DE19546002C2

DE19546002C2 - Doppelrohrwärmetauscher

Info

Publication number: DE19546002C2
Application number: DE1995146002
Authority: DE
Inventors: Geb Astalosch Kuehn
Original assignee: Renzmann and Gruenewald GmbH
Current assignee: Kelvion Machine Cooling Systems GmbH
Priority date: 1995-12-09
Filing date: 1995-12-09
Publication date: 1998-06-04
Anticipated expiration: 2015-12-10
Also published as: DE19546002A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs 1.

Wärmetauscher erfüllen vielfältige Aufgaben bei der Rück gewinnung von Wärme bzw. der Kühlung von Prozeßmedien in unterschiedlichsten technischen Bereichen.

Rohrbündelwärmetauscher werden hierbei für fast alle gas förmigen und flüssigen Medien innerhalb eines sehr großen Temperatur- und Druckbereichs verwendet. An die Leistung der Wärmetauscher werden hohe Ansprüche gestellt, da man bestrebt ist, auf kleinstem Raum möglichst große Wärme mengen zu übertragen.

Nachteilig auf die Leistung eines Wärmetauschers machen sich Ablagerungen oder Verkrustungen an den Innenflächen der Tauscherrohre bemerkbar. Verkrustungen fördern auch die Korrosion und verkürzen somit die Lebensdauer eines Wärmetauschers. Insbesondere beim Betrieb der Wärmetau scher mit Abgasen aus Verbrennungsprozessen, beispiels weise den Abgasen von Dieselmotoren, kann es mit zuneh mender Betriebsdauer zu einem Leistungsabfall kommen. In den Abgasen befinden sich unbrennbare Aschepartikel ebenso wie brennbare Rückstände. Durch eine unvollstän dige Verbrennung entstehen Ruß und schwer entzündbare Kohlenwasserstoffe, die sich an den Innenflächen der Tau scherrohre ablagern können. Hierdurch erhöhen sich die Druckverluste und die Wärmeübertragung wird vermindert.

Nach relativ kurzer Betriebsdauer ist es daher erforder lich, den Wärmetauscher einer intensiven mechanischen oder chemischen Reinigung zu unterziehen. Zur Reinigung muß die Anlage jedoch außer Betrieb gesetzt werden, so daß unerwünschte Stillstandszeiten entstehen. Darüber hinaus ist zusätzlicher Arbeits- und Zeitaufwand für die Reinigung notwendig.

Die Doppelrohrtechnik ist im Wärmetauscherbau allgemein bekannt, beispielsweise aus der DE 32 15 601 C2. Im Ge gensatz zu konventionellen einwandigen Rohrbündelwärme tauschern kommen hier Doppelrohre mit einem Innenrohr und einem Außenrohr zum Einsatz. Zum Zwecke einer guten Wär meübertragung liegen Innenrohr und Außenrohr unter Aus bildung von Längskanälen metallisch aneinander an. Tritt eine Leckage des Innenrohrs auf, kann das Leckagemedium über die Längskanäle einem Leckagesammler zugeführt wer den, ohne daß es zu einer Umweltbelastung kommt.

Diese Ausführung der Wärmetauscher bietet eine betriebs technische Sicherheitserhöhung und hat sich bewährt. Eine Abreinigung der Innenflächen der Tauscherrohre ohne den Betrieb zu unterbrechen ist jedoch auch bei diesen Wärme tauschern nicht möglich.

Durch die DE 37 15 712 C1 zählt ein Wärmetauscher zum Kühlen von Spaltgas zum Stand der Technik. Bei dieser Konstruktion sollen thermische Spannungen, insbesondere im Bereich des gaseintrittsseitigen Rohrbodens, vermieden werden. Hierzu sind die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums erhöhende Durchströmöffnungen vorgesehen, deren Querschnitt so bemessen ist, daß sich in ihnen eine deutlich höhere Geschwindigkeit des Kühlmediums ergibt als in der Einströmkammer.

Desweiteren ist jedes Wärmetauscherrohr als Doppelrohr ausgebildet mit einem gas führenden Innenrohr, welches unter Bildung eines Ringspalts von einem Außenrohr umgeben ist. Die Außenrohre sind mit Durchtrittsöffnungen versehen und dienen sowohl der Führung eines Kühlmediums als auch der Halterung der Rohrböden gegeneinander. Durch die Durchtrittsöffnungen kann das Kühlmittel aus dem Ringspalt in den von dem Mantel umschlossenen Innenraum des Wärmetauschers ausströmen und abgeführt werden.

