DE2518226A1

DE2518226A1 - Waermeaustauscher fuer vorrichtungen in der chemieindustrie, insbesondere in der erdoelindustrie

Info

Publication number: DE2518226A1
Application number: DE19752518226
Authority: DE
Inventors: Zoltan Palfi
Original assignee: KOOLAJ GAZIPARI TERVEZO
Current assignee: KOOLAJ GAZIPARI TERVEZO
Priority date: 1974-04-30
Filing date: 1975-04-22
Publication date: 1975-11-13
Also published as: DE7513205U; FR2269696B1; GB1510800A; DD120282A5; FR2269696A1

Description

Patentem»»· Berlin, den 22. April 1975

DipMng. W. Meissner „. /„.

ηΐη!.Ιησ P K Uoicenor RjT/al

Dip!.-lng. P. t. Meissner

Dip!.-Ing. H.-j. Presting

1 Berlin 33 (Ürunewald), HerbertstraB« 22

KÖOLAJ- tS GiZIPARI TERVEZö VALLALAT Budapest. II. Szamuely 30/52

WÄRMEAUSTAUSCHER PUR VORRICHTUNGEN IN DER CHEMIEINDUSTRIE, INSBESONDERE IN DER ERDÖLINDUSTRIE

Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher für Vorrichtungen in der Chemieindustrie, vorzugsweise in dor Erdölindustrie,

Bei Wärmeaustauschern bringt die Steigerung des V/ärmeübergangswertes Einsparungen in Investition und Betrieb mit sich.

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Daher ist die Steigerung des Wärmeübergangswertes wünschenswert.

Von den bekannte« Lösungen zur Vergrößerung des V/ürme-• übergangswertes ist die älteste Uethode die Ausbildung von Rippen an der wärmeübertragenden Wand ohne Vergrößerung dee Strömungsquersohnittes. Weitere bekannte Lösungen beruhen teils auf der Vergrößerung der wirksamen Flächen der Rippen, teile auf der Ausbildung günstigerer Strömungsverhältnisse. Solche technischen Lösungen sind zum Beispiel die Anwendung von gewellten Heiirippen, Kanälen konstanten Querschnitts oder die Steigerung der Ströfflungs turbulenz.

Bei Strömungen, die parallel zu einer ebenen Wand verlaufen, wird die wärmeübertragende ebene Oberfläche zweckmäßig mit einem Rippenprofil versehen, das aus der ebenen Wand selbst ausgebildet ist« Zum Beispiel können in der wärmeübertragenden V/and durch Pressen an Stelle der herausstehenden Rippen Vertiefungen angebracht werden, wodurch an diesen Stellen eine turbulente Strömung auftritt und der Wärmeübergang größer wird (L.Porgö: MTA müszaki tud. oszt. közlemenyei, 1952, IV, « Mitteilungen der technisch-wissenschaftlichen Abteilung der Wissenschaftlichen Akademie Ungarns)·

Es ist bekannt, daß bei Strömungen parallel zu einer

ebenen Wand der lokale Wärmeübergangswert duroh die allgemeine Formel

ausgedrückt werden kann, worin

dL der Wärmeübergangswert in der Entfernung χ von der Eintritte kante,

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O₁ eine sich aus den physikalischen Eigenschaften des strömenden MediuuiB ergebende Konstante und w die Geschwindigkeit des strömenden Mediums ist.

Aus der Formel folgt, daß der Viert von α an der Eintrittekante (d.h. wenn χ gleich Null ist oder einen sehr kleinen Wert hat) unendlich beziehungsweise sehr groß ist, während dieser V/ert, nimmt die Entfernung von der Kante auf einen unendlich großen Wert zu, asymptotisch gegen Null beziehungsweise einen sehr kleinen Wert strebt.

Durch Integrieren der Gleichung über die gesamte Länge ' erhält man

* *x f ^ÄÄx

und durch !ansetzen von <κ

worin β« ■ 2 O₁ ist» Aus dieser Gleichung ist ersichtlich, daß zur Verbesserung des durchschnittlichen Wärmeübergangswertes zwei Itögliohkeiten bestehen: Verringerung des in die Richtung der Strömung fallenden Maßes der Rippe, oder Vergrößerung der Strömungsgeschwindigkeit (w).

Zur Vergrößerung der Strömungsgeschwindigkeit muß eine Zwangsströmung, müssen also Ventilatoren angewendet werden, was natürlich einen Energieverlust bedeutet. Der Vergrößerung der Geschwindigkeit ist auch dadurch eine Grenze gesetzt, daß die notwendige Ventilatorleistung etwa mit dem Quadrat der Geschwindigkeitssteigerung wächst. Zweckmäßig ist demnach die Verringerung der Strömungslimge, was im wesentlichen durch die Festigkeit der Kleinrippen nach unten begrenzt ist. i'heoretisch und

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praktisch liegt die optimale üippenbreite bei etwa 2 mn.

