DE2131169A1 - Behaelter mit Einrichtung zum Waermeaustausch durch die Wand - Google Patents

Description

Patentanwalt· ■ ·

Dlpl.-Ing. R. B E E T Z mmtit DIpI-Ing. K. LAMPRECHT ' ■ * ·

Dr.-Ing. R. B E E T Z Jr. *

fi Münoh.n 22, St#in«dorf«tr. 10 2131169

310-17.211P (17.212H) 23.6.1971

CREUSOT-LOIRE. Par i s , (Frankreich)

Behälter mit Einrichtungen zum Wärmeaustausch

durch die Wand

Die Erfindung bezieht sich auf einen Behälter mit Einrichtungen zum Wärmeaustausch durch die Wand mit einer innen durch eine Schutzhaut abgedeckten mechanisch festen äußeren ffltlle, die von der Schutzhaut durch einen Zwischenraum getrennt ist sowie mit einer Einlaß- und einer Auslaßkammer für das Wärmeübertragungsmittel an beiden Enden des Behälters, die mit dem Zwischenraum zwischen mechanisch fester Hülle und Schutzhaut in Verbindung stehen.

Autoklaven und ganz allgemein Behälter, die in der chemischen Industrie als Reaktionsapparaturen für diskontinuierlichen Betrieb verwendet werden, haben meist eine Wand, die durch ein von einem äußeren verdoppelnden bzw. Doppelmantel umgebenes plattiertes Blech gebildet wird. Das Blech ist dabei von genügender Stärke zur Aufnahme der vom Druck oder Unterdruck im Behälter herrührenden Kräfte, und die Plattierung wird durch eine dünne korrosionsbeständige Schutzhaut gebildet, deren Art von der jeweiligen Reaktion abhängt. Der Doppelmantel begrenzt einen nach außen zu an

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das plattierte Blech angrenzenden Zwischenraum, durch den ein Heiz- oder Kühlmittel zirkulieren kann, je nachdem, ob die durchzuführende Reaktion einen Nachschub von Wärme oder die Abführung exotherm entwickelter Wärmemengen erfordert.

Im Falle der Heizung durch Dampf treten infolge des innerhalb des Doppelmantels herrschenden Drucks Probleme bezüglich der mechanischen Festigkeit auf, welche die Möglichkeiten der Apparatur sowohl hinsichtlich der Temperatur als auch der Wärmeübertragung begrenzen. Man kann Spezialk fluide mit geringem Dampfdruck verwenden, aber die Lösung ist ziemlich kostspielig.

Im Falle der Aufheizung oder Kühlung durch Flüssigkeit ist es schwierig, innerhalb des Doppelmantels eine gleichmäßige Zirkulation mit ausreichender Geschwindigkeit für einen entsprechend hohen Wärmeaustausch-Koeffizienten zu erzielen. Wegen der Dicke des druckbeständigen Blechs bietet die Wand einen erheblichen Widerstand für den Wärmefluß, der durch den Kontaktwiderstand zwischen dem Grundmetall und dem rostfreien Stahl (im Falle von plattiertem Stahl) noch erhöht^;wird.

P Der globale Wert der Wärmedurchgangszahl kann dann

recht klein werden.

Im übrigen ist der Doppelmantel bisweilen schwierig anzubringen, wenn für einen möglichst schmalen Spalt zwischen Doppelmantel und mechanisch festem Blech gesorgt wer-

en soll. Es ist daher schwierig, ausreichende Zirkulationsgeschwindigkeiten für das Kühl- oder Heizmittel zu erreichen, ohne den Fluiddurchfluß erheblich zu erhöhen.

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Es wurden bereits doppelwand!ge Behälter mit zwischen den Wänden zirkulierendem Kühlmittel vorgeschlagen; es handelt sich dabei jedoch um Behälter, die keinen hohen Innendruck auszuhalten haben. Bei Druckbehältern besteht die Schwierigkeit, daß der auf die Innenwand ausgeübte Druck von dieser aufgenommen oder auf eine äußere mechanisch feste Wand übertragen werden muß. Zu diesem Zweck wurde vorgeschlagen, zwischen den Wänden einen den Innendruck im Behälter ausgleichenden Druck vorzusehen, aber das zu diesem Zweck vorgesehene Fluid ist nicht gut für den Wärmeauetausch auszunutzen, denn es ist in der Tat schwierig, den dem Fluid aufgeprägten Druck mit der für die Wärmeabführung erforderlichen Zirkulationsgeschwindigkeit in Einklang zu bringen.

Ziel der Erfindung ist daher die Beseitigung dieser Mängel durch eine neue Vorrichtung mit sehr sptirbar verbesserter Wärmedurchgangezahl des Systems, bei dem eine angemessene Übertragung der vom Innendruck herrührenden Kräfte auf das mechanisch feste Blech gewährleistet und dia Montage der Wand und der Aufbau des Behälters vereinfacht sind.

