DE2706049A1

DE2706049A1 - Vorrichtung zum lagern einer vielzahl von roehren in einem waermeaustauscher

Info

Publication number: DE2706049A1
Application number: DE19772706049
Authority: DE
Inventors: William Maurice Small
Original assignee: Phillips Petroleum Co
Current assignee: Phillips Petroleum Co
Priority date: 1976-04-29
Filing date: 1977-02-12
Publication date: 1977-11-10
Also published as: ES456346A1; NO770388L; NL164658B; BR7608437A; FR2357852A1; JPS5421579B2; IT1085928B; PL112917B1; YU39672B; JPS52133159A; AU1985076A; GB1562662A; CA1067483A; SE423647C; DD128941A5; SU919610A3; AU497197B2; FR2357852B1; NL164658C; MX144609A

Description

Phillips Petroleum Company, Bartlesville, OkIa., USA

VORRICHTUNG ZUM LAGERN EINER VIELZAHL VON RÖHREN IN EINEM WÄRMEAUSTAUSCHER

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Lagern einer Vielzahl von Röhren in einem Wärmeaustauscher. Insbesondere bezieht sie sich auf Mantel- und Rohrwärmeaustauscher (shell and tube heat exchangers) und ein Verfahren und eine Vorrichtung zur radialen Abstützung der Röhren in derartigen Wärmeaustauschern.

Die Wärmeübertragung spielt in der Verfahrenstechnik ganz allgemein eine bedeutende Rolle. Eine indirekte Wärmeübertragung von einem Medium zu einem anderen wird, wie allgemein bekannt 1st *■» allgemeinen mit Hilfe von Wärmeaustauschern erreicht, von denen viele verschiedene Typen bekannt sind. Beispielsweise gibt es Doppelrohr-, Mantel- und Rohr-,Plattenwärmeaustauscher und andere. Die Technik der Wärmeaustauscher ist sehr weit entwickelt. Dennoch gibt es noch auf einer Reihe von Gebieten die Möglichkeit und Notwendigkeit von Verbesserungen, beispielsweise durch Verminderung des Druckabfalls, Erhöhung des Gesamtwärmeübertragungskoeffizienten, Verminderung der Verschmutzung und bei Wärmeaustauschern mit einen Rohrbündel, beispielsweise bei Mantel- und Rohrwärmeaustauschern, durch Verbesserung der Lagerung der Röhren. Vielfach fallen die Röhren in einem Mantel- und Rohrwärmeaustauscher vorzeitig aus, weil sie vibrieren und aneinander oder an anderen Teilen des Wärmeaustauschers reiben. Die Abstützung der Röhren let aj.so «In bekanntes technisches Problem.

709845/0668

Seit vielen Jahren werden plattenförtnige Leitelemente (plate type baffles) in Wärmeaustauschern benutzt. Derartige Leitelemente bilden bis zu einem gewissen Grad auch eine Lagerung für die Röhren. Dem Fachmann ist auch der Wärmetauscher mit zweigeteilten Leitplatten (double segmental plate-baffle heat exchanger) wohlbekannt und obwohl Wärmetauscher mit plattenförmigen Leitelementen relativ früh bei der Entwicklung von Wärmeaustauschern auftauchten, sind derartige Wärmetauscher immer noch sehr weit verbreitet. In den meisten Wärmeaustauschern mit plattenförmigen Leitelementen haben die Durchlässe in den Platten, durch die die Röhren verlaufen, einen geringfügig größeren Durchmesser, als der Außendurchmesser der Röhren beträgt. Dadurch wird der Zusammenbau des Wärmeaustauschers erleichtert, jedoch können die Röhren vibrieren, was häufig zu einem vorzeitigen Ausfall der Rohre führt.

In der US-PS 2 018 037 (E. N.Siedler, 1935) wird ein Wärmeaustauscher mit einem abgestützten Röhrenbündel beschrieben, bei dem eine Vielzahl von Traversen oder Stäben in den Ebenen zwischen den Röhrenreihen angeordnet ist. In jeder Ebene ist eine Traverse oder ein Stab angeordnet und an einem Ring befestigt, der das Röhrenbündel umgibt, so dass die Traversen eine Reihe paralleler Sehnen bilden, die in einer Ebene senkrecht zur Längsachse des Röhrenbündels verlaufen. Wenn man das Röhrenbündel in einem Querschnitt durch seine Längsachse betrachtet, wie dies in den Figuren 2, 3 und 6 dieses Patents dargestellt ist, sieht man .in jeder einzelnen Ebene eine Traverse. Zwei Gruppen oder Vielzahlen von Traversen bil-

709845/0668

den folglich eine radiale Abstützung jeder Röhre des Bündels. Diese Konstruktion ergibt zwar eine sehr gute Lagerung der Röhren des Röhrenbündels, hat jedoch den Nachteil eines relativ großen Druckabfalls. Dieser Druckabfall stellt nicht nur einen erheblichen Energieverbrauch dar, sondern ist im allgemeinen überhaupt größer als toleriert werden kann. Obwohl diese patentierte Konstruktion über 30 Jahre alt ist, wurde sie von der Industrie nicht günstig aufgenommen, was sich an der Tatsache erweist, dass sie, wenn überhaupt, nur sehr selten verwendet wird.

Eine Röhrenlagerung,die benutzt wird, und bei der der Druckabfall gering ist, ist die, die in der US-PS 3 708 142 (vom gleichen Erfinder) beschrieben wird. Die Konstruktion der vorliegenden Erfindung ergibt eine wesentliche Verbesserung der Wärmeübergangskoeffizienten und der Verschmutzungsempfindlichkeit bei einer im Vergleich zur oben zitierten Erfindung relativ geringen Erhöhung des Druckabfalls. Obwohl also der Druckabfall in einem Wärmeaustauscher nach der US-PS 3 708 142 im Vergleich zu einem Wärmeaustauscher nach der vorliegenden Erfindung im allgemeinen geringfügig kleiner ist, stellt die vorliegende Erfindung eine bessere Lösung dar, wenn man sowohl den Druckabfall als auch den Wärmeübergangskoeffizienten in Betracht zieht. Darüberhinaus ist die Herstellung von Röhrenbündeln nach der vorliegenden Erfindung in einigen Fällen etwas kostengünstiger als bei der früheren Erfindung.

Die vorliegende Erfindung stellt eine sehr wesentliche Verbesserung bei der Konstruktion von Wärmeaustauschern dar, weil bei erfindungsgemäßer Lagerung eines Röhrenbündels die Auefallrate von Röhren, beispielsweise aufgrund von Vibra-

709845/0668

tion, vermindert wird, der Gesamtwärmeübergangskoeffizient im Vergleich zu Wärmetauschern nach dem Stand der Technik verbessert wird und gleichzeitig der Druckabfall im Vergleich zu den wohlbekannten Plattenwärmeaustauschern geringer ist· Außerdem sind Wärmeaustauscher mit den erfindungsgemäßen Leitelementen und Lagerungsvorrichtungen kostenmäßig wettbewerbsfähig mit den bekannten Wärmeaustauschern und haben gleichzeitig insgesamt bessere Betriebseigenschaften.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Lagerung oder Abstützung von Röhren in einem Röhrenbündel.

