DE2707702A1

DE2707702A1 - Vorrichtung zum abstuetzen einer vielzahl von rohren in einem waermeaustauscher

Info

Publication number: DE2707702A1
Application number: DE19772707702
Authority: DE
Inventors: William Maurice Small
Original assignee: Phillips Petroleum Co
Current assignee: Phillips Petroleum Co
Priority date: 1976-07-06
Filing date: 1977-02-23
Publication date: 1978-01-12
Also published as: IT1091804B; NO770519L; CA1078822A; BR7608435A; PL113196B1; SU854281A3; GB1562663A; BE852188A; ZA766827B; JPS536952A; MX144899A; YU39794B; ES456278A1; NO142460C; PL196755A1; FR2357851B1; DE2707702C2; SE423648B; SE7701692L; NL7702226A

Description

Phillips Petroleum Company, Bartlesville, OkIa., USA

VORRICHTUNG ZUM ABSTÜTZEN EINER VIELZAHL VON ROHREN IN EINEM WÄRMEAUSTAUSCHER.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Abstützen einer Vielzahl von Rohren in einem Wärmeaustauscher. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Mantel- und Rohrwärmeaustauscher sowie auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur radialen Abstützung der Rohre in derartigen Wärmeaustauschern.

Obwohl, die Wärmeaustauschertechnik bis zu einem sehr hohen Grad entwickelt worden ist, gibt es noch auf einer Reihe von Gebieten Verbesserungsmöglichkeiten, wie zum Beispiel eine Reduzierung des Druckabfalls, eine Erhöhung der Gesamtwärmeübertragungskoeffizienten, eine Verminderung der Verschmutzung, und bei Rohrbündel-Wärmeaustauschern, beispielsweise bei Mantel- und Rohrwärmeaustauschern, eine Verbesserung der Abstützung der Rohre. In vielen Fällen fallen die Rohre in einem Mantel- und Rohrwärmeaustauscher vorzeitig aus, vjeil die Rohre vibrieren oder aneinander oder an anderen Teilen des Wärmeaustauschers reiben.

In Wärmeaustauschern werden seit vielen Jahren plattenförmige Leitelemente verwendet. Zumindestens bis zu einem gewissen Grad bilden derartige Leitelemente eine Abstützung für die Rohre . Es sind auch Wärmeaustauscher mit zweigeteilten Leitplatten wohlbekannt, und obwohl Wärmeaustauscher mit plattenförmigen Leitelementen vergleichsweise frühzeitig

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entwickelt wurden, sind derartige Wärmeaustauscher heute noch immer sehr weit verbreitet. In den meisten Wärmeaustauschern mit plattenförmigen Leitelementen haben die Durchgänge in den Leitelementen, durch die die Rohre verlaufen, einen geringfügig weiteren Durchmesser^ als der Außendurchmesser der Rohre beträgt, um den Zusammenbau des Wärmeaustauschers zu erleichtern, obwohl eine Vibration der Rohre stattfindet und dadurch ein vorzeitiger Ausfall der Rohre herbeigeführt wird.

In der US-PS 2 018 037 wird ein Wärmeaustauscher mit einem abgestützten Rohrbündel beschrieben, bei dem eine Vielzahl von Stäben oder Querstreben in den Ebenen zwischen den Rohrreihen angeordnet ist. In jeder Ebene ist eine Querstrebe oder ein Stab angeordnet sowie an einem Ring befestigt, der das Rohrbündel derart umgibt, dass die Querstreben eine Reihe paralleler Sehnen bilden, die in einer Ebene senkrecht zur Längsachse des Rohrbündels verlaufen. Betrachtet man das Rohrbündel in einem Querschnitt durch seine Längsachse, wie dies in den Figuren 2, 3 und 6 dieser Patentschrift der Fall ist, so sieht man in jeder einzelnen Bezugsebene eine Querstrebc. Infolgedessen bilden zwei Gruppen oder eine Vielzahl von Querstreben eine radiale Abstützung jedes Rohres des Rohrbündels. Obwohl ein derartiger Aufbau eine sehr gute Abstützung für die Rohre in einem Rohrbündel schafft, tritt jedoch der Nachteil eines relativ großen Druckabfalls dabei zu Tage. In der US-PS 3 708 142 wird eine Rohrabstützung beschrieben, bei der der Druckabfall gering ist.

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Der Aufbau der vorliegenden Erfindung ergibt eine wesentliche Verbesserung der Wärmeübertragungskoeffizienten bei ansteigenden Flußraten und gleichzeitig eine meßbare Verminderung des Druckabfalls im Vergleich zu der zuvor genannten US-PS. Zusätzlich ist die Herstellung derartiger Rohrbündel gemäß der vorliegenden Erfindung im allgemeinen kostengünstiger im Vergleich zu der früheren Erfindung.

Die vorliegende Erfindung ist eine wesentliche Verbesserung in der Wärmeaustauschertechnik, weil bei erfindungsgemäßer Abstützung eines Rohrbündels die Ausfallquote von Rohren, beispielsweise aufgrund von Vibration, vermindert wird, und wenn sowohl der Gesamtwärmeübertragungskoeffizient als auch der Druckabfall in Betracht gezogen werden, die erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher eine verbesserte Gesamtarbeitsleistung im Vergleich zu Wärmeaustauschern gemäß dem Stand der Technik, und insbesondere gegenüber Wärmeaustauschern mit plattenförmigen Leitelementen haben.Außerdem sind Wärmeaustauscher mit den erfindungsgemäßen Leitelementen und Abstützvorrichtungen im Kcstensinne konkurrenzfähig mit Wärmeaustauschern gemäß dem Stand der Technik.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, Rohre eines Rohrbündels zu stützen.

Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, den Druckabfall im Mantel eines Mantel- und Rohrwärmeaustauschers zu verringern.

Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, die Rohre in einem Rohrbündel vor der Beschädigung aufgrund von Vibra-

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tion zu schützen.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die äußere Verschmutzung von Rohrbündeln zu mindern, wie zum Beispiel die Verschmutzung an der Mantelseite eines Mantel- und Rohrwärmeaustauschers, und den daraus resultierenden Verlust an Wärmeübergang zu reduzieren.

Schließlich ist noch eine andere Aufgabe der Erfindung darin zu sehen, eine Rohrabstützung zu liefern, durch welche im wesentlichen die Ausfallquote von Rohren in einem Rohrbündel vermindert und gleichzeitig das Verhältnis von Wärmeübertragungskoeffizient zu Druckabfall an der Mantelseite eines Mantel- und Rohrwärmeaustauschers im Vergleich zu Wärmeaustauschern gemäß dem Stand der Technik verbessert wird.

Diese Aufgaben werden durch die Vorrichtung gemäß der Erfindung zum Abstützen einer Vielzahl von Rohren in einem Wärmeaustauscher gelöst, die ein Rohrbündel bilden und so angeordnet sind, dass sie mindestens eine erste Vielzahl von parallelen Rohrreihen, eine zweite Vielzahl von parallelen Rohrreihen und Zwischenräume zwischen mindestens einem Teil der benachbarten Rohrreihen bilden, mit mindestens einem Satz Leitelemente, der eine radiale Abstützung für jedes Rohr ergibt, und mit mindestens zwei Leitelementen* Diese Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass jedes Leitclement einen äußeren elliptischen Ring enthält, der das Rohrbündel umgibt, wobei dieses Rohrbündel in einer Ebene angeordnet ist, die schräg zu der Längsachse des Rohrbündels verläuft, und dass eine Vielzahl von Stäben in allen

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Zwischenräumen zwischen benachbarten Rohrreihen in einer Vielzahl von parallelen Rohrreihen angeordnet ist und mit dem äußeren Ring zusammenwirkt, um eine Vielzahl von parallelen Sehnen mit dem äußeren Ring zu bilden, wobei jeder Stab eine ausreichende Größe hat, um eine Abstützung für die Rohre innerhalb der diesem Stab benachbarten Rohrreihe zu bilden.

Gemäß der Erfindung umfaßt ein Leitelement (baffle) einen äußeren Ring, der geeignet ist, eine Vielzahl paralleler Rohre innerhalb eines Rohrbündels zu umschließen, wobei das Rohrbündel mindestens eine erste Vielzahl paralleler Rohrreihen, eine zweite Vielzahl paralleler Rohrreihen und Zwischenräume zwischen mindestens einem Teil der benachbarten Rohrreihen hat. Der äußere Ring ist in einer Ebene angeordnet, die nicht rechtwinklig zu der Längsachse des Rohrbündels ist, wobei diese Ebene einen Leitelementwinkel (baffle angle) mit einer Ebene bildet, die rechtwinklig zu der Längsachse des Rohrbündels ist. Eine Vielzahl von parallelen Stäben ist mit diesem äußeren Ring verbunden und wirkt mit diesem zusammen, um eine Vielzahl paralleler Sehnen(chords) mit diesem äußeren Ring zu bilden, wodurch diese Stäbe in die Lage versetzt werden, in die Zwischenräume zwischen den Rohren zu gelangen, wobei benachbarte parallele Rohrreihen einer Vielzahl von parallelen Rohrreihen gebildet werden.

Weiterhin wird gemäß der Erfindung ein Leitelement dadurch gebildet, dass man Rohre in der Form eines

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Rohrbündels anordnet, dass zutnindestens eine erste Vielzahl von parallelen Rohrreihen und eine zweite Vielzahl von parallelen Rohrreihen sowie Zwischenräume zwischen mindestens einem Teil der benachbarten Rohrreihen aufweist, wobei ein äußerer Ring rund um das Rohrbündel in einer Ebene angeordnet ist, die nicht rechtwinklig zu der Längsachse des Rohrbündels ist. Diese Ebene bildet einen Leitelementwinkel mit einer Ebene,die zu der Längsachse des Rohrbündels rechtwinklig ist. Eine Vielzahl von Stäben wird in alle Zwischenräume zwischen benachbarten parallelen Rohrreihen einer Vielzahl von parallelen Rohrreihen eingefügt, um mit dem äußeren Ring dahingehend zusammanzuwirken_t um eine Vielzahl von parallelen Sehnen zu bilden, wqbei jeder derartige Stab von ausreichender Größe ist, um eine Abstützung für die Rohre innerhalb der diesem Stab benachbarten Rohrreihen zu schaffen.

Weiterhin enthält eine Abstützvorrichtung gemäß der Erfindung für eine Vielzahl von Röhren in Form eines Rohrbündels, bei dem die Rohre angeordnet sind, um mindestens eine erste Vielzahl von parallelen Rohrreihen, eine zweite Vielzahl von parallelen Rohrreihen und Zwischenräume zwischen mindestens einem Teil der benachbarten Rohrreihen zu bilden, zumindestens einen Leitelementsatz (baffle set), um eine radiale Abstützung für jedes Rohr zu liefern, wobei jeder Leitelementsatz zwei Leitelemente enthält und jedes Leitelement so ist, wie zuvor beschrieben.

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Weiterhin wird gemäß der Erfindung eine Vielzahl von Rohren in der V/eise abgestützt, dass man die Rohre in der Form eines Rohrbündels mit mindestens einer ersten Vielzahl von parallelen Rohrreihen und einer zweiten Vielzahl von parallelen Rohrreihen sowie Zwischenräumen zwischen mindestens einem Teil der benachbarten Rohrreihen anordnet, um zumindestens einen Leitelementsatz herzustellen, der jedes Rohr in dem Rohrbündel radial abstützt, wobei das Rohrbündel zwei Leitelemente enthält und jedes dieser Leitelemente in der zuvor beschriebenen Weise ausgebildet ist.