Der zu diesem Zweck entwickelte erfindungsgemäße Behälter der eingangs genannten Art ist gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von gleichmäßig längs dsr Wand verteilten Verbindungsbzw. Dickenkeilen, die mit der mechanisch festen Hülle und der Schutzhaut verschweißt sind und jeweils zumindest eine ohne Metallzusatz vom Inneren des Behälters her ausgeführte Punktschweißung aufweisen, deren Schmelzzone die Schutzhaut und den Dickenkeil durchsetzt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von einigen be-

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sonderen Ausführungsarten beschrieben, die als Beispiele angegeben werden und durch die angefügten Zeichnungen veranschaulicht sind; es zeigen:

Fig. 1 einen Transversalschnitt durch einen Behälter gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine Teilaufsicht auf den in Fig. 1 gezeigten Behälter mit entferntem mechanisch festem Blech;

Fig. 3 einen Schnitt durch die Wand des Behälters gemäß Fig. 1 in vergrößertem Maßstab, der zum einen die Art des Anschlusses von Boden oder Stirnwand und zum anderen die Art der Befestigung der Schutzhaut zeigt;

Fig. h eine zweite Ausführungsart der Wand des Behälters gemäß Fig. 1, abgewickelt bzw. geschnitten längs IV-IV der Fig. 5, und

Fig. 5 einen Schnitt durch die Behälterwand längs V-V der Fig. 4.

Der in Fig. 1 gezeigte Behälter umfaßt eine an beiden Enden durch zwei merklich bzw. genau halbkugelförmige Boden abgeschlossene zylindrische Wand. Diese Wand wird durch eine mechanisch feste Hülle 1 gebildet, die innen durch eine Schutzhaut 2 abgedeckt ist. Die mechanisch feste Hülle 1 besteht aus einem dicken Blech, das im allgemeinen aus gewöhnlichem Stahl besteht und zur Aufnahme der im Behälter

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erzeugten Drucke oder Unterdrucke bestimmt ist. Die Schutzhaut 2 besteht aus einem korrosionsbeständigem dünnen Blech und wird beispielsweise durch rostfreien Stahl gebildet, wobei allerdings die Art der Schutzhaut von den zu erwartenden Reaktionsprodukten im Behälter abhängt.

Bei herkömmlichen Behältern wird die Schutzhaut 2 auf das Blech 1 nach herkömmlichen Plattierungsverfahren aufgebracht und ist mit dieser in Kontakt. Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsart wird die Schutzhaut 2 dagegen durch gleichmäßig über die gesamte Länge der Wand, wie in Fig. 1 teilweise gezeigt ist, verteilte Abstandsscheiben 31 von der Hülle 1 in einem Abstand e (Fig. 3) entfernt gehalten.

Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsart ist die Schutzhaut an der Hülle 1 vermittels einer Mehrzahl von in der Schutzhaut vorgesehenen Öffnungen 4 befestigt, deren Ränder 21 bis zum Kontakt mit der mechanisch festen Hülle umgebogen sind. Die Ränder 21 sind mit der Hülle 1 durch eine Schweißverbindung 5 verschweißt. Auf der anderen Seite wird die Kontinuität der Hülle bzw. des Gehäuses durch einen Schweißpfropfen 6 gewährleistet. Die Verteilung und der Abstand der Dicken- bzw. Abstandsscheiben 31 sorgen für die Übertragung der auf die Schutzhaut 2 ausgeübten Druckkräfte auf die mechanisch feste Hülle 1. Ebenso kann im Falle, daß innerhalb des Behälters ein Unterdruck herrscht, die Schutzhaut aufgrund der Verteilung der Schweißöffnungen k dem Druck des im Zwischenraum 3 zwischen Hülle und Haut zirkulierenden Wärmeübertragungsmittels widerstehen.

In Höhe der beiden Böden bzw. Stirnwände des Behälters entfernt sich die Schutzhaut 2 fortschreitend von der Hülle 1 (Fig. 1), so daß an beiden Enden des Behälters zwei

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Kammern 7 entstehen, in die die Einlaßleitung 71 bzw. die Ausl.aßleitung 72 für das Wärmeübertragungsmittel einmünden.

Die Schutzhaut ist mit dem Boden bzw. der Stirnwand der Hülle 1 über strahlenförmig angeordnete kleine Träger 32 verbunden, die etwa die Form von kreisförmigen Halbsegmenten haben, die durch Latten oder Stege von gleicher Dikke wie die Abstandsscheiben 31 verlängert werden.

Fig. 3 zeigt (links) die Art der Befestigung einer Stirnwand an der zylindrischen Wand. Für die leichte Ausführung der Schweißverbindung der mechanisch festen Hülle auf beiden Seiten sind die Enden der die Stirnwand bzw. die zylindrische Wand bedeckenden Schutzhaut 2 auf einen Ring bzw. eine Fassung 35 aufgeschweißt. Ein mit der Schutzhaut identischer verbindender Kreisring 22 wird dann auf die Ringe 35 und mit den Enden der die Stirnwand bzw. die Zylinderwand bedeckenden Schutshaut 2 aufgeschweißt bzw. verschweißt, wodurch die Kontinuität der Schutzhaut gewährleistet wird. Die Form und Verteilung der schmalen Träger 32 kann derart abgefaßt werden, daß die gleichmäßige Verteilung des durch die Leitung 71 zugeführten Fluids erleichtert wird.

