DE2707702C2

DE2707702C2 - Stützvorrichtung für eine Vielzahl von Röhren in einem Wärmeaustauscher

Info

Publication number: DE2707702C2
Application number: DE2707702A
Authority: DE
Inventors: William Maurice Bartlesville Okla. Small
Original assignee: Phillips Petroleum Co
Current assignee: Phillips Petroleum Co
Priority date: 1976-07-06
Filing date: 1977-02-23
Publication date: 1983-12-08
Also published as: FR2357851A1; DE2707702A1; PL113196B1; YU39794B; PL196755A1; YU56377A; SU854281A3; IT1091804B; GB1562663A; NO142460B; NO142460C; BE852188A; CA1078822A; ZA766827B; SE423648B; MX144899A; NL7702226A; FR2357851B1; JPS536952A; SE7701692L

Description

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Die Erfindung betrifft eine Stützvorrichtung zum Abstützen einer Vielzahl von Röhren in einem Wärmeaustauscher. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zum radialen Abstützen der Rohre in Mantel- und Rohrwärmcaustauschern. Eine derartige Vorrichtung ist nach der US-PS 20 18 037 bekannt, von der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ausgegangen wird.

Obwohl die Wärmeaustauschertechnik bis zu einem sehr hohen Grad entwickelt worden ist, gibt es noch auf einer Reihe von Gebieter, Verbesserungsmöglichkeiten, wie zum Beispiel eine Reduzierung des Druckabfalls, eine Erhöhung der Gesamtwärmeübcrtragungskoeffizienten, eine Verminderung der Verschmutzung, und bei Rohrbündel-Wärmeaustauschern, beispielsweise bei Mantel- und Rohrwiirmeaustauschem, eine Verbesserung der Abstützung der Rohre. In vielen Fällen fallen die Rohre in einem Mantel- und Rohrwärmeaustauscher vorzeitig aus. weil die Rohre vibrieren oder aneinander oder an anderen Teilen des Wärmeaustauschers reiben. In Wärmeaustauschern weiden seit vielen Jahren plattenförmige Leitelemente verwendet. Zumindestens bis zu einem gewissen Grad bilden derartige Leitelernente eine Abstützung für die Rohre. Es sind auch Wärmeaustauscher mit zweigeteilten Leitplatten wohlbekannt, und obwohl Wärmeaustauscher mit plattenförmigen Leitelementen vergleichsweise frühzeitig entwickelt wurden, sind derartige Wärmeaustauscher heute noch immer sehr weit verbreitet. In den meisten Wärmeaustauschern mit platteniormigen 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 2018037 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 Fig. 2, 3 und 6 der US-PS 2018037 der Fall ist. so sieht man ir. jeder einzelnen Bezugsebene eine Querstrebe. 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 37 08 142 wird eine Rohrabstützung beschrieben, bei der der Druckabfall gering ist.

Aus DE-AS 12 35 962 ist bekannt, daß sich der Druckverlust von Rohrdistanzhaltern durch Schrägstellen des tragenden Flachringes verringern läßt, wobei so schräggestellt wird, daß in allen Schnittebencn nur eine Rohrreihe durch die Abstandhalter verengt ist.

In DE-OS 22 62 621 ist ein Wärmetauscher beschrieben, in dem die Rohrabstandshalter Stäbe sind, die auf einem zylindrischen Ring befestigt sind. Diese Leitelemente sind senkrecht zur Längsachse des Rohrbündels angeordnet und jeweils um 180° gegeneinander orientiert und decken die Hälfte des Querschnitts ab. Der entstehende sinusförmige Weg hat einen höheren Druckabfall zur Folge als bei geradlinigem Durchgang.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine konstruktive Gestaltung einer Stützvorrichtung für Rohrbündel eines Wärmetauschers zu schaffen, die nicht nur den Druckabfall verringert, sondern auch die Rohrbündel so stützt, daß die Rohrbündel vor Beschädigung aufgrund von Vibrationen geschützt sind, so daß die Anfallquote von Rohren in einem Rohrbündel vermindert und die Standzeit des Wärmetauschers verlängert ist. Die konstruktive Gestaltungsoll ferner die äußere Verschmutzung von Rohrbündeln mindern und daraus resultierende Verluste an Wärmeübergang reduzieren. Weiterhin soll das Verhältnis von Wärmeübertragungskocffizieni zu Druckabfall eines Austauschers im Vergleich zu den bekannten Wärmetauschern verbessert werden.

