DE2539440B2 - Wärmetauscher mit zwei ineinander angeordneten zylindrischen Behältermänteln, die Ringräume bilden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit zwei ineinander angeordneten zylindrischen Behältermänteln, die ineinanderliegende Ringräume bilden, wobei der innere Ringraum ein Rohrbündel aus gewickelten Rohren und der äußere Ringraum ein Rohrbündel aus geraden Rohren aufweist, die geraden Rohre des äußeren Rohrbündels und die gewickelten Rohre des inneren Rohrbündels hintereinandergeschaltet sind und einander entgegengesetzt von dem Wärmetauschmittel durchströmt werden, und mit die Rohre zusammenfassenden Rohrboden.

Wärmetauscher der genannten Art sind bereits bekannt. In der DE-OS 23 51 628 wird ein Zwangsumlaufboiler für zwei wärmetauschende Fluide beschrieben mit einem inneren und einem äußeren Ringraum, wobei im äußeren Ringraum ein Bündel aus geraden Rohren und im inneren Ringraum ein Bündel aus gewickelten Rohren angeordnet ist. Das zu erwärmende Fluid wird dabei in den Rohren geführt. Um die Strömung dieses Fluids zu stabilisieren, ist vorgesehen, das Fluid zunächst in geraden Rohren mit kleinem Querschnitt und danach in schraubenförmigen Rohren mit großem Querschnitt zu führen.

Die Behältermäntel des Zwangsdurchlaufboilers sind nicht gegeneinander abgedichtet und berühren einander nicht. Relativbewegungen können deshalb ungehindert durchgeführt werden. Weiterhin wird das zu erwärmende Fluid zunächst durch einen seitlichen Rohrboden in die geraden Rohre geleitet. Die geraden Rohre sind dann an ihrem unteren Ende U-förmig verlängert und münden jeweils in ein schraubenförmiges Rohr. Die schraubenförmigen Rohre sind an ihrem oberen Ende wiederum in seitlichen Rohrboden gehalten. Die Rohre sind in Richtung auf den unteren Rohrboden freibeweglich eingebaut Damit ergibt sich für die Gestaltung der Rohre eine im wesentlichen U-förmiger Verlauf, wobei der eine Schenkel geradlinig und der andere Schenkel schraubenförmig verläuft. Thermisch bedingte Relativbewegungen können deshalb ungehindert in Richtung der Bögen der Rohre erfolgen.

In vielen Anwendungsfällen, wenn etwa bei der Verwendung als Speisewasservorwärmer für Kraftwerksanlagen mehr als zwei Fluide in Wärmetausch miteinander gebracht werden, kann jedoch ein nach der beschriebenen Art aufgebauter Wärmetauscher nicht eingesetzt werden. Eine Abdichtung der Strömungsquerschnitte der Ringräume gegeneinander läßt sich bei einem solchen Wärmetauscher nicht durchführen, da, bedingt durch die zwischen dem inneren und dem äußeren Behältermantel und den darin zugeordneten Rohren auftretende Temperaturdifferenz erhebliche relative Wärmebewegungen zwischen den Behältermänteln und/oder Rohren auftreten. Dadurch, daß die relativen Wärmebewegungen dann nicht ungehindert wirken könnten, würden in den Rohren, den Rohrböden

is und den Behältermänteln hohe Spannungen auftreten. Die Spannungen können aber zu zunächst nur schwer feststellbaren Haarrissen führen, die schließlich den Bruch der belasteten Teile verursachen. Bei einem Wärmetauscher, der als Speisewasservorwärmer eingesetzt ist, muß aber eine große Funktionssicherheit gegeben sein, die bei Wärmetauschern der bisher genannten Art nicht gewährleitstet ist

