DE2654191A1

DE2654191A1 - Waermeuebertrager mit schraubenlinienfoermig gewundenen rohren

Info

Publication number: DE2654191A1
Application number: DE19762654191
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl Ing Bieri
Original assignee: Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1976-11-19
Filing date: 1976-11-30
Publication date: 1978-05-24
Also published as: JPS5366051A; FR2371657A1; DE2654191B2; CH614038A5; GB1542993A; DE2654191C3

Description

P 5114/St/mm

Gebrüder Sulzer Aktiengesellschaft, Wlnterthur/Schweiz Wärmeübertrager mit schraubenlinienförmig gewundenen Rohren

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit einer grossen Zahl von schraubenlinienförmig um eine gemeinsame Achse gewundenen Rohren, die gruppenweise unterschiedliche Windungsradien aufweisen.

Solche bekannte Wärmeübertrager, bei denen die Rohre durchgehend mit gleichbleibendem Windungssinn mehrmals um die gemeinsame Achse gewunden sind, so dass sich konzentrische Rohrzylinder unterschiedlichen Durchmessers ergeben, haben sich im Betrieb bewährt. Als Nachteil wird empfunden, dass zwischen Herstellung und Montage der Rohrzylinder sehr viel Platz für die Lagerung und den Transport in der Werkstatt notwendig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeübertrager der eingangs genannten Art zu schaffen, der bei gleichbleibend guten Wärmeübertragungseigenschaften vor seiner Montage weniger Platz für seine Rohre beansprucht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass jedes Rohr abschnittweise abwechselnd rechts und links gewunden ist

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und diese Windungsabschnitte nur so lang sind, dass sie in einer Kreiszylinderschale mit einem Zentriwinkel von höchstens 180° verbleiben.

Durch diese Gestaltung der Rohre ergeben sich leichter als Rohrzylinder zu handhabende Rohrgebilde, deren Rohre nur in Kreiszylinderschalen verlaufen, deren Umfang höchstens einen Kalbkreis bildet. Solche Rohrgebilde lassen sich einfach und raumsparend lagern, stapeln und sowohl einzeln wie auch als Stapel wegen des geringen Platzbedarfes einfach transportieren. Auch die Montage der neuen Rohrgebilde ist leichter und rationeller als die der bekannten Rohrzylinder. Im Wärmeübertrager lassen sich die Rohrgebilde praktisch gleich dicht anordnen wie die bekannten, durchgehend gewundenen Rohre, ohne dass im Betrieb die Wärmeübertragungseigenschaften nennenswert beeinträchtigt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch einen Wärmeübertrager gemäss der Erfindung,

• Fig. 2 eine Abwicklung eines Teiles zweier Rohre des Wärmeübertragers,

Fig. 3 und 4 je eine Draufsicht auf ein Rohr und

Fig. 5 einen Schnitt entsprechend der Linie V - V in Fig.

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Gecäss Fig. 1 weist der Wärmeübertrager, von dem der Übersichtlichkeit halber nur eines von 126 Wärrneübertragungsrohren 31 bis 37 gezeichnet ist, eine obere Rohrplatte 2'und eine untere Rohrplatte 3 auf, die durch ein zentrales Rohr 1 mit vertikaler Achse miteinander verbunden sind. Das zentrale Rohr 1 setzt sich nach oben in eine Leitung 19 fort, die der Zufuhr des in den Rohren des Wärmeübertragers strömenden, wärmeaufnehmenden Mediums_/z. B. Wasser, dient. Zu diesem Zweck ist auf der Unterseite der Rohrplatte 3 ein kalottenförmiger Boden 23 vorgese-

