DE19721927C1 - Wärmetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit bündel­ artig zusammengefaßten, mit ihren Enden in Rohrböden ge­ lagerten Rohren, in denen zwecks Reinigung von Ablagerun­ gen sich in Längsrichtung erstreckende Reinigungsfedern angeordnet sind.

Bei der Rückgewinnung von Wärme, beispielsweise aus Ab­ gas, bzw. der Kühlung von Abgas kommen Rohrbündelwärme­ tauscher in kompakter Bauweise zum Einsatz. Die Rohrbün­ del 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 Tauschermedium, meist Wasser, geführt wird.

An die Leistung der Wärmetauscher werden hohe Ansprüche gestellt. Bereits bei der Auslegung der Wärmetauscher ist man daher bestrebt, alle Faktoren, welche die Qualität und Leistung negativ beeinflussen können, zu minimieren.

Problematisch gestaltet sich sowohl die Auslegung der Wärmetauscher als auch deren Betrieb, wenn ein Medium mit hohem Schmutzanteil durch den Wärmetauscher geführt wer­ den muß. Hier kommt es zu einer Verschmutzung der Rohre, wodurch sich der Wärmeübergang vom Medium an die Rohrwand erheblich verschlechtert. Desweiteren steigt der Druck­ verlust mit zunehmender Betriebsdauer. Die vorgegebenen Ausgangstemperaturen können dann nur noch bedingt er­ reicht werden. Als Folge der Verschmutzung sinkt der Ge­ samtwirkungsgrad. Die Verschmutzung fördert darüberhinaus die Korrosion und verkürzt die Lebensdauer eines Wärme­ tauschers. Hohe Wartungskosten und unter Umständen lange Stillstandszeiten der Anlage können die Folge sein.

Üblich ist es, die Rohrbündel in bestimmten Reinigungs­ intervallen manuell zu reinigen. Die Wärmetauscher werden hierzu stillgelegt, geöffnet und entsprechend gewartet. Das Reinigungsergebnis ist hierbei sehr gut, jedoch ist der Reinigungsaufwand hoch. Darüberhinaus ist eine Unter­ brechung des Betriebs der Anlage unvermeidlich.

Durch die DE 29 35 701 A1 zählt eine Vorrichtung zum Ab­ kratzen von Ablagerungen an den Innenflächen von Wärme­ tauscherrohren zum Stand der Technik. Hierbei sind Schraubenfedern im Innern der Rohre angeordnet. Die Schraubenfedern sind mit einem Ende an einer Platte be­ festigt, die mit einem Antrieb für eine hin- und herge­ hende und eine drehende Bewegung verbunden ist. Aufwendig und im Betrieb schwierig gestaltet sich insbesondere die Abdichtung des außen angeordneten Antriebs zum unter Druck und bei hohen Temperaturen arbeitenden Wärmetau­ scher. Wegen ihrer Anfälligkeit führt die Abdichtung häu­ fig zum Ausfall des Wärmetauschers.

Auch kann der außen angeordnete Antrieb die Integration des Wärmetauschers innerhalb einer industriellen Anlage erschweren.

Bei der durch die US 48 25 940 bekannten Vorrichtung zur Reinigung von Wärmetauscherrohren im Betrieb sind Reini­ gungsfedern in diesen angeordnet, welche durch die Injek­ tion von Druckgas in die Wärmetauscherrohre in Schwingun­ gen versetzt werden sollen. Diese Vorgehensweise ist je­ doch anlagen- und steuerungstechnisch aufwendig.

Der Erfindung liegt daher ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher mit einer Ab­ reinigung der Rohre während des Betriebs anlagentechnisch zu verbessern.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß in den Merkmalen des Anspruchs 1.

Danach werden die Rohre in Längsrichtung von Reinigungs­ federn durchsetzt, die an einem Ende aus den Rohren her­ ausgeführt und an einer im Wärmetauschergehäuse angeord­ neten Anschlagplatte festgelegt sind. Die Anschlagplatte dient zugleich der Befestigung von in das Wärmetauscher­ gehäuse integrierten und sich an einem Rohrboden abstüt­ zenden Kolben-Zylinder-Einheiten. Kernpunkt der Erfindung bildet die Maßnahme, den Antrieb für die Fremderregung der Reinigungsfedern im Wärmetauschergehäuse vorzusehen.

Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Wärmetau­ schers besteht darin, daß keine zusätzliche aufwendige Abdichtung für den Antrieb der Reinigungsfedern zur Umge­ bung erforderlich ist. Da die Kolben-Zylinder-Einheiten im druckbeaufschlagten Wärmetauschergehäuse integriert sind, ist lediglich eine druckfeste Versorgungsleitung für die zur Bewegung der Kolben erforderliche Energie notwendig. Eine Abdichtung von sich bewegenden Bauteilen zur Umgebung ist entbehrlich.

Damit wird ein einfacher und robuster Aufbau des Wärme­ tauschers gewährleistet, so daß die Defektanfälligkeit gering und die Kosten für die zusätzliche Reinigungsein­ richtung niedrig sind.

Ein zusätzlicher Vorteil stellt sich durch die von den Reinigungsfedern im Rohr hervorgerufenen Turbulenzen ein. Hieraus resultiert ein besserer Wärmeübergang an der Rohrinnenseite und eine verbesserte Wärmeübertragung.

Die Reinigungsfedern sind einseitig an der Anschlagplatte festgelegt. Das jeweils andere Federende ist lose im Rohr geführt. Durch die von den Kolben-Zylinder-Einheiten ein­ geleitete Bewegung der Reinigungsfedern werden diese in Längsrichtung im Rohr bewegt. Gleichzeitig werden die Reinigungsfedern zu Schwingungen angeregt. Der Augen­ durchmesser der Reinigungsfedern ist daher kleiner als der Innendurchmesser eines Rohrs gewählt. Es kommt dann zu Längs- und Querschwingungen der Reinigungsfedern. Die Reinigungswirkung besteht sowohl in einer Schab- als auch in einer Pulsations- oder Schlagwirkung. Verschmutzungen kann so entgegengewirkt werden.

Zur Erzielung eines ausreichend hohen Reinigungserfolgs reichen bereits geringe Kolbenhübe der Kolben-Zylinder- Einheit aus. Die Länge der Reinigungsfedern ist auf die Länge der Wärmetauscherrohre und den Kolbenhub abge­ stimmt.

In der Anschlagplatte sind in Geometrie und Anzahl ent­ sprechend auf die austrittsseitigen Öffnungen der Wärme­ tauscherrohre angepaßte Durchbrechungen vorgesehen. Die Durchbrechungen gewährleisten einen ausreichend großen Durchströmquerschnitt für das Abgas. So werden die Strö­ mungsverhältnisse im Wärmetauscher durch die im Wärmetau­ schergehäuse integrierte Anschlagplatte nur unwesentlich beeinflußt.

Nach den Merkmalen des Anspruchs 2 dient die Anschlag­ platte der Befestigung der Gehäuse der sich über ihre die Anschlagplatte relativbeweglich durchsetzenden Kolben­ stangen am Rohrboden abstützenden Kolben-Zylinder-Einhei­ ten.

Die Festlegung der Kolbenstangen am Rohrboden kann vor­ teilhafterweise durch entsprechende Gewindebohrungen im Rohrboden oder am Rohrboden festgeschweißte Schraubenmut­ tern erfolgen. Die Anschlagplatte wird von den Kolben- Zylinder-Einheiten getragen.

Auf diese Weise ist ein lagestabiler Einbau der Anschlag­ platte und eine sichere Führung der Reinigungsfedern ge­ währleistet. Da die Gehäuse im abströmseitigen Bereich des Wärmetauschergehäuses hinter der Anschlagplatte lie­ gen, werden die Strömungsverhältnisse durch die inte­ grierten Kolben-Zylinder-Einheiten nicht nachteilig be­ einflußt.

Grundsätzlich sind unterschiedliche Möglichkeiten zur Festlegung der Reinigungsfedern an der Anschlagplatte möglich, beispielsweise mittels Schweißen oder Klemmen. Eine besonders vorteilhafte Art der Festlegung ist in den Merkmalen des Anspruchs 3 charakterisiert.

