DE2723420C2

DE2723420C2 - Wärmeaustauscher

Info

Publication number: DE2723420C2
Application number: DE2723420A
Authority: DE
Inventors: Fernand Grenoble Lauro
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1976-05-26
Filing date: 1977-05-24
Publication date: 1985-10-17
Also published as: IT1077102B; US4106560A; BE855008A; ES228762U; IL52107A0; JPS6359075B2; FR2353035A1; FR2353035B1; DE2723420A1; JPS52145853A; NL7705624A; NL181603C; NL181603B; IL52107A; ES228762Y; GB1533224A

Description

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20 kanäle für das zweite Fluid bildet, die sich über die Höhe der Zylinderfläche (40) erstrecken.

Die Erfindung befaßt sich mit einem Wärmeaustauscher nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, der als Abstrom-Wärmeaustauscher bezeichnet wird und insbesondere zum Verdampfen einer Salzlösung bestimmt ist

Ein Wärmeaustauscher mit im wesentlichen vertikal angeordneten Verdampferrohren zur Erhitzung eines zweiten Fluides durch ein erstes Fluid wird als Abstrom-Wärmeaustauscher bezeichnet, wenn das zweite Fluid aufgrund der Schwerkraft in einem dünnen Film an der Außenwand der Verdampferrohre entlangflbßt, in denen das erste Fluid geführt ist.

Die Erfindung betrifft insbesondere einen Wärmeaustauscher, umfassend einen dicht abgeschlossenen Behälter, eine Vielzahl von im wesentlichen vertikal angeordneten, aus einem elastischen Material hergestellten Rohren, in denen ein erstes Fluid geführt ist und an deren Außenwänden ein zweites Fluid entlangströmt, mindestens eine im wesentlichen horizontal angeordnete und mit Durchtrittsöffnungen versehene Platte sowie Zuführleitungen für das erste Fluid, wobei die Platte in dem oberen Teil des Behälters eine Kammer zur Zufuhr des zweiten Fluges begrenzt, durch welche die Zuführleitungen für das erste Fluid hindurchgeführt sind. Ein derartiger Wärmeaustauscher ist nach der DE-OS 22 23 805 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Wärmeaustauscher der vorstehend genannten Art Mitte! anzugeben, mit Hilfe derer die elastischen Rohre mit ihren oberen Enden befestigt werden können und mit Hilfe derer an der Außenwand der Rohre ein dünner ununterbrochener abwärts strömender Film des zu erhitzenden zweiten Fluides erzeugt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß jedes Rohr mit seinem oberen Ende an einer relativ zur Rohrachse drehbaren, an der Platte anliegender) und mit den Zuführleitungen für das erste Fluid verbundenen Durchführungsanordnung befestigt ist, die in ihrem Inneren einen Durchflußkanal für das erste Fluid aufweist, daß die Durchführungsanordnung ein erstes Teil mit mindestens einer Außenkonusfläche umfaßt, die so ausgebildet ist, daß sie im Zusammenwirken mit einer komplementär ausgebildeten Innenkonusfläche einer Gleithülse die Befestigung eines Rohres ermöglicht, und daß die Durchführungsanordnung ein zweites Teil mit einer an seinem Außenumfang ausgebildeten Zylinderfläche umfaßt, in der über eine mindestens der Dicke der Platte entsprechende Höhe Nuten ausgeformt sind, die mit der Innenwand einer Durchtrittsöffnung in der Platte Verteilerkanäle für das zweite Fluid begrenzen. Dabei kann das zweite Teil an seinem unteren Ende mit einem oberen Endabschnitt des ersten Teiles und an seinem oberen Ende mit der Zuführvorrichtung für das erste Fluid fest verbunden sein.

