DE2427303B2

DE2427303B2 - Waermetauscher

Info

Publication number: DE2427303B2
Application number: DE19742427303
Authority: DE
Original assignee: Centralnyj nautschno-issledovatelskij i proektno-konstruktorskij kotloturbinnyj institut im.I.I. Polsunova, Leningrad (Sowjetunion)
Priority date: 1974-06-06
Filing date: 1974-06-06
Publication date: 1978-01-12
Also published as: DE2427303A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Wärmelauscher mit in einem Wärmetauscherbehälter angeordneten, jeweils einen Ringkanal bildenden Innen- und Außenrohren, bei dem die Ringkanäle über die Außenrohre an Endkammern für eine zähe Flüssigkeit angeschlossen sind, in welchen Trennwände zur Ausbildung von Umkehrkammern neben einer Ein- bzw. Austrittskammer angeordnet sind und bei dem die Auslaßkammer für ein zweites Fluid, an die die Innenrohre angeschlossen sind, mit dem Raum des Wärmetauscherbehälters in Verbindung steht. Ein solcher Wärmetauscher isi aus der DT-PS 2 37 644 bekannt.

Bei dieser bekannten Ausbildung handelt es sich um einen Wärmetauscher zum Kühlen von öl als zäher Flüssigkeit und das zweite Fluid ist ein geeignetes Kühlmittel, z. B. Wasser.

Die zähe Flüssigkeit durchströmt dabei mehrfach hin und her eine wachsende Anzahl von Ringkanälen, d. h. nach jeder Richtungsumkehr steht der zähen Flüssigkeit eine größere Anzahl von Ringkanälen zur Durchströmung zur Verfügung, so daß im Hinblick auf die mit zunehmender Abkühlung wachsende Zähigkeit der Strömungswiderstand ungefähr gleich bleibt.

Diese bekannte Ausbildung wäre nicht sehr geeignet, zur Erwärmung von zähen Flüssigkeiten, insbesondere mittels Heizdampfs. W^nn zähe Flüssigkeiten mittels Heizdampfs in einem Wärmetauscher der betrachteten Bauart erwärmt werden sollen, kann die Aufrechterhaltung eines guten Wärmeübergangs deswegen problematisch werden, weil das sich niederschlagende Kondensat des Heizdampfs die Dampfströmung behindert und den Wärmeübergang erschwert. Dies gilt bei der vorstehend betrachteten bekannten Ausbildung, insbesondere im unteren Bereich der schmalen Ringkanäle, der sich mit Kondensat füllen würde und für einen wirksamen Wärmetausch nicht mehr zur Verfügung stünde.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen ~> Wärmetauscher der eingangs genannten Art zur Erwärmung von zähen Flüssigkeiten mittels eines Heizdampfes geeignet zu machen, wobei bei einfachem und kompaktem Aufbau eine gute Wärmeaustauschwirksamkeit und eine problemlose Abführung des

ι ο Kondensats erreicht werden soll.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind erfindungsgemäß die Innenrohre des mit seiner Längsachse um 2° bis 5° zur Waagrechten geneigten Wärmetauschers an einem Ende verschlossen und weisen jeweils ein einen

H Ringraum bildendes, mit einer Einlaßkammer für Heizdampf als das zweite Fluid in Verbindung stehendes Zusatzrohr auf, das an seiner dem verschlossenen Ende des jeweiligen Innenrohres nahen Stirnseite ebenfalls verschlossen ist und im unteren Teil seines Mantels Austrittsöffnungen aufweist, welche unter einem Winkel von 60 bis 80° zur Mantellinie des Rohres in Richtung auf die Auslaßkammer für den Heizdampf weisen.

Bei einer solchen Ausbildung ist die Abführung des Kondensats schon durch die Neigung des Wärmetau-

_>5 schers erleichtert und in den engen Ringkanälen kommt hinzu, daß der durch die geneigten Austrittsöffnungen der Innenrohre austretende Dampf den Kondensatfilm vor sich her treibt und den Strömungsrcum frei bläst. Auf diese Weise sind nirgends isolierende Kondensat-

5(i schichten vorhanden und alle Oberflächen werden maximal im Sinne des Wärmetauschs genutzt.