Diese Aulgabe wird gelöst durch die Stützvorrichtung gemäß Patentanspruch 1.

Die Untcranspruche beschreiben bevorzugte Ausführungslbrmcn der Erfindung.

Überraschend wurde nunmehr gefunden, daß es zur Lösung der crfindungsgcmäßen Aufgaben nicht nur dar-

auf ankommt, die Leitelemente schrägzustellen, sondern daß der Leitelementwinkel von dem Durchmesser der Wärmetauscherrohre und dem Querschnitt άιτ Leitelementteile abhängt, und es deshalb darauf ankommt, die Leiteiemente in einem bestimmten Winkel schrägzustellcn.

Der Aufbau der 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 Erfindung im allgemeinen kostengünstiger im Vergleich zum Stand der Technik.

Ein Leitelement gemäß der Erfindung umfaßt 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 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 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 Vielzahi von parallelen Rohrreihen gebildet werden.

Weiterhin wird ein Leitelement gemäß der Erfindung dadurch gebildet, daß man Rohre in der Form eines Rohrbündels anordnet, daß zumindestens 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 eingelugt, um mit dem äußeren Ring dahingehend zusammenzuwirken, um eine Vielzahl von parallelen Sehnen zu bilden, wobei 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 Rohren 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, um eine radiale Abstützung für jedes Rohr zu liefern, wobei jeder Leitelementsatz zwei Leitelemenle enthält und jedes Leitelement so ist, wie zuvor beschrieben.

Weiterhin wird gemäß der Erfindung eine Vielzahl von Rohren in der Weise 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.

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

Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht, im wesentlichen ent'ang der Linie 2—2 in Fig. 1, wobei ein Ausführungsbeispiel eines Leitelements gemäß der Erfindung gezeigt wird;

Fig. 3 ist eine Darstellung im Querschnitt, im wesentlichen entlang der Linie 3—3 in Fig. 1, wobei eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Leitelementes gezeigt wird, das sich zur Kombination mit dem Leitelemeiu gemäß F i g. 2 eignet;

F i g. 4 ist eine Darstellung im Aufriß einer Vielzahl von Rohren in der Form eines Rohrbündels, wobei eine andere Ausfuhrungsform der Erfindung verwendet wird;

Fig. 5 ist eine Darstellung im Querschnitt, im wesentlichen entlang der Linie 5 — 5 der Fig. 4, wobei eine Ausführungsform des Leitelements gemäß der Erfindung gezeigt wird;

Fig. 6 ist eine Darstellung im Querschnitt, im wesentlichen entlang der Linie 6 —6 der Fig. 4, wobei ein Ausführungsbeispiel eines anderen Leitelements gemäß der Erfindung gezeigt wird, das geeignet ist, zusammen mit dem Leitelement der Fig. 5 verwendet zu werden;

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

F i g. 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 F i g. 7 dargestellten Werte benutzt wurden;

Fig. 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 Fig. 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.

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 Verminderung der Fließgeschwindigkeit an der Mantelseite. Die damit verbundene Verminderung der Wärmeübertragungsgeschwindigkeiten macht einen größeren, teueren Wärmeaustauscher notwendig, als es andernfalls notwendig wäre. Die Erfindung löst das Vibrationsproblem, ohne daß im wesentlichen der Druckabfall an der Mantelseite gesteigert oder die Fließge-

schwindigkeit an der Mantelseite beträchtlich vermindert wird. Die dabei verwendeten Ausdrücke Druckabtall bzw. Druckverlust sind Synonyma.

Obwohl die Verminderung der durch Vibration verursachten Rohraustalle 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 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. 2C

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 hat ein Wärmeaustauscher, im allgemeinen mit Ziffer 10 bezeichnet, gemäß einer Ausbildungsform der Erfindung zwei Rohrplatten 17i/ und Mb 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 Leitelemente 12 sowie 14 wird in einer Ebene liegend gezeigt, die nicht rechtwinklig (d.h. schräg) zu der Längsachse (mit ν—ν bezeichnet) des Rohrbündels 20 ist. was eine wesentliche Anforderung darstellt, um die 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 F i g. 1 und 4 Verwendung finden, betragen 30 Grad und 45 Grad. bzw. sind mit Hilfe der geometrischen Schemata oberhalb der Fig. 1 bzw. 4 gezeigt. W^;enn der Leitele- ίο mentwinkel größer wird, wird der Rohrabstützungsabstand tür einen Teil der Rohre einer der zu begrenzenden Faktoren, der bei dem Entwurf des Wärmeaustauschers zu berücksichtigen ist.

