DE2012883C3 - Rohrbündel-Wärmetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Rohrbündelwärmetauscher in dem die Rohre in Form einer flexiblen Rohrmatte verbunden sind und die Rohrmatte zu einem Bündel zusammengerollt ist.

Kennzeichnend für einen kompakten Apparat zur Wärme-Stoffübertragung, der bei gegebenen Stoffwerten und vorgegebenen Temperatur- oder Konzentrationsdifferenzen große Wärme- oder Stoffströme bei kleinem Bauvolumen überträgt, sind große Übergangskoeffizienten und eine dichte Anordnung der Übertragungsfläche. Bei einem Rohrbündel werden beide Eigenschaften gleichzeitig erzielt durch die Wahl möglichst kleiner Rohrdurchmesser und Rohrabstände.

Wird in den Rohren eine laminare Strömung vorausgesetzt, was wegen der vorgesehenen kleinen Rohrdurchmesser berechtigt ist, so ist die Wärme- bzw. Stoffübertragungszahl umgekehrt proportional dem Rohrdurchmesser. Die übertragenen Transportströnie bei gleichem Volumen des Bündels werden umgekehrt S proportional dem Quadra· des Durchmessers, so daß bei einer Verringerung des Rohrdurchmessers auf ein Zehntel bei gleichen Abmessungen des Rohrbündels und gleichen Temperatur- bzw. Konzenirationsdifferenzen eine hundertfache Steigerung der Überiragungsleistung möglich wird.

Auch bei turbulenter Strömung in den Rohren bleibt die große spezifische Übertragungsfläche wesentlich.

Diese an sich bekannten Vorteile kleiner Rohrdurchmesser lassen sich praktisch nur ausnutzen, wenn ein derartiger Apparat wirtschaftlich herzustellen ist. Hierbei ist an Rohrdurchmessern in der Größenordnung von etwa 1 mm zu denken. Herkömmliche Rohrbündelaustauscher mit einer Vielzahl von Bohrungen in den Abstands- und Leitblechen im Außenraum des Bündels und den Rohrplatten an den Bündelenden, in die in diesem Fall viele tausend kleine Röhrchen eingefädelt und einzeln, verschweißt oder sonst irgendwie befestigt werden müßten, sind außerordentlich aufwendig in der Herstellung.

Rohrbündel, bei denen die Rohrabstände und die Strömungsführung im Außenraum des Bündels sowie die Abdichtung der Rohre an den Enden ohne besondere Leitbleche und Rohrplatten erzielt werden, sind an sich bekannt. Vor allem für kleine Rohrabstände ist es bekannt, einzelne Rohre im Bündel mit herumgelegten Drahtspiralen od. dgl. zu versehen, so daß beim Zusammenbau die Drahtdicke der Spiralen den Rohrabstand bestimmt. Dabei werden nur einzelne ausgewählte Rohre spiralförmig mit einem Draht mit großer Steigung umschlungen (GB-PS 6 07 717). Es ist auch bekannt, derartige spiralige Wendel gleichzeitig als Turbulenzerzeuger zu benutzen (DT-AS 12 98 108).

Ferner ist es bekannt, die Rohre eines Bündels an ihren Enden bis zur gegenseitigen Berührung zusam-.menzuführen und über eine größere Länge einzeln miteinander zu verschweißen (DT-PS 8 97711) oder die entstehenden, regelmäßig vorausgesetzten, zwickelförmigen Zwischenräume mit einzelnen, der Rohrform angepaßten Füllstücken zu versehen, die zum Abdichten und Verbinden mit den Rohren verlötet werden (DT-AS 10 57 628). Alle diese Konstruktionen bedingen jedoch in Anbetracht der vorzusehenden kleinen Rohrdurchmesser und großen Rohrzahlen eine sehr aufwendige Behandlung der einzelnen Rohre, aus denen das Bündel zusammengesetzt werden muß und die an den Enden einzeln verschweißt oder auf eine andere geeignete Weise abgedichtet werden müssen.