Eine zweite Aufgabe der Erfindung ist die Verringerung des Druckabfalls im Mantel eines Mantel- und Röhrenwärmeaustauschers und die Erreichung eines höheren Wärmeübergangskoeffizienten im Vergleich zu den bekannten Wärmeaustauschern.

Eine Weitere Aufgabe der Erfindung ist der Schutz der Röhren in einem Röhrenbündel vor beschädigung durch Vibration·

In einer Minderung der äußeren Verschmutzung von Röhrenbündeln ist eine weitere Aufgabe der Erfindung zu sehen, insbesondere in der Minderung der Verschmutzung im Mantel eines Mantel- und Rohrwärmeaustauschers, die zu einer Reduzierung des Wärmeübergangs führt.

Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es schließlich, eine Röhrenlagerung zu liefern, durch die die Ausfallrate von Röhren in einem Röhrenbündel erheblich vermindert wird, gleichzeitig die Wärmeübergangskoeffizienten verbessert werden und der Druckabfall' im Mantel eines Mantel- und Rohr-Wärmeaustauschers vermindert wird·

709845/0668

Diese Aufgaben werden durch die erfindungsgemässe Vorrichtung zum Lagern einer Vielzahl von Röhren in einem Wärmeaustauscher gelöst, in der die Röhren ein Röhrenbündel bilden und so angeordnet sind, dass sie mindestens eine erste Vielzahl von parallelen Röhrenreihen, eine zweite Vielzahl von parallelen Röhrenreihen und Zwischenräume zwischen mindestens einem Teil der benachbarten Röhrenreihen bilden, wobei diese Vorrichtung mindestens einen Satz Leitelemente hat, der eine radiale Abstützung für jede Röhre ergibt und einen äusseren, das Bündel umgebenden Ring besitzt und gekennzeichnet ist durch mindestens 3 Leitelemente, die eine Vielzahl von Stäben einschliessen, welche in einem Teil der Zwischenräume zwischen benachbarten Röhrenreihen aus einer Vielzahl paralleler Röhrenreihen angeordnet sind und mit dem äußeren Ring dergestalt zusammengefügt sind, dass sie eine Vielzahl von Sehnen des äußeren Rings bilden, wobei jeder derartige Stab eine ausreichende Größe hat, dass er eine Abstützung für die zu den diesem Stab benachbarten Röhrenreihen gehörenden Röhren bildet und die Anzahl der Stäbe in jedem der Leitelemente erheblich geringer ist, als die Gesamtzahl an Stäben, die in den Zwischenräumen zwischen den Röhrenreihen in der Vielzahl von parallelen Röhrenreihen angeordnet werden könnten.

Ein erfindungsgemäßes Leitelement (baffle), das auch als Führungselement, unterStützungseinheit, oder Lagereinheit bezeichnet werden kann, schließt also einen äußeren Ring ein, der geeignet ist, eine Vielzahl von parallelen Röhren zu umschließen, die wiederum mindestens eine erste Vielzahl paralleler Röhrenreihen und ein« zweite Vielzahl paralleler R8hr«nr«ihen und ZwlschrrrKu— zwischen mindestens

709845/0668

einem Teil der benachbarten Röhrenreihen bilden. Außerdem schließt es eine Vielzahl paralleler Stäbe ein, die mit dem äußeren Ring zusammenwirken und an diesem befestigt sind, so dass sie eine Vielzahl paralleler Sehnen zu dem äußeren Ring bilden. Diese Stäbe können die Zwischenrohrräume zwischen den Röhren, die benachbarte parallele Röhrenreihen einer Vielzahl von parallelen Röhrenreihen bilden, durchdringen und die Zahl dieser Stäbe ist erheblich geringer als die Gesamtzahl von Stäben, die in den Zwischenräumen zwischen den Röhrenreihen einer Vielzahl paralleler Röhrenreihen angeordnet werden könnten.

Eine erfindungsgemäße Lagerungsvorrichtung für eine Vielzahl von ein Röhrenbündel bildenden Röhren, die so angeordnet sind, dass sie mindestens eine erste Vielzahl paralleler Röhrenreihen und eine zweite Vielzahl paralleler Röhrenreihen und Zwischenräume zwischen! mindestens einem Teil der benachbarten Röhrenreihen bilden, schließt außerdem mindestens einen Satz Leitelemente (baffle set) ein, der eine radiale Abstützung für jede Röhre bildet und mindestens drei Leitelemente einschließt, die jeweils der obigen Beschreibung entsprechen.

Nach der vorliegenden Erfindung wird eine Vielzahl von Röhren weiterhin dadurch gelagert, dass die Röhren in Form eines Röhrenbündels mit mindestens einer ersten Vielzahl paralleler Röhrenreihen und einer zweiten Vielzahl paralleler Röhrenreihen und mit Zwischenräumen zwischen mindestens einem Teil der benachbarten Röhrenreihen angeordnet werden, dass man mindestens einen Satz Leitelemente verwendet, bei dem die Anzahl der Leitelemente groß genug ist, um jede Röhre des Röhrenbündele radial abzustützen

709845/0668

27060A9

(to radially support) und dass man jedes dieser Leitelemente bildet, indem man einen äußeren Ring um das Röhrenbündel anordnet und eine Vielzahl von Stäben durch einen Teil der Zwischenräume zwischen benachbarten parallelen Röhrenreihen einer Vielzahl paralleler Röhrenreihen steckt, so dass sie mit dem äußeren Ring zusammenwirken und eine Vielzahl paralleler Sehnen bilden, wobei jeder dieser Stäbe groß genug ist, um die Röhren in den Röhrenreihen, die dem Stab benachbart sind, zu stützen und wobei die Anzahl der Stäbe, die zur Ausbildung jedes Leitelementes eingesteckt werden, erheblich geringer ist als die Gesamtzahl von Stäben, die in den Zwischenräumen zwischen den Röhrenreihen einer Vielzahl paralleler Röhrenreihen eingesetzt werden könnten·

Figur 1 ist eine Aufrißdarstellung eines Wärmeaustauschers nach einer Ausführungsform der Erfindung;

Figur 2 ist ein Querschnitt,im wesentlichen entlang der Linie 2-2 in Figur 1, und zeigt ein Leitelement nach dieser Erfindung;

Figur 3 ist ein Querschnitt, im wesentlichen entlang der Linie 3-3 in Figur 1, und zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Leitelement, das sich zur Kombination mit dem nach Figur 2 eignet;

Figur 4 ist ein Querschnitt, im wesentlichen entlang der Linie 4-4 in Figur 1 und zeigt ein weiteres Leitelement nach der Erfindung, das sich zur Verwendung zusammen mit denen nach Figur 2 und Figur 3 eignet;

