DE2735618A1

DE2735618A1 - Waermetauscher mit u-rohren

Info

Publication number: DE2735618A1
Application number: DE19772735618
Authority: DE
Inventors: Ronald James Hawkins
Original assignee: Babcock and Wilcox Ltd
Current assignee: Babcock International Ltd
Priority date: 1976-08-06
Filing date: 1977-08-06
Publication date: 1978-02-09
Also published as: FR2360864A1; JPS5358843A; GB1589262A; NL7708697A

Description

Beschreibung

Wärmetauscher mit ü-Rohren

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit wenigstens einem U-Rohr zur Bildung eines Strömungsweges, durch den ein Flud zwecks Wärmeaustausch mit einem anderen Flud strömt, welches einen Weg beschreitet, in dem das U-Rohr derart angeordnet ist, daß der eine Schenkel des U-Rohres eine höhere Temperatur als der andere Schenkel hat.

Wärmetauscher mit einer Anzahl von U-förmig gebogenen Rohren, die sich von einem Rohrblech aus in eine Trommel hinein erstrecken, wobei das Rohrblech den Verschlußdeckel der Trommel bildet, sind bekannt. Jeder Schenkel jedes U-Rohres durchquert dabei das Rohrblech, und zwischen diesem und dem jeweiligen Schenkel ist eine starre Verbindung ausgebildet. Die Trommel hat einen Einlaß und einen Auslaß für das zu erwärmende Flud, und innerhalb der Trommel ist eine Leitvorrichtung angeordnet, die einen Strömungsweg für das Flud ergibt, so daß das zu erwärmende Flud zuerst über den einen Schenkel jedes Rohres und dann über den anderen Schenkel strömt. Das zur Wärmeabgabe bestimmt Flud strömt seinerseits durch die U-Rohre, und zwar derart, daß es zuerst

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diejenigen Schenkel durchströmt, welche das zu erwärmende Flud zuletzt berührt.

Zur Verhinderung von Vibrationen oder sogar Berührungen der Rohre haben die bekannten Wärmetauscher eine Vorrichtung, welche dazu dient, jeden Rohrschenkel in einer vorbestimmten Stellung zu halten, während sich der Wärmetauscher im Betrieb befindet. Diese Vorrichtung kann aus einer Anzahl von Führungen bestehen, welche jeden Rohrschenkel dicht umschließen, und zwar in einer solchen Weise, daß Längsausdehnungen der Rohrschenkel gestattet, seitliche Bewegungen aber verhindert werden.

Bei derartig ausgebildeten Wärmetauschern wird der eine Schenkel jedes U-Rohres auf eine höhere Temperatur erhitzt als der andere Schenkel, und die relativ verschiedenen Wärmedehnungen der beiden Schenkel jedes Rohres beanspruchen den Bogenteil zwischen den beiden Schenkeln, so daß dieser Teil gerade dann unter Anspannung ist, wenn die Bedingungen im Wärmetauscher durch die größte Belastung gekennzeichnet, sind.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher mit ü-Rohren zu schaffen, bei dem die Beanspruchung der Rückbiegung bzw. des Bogenteils der Rohre so gering wie möglicl ist.

Die erfindungsgemäße Lösung ergibt sich aus dem Inhalt des Patentanspruchs 1, welcher dieser Beschreibung vorangestellt ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Grundgedankens der Erfindung sind in den Unteransprüchen niedergelegt.

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung in vereinfachter Darstellungsweise wiedergegeben, welche nachstehend beschrieben werden. Es zeigen:

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Fig. 1 eine Ansicht auf einen senkrechten Axialschnitt eines ersten Wärmetauschers während des Betriebes,

Fig. 2 einen zweiten Wärmetauscher in einer Ansicht entsprechend Fig. 1.

Der in Figur 1 veranschaulichte Wärmetauscher ist als Druckgefäß ausgebildet, welches im wesentlichen aus einer Trommel 1 und aus einem diese verschließenden Deckel 2 besteht. Eine Anzahl von U-förmigen Rohren, von denen in Figur 1 nur ein Rohr 3 eingezeichnet ist, durchdringt den Deckel 2 mit ihren Enden, welche außerhalb des Druckgefäßes mit in der Zeichnung nicht dargestellten Einlaß- und Auslaß-Kopfstücken (headers) verbunden sind. Jeder U-Rohr-Schenkel ist dort, wo er den Deckel 2 durchquert, starr an dem Deckel 2 befestigt, was durch das Bezugszeichen 4 angedeutet ist. Das erhitzende Flud strömt vom Einlaß her durch den Rohrschenkel 3a über den Rohrschenkel 3b zum Auslaß, wie es die Pfeile andeuten.