Figur 1 ist eine Darstellung im Aufriß eines Wärmetauschers nach einer Ausführungsform der Erfindung;

Figur 2 ist eine Querschnittsansicht, im wesentlichen entlang der Linie 2-2 in Figur 1, wobei ein Leitelement gemäß der Erfindung gezeigt wird;

Figur 3 ist eine Darstellung im Querschnitt, im wesentlichen entlang der Linie 3-3 in Figur 1, wobei ein anderes erfindungsgemäßes Leitelement gezeigt wird, das sich zur Kombination mit dem Leitelement gemäß Figur eignet;

Figur 4 ist eine Darstellung im Aufriß einer Vielzahl von Rohren in der Form eines Rohrbündels, wobei eine andere Ausführungsform der Erfindung verwendet wird;

Figur 5 ist eine Darstellung im Querschnitt, im wesentlichen entlang der Linie 5-5 der Figur 4, wobei ein Leitelement der Erfindung gezeigt wird;

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Figur 6 ist eine Darstellung im Querschnitt, im wesentlichen entlang der Linie 6-6 der Figur 4, wobei ein anderes Leitelement der Erfindung gezeigt wird, das geeignet ist, zusammen mit dem Leitelement».der Figur 5 verwendet zu werden;

Figur 7 zeigt graphisch den Gesamtwärmeübertragungskoeffizienten als. Funktion der Fließgeschwindigkeit im Mantel für einen nach der vorliegenden Erfindung hergestellten Wärmeaustauscher und für zwei Wärmeaustauscher nach dem Stand der Technik;

Figur 8 ist eine graphische Darstellung des Druckabfalls im Mantel als Funktion der Fließgeschwindigkeit im Mantel eines Wärmeaustauschers, wobei die gleichen Wärmeaustauscher wie bei der Bestimmung der in Figur dargestellten Werte benutzt wurden;

Figur 9 zeigt graphisch das Verhältnis des Wärmeübertragungskoeffizienten zum Druckabfall als Funktion der Fließgeschwindigkeit im Mantel, wobei die Werte wiederum an den gleichen Wärmeaustauschern gemessen wurden, wie die in den Figuren 7 und 8 dargestellten Werte.

Üblicherweise werden Wärmeaustauscher für vergleichsweise hohe Fließgeschwindigkeiten der Flüssigkeiten ausgelegt, die durch den Wärmeaustauscher strömen, um eine gute Wärmeübertragung zu erhalten. Derartige hohe Fließgeschwindigkeiten verursachen häufig,insbesondere an der Mantelseite eines Mantel- und Rohrwärmeaustauschers, eine Vibration der Rohre in dem Rohrbündel, wenn die Rohre nicht radial abgestützt worden sind.

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Eine Vibration der Rohre kann dazu führen, dass ein oder mehrere Rohre vorzeitig ausfallen. Zwei der allgemein üblichen Verfahrensweisen, um eine derartige Vibration zu vermindern, sind der Zusatz von plattenförmigen Leitelementen, um zu einer Abstützung der Rohre des Rohrbündels beizutragen, und/oder die Verringerung der Geschwindigkeit der Flüssigkeit beim Durchgang durch die Rohre. Zusätzliche plattenförmige Leitelemente verursachen ein beträchtliches Ansteigen des Druckabfalls an der Mantelseite des Wärmeaustauschers sowie eine Verrainderung der Fließgeschwindigkeit an der Mantelseite. Die damit verbundene Verminderung der Wärmeübertragungsgeschwindigkeiten macht"einen größeren, teureren Wärmeaustauscher notwendig, als es andernfalls notwendig wäre. Die vorliegende Erfindung löst das Vibrationsproblem, ohne dass im wesentlichen der Druckabfall *an der Mantelseite gesteigert oder die Fließgeschwindigkeit an der Mantelseite beträchtlich vermindert wird. Die dabei verwendeten Ausdrücke Druckabfall bzw. Druckverlust (pressure drop, pressure loss) sind Synonyma.

Obwohl die Verminderung der durch Vibration verursachten Rohrausfälle eine der wichtigsten Überlegungen der Erfindung darstellen, ist das größte ungestützte Rohrstück beim Entwurf einer Abstützvorrichtung von besonderer Bedeutung. Es ist nämlich sehr wichtig, ein Zusammentreffen benachbarter Rohre zwischen den Abstützpunkten und Rohrausfälle infolge Materialermüdung durch Vibration zu vermeiden. Infolgedessen wird die Abstützvorrichtung im allgemeinen derart ausgelegt, dass die maximal zulässige

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Rohrbiegung unter Belastung weniger als die Hälfte des Abstandes zwischen benachbarten Rohren ausmacht und die Biegespannung unter Vibrationsbedingungen innerhalb annehmbarer Dauerfestigkeitsgrenzen für das verwendete Rohrmaterial bleibt. Eine Bestimmung derartiger annehmbarer Dauerfestigkeitsgrenzen für das verwendete Rohrmaterial ist jedem Fachmann wohlbekannt .