Dank der erfindungsgemäßen Durchführungsanordnung des Wärmeaustauschers, die so konzipiert ist, daß sie einen geringen Raumbedarf in radialer Richtung besitzt, ermöglicht der vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Wärmeaustauscher in vorteilhafter Weise

a) eine bei den für die Herstellung des genannten er-

sten Teiles bevorzugten Abmessungen eine besonders widerstandsfähige Befestigung der Rohre,

b) eine geeignete Verteilung des zweiten Fluides im Hinblick auf die Ausbildung eines ununterbrochenen dünnen Filmes längs der Rohre, und

c) die Zufuhr des ersten Flüides zu den Rohren mit einem minimalen Verlust

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die an dem um die Rohrachse drehbaren ersten Teil ausgebildete und zur Befestigung des Rohres bestimmte Außenkonusfläche in der Weise ausgerichtet, daß ihr oberes Ende mit einem im wesentlichen dem Innendurchmesser des Rohres entsprechenden Außendurchmesser das durchmesserkleinere Ende darstellt Es versteht sich im übrigen, daß die genannte Konusfläche relativ zur Achse derart geneigt ist daß die Wand des Rohres in geeigneter Weise manuell an die Konusfläche angelegt werden kann.

Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung sind in der an dem zweiten Teil vorgesehenen Zyiinderfläche schraubenförmig verlaufende Nuten r.iit einem variablen Querschnitt in der Weise ausgebildet, daß die Zuführung des zweiten Piuides mit einer leichten Drallbewegung erfolgt um das Herunterfließen des zweiten Fluides an den Rohren in einem ununterbrochenen Film zu bewirken.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das genannte erste Teil zwei einander benachbarte Konusflächen auf, von denen die eine, oben liegende Konusfläche die zur Befestigung des Rohres dienende Konusfläche ist

Gemäß einer anderen Ausführungsform weist das zweite Teil auf seinem Außenumfang eine Kegelfläche auf, welche die genannte Zylinderfläche nach unten hin verlagert, wobei diese Kegelfiäche derartig ausgebildet ist, daß der größere Durchmesser der Kegelfläche am unteren Rand derselben liegt und im wesentlichen gleich dem Anßendurchmesser der Gleithülse ist

Die Erfindung ist in der folgenden Beschreibung näher erläutert, welche ein Ausführungsbeispiel eines Verdampfers mit abwärts strömendem fluidem Film wiedergibt, wie er beispielsweise zum Verdampfen einer Salzlösung verwendet wird; die Figuren erläutern die Erfindung anhand des Ausführungsbeispiels. Es stellt dar

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Verdampfers mit abwärts strömendem Fluiden-Film, und

F i g. 2 eine vergrößerte Teilansicht des Verdampfers, welche die Befestigung der elastischen Verdampferrohre und das Ableiten des zweiten Fluides zeigt.

Die Anwendung der Erfindung ist nicht auf den in F i g. 1 dargestellten Typ von Wärmeaustauscher beschränkt. Jedoch is·, ein derartiger Wärmeaustauscher, der als Verdampfer für ein zweites Fluid wie beispielsweise eine Salzlösung dient, zur Verwirklichung der Erfindung besonders geeignet.

Wie man in Fig. 1 erkennt, ist der Verdampfer in einem dicht abgeschlossenen Behälter 2 angeordnet der in Verbindung mit einer horizontalen, flüssigkeitsdicht mit den Seitenwänden des Behälters 2 verbundenen Platte 4 eine Wärmeaustauschkammer 6 begrenzt. Im Inneren der Wärmeaustauschkammer 6 sind im wesentlichen vertikal verlaufende elastische Kunststoffrohre 8 angeordnet. Die düime Wand der z. B. aus Kunststoff gefertigten Rohre 8 mit einer Wandstärke von kleiner oder gleich 100 μ definiert eine Wärmeaustauschfläche hen einem ersten heißen Fluid, das im Ausführungsbeispiel von einem Gas wie etwa Wasserdampf gebildet ist, und einem zweiten zu verdampfenden Fluid, das im Ausführungsbeispiel aus einer Salzlösung besteht

Die Rohre 8 sind mit ihren oberen Enden mit der aus Metall oder Kunststoff hergestellten Platte 4 im Bereich von in der Platte 4 ausgebildeten Durchtrittsöffnungen 10 verbunden. Mit ihren unteren Enden sind die Rohre 8 an Sammler 12 angeschlossen, die eine Abflußleitung 16

ίο aufweisen, wobei diese den Behälter 2 an einer abgedichteten Stelle durchsetzt.