Bei bekannten Rohrbündel aus flexiblen, dünnen Kunststoffschläuchen, sind die Enden der Rohre in Stirnplatten befestigt und deren Abstände im Bündel werden durch besondere Kunststoffstränge zwischen den einzelnen Schläuchen erreicht (DT-Gbni 19 91 549). Die dabei verwendeten Kunststoff rohre müssen in Richtung jeder der drei Raumkoordinaten leicht deformierbar sein. Auf Grund dieser Deformierbarkeit legen sich die Kunststoffrohre zwischen den Querbändern aneinander. Damit verändert sich der freie Strömungpquerschni'.t innerhalb des Bündels. Im Bereich der dichten Rohranordnung wird das Bündel nur mangelhaft oder gar nicht durchströmt. In diesem Bereich kann die wärmeaustauschende Oberfläche nicht voll genutzt werden, so daß hier eine Verschmutzung einsetzt, die schließlich zur vollkommenen Ver-

sperrung des Strömungsraumes führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde. Rohrbündel der eingangs erlaufenen Art dahingehend /u verbessern, daß eine einfache Herstellung möglich ist, wofeei mit Hilfe von Verbindungselemente!) eine Schikaeenwirkung für ein strömendes Fluid erzieh wird.

Diese Aufgabe wird nach de- Erfindung im wesentlichen dadurch gelöst, daß die Rohre mit Hilfe von Verbindungsdrähten, die jedes Rohr in einer Ebene etwa jenkrechi zur Rohrlängsachse umschlugen, durch einen vVeb- oder Flechtvorgang zu der Rohrmatte verknüpft sind und die Drähte in gewickeltem Zustand der Matte quer zur Achse liegend in Achsrichtung abwechselnd ring- und scheibenförmige Umleiikungselemeiue für die Strömung außerhalb der Rohre im Bündel bilden und daß die Rohre auch in ihren Endbereichen im gleichen Web- oder Flechlvorgang' verbunden und die Zwischenräume zwischen den Rohren abgedichtet sind.

Mit Hilfe der Flechtung kann ei., sehr genauer Abiiand zwischen den einzelnen Rohren erreicht werden. Der Abstand zwischen den Rohren ist von entscheidender Bedeutung für einen sicheren und wirkungsvollen Betrieb. Ein zu geringer Abstand führt zu sehr hohen Druckverlusten auf der Außenseite des Bündels, erhöht die Verschmutzungsgefahr und beeinträchtigt dadurch die Wirksamkeit der wärmeaustausclienden Fläche.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung ergibt jeder Bündelkopf einen druckdichten Block, in dem die RdIire eingebettet sind.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weisen die Verbindungsdrähte im Inneren des Rohrbündels und an den Enden denselben Durchmesser auf.

Als vorteilhaft hat sich erwiesen, als Mittel zum Ab dichten der Zwischenräume an den linden des Rohrbündeis einen Vergußwerkstoff oder ein aushärtbares Kunstharz zu verwenden.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn bei'größeren Durchmessern des Wärmetauschers mehrere flexible Rohrmatten konzentrisch zu dem Rohrbündel gerollt und jeweils mit konzentrischen Spann- oder Endringen versehen sind.

Nach einem abgewandelten Ausl'ührungsbeispiel der Erfindung ist es vorteilhaft, das Rohrbündel mit einem abgeflachten Querschnitt auszubilden, derart, daß die Rohre niedrere, etwa ebene Lagen bilden.

Die mit dem erfindungsgemäßen Rohrbündel erzielten Vorteile sind neben einer kompakten Hauweise und einfachen Herstellung eine große Druckfestigkeit infolge der kleinen Rohr- und auch Bündeldurchmesser so so wie gute Dehnungseigenschaften infolge der gekrümmten, flexiblen Rohrenden, wodurch Wärmespaiinungen abgebaut weiden können. Zu diesen Vorteilen tritt die vielseitige Anwendungsmöglichkeit.