Unter Bezugnahme auf Figur 1 hat ein Wärmeaustauscher, im allgemeinen mit Ziffer 10 bezeichnet, gemäß einer Ausbildungsform der Erfindung zwei Rohrplatten (tube sheets) 17a und 17b und zwei Leitelemente 12 sowie 14, die die Rohre 18 abstützen, welche in der Form eines Rohrbündels 20 an der Innenseite des Mantels 19 angeordnet sind. Jedes dieser-Leitelemcnte 12 sowie 14 wird in einer Ebene liegend gezeigt, die nicht rechtwinklig (d.h. schräg) zu der Längsachse (mit χ bezeichnet) des Roürbündels 20 ist,was eine wesentliche Anforderung darstellt, um die vorliegende Erfindung praktisch durchzuführen. Der Winkel, der zwischen der Ebene, in der das Leitelement liegt, und einer Ebene gebildet wird, die rechtwinklig zu der Längsachse des Rohrbündels angeordnet ist, wird im nachhinein als Leitelementwinkel bezeichnet und infolgedessen als ein solcher definiert. Die Leitelementwinkel, die in den Ausführungsformen der Erfindung gemäß der Figuren 1 und 4 Verwendung finden, betragen 30 Grad und 45 Grad, bzw. sind mit Hilfe der geometrischen Schemata oberhalb der Figuren 1 bzw gezeigt. Während der Leitelementwinkel größer wird, wird

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der Rohrabstützungsabstand für einen Teil der Rohre eines der zu begrenzenden Faktoren, der bei dem Entwurf des Wärmeaustauschers zu berücksichtigen ist. Beispielsweise ist, wie in Figur 1 gezeigt, der Abstand 15 der Abstützung für das Rohr 18a, gemessen von der Rohrplatte 17a bis zu dem Leitelement 12, wesentlich kleiner, als der Abstand 16 für das Rohr 18b, ebenso von der Rohrplatte 17a bis zu dem Leitelement 12 gemessen. Während der LeitClementwinkel ansteigt, indem man das Leitelement 12 gegen die Rohrplatte 17b dreht und den Abstand 15 konstant hält, würde der Abstand größer werden, bis er mit der Länge des Rohrs 18b übereinstimmt. Die Leitelemente der vorliegenden Erfindung haben die geometrische Gestalt einer Ellipse, und die Hauptachse des elliptischen Leitelementes 12 vergrößert sich, während das Leitelement wie zuvor beschrieben gedreht wird, um sich parallel zu dem Rohrbündel zu erstrecken. Um nun die Konstruktion eines besonderen Wärmeaustauschers gemäß der Erfindung zu optimieren, ist es wünschenswert, ein partielles Leitelement zu verwenden, das in Nachbarschaft zu jeder Rohrplatte angeordnet ist, um im wesentlichen den Abstand 16 der Rohrabstützung zu verringern. Stets muß der Leitelementwinkel genügend groß sein, um im wesentlichen den Druckabfall an der Mantelseite (shell-side pressure-drop) eines Wärmeaustauschers, der diese Leitelemente anwendet, im Vergleich zu einem Wärmeaustauscher, der den gleichen Typ von Leitelementen hat und sich lediglich darin unterscheidet, dass die Leitelemente des letzteren Wärmeaustauschers in einer Ebene angeordnet sind, die

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sich rechtwinklig zu der Längsachse des Rohrbündels erstreckt. Anders ausgedrückt, verlangt die praktische Durchführung der Erfindung einen Leitelementwinkel, der eine beträchtliche Verminderung in dem Druckabfall an der Mantelseite liefert, im Vergleich zu einem Wärmeaustauscher, der Leitelemente vom Stabtyp (rod type baffles) verwendet und einen Leitelementwinkel von 0 Grad hat.

Der Druckabfall entlang der Mantelseite eines Wärmeaustauschers mit einer gegebenen Anzahl von stabförmigen Leitelementen gemäß der vorliegenden Erfindung wird dadurch verringert, indem man die Leitelemente in einer derartigen Weise anordnet, dass eine Beschränkung der horizontalen freien Strömungszone des Mantels (restriction of horizontal free flow area of the shell) bei jedem gegebenen Punkt entlang der Länge des Mantels verringert wird. Um nun den Druckabfall an der Mantelseite eines Wärmeaustauschers, der gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert worden ist, zu verringern oder mit anderen Worten, um die Beschränkung der horizontalen freien Strömungszone zu verringern, sollte der Leitelementwinkel und der Leitslementabstand (baffle spacing) den folgenden Gleichungen gehorchen:

(1) Leitelementwinkel

-1 äußerer Stabdurchmesser

» tg ■

äußerer Rohrdurchmesser + äußerer Stabdurchmesser

* minimaler Leitelementwinkel und

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(2) Leitelementabstand * innerer Manteldurchmesser χ tg . Leitelementwinkel

Dennoch wird darauf hingewiesen, dass dar'nach obiger Gleichung (2) berechnete Leitelementabstand reduziert werden sollte, wenn der Abstand der Rohrabstützung, der dazu benötigt wird, die durch Vibration hervorgerufene Materialermüdung zu verhindern, geringer ist, als der nach obiger Gleichung (2) bestimmte Leitelementabstand, der benötigt wird, um den Druckabfall zu verkleinern. In der Regel ist die Verhinderung der durch Vibration hervorgerufenen Materialermüdung die hier maßgebende Überlegung· In bestimmten Fällen kann auch die Verminderung des Druckabfalls die ausschlaggebende Betrachtungsweise 'sein, und in einer derartigen Situation sollten die oben genannten Gleichungen ohne Rücksicht auf den Leitelementabstand, der durch Berechnungen über die durch Vibration hervorgerufene Materialermüdung vorgeschrieben wird, genügen. Dennoch sind derartige Fälle mehr die Ausnahme als die Regal. In allgemeinen wird der maximale Leitelementwinkel durch die Überlegung bestimmt, dass der größte Abstand für die Rohrabstützung und der gewünschte Leitelementabstand berücksichtigt wird. Bei den meisten Anwendungen wird der Leitelementwinkel in Bereich von etwa 15 Grad bis etwa 80 Grad liegen. Der Leitelementwinkel kann jedoch bevorzugt auch im Bereich von etwa 20 Grad bis etwa 65 Grad liegen, wenn der äußere Durchmesser der Stäbe annähernd gleich mindestens der Hälfte des äußeren