Wie später noch näher ausgeführt wird, werden die z. B. aus Kunststoff gefertigten Rohre 8 an der horizontalen Platte 4 durch Bauteile gehalten, die in der Weise ausgebildet sind, daß sie die Rohre 8 an ihren oberen Enden festhalten und gleichzeitig die Zufuhr von Gas zu den Rohren 8 und die Verteilung der Salzlösung in der Weise sicherstellen, daß sich auf der Außenumfangsfläche der Rohre 8 ein dünner abwärts fließender Film der Salzlösung ausbilden kann.

In ueiii in F i g. 1 dargestellten Verdampfer erfolgt die Verdampfung der in Form eines dünnen Filmes auf der Außenumfangsfläche der aus Kunststoff bestehenden Rohre abwärts fließenden Salzlösung durch das im Inneren der Rohre 8 zirkulierende heiße Gas.

Die Rohre 8 sind mit ihren unteren Enden an den Sammler 12 durch Anschlüsse angeschlossen, die eine freie Ausdehnung der Rohre 8 in Längsrichtung zulassen. Diese wiederum können etwa in der Weise ausgebildet sein, wie sie in der von der Anmelderin am 7.9. ?_;973 eingereichten französischen Patentanmeldung 73 32 372 beschrieben sind.

In der F i g. 1 erkennt man ferner, daß die horizontale Platte 4 in dem oberen Teil des Behälters 2 eine Kammer 18 begrenzt, die ihrerseits wiederum in zwei Teilkammem 18a und 18i> unterteilt ist. Die Teilkammern 18a und \&b dienen zur Zufuhr der zu verdampfenden Salzlösung bzw. des heißen Gases durch Zuisitunren 20 bzw. 22.

In der Kammer 18 sind als Zuführieitungen Rohrelement 24 im Bereich der Durchtrittsöffnungen 10 der Platte 4 im wesentlichen vertikal angeordnet, die mit ihren oberen Enden in die mit dem heißen Gas gefüllte Teilkammer 18£> hineinragen und mit ihren unteren Enden in die Rohre 8 einmünden.

Wie man sieht, können die Teilkammern 18a und 18b dicht durch eine Zwischenwand voneinander getrennt sein, die vorzugsweise aus einem Elastomer hergestellt ist und Öffnungen 29 zum Durchtritt der Zuführleitungen oder Rohrelemente 24 aufweist. Die auf Schultern der Rohrelemente 24 aufliegende Zwischenwand 27 kann durch Gleithülsen festgehalten werden, die an mindeste" j einigen der Rohrelemente 24 angeordnet sind.
Es versteht sich, daß ohne die Zwischenwand 27 das Niveau der Grenzschicht zwischen Flüssigkeit und Gas ständig unterhalb der oberen Enden der Rohrelemente 24 gehalten werden muß.

Der in Fig. 1 dargestellte Verdampfer arbeitet auf folgende Weise. Wie bereits beschrieben, wird das erste gasförmige Fluid durch die Zuleitung 22 in die Kammer 18 eingeführt. Von dort tritt es durch die Rohrelement^ 24 hindurch an den oberen Enden der aas Kunststoff bestehenden Rohre 8 in diese ein, verläßt die Kunststoffrohre an deren unteren Enden und wird über den Sammler 12 und die Abflußleitung 16 abgeführt.

