit der Rohrwand sicherzustellen, sind die Bandbleche im Rohrquerschnitt fest eingeklemmt oder mit diesem fest verbunden.

Bereits bei der Auslegung der Wärmetauscher ist man be­ müht, alle Faktoren, die die Qualität und Leistung nega­ tiv beeinflussen können, zu minimieren. Zunehmend schwie­ riger gestaltet sich aber sowohl die Auslegung der Wärme­ tauscher als auch deren Betrieb, wenn Produkte mit hohem Schmutzanteil durch den Wärmetauscher geführt werden. Insbesondere wegen der Toträume zwischen den einzelnen Rohren sind die Wärmetauscher für Schmutz und Ablagerun­ gen anfällig. Nach einiger Zeit ist der Rohrboden bzw. die Rohre so verschmutzt, daß sich der Wärmeübergang vom Medium an die Rohrwand erheblich verschlechtert. Deswei­ teren steigt der Druckverlust mit zunehmender Betriebs­ dauer. Die vorgegebenen Ausgangstemperaturen können dann nicht mehr erreicht werden. Als Folge der Verschmutzung sinkt der Gesamtwirkungsgrad. Die Verschmutzung fördert darüberhinaus die Spaltkorrosion und verkürzt die Lebens­ dauer des Wärmetauschers. Hohe Wartungskosten und unter Umständen lange Stillzeiten der Anlage können die Folge sein.

Üblich ist es, die Rohrbündel in bestimmten Reinigungsin­ tervallen manuell zu reinigen. Die Wärmetauscher werden hierzu stillgelegt und geöffnet. Die Rohrböden können dann von den Ablagerungen befreit werden. Zur Säuberung der Rohre stehen Rohrreiniger zur Verfügung, die mit Dü­ sen oder Bürsten arbeiten. Das Reinigungsergebnis mit diesen Systemen ist sehr gut. Jedoch ist der Reinigungs­ aufwand vergleichsweise hoch. Darüberhinaus ist eine Un­ terbrechung des Betriebs der Anlage notwendig.

Durch die DE 29 35 701 A1 ist es bekannt, zum Abkratzen von Ablagerungen in Rohren eines Wärmetauschers eine Schraubenfeder im Inneren des Rohrs anzuordnen, welche mit einem Antrieb für eine hin und her gehende und drehende Bewegung verbunden ist.

Die Schraubenfedern sind mit einem Ende an einer Platte befestigt, welche von außen durch eine Antriebseinheit hin und her bewegt werden kann. Als nachteilig hieran ist insbesondere anzusehen, dass durch die nach Art eines Kolbens bewegte Platte, an der die Federn festgelegt sind, die Strömungsverhältnisse im Wärmetauscher nachtei­ lig beeinflusst werden. Auch wird der Energieinhalt des in den Wärmetauscherrohren strömenden Mediums zur Erzie­ lung eines Selbstreinigungseffekts nur unzureichend ge­ nutzt.

Der Erfindung liegt daher ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher dahingehend zu verbessern, daß eine kontinuierliche Abreinigung der Rohre während des Betriebs erfolgt und der Reinigungsauf­ wand insgesamt verringert wird.

Die Lösung besteht erfindungsgemäß in den Merkmalen des Anspruchs 1. Danach sind jetzt in den Rohren in Längsachse gewundene, begrenzt elastische Reinigungsele­ mente vorgesehen, welche im Rohrquerschnitt frei schwing­ bar angeordnet sind, wobei mindestens an einer Seite einem Rohrboden eine sich gegen diesen federnd abstoßende Platte zugeordnet ist, an der die Reinigungselemente festgelegt sind.

Die Reinigungselemente sind geeignet für die unterschied­ lichsten Einsatzfälle der Wärmetauscher, bei welchen ent­ weder beide Medien Flüssigkeiten sind oder das eine Me­ dium flüssig und das andere gasfürmig ist. Besonders gut geeignet sind die Reinigungselemente für Abgaswärmetau­ scher.

Durch die Krafteinwirkung der die Reinigungselemente um­ spülenden Strömung werden diese zu einer Bewegung ange­ regt. Der Außendurchmesser eines Reinigungselements wird daher kleiner als der Innendurchmesser eines Rohrs ge­ wählt. Es kommt dann zu Längs- und Querschwingungen der Reinigungselemente. Die Reinigungswirkung besteht sowohl in einer Schab- als auch in einer Pulsations- oder Schlagwirkung. Verschmutzungen kann so entgegengewirkt werden.

An der Rohrplatte sind die Reinigungselemente festgelegt. Durch die Rohrplatte wird eine sich auf die Rei­ nigungswirkung besonders günstig auswirkende longitudi­ nale Bewegung der Reinigungselemente mit einer Schabwir­ kung an den Innenflächen der Rohre erreicht. Zweckmäßi­ gerweise werden den Rohrböden an beiden Seiten Rohrplat­ ten zugeordnet.