An sich ist aus der DT-OS 21 55 482 ein Wärmetauscher mit in einem Wärmetauscherbehälter angeordneten Außen- und Innenrohren und dazwischenliegenden

r> Ringräumen bekannt, wobei innerhalb des Innenrohres ein Zusatzrohr angeordnet ist. Bei dieser Ausbildung sind jedoch die Rohre sämtlich senkrecht orientiert und dienen zum Wärmetausch zwischen Flüssigkeiten oder zur Dampferzeugung, nicht jedoch zur Erwärmung

•to einer zähen Flüssigkeit mittels Heizdampfs, der dabei kondensiert.

Aus der US-PS 29 42 858 ist ein Wärmetauscher bekannt, bei dem in ein blind endendes Rohr ein Zusatzrohr ragt, in das Dampf eingeleitet wird, welcher

r> durch öffnungen austritt, die längs der Erstreckung des Zusatzrohres rundum angeordnet sind. Bei dieser Ausbildung geht es darum, Luft mittels des Dampfes aufzuheizen, wobei die Blindrohre mit Rippen versehen sind. Hier sind von vornherein keine Außenrohre und demgemäß auch keine Ringkanäle vorgesehen, durch die eine zu erhitzende zähe Flüssigkeit geleitet werden könnte. Außerdem sind keine Maßnahmen getroffen, mit denen die Ableitung des Kondensats aus dem Ringraum zwischen Zusatzrohr und Blindrohr erleich tert würde.

Schließlich ist aus der FR-PS 12 29 854 eine Anordnung bekannt, bei der in einem zylindrischen Kanal ein Innenrohr (vergleichbar mit dem vorliegenden Zusatzrohr) angeordnet ist, welches mit schrägen

w) Austrittsöffnuiigen versehen ist, welche längs der oberen und unteren Mantellinie hintereinanderliegen. Hier geht es darum, einen Wärmetauscher in der Art eines Pulsotriebwerks zu betreiben, wozu das Innenrohr mit Druckpulsationen beaufschlagt wird. Auch hier

n^r, treten die Probleme der Kondensatabführung nicht auf, um die es vorliegend geht.

Nachstehend wird die Erfindung durch die Beschreibung eines Ausfiihrungsbeispiels an Hand der Zeichnun-

gen weiter erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher zum Erwärmen von zähen Flüssigkeilen.

Fig.2 den Querschnitt durch den Wärmetauscher gemäß F ig. 1 längs der Schnittlinie 11-11,

Fig.3 einen Längsschnitt durch das Innen- und das Zusatzrohr eines Heizelementes,

Fig.4 den Querschnitt durch dasselbe Heizelement nach linie IV-IV in F i g. 3.

Der Wärmetauscher zum Erwärmen von zähen Flüssigkeilen besteht aus einem zur Waagrechten um einen Winkel von 2° bis 5° geneigten Behälter I mit einem vorderen Rohrboden 2 und einem hinteren Rohrboden 3, in welchen Außenrohre 4 eingeschweißt sind. In diesen sind unter Bildung eines Ringkanals konzentrisch Innenrohre 5 angeordnet, die zur Vergrößerung der wärmeabgebenden Fläche äußere plattenförmige Längsrippen 6 tragen.

In den Innenrohren 5 sind Zusatzrohre 7 ebenfalls konzentrisch angeordnet. Die Innenrohre 5 und die Zusatzrohre 7 bilden die Heizelemente. Die Innenrohre 5 sind durch eine Blindscheibe 8 verschlossen und in einem Rohrboden 9 durch maschinelles Einwalzen und Lichtbogenschweißung befestigt.

Die Zusatzrohre 7 sind an eine Sammlertrennwand IO angeschlossen, welche die Dampfkammer in zwei Teile unterteilt. Die Einlaßkammer U für den Heizdampf ist durch einen Boden 12 des Wärmetauschers begrenzt. In diesem Boden befindet sich ein Dampfstutzen 13 zur Zuleitung des Heizdampfes. Die rechts hiervon gelegene Auslaßkammer 14 für den Heizdampf ist durch die Sammlertrennwand 10, einen kurzen MantelschuB des Behälters 1 und den Rohrboden 9 gebildet.