Da Speisewasservorwärmer, um die Strömungswege für Dampf und Speisewasser möglichst kurz halten zu können — das Speisewasser strömt mit erheblichem Druck und mit hoher Geschwindigkeit — unmittelbar unterhalb der Turbine der Kraftwerksanlage mit Turbinengestell eingebaut werden und dadurch die Abmessungen für die Außenmaße sowie für die Zuführungen und Abführungen der wärmetauschenden Fluide geometrisch fest vorgegeben sind, ist ein derartiger Wärmetauscher in seiner Länge beschränkt. Weiterhin ist die Strömungsgeschwindigkeit des Speisewassers so hoch, daß Erosionsschäden auftreten, die zu erheblichen Störungen führen. Die hohe Einströmgeschwindigkeit des Speisewassers verursacht zudem einen hohen, nachteiligen Druckabfall.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher zu entwickeln, der eine einfache Verteilung und Führung der am Wärmetausch beteiligten Fluide ermöglicht, der eine hohe Betriebssicherheit aufweist und der außerdem noch leicht an vorgegebene Abführungen und Zuführungen angeschlossen werden kann.

« Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die beiden Ringräume für sich abgeschlossen sind, eigene Zuführungen und Abführungen aufweisen und daß ihre Stirnwände durch je einen ebenen beide Rohrbündelenden aufnehmenden Rohrboden gebildet sind, wobei der eine Rohrboden Zu- und Abführungen für das Wärmetauschmittel aufweist und der andere mit den Behältermänteln über Dehnungskörper elastisch verbunden ist.

Bei einem erfindungsgemäßen Wärmetauscher sind die Strömungsräume der Ringräume gegenüber abgedichtet, wobei die Abdichtung elastisch erfolgt und jeder Ringraum eigene Zuführungen und Abführungen aufweist. Außerdem sind die Rohrbündel an den Enden jeweils in Rohrboden gehalten. Von der ersten Stirnseite des Wärmetauschers her wird ein erstes Fluid, beispielsweise Speisewasser, zugeführt, zunächst in dem Rohrbündel aus geraden Rohren durch den äußeren Ringraum geführt, zum nächsten Ringraum geleitet und in dem Rohrbündel aus gewickelten Rohren zur ersten Stirnseite wiederzurückgeführt Ein zweites Fluid, beispielsweise Dampf mit höherem Druck, wird von der Oberseite des Mantels her radial im Bereich der zweiten Stirnseite des Wärmetauschers durch den äußeren

Ringraum in den inneren Ringraum geführt und an der unteren Mantelseite wieder aus dem inneren Ringraum herausgeleitet. Ein drittes Fluid, beispielsweise Dampf mit niedrigerem Druck, wird von der Oberseite des äußeren Behältermantels her über mehrere, beispielsweise vier, Zuführungsleitungen in den äußeren Ringraum geführt und an dessen Unterseite wieder abgeleitet