Erfindungsgemäß wird der Energieinhalt der Strömung aus­ genutzt und in eine dynamische Krafteinwirkung auf das Reinigungselement umgewandelt. Neben dieser Eigenerregung ist es selbstverständlich auch möglich, eine Fremderre­ gung der Reinigungselemente zu erzeugen. Dies kann bei­ spielsweise durch von außen an den Rohrboden angesetzte Vibrationseinrichtungen oder durch Klopf- bzw. Schlagein­ wirkung im Bereich der Rohrböden erfolgen.

Die Reinigungselemente sind sehr gut geeignet für einen nachträglichen Einbau in Abgaswärmetauschern. Dies ermög­ licht dem Betreiber eine kostengünstige und einfache Nachrüstung.

Die Reinigungselemente sind einsetzbar bei Rohren mit un­ terschiedlichsten Rohrquerschnitten. Auch die Windungen des Reinigungselements können unterschiedlichste Quer­ schnittsformen aufweisen. So sind neben einem kreisförmi­ gen oder dreieckförmigen auch vier- bzw. mehrkantige Um­ rißformen denkbar. Auch können auf dem Außenumfang zu­ sätzliche Schabelemente angeordnet sein.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform eines Reini­ gungselements wird nach Anspruch 2 in einem wendelförmi­ gen Federkörper gesehen, dessen Außendurchmesser entspre­ chend kleiner ist als der Innendurchmesser eines Rohrs. Hierdurch kann die gewünschte Schlag- bzw. Schabwirkung an den Rohrinnenflächen gewährleistet werden. Ein solcher Federkörper ist einfach und preisgünstig in seiner Her­ stellung. Auch der Einbau im Wärmetauscher ist ohne hohen konstruktiven Aufwand möglich. Die Strömungsverhältnisse im Wärmetauscher werden durch die Reinigungselemente kaum beeinträchtigt.

Zweckmäßigerweise werden die Reinigungselemente aus einem verschleiß- und abriebarmen Werkstoff hergestellt. Je nach Einsatz- bzw. Betriebsbedingungen können die Reini­ gungselemente auch korrosionsfest ausgeführt werden. Ins­ gesamt wird eine hohe Lebensdauer der Reinigungselemente angestrebt. Im Bedarfsfall können einzelne Reinigungsele­ mente eines Wärmetauschers oder auch der komplette Satz im Zuge der üblichen Wartungsintervalle ausgetauscht wer­ den.

Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 3 werden die Reini­ gungselemente endseitig am Rohrboden gehalten, indem die Enden aus dem Rohrboden herausgeführt und dort von einem Widerlagerkörper fixiert sind. Hierbei werden rationell jeweils mehrere Reinigungselemente von einem Widerlager­ körper gehalten. In einer einfachen Ausführungsform kann der Widerlagerkörper durch einen Draht oder Stab gebildet werden, der haken- oder ösenartige Enden der Reinigungs­ elemente quer durchsetzt.

Die Reinigungselemente werden in einer solchen Eigenspan­ nung eingebaut, daß sie beim Betrieb des Abgaswärmetau­ schers durch die Strömung leicht zu einer Eigenschwingung anregbar sind.

Insgesamt ermöglicht die Erfindung einen kontinuierlichen Betrieb der Wärmetauscher. An den Rohrwänden abgelagerte Schmutzpartikel werden durch die Reinigungselemente wäh­ rend des Betriebs abgelöst und mit dem strömenden Medium ausgetragen. Stillstandszeiten bzw. Betriebsunterbrechun­ gen für Reinigungsarbeiten werden weitestgehend mini­ miert. Auch die häufig übliche Überdimensionierung von Wärmetauschern, um den sich während des Betriebs einstel­ lenden Leistungsrückgang infolge der Verschmutzungen aus­ zugleichen, ist nicht mehr erforderlich.

Auch wenn die kontinuierliche Abreinigungsmöglichkeit einer der wesentlichsten Vorteile der Erfindung ist, ist es selbstverständlich auch möglich, einen separaten Rei­ nigungsprozeß durchzuführen, bei dem beispielsweis ein Reinigungsgas für eine bestimmte Zeitdauer mit hoher Ge­ schwindigkeit durch den Wärmetauscher geführt wird.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand der in den Zeichnun­ gen dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 in perspektivischer Darstellungsweise, teil­ weise im Schnitt, einen Abgaswärmetauscher;

Fig. 2 im Längsschnitt ein Rohrbündel;

Fig. 3 einen vertikalen Querschnitt durch das Tau­ scherrohr der Fig. 2 entlang der Linie III- III;

Fig. 4 in der Draufsicht den Rohrboden einer weite­ ren Ausführungsform und

Fig. 5 im Längsschnitt einen Ausschnitt aus dem Rohrboden der Fig. 4.

Bei dem Abgaswärmetauscher gemäß Fig. 1 wird heißes Ab­ gas AG über den Eintrittsstutzen 1 und den Kammerkopf 2 durch ein Rohrbündel 3 geleitet. Austrittsseitig wird das Abgas AG über den Kammerkopf 4 und den Austrittsstutzen 5 entsorgt.