das

hen, der einen Umlenkraum, für das über die Leitung 19 und/zentrale Rohr 1 zuströmende Medium bildet. Auf der Oberseite der oberen Rohrplatte 2 ist ein trichterförmiges, sich nach oben verjüngendes Rohrstück 24 angebracht, das an seinem verjüngten Ende in eine Leitung 25 übergeht, die der Abfuhr des die Rohre 31 bis 37 verlassenden Mediums dient. An der Unterseite der oberen Rohrplatte 2 ist an deren Rand über Stege 26 ein zylindrischer Mantel 27 befestigt, der alle Rohre des Wärmeübertragers umgibt und etwas oberhalb der unteren Rohrplatte 3 endet. Der Mantel 27 dient zur Führung des die Rohre 31 bis 37 umströmenden, wärmeabgebenden Mediums, z. B. in einem Kernreaktor erhitztes Gas, das durch die zwischen den Stegen 26 gebildeten Oeffnungen 28 zuströmt und über die zwischen dem unteren Ende des Mantels 27 und der unteren Rohrplatte 3 gebildete Oeffnung 29 abströmt.

Entsprechend der Anzahl der Rohre 31 bis 37 des Wärmeübertragers weisen die Rohrplatten 2 und 3 126 Bohrungen auf, die auf zur Achse des zentralen Rohres 1 konzentrischen Kreislinien mit dem

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Durchmesser D₁, D_?, D₃ usw. verteilt liegen, wobei die Anzahl der Bohrungen je Kreis mit grosser werdendem Kreisdurchmesser zunimmt. Die Rohre 31 bis 37, die mit ihren Enden dicht in die Rohrplatten 2 und 3 eingesetzt sind, sind abschnittweise abwechselnd mehrmals rechts und links schraubenlinienförmig gewunden, wobei Windungsabschnitte 6 und 7 entstehen, deren Achsen in einer Kreiszylinderfläche liegen; im Falle der Rohre auf der Zylinderfläche mit dem Durchmesser D₁. Die Windungsabschnitte 6 und 7 sind nur so lang, dass sie sich über einen Zentriwinkel von höchstens 180° erstrecken. Zwischen zwei Windungsabschnitten 6 und 7 ist, wie Fig. 2 erkennen lässt, ein Uebergangsstück 10 vorgesehen, das aus zwei kurzen Krümmern 8 und einem dazwischen liegenden geraden Rohrabschnitt 9 besteht. Auch diese Uebergangsstücke 10 liegen in der Kreiszylinderfläche, in der die Windungsabschnitte 6 und 7 verlaufen. Auf diese Weise entsteht aus je-dem Rohr 31 bis 37 ein Rohrgebilde, dessen Rohr in einer Kreiszylinderschale verläuft, die in Fig. 3 für ein Rohr 31 dargestellt ist, wobei der Zentriwinkel der Schale knapp 180° beträgt. Auf dem innersten Kreis mit dem Durchmesser D₁ sind neun solcher Rohrgebilde gleichmässig verteilt untergebracht und bilden die innerste Rohrgruppe. Den Rohren benachbart sind zwölf Rohre 32 auf dem nächstgrcsseren Kreis mit dem Durchmesser D2 angeordnet, wobei diese Rohrgruppe gleichartige Rohrgebilde wie die innerste Rohrgruppe aufweist, nur dass der Windungsradius der Rohre 32 dem grösseren Durchmesser D_? entsprechend etwas grosser und der Zentriwinkel etwas kleiner ist. In gleicher Weise verlaufen auch die Rohre 33 auf dem Kreisdurchmesser D₃ und die Rohre 34 bis 37 auf den übrigen Kreisdurchmes-

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sera in Kreiszylinderschalen, wobei jedoch der Zentriwinkel

die

noch kleiner wird. Fig. 4 zeigt/Zylinderschalenfortn eines auf dem äussersten Kreis angeordneten Rohres 37.

Die Rohre 31 bis 37 sind in montiertem Zustand durch im Bereich der Uebergangsstücke 10 angeordnete Gitterstrukturen 12 fixiert, von denen eine in Fig. 5 dargestellt ist. Die Gitterstruktur besteht "aus Ringen 13, 15,17 in Kreisfcrrn und Ringen 14, 16, 18 in Cterrifcrc, die einander abwechselnd angeordnet sind» Diese Ringe sind aus L-tahlband gebildet und an ihren gegenseitigen Berührungspunkten durch Nieten, Punktschweissen oder Umbiegen von Lappen -niteinander verbunden.