Im unteren Teil der Auslaßkammer befindet sich ein Stutzen 15 zum Ablassen des Kondensats, während in ihrem Oberteil eine Rohrleitung 16 vorgesehen ist, durch welche der Dampf in den Zwischenrohrraum 17 des Behälters I des Wärmetauschers überströmt. Zum Ablassen des Kondensates aus dem unteren Teil des Zwischenrohrraums dient ein Stutzen 18.

Die Rohrböden 2 und 9 zusammen mit einem Mantelschuß 19 des Behälters 1 bilden eine für die zähe Flüssigkeit bestimmte Endkammer 20, welche durch Trennwände 21, 22 und 23 in Sektionen I bis VI entsprechend der Anzahl der Durchströmgänge für die zähe Flüssigkeit unterteilt wird.

Die Einströmsektion I hat einen Stutzen 24 zum Zuführen der zähen Flüssigkeit (durch einen Pfeil ist die Strömungsrichlung angegeben) und die Ausströmsektion VI einen Stutzen 25 zum Fortleiten der erwärmten zähen Flüssigkeit aus dem Wärmetauscher.

Eine Endkammer 26 wird durch den rechten Boden 27 und den hinteren Rohrboden 3 gebildet. Die Endkammer 26 ist durch Trennwände 28 und 29 in Sektionen unterteilt, welche in der Projektion gemäß F i g. 2 derart zwischen den Trennwänden 21,22 und 23 liegen, daß die Strömung der zähen Flüssigkeit nach dem Durchlauf durch eine Sektion jeweils umgelenkt wird und die benachbarte Sektion in Gegenrichtung durchläuft.

Die Anzahl der pro Strömungssektion vorhandenen Rohranordnungen verringert sich mit dem Strömungsfortschritt Der durch den Stutzen 24 eintretenden zähen Flüssigkeit stehen in der Sektion I die größte Anzahl von zwischen Innenrohr 5 und Außenrohr 4 gebildeten Ringkanälen zur Verfügung, und in der letzten Sektion Vl die kleinste Anzahl. Diese Verringerung der zur Verfügung stehenden Querschnittsfläche ist etwa proportional zur auf Grund der zunehmenden Erwärmung abnehmenden Zähigkeit der Flüssigkeit.

In den Zusalzrohren 7 sind Blindscheiben 30

vorgesehen und im Unterteil dieser Rohre 7 sind auf

~> ihrer ganzen Länge öffnungen 31 ausgeführt. Die

Achsen der öffnungen 31 sind zur Achse des Zusatzrohres 7 unter einem Winkel β = 60 bis 80° in Richtung zur Auslaßkammer 14 geneigt.

Im Betrieb des beschriebenen Wärmetauschers

tu strömt der Heizdampf über den Stutzen 13 in die Einlaßkammer 11 und wird dann über die Zusatzrohre 7 in den Innenrohren 5 verteilt. An der durch die zähe Flüssigkeit gekühlten Innenseite der Rohre 5 kommt es zu einer teilweisen Kondensation des Heizdampfs. Das

i") Dampfkondensat gelangt aus dem Unterteil der Innenrohre 5 in die Auslaßkammer 14, von wo es über den Stutzen 15 aus dem Behälter 1 des Wärmetauschers abgeführt wird.

Auf Grund der Neigung des Wärmetauschers zur

2» Horizontalen und wegen der Neigung der im unteren Teil der Zusatzrohre 7 ausgeführten Öffnungen 31, die in Richtung der Kondensatströmung weisen, wird der Kondensatfilm mit einer erhöhten Geschwindigkeit aus dem Ringspalt zwischen dem Innenrohr 5 und dem

_>-> Zusatzrohr 7 entfernt.

