DE202015009185U1

DE202015009185U1 - Rohrbündelwärmetauscher

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Publication number: DE202015009185U1
Application number: DE202015009185.7U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-08-26
Filing date: 2015-08-26
Publication date: 2016-11-11
Anticipated expiration: 2025-08-27
Also published as: DE102015114130A1

Abstract

Rohrbündelwärmetauscher, der aus einem Mantel, der mit einem Stutzen für den Ein- und Ausgang des Heizmediums versehen ist, aus Deckeln mit einem Stutzen für den Ein- und Ausgang des Wärmetauschermediums und einem Bündel von Wärmetauschröhren besteht, die in Vertiefungen von Rohrböden fixiert sind, die aus einer Innen- und nachfolgenden Lochplatte mit einem Dichtungsmaterial dazwischen bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Rohrboden mit mindestens einer zusätzlichen, nachfolgenden Lochplatte ausgestattet ist, dass der Mantel mit Innenausnehmungen an Stirnflächen ausgeführt ist, dass die Innen- und nachfolgenden Platten der Rohrböden mit Deckeln in Ausnehmungen des Mantels eingespannt sind und dass die Wärmetauscherröhren mit Bandagen ausgestattet sind.

Description

Die Erfindung ist im Bereich der Wärmeenergiewirtschaft einsetzbar, und zwar in Rohrbündelwärmetauschern für einen Wärmeaustausch von flüssigen und gasförmigen Medien in der Energie-, Gas- und Chemieindustrie und anderen Industriezweigen.
Es sind Rohrbündelwärmetauscher mit verschiedenen Rohrbefestigungsarten in Rohrböden bekannt, aber die Befestigungsart jedes Rohrs im Einzelnen mit Hilfe einer Stopfbuchsenabdichtung ist nicht allgemein verbreitet, da sie kompliziert und teuer ist und die Röhre in einem dichten Bündel nicht verbinden kann (vgl. J. I. Dytnerskyi "Prozessy i apparaty chimitscheskoj technologii" M, Chimija, 1995, Tschast' 1, S. 334–339).
Ein Nachteil von bekannten Wärmetauschern mit Rohrböden ist ein hoher Aufwand bei der Rohrbefestigung in diesen Rohrböden und die Notwendigkeit der Kompensation von Temperaturspannungen. Infolge der Unmöglichkeit der Verkleinerung der Rohrteilung ist der Durchgangsquerschnitt des Rohrzwischenraums 2–3 mal größer als der Durchgangsquerschnitt in den Röhren. Deswegen ist die Geschwindigkeit des Wärmeübertragers bei gleichen Wärmeträgerdurchsätzen, die gleiche Formarten haben, niedriger, und die Wärmedurchgangszahlen sind auf der Oberfläche des Rohrzwischenraums nicht groß, was die Wärmedurchgangszahl im Gerät senkt. Für die Steigerung der Wärmedurchgangszahl in bekannten Wärmetauschern erhöht man die Geschwindigkeit des Wärmeübertragers im Rohrzwischenraum durch Quer- und Längswände, die keine wesentlichen Ergebnisse bringen, weil Wände den Durchfließwiderstand ebenso erhöhen und Totzonen im Rohrzwischenraum bilden.
Bekannt ist auch ein Rohrbündelwärmetauscher, dessen Rohrböden mit einem polymeren Klebfüllstoff gebündelt werden und Ringe an den Wärmetauschröhren zum Schutz vor deren Durchsenkung bei Ausführung von Geräten mit einer größeren Länge haben. Eine solche Ausführungsart des Wärmetauschers erlaubt, die Werte des Wärmetausches bei der Senkung von Massenwerten und Hauptabmessungen durch Verwendung von profilierten, besonders dünnwandigen Wärmetauschröhren in einem dichten Bündel zu erhöhen (Patent RF Nr. 2038890, IPK B21D 53/06, 1995).
Dieser bekannte Wärmetauscher ist aber für hohe Nenngrößen nicht ausbaufähig. Er kann nicht für Medien mit hohen thermodynamischen Belastungen verwendet werden, die Rohrböden zerstören können, die mit einem polymeren Klebfüllstoff gebündelt werden. Der Wärmetauscher hat eine wesentlich größere lineare Wärmeausdehnungszahl als die Metalle, die bei der Herstellung von Wärmetauschröhren und Gehäusen verwendet werden. Außerdem verlieren die polymeren Stoffe bei der Temperaturerhöhung die Stärke, indem sie erweichen, und Ringe an den Wärmetauschröhren für den Schutz vor deren Durchsenkung erhöhen den Durchflusswiderstand. Ein wesentlicher Nachteil dieses Wärmetauschers ist die Unmöglichkeit einer Zerlegung des Bündels in einzelne Wärmetauschröhren für deren Ersatz oder Reinigung von Innen- und Außenrohroberflächen.