Das von der Salzlösung gebildete zweite Fluid wird durch die Zuleitung 20 in die Kammer 18 eingeführt. Von dort gelangt es durch die Platte 4 hindurch in die

Wärmeaustauschkammer 6 in der Weise, daß es an den Rohren 8 als dünner Film entlangfließt, um schließlich durch eine Auffangleitung 26 abgeführt zu werden.

In Fig. 2 ist eine teilweise schematische Teilansicht des in F i g. 1 gezeigten Verdampfers dargestellt, die die Anordnung von Bauteilen wiedergibt, mit Hilfe derer die Rohre 8 an der horizontalen Platte 4 gehalten werden.

In der F i g. 2 sind die bereits in F i g. 1 beschriebenen Teile wieder mit den gleichen Bezugsziffcrn versehen. Man erkennt also die genannten Rohre 8. die horizontale Platte 4 und ein mit einem Rohr 8 verbundenes Rohrelement 24 zur Zuleitung des ersten Fluides.

Wie man aus Fig. 2 entnehmen kann, umfaßt der Verdampfer zur Halterung des Rohres 8 an der Platte 4 eine vorzugsweise aus Kunststoff hergestellte, allgemein mit 28 bezeichnete Durchführungsanordnung. Diese ermöglicht einerseits eine geeignete Ableitung des zweiten Fluides durch die Platte 4 hindurch und andererseits eine bequeme Montage der Rohre 8 in dem Verdampfer.

Die Durchführungsanordnung 28 umfaßt einen Teil 30, z. B. einen Rohrstutzen, der in das obere Ende des Rohres 8 eingesetzt ist. Eine gleitend angeordnete und an der Außenseite des Rohres 8 anliegende Gleithülse 32 wirkt mit dem Rohrstutzen 30 in der Weise zusammen, daß sie das Rohr 8 festklemmt. Man erkennt ferner ein zweites Teil 34, z. B. Verteilerrohr, das über einen Flansch 44 nahe seinem oberen Ende auf der horizontalen Platte 4 aufliegt. Das Verteilerrohr 34 bildet längs der Innenwand der Durchtrittsöffnung 10 Kanäle für die Ableitung des zweiten Fluides. Mit seinen äußeren Enden ist das Verteilerrohr 34 einerseits mit dem Rohrstutzen 30 und andererseits mit dem Rohrelement 24 verbunden.

Wie man sieht, weisen der Ruhfsiutzen 30 und das Verteilerrohr 34 Durchflußkanäle 33 und 35 auf. welche für das erste Fluid einen Kanal konstanten Querschnittes durch die Durchführungsanordnung 28 hindurch bilden.

Der um die Achse 9 des Rohres 8 drehbare Rohrstutzen 30 weist auf seiner Außenseite zwei einander benachbarte Außenkonusflächen 30a und 30b auf, die relativ zur Achse 9 geneigt verlaufen und den Mantelflächen zweier Kegelstümpfe entsprechen, die mit ihren Basisflächen aneinanderliegen, wobei der Durchmesser der Basisflächen etwas größer ist als der Innendurchmesser des Rohres 8. Wie man sieht, ist der Durchmesser der Basisfläche und die Konizität der Kegelfläche 30 so gewählt, daß sich die elastische Wand des Schlauches oder Rohres 8 zuverlässig an der Außenkonusfläche 30a anlegt und daß der Platzbedarf für den Rohrstutzen 30 in radialer Richtung minimal ist. Auf der anderen Seite ist die Neigung der entsprechenden Kegelfläche 306 so gewählt, daß die Einführung des Rohrstutzens 30 in das obere Ende des Rohres 8 erleichtert wird. Es muß im übrigen betont werden, daß es genügt, wenn der Rohrstutzen 30 nur die zur Befestigung des Rohres 8 dienende Außenkonusfläche 30a aufweist Die Kegelfläche 3OZ? dient lediglich dazu, das Einführen des Rohrstutzens 30 in das Rohr 8 zu erleichtern.