Figur 5 ist eine Aufrißdarstellung einer Vielzahl von Röhren

709845/0668

in der Form eines Röhrenbündels, bei der eine andere erfindungsgemäße Ausführungsform verwendet wurde;

Figur 6 ist ein Querschnitt, im wesentlichen entlang der Linie 6-6 in Figur 5 und zeigt ein erfindungsgemäßes Leitelement ;

Figur 7 ist ein Querschnitt, im wesentlichen entlang der Linie 7-7 in Figur 5 und zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Leitelement, das zur Verwendung zusammen mit dem in Figur 6 dargestellten geeignet ist;

Figur 8 ist ein Querschnitt, im wesentlichen entlang der Linie 8-8 in Figur 5 und zeigt ein weiteres Leitelement nach der Erfindung, das zur Verwendung mit denen in Figur 6 und 7 dargestellten geeignet ist;

Figur 9 ist ein Querschnitt, im wesentlichen entlang der Linie 9-9 in Figur 5 und zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Leitelement, das zur Verwendung mit denen nach Figur 6, 7 und 8 geeignet ist;

Die Figuren 10 bis 15 zeigen einen Satz Leitelemente gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, der sechs Leitelemente einschließt, wobei die Röhren des Röhrenbündels in einem Sechseckmuster angeordnet sind.

Figur 16 zeigt graphisch den Gesamtwärmeübergangskoeffizienten als Funktion der Flußgeschwindigkeit im Mantel für einen nach der vorliegenden Erfindung hergestellten Wärmeaustauscher und für zwei Wärmeaustauscher nach den Stand der Technik;

Figur 17 ist eine graphische Darstellung des Druckabfalls in Mantel al· Funktion der Flußgeschwindigkeit la Mantel

709845/0668

eines Wärmeaustauschers, wobei die gleichen Wärmeaustauscher wie bei der Ermittlung der in Figur 16 dargestellten Daten benutzt wurden;

Figur 18 ist eine graphische Darstellung des Verhält" nisses des Gesamtwärmeübergangskoeffizienten zum Druckabfall als Funktion der Flußgeschwindigkeit im Mantel, wobei die Daten wiederum an den gleichen Wärmeaustauschern gemessen wurden, wie die' in den Figuren 16 und 17 dargestellten Daten.

Figur 19 ist eine Aufrißansicht einer Vielzahl von Röhren in Form eines Röhrenbündels,bei dem eine weitere Ausführungsform der Erfindung verwendet wurde;

Figur 20 ist ein Querschnitt, der im wesentlichen entlang der Linie 20-20 in Figur 19 verläuft und zeigt ein erfindungsgemäßes Leitelement;

Figur 21 ist ein Querschnitt, der im wesentlichen entlang der Linie 21-21 in Figur 19 verläuft,und zeigt ein weiteres Leitelement nach der vorliegenden Erfindung, das zur Verwendung mit dem in Figur 20 dargestellten geeignet ist;

Figur 22 ist ein Querschnitt, der im wesentlichen entlang der Linie 22-22 in Figur 19 verläuft und zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Leitelement, das zur Verwendung zusammen mit den in den Figuren 20 und 21 dargestellten geeignet ist;

Figur 23 ist ein Querschnitt, der im wesentlichen entlang der Linie 23-23 in Figur 19 verläuft und zeigt ein weiteres erfindungsfemäSes Leitelement, das zur Verwendung ■it den in den Figuren 20, 21 und 22 dargestell-

709845/0668

ten geeignet ist,

Hohe Strömungsgeschwindigkeiten eines fluiden Mediums in einem Wärmeaustauscher führen häufig dazu, dass die Röhren in dem Röhrenbündel vibrieren, wenn sie nicht in radialer Richtung abgestützt sind. Dies wiederum führt dazu, dass eine oder mehrere der Röhren vorzeitig ausfallen, das heißt bevor man aufgrund der verwendeten Konstruktionsmaterialien und der Verwendungsbedingungen ein Ausfallen der Rohre erwarten würde. Zwei der üblichen Verfahren zur Reduzierung derartiger Vibration bestehen darin, Leitplatten (a plate baffle) hinzuzufügen, um die Röhren des Röhrenbündels zusätzlich zu unterstützen und/oder die Strömungsgeschwindigkeit durch die Röhren zu vermindern. Das Hinzufügen von Leitplatten führt zu einem erheblichen Anstieg des Druckabfalls im Mantel des Wärmeaustauschers und eine Verminderung der Flußgeschwindigkeit erfordert einen größeren,♦ kostspieligeren Wärmeaustauscher, als es sonst notwendig wäre. Durch die vorliegende Erfindung wird das Problem der Vibration gelöst, ohne dass der Druckabfall im Mantel wesentlich ansteigt und ohne dass die Flußgeschwindigkeit auf der Mantelseite des Wärmeaustauschers vermindert werden muß. Die Begriffe "Druckabfall" (pressure drop) und "Druckverlust" (pressure loss) werden hier synonym verwendet·

In Figur 1 ist ein Wärmeaustauscher dargestellt, der insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist und bei dem eine Ausführungsform der Erfindung verwendet wurde. Er hat zwei Rohrplatten (tube sheets) 17a und 17b und drei Leit-

709845/0668

elemente 12, 14 und 16, die die Röhren 18 abstürzen, die ihrerseits in Form eines Röhrenbündels 20 in dem Mantel 19 angeordnet sind. Obwohl die Leitelemente 12, 14 und 16 so dargestellt sind, dass sie sich in einer Ebene senkrecht zur Längsachse des Röhrenbündels 20 befinden, kann man auch Leitelemente verwenden, die nicht in einer Ebene senkrecht zur Längsachse des Röhrenbündels 20 angeordnet sind, das heißt schräg zu dieser verlaufen. Allerdings ist die Herstellung der dargestellten senkrecht angeordneten Leitelemente leichter und kostengünstiger und wird deshalb bevorzugt. Die Rohrseite (the tube side) des Wärmeaustauschers 10 hat einen, Einlaßanschluß 22 und einen Auslaßanschluß 24, durch die ein fluides Medium über die innere Oberfläche der Röhren fließen kann und die Mantelseite hat einen Einlaßanschluß 22 und einen Auslaßanschluß 28, durch die ein zweites fluides Medium über die äußere Oberfläche der Röhren fließen kann, wobei die Wärmeaustauschmedien hier im Gegenstrom fließen. Die Röhren 18 im Wärmeaustauscher 10 sind mit regelmäßigen Abständen in Form gleichseitiger Dreiecke, man könnte auch sagen, in einem dreieckigen Muster, angeordnet, wie dies in den Leitelementen der Figuren 2 bis 4 klar dargestellt ist. Sie bilden eine erste, zweite und dritte Vielzahl von parallelen Röhrenreihen, die mit einem Winkel von 60 zueinander orientiert sind. Das Leitelement 12 in Figur 2 zeigt die erste Vielzahl von parallelen Röhrenreihen, die parallel zu den Stäben 31 angeordnet sind. Benachbarte Röhrenreihen bilden einen Zwischenraum, durch den die Stäbe gesteckt sind. Ein Beispiel eines Zwischenraums, der durch benach-