Danach sind die Enden der Reinigungsfedern in Durchbre­ chungen der Anschlagplatte eingehängt. Auf der dem Rohr­ boden abgewandten Seite werden die Enden der Reinigungs­ federn durch eine Halteplatte fixiert. Hierzu sind An­ schlagplatte und Halteplatte durch Verbindungselemente, beispielsweise Schraubbolzen, untereinander gekoppelt. Auf diese Weise ist eine sichere Lagefixierung und ein einfacher Ein- und Ausbau der Reinigungsfedern gewährlei­ stet.

Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 4 sind die Kolben- Zylinder-Einheiten an der kalten Seite des Wärmetau­ schers, also an der Abgasaustrittsseite vorgesehen. Hier­ durch sind die Kolben-Zylinder-Einheiten den hohen Tempe­ ratureinflüssen auf der Abgaseintrittsseite entzogen. So kann Korrosion und Materialermüdung entgegengewirkt wer­ den.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform ist in den Merkmalen des Anspruchs 5 zu sehen. Danach sind wenig­ stens drei hydraulisch beaufschlagbare Kolben-Zylinder- Einheiten vorgesehen, welche über den Umfang der An­ schlagplatte gleichmäßig versetzt angeordnet sind.

Hydraulikzylinder sind robust, kleinbauend und arbeiten zuverlässig. Sie sind sowohl für den Einsatz im periodi­ schen Betrieb als auch für einen Dauerbetrieb geeignet.

Zweckmäßigerweise ist die Aktivierung der Kolben-Zylin­ der-Einheiten in die Abhängigkeit einer speicherprogram­ mierbaren Steuerung gestellt, wie dies Anspruch 6 vor­ sieht. Auf diese Weise kann eine bedarfsgerechte, in Ab­ hängigkeit vom Verschmutzungszustand des Wärmetauschers ansteuerbare Abreinigung der Wärmetauscherrohre vorgenom­ men werden.

Die Bewegung bzw. Bewegungsfrequenz der Reinigungsfedern kann entsprechend der Neigung zur Ablagerung des jeweili­ gen Mediums angepaßt werden. Bei geringer Neigung zur Bildung von Ablagerungen reicht eine diskontinuierliche Abreinigung in gewissen Zeitabständen aus. Vor allem bei Medien mit hohem Foulingfaktor, also starkem Bestreben, Ablagerungen zu bilden, ist es nützlich, die Frequenz der Federbewegungen erhöhen zu können.

Insgesamt ermöglicht die Erfindung einen kontinuierlichen Betrieb eines Wärmetauschers. An den Rohrwänden abgela­ gerte Schmutzpartikel werden durch die Reinigungsfedern während des Betriebs abgelöst und mit dem strömenden Me­ dium ausgetragen. Stillstandszeiten bzw. Betriebsunter­ brechungen für Reinigungsarbeiten werden weitestgehend minimiert. Auch die häufig übliche Überdimensionierung von Wärmetauschern, um den sich während des Betriebs ein­ stellenden Leistungsrückgang infolge der Verschmutzungen zu kompensieren, ist nicht erforderlich.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in den Zeich­ nungen dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 im vertikalen Querschnitt einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Wärmetauscher und

Fig. 2 in vergrößerter Darstellung den Ausschnitt II der Fig. 1.

In der Fig. 1 ist ein Ausschnitt aus einem Wärmetauscher dargestellt. Heißes Abgas wird von der hier nicht darge­ stellten Eintrittsseite durch ein von einer Vielzahl von Tauscherrohren 1 gebildeten Rohrbündel geleitet. Der Übersicht halber ist hier nur ein Tauscherrohr 1 gezeigt. Über eine Austrittskammer 2 des Wärmetauschergehäuses 3 wird das Abgas der weiteren Entsorgung zugeführt.

Beidseitig sind die Tauscherrohre 1 mit ihren Enden in Rohrböden gelagert. Hier dargestellt ist der Rohrboden 4 an der Abgasaustrittsseite 5. Das Rohrbündel ist von einem Mantel 6 umgeben, welcher mit Stutzen für die Zu- und Ableitung eines Tauschermediums versehen ist. Mit 7 ist der Abgangsstutzen bezeichnet.