Ferner ist durch die US 3 400 754 ein Wärmetauscher bekannt mit einem Hilfsflüssigkeitskreislauf. Die Hilfsflüssigkeit wird in einem Reservoir bevorratet, welches von den Wärmetauscherrohren durchsetzt wird. Über Öffnungen am eintrittsseitigen Ende der Wärmetauscherrohre tritt die Hilfsflüssigkeit in die Wärmetauscherrohre ein. Hier wird sie vom strömenden Medium mitgerissen, so daß sich ein dünner Film an der Innenseite der Wärmetauscherrohre ausbildet. Dieser Film soll verhindern, daß sich Ablagerungen an den Rohrinnenwänden bilden. Über Austrittsöffnungen am anderen Ende der Wärmetauscherrohre wird die Hilfsflüssigkeit aus den Wärmetauscherrohren abgezogen.

Der Erfindung liegt daher ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher dahingehend zu verbessern, daß eine kontinuierliche Abreinigung der In nenflächen der Tauscherrohre während des Betriebs vor nehmbar ist, eine gute und schonende Reinigung erfolgt und insgesamt der Reinigungsaufwand verringert wird.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in den im Anspruch 1 aufgeführten Merkmalen.

Danach werden jetzt bei einem Wärmetauscher Doppelrohre eingesetzt, bei denen zwischen Außenrohr und Innenrohr mindestens ein längskanalisierender Spalt vorhanden ist. Das Innenrohr verfügt über Öffnungen, die mit diesem Spalt in Kontakt treten, so daß von außen ein Reinigungs medium über den Spalt und die Öffnungen in das Innenrohr einleitbar ist.

Das Reinigungsmedium wird unter einem höheren Druck als dem im Innenrohr herrschenden Druck zugeführt und verwir belt beim Eintritt in das Innenrohr. Hierdurch kommt es zu einem Aufreißen der Grenzschicht im Bereich der Rohrinnenwand, so daß das Festsetzen oder Ablagern von Schmutzpartikeln verhindert wird. Unter Umständen vorhan dene Ablagerungen werden abgerissen. Möglichen Korrosio nen an den Tauscherrohren wird vorgebeugt.

Grundsätzlich kann ein Spalt für die Zuführung des Reini gungsmediums genügen. Zweckmäßig erstreckt sich dieser dann wendelförmig entlang des Innenrohres. Eine für die Praxis besonders gut geeignete Lösung besteht jedoch darin, mehrere auf dem Umfang verteilt angeordnete Längskanäle vorzusehen. Die Längskanäle sind auf dem in neren Umfang des Außenrohrs angeordnet. Innenrohr und Au ßenrohr sind dann so zusammengefügt, daß die Öffnungen des Innenrohres mit den Längskanälen kommunizieren.

Die Reinigungsmedien können gasförmig oder flüssig sein. In verschiedenen Anwendungsfällen kann Luft als Reini gungsmedium genügen. Für die Beseitigung bzw. Verhinde rung von rußförmigen Verschmutzungen ist beispielsweise Wasserdampf als Schmutzlöser gut geeignet.

Die Öffnungen im Innenrohr können rund, oval, dreieckig, mehreckig oder schlitzförmig ausgebildet sein. Der Durch messer und die Anzahl der Öffnungen wird entsprechend so auf die Betriebsparameter abgestimmt, daß der Druckver lust im Innenrohr in betriebstechnisch vertretbaren Grö ßen gehalten wird.

Nach den Merkmalen des Anspruchs 2 erfolgt die Einleitung des Reinigungsmediums ventilgesteuert in Abhängigkeit von den Betriebsparametern. Die Zuführung des Reinigungsmedi ums kann dabei kontinuierlich oder in bestimmten zeitli chen Intervallen vorgenommen werden. Auch der Druck, mit dem das Reinigungsmedium zugeführt wird, kann in Abhän gigkeit vom Einsatzfall unterschiedlich sein. Zweckmäßi gerweise werden die Parameter, wie Zeitpunkt der Einlei tung, Zeitdauer, Menge und Druck, durch eine speicherpro grammierbare Steuerung korriliert.

