DE2433213B2 - Wärmetauscher mit gewickelten Rohrbündeln - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit gewickelten Rohrbündeln, die innerhalb eines Gehäuses in abwechselnd gegeneinander gewickelten Lagen um ein axiales Kernrohr angeordnet sind, zur Erwärmung von Fluiden durch kondensierenden Heizdampf im Gegenstrom, wobei der Gehäuseinnenraum in mehrere, jeweils zur Abhitzung oder Kondensation des Heizdampfes oder zur Kühlung des Kondensats dienende Zonen unterteilt ist

Es sind bereits Wärmeaustauscher der genannten Art bekannt, bei denen der Gehäuseinnenraum in mehrere Zonen unterteilt ist. Die BE-PS 6 58 707 beschreibt einen Wärmetauscher mit Ü-förmig gebogenen Rohren, der mehrere Zonen zur Abhitzung oder Kondensation des Heizdampfes oder zur Kühlung des Kondensats aufweist Wegen der für den Wärmetausch besonders günstigen Strömungsform wäre ein derartiger Wärmetauscher mit Rohrbündeln in gewickelter Ausführung einem solchen mit U-förmig gebogenen Rohren vorzuziehen. Wie im folgenden kurz erläutert wird, zwar jedoch der wirtschaftliche Einsatz eines solchen Wärmetauschers bisher nicht möglich.

Bei einem gewickelten Rohrbündelwärmetauscher sind alle Rohre einer Lage auf einen Kreiszylindermanteli gewickelt, dessen Achse mit der Gehäuselängsachse bo übereinstimmt Die innerste Lage sitzt direkt auf dem Kernrohr. Die einzelnen Lagen sind abwechselnd in entgegengesetztem Drehsinn gewickelt und werden durch Distanzstege auseinandergehalten. Die Neigung der Rohre gegenüber der Achse ist in allen Lagen dieselbe. Entsprechend der nach außen hin zunehmenden Wickelfläche der Lagen steigt auch die Anzahl der Rohre pro Lage, und zwar derart, daß im axialen Längsschnitt der Abstand der Rohre in achsenparalleler Richtung in allen Lagen annähernd gleich ist Der Außendurchmesser des Rohrbündels ist, abgesehen von den oberen und den unteren Randzonen, über die ganze Länge des Wärmetauschers konstant Zur Erwärmung von Fluiden durch Heizdampf werden die Fluide in den Rohren geführt und der Heizdampf gewöhnlich im Gegenstrom von oben her in den die Rohre umgebenden Innenraum des Wärmetauschergehäuses geleitet Im Falle der Kondensation des Heizdampfes während des Wärmetauschprozesses wird das Kondensat unten abgenommen. In der oberen Zone des Gehäuseinnenraumes, der sogenannten Abhitzungszone, wird dem überhitzen Heizdampf soviel Wärme entzogen, bis er sich auf die Kondensationstemperatur abgekühlt hat In der Abhitzungszone soll eine frühzeitige, nur teilweise Kondensation nach Möglichkeit vermieden werden, da eine Flüssigkeitsschicht auf den Rohraußenflächen den Wärmetausch zwischen dem Heizdampf und den in den Rohren strömenden Fluiden behindern würde. Die Strömungsgeschwindigkeit des Heizdampfes muß deshalb einen gewissen Mindestbetrag aufweisen. Dies bringt einen entsprechenden Druckverlast mit sich, der in der Abhitzungszone zur Erzielung guter Wärmeübergangsbedingungen unvermeidbar ist

Der Druckverlust des Heizdampfes jedoch stellt in der Kondensationszone des Wärmetauschers einen Nachteil dar, der durch keinen entsprechenden Vorteil aufgehoben wird. Jeder Druckverlust ist mit einem zusätzlichen Energieaufwand zur Aufrechterhaltung des Kreislaufes verbunden und sollte daher nach Möglichkeit vermieden werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Mehrzonen-Wärmetauscher mit gewickelten Rohrbündeln zu entwerfen, der optimale Bedingungen hinsichtlich Strömungsgeschwindigkeit und Wärmeübergang aufweist

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Abhitzungs-, Kondensations- und Kühlzone jeweils oberhalb der folgenden Zone angeordnet sind, daß die Querschnittsfläche der Kondensationszone gegenüber der Abbitzungszone und der Kühlzone um einen zusätzlichen freien Ringraum zwischen der Wand des Gehäuses und den äußersten Rohrwindungen vergrößert ist, wobei die radiale Breite des Ringraums mehrfach größer ist als die axialen Abstände zwischen den Rohrlagen und diese wiederum mehrfach größer sind als die radialen Abstände zwischen den Rohrwindungen.