Am ähnlichsten dem angebotenen Wärmetauscher nach technischen Werten ist ein Rohrbündelwärmetauscher, der als Prototyp ausgewählt wurde und einen Zylindermantel mit Stutzen für den Ein- und Ausgang des Wärmeübertragers, einen Deckel mit Stutzen für den Ein- und Ausgang des Heizmediums und ein Bündel von Wärmetauschröhren hat. Die Wärmetauschröhren sind in Öffnungen von Rohrböden fixiert, die aus einer Innen- und nachträglichen Lochplatte mit einem wärmefesten Dichtungsmittel dazwischen bestehen und die zwischen Deckeln und dem Mantel eingespannt sind. In der nachfolgenden Platte jedes Rohrbodens sind zusätzliche Vertiefungen ausgeführt, die sich unter den Rohrlöchern befinden. Bei der Montage dieses bekannten Wärmetauschers füllt das Dichtungsmittel die Lücken zwischen den Platten, den Röhren und dem Mantel aus. Dabei bilden die Überschüsse des Dichtungsmittels, die durch zusätzliche Öffnungen durchfließen, Niete, die die Platten der Rohrböden zusätzlich verbinden (Urheberschein UdSSR Nr. 1758381, IPK F28D 7/00, 1992).
Die Nachteile des ausgewählten Prototyps sind zusätzliche Löcher in den nachfolgenden Platten für Niete, die den Rohrzwischenraum wesentlich dadurch vergrößern, dass sie nicht erlauben, die Wärmetauschröhren dicht zu bündeln und somit die Massenwerte und die Hauptabmessungen erhöhen. Außerdem erschweren die angegebenen Niete die Demontage des bekannten Wärmetauschers in Teile für deren Ersatz oder Reinigung der Innen- und Außenoberflächen.
Die CH 303792 A beschreibt einen Wärmetauscher mit einem zylinderförmigen Gehäuse und einem Rohrbündel. Das Rohrbündel oder die Rohre werden mit einem Drahtwickel versehen, um den Wärmeübergang zu verbessern.
Die EP 1491 842 A2 offenbart einen Wärmetauscher, der ein zylinderförmiges Gehäuse aufweist, das beiderseits mit Deckeln abgeschlossen ist und ein Rohrbündel aufnimmt. Die Rohre des Rohrbündels sind unter Abdichtung in Bodenplatten festgelegt. Auf die Bodenplatte ist eine zweite Platte, eine Halteplatte, und auf dieser eine dritte Platte, eine Abdichtungsplatte, aufgesetzt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Rohrbündelwärmetauscher ohne Durchmesser- und Längenbegrenzungen zu entwickeln mit einer festen und zuverlässigen Befestigung der Wärmetauschröhren sowohl im Bündel als auch in Rohrböden, die die Verwendung von verfügbaren Arten der Wärmeaustauschintensivierung und der Durchflusswiderstandsabnahme bei der Verkleinerung von Massen- und Gewichtswerten und eine Verbesserung der Reparierbarkeit ermöglichen.
Die gestellte Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Dies ist dadurch erreicht, dass jeder Rohrboden im Rohrbündelwärmetauscher aus einem Mantel, der mit einem Stutzen für den Ein- und Ausgang des Heizmediums versehen ist, aus Deckeln mit einem Stutzen für den Ein- und Ausgang des Wärmetauschermediums und aus einem Bündel von Wärmetauschröhren besteht, die in Öffnungen von Rohrböden fixiert sind, die aus einer Innen- und nachfolgenden Lochplatte mit einem Dichtungsmaterial dazwischen bestehen. Nach der Erfindung ist jeder Rohrboden mit mindestens einer zusätzlichen nachfolgenden Lochplatte ausgestattet und der Mantel mit Innenausnehmungen an Stirnflächen ausgeführt. Die Innen- und nachfolgenden Platten der Rohrböden sind durch Deckel in Ausnehmungen des Mantels eingespannt, und die Wärmetauschröhren sind mit Bandagen versehen.
Die gestellte Aufgabe lässt sich auch dadurch lösen, dass Rohrlöcher der nachfolgenden Platte des Rohrbodens an der Seite des Stutzens für den Ausgang des Heizmediums mit einem Durchmesser ausgeführt sein können, der gleich dem Innendurchmesser der Wärmetauschröhre ist.
Die gestellte Aufgabe wird auch dadurch gelöst, dass Bandagen der Wärmetauschröhren in Form einer spiralen Drahtwicklung ausgeführt sein können.
Die gestellte Aufgabe wird auch dadurch gelöst, dass die Wärmetauschröhren mit einem Bügel oder Wickeldraht gebündelt sein können.
Die gestellte Aufgabe lässt sich auch dadurch lösen, dass der Mantel an die Stutzen für den Ein- und Ausgang des Wärmeübertragers ausgedehnt wird und in der erweiterten Zone mit Ausnehmung ausgeführt sein kann.
Die gestellte Aufgabe wird auch dadurch gelöst, dass der Mantel die Form eines sechseckigen Prismas haben kann.
Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen an Ausführungsbeispielen eines Rohrbündelwärmetauschers näher erläutert. Es zeigen:
1 einen angebotenen Rohrbündelwärmetauscher und
2 eine Variante des angebotenen Rohrbündelwärmetauschers mit einem erweiterten Mantel.