Der innerste Kreisring 13 ruht auf U-förmig ausgesparten Stegen 20, die an zentralen Rohr 1 über dessen Umfang verteilt befestigt sind. Ks folgt dann ein Ring 14 in Sternform, der zwischen sich und dem innersten Kreisring 13 die neun Rohre 31 einschliesst. Der Sternring 14 ist von einem Kreisring 15 umgeben, an dem aussen die Rohre 32 mit dem Zylinderschalendurchmesser D₂ anliegen. Der Kreisring 15 und die zuletzt genannten Rohre 32 sind von einem Sternring 16 umgeben, der seinerseits von einem Kreisring 17 umschlossen ist. An dem Kreisring 17 liegen die Rohre 33 mit dem Zylinderschalendurchmesser D₃ an, die von dem Sternring 18 gehalten werden. In gleicher Weise setzt sich der Aufbau der- Gitterstruktur 12 bis zu dem Sternring fort, der die Rohre 37 auf dem äussersten Kreis umschliesst. Durch die Verbindung der Gitterstruktur 12 mit dem zentralen Rohr 1 ergibt sich eine axiale Abstützung der Gitterstruktur am Wärmeübertrager.

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Damit dient die Gitterstruktur auch zum Tragen der Rohre 31 bis 37,

Der Zusammenbau des Wärmeübertragers geschieht in folgender Weise: Nachdem die Rohrplatten 2 und 3.mit dem zentralen Rohr 1-verbunden sind und die Stege 20 an diesem Rohr angeschweisst sind, werden die innersten Kreisringe 13 auf die Stege 20 aufgelegt, indem jeder dieser Ringe zunächst in zwei Hälften unterteilt wird und dann -auf den Stegen 20 liegend - zusarnmengeschweisst wird. Dann werden die neun Rohre 31 zwischen die Rohrplatten 2 und 3 eingeführt, indem sie in ihrer Längsrichtung elastisch verformt und in die zugehörigen Bohrungen auf dem Kreis mit dem Durchmesser D. eingefädelt werden. Hierbei können die Rohre 31 schon beim Einfädeln an den Ringen 13 anliegen oder sie werden nach dem Einfädeln bis zum Anliegen an den Ringen 13 um die in den Bohrungen der Rohrplatten steckenden Rohrenden geschwenkt. Wenn die Rohre 31 an den Ringen 13 anliegen, werden die Sternringe 14, die zweckmässig auch in Hälften unterteilt sind, eingelegt und mit dem zugehörigen innersten Ring 13 durch Schweissen, Nieten oder dgl. verbunden. Danach werden die Kreisringe 15 aufgebracht und am zugehörigen Sternring 14 befestigt. Es folgt - wie für die Rohre 31 beschrieben - das Einbringen der Rohre 32, deren ΛΪη-dungsabschnitte in Zylinderschalen mit den Durchmesser D~ verlaufen, wonach die Sternringe 16 aufgebracht und am zugehörigen Kreisring 15 befestigt werden, usw. Wenn alle Rohre 31 bis 37 in die Rohrplatten 2 und 3 eingefädelt sind, werden die Rohrenden mit den Rohrplatten dicht verbunden, z. B. durch Aufweiten, Schweissen oder ein anderes, bekanntes Verfahren. Danach folgt das Anschweissen des kalottenfiirmigen Bodens 23, der Leitung 19

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und des trichterförmigen Rohrstücks 24, woraufhin eine DichtheLtsprüfung vorgenommen werden kann. Anschliessend werden an

an der

die Rohrplatte 2 die Stege 26 und/diese/in zwei Halbschalen unterteilte Mantel 27 angeschweisst und die beiden Halbschalen durch Längsschweissnähte miteinander verbunden. Im Mantel 27 können Oeffnungen vorgesehen sein, durch die hindurch den Stegen 20 entsprechende Verbindungselemente für die Gitterstrukturen 12 eingeführt und eingeschweisst werden können, so dass diese Strukturen auch aussen in axialer Richtung abgestützt sind. Solche am Mantel 27 angebrachte Verbindungselemente können auch anstelle der Stege 20 vorgesehen sein.

