DE2160372B2 - Vorrichtung zur gleichmäßigen Durchströmung eines Rohrbündelwärmetauschers - Google Patents

Description

5 Rohre des Rohrbündels zu verteilen, in der ein-XssriSgen Endkammer selbst geordnete Stromungs-SrKKSe mit einheitlicher Verwe.lze.t des StmmuS'ttels zu erreichen, d. h. es sind die gle.chmaß,-ae DuS trömung der Rohre und die geordnete Zu-Körnung zum Rohrbündel ohne unkontrollierbare wibelströmungen in der eintrittsseit.gen Endkammer

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur gleichmäßigen Durchströmung eines Rohrbündelwärmetauschers mit einem Rohrbündel zwischen zwei Rohrboden, von denen aus sich die Endkammern zum Einiritts- bzw. Austrittsstutzen hin verengend erstrecken und mit mindestens einer öffnungen aufweisenden Einsatzhaube. <*>

Bei derartigen Vorrichtungen ist es erforderlich, in der eintrittsseitigen Endkammer der Rohrbündelwärmetauschers das Strömungsmittel von dem verhältnismäßig kleinen Strömungsquerschnitt des Eintrittsstutzens auf den großen Querschnitt des Rohrbündels zu verteilen und nach dem Durchströmen der Rohre die Teilströme in der austrittsseitigen Endkammer wieder auf den Strömungsquerschnitt des Austrittsstutzens zu u.e aim.»....« in der eintr.ttsseitigen Endkammer steU eine Diffusorströmung dar.d.h. eine Strömung ,„ e inem sich erweiternden Kanal. Be, idealer Durchströmt solcher Kanäle nimmt der Druck infolge der Ge- Swindigkeitsverringerung in Strömungsnchtung zu. Sadurch entstehen im Fall zu starker Erweiterungen Ungleichförmigke.ten durch Strömungsablosungen an den Innenwänden und teilweise Rückströmungen entgegen der Hauptströmung von den stromabwärts gelegenen Gebieten höheren Drucks zu den Gebieten niedrigeren Drucks am Eintrittsstutzen

D.ese Erscheinungen treten bekanntlich nicht bei sehr schlanken Diffusoren mit nur geringer Erweiterung auf bei denen die Hauptströmung von der Mitte her der verlustbehafteten Strömung an der Innenwand genügend Energie zuführt, wodurch Ablösungen vermieden werden. Die geringen zuläss.gen maximalen Erweiterungen bedingen jedoch derart lange Baulangen. die praktisch als Ausführungsformen für eintritissemge Endkammern nicht in Betracht kommen

Es ist bekannt, zur Erfüllung der Erfordernisse der Erfindung für die eintrittsseitige Endkammer eine r.insatzhaube vorzusehen, die Öffnungen zeigt an der Innenwand dieser Endkammer anl.egt und bei der Füllungen aus Glaskugeln oder Drahtgewebe bzw. und Einbauten zum Aufstau und zur VerglcichmaBigung der Strömung vorhanden sind, wobei u.a. Einbauten aus perforierten Scheidewänden in der Art von herkömmlichen Muliidiffusoren eingesetzt sind, deren Ringraiime zwischen den Scheidewänden in Strömungsrichtung -rößer werdende Spaltbreiten zeigen (US-PS 3 407 875) Die Füllungen und Einbauten verlängern durch den starken Druckverlust die Verweil/.eit des Strömungsmittels in der eintrittsseit.gen Endkammer und fördern somit die Verschmutzung des Rohrbündelwärmetauscher. Weiterhin sind Einbauten für c.ne eintrittsseitige Endkammer bekannt, die aus einer Reihe kegelförmiger, bis zum Rohrboden reichender Einsätze bestehen und Multidiffusoren mit in Strömungsrichtung größer werdenden Spaltbreiten der Ringraume darstellen (US-PS 3 552 487). Durch die große Oberflache die scr Einsätze in der ungckühlten Zone ist ebenfalls eine erhöhte Verkokungsgefahr bei ungünstigen Reim gungsmöglichkeiten der Einsätze gegeben. Ferner win vorgeschlagen, die unerwünschte Koksbildung an dei Innenwänden der sich erweiternden eintrittsseitige. Endkammer infolge unkontrollierbarer Stromungsablo sungen und teilweiser Rückströmungen durch Einbla sen von Fremddampf, der die Gasströmung aus den kri tischen Ablösungsgebieten verdrängt, zu vermeide! (US-PS 3 416 598). Besondere Vorrichtungen für d. Fremddampfbereitstellung und -zuführung müssen ge schaffen werden, und die Vermischung des Stromungs mittels mit dem Fremddampf muß in Kauf genomme werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine »leichmftßige Purchströmung der Rohre und der einrrittsseitigen Endkammer eines Rohrböndels ohne gro-3e zusätzliche Druckverluste und ohne Strömungsablösungen unter Vermeidung unkontrollierbarer Röckströmünzen innerhalb des Hauptströmraums der eintritts· seitigen Endkammer ?u erzielen. Die eintrittssettige Endkammer soll wegen der Verschmutzungsgefahr keine Einbauten, wie Siebe oder Platten, in der Hauptströmung enthalten und soll eine möglichst kleine Baulänge "o aufweisen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäB dadurch gelöst, daß die in mindestens der eintrittsseitigen Endkammer angeordnete Einsauhaube aus einem einzigen Leitmantel besteht, der mit der Innenwand der Endkammer einen Ringraum mit in Strömungsrichtung kleiner werdenden oder gleichbleibenden Spaltbreite bildet und daß an der Mündung des Eintrittsstutzens in die eintrittsseitige Endkammer eine diffusorartige Umlenkvorrichtung angeordnet ist

