DE2654191C3 - Wärmeübertrager mit schraubenlinienförmig gewundenen Rohren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit einer großen Zahl von schraubenlinienförmig um eine gemeinsame lotrechte Achse gewundenen Rohren, die mantellagenweise unterschiedliche Windungsradien aufweisen, wobei die Rohre abschnittsweise rechts und links gewunden sind.

Bei einem solchen, aus der BE-PS 6 93 075 bekannten Wärmeübertrager erstrecken sich die rechts und links gewundenen Rohrabschnitte durchgehend über mehr als 360⁰C, so daß sich konzentrische, zylindrische Rohrkörper unterschiedlichen Durchmessers ergeben. Dabei sind also innerhalb eines Rohrzyünders oder einer Mantellage in axialer Richtung beispielsweise ein rechts gewundener und ein links gewundener Rohrkörper hintereinander angeordnet. Solche Wärmeübertrager haben sich im Betrieb bewährt. Als Nachteil wird empfunden, daß zwischen Herstellung und Montage der zylindrischen Rohrkörper 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 Rohrkörper beansprucht

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die in Achsrichtung mehrmals aufeinanderfolgenden, in ihrer Windungsrichtung abwechselnden Windungsabschnitte der Rohre jeweils höchstens den halben Kreisumfang über-decken.

Durch diese Gestaltung der Rohre ergeben sich leichter als zylindrische Rohrkörper zu handhabende Rohrgebilde, deren Rohre nur in Kreiszylinderschalen verlaufen, deren Umfang höchstens einen Halbkreis 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 Rohrkörper. Im Wärmeübertrager lassen sich die eriindungsgemäßen 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 zeigt

F i g. 1 einen Vertikalschnitt durch einen Wärmeübertrager gemäß der Erfindung,

F i g. 2 eine Abwicklung eines Teiles zweier Rohre des Wärmeübertragers,

F i g. 3 und 4 je eine Draufsicht auf ein Rohr und

Fig.5 einen Schnitt entsprechend der Linie V-V in Fig. 1.

Gemäß F i g. 1 weist der Wärmeübertrager, von dem der Übersichtlichkeit halber nur eines von 126 Wärmeübertragungsrohren 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 vorgesehen, der einen Umlenkraum für das über die Leitung 19 und das 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

wi 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 öffnungen 28 zuströmt und über die

zwischen dem unteren Ende des Mantels 27 und der unteren Rohrplatte 3 gebildete öffnung 29 abströmt

Entsprechend der Anzahl der Rohre 31 bis 37 des Wärmeübertragers weisen die Rohrplatten 1 und 3 126 Bohrungen auf, die auf zur Achse des zentralen Rohres 1 konzentrischen Kreislinien mit dem Durchmesser D\, D₂, D₃ usw. verteilt liegen, wobei die Anzahl der Bohrungen je Kreis mit größer 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 31 auf der Zylinderfläche mit dem Durchmesser D\. 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 F i g. 2 erkennen läßt, ein Übergangsstück 10 vorgesehen, das aus zwei kurzen Krümmern 8 und einem dazwischen liegenden geraden Rohrabschnitt 9 besteht. Auch diese Übergangsstücke 10 liegen in der Kreiszyünderfläche, in der die Windungsabschnitte 6 und 7 verlaufen. Auf diese Weise entsteht aus jedem Rohr 31 bis 37 ein Rohrgebilde, dessen Rohr in einer Kreiszylinderschale verläuft, die in F i g. 3 für ein Rohr 31 dargestellt ist, wobei der Zentriwinkel der Schale knapp 180° beträgt Auf dem innersten Kreis mit dem Durchmesser D\ sind neun solcher Rohrgebilde gleichmäßig verteilt untergebracht und bilden die innerste Rohrgruppe. Den Rohren 31 benachbart sind zwölf Rohre 32 auf dem nächstgrößeren Kreis mit dem Durchmesser Di angeordnet, wobei diese Rohrgruppe gleichartige Rohrgebilde wie die innerste Rohrgruppe aufweist, nur daß der Windungsradius der Rohre 32 dem größeren Durchmesser Di entsprechend etwas größer 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 Kreisdurchmessern in Kreiszylinderschalen, wobei jedoch der Zentriwinkel noch kleiner wird. F i g. 4 zeigt die Zylinderschalenform eines auf dem äußersten Kreis angeordneten Rohres 37.

Die Rohre 31 bis 37 sind in montiertem Zustand durch im Bereich der Übergangsstücke 10 angeordnete Gitterstrukturen 12 fixiert, von denen eine in Fig.5 dargestellt ist. Die Gitterstruktur besteht aus Ringen 13, 15,17 in Kreisform und Ringen 14,16,18 in Sternform, die einander abwechselnd angeordnet sind. Diese Ringe sind aus Stahlband gebildet und an ihren gegenseitigen Berührungspunkten durch Nieten, Punktschweißen oder Umbiegen von Lappen miteinander verbunden.

Der innerste Kreisring 13 ruht auf U-förmig ausgesparten Stegen 20, die am zentralen Rohr 1 über dessen Umfang verteilt befestigt sind. Es 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 Di 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 Di 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.