Durch die beschriebene Gestaltung der Rohre 31 bis 37 ist sowohl deren Lagerung vor der Montage der Wärmeübertrager als auch deren Montage selbst erheblich einfacher als mit Rohren, die durchgehend mit gleichbleibendem Windungssinn mehrmals um 360° schraubenlinienförmig gewunden sind.

Wenn die im Wärmeübertrager auf gleicher Höhe befindlichen Windungsabschnitte der Rohre in einander benachbarten, unterschiedlichen Durchmesser aufweisenden Zylinderschalen gleichen Windungssinn haben, kann es zweckraässig sein, jede zweite Gitterstruktur 12 in den Stegen 20 drehbar zu lagern, wobei die aufeinander gleitenden Lagerflächen zweckmässig einer Behandlung unterzogen werden, die verhindert, dass sich die relativ bewegenden Teile im Betrieb des Wärmeübertragers festsetzen. Die drehbar gelagerten Gitterstrukturen können sich dann unter dem Ein-

etwas fluss unterschiedlicher Wärmedehnungen/um die Achse des Wärme-

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Übertragers bewegen, wodurch Spannungen in den Rohren vermindert werden.

Die im Wärmeübertrager auf gleicher Höhe befindlichen Windungsabschnitte der Rohre in einander benachbarten, unterschiedlichen Durchmesser aufweisenden Zylir.derschalen können auch entgegengesetzten Windungssinn haben, so dass sich die: //indungsabschnitte ,jeweils kreuzen. "In" diesen FaIJ ist es -.wecknüi ssig, die Gitterstrukturen 12 starr an den Stegen 20 und/oder den entsprechenden Verbindungselementen am Mantel 27 zu befestigen.

Die Gitterstrukturen 12 sind, wie oben beschrieben, an den Uebergangsstellen 10 von einem Windungsabschnitt zum nächster, angeordnet, also in Bereich der axialen Rohrabschnitte 9. An diesen Stellen ist verhältnisnässig viel Platz zwischen den Rohren vorhanden. Die Anordnung der Gitterstrukturen 12 an den Uebergangs- stellen 10 hat den Vorteil einer guten Platzausnützung und aus- serdem wird das die Rohre umströmende Medium weniger gedrosselt als wenn die Fixierung der Rohre an den Windungsabschnitten er folgen würde. Bei einem vorgegebenen Druckabfall des die Rohre ■umströmenden Mediums kann also dessen Strömungsgeschwindigkeit grosser gewählt werden.

Anstelle der ebenen Rohrplatten 2 und 3 können auch zylindrische oder kugelige Verteiler und Sammler vorgesehen sein. Die Länge und/oder die Durchmesser der im Strom des wärmeaufnehmenden Mediums parallelgeschalteten Rohre 31 bis 37 können in in radialer Richtung aufeinanderfolgenden Zylinderschalen leicht

I.

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unterschiedlich gewählt v/erden, um gleiche Durchflussmengen und/oder gleichen Wärmeübergang und damit gleiche Austrittstemperatur des aus den Rohren austretenden Mediums erzielen.

Es ist auch möglich, die Windungsabschnitte in den Rohren ungleich lang zu machen und/oder ihnen unterschiedliche Steigungswinkel zu geten. Durch Aendern des Steigungswinkels lässt sich der Strömungsquerschnitt des die Rohre umströmenden Mediums an dessen spezifisches Volumen und/oder an den Zustand des die Rohre durchströmenden Mediums anpassen. Die letztgenannte Möglichkeit gilt insbesondere dann, wenn die Rohre mit V/asser beschickt werden.