Der angebotene Rohrbündelwärmetauscher hat einen Mantel 1, der mit Stutzen 2, 3 für den Ein- und Ausgang des Wärmeträgers versehen und mit Innenausnehmungen 4 an Stirnflächen ausgeführt ist, einen Deckel 5 mit Stutzen 6, 7 für den Ein- und Ausgang des Heizmediums und ein Bündel von Wärmetauschröhren 8, die in Vertiefungen von Rohrböden fixiert sind, die aus einer Innen- und nachfolgenden Lochplatte 9, 10 mit einem Dichtmaterial 11 dazwischen bestehen. Die Innen- und nachfolgenden Platten 9, 10 von Rohrböden sind mit Deckeln 5 in Ausnehmung 4 des Mantels 1 eingespannt, und die Wärmetauschröhren 8 sind mit Bandagen versehen. Die Wärmetauschröhren 8 der nachfolgenden Platte 10 des Rohrbodens können an der Seite des Stutzens 7 für den Ausgang des Heizmediums mit einem Durchmesser ausgeführt sein, der gleich dem Innendurchmesser der Wärmetauschröhre 8 ist. Somit mündet die Wärmetauschröhre 8 in eine nachfolgende Lochplatte 10, was ihr Ausrutschen aus den Rohrböden unter Wirkung von Kräften in axialer Richtung vom Eingang zum Ausgang ausschließt, die durch den Durchflusswiderstand in den Wärmetauschröhren und den Druckunterschied zwischen dem Ein- und Ausgang bedingt sind. Die Bandagen der Wärmetauschröhren 8 können in Form eines Spiraldrahtwickels 12 (2) ausgeführt sein, der den Durchfluss zwischen den Röhren wirbeln, die fixierte Lücke zwischen den Röhren einstellen und die Reibung der Wärmetauschröhren 8 ausschließen lässt. Die Wärmetauschröhren 8 können durch Bügel (nicht dargestellt) oder einen Wickeldraht 13 gebündelt werden, der sie fest und zuverlässig in einem Bündel befestigt, was eine Durchsenkung und Vibration der Wärmetauschröhren 8 ausschließt und den Verzicht auf Stützen und Trennwände ermöglicht und dadurch den Durchflusswiderstand mit dem realisierbaren reinen Gegenstrom von Wärmetauschmedien bei höheren Geschwindigkeiten senken kann. In der Variante für die Senkung der Einzeldurchflusswiderstände und eine Ausschließung der Bildung von Totzonen kann der Mantel 1 an den Stutzen 2, 3 für den Ein- und Ausgang des Wärmeübertragers ausgedehnt und in der erweiterten Zone 14 mit einer Ausnehmung 4 ausgeführt werden und die Form eines sechseckigen Prismas (nicht dargestellt) für ein dichteres Rohrbündel haben.
Bei der Montage des angebotenen Wärmetauschers wird ein Rohrbündel 8 in den Mantel 1 eingesetzt. Danach wird eine Innenlochplatte 9 an der Seite des Eingangs des Heizmediums in die Ausnehmung 4 eingeschoben. Dabei werden die Wärmetauschröhren 8 in Vertiefungen der Innenlochplatte 9 durchgezogen. Auf die Innenlochplatte 9 wird ein Dichtungsmaterial 11 aufgelegt, das den Raum zwischen den Wärmetauschröhren 8 und dem Mantel 1 auffüllt. Danach wird eine nachfolgende Lochplatte 10 in die Ausnehmung 4 eingeschoben. Dabei werden die Wärmetauschröhren 8 in die Vertiefungen der nachfolgenden Lochplatte 10 durchgezogen. Auf die nachfolgende Lochplatte 10 wird ebenfalls Dichtungsmaterial 11 aufgelegt. Für die Erhöhung der Abdichtungszuverlässigkeit von hocherhitzten Wärmetauschermedien bei großen Druckdifferenzen wird mindestens eine zusätzliche nachfolgende Lochplatte 10 in die Ausnehmung 4 eingeschoben. Dabei werden die Wärmetauschröhren 8 ebenfalls in die Vertiefungen der zusätzlichen nachfolgenden Lochplatte 10 durchgezogen. Somit wird die Steigerung von Druckdifferenzen zwischen den hocherhitzten Wärmetauschermedien durch eine einfache Vergrößerung der Zahl von nachfolgenden Lochplatten 10 zuverlässig gelöst. Der zusammengebaute Stopfbuchsenrohrboden wird nachher durch den Deckel 2 eingeklemmt. Unter Druck füllen die Überschüsse des Dichtungsmaterials 11 die Lücken zwischen den Wärmetauschröhren 8, den Lochplatten 9, 10, den Böden und dem Mantel 1 auf. Analog dazu wird der Rohrboden an der Seite des Ausgangs des Heizmediums aus dem Rohrraum mit einer kleineren Öffnungsweite in der nachfolgenden Lochplatte 10 bis hin zu den Innendurchmessern der Wärmetauschröhren 8 montiert.
Der zu beschreibende Wärmetauscher funktioniert auf folgende Weise:
Der Wärmeübertrager wird über den Stutzen 2 in den Mantel 1 herangeführt, füllt den Rohrzwischenraum auf und wird durch den Stutzen 3 herausgeführt. Durch den Stutzen 6 im Deckel 5 wird das Heizmedium zugeführt, das durch den Stutzen 7 herausgeführt wird. Demzufolge wird der Wärmeaustausch des Wärmeübertragers und des Mediums verwirklicht.
Zwecks Verwendung von verfügbaren Methoden der Wärmetauschintensivierung unter Beachtung von physikochemischen Eigenschaften der Wärmetauschermedien ermöglicht die Ausführung des Rohrbündelwärmetauschers gemäß der Erfindung Folgendes:

– beliebige Stoffe für die Herstellung von Wärmetauschröhren zu benutzen, sowohl metallische als auch nicht metallische;
– Wärmetauschröhren mit beliebigem Durchmesser und beliebiger Wandstärke zu verwenden. Es ist bekannt, dass je kleiner der Rohrdurchmesser und die Wandstärke sindm, desto höher der Nutzungsgrad der Masse und des Volumens des Wärmetauschers ist;
– sowohl Glattröhre als auch Wellröhre (Faltenröhre) zu verwenden;
– Wärmetauschröhren jeder Form sowie mit der Rollung von Kreis- und Spiralnuten zu verwenden, die Durchflüsse auf der Innen- und Außenrohroberfläche wirbeln, die den Wärmeaustausch intensivieren;
– den Durchflusswiderstand zu senken, indem man auf Quer- und Längswände verzichtet;
– die Reparierbarkeit mit der Möglichkeit einer kompletten Demontage in einzelne Wärmetauschröhren und Teile für deren Ersatz oder der Reinigung von Innen- und Außenoberflächen zu verbessern;
– auf die Verblockung mit parallelen und seriell-parallelen Schaltungen von Routen einzelner Rohrbündelwärmetauscher bei einer fehlenden Wärmetauschoberfläche für große Wärmeströme oder bei großen Druckverlusten zu verzichten, weil der vorliegende Rohrbündelwärmetauscher keine Längen- und Durchmesserbegrenzungen und demzufolge keine Größenbegrenzung für die Wärmeströme bei geringen Druckverlusten hat.

