DE2832938A1

DE2832938A1 - Rohrbuendel zur waermeuebertragung durch beruehrung

Info

Publication number: DE2832938A1
Application number: DE19782832938
Authority: DE
Inventors: Max Weber
Original assignee: Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1978-07-12
Filing date: 1978-07-27
Publication date: 1980-01-24
Also published as: JPS5517097A; DE2832938C3; FR2431105A1; CH632583A5; US4276930A; DE2832938B2

Description

P.5337/St/de

Gebrüder Sulzer Aktiengesellschaft, Winterthur/Schweiz Rohrbündel zur Wärmeübertragung durch Berührung

Die Erfindung betrifft ein Rohrbündel zur Wärmeübertragung durch Berührung, bestehend aus mehreren Gruppen von Rohren, -wobei in jeder Gruppe die Rohre mit etwa horizontaler Achse vertikal übereinander angeordnet sind und durch mehrere über die Länge der Rohre verteilte Reihen von Rippen miteinander verbunden sind, die je Reihe vertikal übereinander angeordnet an jeweils zwei einander benachbarte Rohre angeschweisst sind.

Es ist ein Rohrbündel dieser Art, z.B. in Helissenform, aus der CH-PS 550 984 bekannt. Bei diesem Rohrbündel verlaufen die Mittellinien der Rippen oder Flossen durch die Rohrachse, wie dies auch bei gasdicht verschweissten Rohrwänden von Brennkammern für Dampferzeuger üblich ist. Die Verbindung von Bündel- · rohren durch mit den Rohren verschweisste, der Rohraufhängung dienende Rippen hat den Vorteil, dass die einzelnen Rohre zu einem stabilen Gebilde versteift werden, an dem keine erheblichen RohrSchwingungen auftreten können. Solche Rohrschwingungen sind bei in inerter Gasatmosphäre, beispielsweise Helium, arbeitenden Wärmeübertragern gefürchtet, weil gewisse Fretting-Erscheinungen auftreten können, bei denen an den Rohren und/ oder an den Rohraufhängungen erheblich Material abgetragen wird.

Neben diesem Vorteil hat die bekannte Anordnung von Rippen den Nachteil, dass die Rohrwandungen'durch den zentralen Anschluss der Rippen auf Biegung beansprucht werden. Bei RohrbundeIn, die in einem hohen Temperaturbereich arbeiten, können diese zusätzlichen Biegespannungen zur Verwendung dickwandigerer Rohre zwingen. Eine solche Lösung hat aber nicht nur den Nachteil, dass dadurch der Wärmeübertrager schwerer wird, sondern auch,

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dass die höchsten Temperaturen an der Rohrwand höher liegen.

Der.Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Rohrbündel der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass unter Beibehaltung des Vorteils des bekannten Rohrbündels, nämlich Vermeidung des Entstehens von Schwingungen, die Biegebeanspruchungen der Rohre kleiner sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Rippen bezüglich der Rohre exzentrisch derart angeordnet sind, dass die äusseren Flächen der Rippen etwa mit den entsprechenden äussersten Mantellinien der Rohre fluchten.

Durch die exzentrische Anordnung der Rippen werden auf einfache Weise die Biegebeanspruchungen der Rohre kleiner als bei dem bekannten Rohrbündel. Damit ist dessen Gewicht wegen der Ver-

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Wendung dünnwandiger·Rohre geringer. Dies erlaubt auch die Anwendung des Rohrbündeis in Wärmeübertragern, die mit relativ hohen Medientemperaturen betrieben werden, z.B. in Verbindung mit Hochtemperaturreaktoren.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind-in der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen fragmentarischen Ausschnitt eines Helissenwärmeübertragers gemäss dem Stand der Technik,

Fig. 2 einen fragmentarischen Ausschnitt eines Helissenwärmeübertragers gemäss der Erfindung,

Fig. 3 einen Ausschnitt eines abgewandelten Rohrzylinders für einen Helissenwärmeübertrager,

Fig. 4 einen Horizontalschnitt eines Helissenwärmeübertragers mit Rohrzylindern gemäss Fig. 3,

Fig. 5 einen Ausschnitt eines weiteren abgewandelten Rohrzylinders und

Fig. 6 und 7 einen fragmentarischen Ausschnitt bzw. einen Horizontalschnitt (Linie VII - VII in Fig. 6) durch einen abgewandelten Helissenwärmeübertrager.

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Gemäss Fig. 1 bildet ein erstes, nach einer Schraubenline gebogenes Rohr 1 einen äusseren Rohrzylinder 2 und ein zweites ebenfalls nach einer Schraubenlinie gebogenes Rohr 3 einen inneren Rohrzylinder 4. Der Rohrzylinder 2 ist konzentrisch zum Rohrzylinder 4 angeordnet; sie bilden Bestandteile eines aus weiteren, konzentrisch angeordneten Rohrzylindern bestehenden Helissenwärmeübertragers. Die einzelnen Windungen der Rohre 1 und 3 sind dabei durch mit-ihnen verschweisste Rippen 5 bzw. 6 verbunden, die jeweils zu den kreisförmigen Querschnitten der Rohre 1 bzw. 3 zentral verlaufen.