Damit ist ein Wärmetauscher geschaffen, der eine einfache Verteilung und Führung der am Wärmetausch beteiligten Fluide ermöglicht und der darüber hinaus leicht an vorgegebene Abführungen und Zuführungen angeschlossen werden kann. Durch die kompakte und dennoch Relativbewegungen erlaubende Bauweise des Wärmetauschers wird als weiterer Vorteil eine hohe Lebensdauer des erfindungsgemäßen Wärmetauschers erreicht Diese Bauweise, bei der die einzelnen Rohrbündel jeweils unmittelbar zwischen Rohrboden angeordnet sind, ermöglicht zudem eine optimale Führung der wärmetauschenden Fluide, so daß nur geringe Temperaturschwankungen innerhalb des Wärmetauschers auftreten, die die Relativbewegung stark herabsetzen. Da das in den Rohren geführte Fluid jeden Ringraum nur einmal durchströmt, ist der gesamte effektive Strömungsquerschnitt der Rohre beispielsweise doppelt so groß wie in Ringräumen, in denen das in den Rohren geführte Fluid einmal hin- und einmal zurückgeführt wird. Dadurch kann die Störmungsgeschwindigkeit des Fluids in den Rohren erheblich, beispielsweise um die Hälfte, reduziert werden. Ein Fluid, das mit geringerer Strömungsgeschwindigkeit fließt, erleidet aber einen niedrigeren Druckabfall und verursacht wesentlich weniger oder keine Erosionsschäden. Der Wärmetauscher besitzt deshalb eine erheblich längere Lebensdauer. Die notwendige Wärmetauschfläche kann dennoch weiterhin bereitgestellt werden, weil mindestens ein Ringraum ein Rohrbündel aus gewickelten Rohren aufweist Gleichzeitig kann der Ringraum mit dem Rohrbündel aus gewickelten Rohren in dem Bereich des Wärmetauschers angeordnet werden, wo die meiste Wärme übertragen werden muß. Die anderen am Wärmetausch beteiligten Fluide können an beliebiger Stelle vom Behältermantel her radial zugeführt und abgeleitet werden. Die Lage der Rohrbündel ist nun unabhängig von den vorgegebenen Zuführungen für die wärmetauschenden, frei in den Ringräumen strömenden Fluide. Keine Anschlüsse behindern mehr die freie zweite Stirnseite des Wärmetauschers, weshalb eine Verlängerung des Wärmetauschers in dieser Richtung möglich ist Außerdem können die Zuführungen dann so angeordnet werden, daß eine optimale Verteilung der Fluide und eine gute Beaufschlagung der Rohrbündel erreicht wird. Die Einbauten zur Verteilung der Fluide in den Ringräumen sind einfach und können auf ein Minimum reduziert werden.

Anhand der in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung im folgenden näher erläutert Es zeigt

Fig.l einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers,

F i g. 2 einen Querschnitt des gleichen erfindungsgemäßen Wärmetauschers längs der in F i g. 1 gezeigten Ebene H-II,

Fig.3 ausschnittsweise einen Längsschnitt einer zweiten Stirnseite eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers und

Fig.4 ausschnittsweise einen Längsschnitt einer zweiten weiteren Stirnseite eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers.

Der Wärmetauscher besitzt einen äußeren zylindrischen Mantel 1. Konzentrisch zu diesem ist ein innerer zylindrischer Mantel 2 angeordnet Dadurch entsteht ein äußerer Ringraum 3 und ein innerer Ringraum 4. Der äuPere Ringraum 3 weist ein Rohrbündel 5 aus geraden Rohren und der innere Ringraum 4 ein Rohrbündel 6 aus gewickelten Rohren auf. Die Rohrbündel 5, 6 sind im Bereich der ersten 7 und der zweiten 8 Stirnseite in