Die Erfindungsrealisierung wird somit erlauben, eine erforderliche Reparierbarkeit sowie eine Einfachheit und eine Zuverlässigkeit des Wärmetauschers zu gewährleisten, ohne dabei die Verwendung von etablierten Methoden der Wärmetauschintensivierung ohne eine schnellere Erhöhung des Durchflusswiderstands zu begrenzen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

CH 303792 A [0008]
EP 1491842 A2 [0009]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

J. I. Dytnerskyi ”Prozessy i apparaty chimitscheskoj technologii” M, Chimija, 1995, Tschast' 1, S. 334–339 [0002]

Claims

Rohrbündelwärmetauscher, der aus einem Mantel, der mit einem Stutzen für den Ein- und Ausgang des Heizmediums versehen ist, aus Deckeln mit einem Stutzen für den Ein- und Ausgang des Wärmetauschermediums und einem Bündel von Wärmetauschröhren besteht, die in Vertiefungen von Rohrböden fixiert sind, die aus einer Innen- und nachfolgenden Lochplatte mit einem Dichtungsmaterial dazwischen bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Rohrboden mit mindestens einer zusätzlichen, nachfolgenden Lochplatte ausgestattet ist, dass der Mantel mit Innenausnehmungen an Stirnflächen ausgeführt ist, dass die Innen- und nachfolgenden Platten der Rohrböden mit Deckeln in Ausnehmungen des Mantels eingespannt sind und dass die Wärmetauscherröhren mit Bandagen ausgestattet sind.
Rohrbündelwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmetauschröhren der nachfolgenden Platte des Rohrbodens seitens des Stutzens für den Ausgang des Wärmetauschermediums mit einem Durchmesser ausgeführt sind, der gleich dem Innendurchmesser der Wärmetauschröhre ist.
Rohrbündelwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Bandagen der Wärmetauschröhren in Form einer spiralen Drahtwicklung ausgeführt sind.
Rohrbündelwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschröhren durch Bügel oder einen Wickeldraht gebündelt sind.
Rohrbündelwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel an Stutzen für den Ein- und Ausgang des Heizmediums erweitert und in der erweiterten Zone mit einer Ausnehmung ausgeführt ist.
Rohrbündelwärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass er sich durch die Form eines sechseckigen Prismas unterscheidet.