In F i g. 2 erkennt man, daß das um die Achse 9 drehbare Verteilerrohr 34 in seinem äußeren Profil ausgehend von dem Flansch 44 zunächst eine Zylinderfläche 40 und dann eine Konusfläche 42 aufweist Die Zylinderfläche 40 liegt an der Innenwand der Durchtrittsöffnung 10 an und weist Nuten 36 auf, die zwischen dem Verteilerrohr 34 und der Innenwand der Durchtrittsöffnung 10 die genannten Kanäle zur Ableitung des zweiten Fluides begrenzen. Wie man ferner sieht, ist die Konusfläche in der Weise ausgebildet, daß ihr unterer Rand einen Durchmesser aufweist, der im wesentlichen gleich dem AuQendurchmesser der Gleithülse 32 an ihrem oberen Ende ist.

Die Nuten 36 in der Zylinderfläche 40 sind vorzugsweise schraubenförmig ausgebildet, wobei ihre Schraubenganghöhe und ihr Querschnitt so gewählt sind, daß sie dem zweiten Fluid eine Drallbewegung erteilen. Diese Drallbewegung ermöglicht die Ausbildung eines auf der Außenfläche der Rohre 8 gleichmäßig verteilten Filmes trotz der Nichtbenetzbarkeit des zur Herstellung der Rohre 8 verwendeten Kunststoffes.

Ferner erkennt man, daß der Rohrstutzen 30 in seinem oberen Bereich eine zylindrische Verlängerung 46 aufweist, die in eine komplementär ausgeformte Aussparung in der innenwand des Vcrtc;!c"tthrcr, 34 eingreift. Die Verlängerung 46 ist mit einem Gewinde versehen, das mit einem komplementär ausgebildeten Innengewinde in der Aussparung 48 in der Weise zusammenwirkt, daß der Rohrstutzen 30 an dem Verteilerrohr 34 befestigt werden kann.

Es muß betont werden, daß die Verlängerung 46 des Rohrstutzens 30 und die Aussparung 48 in dem Verteilerrohr 34 so ausgebildet sind, daß die Durchflußkanäle 33 uru· 35 einen Durchflußweg durch die Durchführungsanordnung 28 hindurch begrenzen, der keinerlei Diskontinuität aufweist.

Der Rohrstutzen 30 und das Verteilerrohr 34 können natürlich auch auf irgendeine andere Weise fest miteinander verbunden werden, wie beispielsweise durch Induktionsschweißen oder durch einen Bajonettverschluß. Das gleiche gilt für die starre Verbindung des Verteilerrohres 34 mit dem Rohrelement 24. die bei der Ausführurigsfcrm p.ach F i g. 2 durch eine -Schraubverbindung 50 hergestellt ist.

Wenn die Länge der Zylinderfläche 40 und die Dicke der Platte 4 verschiedene Werte haben, kann dem Verteilerrohr 34 eine nicht dargestellte zylindrische Hülse in der Weise zugeordnet werden, daß die Kanäle zur Ableitung des zweiten Fluides auf eine der Zylinderfläche 40 entsprechende Länge gebracht werden.

Aufgrund der oben beschriebenen Konzeption der Durchführungsanordnung 28 kann die Montage der Rohre 8 bei einer geeigneten Wahl der Durchmesser der die Durchführungsanordnung 28 bildenden Teile auf einfache Weise durchgeführt werden. Zunächst wird hierzu ein Rohr 8 mit der Durchführungsanordnung verbunden, indem man das Rohr 8 zwischen dein Rohrstutzen 30 und der Gleithülse 32 befestigt und dann das Verteilerrohr 34 mit dem Rohrstutzen 30 verbindet Danach wird das Verteilerrohr 34 mit dem Rohrelement 24 verbunden und die gesamte Durchführungsanordnung 28 zusammen mit dem Rohr 8 und dem Rohrelement 24 in eine Durchtrittsöffnung 10 der Platte 4 eingeführt, bis der Flansch 44 auf der Platte 4 aufliegt.