Ein wesentliches Anwendungsgebiet für erlmdungs- >> gemäße kompakte Rohrbündel sind Wärmeaustauscher für gasförmige oder flüssige, vornehmlich sehr saubere Medien. Auch für die Wärmeübertragung mit Phasenänderung, d. h.. für das Verdampfen oder kondensieren eines Mediums ist ein erfindungsgemäßes Rohrbündel κ> gut geeignet. Zweekmäßigei weise strömt das veidaim, fende oder kondensierende Medium durch die Rohe. Die große Länge der Rohre im Verhältnis zu ihrci lieh ten Weite bewirkt, daß das Medium bei einem Durchgang vollständig verdampft oder kondensiert werden ^ kann, wobei wegen des guten Wärmeübergangs in den dünnen Rohren im gleichen Durchgang der Dampf auch bis zu einem gewissen Cirad überhitzt bzw. ons Kondensat unterkühlt werden können.

Dse Erfindung schlägt Ferner vor, die Rohrbündelwärmetauscher zur Verwendung bei Sioffaustausch derart auszubilden, daß die Rohre aus einem halbdurchlässigen Werkstoff bestehen. Durch die Verwendung poröser oder halbdurchlässiger Rohre läßt sieh das Rohrbündel vorteilhaft auch zur Stofftrennung fluider Gemische benutzen. Sind die Rohrwände beispielsweise selektiv für eine Komponente des durch die Rohre strömenden Gemisches besonders durchlässig, dann kann diese Komponente durch einen Fluidstrom im Außenraum des Rohrbündels, der diese Komponente nicht oder nur in geringerer Konzentration enthält, in einfacher Weise aus dem Gemisch entfernt werden. Als Beispiel hierfür sei die Wasserstoffdiffusion durch Palladiumwände genannt.

Für die Verwendung als Bauelemente für chemische Reaktoren sind in vorteilhafter Weise die Rohre aus katalytisch wirksamen Werkstolf hergestellt bzw·, sind die inneren und/oder äußeren Oberflächen der Rohre mil einem katalytisch wirksamen Werkstoff versehen.

Derartige katalytische Reaktionen treten stets an der Oberfläche eines Katalysators auf. Im Normalfall wird das reagierende Gemisch durch die Rohre strömen, doch kann es im Einzelfall auch zweckmäßig sein, das Re:iktionsgemisch im Außenrauni um die Rohre herumzuleiten. Wird bei geringen Reaktionsenthalpien auf die Wärmczu- oder -abfuhr verzichtet, so kann die Reaktion auf den beiden Slrömungsseitcn ablaufen. In diesem Fall muß sowohl die innere als auch die äußere Oberfläche der Rohre als Katalysator wirken.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungsfiguren näher erläutert. Dabei zeigt

I 1 g. 1 einen teilweisen Längsschnitt durch einen Rohrbündelwärmetauscher,

F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie A-B der F i g. 1,

I i g. J die Art der Flechtung und

F i g. 4 ein erfindungsgemäßes Rohrbündel vor dem Zusammenrollen.

Wie aus F i g. 1 in Verbindung mit F i g. 4 ersichtlich, besteht ein erfindungsgemäßer Rohrbündelwärmetauscher aus einer Vielzahl von Rohren 3, die mit Hilfe von Vcrbindungsdtühten 4, die (wie aus F i g. 3 ersichtlich) jedes Rohr 3 in einer Ebene etwa senkrecht zur Rohrlängsachse umschlingen, zu einer Matte ausgebildet sind, die anschließend aufgerollt wird. An den beiden Enden des Bündels, den Bündelköpfen, werden die Rohre fest miteinander verbunden und dabei die Zwischenräume zwischen ihnen abgedichtet. Dadurch bildet jeder Bündelkopf einen druckdichten Block, in dem die Rohre 3 eingebettet sind. Wird dieses Rohrbündel in der in F i g. 1 dargestellten Weise mit einem äußeren Mantel 1 und Ein- und Ausirittskammern 2 und 2' versehen, so ergibt sieh durch die Abdichtung der Rohre 3 in den Bündelkopien getrennte Strömungsräume für zwei Stiömungsmedicn. Das eine Medium strömt im Innenraum durch die Rohre, das andere im Außenraum des Bundeis um die Rohre herum.