Um bei der an der Innenwand abgebremsten Grenzschicht, die bei starker Erweiterung der eintrittsseitigen (Endkammer und damit verbundenen relativ starken Druckzunahme in Strömungsrichtun^; leicht Ablösungen zeigen kann, Ablösungserscheinungen durch Energiezufuhr mittels Einblasens eines Teilstromes des Strömungsmittels in die Grenzschicht an der Innenseite der Einsatzhaube verhindern zu können, ist nach einer ■weiteren Ausbildung der Erfindung an dem Mantel der Einsatzhaube ein Stutzen angefügt, der in den Eintritt- 3c stutzen ragt und mit diesem einen für die ankommende Strömung offenen Ringspalt bildet.

Um durch Erzeugung eines Unterdrucks mit Hilfe der kinetischen Energie und des geringen statischen Drucks der Hauptströmung im Ringraum zwischen der eintrittsseitigen Endkammer und ihrer Einsatzhaube die Strömungsgrenzschicht durch Absaugen beeinflussen zu können, ist nach der Erfindung der Mantel der Einsatzhaube mit einem in die Endkammer ragenden, Öffn.ngen aufweisenden Teil des Eintrittsstutzens verbunden.

Soll das aus dem Ringraum zwischen der eintrittsseitigen Endkammer und ihrer Einsatzhaube durch die öffnungen im Einlritlsstutzen abzusaugende Strömungsmittel dem Zentrum der Hauptströmung zur bes- Miseren Vermischung zugeführt werden, so ist nach einer ferneren Ausgestaltung der Erfindung an die Öffnungen des in die Endkammer ragenden Teiles des Eintrittsstutzens jeweils ein gebogenes Rohr angeschlossen, deren freies Ende im Mittelbercich des Eintritts-Stutzens endet.

lsi beabsichtigt, im Austrittsstutzen der austrittsseiiigen Endkammer den Unterdruck für das Absauger, dei Strömungsgrenzschicht in der eintrittsseitigen Endkammer zu erzeugen, so ist bei Anordnung der Einsatzhaube sowohl in der eintrittsseitigen als auch austriltsseiligen Endkammer jeweils der größte Außendurchmesscr des Mantels der Einsatzhaubc kleiner als der kleine Berührungskreisdurchmesser der nächsten ringförmig angeordneten Rohrreihe, der Austrittsstutzen ist als Strahlpumpe ausgebildet, und die Einsatzhaube endet austrittsseitig im Bereich der Saugseite der Strahlpumpe und bildet mit deren Wandung einen Ringspalt.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere divin, daß eine geordnete /uströmung des Strömungsmittel zum Rohrbündel ohne unkontrollierbare Wirbel' \-ömungen in der eintrittsseitigen Endkammer uno somit eine gleichmäßige Durchströmung des Rohrbündels erreicht wird. Ganz besondere Vorteile zeigt die Lösung mit der eintritts- und austriusseitigen Endkammer. Diese Lösung vermeidet jede Rflckvermischung des abgesaugten Strömungsmittel mit den» in den Rohrbündelwärmetauscher eintretenden Strömungsmittelstrom und unterwirft den abgesaugten Ssrömungsmittelstrom in der äußeren Rohrreihe des Rohrbündels der gleichen Zustandsänderung wie sie die Hauptströmung in dem Rohrbündel erfährt Diese Ausführung ist daher besonders für Anwendungsfälle geeignet, bei denen es auf eine möglichst einheitliche Verweilzeit des Strömungsmittels in dem gesamten Rohrbündelwärmetauscher ankommt

A.usführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. I einen Längsschnitt durch eine schematisch dargestellte eintrittsseitige Endkammer, das Rohrbündel abgebrochen gezeichnet,

F i g. 2 eine Abwandlung der Fig. 1,

F i g. 3 eine weitere Abwandlung der F i g. 1 und

Fig.4 einen Längsschrmt durch einen Rohrbündelwärmetauscher mit eintritts- und austrittsseitiger Endkammer in schematischer Darstellung.