Jedes Tauscherrohr 1 ist in Längsrichtung mindestens zum überwiegenden Teil seiner Länge von einer Reinigungsfeder 8 durchsetzt. An einem Ende 9 ist die Reinigungsfeder 8 aus dem Tauscherrohr 1 herausgeführt und an einer im Wär­ metauschergehäuse 3 angeordneten Anschlagplatte 10 fest­ gelegt. Das andere Ende der Reinigungsfeder 8 ist lose im Tauscherrohr 1 geführt.

Zugleich dient die Anschlagplatte 10 der Befestigung von im Wärmetauschergehäuse 3 integrierten Kolben-Zylinder- Einheiten 11 in Form von doppelt wirkenden Hydraulikzy­ lindern. Hier dargestellt ist einer von insgesamt drei Hydraulikzylindern, welche über den Umfang der Anschlag­ platte 10 gleichmäßig versetzt in einer Teilung von 120° angeordnet sind.

Die Kolben-Zylinder-Einheit 11 ist mit ihrem Gehäuse 12 an der Anschlagplatte 10 festgelegt. Dazu ist die Kolben- Zylinder-Einheit 11 mit einem abgestuften Ansatz 13 des Gehäuses 12 durch eine Bohrung 14 in der Anschlagplatte 10 geführt. Der Ansatz 13 weist ein Außengewinde auf, so daß die Kolben-Zylinder-Einheit 11 mittels einer hierauf verlagerbaren Mutter 15 gegen die Anschlagplatte 10 ver­ spannt werden kann.

Über ihre die Anschlagplatte 10 relativbeweglich durch­ setzende Kolbenstange 16 stützt sich die Kolben-Zylinder- Einheit 11 am Rohrboden 4 ab. Hierzu ist eine Schrauben­ mutter 17 am Rohrboden 4 angeschweißt, in welche die Kol­ benstange 16 kopfseitig eingeschraubt ist.

Wie insbesondere die Fig. 2 erkennen läßt, ist jede Rei­ nigungsfeder 8 in einer Durchbrechung 18 der Anschlag­ platte 10 eingehängt. Hierzu ist das Ende 19 der Reini­ gungsfeder 8 hakenartig umgeformt. Das Ende 19 ist durch die Durchbrechung 18 geführt und greift in eine neben der Durchbrechung 18 vorgesehene Bohrung 20 ein.

Zur Fixierung der Reinigungsfeder 8 ist der Anschlag­ platte 10 auf der dem Rohrboden 4 abgewandten Seite 21 eine Halteplatte 22 zugeordnet. Diese ist an der An­ schlagplatte 10 mittels Schraubbolzen 23 befestigt. Auf diese Weise ist jedes Ende 19 der Reinigungsfedern 8 festgeklemmt.

Korrespondierend zu den Durchbrechungen 18 der Anschlag­ platte 10 sind Öffnungen 24 in der Halteplatte 22 ange­ ordnet. Die Anschlagplatte 10 und die Halteplatte 22 kön­ nen so vom Abgas durchströmt werden.

Aus der Fig. 2 ist zu erkennen, daß der Durchmesser der Öffnung 24 geringfügig kleiner ist als der Durchmesser einer Durchbrechung 18 in der Anschlagplatte 10. Dies trägt zu einer sicheren Fixierung der Enden 19 der Reini­ gungsfedern 8 bei und verhindert ein ungewolltes Aushän­ gen.

In der Fig. 1 erkennt man weiterhin, daß der Ansatz 13 des Gehäuses 12 der Kolben-Zylinder-Einheit 11 durch eine Bohrung 25 der Halteplatte 22 geführt ist. Mit seinem ra­ dialen Kragen 26 schlägt das Gehäuse 12 an der dem Rohr­ boden 4 abgewandten Seite 27 der Halteplatte 22 an. Die Verspannung von Gehäuse 12, Anschlagplatte 10 und Halte­ platte 22 erfolgt mit Hilfe der Mutter 15.

Die Aktivierung der Kolben-Zylinder-Einheit 11 ist in die Abhängigkeit einer speicherprogrammierbaren Steuerung 28 gestellt. Damit ist eine bedarfsgerechte, in Abhängigkeit vom Verschmutzungsgrad der Tauscherrohre 1 regel- bzw. steuerbare Fremderregung der Reinigungsfedern 8 möglich.

