DE19650086C1

DE19650086C1 - Wärmeübertrager

Info

Publication number: DE19650086C1
Application number: DE1996150086
Authority: DE
Inventors: Hans Dr Ing Foerster
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-12-03
Filing date: 1996-12-03
Publication date: 1998-03-12
Anticipated expiration: 2016-12-04

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmeübertrager für kleine Flüssigkeits- und große Gas-/Dampf-Volumenströme mit zylindrischem Außenmantel als Druckkörper unter vorzugsweiser Verwendung gerader, außen hochberippter oder lamellierter Rohre mit Queranströmung und Kreuz-Gegenstrom-Führung der wärmeaustauschenden Ströme. Anwendbar sind solche Wärmeübertrager zum Beispiel zur Erhitzung und Nutzabkühlung von Luft und technischen Gasen einschließlich der Nutzung des Kältevorrates von Gas-/Dampfströmen, zur Nutzung von Abwärmeströmen bei geringen Temperaturdifferenzen unter Gegenstrombedingungen oder zur Abkühlung von Flüssigkeiten durch kalte Luft bzw. Kältemitteldämpfe.

Bekannt sind Ausführungen für Wärmeübertrager mit Zentralrohr, die einen Ringkanal oder zwei halbe Ringkanäle aufweisen, wonach die Gasphase den Apparat wieder ver läßt (Patent-Nr. DD 2 18 167 B1, DE 41 02 294 A1, DE 41 02 293 A1). Bei diesen Kon struktionen wird die Gasphase über das Zentralrohr zu- und abgeführt. Es ist deshalb erforderlich, das Trennblech für die Gasphase im Zentralrohr zu isolieren, um den unerwünschten Wärmetausch zwischen dem kalten und warmen Ende des gleichen Stromes zu vermeiden.

Prinzipiell gibt es 1/1-flutige Ausführungen und 2/2-flutige Konstruktionen (H. Förster, Proceedings of the IIR meeting 1990, Dresden, S. 447 und S. 448, Fig. 6 u. 7, Kälte u. Klimatechnik 11/1990, S. 744 u. S. 746). Bei den 1/1-flutigen Apparaten wird vom Gas- oder Dampfstrom eine ganze Kreisbahn absolviert, bei den 2/2-flutigen Ausführungen nur eine halbe Kreisbahn. Bei den 1/1-flutigen Apparaten tritt der Nachteil in Er scheinung, das das kalte und warme Ende der Gasphase an einer Stelle des Apparatemantels zusammenstößt und am Mantel Wärmespannungen verursacht. Zur Begrenzung der Wärmespannungen ist die Temperaturdifferenz der Gasphase zwischen kaltem und warmen Ende zu beschränken. 1/1-flutige Ausführungen haben aber den Vorteil längerer Strömungswege für die Wärmeübertragung.

Die Zweiflutigkeit hat zwar den Vorteil geringer Druckverluste und geringer Wärmespannungen, ist aber wegen des kurzen Kontaktweges nur für mäßige Temperaturdifferenzen für die Abkühlung oder Aufheizung der Gas-/Dampfströme geeignet. Mehrkanal-Ausführungen sind mit den oben genannten Konstruktionen nicht möglich, weil die Gaszu- und -abführung über das gleiche Zentralrohr erfolgt. Diese Ausführungen sind nur für relativ große Gas-/Dampfströme (< 2000 m³/h) einsetzbar. Die Aufteilung der Rohre auf den verfügbaren Querschnitt erweist sich bei diesen Ausführungen als schwierig und läßt Wünsche offen. Das ergibt sich aus den mit dem Radius des Rohrspiegels veränderlichen Platzverhältnissen, die unterschiedliche Rohrteilungen in den verschiedenen Durchmesserbereich bedingen und die platzsparende Unterbringung von gleichgroßen Rohren in den inneren Zonen erschweren.

Bekannt sind ferner Mehrkanal-Ausführungen (DE 196 01 579 A1), wobei schmale Kanäle verwendet werden und die Kanalhöhe jeweils durch die Abmessungen eines Rippenrohres bzw. Lamellenrohres bestimmt wird. Diese Bauart eignet sich sehr gut für Gas-/Dampfströme < 2000 m³/h bis < 50 m³/h. Wegen der geringen Kanalhöhe ist der Gas- bzw. Dampfdurchsatz begrenzt. Allerdings ist die Länge der Strömungskanäle durch Reihenschaltung der Ringkanäle groß und deshalb ist diese Bauart auch für große Temperaturdifferenzen in der Gasphase prädestiniert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeübertrager für den Wärmetausch Gas-Flüssigkeit mit Kreuz-Gegenstromführung der wärmetauschenden Stoffströme anzugeben, der