Beispielsweise ist. wie in Fig. 1 gezeigt, der Abstand 15 der Abstützung für das Rohr 18a, gemessen von der Rohrplatte 17« bis zu dem Leitelement 12. wesentlich kleiner, als der Abstand 16 für das Rohr 18Λ. ebenso von der Rohrplatte 17a bis zu dem Leitelement 12 gemessen. Während der Leitelementwinkel ansteigt, indem man das Leitelement 12 gegen die Rohrplatte XIh drehi und den Abstand 15 konstant hält, würde der Abstand 16 größer werden, bis er mit der Länge des Rohrs 186 übereinstimmt. Die Leitelemente nach der erfindungsgemäßen Anordnung 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 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 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 verwendet und eine Leitelementwinkel von 0 Grad hat.

Der Druckabfall entlang der Mantelseite eines Wärmeaustauschers mit einer gegebenen Anzahl von stabförmigen Leitelementen wird gemäß der Erfindung dadurch verringert, indem man die Leitelemente in einer derartigen Weise anordnet, daß eine Beschränkung der horizontalen freien Strömungszone des Mantels bei jedem gegebenen Punkt entlang der Länge des Mantels verringert wird. Um nun den Druckabfall an der Mantelseite eines Wärmeaustauschers, der gemäß der Erfindung konstruiert worden ist. zu verringern oder mit anderen Worten, um die Beschränkung der horizontalen freien Strömungszone zu verringern, sollte der Leitelementwinkel und der Leitelementabstand den folgenden Gleichungen gehorchen:

Leitelementwinkel (1)

_ _ ι äußerer Stabdurchmesser

äußerer Rohrdiirchin. +äußerer Stabdurchm.
= minimaler Leitelementwinkel

und

Leitelementabstand _> innerer Manteldurchmesser χ ig Lcitclcmentwinke!.

Dennoch wird daraufhingewiesen, daß der nach obiger Gleichung (2) berechnete Leitelementabstand reduziert werden sollte, wen.i 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 Regel. Im allgemeinen wild der maximale Lc;tc'cmcri'winke! durch die Überlegung bestimmt, daß der größte Abstand für die Rohrabstützung und der gewünschte Leitelementabstand berücksichtigt wird. Bei den meisten Anwendungen wird der Leitelementwinkel im Bereich von etwa J 5 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 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 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 Leitele-

mentabstand zu schallen. 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 Fig. 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 gleichseitigen Dreiecksanordnung zueinander, wie es in eindeutiger Weise innerhalb der Leitelemente 12,14 der F i g. 2 und 3 gezeigt wird, und bilden mindestens eine erste Vielzahl sowie eine zweite Vielzahl von parallelen Rohrreihen, die zueinander unter einem Winkel von 60 Grad orientiert sind. Das Leitelement 12 in Fig. 2 zeigt die erste Vielzahl von parallelen Rohrreihen, die parallel zu den Stäben 31 angeordnet sind. Die benachbarten 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 Leiteiemeni 14 der Fig. 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 werden, 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 Fig. 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 Fig. 2 und Stäbe 32 innerhalb der Zwischenräume 36 zwischen benachbarten Rohrreihen gemäß Fig. 3 derart angeordnet, daß sie mit dem äußeren Ring 30 zusammenwirken, um eine Vielzahl von parallelen Sehen mit dem äußeren Ring30 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. Halleieilen 42. 43 für das Leitelerncnt 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 Verfugung zu stellen. Um 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 Leitelementes des Leitelementsatzes angeordnet werden können.

Zur Durchführung der Erfindung wird zumindestens ein derartiger Leitelementsatz benötigt, aber es werden im allgemeinen mehr als ein Leitelementsatz verwendet, einschließlich partielle·- Leitelementsätze. Das heißt jegliche Anzahl von Leitelementen können 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.