Dadurch, daß die Innenrohre 5 im wesentlichen frei von Kondensat bleiben, erhöhl sich die Intensität der Wärmeabgabe vom Heizdampf.
Über die Rohrleitung 16 strömt der Dampf aus der

ι» Auslaßkammer in den Zwischenrohrraum 17 des Behälters 1 des Wärmetauschers über, wo er weitere Wärme an die Außenrohre 4 abgibt. Der Dampf kondensiert dabei vollständig und das Kondensat wird durch den Stutzen 18 entfernt.

Die im Wärmetauscher zu erwärmende zähe Flüssigkeit strömt über den Stutzen 24 in die erste Strömungssektion der Endkammer 20, welche durch die Trennwand 21 vom Rest der Kammer getrennt ist. Aus der ersten Sektion gelangt die zähe Flüssigkeit in die

in Ringkanäle zwischen den Außenrohren 4 und den Innenrohren 5, wobei die Anzahl dieser Kanäle in der ersten Strömungssektion und den nachfolgenden Sektionen, wie beschrieben, so bestimmt wird, daß diese Anzahl der Änderung der Zähigkeit beim Erwärmen der

·»·> Flüssigkeit entspricht.

Das Innenrohr 5 besitzt eine mit Hilfe von Längsrippen 6 vergrößerte Oberfläche, über die die Wärme aus dem Innenrohr 5 in den Strom zäher Flüssigkeit im Ringkanal übertragen wird.

V) Weitere Wärme wird in den Flüssigkeitsstrom auch über das Außenrohr 4 übertragen, welches auf seiner Außenseite vom Heizdampf umspült wird.

Nach dem ersten Durchströmungsgang gelangt die Flüssigkeit in die Endkammer 26. Von dort strömt sie in

Vi die Rohre der zweiten Sektion oder des zweiten Strömungsganges und so weiter bis zum Ausströmen aus dem Wärmetauscher.

Durch die Verminderung des Durchflußquerschnitts, also der Summe der Querschnittsflächen der Ringkanäle

nii zwischen den Rohren und 4 und 5 wird eine bedeutende Erhöhung der Geschwindigkeit der zähen Flüssigkeit in den dem ersten Strömungsgang nächstfolgenden Gängen gewährleistet und eine der Steigerung der Geschwindigkeit entsprechende Erhöhung der Wär-

i-ί mtübertragungsintensität sichergestellt. Die Vergrößerung der Geschwindigkeit der zähen Flüssigkeit in den dem ersten Strömungsgang nächstfolgenden Gängen trägt zur Verringerung der Ablagerungsmenge an den

Rohroberfläclien bei, da bekanntlich die Ablagerungsmenge in dem Maße anwächst, in dem die zähe flüssigkeit erwärmt wird.

Die erwärmte zähe Flüssigkeit verläßt den Wärmetauscher über den Stutzen 25.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Wärmetauscher mit in einem Wärmelauscherbehälter angeordneten, jeweils einen Ringkanal bildenden Innen- und Außenrohren, bei dem die Ringkanäle über die Außenrohre an Endkammern für eine zähe Flüssigkeit angeschlossen sind, in welchen Trennwände zur Ausbildung von Umkehrkammern neben einer Ein- bzw. Austrittskammer angeordnet sind und bei dem die Auslaßkammer für ein zweites Fluid, an die die Innenrohre angeschlossen sind, mit dem Raum des Wärmetauscherbehälters in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenrohre (5) des mit seiner Längsachse um 2° bis 5° zur Waagrechlen geneigten Wärmetauschers an einem Ende verschlossen sind und jeweils ein einen Ringraum bildendes, mit einer Rinlaßkammer (11) für Heizdampf als das zweite Fluid in Verbindung stehendes Zusatzrohr (7) aufweisen, das an seiner dem verschlossenen Ende des jeweiligen Innenrohres (5) nahe Stirnseite ebenfalls verschlossen ist und im unteren Teil seines Mantels Austrittsöffnungen (31) aufweist, welche unter einem Winkel von 60 bis 80° zur Mantellinie des Rohres in Richtung auf die Auslaßkammer (14) für den Heizdampf weisen.