- für große Volumenströme der Gasphase und gleichzeitig kleine Volumenströme der flüssigen Phase geeignet ist,
- große Temperaturdifferenzen des Gas-Dampfstromes durch lange Strömungskanäle ermöglicht,
- große Wärmespannungen am Apparatemantel vermeidet,
- eine kompakte Ausführung durch optimale Ausnutzung des Querschnittangebotes in einem Rohrbündelapparat mit zylindrischem Mantel zuläßt sowie
- mit langen und hochberippten oder lamellierten Rohren auf der Gas- bzw. Dampfseite arbeitet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Wärmeübertrager gelöst, der die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist. Das bedeutet, daß die Gas-Dampfphase in an sich bekannter Weise quer zu den Rippen- oder Lamellenrohren durch Ringkanäle strömt, aber mindestens zwei Ringkanäle in radialer Richtung in Reihe geschaltet sind, davon jeweils ein 1/1-flutiger mit großer Kanalhöhe und großer Rohrzahl pro Zug und ein 2/2-flutiger Ringkanal, mit halber oder annähernd halber Kanalhöhe und Rohrzahl pro Zug der Flüssigkeitsströmung sowie halber Kanallänge, wobei die Zentralrohre über Öffnungen mit den Ringkanälen verbunden sind, die Ringkanäle untereinander über Öffnungen im Leitmantel in Verbindung stehen und der äußere Ringkanal über mehrere Gasaustrittsstutzen mit dem Sammler verbunden ist. Die 2/2-flutigen Ringkanäle sind wahlweise innen, mittig oder außen angeordnet.

Durch die Halbierung der Kanalhöhen und der Rohrzahlen pro Strömungszug der Flüssigkeit bei 2/2-flutigen Ringkanälen ist die Gasgeschwindigkeit im inneren und äußeren Ringkanal annähernd gleich, ebenso die Flüssigkeitsgeschwindigkeit in den Rohren. Die Aufteilung der Rohre in den beiden Kanälen wird unabhängig voneinander optimiert.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird im inneren und äußeren Ringkanal die maximale Rohrzahl angestrebt, wobei der Platz zwischen Zentralrohr und äußerem Ringkanal besser nutzbar ist als bei Konstruktionen mit gleicher Kanalhöhe und beiderseits gleicher Flutigkeit.

Der 2/2-flutige Ringkanal kann sowohl innen als auch außen angeordnet werden. Die äußere Anordnung hat den Vorteil, daß am Mantel örtlich keine größeren Wärme spannungen entstehen. Die Kombination mit einem 1/1-flutigen Ringkanal sichert dennoch lange Strömungskanäle und damit große Temperaturdifferenzen zwischen Ein- und Austritt der Gasphase.

Umgekehrt wird durch die Vorschaltung eines 2/2-flutigen Ringkanals innen die Wärme spannung am Außenmantel abgebaut und bei 1/1-flutigem Ringkanal die Aufteilung der Rohre auf den verfügbaren Querschnitt erleichtert.

Durch die Kombination 1/1- und 2/2-flutiger Ringkanäle ergeben sich überraschende Optimierungsmöglichkeiten zur kompakten Gestaltung der Apparate. Das gilt auch dann, wenn die Anzahl der 2/2-flutigen Ringkanäle < 1 ist.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert werden. Dabei zeigt

Fig. 1 einen Radialschnitt durch den gasdurchströmten Teil des vorschlagsgemäßen Wärmeübertragers mit zwei Ringkanälen, wobei der 1/1-flutige Ringkanal außen angeordnet ist.

Fig. 2 einen Radialschnitt durch den gasdurchströmten Teil des vorschlagsgemäßen Wärmeübertragers mit drei Ringkanälen, wobei zwei 2/2-flutige Ringkanäle innen angeordnet sind.

Fig. 3 einen Radialschnitt durch den gasdurchströmten Teil des vorschlagsgemäßen Wärmeübertragers mit zwei Ringkanälen, wobei der 2/2-flutige Ringkanal außen angeordnet ist.

An den beiden Enden des Rohrbündelapparates sind Vorkammern angeordnet mit ringförmigen und radialen Kammerstegen, über die die flüssige Phase innen auf eine bestimmte Anzahl der Rohre eines Kanals unter Wahrung des Gegenstromprinzips verteilt wird. Diese Vorkammern sind im Prinzip bekannt, so daß ein Axialschnitt nicht dargestellt wurde.

Der vorschlagsgemäße Wärmeübertrager wird bevorzugt mit "festen Böden" ausgeführt.