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Durchmessers der Rohre ist. Man kann voraussagen, dass Leitelementwinkel von 30 Grad, 45 Grad und 60 Grad im allgemeinen verwendet werden, da diese Winkel bei der Konstruktion von Wärmeaustauschern gemäß" der vorliegenden Erfindung leicht zu handhaben sind und diese Winkel im allgemeinen den Kriterien beim Entwurf der Wärmeaustauscher genügen, die zuvor genannt wurden, um den Druckabfall entlang der Mantelseite des Wärmeaustauschers zu vermindern und den geeigneten Leitelementabstand zu schaffen. Außerdem kann man erwarten, dass die Leitelementwinkel von 30 und 45 Grad meistens üblich sein werden, da kleinere Leitelementwinkel die Verwendung von kleineren Abständen für die Rohrabstützung zulassen.

In Figur 1 hat die Rohrseite des Wärmeaustauschers 10 einen Einlaßanschluß 22 und einen Auslaßanschluß 24, um eine erste Flüssigkeit über die innere Oberfläche der Rohre strömen zu lassen. Die Mantelseite hat einen Einlaßanschluß 26 sowie einen Auslaßanschluß 28, um eine zweite Flüssigkeit über die äußere Oberfläche der Rohre strömen zu lassen, wenn man das Wärmeaustauschermedium im Gegenstromprinzip führt.Die Rohre 18 im Wärmeaustauscher 10 liegen in einer gleichzeitigen Dreiecksanordnung zueinander, wie es in eindeutiger Weise innerhalb der Leitelemente 12, 14 der Figuren 2 und 3 gezeigt wird, und bilden zumindestens eine erste Vielzahl sowie eine zweite Vielzahl von parallelen Rohrreihen, die zueinander unter einem Winkel von 60 Grad orientiert sind. Das Leitelement 12 in Figur 2 zeigt die erste Vielzahl von parallelen Rohrreihen, die parallel zu den Stäben 31 angeordnet sind. Die benach-

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harten parallelen Rohrreihen bilden Zwischenräume, in denen die Stäbe angeordnet sind. Ein derartiger Zwischenraum, der durch zwei benachbarte Rohrreihen gebildet wird, und durch welche ein Stab hindurchgelangt, ist mit dem Bezugszeichen 34 versehen. Das Leiteleraent 14 der Figur 3 zeigt die zweite Vielzahl von parallelen Rohrreihen, die wiederum parallel zu den Stäben 32 angeordnet sind. Ein derartiger Zwischenraum, der durch diese zwei benachbarten Rohrreihen gebildet wird, ist mit dem Bezugszeichen 36 versehen. Die Leitelemente 12 und 14 bilden einen Leitelementsatz, weil beide benötigt v/erden, bevor alle Rohre in dem Rohrbündel radial abgestützt werden, Der Begriff radial abgestütztes Rohr wird dann verwendet, wenn das Rohr in allen Bewegungsrichtungen, die senkrecht zu der Längsachse des Rohres sind, beschränkt ist.

Jedes Leitelement in den Figuren 2 und 3 besteht aus einem äußeren Ring 30, der die Rohre 18 in dem Rohrbündel 20 umgibt. Stäbe 31 sind innerhalb der Zwischenräume 34 zwischen benachbarten Rohrreihen gemäß Figur 2 und Stäbe 32 innerhalb der Zwischenräume 36 zwischen benachbarten Rohrreihen gemäß Figur 3 derart angeordnet, dass sie mit dem äußeren Ring 30 zusammenwirken, um eine Vielzahl von parallelen Sehen (parallel chords) mit dem äußeren Ring 30 zu bilden. Im allgemeinen sind die Stäbe 31 und 32 an dem äußeren Ring 30 angehängt, beispielsweise dadurch, dass man sie mit dem äußeren Ring verschweißt oder sie mit dem äußeren Ring unter Verwendung von Halteteilen 40, 41 für das Leitelement 12 bzw. Halte-

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teilen 42, 43 für das Leitelement 14 mit Schrauben oder Bolzen 46 verschraubt· Die Stäbe 31 und 32 müssen von ausreichender Größe sein, um eine Abstützung bzw einen Träger für die Rohre 18 in den dem jeweiligen Stab benachbarten Rohrreihen zur Verfügung zu stellen. IAn nun eine radiale Abstützung für alle Rohre in dem Rohrbündel mit Hilfe eines jeden Leitelementsatzes zu schaffen, muß die Zahl der in jedem Leitelement verwendeten Stäbe gleich der Gesamtzahl der Stäbe sein, die in den Zwischenräumen zwischen den Rohrreihen eines jeden Lcitelementes des Leitelementsatzes angeordnet werden können.

Gemäß der Erfindung wird zumindestens ein derartiger Leitelementsatζ benötigt, aber es werden im allgemeinen mehr, als ein LeItelementsatζ verwendet, einschließlich partieller LeItelementSätze. Das heißt jegliche Anzahl von Leitelementen können gemäß der Erfindung verwendet werden, solange zumindestens zwei Leitelemente Verwendung finden, um mindestens ein Leitelementsatz zu bilden. Außerdem kann, wie zuvor angedeutet, die Verwendung von partiellen Leitelementen notwendig sein, um den Entwurf eines besonderen Wärmeaustauschers zu optimieren.