Die Fig. 4 und 5 zeigen ein weiteres Beispiel für die Ausführung der Wand eines erfindungsgemäßen Behälters.

Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsart haben die Dickenkeile bzw. Abstandsscheiben 31 die Form von Quadraten, deren Diagonale parallel zur Strömungsrichtung des Wärmeübertragungsmittels verläuft. Zum anderen ist die Schutzhaut 2 mit dem Blech 1 über Verbindungskeile 34 vermittels einer gewissen Anzahl von Punktschweißungeη 36 be-

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festigt, die unter Inertgas ohne Zusatznietall derart aus-' geführt werden, daß die Schmelzzone die Haut 2 und den Keil Jk durchdringt und lediglich einen Teil des Blechs 1 angreift. Die Montage der Haut 2 auf dem Blech 1 wird so erleichtert und die Kontinuität der Schutzhaut durch die Schweißverbindungen nicht angegriffen. Auf der anderen Seite wird die Strömung des Wärmeübertragungsmittels durch die quadratische Form der Abstandskeile 31 und der Verbindungskeile "}k verteilt unter Aufspaltung des Durchflusses und Einführung von Turbulenzen, welche die Zirkulationsgeschwindigkeit des Fluids erhöhen und bessere Wärmeübergänge begünstigen.

Die erfindungsgemäße Ausführungsart ermöglicht so eine maximale Verminderung der Dicke der vom Wärmeübertragungsmittel gebildeten Schicht (Grenzschichten) unter Verbesserung des Wärmeübergangs-Koeffizienten bzw. der gesamten Wärmeübertragung vom Behälterinnenraum zum Wärmeübertragungsmittel hin.

Zur Gewährleistung einer gleichmäßigen Verteilung des Wärmeübertragungsmittels im Zwischenraum zwischen den Wänden kann man die Einlaß- und Auslaßkammern in Form von Verteilern und Sammelräumen in Volutenform ausführen. Bei dieser Ausführungsart hat die Einlaß- oder Auslaßkammer die Form eines Kreisringes, dessen transversaler Querschnitt mit der Entfernung von der Einlaß- bzw. Auslaßleitung (71 oder 72) abnimmt. Auf diese Weise wird eine gleichmäßige Verteilung des Fluiddurchflusses über die gesamte Wand des Behälters gewährleistet.

Selbstverständlich kann man ebenso den Transversal-

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querschnitt von anderen Ein- oder Auslaßkammern, wie sie etwa in Fig. 1 gezeigt werden, gleichmäßig vermindern unter entsprechender Formänderung der schmalen Abstandsträger 32 (bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsart).

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die verschiedenen beschriebenen Ausführungsarten beschränkt, die im Detail abgewandelt werean können, ohne daß dadurch der Rahmen der Erfindung verlassen wird. Im übrigen findet die Erfindung bei allen Arten von Behältern Anwendung, deren Wand Sitz eines Wärmeaustausches ist, unabhängig von der Behälterform oder Zweckbestimmung.

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Claims (3)

1. Patentansprüche

   /Behälter mit Einrichtungen zum Wärmeaustausch durch die Wand mit einer innen durch eine Schutzhaut abgedeckten mechanisch festen äußeren Hülle, die von der Schutzhaut durch einen Zwischenraum getrennt ist sowie mit einer Einlaß- und einer Auslaßkammer für das Wärmeübertragungsmittel an beiden Enden des Behälters, die mit dem Zwischenraum zwischen mechanisch fester Hülle und Schutzhaut in Verbindung stehen und einer Mehrzahl von gleichmäßig verteilten Dickenkeilen, die zwischen Hülle und Haut eingeschoben sind, dadurch gekennzeichnet , daß die Dickenkeile (31) .mit der mechanisch festen Hülle (i) und der Schutzhaut (2) jeweils durch zuwindest eine Punktschweißung verschweißt sind, die ohne Zusatzmetall vom Innern des Behälters ausgeführt ist und deren Schmelzzone die Schutzhaut und den Dickenkeil durchdringt.
2. 2. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dickenkeile (30 eine quadratische Form haben und mit, der Diagonalen parallel zur mittleren Strömungsrichtung der Wärmeübertragungsmittelzirkulation verlaufen.
3. 3. Behälter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Öffnungen (4) in der Schutzhaut (2), deren Ränder (21) bis zum Kontakt mit der mechanisch festen Hülle (1) umgebogen sind und die jeweils zumindest teilweise durch eine Verschweißung (5> 6) ausgefüllt sind.

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