Durch diese Rippen 5 und 6 werden die Rohrzylinder 2 und 4 zu steifen Gebilden, die keinerlei Neigung zum Schwingen aufweisen. Anstelle der mehrfach über den Umfang sich erstreckenden Rippen

5 und. 6 ist es nach dem Stand der Technik auch möglich, mehrere kurze Rippen anzuordnen, deren Ausdehnung in Richtung des Umfangs beispielsweise mit dem Rohrdurchmesser vergleichbar ist.

Bei dieser bekannten Anordnung werden mindestens die obersten Rohrwindungen durch das Gewicht der an ihnen hängenden Rohre so belastet, dass in der Rohrwand erhebliche Biegespannungen auftreten können. Solche Biegespannungen lasses sich durch Verdickung der Rohrwand beliebig verkleinern, was jedoch zu einer schweren Konstruktion führt.

ver-Gemäss Fig. 2 läuft ein erstes Rohr 8 schraubenlinienförmig auf einem äusseren Rohrzylinder 22 und ein zweites Rohr 9 ebenfalls schraubenlinienförmig auf einem inneren Rohrzylinder 21. Die einzelnen Windungen der Rohrzylinder 21 und 22 sind untereinander durch Rippen 10 verbunden, die etwa gleich dick sind wie die Wände der Rohre 8 und 9, im Gegensatz zu den Rippen 5 und

6 von Fig. 1 jedoch an Tangentialebenen der Rohre so anliegen, dass sie aussen mit den Rohren bündig sind. Die Rippen 10 sind dabei, in Umfangsrichtung der Rohrzylinder 21, 22 gemessen, relativ kurz, d.h. in der Grössenordnung des Rohraussendurchmessers, sodass die Zwickelräume 11 zwischen den Aussenflachen der Rohre 8, 9 und der ihnen zugekehrten Seite der Rippen verhältnismässig kurz werden. In diesen Zwickelräumen ist die

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Wärmeübertragung, wegen der dort reduzierten Strömungsgeschwindigkeit, verschlechtert. Durch die beschränkte Ausdehnung der Zwischenräume 11 bleibt diese Verschlechterung des Wärmeübergangs jedoch unbedeutend. Zudem tritt eine gewisse Kompensation dadurch auf, dass die Rippen 10 am Wärmeübergang beteiligt sind und gerade im Bereich der Zwickelräume zusätzliche Wärme an die benachbarten Rohre abgeben.

Vom Helissenwärmeübertrager gemäss Fig. 4 sind die drei innersten Rohrzylinder 20, 21 und 22 zu sehen, Während in den beiden inneren Rohrzylindern 20 und 21 je ein einziges Rohr vorgesehen ist, verlaufen im Rohrzylinder 22 zwei Rohre 25, 26 ineinandergewickelt, deren Steigung zwischen derjenigen der beiden Rohre der inneren Zylinder 20 und 21 liegt. Durch die so geschaffene Erhöhung der Rohrzahl mit dem Rohrzylinderdurchmesser kann erreicht werden, dass Rohre gleicher Länge auf verschiedene Durchmesser gewickelt, in Richtung der Achse des Rohrzylinders gemessen, etwa dieselbe Länge beanspruchen, was in der Praxis häufig gefordert wird.

Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind gemäss Fig. 3 am selben Rohr 25 und 26 aufeinanderfolgende Rippen 10 und 10' abwechslungsweise auf verschiedenen Seiten des Rohres angeschweisst. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Rippen nur vernachlässigbar durch Biegespannungen belastet werden. Diesbezüglich noch günstiger wäre eine Lösung, bei welcher am gleichen Rohrquerachnitt auf beiden Rohrseiten je eine Rippe angeordnet würde, sodass die zwei Rippen am selben Rohr einander gegenüberstehen würden. Eine solche Lösung hätte jedoch den Nachteil, dass der- Zwischenraum zwischen den beiden Rippen vom die Rohre umströmenden Medium schlecht durchspült würde.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 sind die Rippen 50 und 50· tailliert, sodass in halber IJöhe der Rippen gemessen deren Länge L erheblich kleiner ist als die Länge K der Rippenkanten 13, an denen die Rippen 50 und 50' mit den benachbarten Rohren

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25 und 26 verschweisst sind. Diese besondere Gestalt der Rippen 50 und 50' bringt den Vorteil, dass die Spannungen in den Rohrwänden im Bereich der Rippenecken herabgesetzt werden. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführung ist darin zu sehen, dass die höchsten Rippentemperaturen, die in halber Rippenhöhe an den Kanten auftreten, geringer sind als bei rechteckigen Rippen. Die Einschnürung K-L beträgt zweckmässig das 0,2 ... 2-fache der Höhe H der Rippe.