Eine für die Praxis besonders gut geeignete Ausführungs form ist in Anspruch 3 charakterisiert. Danach kommt ein Wärmetauscher zum Einsatz, der über zwei doppellagige Rohrböden verfügt. Die Außenrohre sind hierbei in den in neren Rohrbödenlagen und die Innenrohre in den äußeren Rohrbödenlagen festgelegt. Zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr sind Längskanäle ausgebildet, die in den Freiraum zwischen den Rohrbödenlagen münden. Die Längskanäle werden bei der Herstellung des Doppelrohres ausgebildet. Dafür verfügt das Außenrohr auf seinem inne ren Umfang über eine Vielzahl von Längsnuten. Die wärme leitende metallische Verbindung der Außenrohre mit den Innenrohren wird nach dem Zusammenstecken hergestellt. Hierzu wird entweder der Durchmesser des Außenrohres ver ringert oder das Innenrohr aufgeweitet. Bewährt hat sich die Aufweitung des Innenrohres, da diese Maßnahme selbst dann noch durchgeführt werden kann, wenn der Wärmetau scher schon teilweise zusammengebaut ist.

Die Öffnungen im Innenrohr für das Reinigungsmedium sind symmetrisch über den Umfang des Innenrohrs verteilt und als Lochreihen so angeordnet, daß sie sich jeweils mit einem Längskanal decken. Über den Freiraum zwischen den Rohrbödenbogen erfolgt die Versorgung mit dem Reinigungs medium.

Eine vorteilhafte Ausführungsform wird darin gesehen, die Lochreihen jeweils um 45° zu versetzen, so daß irisgesamt acht Lochreihen symmetrisch auf den Umfang des Innenrohrs vorgesehen sind. Durch eine betriebsorientierte Auslegung des Abstandes zwischen den einzelnen Öffnungen wird ge währleistet, daß der Druckverlust des durch das Innenrohr strömenden Mediums gering bleibt.

Die Zuführung des Reinigungsmediums erfolgt besonders vorteilhaft über eine in einem Rohrboden ausgebildete Leitung, die den Kontakt zum Freiraum zwischen den Rohr bödenlagen herstellt, wie dies Anspruch 4 vorsieht.

Insgesamt ermöglicht die erfindungsgemäße Lösung eine Ab reinigung der Innenrohre während des Betriebes. So kann ein gleichbleibend guter Wärmeübergang sichergestellt werden. Auch die Lebensdauer eines Wärmetauschers wird erhöht.

Die Wartungs- und Stillstandskosten lassen sich erheblich reduzieren. Investitionen für zusätzliche Reini gungseinrichtungen können eingespart werden.

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher kann sowohl in Fällen eingesetzt werden, bei welchen entweder beide Tauscherme dien Flüssigkeiten bzw. Gase sind oder das eine Medium flüssig und das andere Medium gasförmig ist.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in den Zeich nungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher be schrieben. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellungsweise im vertikalen Längsschnitt eine Hälfte eines Wärmetauschers mit einem Rohrbündel aus Doppelrohren;

Fig. 2 ebenfalls im vertikalen Längsschnitt einen Ausschnitt aus einem Rohrboden;

Fig. 3 im vertikalen Querschnitt ein Außenrohr;

Fig. 4 einen vertikalen Querschnitt durch ein Innenrohr und

Fig. 5 eine Ansicht auf einen Ausschnitt der Fig. 4 gemäß dem Pfeil V.

In Fig. 1 ist ein Abgaswärmetauscher 1 im Schema hin sichtlich seiner relevanten Bauteile dargestellt. Der Ab gaswärmetauscher 1 besitzt im Abstand voneinander ange ordnete doppellagige Rohrböden 2, 3, zwischen denen sich innerhalb eines Gehäuses 4 ein Rohrbündel 5 aus ineinan dergesteckten Doppelrohren 6 erstreckt. Die Innenrohre 7 sind an den äußeren Rohrbödenlagen 8, 9 befestigt, welche an die Endkammern 10, 11 angrenzen, während die Außen rohre 12 an den den Endkammern 10, 11 abgewandten inneren Rohrbödenlagen 13, 14 befestigt sind.

Abgas strömt gemäß den Pfeilen A über einen Stutzen 15 in die Endkammer 10, die durch eine Wand 16 geteilt ist und tritt in die Innenrohre 7 ein. Das Abgas strömt dann durch die Innenrohre 7 bis zur gegenüberliegenden nicht unterteilten Endkammer 11, wird hier gemäß den Pfeilen B umgelenkt, strömt über hier nicht dargestellte Innenrohre zurück und wird dann zur Entsorgung geleitet.