709845/0668

barte Röhrenreihen gebildet wird, und der von einem Stab durchquert wird, 1st mit dem Bezugszeichen 34 bezeichnet. Das Leitelement 14 In Figur 3 zeigt eine zweite Vielzahl paralleler Röhrenreihen, die parallel zu den Stäben 32 verlaufen. Ein Zwischenraum, wie er von benachbarten Röhrenreihen gebildet wird und von einem Stab durchdrungen wird,1st hler als Beispiel mit dem Bezugszeichen 36 bezeichnet. Das Leitelement 16 nach Figur 4 zeigt eine dritte Vielzahl paralleler Röhrenreihen, die parallel zu den Stäben 33 verlaufen· Hler 1st ein als Beispiel eines Zwischenraumes, wie er von benachbarten Röhrenreihen gebildet und von einem Stab durchdrungen wird, der mit dem Bezugszeichen 38 versehene zu sehen. Die Leitelemente 12, 14 und 16 bilden einenSatz Leitelemente, da alle drei Leitelemente benötigt werden, bevor alle«Röhren des Röhrenbündels in radialer Richtung abgestützt sind. Der Begriff "radial abgestützt" wird hier für eine Röhre verwendet, die an Bewegungen in alle Richtungen senkrecht zu ihrer Längsachse gehindert ist. Jedes der Leitelemente in Figuren 2, 3 und 4 wird von einem äußeren Ring 30 vervollständigt, der die Röhren 18 des Röhrenbündels 20 umgibt. Die Stäbe 31 sind in dem Zwischenraum zwischen benachbarten Reihen der Röhren 34 in Figur 2, die Stäbe 32 zwischen benachbarten Reihen der Röhren 36 in Figur 3 und die Stäbe 33 zwischen benachbarten Reihen der Röhren 38 in Figur 4 angeordnet, so dass sie mit dem äußeren Ring 30 zusammenwirken und eine Vielzahl von parallelen Sehnen de· äußeren Ringe 30 bilden. Im allgemeinen sind dl· Stäbe 31, 32 und 33 an dem äußeren Ring 30 befe·-

709845/0668

tigt, beispielsweise durch Anschweißen oder durch Verschrauben oder Verbolzen, wobei die Halteteile 40, 41 für Leitelement 12; 42, 43 für Leitelement 14 und 44, für Leitelement 16 zusammen mit Schrauben oder Bolzen 46 verwendet werden können. Die Stäbe 31, 32 und 33 müssen groß genug sein, um eine Abstützung für die Röhren 18 in den jedem Stab benachbarten Röhrenreihen zu bilden. Die Gesamtzahl der Stäbe, die in jedem Leitelement benutzt wird,muß erheblich kleiner sein als die Gesamtzahl an Stäben, die in den Zwischenräumen zwischen den Röhrenreihen eines Leitelementes angeordnet werden könnten.

Drei Leitelemente bilden einen Satz Leitelemente, wobei drei Leitelemente in einem Leitelementsatz die Mindestanzahl darstellen, die entsprechend dieser Erfindung verwendet werden kann, mit regelmäßigen Abständen in Form gleichzeitiger Dreiecke angeordnet sind und es müssen in jedem Leitelement nicht mehr Stäbe verwendet werden als die Anzahl, die zur radialen Abstützung jeder Röhre des Röhrenbündels genügt. Im allgemeinen wird in jedem Leitelement die gleiche Anzahl Stäbe verwendet, es können aber auch Fälle vorkommen, bei denen die Zahl der Stäbe in den einzelnen Leitelementen eines Satzes bis zu einem gewissen Grad verschieden ist. Für diese Erfindung wird mindestens ein Satz Leitelemente benötigt, es können aber mehr Leitelemente Anwendung finden, als zur Bildung eines Satzes Leitelemente nötig sind, einschließlich Teilen von Leitelementsätzen· Wenn beispielsweise drei Leitelemente für einen Leitelementsatz notwendig sind, können gemäß dieser Erfindung auch fünf Leitelemente verwendet werden und dl« längst« nicht unterstützt· Röhrenlange ist der

709845/0668

dreifache Abstand zwischen zwei Leitelementen, wenn die Leitelemente zwischen den Rohrplatten mit gleichmässigen Abständen angeordnet sind. Die maximale, nicht unterstützte Röhrenlänge ist bei der Konstruktion einer Lagerungsvorrichtung von großer Bedeutung, da ja die Verminderung der Ausfallrate von Röhren aufgrund von Vibrationen einer der wichtigsten Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung ist. Da Berührungen von benachbarten Röhren zwischen ihren Unterstützungspunkten verhindert werden sollen, wird die Lagerungsvorrichtung im allgemeinen so entworfen, dass die maximale zulässige Verbiegung der Röhren unter Last um einiges geringer ist als der halbe Abstand zwischen benachbarten Röhren.

Die Figuren 5 bis 9 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, da die Röhren 50 des Röhrenbündels 52 mit den Rohrplatten 51a und 51b in einem regelmäßigen quadratischen Muster angeordnet sind und eine solche quadratische Anordnung der Röhren im regelmäßigen Abstand im allgemeinen bei erfindungsgemäßen Vorrichtungen und bei gegebenem Manteldurchmesser eine größere Oberfläche ergibt. Beispielsweise hat die Ausführungsform der Erfindung nach den Figuren 5 bis 9 61 Röhren, während die Ausführungsform nach den Figuren 1 bis 4 nur 57 Röhren hat und beide Ausführungsformen im gleichen Maßstab dargestellt sind. So, wie die Erfindung in den Figuren 5 bis 9 gezeigt ist, hat sie 4 Leitelemente 54, 56, 58 und 60 und eine Lagerungsvorrichtung zu der alle vier Leitelemente, die einen Leitelementensatζ bilden, gehören. In den Figuren 6 und 7 erkennt man eine erste

709845/0668

Vielzahl paralleler Röhrenreihen (die horizontalen Röhrenreihen) und in den Figuren 8 und 9 eine zweite Vielzahl paralleler Röhrenreihen (die vertikalen Röhrenreihen). Die Stäbe 62 und 62a sind im Zwischenraum zwischen den Röhrenreihen in der oberen bzw unteren Hälfte der horizontalen Röhrenreihen in Figur 6 bzw 7 angeordnet und wirken mit den äußeren Ringen 66 zusammen, so dass sie eine Vielzahl paralleler Sehnen zu den äußeren Ringen 66 bilden. Ein Beispiel eines Zwischenreihenraumes zwischen benachbarten Röhrenreihen wird in Figur 6 durch das Bezugszeichen 61a und in Figur 7 durch das Bezugszeichen 61b bezeichnet. Die Stäbe 64 und 64a sind im Zwischenraum zwischen den Röhrenreihen in der linken Hälfte bzw in der rechten Hälfte der vertikalen Röhrenreihen in Figur 8 bzw Figur 9 angeordnet und wirken mit den äußeren Ringen 66 zusammen, so dass sie eine Vielzahl paralleler Sehnen der äußeren Ringe 66 bilden. Ein Beispiel eines Zwischenraums zwischen benachbarten Röhrenreihen ist in Figur 8 mit dem Bezugszeichen 63a und in Figur 9 mit dem Bezugszeichen 63b bezeichnet. Die Stäbe 62, 62a, 64 und 64a sind groß genug, dass sie eine Abstützung der Röhren in den jedem Stab benachbarten Röhrenreihen bilden und die Anzahl der Stäbe in jedem Leitelement ist erheblich geringer als die Gesamtzahl von Stäben, die in den Zwischenräumen zwischen den Röhrenreihen angeordnet werden könnten. Die Stäbe in den Leitelementen, die in den Figuren 5 bis 9 dargestellt sind, werden durch Halteteile 70 festgehalten, die durch Bolzen 80 mit den Ringen 66 verbolzt sind.