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,

ίο indem jeder dieser Ringe zunächst in zwei Hälften unterteilt wird und dann — auf den Stegen 20 liegend — zusammengeschweißt 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 Windungsabschnitte in Zylinderschalen mit dem Durchmesser Di 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 kalottenförmigen Bodens 23, der Leitung 19 und des trichterförmigen Rohrstücks 24, woraufhin eine Dichtheitsprüfung vorgenommen werden kann. Anschließend werden an die Rohrplatte 2 die Stege 26 und an diese der in zwei Halbschalen unterteilte Mantel 27 angeschweißt und die beiden Halbschalen durch Längsschweißnähte miteinander verbunden. Im Mantel 27 können öffnungen vorgesehen sein, durch die hindurch den Stegen 20 entsprechende Verbindungsele-

Vi mente 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.

>o 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 Windungsinn mehrmals um 360° schraubenlinienförmig gewunden sind.

Wenn die im Wärmeübertrager auf gleicher Höhe befindliclien Windungsabschnitte der Rohre in einander benachbarten, unterschiedlichen Durchmesser aufweisenden Zylinderschalen gleichen Windungssinn haben, ■■ kann es zweckmäßig 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 un!?r dem Einfluß unterschiedlicher Wärmedehnungen etwas um die Achse des Wärmeübertragers bewegen wodurrh

Spannungen in den Rohren vermindert werden.

Die im Wärmeübertrager auf gleicher Höhe befindlichen Windungsabschnitte der Rohre in einander benachbarten, unterschiedlichen Durchmesser aufweisenden Zylinderschalen können auch entgegengesetz ten Wiiidungssinr. hiiben, so daß sich die Windungsabschnitte jeweils kreuzen. In diesem Fall ist es zweckmäßig, die Gitterstrukturen 12 starr an den Stegen 20 und/oder den entsprechenden Verbindungselementen am Mantel 27 zu befestigen.

Die Gitterstruktu:en 12 sind, wie oben beschrieben, an den Übergangsstellen 10 von einem Windungsabschnitt zum nächsten angeordnet, also im Bereich der axialen Rohrabschnitte 9. An diesen Stellen ist verhältnismäßig viel Platz zwischen den Rohren vorhanden. Die Anordnung der Gitterstrukturen 12 an den Übergangsstellen 10 hat den Vorteil einer guten Platzausnützung und außerdem wird das die Rohre umströmende Medium weniger gedrosselt als wenn die Fixierung der Rohre an den Windungsabschnitten erfolgen würde. Bei einem vorgegebenen Druckabfall des die Rohre umströmenden Mediums kann also dessen Strömungsgeschwindigkeit größer 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 Mc-uiuii
parallelgeschalteten Rohre 31 bis 37 können in in radialer Richtung aufeinanderfolgenden Zylinderschalen leicht unterschiedlich gewählt werden, um gleiche Durchflußmengen und/oder gleichen Wärmeübergang und damit gleiche Austrittstemperatur des aus den Rohi en austretenden Mediums zu erzielen.

Es ist auch möglich, die Windungsabschnitte in den Rohren ungleich lang zu machen und/oder ihnen unterschiedliche Steigungswinkel zu geben. Durch Ändern 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 Wasser beschickt werden.

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

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Wärmeübertrager mit einer großen Zahl von schraubenlinienförmig um eine gemeinsame lotrechte Achse gewundenen Rohren, die mantellagenweise unterschiedliche Windungsradien aufweisen, wobei die Rohre abschnittsweise rechts und links gewunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die in Achsrichtung mehrmals aufeinanderfolgenden, in ihrer Windungsrichtung abwechselnden Windungsabschnitte (6, 7) der Rohre (31 bis 37) jeweils höchstens den halben Kreisumfang überdecken.

2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf gleicher Höhe befindliche Windungsabschnitte einander benachbarter, in Mantellagen unterschiedlichen Durchmessers verlaufender Rohre (31 bis 37) gleichen oder spiegelbildlich entgegengesetzten Windungssinn aufweisen.

3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (31 bis 37) an den Stellen des Windungssinnwechsels an einem alle Rohre berührenden Fixierungsgitter (12) befestigt sind.

4. Wärmeübertrager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Fixierungsgitter (12) aus radial abwechselnd angeordneten, kreisförmigen (13, 15, 17) und entsprechend der Rohrzahl sternförmig ausgebogenen Ringen (14,16) aufgebaut ist, die aus Stahlband bestehen können.

5. Wärmeübertrager nach Anspruch 4, mit mehreren über die Länge der Rohre verteilten Fixierungsgittern, dadurch gekennzeichnet, daß jedes zweite Gitter (12) um die gemeinsame Achse drehbar angeordnet ist.

6. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Rohre (31 bis 37) zwischen zwei zueinander parallelen und quer zur gemeinsamen Achse angeordneten Rohrplatten (2, 3) erstrecken, an denen sie mit ihren Enden dicht angeschlossen sind.

7. Wärmeübertrager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Rohrmantellagen, um deren gemeinsame Achse ein Verdrängungskörper (1) für das die Rohre (31 bis 37) umströmende Medium vorgesehen ist, der die beiden Rohrplatten (2,3) miteinander verbindet und als Zuleitung oder Ableitung für das die Rohre (.51 bis 37) durchströmende Medium ausgebildet ist.

8. Wärmeübertrager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Fixierungsgitter (12) am Verdrängungskörper (1) abgestützt ist.