Bei einer in der Praxis ebenfalls häufig eingesetzten, hier aber nicht im Detail beschriebenen Ausführungsform erfolgt keine Umlenkung des Abgases in der Endkammer 11. Der Gasaustritt erfolgt dann über die Endkammer 11. Eine Unterteilung der Endkammer 10 durch die Wand 16 ist bei dieser Ausführungsform nicht erforderlich.

Das andere Tauschermedium tritt gemäß dem Pfeil C über einen radial an das Gehäuse 4 angesetzten Stutzen 17 in das Gehäuse 4 ein, umspült die Außenrohre 12 des Rohrbün dels 5 gemäß den Pfeilen D und tritt am anderen Ende des Gehäuses 4 über einen ebenfalls radial an das Gehäuse 4 angesetzten Stutzen 18 gemäß dem Pfeil E wieder aus.

Zwischen den Außenrohren 12 und den Innenrohren 7 sind Längskanäle 19 vorgesehen, die in die Spalte 20, 21 zwi schen den beiden Rohrbödenlagen 8, 13; 9, 14 eines jeden Rohrbodens 2, 3 münden. Der Spalt 20 des Rohrbodens 2 ist über eine Leitung 22 an eine nicht näher dargestellte Versorgung für ein Reinigungsmedium RM angeschlossen.

In den Innenrohren 7 sind in regelmäßigen Abständen ver teilt Öffnungen 23 angeordnet, die mit den Längskanälen 19 kommunizieren. Auf diese Weise kann das Reinigungsme dium RM über die Leitung 22, den Spalt 20, die Längskanäle 19 und die Öffnungen 23 während des Betriebs in die Innenrohre 7 geleitet werden. Hier verwirbelt das Reinigungsmedium, wodurch die Ablagerung von Schmutzpar tikeln, wie Ruß, an den Innenflächen der Innenrohre 7 verhindert wird. Damit kann der Abgaswärmetauscher 1 kon tinuierlich betrieben werden bei einem gleichbleibend guten Wärmeübergang.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus einem Rohrboden 24 mit den beiden Rohrbodenlagen 25 und 26. Das Innenrohr 27 ist mit seinem Endabschnitt 28 in der Rohrbodenlage 25 einge walzt, wohingegen das Außenrohr 29 mit seinem Endab schnitt 30 in der Rohrbodenlage 26 festgelegt ist. An der Rohrbodenlage 26 ist weiterhin der Gehäusemantel 31 ange schweißt.

Zwischen der Rohrbodenlage 25 und der Rohrbodenlage 26 ist ein Freiraum 32 ausgebildet. Dieser kann über die Leitung 33 und den Ringspalt 34 mit einem Reinigungsme dium RM beschickt werden. Das Reinigungsmedium RM ver teilt sich über die zwischen dem Außenrohr 29 und dem In nenrohr 27 ausgebildeten Längskanäle 35, 36 und kann über die Öffnungen 37 in das Innenrohr 27 eindringen. Durch die Eindrehung eines Ringspaltes 38 in der Rohrbodenlage 25 ist gewährleistet, daß das Innenrohr 27 auch im Be reich des Endabschnitts 28 mit Reinigungsmedium beauf schlagt werden kann. Somit erfolgt eine Reinigung der In nenflächen 39 des Innenrohrs 27 auf dessen gesamter Länge.

Beim Eintritt des Reinigungsmediums RM in das Innenrohr 27 wird die Grenzschicht zwischen dem Prozeßmedium PM und den Innenflächen 39 aufgerissen, so daß Ablagerungen ver hindert werden. Die Anzahl der Öffnungen 37, deren Ab stand zueinander sowie deren Form und Ausbildung und der Druck des Reinigungsmediums sind so aufeinander abge stimmt, daß sich einerseits nur ein geringfügiger Druck verlust des Prozeßmediums PM einstellt und sich anderer seits die gewünschte Reinigungswirbelströmung entlang der Innenflächen 39 ergibt.

Die Fig. 3 bis 5 lassen den Aufbau eines Doppelrohrs näher erkennen. Die Längskanäle 40 werden durch innensei tig des Außenrohrs 41 ausgeformte Längsrippen 42 gebil det, die in Umfangsrichtung gleichmäßig zueinander ver setzt angeordnet sind. Die wärmeleitende metallische Ver bindung des Außenrohrs 41 mit dem Innenrohr 43 wird nach dem Zusammenstecken von Außenrohr 41 und Innenrohr 43 da durch erreicht, daß der Durchmesser D_I des Innenrohrs 43 aufgeweitet wird. Die Längsrippen 42 stehen dann in einem metallischen Kontakt mit der äußeren Oberfläche 44 des Innenrohrs 43.