/ur Herstellung einer Rohrmalte können die Rohre 3 beispielsweise mit de- in F i g. 3 dargestellten Art mit den Verbindungsdrjhten 4 verflochten werden. Dabei isi der Rohrabstand durch die Dicke der Verbindungsdrahte 4 gegeben. Diese Webserbindung in Form einer einfachen l.emenbindung. bei der die Drähte die »Kettfäden« und die Rohre die »Schußfäden« bilden, ermöglicht eine äußerst rationelle Hersteilung der Rohrmatte auf einer wehsuihkirtigen Vorrichtung.

in dem gerollten Bündel, bilden die Verbindungs-

drähte, wie '.;us F i g. 1 hervorgeht, Umlcnkungselemcnte 5 mit einem erhöhten Widerstand für die Längsströmung im Außenraum des Rohrbiindels, die zur Strömungsumlenkung benutzt werden. Dazu können beispielsweise die Verbindungsdrähte 4 entsprechend F i g. 4 jeweils abwechselnd von einem Rand einer Matte ausgehend nicht bis zum anderen Rand durchgewebt werden, sondern enden in einem bestimmten Abstand davor in der Rohrmatte. Durch diese Anordnung bleiben in den Flechtebenen eines fertigen Rohrbiindels außen und innen abwechselnd freie Strömungsquerschnitte für die Längsslrömung im Außenraum des Bündels offen, so daß das äußere Strömungsmedium die Rohre in der in F i g. 1 gezeigten Weise wechselweise radial von innen nach außen und umgekehrt umströmt.

Neben dieser beschriebenen Webverbindung sind auch andere geeignete Flechtungen in einer Rohrmatte möglich.

Für die Bündelköpfe an den beiden Enden des Rohrbündels sind verschiedene konstruktive Ausbildungen möglich. Bei dem in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Rohre 3 an den Enden in leicht konischen Spannringen 6 bis zur gegenseitigen Berührung zusammengepreßt und miteinander mit den Spannringen dicht verlötet. Hierbei kann es ich sowohl um eine Weich- als auch eine Hartlötung handeln. Beim Löten ist dafür zu sorgen, daß das Lot weder in die Rohre selbst gelangt noch zu weit im Bündel hochsteigt.

Zur besseren Lotzufuhr kann ein Zentralrohr 7 mit einigen Querbohrungen in der Ebene der Bündelköpfe vorgesehen sein, durch die das Lot jeweils von der anderen Seite des Bündels zugegeben werden kann.

Bei größeren Durchmessern des Rohrbündels kann dieses aus mehreren Rohrmatten bestehen, die nacheinander konzentrisch gewickelt und jeweils mit den passenden Spannringen versehen werden. Außer durch Löten können die Bündclköpfe zur Abdichtung auch mit einem anderen geeigneten Metall oder seiner Legierung oder auch mit einem aushärtenden Kunstharz vergossen werden.

Gemäß einem abgewandelten Ausführungsbeispiel der Bündelköpfe können, wie im Inneren des Rohrbündels, auch an seinen Enden eine oder mehrere dicht angeordnete Flechtungen vorgesehen werden. Bei dieser Ausbildung besitzen die Rohre in den Bündelköpfen die gleichen Abstände wie im übrigen Bündel, jedoch sind ihre Zwischenräume hier durch das dichte Netzwerk der Flechtungen ausgefüllt. Am Umfang werden die Bündelköpfe wieder von einem Spannring umfaßt, dessen Breite etwas größer als die Dicke der Flechtung ist. Zum Abdichten werden die Endflechtungen in den Bündelköpfen mit Lot oder einem anderen Material oder auch einem aushärtendem Kunstharz dicht vergossen. Hierbei unterstützen die Flechtungen durch Kapülarkräfte das sichere Ausgießen der Bündelköpfe