Der den äußeren Umfang des Rohrbündels umschließende freie Ringraum hat eine Vergrößerung des gesamten Strömungsquerschnitts zur Folge und damit eine Verminderung der Strömungsgeschwindigkeit sowie eine entsprechende Verringerung des Druckverlustes. Da die radiale Breite des Ringraumes ein Mehrfaches des Abstandes zwischen den Rohrlagen beträgt, weicht der Dampf beim Eintritt in die Kondensationszone bevorzugt nach außen in den Ringraum aus und gelangt von dort wieder nach innen zwischen die Rohrwicklungen, wo er kondensiert. Der Heizdampf strömt also in der Abhitzungszone vorwiegend in axialer Richtung und wird in der Kondensationszone zum größten Teil in die radiale Richtung abgelenkt. Während der Heizdampf in der Abhitzungszone die Rohre unter einem der Rohrneigung entsprechenden, stumpfen Winkel anströmt wird er in der Kondensationszone nahezu im für den Wärme-

tausch günstigen Kreuzstrom zu den Rohren geführt Die Umlenkung des Heizdampfes aus der axialen Richtung in der Abhitzungszone in die radiale Richtung in der Kondensationszone wird erfinduntgsgemäß dadurch begünstigt, daß die Abstände zwischen den einzelnen Rohrlagen in axialer Richtung um ein Mehrfaches größer sind als die radialen Abstände zwischen den Rohrwindungen.

Für den bei der Kondensation stattfindenden Wärmeaustausch ist es von Vorteil, wenn das sich bildende Kondensat möglichst schnell abgeführt wird. Deshalb ist der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß in der stehenden Ausführung zwischen radial benachbarten Rohren und in engem Kontakt mit ihnen in axialer Richtung verlaufende Profilstege angeordnet sind, die zwischen den Rohrlagen zur Abstützung der Rohre dienen und daß die Profilstege Sägezahnprofile aufweisen, in denen die Rohre gelagert sind. Das sich bildende Kondensat fließt dann entlang der senkrecht gerichteten Profilstege schneller ab als über die gewickelten Rohre selbst, so daß die Rohroberfläche möglichst schnell für die weitere Kondensation frei wird. Der Zweck der Kondensatableitung wird hier gleichzeitig mit dem der Rohrlagerung verbunden.

Anhand der folgenden Figuren soll die Erfindung näher erläutert werden.

F i g. 1 zeigt eine stark vereinfachte, schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers mit drei Zonen in stehender Ausführung.
F i g. 2 zeigt die erfindungsgemäßen Profilstege.
F i g. 3 zeigt stark schematisiert einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher mit drei Zonen in stehender Ausführung und mit abnehmbarem Manteloberteil.

F i g. 4 zeigt stark schematisiert einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher in liegender Ausführung mit einer Abhitzungs- und einer Kondensationszone.

F i g. 5 zeigt stark schematisiert einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher in stehender Ausführung mit einer Kondensations- und einer Kühlzone.

F i g. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher zur Erwärmung eines Fluids durch Heizdampf. In einem Gehäuse 2 ist ein um ein Kernrohr 3 gewickeltes Rohrbündel 1 angeordnet Das zu erwärmende Fluid strömt von unten in die Rohre des Rohrbündels 1 ein (Pfeile 4), wird im Innern des Wärmetauschers durch Wärmeaufnahme von dem in der Kühlzone 5 und der Kondensationszone befindlichen Kondensat sowie mit dem Heizdampf in der Abhitzungszone 7 erwärmt und tritt am oberen Ende des Wärmetauschers aus den Rohren des Rohrbündels 1 aus (Pfeile 8).

Durch Einlaß 9 gelangt Heizdampf in den Innenraum des Wärmetauschers und durchströmt ihn in Richtung der Pfeile 10. Durch Wärmetausch mit dem im Rohrbündel geführten Fluid kühlt sich der Heizdampf ab und kondensiert schließlich. Das Kondensat verläßt den Wärmetauscher durch einen Auslaß 11. In der Abhitzungs- und Kühlzone 7 bzw. 5 findet der Dampf bzw. das Kondensat nur relativ geringe effektive Strömungsquerschnitte vor, bedingt durch den radialen Abstand der Rohrlagen von nur wenigen Millimetern bei einem Rohrdurchmesser, der ca. das Fünf- bis Zehnfache dieses Abstandes beträgt Der achsenparallele Abstand der Rohre liegt in derselben Größenordnung wie der Rohrdurchmesser, während die radiale Breite des freien Ringraumes 12 noch um einen Faktor von ca.