Die Längskanäle 40 können grundsätzlich aber auch durch außenseitig des Innenrohrs 43 angeformte Längsrippen ge bildet sein.

Symmetrisch über den Umfang des Innenrohrs 43 verteilt sind Bohrungen 45 angeordnet. Im dargestellten Beispiel beträgt der Winkel α 45° und der Durchmesser D_B 0,5 mm. In Längsrichtung des Innenrohrs 43 sind die Bohrungen 45 mit einem Abstand X zueinander angeordnet und bilden so Lochreihen 46, welche jeweils mit einem Längskanal 40 medienleitend korrespondieren.

Bezugszeichenliste

1

Abgaswärmetauscher

2

Rohrboden

3

Rohrboden

4

Gehäuse

5

Rohrbündel

6

Doppelrohr

7

Innenrohr

8

äußere Rohrbodenlage

9

äußere Rohrbodenlage

10

Endkammer

11

Endkammer

12

Außenrohr

13

innere Rohrbodenlage

14

innere Rohrbodenlage

15

Stutzen

16

Wand

17

Stutzen

18

Stutzen

19

Längskanal

20

Spalte

21

Spalte

22

Leitung

23

Öffnung in

7

24

Rohrboden

25

Rohrbodenlage

26

Rohrbodenlage

27

Innenrohr

28

Endabschnitt von

27

29

Außenrohr

30

Endabschnitt von

29

31

Gehäusemantel

32

Freiraum

33

Leitung

34

Ringspalt

35

Längskanal

36

Längskanal

37

Öffnung in

27

38

Ringspalt

39

Innenfläche von

27

40

Längskanäle

41

Außenrohr

42

Längsrippe

43

Innenrohr

44

äußere Oberfläche von

4.3

45

Bohrung

46

Lochreihe
A Pfeil
B Pfeil
C Pfeil
D Pfeil
E Pfeil
RM Reinigungsmedium
PM Prozeßmedium
Di Durchmesser von

43

α Winkel
D_B

Durchmesser von

45

Claims

1. Wärmetauscher mit einem sich zwischen zwei Rohrböden (2, 3) erstreckenden Rohrbündel (5) aus Doppelrohren (6), wobei jedes Doppelrohr (6) ein Außenrohr (12) und ein Innenrohr (7) umfaßt, welche unter Ausbildung mindestens eines längskanalisierten Spalts (19) zu einander distanziert sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr (7) über mit einem Spalt (19) kommunizierende Öffnungen (23) verfügt und ein Reinigungsmedium (RM) dem Innen rohr (7) über den Spalt (19) und die Öffnungen (23) von außen zuführbar ist.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einleitung des Reinigungsmediums (RM) ventilgesteuert in Abhängig keit von den Betriebsparametern erfolgt.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2 mit zwei doppel lagigen Rohrböden (2, 3, 24), wobei die Außenrohre (12, 29, 41) mit ihren beiden Endabschnitten in die den Wärmetauscherendkammern (10, 11) abgewandten inneren Rohrbödenlagen (13, 14, 26) und die Innenrohre (7, 27, 43) in die an die Wärmetauscherendkammern (10, 11) angrenzenden äußeren Rohrbödenlagen (8, 9, 25) festgelegt sind und die Außenrohre (12, 29, 41) durch auf deren innerem Umfang verteilt angeordnete Längs rippen (42) unter metallischer Anlage zu den Innen rohren (7, 27, 43) distanziert und zwischen den Längs rippen (42) Längskanäle (19, 35, 36, 40) ausgeformt sind, welche in einen Freiraum (20, 21, 32) zwischen den Rohrbödenlagen (8, 13; 9, 14; 25, 26) münden, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (23, 37, 45) in symmetrisch über den Umfang des Innenrohrs (7, 27, 43) verteilten parallel zu den Längskanälen (19, 35, 36, 40) verlaufenden Lochreihen (46) angeordnet sind.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Reinigungsmedium (RM) über eine in einem Rohrboden (2, 24) ausgebil dete, den Freiraum (20, 32) kontaktierende Leitung (22, 33) zuführbar ist.