709845/0668

In der Ausführungsform nach der Erfindung, wie sie In den Figuren 5 bis 9 dargestellt 1st, sind die Leitelemente In einer zur Zelt bevorzugten Ausführungsform dargestellt, bei der die Ringe 66 eine einfache Ringform haben Im Vergleich zu den Ringen 30 der Figuren 1 bis 4, deren innere Kanten so ausgeschnitten sind, dass sie ein teilweise Abstützung der der inneren Seite der Ringe benachbarten Röhren bilden. Es ist aber schwierig, diese kreisförmigen Ausschnitte zur teilweisen Unterstützung der der inneren Kante der Ringe 30 benachbarten Röhren in diesen so anzubringen, dass keine radiale Bewegung der Röhren möglich ist. Durch die Konstruktion der Leitelemente 54, 56, 58 und 60 in den Figuren 5 bis 9 wird dieses Problem vermieden, indem man den Ring einfach ohne solche Ausschnitte herstellt und einen zusätzlichen Stab verwendet, um die Röhren abzustützen, die sonst durch die Ausschnitte im Ring teilweise abgestützt würden. Der zusätzliche Stab ist in den Figuren 6 und 7 mit dem Bezugszeichen 62a dargestellt und in den Figuren

8 und 9 mit dem Bezugszeichen 64a. Eine Gestaltung der Leitlemente mit einfachen Ringen 66 in den Figuren 5 bis

9 ist außerdem vorzuziehen, weil bei einer derartigen Konstruktion der Druckabfall in dem Wärmeaustauscher weiter vermindert wird. Dies kann man sich dadurch erklären, dass ein Teil des Rings, der den Fluß auf der Mantelseite behinderte, hier wegfällt. Durch eine derartige Konstruktion wird also die Herstellung der Leitelemente, insbesondere der Ringe 66 vereinfacht, ein vorzeitiges Ausfallender Röhren dadurch, dass si· gegen dl· verhältnismäßig scharfen inneren Kanten der Ring· reiben, verhindert und

709845/0668

außerdem der Druckabfall in der Hantelseite des Wärmeaustauschers weiter vermindert.

Bei der Ausführungsform der Erfindung, die in den Figuren 19 bis 23 dargestellt ist, sind die Leitelemente den in den Figuren 5 bis 9 dargestellten sehr ähnlich. In den Figuren 19 bis 21 sind die Stäbe in jedem Leitelement in alternierenden Abständen zwischen benachbarten Röhrenreihen angeordnet, während die in den Figuren 5 bis 7 in benachbarten Zwischenräumen zwischen benachbarten Röhrenreihen eingesetzt sind. In den Figuren 19, 22 und 23 sind die Stäbe 164 in jedem Leitelement in alternierenden Zwischenräumen zwischen benachbarten Röhrenreihen angebracht im Vergleich zu den Figuren 5, 8 und 9, bei denen die Stäbe 64 in benachbarten Zwischenräumen benachbarter Röhrenreihen eingefügt sind. In jeder Ausführungsform der Erfindung sind" die Stäbe aber nur in einem Teil der Zwischenräume zwischen benachbarten Röhrenreihen vorgesehen. Die Figuren 19 bis 23 zeigen darüberhinaus Ringe 166, die die ein Röhrenbündel 152 bildenden Röhren 150 umgeben, wobei die Stäbe das Röhrenbündel 152 durchdringen und an den Ringen 166 mit Hilfe von Halteteilen 170 und Bolzen 180 befestigt sind.

Die Leitelemente 19 bis 23 sind insofern in der gleichen Weise wie die in Figur 5 bis 9 dargestellten konstruiert, als die Ringe 166 in den Figuren 19 bis 23 und die Ringe 66 in den Figuren 5 bis 9 einfache Ringe sind, also nicht von der Art wie die Ringe 30, die in den Figuren 1 bis dargestellt sind und die an ihrer inneren Kante geeignete Ausschnitte haben, di· in dl· Röhren passen und diese teil·

709845/0668

weise unterstützen. Da die Ringe 166 einfache Ringe sind, muß man zusätzliche Stäbe 162a in Figur 20 und 21 und 164a in Figur 22 und 23 benutzen. Die Stäbe 162a und 164a werden aus dem gleichen Grund benötigt wie die Stäbe 62a und 64a in den zuvor beschriebenen Figuren 6 bis 9. Außerdem können die Leitelemente in jeder Ausführungsform der Erfindung ebensogut in einer Ebene angeordnet sein, die nicht senkrecht zur Längsachse der Röhren liegt, dass heißt schräg zu ihr verläuft, wie in einer Ebene, die zu dieser Längsachse senkrecht ist. Zur Zeit wird es bevorzugt, die erfindungsgemäße Lagerungsvorrichtung unter Verwendung von Leitelementen zu konstruieren, die in einer Ebene senkrecht zur Längsachse der Röhren angeordnet sind, weil die Ringe 66 dann kreisförmig sein können im Gegensatz zu den schwieriger herzustellenden elliptisch geformten Ringen, die für Leitelemente gebraucht werden, die nicht in einer Ebene senkrecht zur Längsachse der Röhren liegen. Selbstverständlich gehören Leitelemente, die in einer Ebene senkrecht zur Längsachse der Röhren angeordnet sind ebensogut zum Bereich dieser Erfindung wie Leitelemente, die sich in einer Ebene befinden, welche nicht senkrecht zu dieser Achse verläuft.