In F i g. 1 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem ein Teil des mit hoher Geschwindigkeit in den Rohrbündelwärmetauscher eintretenden Strömungsmittels der Grenzschichtströmung in der eintrittsseitigen Endkammer zugeführt wird.

Das Strömungsmittel trit. durch den Eintrittsslutzen I der eintrittsseitigen Endkammer 2 in den Rohrbündelwärmetauscher ein. In der Endkammer 2, die aus dem Eintrittsstutzen 1 mit dem Innendurchmesser d und der Innenwand 3 besteht, ist die Einsatzhaube 4 angeordnet, die an ihrer Mantelfläche die Öffnungen 5 aufweist und mit dem Stutzen 6 mit dem Innendurchmesser D verbunden ist. Der Innendurchmesser Di ist etwas kleiner als der Innendurchmesser ddes Eintrittsstuizens 1, so daß ein Teil des Strömungsmittels direkt in den Ringraum 7 zwischen der Einsatzhaube 4 und der Innenwand 3 der Endkammer 2 geleitet wird. Der vom Eintrittsstutzen t und dem Stutzen 6 gebildete offene Ringspalt ist mit 8 bezeichnet. Die Innenwand 3 braucht nicht unbedingt die Außenwand der Endkammer 2 zu sein. Sie kann vielmehr auch durch die Verkleidung einer inneren Wärmeisolierung der Endkammer 2 gebildet sein. Durch die Öffnungen 5 in der Einsatzhaube 4 wird das Strömungsmittel aus dem Ringraum 7 in die Grenzschicht an der Innenseite der Einsatzhaube 4 eingeblasen. Zur besseren Verteilung des direkt durch den Stutzen 6 mit dem Innendurchmesser IJh in die Einsatzhaubc 4 eintretenden Strömungsmittels is; die kurze, diffusorartige Umlenkvorrichtung 9 vorgesehen. Mit 10 ist das Rohrbündel bezeichnet und mit 11 die auf einer kreisringförmigen Grundfläche angeordnete äußere Rohrreihe des Rohrbündels 10.

Die Γ" i g. 2 und 3 /eigen Lösungen mit Grenzschichtabsaugung unter Ausnutzung der kinetischen Energie des eintretenden Strömungsmittel. Die Einsatzhaube 4 ist in diesem Fall mit ihrer EintritKseite fest oder durch Anliegen mit dem in die Endkammer 2 hineinragender Eintrittsslutzen 1 verbunden. Der Ringraum 7 ist dirc-kl mit dem als Strahlpumpe wirkenden Eintrittsstutzen f verbunden. Im einfachsten Fall erfolgt diese Verbin dung durch die Öffnungen 12 in der Wand des Eintritts Stutzens I (F i g. 2). Durch diese öffnungen 12 erzeug' der geringe statische Druck des schnell fließender

Strömunigsmittels im Eintrittsstutzen 1 dem Innenraum 13 der Etnsatzhaube 4 gegenüber einen Unterdruck in dem Ringraum 7, so daß durch die öffnungen 5 in der Einsatzhaube 4 die Grenzschicht von deren Innenseite abgesaugt wird. Zur besseren Vermischung des rückgesaugten Strömungsmittels mit dem eintretenden Strömungsmittelstrom können entsprechend F i g. 3 die gebogenen Rohre 14 im Eintrittsstutzen 1 eingesetzt sein. wo sie anstelle der Öffnungen 12 der F i g. 2 die Strahlpumpenwirkung des eintretenden Strömungsmittelstromes, ausnutzen und das abgesaugte Strömungsmittel der Mitte des Eintrittsstrahles zuführen.

Die in den F i g. 2 und 3 dargestellten Ausführungen sind lediglich Beispiele für die Ausnutzung des Eintrittsstutzens als Strahlpumpe, die in bekannter Weise auch aus besonderen Treib- und Mischdüsen mit anschließendem Diffusor bestehen kann und mit dem Ringraum 7 in Verbindung steht.