Im Ausführungsbeispiel nach den Pig. 6 und 7 sind Jeweils an den Rohren 9, 25, 26 auf der Rohrzylinder-Innenseite durch Raupen 31 Rippen 30* angeschweisst, die je Rohrzylinder Bestandteile eines T-Profilstabes 32 bilden, und zwar von dessen Flansch. Der Flansch jedes Stabes 32 ist im Bereich jedes Rohres ausgefräst, wobei jede Ausfräsung auch den Fuss des Steges 34 erfasst; die zwischen den Ausfräsungen stehenbleibenden Flanschabschnitte bilden also die Rippen 30'.

Nach dem Anschweissen der T-Profilstäbe 32 an den Rohren 9, 25,

26 entlang den gefrästen Flanschkanten können die im Bereich der Ausfräsungen verbleibenden Stege 34 durch dünne Trennschnitte 40 aufgetrennt werden, sodass die Stegpartien, die im Betrieb eine etwas höhere Temperatur annehmen als die Rohrwandungen, keine zusätzliche Wärmespannungen im Rohr zur Folge haben.

Auf dem inneren Rohrzylinder 21 sind auf dessen Aussenseite an den Rohren 9 Rippen 30 angeschweisst, von denen jede aus einem T-Profil 51 besteht. Bei diesen T-Profilen 51 verläuft der Steg 52 jeweils in Richtung der Rohrachse. Jeder Steg 52 ist mit einem Querschlitz 53 versehen, der den Steg 34 eines benachbarten T-Profilstabes 32, vorzugsweise mit Spiel in radialer Richtung, aufnimmt. Durch diese Anordnung werden die einzelnen Rohrzylinder 21, 22 aneinander und an nicht gezeichneten äusseren und inneren zylindrischen Begrenzungswänden des Wärmeübertragers gegen seitliche Verschiebungen abgestützt. Durch das erwähnte Radialspiel in den Querschlitzen 53 wird dabei ver-

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mieden, dass Wärmedehnungsunterschiede einander benachbarter Rohrzylinder bzw. Begrenzungswände zu zusätzlichen Spannungen in den Rohren führen.

Die Erfindung ist nicht auf Helissenwärmeübertrager beschränkt. Es ist z.B. auch möglich, die Rippen bei Rohrbündeln anzuordnen, die aus Rohrgruppen aufgebaut sind, deren Rohre jeweils in einer vertikalen Ebene schlangenförmig gebogen sind.

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Claims

Gebrüder Sulzer AG P.5337

Patentansprüche

Rohrbündel zur Wärmeübertragung durch Berührung, bestehend aus mehreren Gruppen von Rohren, wobei in jeder Gruppe die Rohre mit etwa horizontaler Achse vertikal übereinander angeordnet sind und durch mehrere über die Länge der Rohre verteilte Reihen von Rippen miteinander verbunden sind, die je Reihe vertikal übereinander angeordnet an jeweils zwei einander benachbarte Rohre angeschweisst sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen bezüglich der Rohre exzentrisch derart angeordnet sind, dass die äusseren Flächen der Rippen etwa mit den entsprechenden äussersten Mantellinien der Rohre fluchten.
2. Rohrbündel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am selben Rohr in dessen Längsrichtung aufeinander folgende Rippen abwechselnd an entgegengesetzten Seiten des Rohres angeordnet sind.
3. Rohrbündel nach einem der Ansprüche 1 und 2," dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen derart tailliert sind, dass sie auf halber Höhe erheblich kürzer sind als an den Kanten, längs denen sie mit den benachbarten Rohren verschweisst sind.
4. Rohrbündel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen jeweils einer Reihe aus einem T-Profilstab gebildet sind, indem mindestens der Flansch des Stabes zwischen zwei Rippen ausgefräst ist, um Platz für den zwischen diesen Rippen befindlichen Rohrabschnitt zu schaffen.

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5. Rohrbündel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg des T-Profilstabes jeweils im Höhenbereich der Ausfräsungen durch je einen schmalen Trennschnitt unterteilt ist.
6. Rohrbündel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen einer Reihe aus je einem T-Profil gebildet sind, indem die Flansch-Längskanten jedes Profils mit den benachbarten Rohren verschweisst sind.
7. Rohrbündel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der etwa horizontal angeordnete Steg jedes T-Profils einen Querschlitz aufweist.
8. Rohrbündel nach den Ansprüchen 4 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass in zusammengebautem Zustand jeweils eine Reihe von aus T-Profilen bestehenden Rippen einer Rohrgruppe gegenüber einer Reihe von aus einem T-Profilstab bestehenden Rippen einer benachbarten Rohrgruppe angeordnet ist und dass zur Zentrierung jeweils ein vertikaler Steg eines T-Profilstabes in die Querschlitze der T-Profile einer benachbarten Reihe von Rippen eingreift. ~

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