Es sei besonders darauf hingewiesen, dass es für eine Halte- oder Lagerungsvorrichtung (supporting apparatus) nach dieser Erfindung lediglich notwendig ist, dass die Stäbe in jedem Leitelement, die in den Zwischenräumen zwischen benachbarten Röhrenreihen einer Vielzahl von parallelen Röhrenreihen eingesetzt sind, in weniger als die Gesamtzahl dieser Zwischenräume eingefügt sind und

709845/0668

dass darüberhlnaus, wenn die Stäbe in diese Zwischenräume In den Leitelementen eingesetzt sind, mindestens drei Leitelemente benötigt werden,um jede einzelne Röhre in dem Röhrenbündel radial zu unterstützen. Es ist dabei vollkommen unwesentlich, ob die Stäbe in benachbarten Zwischenräumen, in alternierenden Zwischenräumen, in jeweils zwei benachbarte Zwischenräume, denen zwei nicht besetzte Zwischenräume folgen oder in irgendeiner Variation eingesetzt sind. Die Leitelemente, die in den Figuren 6 bis 9 dargestellt sind, sind für alle praktischen Anwendungen wesentlich identisch mit den in den Figuren 20 bis 23 gezeigten Leitelementen·

Die sechs in den Figuren 10 bis 15, die eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeigen, dargestellten Leitelemente werden benötigt, um einen Leitelementensatz zu bilden, wenn eine Röhrenanordnung der dort gezeigten Art benutzt wird. Der Leitelementesatz bildet eine radiale Abstützung für jede Röhre und jede Röhre wird nur von drei Stäben berührt. Drei um jede Röhre angeordnete Stäbe sind die Mindestzahl, die benötigt wird, vm eine radiale Abstützung für jede Röhre zu liefern, soweit der Gesamtwinkel zwischen drei Stäben größer ist als 180°, was in den Figuren 10 bis 15 der Fall ist.

In den Figuren 10 bis 15 sind die Leitelemente 90, 92, 94, 96, 98 und 100 dargestellt, die die Röhren 104 um gebenden Ringe 102 einschließen, wobei die Röhren ein Röhrenbündel bilden, bei dem die Röhren in einem regelmäßigen Sechseckmueter angeordnet sind. Die Ringe 102

709845/0668

haben die gleiche einfache Ringform wie die Ringe 66 in den Figuren 5 bis 9. In den Leitelementen 90 und 92 sind die Stäbe 106 in den Zwischenräumen 108 zwischen parallelen Röhrenreihen einer ersten Vielzahl paralleler Röhrenreihen angeordnet· In den Leiteletnenten 94 und 96 sind die Stäbe 114 in den Zwischenräumen 116 zwischen parallelen Röhrenreihen einer zweiten Vielzahl paralleler Röhrenreihen eingefügt. In den Leitelementen 98 und 100 sind die Stäbe 118 in den Zwischenräumen 120 zwischen parallelen Röhrenreihen einer dritten Vielzahl paralleler Röhrenreihen vorgesehen. Die Stäbe jedes Leitelements werden mit Hilfe von Halteteilen 110 festgehalten, die mit den Bolzen 112 mit den Ringen 102 verbolzt sind.

Die Mindestzahl an Stäben in einem Leitelement ist die Anzahl, die ausreicht, damit der Leitelementensatz eine radiale Abstützung für jede Röhre des Röhrenbündels bildet. Vorzugsweise wird diese funktioneile Begrenzung auch zur Bestimmung der Maximalzahl von Stäben eines Leitelements bestimmt, da der Druckabfall auf der Mantelseite eines Mantel- und Röhrenwärmeaustauschers am niedrigsten ist, wenn die geringstmögliche* Anzahl an Stäben zur Herstellung der Leitelemente verwendet wird. Es ist aber wesentlich, genügend Stäbe in jedem Leitelement zu verwenden, dass der Leitelementensatz eine radiale Unterstützung für jede Röhre bildet.

Wenn ein Leitelementensatz aus vier Leitelementen besteht, sind die Stäbe in jedem Leitelement in etwa

709845/0668

bis 60 X der Zwischenräume zwischen benachbarten Röhrenreihen in einer Vielzahl paralleler Röhrenreihen angeordnet. Wenn ein Leitelementensatz aus acht Leitelementen besteht, so enthalten etwa 25 bis 30 % der Zwischenräume Stäbe. Sind die Röhren eines Röhrenbündels in einem quadratischen Muster angeordnet, so muss der Leitelementsatz mindestens vier Leitelemente enthalten oder er kann eine gerade Zahl größer als 4 enthalten, beispielsweise 6^ 8, 10, 12 usw.. Wenn die Röhren eines Röhrenbündels in einem dreieckigen Muster angeordnet sind, muß der Leitelementensatz mindestens drei Leitelemente enthalten, jedoch können auch vielfache von drei benutzt werden, um einen Leitelementensatz zu bilden, beispielsweise 6, 9 usw.. Es ist aber auch möglich, vier Leitelemente oder eine gerade Zahl größer als vier zur Bildung eines Leltelementensatzes zu verwenden. Sind die Röhren in einem secheckigen Muster angeordnet, wie es in den Figuren 10 bis 12 dargestellt ist, so sind mindestens sechs Leitelemente pro Leitelementensatz notwendig, damit sich eine radiale Abstützung für jede Röhre eines Röhrenbündels ergibt. Die Zahl der Leitelemente, die in der oben beschriebenen Weise einen Leitelementensatz bilden, darf nicht verwechselt werden., mit der Gesamtzahl von Leitelementen, die für ein Röhrenbündel verwendet wird. Diese letztere Zahl kann jede beliebige Zahl sein, die größer ist als die Mindestzahl für einen Leitelementensatz, und die Gesamtzahl an Leitelementen in dem Röhrenbündel ist in übrigen unabhängig von der Zahl der Leitelemente

709845/0668

in einem Leitelementensatζ.

Aus der obigen Beschreibung der Figuren 1 bis 15 und der Figuren 19 bis 23 wird deutlich, dass die Mindestzahl der Leitelemente pro Leitelementensatz von der Röhrenanordnung abhängt. In den Zeichnungen sind drei verschiedene Röhrenanordnungen dargestellt. Es sind jedoch auch noch andere Röhrenanordnungen möglich für die die Mindestzahl von Leitelementen in einem Leitelementensatz eine andere sein kann, als die bei den speziell diskutierten Anordnungen. Bei jeder beliebigen Röhrenanordnung werden jedoch mindestens drei Leitelemente pro Leitelementensatz zur Durchführung der Erfindung benötigt. Die besonderen Röhrenanordnungen, die hier diskutiert wurden, dienen nur der besseren Erläuterung und dürfen nicht beschränkend verstanden werden.

Nach dem gegenwärtigen Stand der Erkenntnisse ist anzunehmen, dass der mantelseitige Druckabfall in jedem gemäß dieser Erfindung gestalteten Wärmeaustauscher seinen Ursprung hauptsächlich an oder in der Nähe des Einlaß- und Auslaßbereiches des Mantels hat und es ist daher zu empfehlen, Einlaß- und Auslaßanschlußstücke für die Mantelseite zu verwenden, deren Konstruktion sich durch geringe Turbulenzen und einem kleinen Druckabfall auszeichnen. Beispielsweise erzeugen zerstreuende Mundstücke (diverging nozzles), Vielfachdüsen (multiple nozzles) und Ringverteiler einen geringen Druckabfall und wenig Turbulenzen im Einlaßbereich und Auslaßbereich der Mantelseite. Es 1st wichtig bei der Konstruktion einer Vorrichtung gemäß dieser Erfindung zu beachten, dass das fluide

709845/0668

Medium im Mantel der Vorrichtung im wesentlichen in Längsrichtung fließt, das heißt im wesentlichen parallel zur Längsachse der Röhren und es ist daher zu empfehlen, Durchflußkanäle oder Durchlässe in Längsrichtung, die in Relation zum Abstand zwischen den Röhren groß sind, so klein wie möglich zu halten, entweder indem man derartige Durchlässe von vornherein vermeidet oder sie mit entsprechenden Leitelementen oder Sperrwänden blockiert.