Fig. 4 bis 6 veranschaulichen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, weil die Rohre 50 in dem Rohrbündel 52 mit Rohrplatten 51a sowie 5\b in jeweils quadratischer Anordnung zueinander liegen und eine derartige Rohranordnung im allgemeinen eine größere Oberflächenzone für einen gegebenen Manteldurchmesser einer Vorrichtung gemäß der Erfindung liefert. Beispielsweise gibt es 61 Rohre in der Ausführungslbrm der Fig. 4 bis 6 und lediglich 57 Rohre in der Ausführungs-

!5 form der Fig. 1 bis 3, wobei beide Ausführungsformen in demselben Maßstab ausgeführt sind. Die in·den Fig. 4 bis 6 gezeigte Ausführungsform zeigt zwei Leitelemente 54 und 58, welche einen erfindungsgemäßen Leitelementsatz bilden. Der Leitelementwinkel beträgt 45 Grad, wie es mit dem graphischen Schema oberhalb der Fig. 4 gezeigt wird. In den Fig. 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 horizoniai angeordneien Rohrreinen 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 Fig. 5 ein Zwischenraum zwischen den benachbarten Rohrreihen gezeigt und mit dem Bezugszeichen 61a bzw. in Fig. 6 mit dem Bezugszeichen 63ö 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 jeweiligen Stab benachbarten Rohrreihen zur Verfügung zu stellen. Die Stäbe in den Leilelementen, wie sie in den Fig. 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 80 verschraubt sind.

In der Ausfuhrungsform der Fig. 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 Fig. 1 bis 3, bei denen die Innenkante derart behandelt (z.B. gefräst) «Order, 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 für die teilweise Abstützung der Rohre zu machen, die in Nachbarschaft zu der Innenkante der Ringe 30 angeordnet sind, so daß keine radiale Bewegung der Rohre zugelassen wird. Die Ausführung der Leitelemente 54 und 58 der Fig. 4 bis 6 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 wurden. Die zusätzlichen Stäbe 62a werden in der Fig. 5 und die zusätzlichen Stäbe 64o in der Fig. 6 gezeigt. Weiterhin ist die Ausführung der Leitelemente mit kreisförmigen Ringen 66 gemäß Fig. 4 bis 6 bevorzugt, weil eine derartige Ausführung den Druckabfall im Wärmeaustauscher re-

duziert, da ein Teil des Rings, der den Fluß der Flüssigkeit an der Mantelseite beschränkt, entfernt ist. Infolgedessen vereinfacht diese 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 Fig. 1 bis 6 ist es augenscheinlich, daß die kleinste Anzahl Leitelemente pro Leitelementsatz 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 mindestens zwei Leitelemente pro Leitelementsatz benötigt, um die 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, Vielfachdüsen und 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 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 Sperrvorrichtungen blockiert. Zu dem Aufbau einer Vorrichtung gemäß den F i g. 1 bis 6 gehört der Einbau eines ringförmigen Leitelements, das den Fluß des flüssigen Mediums an der Manieiseite zwischen dem Mantel und dem Rohrbündel einschränkt und außerdem eine Lagerung für die Stäbe schafft, um das aus Stäben gebildete Leitelement 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, Konstruktion von F.inströmöffnungen etc.

Obwohl die Leitelemente in der Regel im Rohrbündel angeordnet sind, so daß sie alle den gleichen Leitelementwinkel haben und in die gleiche Richtung abgeschrägt sind, wie es in den Fig. 1 bis 4 gezeigt wird, liegt es im Bereich der Ausführungsformen der Erfindung, dennoch zwei oder mehr Leitelemente mit verschiedenartigen Leitelementwinkeln und/oder Abschrägungen in jedweder Zahl von Richtungen zu verwenden.

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Beispiel

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

Jeder Wärmeaustauscher erhielt 137 Rohre aus unlegiertem Stahl, mit einer Länge von 2,96 m und mit einem äußeren Durchmesser von 1,27 cm. Diese Rohrewaren in

55 einem 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 l,28m/Sek betrug, was 52,457 kg pro Stunde 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 an den Enden der getesteten Wärmeaustauscher größer als 6⁰C hielt, um ein adäquates Wärmegefälle zu erzielen, ließen sich übereinstimmende Testergebnisse berechnen. Die Fließgeschwindigkeit W an der Mantelseite wurde von etwa 1134 bis 9072 kg pro Stunde variiert. Die Fig. 7, 8 und 9 zeigen graphisch die Testergebnisse auf, bei denen der Gesamtwärmeübertragungskoeffizient U, der Druckabfall AP und das Verhältnis U/AP als Funktion der Fließgeschwindigkeit W an der Mantelseite bestimmt wurden. Bei der Berechnung dieser Werte wurden allgemein bekannte Rechen ver fahren 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 Wärmeaustauscher war vom Typ Wärmeaustauscher mit zweigeteilten Leitplatten. Der Leitplattenabschnitt 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 betrug infolgedessen 12,45 cm.

