DE2706049C2

DE2706049C2 - Vorrichtung zum Lagern einer Vielzahl von Röhren in einem Wärmeaustauscher

Info

Publication number: DE2706049C2
Application number: DE2706049A
Authority: DE
Inventors: William Maurice Bartlesville Okla. Small
Original assignee: Phillips Petroleum Co
Current assignee: Phillips Petroleum Co
Priority date: 1976-04-29
Filing date: 1977-02-12
Publication date: 1983-04-07
Also published as: IT1085928B; FR2357852A1; NO142415B; NL164658C; JPS5421579B2; FR2357852B1; SU919610A3; YU47377A; ES456346A1; NO770388L; SE7701291L; AU1985076A; SE423647C; CA1067483A; MX144609A; JPS52133159A; AU497197B2; BR7608437A; NL7701310A; NL164658B

Description

Die Erfindung betrifft eine 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 eine Vielzahl von über die Röhrenlänge verteilten Leitelementen enthält, wobei jedes Leitelement eine Vielzahl von Stäben einschließt, welche in den Zwischenräumen zwischen benachbarten Röhrenreihen in einer Vielzahl von Darallelen Röhrenreihen angeordnet sind und mit einem äußeren Ring derartig zusammengefügt sind, daß sie eine Vielzahl von sämtlich zueinander parallelen Sehnen des äußeren Ringes, der das Röhrenbündel umgibt, bilden, wobei jeder derartige Stab eine Abstützung für die Röhren bildet, die zu benachbarten Röhienreihen dieses Stabes gehöhren und wobei die parallelen Stäbe von zwei Leitelementen des Leitelementensatzes unter einem Winkel angeordnet sind.
Eine solche Vorrichtung ist in der US-PS 20 18 037

ίο beschrieben. Diese Konstruktion, bei der in allen Zwischenräumen zwischen parallelen Röhrenreihen Stützstäbe angeordnet sind, 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 größer als überhaupt toleriert werden kann.

Ein Wärmeaustauscher mit einer Röhrenlagerung, die in der Technik benutzt wird, und bei der der Druckabfall gering ist, ist in der US-PS 37 08 142 beschrieben. Bei diesem Wärmeaustauscher ist jedoch der Wärmeübergangskoeffizient nicht befriedigend; außerdem ist die relativ große VerschmutzungsempFindlichkeit nachteilig·

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, die Lagerung oder Abstützung von Röhren in einem Wärmeaustauscher zu verbessern, um einen hohen Wärmcübergangskoeffiziente-n bei geringem Druckabfall zu erreichen. Außerdem soll die Vibrationsneigung der Röhren im Röhrenbündel und die Verschmutzungsempfindliehkeit einer solchen Vorrichtung gering sein.

Durch die Erfindung wird diese Aufgabe bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß Stäbe in jedem Leitelement in nicht mehr als 60% der Zwischenräume zwischen benachbarten parallelen Röhrenreihen angeordnet sind und mindestens vier Leitelemente für jeden derartigen Leitelementensatz zur radialen Abstützung jeder Röhre erforderlich sind.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung besitzt einen wesentlich geringeren Druckabfall als diejenige der US-PS 20 18 037 und ergibt eine wesentliche Verbesserung des Wärmeübergangskoeffizienten und der Verschmutzungsempfindliehkeit des Wärmeaustauschers bei einer im Vergleich zur US-PS 37 08 142 relativ geringen Erhöhung des Druckabfalls. Außerdem ist der Materialaufwand der Lagervorrichtung gemäß der Erfindung geringer als bei Abstützungen, bei denen in jedem Zwischenraum zwischen den Röhrenreihen des Wärmeaustauschers ein Stab vorhanden ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden unter

Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 eine Aufrißdarstellung einer Vorrichtung nach

einer Ausführungsform der Erfindung mit vier Leitelementen,

F i g. 2 einen Querschnitt, im wesentlichen entlang der Linie 2-2 in F i g. 1,

F i g. 3 einen Querschnitt, im wesentlichen entlang der Linie 3-3 in F i g. 1,

F i g. 4 einen Querschnitt, im wesentlichen entlang der Linie4-4 in Fig. 1,

F i g. 5 einen Querschnitt, im wesentlichen entlang der Linie 5-5 in Fig. 1, die
Fig.6 bis 11 einen Satz Leitelemente gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 12 eine graphische Darstellung des Verhältnisses des Gesamtwärmeübergangskoeffizienten zum Druckabfall als Funktion der Fließgeschwindigkeit im