Wenn auf diese Weise die Rohre 8 montiert sind, kann die aus einem Elastomer bestehende Zwischenwand 27 zur Unterteilung der Kammer 18 in die Teilkammern 18a und iSb zur Aufnahme einer Flüssigkeit bzw. eines Gases eingesetzt werden. Die Zwischenwand 27 wird auf nicht dargestellte Schultern aufgelegt die an den Rohrelementen 24 unter Verwendung von mit mindestens einigen mit den Rohrelementen 24 verbundenen Ringen ausgebildet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wärmeaustauscher, umfassend einen dicht abgeschlossenen Behälter, eine Vielzahl von im wesentlichen vertikal angeordneten, aus einem elastischen Material gefertigten Rohren, in denen ein erstes Fluid geführt ist und an deren Außenwänden ein zweites Fluid abwärtsströmt, mindestens eine im wesentlichen horizontal angeordnete und mit Durchtrittsöffnungen versehene Platte, sowie Zuführleitungen für das erste Fluid, wobei die Platte in dem oberen Teil des Behälters eine Kammer zur Zufuhr des zweiten Fluides begrenzt, durch welche die Zuführleitungen für das erste Fluid geführt sind, d a durch gekennzeichnet, daß jedes Rohr (8) mit seinem oberen Ende an einer relativ zur Rohrachse drehbaren, an der Platte (4) anliegenden und mit den ZuJührleitungen (24) für das erste Fluid verbundenen Durchführungsanordnung (28) befestigt ist, daß die Durchführungsanordnung (28) in ihrem Inneren einen Durchflußkanal (33,35) für das erste Fluid aufweist, daß die Durchführungsanordnung (28) ein erstes Teil (30) mit mindestens einer Außenkonusfläche (30a; umfaßt, die so ausgebildet ist, daß sie im Zusammenwirken mit einer komplementär ausgebildeten Innenkonusfläche einer Gleithülse (32) die Befestigung eines Rohres (8) ermöglicht, und daß die Durchführungsanordnung (28) ein zweites Teil (34) mu einer an seinem Außenumfang ausgebildeten Zylinderflächc (40) unfaßt, in der über eine mindestens der Dicke der Platte (4) entsprechende Höhe Nuten (36) ausgeformt ? nd, die mit der Innenwand einer Durchtrittsöffnung (10) in der Platte (4) VerteÜerkanäie für das zweite Fluid begrenzen.

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenkonusfläche (30a; des ersten Teiles (30) so ausgerichtet ist, daß sich das Ende der Konusfläche (30a; mit dem kleineren Außendurchmesser, der im wesentlichen gleich dem Innendurchmesser des Rohres (8) ist, oben befindet.

3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Teil (30) zwei übereinander angeordnete, aneinander angrenzende Außenkonusflächen (30a, 3Qb) aufweist, von denen die obere Außenkonusfläche (30a; mit der Innenkonusfläche der Gleithülse (32) zusammenwirkt.

4. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (36) in dem zweiten Teil (34) schraubenlinienförmig ausgebildet sind.

5. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Teil (34) eine Konusfläche (42) aufweist, welche die Zylinderfläche (40) nach unten hin verlängert und so ausgebildet ist, daß das durchmessergrößere Ende unten liegt.

6. Wärmeaustauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der die Zylinderfläche (40) verlängernden Konusfläche (42) an ihrem unteren Ende im wesentlichen gleich dem Außendurchmesser der Gleithülse (32) ist.

7. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderfläche (40) an dem zweiten Teil (34) eine Höhe aufweist, die größer ist als die Dicke der Platte (4), und daß das zweite Teil (34) von einer Hülse umgeben ist. die zusammen mit den Nuten (36) Verteiler-

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