Das gas-dampfförmige Medium wird vorzugsweise über einen axialen Gasaustrittsstutzen und das Zentralrohr 1 zugeführt und strömt über Öffnungen 2 des Zentralrohrs 1 in den inneren Ringkanal 3 ein, in dem hochberippte oder lamellierte Rohre 4 angeordnet sind. Ist dieser innere Ringkanal 3 2/2-flutig, wie in Fig. 1 und 2 dargestellt, dann strömt die Gasphase nach beiden Seiten in die vorhandenen halben Ringkanäle ein, vereinigt sich an deren Enden wieder und tritt über Öffnungen 5 in den nächsten Ringkanal in radialer Richtung über. Ist dieser wieder 2/2-flutig gestaltet, wie in Fig. 2 dargestellt, so wiederholt sich der beschriebene Vorgang. Ist der nachfolgende Ringkanal 6 1/1-flutig ausgeführt, wie in Fig. 1 dargestellt, dann strömt die Gasphase über die Öffnung 5 des Leitmantels 7 in den Ringkanal 6 ein, der wegen der Einflutigkeit dieses Ringkanals nur in einer Richtung durch die Gasphase durchströmt wird.

Der innere und äußere Ringkanal sind durch einen Leitmantel 7 getrennt, der bei Ausführung nach Fig. 1. und Fig. 2 bevorzugt am äußeren Ende eine Isolierung 13 enthält, die den unerwünschten Wärmetausch zwischen dem Gas-Dampf-Strom in den beiden Ringkanälen bremst und den Übergangsbereich der Temperaturen am Apparatemantel 14 unter Abbau von Temperaturspannungen erweitert. Der Gasstrom verläßt den äußeren Ringkanal 6 über mehrere Gasaustrittsstutzen 8 und den Sammler 9.

Ist der innere Ringkanal 3 1/1-flutig, wie in Fig. 3 dargestellt, dann strömt die Gas phase nur in einer Richtung des vollen Ringkanals und tritt über Öffnungen 5 des Leit mantels 7 in den äußeren Ringkanal 6 über, der 2/2-flutig gestaltet ist und damit am Apparatemantel 14 keine schroffen Temperaturgegensätze und damit keine größeren Wärmespannungen zuläßt, so daß Isolierungen 13, wie in Fig. 1 u. 2 dargestellt, entfallen können. Der Gasstrom verläßt den äußeren Ringkanal 6 über mehrere Gasaustrittsstutzen 8 und den Sammler 9.

Die Ausführung eines dritten Ringkanals 10 wie in Fig. 2 dargestellt, empfiehlt sich dann, wenn kleinere Volumenströme der Gasphase geringere Abmessungen des zentralen Gasaustrittsstutzens und des Zentralrohres 12 zulassen und der gewonnene Platz für eine Erweiterung der Berohrung zur Verfügung steht. Das innere Zentral rohr 12 enthält Öffnungen 11 für den Übertritt der Gasphase in den inneren, dritten Ringkanal 10.

Bezugszeichenliste

1 Zentralrohr
2 Öffnungen des Zentralrohrs
3 innerer Ringkanal
4 hochberippte oder lamellierte Rohre
5 Öffnungen im Leitmantel
6 äußerer Ringkanal
7 Leitmantel
8 Gasaustrittsstutzen
9 Sammler
10 weiterer 2/2-flutiger Ringkanal
11 Öffnung Zentralrohr
12 Zentralrohr
13 Isolierung
14 Apparatemantel.

Claims

1. Wärmeübertrager für den Wärmetausch Gas-Flüssigkeit mit Kreuz-Gegenstrom- Führung der wärmetauschenden Stoffströme für große Gas-/Dampf-Volumenströme und kleine Volumenströme der Flüssigkeit, wobei die Gasphase in an sich bekannter Weise quer zu hochberippten oder lamellierten Rohren in konzentrischen Ringkanälen strömt, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Ringkanäle (3), (6) in radialer Richtung in Reihe geschaltet sind, davon jeweils ein 1/1-flutiger mit großer Kanalhöhe und großer Rohrzahl pro Zug und ein 2/2-flutiger Ringkanal mit halber oder annähernd halber Kanalhöhe und Rohrzahl pro Zug der Flüssigkeitsströmung sowie halber Kanallänge, wobei die Zentralrohre (1), (12) über Öffnungen (2), (11) mit den Ringkanälen (3), (10) verbunden sind, die Ringkanäle (3), (10) untereinander über Öffnungen (5) im Leitmantel (7) in Verbindung stehen und der äußere Ringkanal (6) über mehrere Gasaustrittsstutzen (8) mit dem Sammler (9) verbunden ist.

2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die 2/2-flutigen Ringkanäle zwischen Zentralrohr (1), (12) und Apparatemantel (14) innen, mittig oder außen angeordnet sind.

3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Beginn und Ende des äußeren Ringkanals (6) bei 1/1-flutiger Gestaltung eine Iso lierung (13) vorgesehen und das Ende des Leitmantels (7) gegenüber dem Apparate mantel (14) gedichtet ist.