Figuren 4 bis 6 veranschaulichen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, weil die Rohre 50 in dem Rohrbündel 52 mit Rohrplatten 51a sowie 51b in jeweils quadratischer Anordnung zueinander liegen und eine derartige Rohranordnung la allgemeinen eine größere Oberflächeizone für einen gegebenen Manteldurchmesser

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einer Vorrichtung gemäß der Erfindung liefert. Beispielsweise gibt es 61 Rohre in der erfindungsgemäßen Ausführungsform der Figuren 4 bis 6 und lediglich 57 Rohre in der erfindungsgemäßen Ausführungsform der Figuren 1 bis 3, wobei beide Ausführungsformen in demselben Maßstab ausgeführt sind. Die in den Figuren 4 bis 6 gezeigte erfindungsgemäße Ausführungsform zeigt zwei Leitelemente 54 und 58, welche einen erfindungsgemäßen Leitelementsatz (baffle set) bilden. Der Leitelementwinkel beträgt 45 Grad, wie es mit dem graphischen Schema oberhalb der Figur 4 gezeigt wird. In den Figuren 5 und 6 gibt es eine erste Vielzahl von parallelen Rohrreihen in Nachbarschaft zu den horizontal angeordneten Stäben 62. Weiterhin gibt es eine zweite Vielzahl von parallelen Rohrreihen in Nachbarschaft zu den vertikal angeordneten Stäben 64. Die Stäbe 62 und 62a sind in dem Zwischenraum zwischen den horizontal angeordneten Rohrreihen angeordnet und wirken mit dem äußeren Ring 66 zusammen, um eine Vielzahl von parallelen Sehnen mit dem äußeren Ring 66 zu bilden. Beispielsweise ist in Figur 5 ein Zwischenraum zwischen den benachbarten Rohrreihen gezeigt und mit dem Bezugszeichen 61a bzw in Figur 6 mit dem Bezugszeichen 63a bezeichnet. Außerdem sind die Stäbe 64 und 64a in dem Zwischenraum zwischen den vertikalen Rohrreihen angeordnet und wirken mit dem äußeren Ring 66 zusammen, um eine Vielzahl von parallelen Sehnen mit dem äußeren Ring 66 zu bilden. Die Stäbe 62, 62a, 64 sowie 64a sind von ausreichender Größe, um eine Abstützung oder einen Träger für die Rohre in den dem

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jeweiligen Stab benachbarten Rohrreihen zur Verfügung zu stellen. Die Stäbe in den Leitelementen, wie sie in den Figuren 4 bis 6 gezeigt werden, werden mit Hilfe von Halteteilen 70 in Position gehalten, die ihrerseits mit den Ringen 66 mit Hilfe von Schrauben bzw Bolzen verschraubt sind.

In der erfindungsgemäßen Ausführungsform der Figuren 4 bis 6 werden Leitelemente in der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform gezeigt, in der die Ringe 66 einfach eine ringförmige Gestalt haben, im Vergleich zu den Ringen 30 der Figuren 1 bis 3, bei denen die Innenkante derart behandelt (z.B. gefräst) worden ist, um eine teilweise Abstützung für die Rohre zu schaffen, die in Nachbarschaft zu der Innenkante der Ringe angeordnet sind. Es ist jedoch schwierig, kreisförmige Einschnitte (circular cuts) für die teilweise Abstützung der Rohre zu machen, die in Nachbarschaft zu der Innenkante der Ringe 30 angeordnet sind, sodass keine radiale Bewegung der Rohre zugelassen wird. Die Ausführung der Leitelemente 54 und 58 der Figuren 4 bis vermeiden dieses Problem auf einfache Weise, indem man keine derartigen Ringe mit solchen Einschnitten macht und zwei zusätzliche Stäbe verwendet, um die Rohre abzustützen, welche ansonsten teilweise mit Hilfe der gefrästen Kanten des Rings 30 abgestützt würden. Die zusätzlichen Stäbe 62a werden in der Figur 5 und die zusätzlichen Stäbe 64a in der Figur 6 gezeigt. Weiterhin ist die Ausführung der Leitelemente mit kreisförmigen Ringen 66 gemäß Figuren 4 bis 6 bevorzugt, weil eine

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derartige Ausführung den Druckabfall im Wärmeaustauscher reduziert, da ein Teil des Rings, der den Fluß der Flüssigkeit an der Mantelseite beschränkt, entfernt ist. Infolgedessen vereinfacht diess Ausführungsform die Konstruktion der Leitelemente und insbesondere der Ringe 66, hilft zu verhindern, dass ein frühzeitiger Rohrausfall aufgrund einer Reibung der Rohre gegen die vergleichsweise scharfe innseitige Kante der Ringe erfolgt und verringert außerdem den Druckabfall entlang der Mantelseite des Wärmeaustauschers.

Gemäß der obigen Beschreibung der Figuren 1 bis 6 ist es augenscheinlich, dass die kleinste Anzahl Leitelemente pro Leitelementsatζ zwei beträgt und diese Anzahl nicht von der Rohrausführung abhängt. In den Zeichnungen werden zwei verschiedenartige Rohrausführungen gezeigt, jedoch sind auch andere Ausführungsformen der Rohre möglich. Jedoch werden mit jeder Rohrausführung zumindestens zwei Leitelemente pro Leitelementsatz benötigt, um die vorliegende Erfindung praktisch durchzuführen.