Die Versorgung der Kolben-Zylinder-Einheit 11 mit Hydrau­ likflüssigkeit bzw. die Verbindung zu einem entsprechen­ den Hydraulikaggregat erfolgt über eine druckfeste und gasdichte Schlauchleitung 29 sichergestellt, welche hier nur andeutungsweise dargestellt ist. Die entsprechenden Druckanschlüsse des Wärmetauschergehäuses 3 sind mit 30 bzw. 31 bezeichnet. Zur Durchführung der Schlauchleitung 29 sind in der Anschlagplatte 10 und der Halteplatte 22 Bohrungen 32 bzw. 33 vorgesehen.

Durch die von den Kolben-Zylinder-Einheiten 11 bewirkte Bewegung der Anschlagplatte 10 werden die Reinigungsfe­ dern 8 longitudinal in den Tauscherrohren 1 bewegt. Gleichzeitig werden sie zu Schwingungen angeregt. Es kommt dann zusätzlich zu einer intensiven Längs- und Querschwingung der Reinigungsfedern 8. Hierdurch werden Ablagerungen an den Innenflächen der Tauscherrohre 1 ab­ getragen. Auf diese Weise ist eine kontinuierliche Abrei­ nigung der Tauscherrohre 1 im laufenden Betrieb sicherge­ stellt.

Bezugszeichenliste

1

- Tauscherrohr

2

- Austrittskammer

3

- Wärmetauschergehäuse

4

- Rohrboden

5

- Abgasaustrittsseite

6

- Mantel

7

- Abgangsstutzen

8

- Reinigungsfeder

9

- Ende

10

- Anschlagplatte

11

- Kolben-Zylinder-Einheit

12

- Gehäuse

13

- Ansatz

14

- Bohrung

15

- Mutter

16

- Kolbenstange

17

- Schraubenmutter

18

- Durchbrechung

19

- Ende v.

8

20

- Bohrung

21

- Seite v.

10

22

- Halteplatte

23

- Schraubbolzen

24

- Öffnung v.

22

25

- Bohrung

26

- Kragen

27

- Seite v.

22

28

- Steuerung

29

- Schlauchleitung

30

- Druckanschluß

31

- Druckanschluß

32

- Bohrung in

10

33

- Bohrung in

22

Claims (6)

1. Wärmetauscher mit bündelartig zusammengefaßten, mit ihren Enden in Rohrböden gelagerten Rohren (1), in denen sich in Längsrichtung erstreckende Reinigungs­ federn (8) angeordnet sind, die an einem Ende (9) aus den Rohren (1) herausgeführt und an einer im Wärme­ tauschergehäuse (3) angeordneten Anschlagplatte (10) festgelegt sind, die zugleich der Befestigung von in das Wärmetauschergehäuse (3) integrierten und sich an einem Rohrboden (4) abstützenden Kolben-Zylinder-Ein­ heiten (11) dient.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben-Zylinder- Einheiten (11) mit ihren Gehäusen (12) an der An­ schlagplatte (10) festgelegt sind und sich über ihre die Anschlagplatte (10) relativbeweglich durchsetzen­ den Kolbenstangen (16) am Rohrboden (4) abstützen.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlagplatte (10) auf der dem Rohrboden (4) abgewandten Seite (21) eine Halteplatte (22) zur Fixierung der in Durchbre­ chungen (18) der Anschlagplatte (10) eingehängten En­ den (19) der Reinigungsfedern (8) zugeordnet ist.

4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben-Zylinder-Einheiten (11) an der Abgasaustritts­ seite (5) vorgesehen sind.

5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß we­ nigstens drei hydraulisch beaufschlagbare Kolben- Zylinder-Einheiten (11) vorgesehen sind, welche über den Umfang der Anschlagplatte (10) gleichmäßig ver­ setzt angeordnet sind.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivierung der Kolben-Zylinder-Einheiten (11) in die Abhängigkeit einer speicherprogrammierbaren Steuerung (28) ge­ stellt ist.