to 1 bis 4 größer ist Der Dampf findet also in der Kondensationszone 6 wesentlich größere effektive Strömungsquerschnitte vor, wenn er aus der axialen Richtung zunächst in die radiale ausweicht so in den Ringraum 12 gelangt und von dort wieder radial nach

is innen in das Rohrbündel einströmt um hier zu kondensieren. Bei richtiger Prozeßffihrung sammelt sich das Kondensat in der Kühlzone 5 bis zu einer Höhe 13, und es wird immer gerade so viel aus dem Auslaß 11 entnommen, daß diese Höhe ungefähr erhalten bleibt Die in Fig.2 dargestellten Profilstege (18) sind aus Gründen der Übersichtlichkeit in der Fig. 1 nicht wiedergegeben. Das Kondensat bildet sich an den Rohren, wird von den senkrechten Profilstegen (18) übernommen und in die Kühlzone geleitet Neben den

Rohren dienen auch die Profilstege (18) selbst,

wenigstens in den Bereichen, wo sie die gleiche

Temperatur wie die Rohre aufweisen, als Kondensa-

tionsflächen.

In Fig.3, die einen stehenden Wärmetauscher mit

drei Zonen und abnehmbarem Manteloberteil zeigt entsprechen die Bezeichnungen genau denen der IF i g. 1. Das abnehmbare Manteloberteil 14 ist mit dem Unterteil 16 bei 15 abdichtend verbunden. Nach dem Verlassen des Rohrbündels 1 wird das Fluid in einem innerhalb des Kernrohres 3 befindlichen Rückleitungsrohr 17 zum Auslaß 8 geleitet

In Fig.4 und 5 entsprechen die Bezeichnungen ebenfalls genau denen in Fig. 1. Bei dem in Fig.4 dargestellten liegenden Wärmetauscher sind nur die Abhitzungszone 7 und die Kondensationszone 6 vorhanden, es fehlt die Kühlzone. In Fig.5 dagegen sind Kondensationszone 6 und Kühlzone 5 vorhanden, während die Abhitzungszone fehlt Die Anzahl und Auswahl der Zonen hängt vom speziellen Verwendungszweck und den zu erwartenden Betriebsbedingungen ab. Liegt z.B. die Temperatur, mit der das tu erhitzende Fluid in den Wärmetauscher eintritt, nicht allzu weit unter der Kondensationstemperatur des Heizdampfes bei dem im Innern des Gehäuses herrschenden Druck, so kann die Kühlzone entfallen, wie in Fig.4. Stimmt andererseits die erwünschte Austrittstemperatur des Fluids nahezu mit der Eintrittstemperatur des verfügbaren Heizdampfes überein und liegt diese nur unwesentlich über der Kondensationstemperatur des Heizdampfes, so kann die Abhitzungszone entfallen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Wärmetauscher mit gewickelten Rohrbündeln, die innerhalb eines Gehäuses in abwechselnd gegeneinander gewickelten Lagen um ein axiales s Kernrohr angeordnet sind, zur Erwärmung von Fluiden durch kondensierenden Heizdampf im Gegenstrom, wobei der Gehäuseinnenraum in mehrere, jeweils zur Abhitzung oder Kondensation des Heizdampfes oder zur Kühlung des Kondensats dienende Zonen unterteilt ist, dadurch gekennzeichnet, daß Abhitzungs- (7), Kondensations- (6) und Kühlzone (5) jeweils oberhalb der folgenden Zone angeordnet sind, daß die Querschnittsfläche der Kondensationszone (6) gegenüber der Abhitzungszone (7) und der Kühlzone (5) um einen zusätzlichen freien Ringraum (12) zwischen der Wand des Gehäuses (2) und den äußersten Rohrwindungen vergrößert ist, wobei die radiale Breite des Ringraumes (12) mehrfach größer ist als die axialen Abstände zwischen den Rohrlagen und diese wiederum mehrfach größer sind als die radialen Abstände zwischen den Rohrwindungen.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen radial benachbarten Rohren und in engem Kontakt mit ihnen axial gerichtete Profilstege (18) verlaufen, die zwischen den Rohrlagen zur Abstützung der Rohre dienen.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilstege (18) Sägezahnprofile aufweisen, in denen die Rohre gelagert sind.