Es wird gegenwärtig angenommen, dass der Druckabfall an der Mantelseite bei jedem gegebenen erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher größtenteils bei oder in der Nähe der Einlaß- und Auslaßzonen des Mantels lokalisiert werden kann, und dass infolgedessen empfohlen wird, Einlaß- und Auslaßanschlüsse an der Mantelseite mit geringer Turbulenz und kleinem Druckabfall zu verwenden. Beispielsweise erzeugen Diffusordüsen (diverging nozzles), Vielfachdüsen (multiple nozzles) und

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Ringverteiler einen geringen Druckabfall und geringe Turbulenzen im Einlaß- und Auslaßbereich der Mantelseite. Bei der Konstruktion einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es wichtig, zu beachten, dass die Flüssigkeit oder allgemein das flüssige Medium an der Mantelseite der Vorrichtung im wesentlichen in Längsrichtung strömt, d.h. im wesentlichen parallel zu der Längsachse der Rohre. Infolgedessen ist zu empfehlen, dass Durchflußkanäle oder Durchgänge in Längsrichtung, die vergleichsweise breit im Verhältnis zu dem Abstand zwischen den Rohren sind, so klein wie möglich gehalten werden, entweder, indem man derartige Durchgänge von vorneherein gar nicht baut oder sie mit geeigneten Leitelementen oder Sperryorrichtungen blockiert. Zu dem Aufbau einer Vorrichtung gemäß den Figuren 1 bis 6 gehört der Einbau eines ringförmigen Leitelements, das den Fluß des flüssigen Mediums an der Mantelseite zwischen dem Mantel und dem Rohrbündel einschränkt und außerdem eine Lagerung für die Stäbe schafft, um das aus Stäben gebildete Leitelement (rod baffle) zu bilden. Für den Fachmann ist es leicht einzusehen, dass die erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher unter Verwendung einer Vielzahl von in der Technik bekannten Bauelementen konstruiert werden können, z.B. von u-förmigen Rohren, Mehrfachrohrdurchgängen (multiple tube passes) Schwimmkopfkonstruktionen (floating head designs) etc.

Obwohl die Leitelemente in der Regel im Rohrbündel angeordnet sind, so dass sie alle den gleichen Leit-

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eletnentwinkel haben und in die gleiche Richtung abgeschrägt sind (slant), wie es in den Figuren 1 bis 4 gezeigt wird, liegt es im Bereich der vorliegenden Erfindung, dennoch zwei oder mehr Leitelemente mit verschiedenartigen Leitelementwinkeln und/oder Abschrägungen in jedweder Zahl von Richtungen zu verwenden.

Beispiel

Drei im Gegenstromprinzip arbeitende einmal durchflossene Mantel- und Rohrwärmeaustauscher wurden konstruiert und getestet.

Jeder Wärmeaustauscher enthielt 137 Rohre aus unlegiertem Stahl (carbon steel), mit einer Länge von 2,96 m und mit einem äußeren Durchmesser von 1,27 cm. Diese Rohre waren in einen quadratischen Muster mit einem Abstand von 1,75 cm angeordnet, und hatten einen Innendurchmesser des Mantel des Wärmeaustauschers von 26,04 cm. Jeder Wärmeaustauscher war so konstruiert, dass er den gleichen minimalen Abstand zur Rohrabstützung, nämlich 24,89 cm;hatte. Sowohl die Flüssigkeit an der Mantelseite wie auch die Flüssigkeit an der Rohrseite war Wasser, wobei die Fließgeschwindigkeit in den Rohren 1,28 m/Sek betrug, was 52,457 kg pro Stunde (115,800 pounds per hour) entspricht. Die Einlaßtemperatur der heißen Flüssigkeit an der Mantelseite lag in der Regel bei ungefähr 73,9 C, wohingegen die Einlaßtemperatur der kalten Flüssigkeit an der Rohrseite entsprechende Werte zwischen 26,7 C und 54,4 C hatte. Dadurch, dass man die Temperaturannäherung (temperature approach) an den Enden der getesteten

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Wärmeaustauscher größer als 6 C hielt, um ein adequates Wärmegefälle (heat exchange driving force) zu erzielen, ließen sich Übereinstimmende Testergebnisse berechnen. Die Fließgeschwindigkeit W an der Mantelseite wurde von etwa 1134 bis 9072 kg pro Stunde (2500 bis 20000 pounds pro Stunde) variiert. Die Figuren 7, 8 und 9 zeigen graphisch die Testergebnisse auf, bei denen der Gesamtwärmeübertragungskoeffizient U, der Druckabfall 4P und das Verhältnis U/4P als Funktion der Fließgeschwindigkeit an der Mantelseite W bestimmt wurden. Bei der Berechnung dieser Werte wurden allgemein bekannte Rechenverfahren angewandt. Dabei werden zu jeder Zeichnung Umrechnungsfaktoren angegeben, um die Werte, die in englischen Einheiten angegeben sind, in international übliche metrische Maße umzurechnen .

Eine der verwendeten Wäreaustauscher war vom Typ Wärmeaustauscher mit zweigeteilten Leitplatten (double segmental plate baffle type). Der Leitplattenabschnitt (baffle cut) betrug 50 %, d,h. die Leitplatten waren derart geschnitten, dass sie eine offene Fläche von ungefähr 50 % des Gesamtquerschnitts des Mantelgehäuses nach Abzug der von den Rohren aufgenommenen Fläche geöffnet ließen. Ein derartiger Wärmeaustauschertyp wird häufig benutzt und als Standardkonstruktion in der Industrie angesehen. Der Abstand zwischen den abgestützten Rohren betrug 24,89 cm, der Leitelementenabstand (baffle spacing) betrug infolgedessen 12,45 cm.

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Der zweite verwendete Wärmeaustauscher war so konstruiert wie in der US-PS 3 708 142 beschrieben, und im folgenden als Wärmeaustauscher mit Leitelementen mit gekreuzten Stäben bezeichnet (crisscross rod baffle heat exchanger). Bei einer derartigen Konstruktion bildet jedes Leitelement eine radiale Abstützung oder ein radiales Trägerelement für jedes Rohr das Rohrbündels. Infolgedessen wurde ein Leitelementabstand von 24,89 cm benutzt, um einen Abstand zwischen den Rohrabstützungspunkten von 24,89 cm zu erzielen.