Bekannt ist die Vei-wendung von kleinrippigen V7."rmoau3-tauscherelementen bei den Kühltürmen von Kraftwerken (s. sum Beispiel ungarische Patentschrift TIr. 143 96o). !Bekannt ist ferner die ungleichmäßige Aufteilung der L?mgen der Kleinrippen, womit der Zweck verfolgt wird, Resonanzerscheinungen zu vermeiden.

Pur die Anwendung in der Chemie-, vor allem in der Erdölindustrie sind diese aus bekannten Elementen bestehenden Wärmeaustauscher wenig geeignet, weil in den genannten Anwendungsgebieten völlig andere technologische und würmetechni3che Bedingungen herrschen«

Die bekannten kleinrippigen Elemente werden für freie oder höchstens in geringem Maße durch künstliche Ilittel geförderte Konvektion, d.h. für geringe Strömungsgeschwindigkeiten hergestellt« In den zu kühlenden Rohren kondensiert sich Wasserdampf, wodurch der innere Wärmeübergangswert groß ist und die Gefahr einer Rohrverstopfung nicht besteht.

Bei Wärmeaustauschern in der Erdölindustrie ist hingegen eine starke Zwangsströmung erforderlich, der innere Uärmeübergangswert ist klein, und die Gefahr der Korrosion ureides Terstopfens besteht« Aus letzterem Grund muß in den Rohrleitungen die Strömungsgeschwindigkeit gering gehalten werden, d.lu der Rohrquerschnitt muß größer sein, als di3S bei Wasser der Pail ist« Darüber hinaus muß das Rohr oftmals aus schlecht wärmeleitendem Material, zum Beispiel au3 rostfreiem Stahl, gefertigt werden.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß die erwähnten Wärmeaustauscher für eine Anwendung in der Erdölindustrie in ihrem Aufbau in folgender Weise geledert werden müssen:

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1· Die allgemein verwendeten Aluminiumrohre müssen durch Rohre aus einem Iletall entsprechender Qualität und Zusammensetzung, vorzugsweise durch Stahlrohre, ersetzt werden.

2. Der Durohmesser der Kühlrohre muß vergrößert werden.

3. Wegen des kleineren inneren Y/ärmeübergangswertes ist es nicht erforderlich, die äußere würraeünertragende Fläche derart stark zu vergrößern. Daher kann die Länge der Rippen wesentlich vermindert werden« Die» bedingt eine größere Geschwindigkeit des verwendeten Kühlmediums, zum Beispiel Luft.

Aus diesen sich zwangsläufig ergebenden Forderungen folgt, daß sich das Verhältnis zwischen mit Rippen versehener Fläche und Gesamtfläche stark verschlechtert, d.h. unter der Annahme der üb» liehen gleichmäßigen Rippenaufteilung bleiben große Flächen ungenutzt.

Gegenstand der Erfindung ist ein Wärmeaustauscher, der ein aus Kühlrohren bestehendes Rohrbündel und an den Rohren befestigte Wärmeaustauschpiatten hat, wobei diese Wärmeaustauschplatten kleingerippte Kühlelemente darstellen, an deren Oberfläche das Rippenprofil auB Elementarrippen verschiedener Länge ausgebildet ist, zweokmäßig in der Weise, daß die Rippen ganz bis auf die auf die Rohre aufgezogenen Distanzringe oder in deren Nähe reichen.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die auf der wärmeübertragenden Oberfläche (Rohr) befindlichen Rippen und die auf der Platte des V/ärmeaustausohers befindlichen Kleinrippen im Verhältnis zueinander so angeordnet sind, daß der Y/ärmestrom gleichmäßig auf die einzelnen Rippen verteilt wird, d.h. daß der Wärmewiderstand zwischen Rohr und den einzelnen Kleinrippen über den gesamten Umfang des Rohres praktisch gleich ist.

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Als Beispiel warden an Hand der Zeichnungen die wiirraeteohnisohen Ergebnisse einer Y.'ärmeaustausoherplattQ bekannter Teilung und die einer Platte erfindungBgemUßer Aufteilung miteinander verglichen.
Fig. 1 zeigt in schematiacher Zeichnung ein konventionelles

Wörmeaustauscherelement mit kleinen Rippen, in Draufsicht, Fig. 2 die Draufsicht auf das erfindungsgemäße kleinrippige Element, und

Fig. 3 die Ausbildung der Rippen an einem kleinrippigen Wärmeaustauscher element.