Das Rohrbündel 3 umfaßt eine Vielzahl von Tauscherrohren 6. Diese sind mittels Rohrböden 7, 8 beidseitig an die Kammerköpfe 2 und 4 angeschlossen. Das Rohrbündel 3 ist von einem Mantel 9 umgeben, welcher an den gegenüberlie­ genden Enden des Abgaswärmetauschers mit Stutzen 10 und 11 für die Zu- und Ableitung eines Tauschermediums, meist Wasser, versehen ist. Insbesondere bei hoch schmutzbela­ stetem Abgas kann es zu Ablagerungen an den Toträumen 12 des Rohrbodens 7 oder an den Innenflächen der Tauscher­ rohre 6 kommen.

Die Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch ein Rohrbündel 13 mit Tauscherrohren 14, die jeweils endseitig in Rohr­ böden 15, 16 gelagert sind. Weiterhin erkennt man Leit­ bleche 17 für das die Tauscherrohre 14 im Betrieb umspü­ lende Tauschermedium.

Jedes Tauscherrohr 14 wird von einer Reinigungsfeder 18 längs durchsetzt. Die Reinigungsfedern 18 sind im Rohr­ querschnitt R_Q frei schwingbar angeordnet (siehe auch Fig. 3). Endseitig sind die Reinigungsfedern 18 aus den Rohrböden 15, 16 herausgeführt und in Rohrplatten 19 und 20 gehalten. Die Rohrplatten 19, 20 stützen sich über Fe­ derelemente 21, 22 an den Rohrböden 15, 16 ab.

Das Abgas strömt mit einer Geschwindigkeit von 10 m/s bis 15 m/s durch den Abgaswärmetauscher. Durch die Strömung werden die Reinigungsfedern 18 dynamisch zu Schwingungen angeregt und stoßen hierbei an die Rohrinnenwände 23 bzw. schaben mit ihren Außenflächen an den Rohrinnenwänden 23 entlang.

Als Folge der Pulsation baut sich in einer Reinigungsfe­ der 18 eine Spannung auf, so daß es zu einer diskontinu­ ierlichen Bewegung der Rohrfeder 18 kommt. Hierdurch wird der Reinigungseffekt noch verbessert, so daß das ganze Tauscherrohr 14 auf seiner gesamten Länge abgereinigt werden kann. Durch die Kombination der Reinigungsfedern 18 mit den Rohrplatten 19, 20 und deren federnde Abstüt­ zung an den Rohrböden 15, 16 wird die Schabwirkung der Reinigungsfedern 18 weiter verbessert. Damit entsteht ein Vibrationssystem mit einer aperiodischen Bewegung. Auch dem Zusetzen der Toträume an den Rohrplatten 19, 20 und den Rohrböden 15, 16 kann so entgegengewirkt werden.

Die Fig. 4 zeigt einen Rohrboden 24, in dem in der Draufsicht die Tauscherrohre 25 zu erkennen sind. Jedes Tauscherrohr 25 wird von einem Reinigungselement 26 durchsetzt (siehe hierzu Fig. 5). Die Enden 27 der Rei­ nigungselemente 26 sind hakenartig ausgebildet. Mit den Haken 28 sind die Reinigungselemente 26 in Widerlagerstä­ ben 29 eingehangen, welche sich kopfseitig am Rohrboden 24 abstützen. Wie die Fig. 4 erkennen läßt, sind hierbei jeweils die Reinigungselemente von diagonal korrespondie­ renden Tauscherrohren 25 von einem Widerlagerstab gehal­ ten. Die Fig. 5 verdeutlicht nochmals, daß der Außen­ durchmesser D_A der Reinigungselemente kleiner ist als der Innendurchmesser D_I der Tauscherrohre 25.

Claims (3)

1. Wärmetauscher für strömende Medien mit zu einem Rohr­ bündel (3, 13) zusammengefaßten, in Rohrböden (7, 8, 15, 16, 24) gelagerten Rohren (6, 14, 25), welche in Längsrichtung von um die Rohrlängsachse gewundenen Einbauten durchsetzt sind, wobei die Einbauten als begrenzt elastische, im Rohrquerschnitt (R_Q) frei schwingbar angeordnete Reinigungselemente (18, 26) ausgebildet sind und mindestens an einer Seite einem Rohrboden (15, 16) eine sich gegen diesen federnd ab­ stützende Rohrplatte (19, 20) zugeordnet ist, an der die Reinigungselemente (18, 26) festgelegt sind.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reinigungsele­ ment (26) ein wendelförmiger Federkörper ist, dessen Außendurchmesser (D_A) kleiner als der Innendurchmes­ ser (D_I) eines Rohrs (25) ist.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reinigungsele­ mente (26) endseitig an einem Rohrboden (24) gehalten sind, wobei die Enden (27) der Reinigungselemente (26) aus dem Rohrboden (24) herausgeführt sind und mindestens gruppenweise von einem Widerlagerkörper (29) fixiert sind.