ίο und erhöhen gleichzeitig deren Festigkeit. In ähnlicher Weise können die Rohrzwischenräume im Bereich der Bündelköpfe auch mit feinem Sinterwerkstoff gefüllt werden, der dann mit den Rohren und dem äußeren Spannring zusammengesintert wird. De so gebildeten festen Kapillarstrukturen werden wieder mit einem geeigneten Material dicht vergossen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist vor allem für rechteckige Querschnittsformen des Rohrbündels geeignet. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Rohrmatte nicht gerollt sondern in mehreren ebenen Schichten übereinander angeordnet. An den Stirnseiten können flache Mctallbänder zwischen die einzelnen Schichten der Rohrmatte gelegt werden, die auf beiden Seiten im Abstand der Rohre gegeneinander versetzte, halbkreisförmige Aussparungen für die Rohre besitzen. Die äußeren Metallbänder besitzen Aussparungen für die Rohre nur auf der inneren Seite und ergeben so eine glatte Umrandung der Bündelenden. Die zwischengelegten Mctallbänder füllen die Rohrzwischenräume an den Bündelenden dicht aus und lassen sich in einfacher Weise mit den Rohren zu den Bündelköpfen verlöten.

Die erfindungsgemäßen Rohrbündel können als Wärmelauscher Verwendung finden, jedoch stellen auch chemische Reaktionen ein wichtiges Anwendungsgebiet dar, für die das Rohrbündel als außerordentlich kompakter Rohrreaktor einzusetzen ist. Chemische Reaktionen verlangen im allgemeinen als optimale Betriebsbedingungen einen bestimmten Druck und eine bestimmte Temperatur, zu deren Aufrechterhaltung dem reagierenden Gemisch stets Wärme züge führt oder entzogen werden muß. Wird ein Reaktions gemisch durch die Rohre geleitet, so kann die erforder liehe Reaktionstemperatur wegen des wirkungsvoller Wärmeübergangs mittels eines Heiz- oder Kühlmedi ums im Außenraum des Rohrbündels sehr gut einge stellt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Rohrbündelwärmetauscher in dem die Rohre in Form einer flexiblen Rohrmatte verbunden sind und die Rohrmatte zu einem Bündel zusammengerollt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (3) mit Hilfe von Verbindungsdrähten (4), die jedes Rohr in einer Ebene etwa senkrecht zur Rohrlängsachse umschlingen, durch einen Web- oder Flechtvorgang zu der Rohrmatte verknüpft sind und die Drähte in gewickeltem Zustai.d der Matte quer zur Achse liegende in Achsrichtung abwechselnd ring- und scheibenförmige Umlenkungselemente (5) für die Strömung außerhalb der Rohre im Bündei bilden und daß die Rohre aucli in ihren Endbereichen im gleichen Web- oder Flechtvorgang verbunden und die Zwischenräume zwischen den Rohren abgedichtet sind.

2. Rohrbündelwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsdrähte (4) im Inneren des Rohrbündels und an den Enden denselben Durchmesser aufweisen.

3. Rohrbündelwärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zum Abdichten der Zwischenräume an den Enden des Rohrbündels ein Vergußwerkstoff oder aushärtbares Kunstharz dient.

4. Rohrbündelwärmetauscher nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei größeren Durchmessern des Wärmetauschers mehrere flexible Rohrmatten konzentrisch zu den Rohrbündel gerollt und jeweils mit konzentrischen Spann- oder Endringen (6) versehen sind.

5. Rohrbündelwärmetauscher nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrbündel einen abgeflachten Querschnitt aufweist, derart, daß die Rohre mehrere, etwa ebene Lagen bilden.

6. Rohrbündelwärmetauscher nach Anspruch 1 bis 5 zur Verwendung bei Stoffaustausch, dadurch gekennzeichnet, daß die' Rohre aus einem halbdurchlässigen Werkstoff bestehen.

7. Rohrbündelwärmetauscher nach Anspruch 1 bis 5 zur Verwendung als Bauelement für chemische Reaktoren, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre aus kathalytisch wirksamen Werkstoff hergestellt bzw. die inneren und/oder äußeren Oberflächen der Rohre mit einem kathalytisch wirksamen Werkstoff versehen sind.