Der zweite verwendete Wärmeaustauscher war so konstruiert wie in der US-PS 3708 142 beschrieben, und im folgenden als Wärmeaustauscher mit Leitelementen mit gekreuzten Stäben bezeichnet. Bei einer derartigen Konstruktion bildet jedes Leitelement eine radiale Abstützung oder ein radiales Trägerelement für jedes Rohr des 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 Erfindung, den man auch als Wärmeaustauscher mit Stableitelementen in Winkelanordnung bezeichnen kann, gemäß den vorher eingehend beschriebenen Fig. 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 betrug 45 Grad, und die Stäbe hatten einen Außendurchmesser von 0,476 cm.

Wie in Fig. 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, einem Wert, der über dem des Wärmeaustauschers mit Leitelementen mit gekreuzten Stäben liegt. Der Wärmeaustauscher mit zweigeteilten Leitplatten lieferte einen

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höheren Wärmeübertragungskoeffizienten über den Gesamtbereich der geprüften Fließgeschwindigkeiten an der Mantelseite.

Fig. 8 zeigt, daß der Druckabfall an der Mantelseite des 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.

Fig. 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 Fig. 7 und 8 vereinigt, gibt einen Gesamteindruck von den Ergebnissen wieder, die bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abstützung von Rohren erhalten werden, weil sowohl der Druckabfall als auch der Wärmeübertragungskoeffizienl gleichzeitig berücksichtigt werden.

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

10

12,

15,

17a,

18

18a, \Sb

19

20

22,26

24,28

30

31

32

34

36

40, 41, 42,

46

50

51a,

52

54,58

61a

62

62a

63a

64,64a

66

70

80

12

Bezugszeichenliste

Wärmeaustauscher Leitelemente Abstand der Rohrabstützung Rohrplatten Rohrbündel Rohre

Manielinnenseite Rohrbündel Einlaßanschluß Auslaßanschluß äußerer elliptischer Ring Stäbe von 12 Stäbe von 14 Zwischenraum im Leiielement Zwischenraum im Leitelement Halteteile Schrauben oder Bolzen Rohre

Rohrplatten Rohrbündel Leitelemente Zwischenraum horizontal angeordnete Stäbe Stäbe

Zwischenraum Stäbe

äußerer Ring Halteteile Bolzen oder Schrauben

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Stützvorrichtung für eine Vielzahl von Röhren in einem Wärmeaustauscher, die ein Rohrbündel bilden und so angeordnet sind, daß sie mindestens eine erste Anzahl von parallelen Rohrreihen, eine zweite Anzahl von parallelen Rohrreihen und Zwischenräume zwischen mindestens einem Teil der benachbarten Rohrreihen bilden, mit mindestens einem Satz von to Leitelementen, der eine radiale Abstützung für jedes Rohr ergibt und mindestens zwei Leitelemente über die Rohrlänge verteilt enthält, wobei jedes Leitelement eine Vielzahl von Stäben einschließt, welche in den Zwischenräumen zwischen benachbarten Rohrreihen in einer Anzahl von parallelen Rohrreihen angeordnet sind, und mit einem äußeren, das Rohrbündel elliptisch umgebenden Ring, wobei eine Vielzahl von Stäben eine Vielzahl von sämtlich zueinander paralleler Sehnen mit dem äußeren Ring bildet und jeder derartige Stab eine Abstützung für die Rohre bildet und die parallelen Stäbe von einem Leitelement in einer Ebene unter einem Leitelementwinkel zu einer Ebene, die rechtwinklig zur Längsachse des Rohrbündels ist, angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitelementwinkel

äußerer Stabdurchmesser

äußerer Rohrdurchm. + äußerer Stabdurchtn.

beträgt und daß die Leitelemente (12,14) entlang der Längsachse des Rohrbündels (20) in einem solchen Abstand voneinander angeordnet sind, daß die maximale, zulässige Durchbiegung der Rohre (18) bei Belastung weniger als die Hälfte des Abstandes zwischen benachbarten Rohren (18) beträgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitelementwinkel der verschiedenen Leitelemente (12, 141 sich voneinander unterscheiden.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitelementwinkel 20 bis 65° betragen.