F i g. 4 veranschaulicht eine andere Möglichkeit der Grenzschichtabsaugung, bei der die kinetische Energie des aus dem Rohrbündelwärmetauscher austretenden Strömungsmittelstroms ausgenutzt wird. Die Einsatzhaube 4 der Endkammer 2 liegt mit ihrem eintrittsseitigen Ende dicht an der Innenwand 3 der Endkammer 2 oder an dem Eintrittsstutzen 1 an. An ihrem anderen Ende zeigt die Einsatzhaube 4 ihren größten Durchmesser, und zwar den Außendurchmesser Di. der etwas kleiner als der kleine Berührungskreisdurchmesser D der äußeren Rohrreihe 11, jedoch größer als der große Berührungskreisdurchmesser der nächsten ringförmig angeordneten Rohrreihe ist, so daß diese äußere Rohrreihe 11 in dem Ringraum 7 zwischen der Einsatzhaube 4 und der Innenwand 3 der Endkammer 2 mündet. Ähnlich wie in der eintrittsseitigen Endkammer 2 isi auch in der austrittsseitigcn Endkammer 15 die Einsatzhaube

to 16 angeordnet. Sie bildet mit der Innenwand 17 der Endkammer 15 den Ringraum 18, der durch die äußere Rohrreihe 11 des Rohrbündels 10 mit dem Ringraum 7 der Endkammer 2 in Verbindung steht. Der Austrittsstutzen 19 des Rohrbündelwärmetauschers ist als Strahlpumpe ausgeführt und mit dem Ringraum 18 über den Stutzen 20 der Einsatzhaube 16 verbunden, wobei die Wandung 21 der Saugseite der Strahlpumpe im Austrittsstutzen 19 mit dem Stutzen 20 der Einsatzhaube 16 den Ringspalt 22 bildet. Auf diese Weise wird die Grenzschicht an der Innenseite der Einsaüzhaube 4 der eintrittsseitigen Endkammer 2 durch die öffnungen 5. den Ringraum 7, die äußere Rohrreihe 11 und der Ringraum 18 der austrittsseitigen Endkammer 15 vor dem durch den Austrittsstutzen 19 fließenden Strö mupgsmittelstrom abgesaugt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur gleichmäßigen Durchströmung eines Rohrbündelwärmetauscher* mit einem Rohrbündel zwischen zwei Rohrboden, von denen aus sich die Endkammern zum Eintritts- bzw. Austrittsstutzen hin verengend erstrecken und mit mindestens einer öffnungen aufweisenden Einsatzhaube, dadurch gekennzeichnet, daß die in min destens der eintrittsseitigen Endkammer (2) angeordnete Einsatzhaube (4) aus einem einzigen Ueitmantel besteht, der mit der Innenwand (J) der Endkammer (2) einen Ringraum (7) mit in Strömungsrichtung kleiner werdenden oder gleichblei- ibenden Spaltbreite bildet und daß an der Mündung des Eintrittsstutzens (1) in die Endkammer (2) eine diffusorartige Umlenkvorrichtung (9) angeordnet ist.

2. Vorrichvjng nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, datf an dem Mantel der Einsatzhaube (4) ein Stutzen (6) angefügt ist, der in den Eintrittsstutzen (1) ragt und mit diesem einen für die ankommende Strömung offenen Ringspalt (8) bildet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel der Einsalzhaube (4) mit einem in die Endkammer (2) ragenden, öffnungen (12) aufweisenden Teil des Eintrittsstutzens (1) verbunden ist.

4. Vorricr ung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an die öffnungen (12) des in die Endkammer (2) ragenden Teiles i'js Eintrittsstutzens (1) jeweils ein gebogenes riohr (14) angeschlossen ist, deren freies Ende im Mittelbeiväch des Eintrittsstutzens(t) endet.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anordnung der Einsatzhaube (4; 16) sowohl in der eintrittsseitigen als auch austrittsseitigen Endkammer (2 und 15) jeweils der größte Außendurchmesser (D2) des Mantels der Einsatzhaube (4; 16) kleiner ist als der kleine Berührungskreisdurchmesser (D) der äußeren Rohrreihe (11), jedoch größer ist als der große Berührungskreisdurchmesser der nächsten ringförmig angeordneten Rohrreihe und daß der Austrittsstutzen (19) als Strahlpumpe ausgebildet ist und die Einsatzhaubc (16) austrittsscitig im Bereich der Saugseite der Strahlpumpe endet und mit deren Wandung (21) einen Ringspalt (22) bildet.

cn vereinigen. Für Rohrbündelwärmetauscher allgemein und^chemische Reaktoren ist es wegen des einheit-Sen Ablaufs des in dem Rohrbündel angestrebten fohrpnTechniscben Prozesses weiterhin erforder-