Das in IiIg. 1 gezeigte Wärmeaustauscherelement 2 ist durch Pressen mit den aus seinem eigenen Ilaterial bestehenden Kleinrippen 4 versehen. Die Wärmeaustauscherelemente sind auf die Rohre 1 aufgezogen. Die zwischen den einzelnen Elementen angebrachten Distanzringe dienen einesteils dazu, die einzelnen Würmeaustauscherelemente im rechten Winkel auf den Rohren 1 zu halten, zum anderen bestimmen sie die zwischen den einzelnen Elementen 2 vorhandene Entfernung, d.h. die Breite des Elementarluftkanals. Da die Kleinrippen von gleicher Gestalt und entlang einer Geraden angeordnet sind, bleiben um die Rohre herum bezüglich der Wärmeleitung schlecht ausgenutzte Teile. Bei der in Fig. 2 gezeigten, erfindungsgemäßen Verteilung reichen die Kleinrippen 4 unterschiedlicher Lange ganz bis zu den Distanzringen 3» ihr Rand ist nur duroh einen kleinen, herstellungsbedingten Spalt d von den Diatanzringen getrennt.

Nach eigenen Berechnungen kann mit den Rippen unterschiedlicher Länge ein um wenigstens 10 % besserer Wärmeübergangswert erreicht werden als mit den ansonsten identischen herkömm-

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Hohen Elementen«

Der Luftwiderstand der Elemente unterschiedlicher Länge ist praktisoh unverändert, die Heretellungekoeten ündera sioh ebenfalls nicht.

Die ausführlichen Zahlenangaben des Vergleiches awisohen den Rippen gleioher Länge (Pail 1, Fig. 1) sind für einen vier Rohrreihen enthaltenden (Zahl der Rippen η « 30) Wärmeaustauscher

mit 1 m Stirnfläche und einem ebensolchen V/ärmeaustausoher mit Rippen unterschiedlicher Lunge (Fall 2, Fig. 2) in der folgenden Tabelle zusammengestellt.

w, (m/s) Luftge schwindigkeit an der Stirnseite	Fall	1	1,5	1,9	2,3	2,7	3,0	3,8
a C lcp/tu /	Pail	2	3,69	4.89	6,84	9,3	12,12	18,96
	Pall	1	3.69	4.89	6,84	9,3	12.12	18.96
(X^ (kcal/m²h°C)	Pall	2	635	698	754	800	842	920
			710	772	825	861	908	985
(Kj₁₁(PaIl Z)			1,12	1,11	1,10	1,09	1,08	1,07
Λ^ (Pall I)

m hydraulischer Widerstand
λ, α auf die ungerippte äußere Oberfläche des Rohres bezogener Yiärmeübergangsvf ert ·

Aus der Tabelle ist ersichtlich, daß im Fall 2 der V/lrmeübergangswert λ in Abhängigkeit von der Luftgeschwindigkeit um 7-12 % größer ist als im Fall 1.

Die auf den Rauminhalt des Elementes bezogene Gesamtoberfläche der Rippen beträgt im Pail 1 252 m²/m³, im Fall 2 312 m²/m³.

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Die erfindungsgemäße Ausbildung der Kühlrippen kann selbstverständlich auch bei anderen geometrischen Formen vorteilhaft angewendet werden» wesentlich ist nur, daß die in dem Querschnitt der Kleinrippen strömende Wärmemenge unabhängig von der räumlichen oder ebenen Anordnung annähernd konstant ist·

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Claims

- 9 Patentansprüche:

Wärmeaustauscher für Vorrichtungen in der Chemieindustrie, vorzugsweise in der Erdölindustrie, der über ein aus Kühlrohren bestehendes Rohrbündel und an den Rohren befestigte kleingerippte Wärmeaustauschplatten verfügt, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche der kleingerippten Wärmeaustauscherelemente (2) aus Elementarrippen (4) unterschiedlicher Länge ein die Oberfläche der Platte durchdringendes Rippenprofil in der Weise ausgebildet ist, daß die einzelnen Rippen (4) in gleicher Entfernung von den Distanzelementen (3) der wärmeabgebenden Rohre (1) angeordnet sind und ihre Entfernung von dem Distanzelement (3) höchstens das 1,5-fache der Dicke des Distanzelementes beträgt.
2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einseinen Elementarrippen (4) für die Strömung gleicher oder annähernd gleicher Wärmemengen ausgebildet sind.

ipK-lncj. P. E. -Meissner

Patentanwalt

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