Es ist denkbar, dass bei einem Wärmeübertrager mit beispielsweise zwanzig auf verschiedenen Durchmessern angeordneten Rohgruppen der Windungsradius nicht für iede Gruppe geändert wird, sondern dass für zwei in radialer Richtung benachbarte Rohrgruppen der selbe Windungsradius angewendet wird. In diesem Falle müssten bei der Fertigung also statt zwanzig nur zehn unterschiedliche Windungsradien auf der Rohrbiegemaschine eingestellt werden.

Claims

P a ten t a ns d γ ü c h e

ί 1. !Wärmeübertrager mit einer grossen Zahl von schraubenlinienförmig ua eine gemeinsame Achse gewundenen Rohren, die gruppenweise unterschiedliche V/in-.lungsradien aufweisen, dudurch gekennzeichnet, dass jedes Rohr abschnittweise abwechselnd
rechts und links gewunden ist und Jiese Windungsabschnitte
nur so lang sind, dass sie in einer Kreiszylinderschale mit einem Zentriwinkel von höchstens 180° verbleiben.

2. · Wär.meüc er tracer nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, rJass

Im Wärme'Jl; ertracer auf gleicher Kche befindliche Windungsabschnitte einander benachbarter, in Kreiszylinderschalen unterschiedlichen Durchmessers verlaufender Rohre gleichen
Windungssinn aufweisen,

3. Wärmeübertrager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Wärmeübertrager auf gleicher Höhe befindliche Winüuncsabschnitte einander benachbarter, in Kreiszylinderschalen unterschiedlichen Durchmessers verlaufender Rohre entgegengesetzten Windungssinn aufweisen.

4» Wärmeübertrager nach Ansprüchen 1 und 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre an den Stellen, an denen der
Windungssinn wechselt, fixiert sind.

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5. Wärneüter tracer nach Anspruch 4, dadurch gekennze Lehnen, das;; zum fixieren eier Hehre mindestens eine Gitterstruktur vorgesehen Ist, die alie Rohre berührt.

6. Vvfirrru-'Uter trager nach Anspruch 5, dadurch rekennzeLehnet, dass dLe Gitterstruktur aus in einer KLene abwechselnd angeordneten, kreisförmigen und sternförmigen Ringen aufgebaut ist.

7. VrärrneUbertrager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringe aus i.t.nhlband gebildet sind.

U. /.'ärmeübertrager nach nnSprüchen 2 und A bis 7, nit mehreren, über die Länge der Rohre verteilten GLtterstrukturen, dadurch gekennzeichnet, dass jede zweite Gitterstruktur in bezug auf die gerne insane Achse drehbar angeordnet ist.

9. i/vämeübertrager nach. Ansprüchen3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterstruktur in bezug auf dLe gemeinsame Achse starr angeordnet ist.

10. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Rchre sich zwischen zwei zueinander parallelen und quer zur geneinsamen Achse angeordneten Rohrplatten erstrecken, an denen sie mit ihren Enden dicht angeschlossen sind.

11. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in Zentrum der Kreiszylinderschalen ein

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Verdrängungskörper für dan die Rohre unr.t rcnonde Medium vorgesehen ir.t .

1?. V/.^:irm<;iü er träger π ich Ansprüchen 10 und U, dadurch ftokfnnzeirhnot, dass dor Verdrängungskörper die Rohrplatten miteinander verbindet und als Zuleitung oder AVloitung ?i^T das die Rohre durchströmende l'cdiun a\isget:ildet ist.

13. AärmeutertracRr nach einem der Ansprüche A bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterstruktur in axialer ilichtung der» närmeübertragers innen und/oder aussen abgestützt ist.

14. V/ärneübertrager nach einem der Ansprüche 11 tis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Gitterstruktur an Verdrängungskörper abgestützt ist.

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