In die Konstruktion einer Vorrichtung, wie sie in den Figuren 1 bis 15 und 19 bis 23 dargestellt ist, ist die Vereinigung eines ringförmigen Sperrelements (ring baffle) und einer Lagerung für die das aus Stäben gebildete Leitelement (rod baffle) bildenden Stäbe eingeschlossen. Das ringförmige Sperrelement verhindert den Fluß des mantelseitigen fluiden Mediums zwischen dem Mantel und dem Röhrenbündel und bildet außerdem eine Lagerung zur Festigung der Stäbe, aus denen das aus Stäben gebildetet Leitelement besteht.

Für den Fachmann ist es unmittelbar einsichtig, dass Wärmeaustauscher gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung von einer Vielzahl von in der Technik bekannten Ele· menten konstruiert werden können, beispielsweise von U-Rohren, mehrfach durchflossenen Röhren (multiple tube passes), Schwimmkopfkonstruktionen usw..

Wie bereits zuvor erwähnt, werden die äußeren Ringe und infolgedessen die Leitelemente vorzugsweise in einer Ebene senkrecht zur Längsachse des Röhrenbündels angeordnet, weil es Im allgemeinen einfacher ist, die Leitelemente her-

709845/0668

zustellen, wenn die äußeren Ringe in einer solchen Position angeordnet sind. Es fallen aber auch solche Konstruktionen unter den Bereich der Erfindung, bei denen die Leiteletnente nicht senkrecht zur Längsachse des Röhrenbündels angeordnet sind, das heißt schräg zu ihnen verlaufen.

Das folgende Beispiel soll einer noch vollständigeren Beschreibung der Erfindung dienen.

Beispiel

Drei einmal durchflossene im Gegenstrom arbeitende Mantel- und Rohrwärmeaustauscher wurden konstruiert und getestet. Jeder Wärmeaustauscher enthielt 137 Röhren aus Kohlenstoffstahl, 2,96 m lang und mit einem äußeren Durchmesser von 1,27 cm. Diese waren in einem quadratischen Muster angeordnet mit einem Abstand von 1,7463 cm, der innere Durchmesser des Mantels des Wärmeaustauschers betrug 26,04 cm.Jeder Wärmeaustauscher war so konstruiert, dass er den gleichen Abstand zwischen den Unterstützungsstellen der Röhren hatte, nämlich 24,89 cm. Sowohl die Flüssigkeit auf der Mantelseite als auch die Flüssigkeit auf der Röhrenseite war Wasser, wobei die Fließgeschwindigkeit in den Röhren 1,28 m /Sek betrug, das heißt 52,527 kg pro Stunde. Die Einlaßtemperatur der heißen Flüssigkeit (Mantelseite) lag im allgemeinen bei ungefähr 73,9⁰C, während die Einlaßtemperatur der kalten Flüssigkeit (Röhrenseite) entsprechende Werte zwischen 26,7⁰C und 54,4°C hatte. Infolgedessen war der Temperaturunterschied (temperature approach) an jedem Ende der getesteten Wärmeaustauscher

709845/0668

größer als 6⁰C₁ so dass die treibende Kraft des Wärmeaustauschs, wie dem Fachmann bekannt ist, angemessen war, um daraus konsistente Testergebnisse zu berechnen. Die Fließgeschwindigkeit W auf der Mantelseite wurde von etwa 3134 bis 9072 kg pro Stunde (2500 bis 20 000 pounds pro Stunde) variiert. Die Figuren 16, 17 und 18 zeigen graphisch die Ergebnisse der Tests, bei denen der Gesamtwärmeübergangskoeffizient U, der Druckabfall ΔΡ und das Verhältnis U/AP als Funktion der Fließgeschwindigkeit auf der Mantelseite W bestimmt wurden. Zur Berechnung dieser Werte aus den bei den Tests gemessenen Daten wurden die dem Fachmann bekannten Rechenverfahren verwendet.

Die Testergebnisse sind in den Figuren in amerikanischen Einheiten dargestellt. Zar Umrechnung in metrische Maße sind folgende Umrechnungsfaktoren zu verwenden: U: Zur Umrechnung von BTU in Watt

(HR)(Ft²X⁰F) (M²K⁰K) r multipliziere.mit 5,678 W: Zur Umrechnung von lb/HR in kg/HR multipliziere mit 0,4536

2 ΔΡ: Zur Umrechnung von lb/ft in Pascal multipliziere

mit 47,88 —: Zur Umrechnung von — _ i_n ^Watt

Δ P (HR)(LB)(⁰F) (M²)(⁰K)(Pa)

multipliziere mit 0,1186

Eine der verwendeten Wärmeaustauscherkonstruktionen war

von dan Typ mit zweigeteilten Leitplatten, der in folgen-

709845/0668

den als Wärmeaustauscher mit zweigeteilten Leitplatten bezeichnet wird. Der Leitplattenabschnitt (baffle cut) betrug 50 %, das heißt, die Leitplatten waren so geschnitten, dass sie eine offene Fläche von in etwa 50 % des Gesamtquerschnitts des Mantelgehäuses nach Abzug der von den Röhren eingenommenen Fläche offenließen. Dieser Wärmeaustauschertyp wird häufig bnutzt und als eine Standardkonstruktion in der Industrie betrachtet. Der Abstand zwischen abgestützten Punkten der Röhren betrug 24,89 cm, der Abstand der Leitplatten also 12,45 cm.

Die zweite Wärmeaustauscherkonstruktion, die verwendet wurde, war die, die in der US-FS 3 708 142 beschrieben ist und im folgenden als Wärmeaustauscher mit Leitelementen mit gekreuzten Stäben (crisscross rod baffle heat exchanger) bezeichnet. Bei dieser Konstruktion bildet jedes Leitelement eine radiale Abstützung für jede Röhre des Röhrenbündels. Folglich wurde zur Erreichung eines Abstandes zwischen den Abstützungspunkten der Röhren von 24,89 cm ein Abstand der Leitelemente von ebenfalls 24,89 cm benutzt.