Mantel des Wärmeaustauschers,

Fig. 13 eine Aufrißansicht einer anderen Ausfuhrungsform der Erfindung mit vier Leitelementen,

Fig. 14 einen Querschnitt, der im wesentlichen entlang der linie 14-14 in F i g. 13 verläuft,

Fig. 15 einen Querschnitt, der im wesentlichen entlang der Linie 15-15 in F i g. 13 verläuft,

Fig. 16 einen Querschnitt, der im wesentlichen entlang der Linie 16-16 in F i g. 13 verläuft,

Fig. 17 einen Querschnitt, der im wesentlichen entlang der Linie 17-17 in F i g. 13 verläuft

Die F i g. 1 bis 5 zeigen eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Röhren 50 des Röhrenbündels 52 mit den Rohrplatten 51a und 51 b in einem regelmäßigen quadratischen Muster angeordnet sind. Diese Vorrichtung besitzt vier Leitelemente 54, 56, 58 und 60, die einen Leitelementensatz bilden, da alle vier 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 allen Richtungen senkrecht zu ihrer Längsachse gehindert ist.

In den F i g. 2 und 3 erkennt man eine erste Vielzahl paralleler Röhrenreihen (die horizontalen Röhrenreihen) und in den Fig.4 und 5 eine zweite Vielzahl paralleler Röhrenreihen (die vertikalen Röhrenreihen). Die horizontalen Stäbe 62 sind im Zwischenraum zwischen den Röhrenreihen in der oberen bzw. unteren Hälfte der horizontalen Röhrenreihen in F i g. 2 bzw. 3 angeordnet und sind mit den äußeren Ringen 66 zusammengefügt, so daß sie eine Vielzahl paralleler Sehnen zu den äußeren Ringen 66 bilden. Ein Beispiel eines Zwischenraumes zwischen benachbarten Röhrenreihen wird in F i g. 2 durch das Bezugszeichen 61a und in F i g. 3 durch das Bezugszeichen 61 b bezeichnet Die vertikalen Stäbe 64 sind im Zwischenraum zwischen den Röhrenreihen in der linken Hälfte bzw. in der rechten Hälfte der vertikalen Röhrenreihen in Fig.4 bzw. F i g. 5 angeordnet und sind mit den äußeren Ringen 66 zusammengefügt, so daß sie eine Vielzahl paralleler Sehnen der äußeren Ringe 66 bilden. Ein Beispiel eines Zwischenraumes zwischen benachbarten Röhrenreihen ist in F i g. 4 mit dem Bezugszeichen 63a und in F i g. 5 mit dem Bezugszeichen 63i> bezeichnet. Es sind in nicht mehr als 60% der Zwischenräume zwischen benachbarten parallelen Röhrenreihen jedes Leitelements Stäbe angeordnet, so daß die Anzahl der Stäbe in jedem Leitelement erheblich geringer ist als die Gesamtzahl der Stäbe, die in den Zwischenräumen zwischen den Röhrenreihen angeordnet werden könnten. Die Stäbe in den Leitelementen, die in den F i g. 1 bis 5 dargestellt sind, werden durch Halteteile 70 festgehalten, die durch Bolzen 80 mit den Ringen 66 verbolzt sind.

Um bei den Leitelementen 54, 56, 58 und 60 in den F i g. 1 bis 5 einfache Ringe ohne Ausschnitte für eine teilweise Abstützung der der inneren Seite der Ringe benachbarten Röhren verwenden zu können, ist ein zusätzlicher Stab vorgesehen. Dieser zusätzliche Stab ist in den F i g. 2 und 3 mit dem Bezu^szeichen 62a bezeichnet und in den F i g. 4 und 5 mit dem Bezugszeichen 64a. Eine Gestaltung der Leitelemente mit einfachen Ringen 66 in den F i g. 1 bis 5 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 Ringes, der den Fluß auf der Mantelseite behinderte, hier wegfällt. Durch eine derartige Konstruktion wird auch die Herstellung der Leitelemente, insbesondere der Ringe 66 vereinfacht ein vorzeitiges Ausfallen der Röhren durch Reibung gegen die verhältnismäßig scharfen inneren Kanten der Ringe verhindert und außerdem der Druckabfall in der Mantelseite des Wärmeaustauschers weiter vermindert Bei der Ausführungsform der Erfindung, die in den