Der dritte Wärmeaustauscher war derjenige gemäß der vorliegenden Erfindung, den man auch als Wärmeaustauscher mit ringförmig aufgeteilten Stableitelementen (angular segmental rod baffle heat exchanger) bezeichnen kann, gemäß den vorher eingehend beschriebenen Figuren 1 bis 3. Der Leitelementabstand von 12,45 cm wurde dafür verwendet, um einen Abstand der Rohrabstützung von 24,89 cm zu erzielen, nämlich den gleichen Abstand wie er auch bei den beiden anderen Wärmeaustauschern Verwendung fand, die zuvor beschrieben wurden. Der Leitelementwinkel betug 45 Grad, und die Stäbe hatten einen Außendurchmesser von 0,476 cw.

Wie in Figur 7 gezeigt, lieferte der ringförmige mit stabförmigen Leitelementen versehene Wärmeaustauscher einen unerwarteten Anstieg bezüglich des Wärmeübertragungskoeffizienten, nämlich eine Fließgeschwindigkeit an der Mantelseite von 26308 kg pro Stunde (58000 lbs./hr.), einem Wert, der über dem des Wärme-

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austauschers mit Leitelementen mit gekreuzten Stäben liegt. Der Wärmeaustauscher mit zweigeteilten Leitplatten lieferte einen höheren Wärmeübertragungskoeffizienten über den Gesamtbereich der geprüften Fließgeschwindigkeiten an der Mantelseite.

Figur 8 zeigt, dass der Druckabfall an der Mantelseite (in pounds per square foot) dss ringförmigen mit stabförmigen Leitelementen versehenen Wärmeaustauschers geringer war, als derjenige des Wärmeaustauschers mit Leitelementen mit gekreuzten Stäben· und dass der Druckabfall für beide zuvor genannten Wärmeaustauscher wesentlich besser war, als der Druckabfall des Wärmeaustauschers mit zweigeteilten Leitplatten.

Figur 9 zeigt, dass das Verhältnis des Wärmeaustauschkoeffizienten zu dem Druckabfall für eine gegebene Fließgeschwindigkeit an der Mantelseite für einen ringförmigen mit stabförmigen Leitelementen versehenen Wärmeaustauscher höher ist, im Vergleich zu einem der beiden Wärmeaustauscher gemäß dem Stand der Technik. Diese graphische Darstellung, die die Ergebnisse der Figuren 7 und 8 vereinigt, gibt einen Gesamteindruck von den Ergebnissen wieder, die bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abstützung von Rohren erhalten werden, weil sowohl der Druckabfall als auch der Wärmeübertragungskoeffizient gleichzeitig berücksichtigt werden.

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Diese drei graphischen Darstellungen, insbesondere die Figur 9 zeigen klar, dass die vorliegende Erfindung definitiv unerwartete Ergebnisse liefert, im Vergleich zu Wärmeaustauschern nach dem Stand der Technik, einschließlich eines Wärmeaustauschers, bei dem die Leitelemente stabförmig konstituiert worden sind.

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Claims

Dr. Michael Hann Patentanwalt Ludwigstrasse 67 dessen (1002) HvK/Da Phillips Petroleum Company, Bartlesville, OkIa., USA VORRICHTUNG ZUM ABSTÜTZEN EINER VIELZAHL VON ROHREN IN EINEM WÄRMEAUSTAUSCHER. Priorität: 6. Juli 1976, USA / Ser. No. 703 028 Patentansprüche:

1.[Vorrichtung zum Abstützen einer Vielzahl von Rohren in einem Wärmeaustauscher, die ein Rohrbündel bilden und so angeordnet sind, dass sie mindestens eine erste Vielzahl von parallelen Rohrreihen, eine zweite Vielzahl von parallelen Rohrreihen und Zwischenräume zwischen mindestens einem Teil der benachbarten Rohrreihen bilden, mit mindestens einem Satz Leitelemente, der eine radiale Abstützung für jedes Rohr ergibt, und mit mindestens zwei Leitelementen, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Leitelement (12, 14) einen äußeren elliptischen Ring (30) enthält, der das Rohrbündel (18) umgibt, wobei dieses Rohrbündel in einer Ebene angeordnet ist, die schräg zu der Längsachse des Rohrbündels verläuft, und dass eine Vielzahl von Stäben (31, 32) in allen Zwischenräumen zwischen benachbarten Rohreihen

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in in einer Vielzahl von parallelen Rohrreihen angeordnet ist und mit dem äußeren Ring (30) zusammenwirkt, um eine Vielzahl von parallelen Sehnen mit dem äußeren Ring zu bilden, wobei jeder Stab eine ausreichende Größe hat, um eine Abstützung für die Rohre innerhalb der diesem Stab benachbarten Rohrreihe zu bilden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der Leitelementwinkel genügend groß ist, um im wesentlichen den Manteldruckabfall zu reduzieren, im Vergleich zu demselben Leitelement mit einem Leitelementwinkel von 0 Grad.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet , dass die-Leitelemente (12, 14) entlang der Längsachse des Rohrbündels (18) derart verteilt sind, dass die maximal zulässige Rohrbiegung unter Belastung weniger als die Hälfte des Abstandes zwischen benachbarten Rohren ausmacht, und die Biegespannung unter Vibrationsbedingungen innerhalb annehmbarer Dauerfestigkeitsgrenzen für das verwendete Rohrmaterial bleibt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der Leitelementwinkel bedeutet

.χ äußerer Stabdurchmesser

tg —————~—————————

äußerer Rohrdurchmesser + äußerer Stabdurchmesser 709882/0632

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitelementwinkel 15 bis 80 Grad beträgt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitelementwinkel 20 bis 65 Grad beträgt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitelementwinkel der verschiedenen Leitelemente sich voneinander unterscheiden.

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