Ein Leitblech 5 ist innen am Deckel 2 angebracht und erstreckt sich von diesem derart in die Trommel 1 hinein, daß der eine U-Rohr-Schenkel auf der einen Seite des Leitbleches und der andere U-Rohr-Schenkel auf der anderen Seite des Leitbleches verläuft. Führungsglieder 7 sind am Leitblech 5 angeordnet, und zwar bestehen sie aus plattenförmigen Bauteilen mit öffnungen, durch die sich die Schenkel der U-Rohre 3 erstrecken. Auf diese Weise werden die Schenkel auch während des Temperaturwechsels im Wärmetauscher stets in der gleichen Lage gehalten, indem die öffnungen in den Führungsplatten 7 zwar Längsbewegungen der Rohrschenkel aufgrund ihrer Wärmedehnung gestatten, aber seitliche Bewegungen verhindern.

Die Trommel 1 hat einen Einlaß 8 und einen Auslaß 9, und zwar tritt das zu erhitzende Flud durch den Einlaß 8 in die Trommel 1 ein, strömt über den Rohrschenkel 3b, alsdann unter dem Leit-

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blech 5 herum und über den Rohrschenkel 3a nach oben, woraufhin es die Trommel durch den Auslaß 9 verläßt.

Der in Figur 1 dargestellte Wärmetauscher zeigt während des Betriebes nur wenig oder gar keine Spannung (stress) in den Rückbiegungen (U-Bogen) der Rohre als Ergebnis verhältnismäßiger Wärmedehnung der Rohrschenkel, nachdem der Schenkel 3a heißer als der Schenkel 3b ist. Nach Betriebsende und entsprechender Abkühlung kehren die Rohre in ihren ursprünglichen Zustand zurück, wobei sich im U-Bogen eine Spannung ergibt, die danach strebt, eine Ablenkung in Richtung des Schenkels 3a hervorzurufen, d. h. in Richtung desjenigen Schenkels, der während des Betriebes heißer ist. Dies wird durch eine geeignete Konstruktion des Wärmetauschers hervorgerufen, indem der Schenkel 3a um einen Betrag kürzer als der Schenkel 3b ausgeführt wird, der durch die Wärmedehnung kompensiert wird, wenn der Wärmetauscher auf seine Betriebstemperatur hochgefahren wird. Die U-Rohre 3 sind zunächst symmetrisch, jedoch werden während der Herstellung beim Ausführen der Befestigungsstellen 4 die Rohrschenkel 3a gezogen (pulled) oder die Rohrschenkel 3b gedrückt (pushed), um auf diese Weise eine Spannung in den U-Bogen hervorzurufen, bevor die entsprechende Befestigung 4 vorgenommen wird. Infolgedessen liegt bei Umgebungstemperatur des Wärmetauschers eine U-Bogen-Spannung vor, diese Spannung wird aber im Betrieb des Wärmetauschers, wo die Bedingungen ihren größten Schwierigkeitsgrad haben, besonders gering.

Das in Figur 2 wiedergegebene zweite Ausführungsbeispiel ist weitgehend ähnlich demjenigen gemäß Figur 1 gestaltet, und entsprechende Bauteile tragen die gleichen Bezugszeichen, jedoch unter Verwendung des Präfix 2. So besteht das Wärmetauscher-Gefäß aus einer Trommel 21 mit Einlaß 28 und Auslaß 29, und zum Verschluß dient ein Deckel 22. An diesem ist ein Leitblech 25 mit Führungen 27 angebracht.

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U-Rohre 33 haben Rohrschenkel 33a und 33b, wobei der jeweilige Schenkel 33b bei 24, wo er den Deckel 22 durchschreitet, an diesem befestigt ist. Der andere Schenkel 33a ist dagegen mittels einer öffnung 34 im Deckel 22 lose durch den Deckel hindurch-geführt, wobei die öffnung 34 durch eine balgartige Vorrichtung 35 verschlossen ist, durch die der Schenkel 33a abgedichtet hindurchverläuft. Wenn der Wärmetauscher stillgesetzt wird und auf seine Umgebungstemperatur abkühlt, zieht sich der Rohrschenkel 33a relativ zum Schenkel 33b zusammen, aber die ü-Bogen-Spannung wird nicht größer sein, wenn der Wärmetauscher heiß ist, als wenn er kalt ist, da die Balgvorrichtung 35 eine Modulation vornimmt, um die relativen Ausdehnungsverhältnisse anzupassen.