Fig. 13 bis 17 dargestellt ist sind die Leitelemente den in den F i g. 1 bis 5 dargestellten sehr ähnlich. In den F i g. 13 bis 15 sind die horizontalen Stäbe 162 in jedem

ίο Leitelement in alternierenden Abständen zwischen benachbarten Röhrenreihen angeordnet, während sie in den F i g. 1 bis 3 in benachbarten Zwischenräumen zwischen benachbarten Röhrenreihen eingesetzt sind. In den F i g. 13,16 und 17 sind die vertikalen Stäbe 164 in

is jedem Leitelement in alternierenden Zwischenräumen zwischen benachbarten Röhrenreihen angebracht im Vergleich zu den F i g. 1,4 und 5, 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 Fig. 13 bis 17 zeigen darüber hinaus Ringe 166, die die ein Rohrbündel 152 bildenden Röhren 150 umgeben, wobei die Stäbe das Rohrbündel 152 durchdringen und an den Ringen 166 mit Hilfe von Halteteilen 170 und Bolzen 180 befestigt sind.

Die Leitelemente 14 bis 17 sind in der gleichen Weise wie die in F i g. 1 bis 5 dargestellten konstruiert Da die Ringe 166 einfache Ringe sind, muß man zusätzlich Stäbe 162a benutzen. Die Stäbe 162a werden aus dem gleichen Grund benötigt wie die Stäbe 62a und 64a in den zuvor beschriebenen F i g. 2 bis 5.

Die Fig.6 bis 11 zeigen Leitelemente für einen Leitelementensatz für eine Röhrenanordnung mit einem Sechseckmuster. Der Leitelementensatz 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, um eine radiale Abstützung für jede Röhre zu liefern, soweit der Gesamtwinkel zwischen drei Stäben größer ist als 180°, was in den F i g. 6 bis H der Fall ist

In den F i g. 6 bis 11 sind die Leitelemente 90, 92, 94, 96, 98 und 100 dargestellt, die die Röhren 104 umgebende Ringe 102 einschließen. Die Ringe 102 haben die gleiche einfache Ringform wie die Ringe 66 in den F i g. 1 bis 5. 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 Leitelementen 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.
Wenn ein Leitelementensatz aus acht Leitelementen besteht, so können nur etwa 25 bis 30% der Zwischenräume Stäbe enthalten. Sind die Röhren eines Röhrenbündels in einem quadratischen Muster angeordnet, so muß der Leitelementensatz mindestens vif-r Leitelemente enthalten oder er kann eine gerade

Zahl größer als 4 enthalten, beispielsweise 6, 8, 10, 12 usw. Sind die Röhren in einem sechseckigen Muster angeordnet, wie es in den F i g. 6 bis 11 dargestellt ist, so sind mindestens sechs Leitelemente pro Leitelementen-

' satz 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 Leiteleinenten in dem Röhrenbündel ist im übrigen unabhängig von der Zahl der Leitelemente in einem Leitelementensatz.

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

Beispiel

Es wurden drei einmal durchflossene, im Gegenstrom arbeitende Mantel- und Röhrenwärmeaustauscher gebaut und geprüft. Jeder Wärmetauscher enthielt 137 Röhren aus Kohlenstoffstahl von einer Länge von 2,96 m und einem äußeren Durchmesser von 1,27 cm. Die Röhren der Röhrenwärmeaustauscher waren in einem quadratischen Muster mit einem Abstand von 1,7463 cm angeordnet. 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 73,9° C, während die Einlaßtemperatur der kalten Flüssigkeit (Röhrenseite) entsprechende Werte zwischen 26,7° C und 54,4° C hatte. Der Temperaturunterschied an jedem Ende der geprüften Wärmeaustauscher wurde bei größer als 6° C gehalten, so daß die treibende Kraft des Wärmeaustausch«, wie dem Fachmann bekannt ist, angemessen war, um daraus zuverlässige Prüfergebnisse zu erhalten. Die Fließgeschwindigkeit VV auf der Mantelseite wurde zwischen etwa 3134 und 9072 kg pro Stunde variiert Die F i g. 12 zeigt graphisch die Ergebnisse dieser Prüfungen, wobei das Verhältnis des Gesamtwärmeübergangskoeffizienten zum Druckabfall (UIAP) als Funktion der Fließgeschwindigkeit in kg/h aufgetragen ist.