ίο Rohrböden 9 bzw. 10 zusammengefaßt Das Kernrohr 11, auf den das Rohrbündel 6 aus gewickelten Rohren aufgebracht ist, ist mit dem Rohrboden 9, beispielsweise durch Verschweißen, starr verbunden, während es mit dem Rohrboden 10 elastisch, beispielsweise teleskopartig, verbunden ist Die Rohre sind auf dem Kernrohr 11 lagenweise, eng und schraubenförmig aufgewickelt, wobei der Drehsinn der Wicklungen aufeinanderfolgender Lagen vorzugsweise entgegengesetzt gerichtet ist. Der äußere und der innere Behältermantel besitzen jeweils im Bereich der Rohrboden Dehnungsstücke 12. Die Zuführung 13 zum inneren Ringraum durchdringt im Bereich der Stirnseite 8 den äußeren Ringraum an dessen Oberseite. Zur besseren Verteilung des durch die Zuführung 13 einströmenden Fluids ist an der Oberseite des inneren Behältermanelts eine sich nahezu über dessen gesamte Länge erstreckende Eintrittskammer 14, vorgesehen. Das Prallblech 15 sorgt zusätzlich für eine optimale Verteilung des durch die Zuführung 13 einströmenden Fluids. Eintrittskammer 14 und innerer Ringraum 4 stehen in freier Verbindung miteinander. Eine Ableitung 16, die zur Ausgleichung von Bewegungen gekrümmt ist, ermöglicht ein Wegführen des Fluids aus dem inneren Ringraum. Das im äußeren Ringraum frei strömende Fluid wird durch die Zuführungen 17, beispielsweise vier Stück, von denen allerdings nur zwei gezeichnet sind, zugeführt. Prallbleche 18 ermöglichen auch hier die gewünschte Verteilung und Beaufschlagung. Stege 19 stabilisieren das Rohrbündel 5 aus geraden Rohren. Der äußere Ringraum 3 und der innere Ringraum 4 sind gegeneinander abgedichtet und besitzen jeweils eigene Zuführungen und Ableitungen. Der Rohrboden 10 ist durch einen Deckel 20, der ein Mannloch 21 aufweist abgeschlossen, so daß zwischen Rohrboden 10 und Deckel 20 ein von den Ringräumen völlig getrennter Umlenkraum 22 für das in den Rohren der Rohrbündel strömende Fluid gebildet ist. Auf den Rohrboden 9 ist ein Abschlußdeckel 23 aufgesetzt, der einen Sammelraum 24 und einen ringförmigen Verteilraum 25 besitzt. Der Verteilraum 25 weist nach außen hin eine öffnung 26 und der Sammelraum 24 eine Öffnung 27 auf. Die Strömungsquerschnitte des Rohrbündels 5 aus geraden Rohren und die des Rohrbündels 6 aus gewickelten Rohren sind hintereinander geschaltet und die Strömung des wärmetauschenden Fluids, beispielsweise des Speisewassers, in dem Rohrbündel aus geraden Rohren und die Strömung des wärmetauschenden Fluids, beispielsweise ebenfalls Speisewasser, in dem Rohrbündel aus gewickelten Rohren sind einander entgegengesetzt gerichtet. Der Wärmetauscher ist auf Füßen 28 abgestützt, die mit Rollen 29 versehen sind, wodurch ein Einschieben des Wärmetauschers in einen dafür vorgesehenen Raum möglich ist.

Bei dem dargestellten Wärmetauscher kann beispielsweise Speisewasser im Kreuzstrom zunächst vom Dampf mit niedrigem Druck, beispielsweise einem Druck unter 0,3 bar und dann von Dampf mit höherem Druck, beispielsweise etwa 1 bar, von beispielsweise

30° C auf etwa 100° C erwärmt werden. Dazu strömt das Speisewasser mit einem Druck von etwa 30 bar durch die öffnung 26 in den äußeren Verteilerraum 25,„wo es gleichmäßig auf das Rohrbündel 5 aus geraden Rohren verteilt wird. Am Rohrboden 10 verläßt das Speisewasser das Rohrbündel aus geraden Rohren, tritt in den Umlenkraum 22 ein und strömt in entgegengesetzter Richtung durch das Rohrbündel 6 aus gewickelten Rohren zur ersten Stirnseite 7 des Wärmetauschers zurück. Durch die Öffnung 27 des Sammelraumes 24 verläßt das Speisewaser den Wärmetauscher. Der zuerst mit dem Speisewasser in Wärmetausch tretende Dampf mit dem niedrigeren Druck tritt über die Zuführungen 17 in den äußeren Ringraum 3 des Wärmetauschers ein, kondensiert und verläßt den js Ringraum 3 als Kondensat durch die Ableitung 30. Der Dampf mit dem höheren Druck wird über Zuführung 13 in den inneren Ringraum 4 geführt. Bevor der Dampf den inneren Ringraum 4 betritt, wird er mit Hilfe des Prallblechs 15 und der Eintrittskammer 14 so verteilt, daß eine gleichmäßige Beaufschlagung des Rohrbündels 6 aus gewickelten Rohren erreicht ist. Der Dampf in der inneren Ringkammer kondensiert und wird durch Ableitung 16 wieder aus dem Wärmetauscher geführt.