Die dritte Wärmeaustauscherkonstruktion war die gemäß der vorliegenden Erfindung, die man auch als Wärmeaustauscher mit vertikal geteilten Stableitelementen (vertical segmental rod baffle heat exchanger) bezeichnen kann. Dieser Wärmeaustauscher war gemäß den oben beschriebenen Figuren 5 bis 9 konstruiert, abgesehen davon, dass die äußeren Ringe entsprechend der in den Figuren 2 bis 4 gezeigten Ausführungsform gestaltet waren. Pro Leitelementensatz

709845/0668

wurden vier Leitelemente benutzt mit einem Abstand der Leitelemente von 6,22 mm, so dass sich ein Abstand zwischen den Äbstützungspunkten der Rohre von 24,89 cm ergab, der gleiche Wert,der bei den anderen soeben beschriebenen Wärmeaustauschern verwendet wurde. Die Anzahl der in jedem Leitelement verwendeten Stäbe betrug 24, was die Minimalzahl ist, die eine radiale Abstützung jeder Röhre des Röhrenbündels ermöglichte. Die Stäbe in jedem Leitelement waren in etwa 50 % der Zwischenräume zwischen benachbarten Röhrenreihen in einer Vielzahl paralleler Röhrenreihen angeordnet. Wie in Figur 16 zu sehen ist, ergab sich bei dem erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher ein wesentliches und unerwartetes Ansteigen des Wärmetranportkoeffizienten im Vergleich zu den anderen beiden Wärmeaustauschern. Im gesamten Bereich der verwendeten Flußgeschwindigkeiten zeigte der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher Wärmeübergangskoeffizienten, die um 11 bis 14 % höher lagen als beim Wärmeaustauscher mit zweigeteilten Leitplatten und ungefähr um 50 bis 60 % höher als beim Wärmeaustauscher mit Leitelementen mit gekreuzten Stäben.

Figur 17 zeigt den Druckverlust oder Druckabfall(in pounds per square foot). Dieser war beim erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher mit vertikal geteilten Stableitelementen beinahe ebenso gering wie bei dem Wärmeaustauscher mit Leitelementen mit gekreuzten Stäben. Man sieht auch deutlich, dass der Druckabfall dieser beiden Wärmeaustauscher erheblich besser war als der Druckabfall des Wärmeaustauschers mit zweigeteilten

709845/0668

Leitplatten· Die Ergebnisse bezüglich des Druckabfalls des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers sind insbesondere deshalb überraschend, weil dieser Wärmeaustauscher die besten Wärmeübergangskoeffizienten ergab. Wärmeaustauscher mit der Vorrichtung zur Lagerung der Röhren nach der vorliegenden Erfindung können nicht nur mit wesentlich geringerem Druckverlust betrieben werden als die Wärmeaustauscher mit zweigeteilten Leitplatten vergleichbarer Größe, sondern gleichzeitig haben sie wesentlich höhere Wärmeübergangskoeffizienten im Vergleich zu einem vergleichbaren Wärmeaustauscher mit zweigeteilten Leitplatten oder Wärmeaustauscher mit Leitelementen mit gekreuzten Stäben.

Figur 18 zeigt, dass das Verhältnis zwischen dem Wärme* Übergangskoeffizienten und dem Druckverlust bei einer gegebenen Durchflußgeschwindigkeit auf der Mantelseite für den erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher wesentlich größer ist im Vergleich zu den Wärmeaustauschern nach dem Stand der Technik. Diese graphische Darstellung, die die Ergebnisse der Figuren 16 und 17 vereint, gibt einen Gesamteindruck von den ausgezeichneten Ergebnissen, die bei Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung zur Lagerung der Röhren nach der vorliegenden Erfindung erzielt werden, weil sowohl der Druckabfall als auch der Wärmeübergangskoeffizient gleichzeitig in Betracht gezogen werden.

Diese drei graphischen Darstellungen, insbesondere aber die Figur 18 zeigen klar und deutlich, dass die vorliegende Erfindung eindeutig unerwartete Resultate ergibt

709845/0668

im Vergleich zu Wärmeaustauschern nach dem Stand der Technik einschließlich eines Wärmeaustauschers, bei dem die Leitelemente tinter Verwendung von Stäben aufgebaut sind·

709845/0668

Claims

Dr. Michael Hama 27060 A 9

Patentanwalt

Ludwigstrasse 67

dessen (998) H Pf / Da

Phillips Petroleum Company, Bartlesville, OkIa., USA

VORRICHTUNG ZUM LAGERN EINER VIELZAHL VON RÖHREN IN EINEM WÄRMEAUSTAUSCHER

Prioritäten: 29. April 1976, USA Ser. No. 681,670 und 20. August 1976, USA Ser. No. 715,704

Patentansprüche:

/ 1.J Vorrichtung zum Lagern einer Vielzahl von Röhren in einem Wärmeaustauscher, die ein Röhrenbündel bilden und so angeordnet sind, dass sie mindestens eine erste Vielzahl von parallelen Röhrenreihen, eine zweite Vielzahl von parallelen Röhrenreihen und Zwischenräume zwischen mindestens einem Teil der benachbarten Röhrenreihen bilden, mit mindestens einem Satz von Leitelementen, der eine radiale Abstützung für jede Röhre ergibt und einem äußeren, das Bündel umgebenden Ring, gekennzeichnet durch mindestens drei Leitelemente (12, 14, 16), die eine Vielzahl von Stäben ( 31, 32, 33) einschließen, welche in einem Teil der Zwischenräume zwischen benachbarten Röhren aus einer Vielzahl paralleler Röhrenreihen angeordnet sind und mit dem äußeren Ring dergestalt zusammengefügt sind, dass sie eine Vielzahl von Sehnen des äußeren Rings bilden, wobei jeder derartige Stab eine ausreichende Größe hat, dass er eine Abstützung für die Röhren bil-

7 (J 98; 570688

ORIGINAL INSPECTED

det, die zu den diesem Stab benachbarten Röhrenreihen gehören und die Anzahl der Stäbe In jedem der Leitelemente erheblich geringer ist, als die Gesamtzahl an Stäben, die in den Zwischenräumen zwischen den Röhrenreihen in der Vielzahl von parallelen Röhrenreihen angeordnet werden könnten«
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Stäbe (31, 32, 33) in einem Leitelement ausreichend groß ist, damit der Satz von Leitelementen eine radiale Abstützung für jede Röhre (18) des Röhrenbündels bildet.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelemente in einer Ebene senkrecht zur Längsachse des Röhrenbündels angeordnet sind (Fig. 1, 5, 19).
4· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Röhren in einem regelmäßigen Quadratmuster angeordnet sind und jeder Satz von Leitelementen mindestens vier Leitelemente einschließt (Fig. 5-9).
5. Vorrichtung nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Stäben in alternierenden Zwischenräumen zwischen benachbarten Röhrenreihen in

einer Vielzahl paralleler Röhrenreihen angeordnet 1st <Fig. 20 -23).
6. Vorrichtung nach Anspruch I₁ 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Röhren In einem regelmäßigen Dreiecksauster angeordnet sind (Flg. 2-4).
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, das8 die Röhren In einem gleichmäßigen Sechseckmuster angeordnet sind und jeder leltelementesatz sechs. LeItelemente einschließt (Flg. 10-15).

709845/0668