Einer der verwendeten Wärmeaustauscher war von dem Typ mit zweigeteilten Leitplalten, der im folgenden als Wärmeaustauscher mit zweigeteilten Leitplatten bezeichnet wird. Der Leitplattei abschnitt betrug 50%, d. h, 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 benutzt 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.

Der zweite Wärmeaustauscher, der verwendet wurde, ist in der US-PS 37 08 142 beschrieben und wird im folgenden als Wärmeaustauscher mit Leitelementen mit gekreuzten Stäben 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.

Der dritte Wärmeaustauscher entsprach der vorliegenden Erfindung. Dieser Wärmeaustauscher war gemäß den F i g. 1 bis 5 konstruiert, abgesehen davon, daß die äußeren Ringe kreisförmige Ausschnitte zur Abstützung der benachbarten Röhren statt der zusätzlichen Stäbe 62a und 64a hatten.

Pro Leitelementensatz wurden vier Leitelemente benutzt mit einem Abstand der Leitelemente von 6,22 mm, so daß sich ein Abstand zwischen den Abstützungspunkten 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

Es ergab sich bei dem erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher ein wesentliches und unerwartetes Ansteigen des Wärmeübergangskoeffizienten im Vergleich zu den anderen beiden Wärmeaustauschern. Im gesamten Bereich der verwendeten Flußgeschwindigkeiten zeigte der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher Wärmeübergangskoeffizienten, die um 50 bis 60% höher lagen als beim Wärmeaustauscher mit zweigeteilten Leitplatten und ungefähr um 11 bis 14% höher als beim Wärmeaustauscher mit Leitelementen mit gekreuzten Stäben.

Der Druckverlust oder Druckabfall war beim erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher beinahe ebenso gering wie bei dem Wärmeaustauscher mit Leitelementen mit gekreuzten Stäben, wobei der Druckabfall dieser beiden Wärmeaustauscher erheblich besser war als der Druckabfall des Wärmeaustauschers mit zweigeteilten Leitplatten. Die Ergebnisse bezüglich des Druckabfalls des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers sind insbesondere deshalb überraschend, weil dieser Wärmeaustauscher die besten Wärmeübergangskoeffizienten ergab. Wärmeaustauscher nach der vorliegenden Erfindung können deshalb 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 vergleichbaren Wärmeaustauschern mit so zweigeteilten Leitplatten oder Wärmeaustauschern mit Leitelementen mit gekreuzten Stäben.

F i g. 12 zeigt daß das Verhältnis zwischen dem Wärmeübergangskoeffizienten 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 gibt einen Gesamteindruck von den ausgezeichneten Ergebnissen, die mit der Vorrichtung zur Lagerung von Röhren bei einem Wärmeaustauscher nach der vorliegenden Erfindung erzielt werden, weil sowohl der Druckabfall als auch der Wärmeübergangskoeffizient gleichzeitig in Betracht gezogen werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. 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 eine Vielzahl von über die Röhrenlänge verteilten Leitelementen enthält, wobei jedes Leitelement eine Vielzahl von Stäben einschließt, welche in den Zwischenräumen zwischen benachbarten Röhrenreihen in einer Vielzahl von parallelen Röhrenreihen angeordnet sind und mit einem äußeren Ring derartig zusammengefügt sind, daß sie eine Vielzahl von sämtlich zueinander parallelen Sehnen des äußeren Ringes, der das Röhrenbündel umgibt, bilden, wobei jeder derartige Stab eine Abstützung für die Röhren bildet die zu benachbarten Röhrenreihen dieses Stabes gehören und wobei die parallelen Stäbe von zwei Leitelementen des Leitelementensatzes unter einem Winkel angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß Stäbe (62,64) in jedem Leitelement (54,56,58,60) in nicht mehr als 60% der Zwischenräume zwischen benachbarten parallelen Röhrenreihen angeordnet sind und mindestens vier Leitelemente für jeden derartigen Leitelementensatz zur radialen Abstützung jeder Röhre erforderlich sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitelemente in einer Ebene senkrecht zur Längsachse des Röhrenbündels angeordnet sind (F i g. 1,13).

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhren in einem regelmäßigen Quadratmuster angeordnet sind (Fig. 1-5).

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Stäben in alternierenden Zwischenräumen zwischen benachbarten Röhrenreihen in einer Vielzahl paralleler Röhrenreihen angeordnet ist (F i g. 14—17).

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhren in einem gleichmäßigen Sechsecksmuster angeordnet sind und jeder Leitelementensatz sechs Leitelemente einschließt (F ig. 6-11).