Die Erfindung läßt sich in einem weiten Temperaturbereich und bei verschiedenen Wärmeübertragungsfluden anwenden, wobei zu prüfen ist, welches Ausführungsbeispiel geeignet erscheint. In Fällen, wo ein hohes Maß an Integrität erwünscht ist, beispielsweise in Anlagen zur Ausnutzung von Kernenergie, kann es empfehlenswert sein, nur die Ausführungsform gemäß Figur 1 einzusetzen.

Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen strömen die Flude im Gegenstrom, und deshalb ist das Bestreben nach thermisch verursachter Beanspruchung des U-Rohr-Bogenteils größer als in dem sonst weniger erwünschten Falle, daß die Fludströme parallel laufen. Während bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen das erhitzende Flud durch die U-Rohre und das zu erhitzende Flud über diese Rohre strömt, können auch andere Ausführungsbeispiele vorgesehen werden, bei denen das zu erhitzende Flud durch die Rohre geleitet wird.

Die in der Beschreibung, in der Zeichnung und in den Patentansprüchen offenbarten Merkmale des Anmeldungsgegenstandes können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen untereinander für die Verwirklichung der Erfindung in ihren

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verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

. 1 ./' Wärmetauscher mit wenigstens einem U-Rohr zur Bildung eines Strömungsweges, durch den ein Flud zwecks Wärmeaustausch mit einem anderen Flud strömt, welches einen Weg beschreitet, in dem das U-Rohr derart angeordnet ist, daß der eine Schenkel des U-Rohres eine höhere Temperatur als der andere Schenkel hat, gekennzeichnet durch eine solche Anordnung und Halterung des U-Rohres (3, 33), daß die Spannungen in der Rückbiegung (return bend) des U-Rohres nicht größer sind als die Spannungen sein wurden, wenn der Wärmetauscher ganz unter Umgebungstemperatur wäre.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Rohrschenkel (3a, 3b) an einer Stelle (4) derart verankert ist, daß eine Bewegung der Stellen relativ zueinander in Längsrichtung der Rohrschenkel während des Temperaturwechsels im Wärmetauscher zwischen Betriebs- und Umgebungs-

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ORJGJNAL INSPECTED

temperatur verhindert wird, und daß Führungsglieder (7) zwischen den Verankerungsstellen (4) und der Rückbiegung (Bogenteil) des U-Rohres (3) dazu vorgesehen sind, den zwischen der Verankerung (4) und dem Ende des zugehörigen Führungsgliedes (7), welches von der Verankerungsstelle abgewandt ist, liegenden Teil jedes Schenkels während des Temperaturwechsels im Wärmetauscher zwischen Betriebs- und Umgebungstemperatur in einer vorbestimmten Stellung zu halten.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Führungsglieder (27) zum Halten der Rohrschenkel (33a, 33b) in vorbestimmten Stellungen während des Temperaturwechsels zwischen Betriebs- und Umgebungstemperatur vorgesehen sind und jeder Rohrschenkel an einer starren Haltevorrichtung (22) befestigt ist, die sich an derjenigen Seite der Führungsglieder (27) befindet, welche vom Bogenteil des U-Rohres (33) abgewandt ist, wobei der Rohrschenkel (33b), welcher in Bezug auf den Strom des erhitzenden Fludes stromaufwärts vom anderen Rohrschenkel (33a) gelegen ist, an der Haltevorrichtung (22) starr befestigt ist, während der andere Rohrschenkel (33a) in einer solchen Weise an der Haltevorrichtung (22) angebracht ist, daß Längsbewegungen des Schenkels infolge Wärmedehnung möglich sind (Fig. 2).
4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltevorrichtung (22) als Rohrblech (tube sheet) ausgebildet ist und die Rohrschenkel (33a, 33b) das Rohrblech (22) durchqueren.
5. Wärmetauscher nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Anbringung des längsbeweglichen Rohrschenkels (33a) am Rohrblech (22) einen den Rohrschenkel umgebenden Balg (35) umfaßt, der an seinem einen Ende mit dem Rohrschenkel (33a) und an seinem anderen Ende mit dem Rohrblech (22) verbunden ist.

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6. Wärmetauscher nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrblech (22) einen Teil der Wandungen des Strömungsweges für das zu erhitzende Flud bildet.
7. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrschenkel (3a), durch den das heißere Erhitzungsflud strömt, um einen solchen Betrag kürzer als der Schenkel (3b), durch den das kühlere Erhitzungsflud strömt, ausgeführt ist, welcher durch die Wärmedehnung kompensiert wird, wenn der Wärmetauscher auf seine Betriebstemperatur hochgefahren wird.
8. Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Erhitzungsflud durch die Trommel (1) und das zu erhitzende Flud durch die U-Rohre (3) geführt sind.

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