F i g. 2 zeigt einen Wärmetauscher längs der Ebene H-II. Die jeweils paarweise angeordneten Zuführungen 17 für den Dampf mit dem niedrigeren Druck sind dabei zur Verdeutlichung versetzt dargestellt. Sie liegen in diesem Ausführungsbeispiel nicht in der gleichen Ebene wie die Zuführung 13 für den Dampf mit dem höheren Druck. Die Rohre des gewickelten Rohrbündels 6 sind beispielsweise bis zu dreimal so lang wie die Rohre des Rohrbündels 5 mit den geraden Rohren.

Fig.3 zeigt ausschnittsweise einen Längsschnitt einer zweiten Stirnseite eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers. Die im übrigen, nicht dargestellten Bereich angeordneten Einrichtungen können in gleicher Weise wie bei einem Wärmetauscher gemäß F i g. 1 ausgebildet sein. Lediglich der äußere und der innere Behältermantel besitzen keine Dehnungsstücke. Statt dessen verfügt der dargestellte Wärmetauscher über einen Schwimmkopf 31, der die beiden Ringräume elastisch gegeneinander abdichtet. Der Rohrboden ist zweiteilig ausgeführt, wobei am kreisrunden inneren Teil 32 das Rohrbündel 6 aus gewickelten Rohren und im ringförmigen äußeren Teil 33 des Rohrbündels 5 aus geraden Rohren befestigt ist. Zwischen Schwimmkopf 31, der im v. asentlichen aus zwei Hauben besteht, <iie mit einem Balg 34 verbunden sind, und Deckel 20 ist wieder ein Umlenkraum 22 gebildet.

F i g. 4 zeigt ausschnittsweise einen Längsschnitt der zweiten Stirnseite eines weiteren erfindungsgemäßen Wärmetauschers. Die im übrigen, nicht dargestellten Bereich angeordneten Einrichtungen können ebenfalls in gleicher Weise wie bei dem Wärmetauscher gemäß F i g. 1 ausgebildet se^;n. Lediglich der äußere Behältermantel 1 besitzt keine und der innere Behältermantel 2 besitzt nur im Bereich der gezeichneten zweiten Stirnseite Dehnungsstücke 12. Der äußere Behältermantel 1 ist direkt mit dem Deckel 21 verbunden. Der Rohrboden 35 ist einteilig ausgeführt und gleitend am äußeren Behältermantel 1 abgestützt. Der Umlenkraum 22 wird aus dem Rohrboden 35 und dem Zwischendeckel 36 gebildet, der ebenfalls ein Mannloch 37 aufweist Dadurch kann der äußere Behältermantel ungehindert Längsbewegungen ausführen, während die dem inneren Behältermantel aufgezwungenen Bewegungen, insbesondere durch das Rohrbündel aus geraden Rohren, durch die Dehnungsstücke 12 aufgenommen werden.

Die starren Verbindungsstellen eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers sind vorzugsweise geschweißt

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Wärmetauscher mit zwei ineinander angeordneten zylindrischen Behältermänteln, die ineinanderliegende Ringräume bilden, wobei der innere Ringraum ein Rohrbündel aus gewickelten Rohren und der äußere Ringraum ein Rohrbündel aus geraden Rohren aufweist, die geraden Rohre des äußeren Rohrbündels und die gewickelten Rohre des inneren Rohrbündels hintereinandergeschaltet sind und einander entgegengesetzt von dem Wärmetauschmittel durchströmt werden und mit die Rohre zusammenfassenden Rohrboden, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Ringräume (3,4) für sich abgeschlossen sind, eigene Zuführungen (13, 17) und Abführungen (16,30) aufweisen und daß ihre Stirnwände durch je einen ebsnen beide Rohrbündelenden aufnehmenden Rohrboden gebildet sind, wobei der eine Rohrboden (9) Zu- und Abführungen für das Wärmetauschmittel aufweist und der andere (10) mit den Behältermänteln (1, 2) über Dehnungskörper (z. B. 12) elastisch verbunden ist