DE2903076A1

DE2903076A1 - Waermetauscher

Info

Publication number: DE2903076A1
Application number: DE19792903076
Authority: DE
Inventors: Michel Denis; Henri Hazard
Original assignee: Stein Surface
Current assignee: Stein Surface
Priority date: 1978-01-27
Filing date: 1979-01-26
Publication date: 1979-08-02
Also published as: AT361951B; IT7967178A0; GB2013863A; SE7900582L; ES477188A1; ATA56779A; FR2415787B3; FR2415787A1; IT1117577B

Description

PATENTANWÄLTE DIPL.-INO, A. VVEDDE PIPL.-ING. K. EMPL

Jeutsche Bonk 65/22 601 BLZ 7OO 70010 fJL 8OOO MÜNCHEN

layer. Hypobank 1720028006 BLZ 7OO 200 O7 \ Schumannsir. 2 - Tel. (Ό8εο 4715

'ostecheck Mchn. 473S2-BO3BLZ 700100 80 Telegramme: Patentwedde - München

26. Januar 1979

Akte; P 23 640

STEIN SURFACE S.A. Ris Orangis (Frankreich)

Wärmetauscher

Es ist oft erforderlich, die Wandtemperatur eines Wärmetauschers auf einen bestimmten Wert zu halten. Beispielsweise ist dies der Fall "bei einem zur Kühlung von Ofen-Rauchgasen bestimmten Wärmetauscher, welche Oxydationsprodukte des Schwefels enthalten. Diese Produkte verursachen fast immer die Entstehung von Schwefelsäure; diese wird an den Wänden kondensiert, deren Temperatur niedriger als ein bestimmter Wert, Säure-Taupunkt genannt, ist, der etwa bei 150° O liegt. Wenn die Temperatur der Wände des Wärmetauschers unter diesen Wert fällt, werden diese Wände, wenn

- 2 909831/0786

sie aus Stahl sindj was meistens der Pail ist, durch die verdünnte Säure angegriffen* die an ihrer Oberfläche kondensiert«

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher vom statischen Typι der insbesondere im oben angeführten Pail üblich ist.

Der erfindungsgeiaäße Wärmetauscher weist übereinander angeordnete Räume auf, wobei der obere laraa und der untere Saum für den Durchlauf eines kalten bsw» heißea Fluids bestimmt siB.d_fun.d kennzeichnet sich durch eine Reihe τοη Rohren,, welche sum Teil in jedem der beiden Räume eingesetzt sind, aber nicht mit ihn@n in Verbindung stehen^ wobei jedes dieser Rohre eine wärmeabfülirende Flüssigkeit und ein inertes Sas enthält und di© Menge dieser Flüssigkeit und dieses Gases so bemessen ist», daß bei der gewollten Betriebstemperatur einerseits im Hohr eine bestimmte Menge der nieht Terdampften Flüssigkeit zurückbleibt und andererseits das vom inerten Gas eingenommene Volumen kleine« als das Volumen des Sohres ±st_p das im obaren, Tom kalten üluid durchIm Betrieb verdeapft di@ sieh, im imt©r®n Seil ©ines Hotee bsfindeade Flüssigkeit rates¹ ä@r Sinwirkuag das h®iS@a Pluiigf der eatstaa.ä©2ae Bampf gelangt la den ©bersa Seil des Rohres^ d©K Yum ksltQSi Fluiä geköÄlt vj1t&₀ VMä drückt äas iaert® Sas aacfe. ©b@a§ iigseE¹ Baapf koad©asiert_e wobei

er seine Kalorien an daa kalte Fluid abgibt und in flüssiger Form in den unteren Teil des Rohres zurückkehrt.

Wenn sich die Temperatur des Rohres erhöht, nimmt auch der Druck im Rohr zu, der gleich dem Dampfdruck der Flüssigkeit ist, so daß sich das Volumen des inerten Gases im oberen Teil des Rohres verringert und sich die Wärmeaustauschfläche vergrößert; dasselbe geschieht mit der Wärmemenge, die vom heißen Fluid zum kalten Fluid über die zwischenliegende wärmeabführende Flüssigkeit übertragen wird mit der Wirkung, daß das Rohr gekühlt wird. Umgekehrt, wenn sich die Temperatur des Rohres verringert, wird auch die Menge der übertragenen Wärme geringer, und das Rohr erwärmt sich wieder. Es ergibt sich so eine automatische Änderung der Wärmeübertragung durch die Wand des Rohres, abhängig von der Temperatur dieser Wand, dergestalt, daß sich diese Temperatur praktisch nur sehr wenig ändert.

Die Rohre können zur Vertikalen geneigt angeordnet sein unter der Bedingung, daß ihre in den oberen Raum eingesetzten Abschnitte nicht unter ihren in den unteren Raum eingesetzten Abschnitten angeordnet sind. Vorzugsweise sind sie jedoch vertikal.

Die Rohre können innen, mit Platten versehen sein, die durchbrochen sind oder aus faserigem oder porösem Material bestehen und an den Wandungen der Rohre angeordnet sind;

909831/0786

diese Elemente bewirken durch ihre Kapillarwirkung, daß die Flüssigkeit mit der ganzen Oberfläche dieser Wand], die sich über dem Niveau der Flüssigkeit befindet, in Berührung ist»

Die Rohre oder τ/enigstens ein Teil von ihnen können außen mit Rippen versehen sein,, so daß ihre Wärmeaustauschfläche vergrößert ist.

Die Rohre arbeiten unter denselben Temperatur- und Wärmeübertragungsbedingungenj beispielsweise können die Rohre einer und derselben,, zu den Fluidströmen senkrechten Reihe an ihrem oberen Abschnitt miteinander verbunden sein«

Jedes Rohr oder jede Gruppe von Rohren kann mit einer Einrichtung versehen sein, durch die der ϊβϊ Rohr herrschende Druck und die Menge des inerten Gases variiert werden kann* So ist es möglich, die Temperatur zu regeln, die im Rohr oder der Rohrgruppe aufrecht erhalten wird«, Das Rohr oder die Rohrgruppe kann beispielsweise über awischenliegende Ventile mit einer Quelle von inertem Druckgas und mit der Atmosphäre verbunden sein.

Die Räume können als zwei übereinander angeordnete Röhren ausgebildet sein, die unabhängig voneinander sind oder eine gemeinsame Wand aufweisen.

Der obere Raum kann als eine Kammer ausgebildet sein₈ die

- 5 909831 /0786

den oberen Teil des Rohres umgibt und mit den Zulauf- und Abzugsleitungen für das Fluid verbunden ist.

In diesem Fall ist diese Kammer mit einem oder mehreren rohrförmigen Elementen verbunden, die stromaufwärts vom Rohr den unteren Raum durchqueren; dieses oder die rohrförmigen Elemente schaffen einen zusätzlichen Wärmeaustausch zwischen dem heißen Fluid und dem kalten Fluid.

Nicht beschränkende Ausfiihrungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Wärmetauscher; Fig. 2 einen Querschnitt

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine Variante in größerem Maßstab;

Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine weitere Variante in größerem Maßstab;

Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine andere Variante; und

Fig. 6 einen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform.

Wie in den Figuren 1 bis 3 veranschaulicht, besteht der erfindungsgemäße Wärmetauscher aus einer unteren horizontalen Röhre 1 und einer oberen horizontalen Röhre 2, welche von

- 6 909831/0786

einem heißen Fluid bzw«, einem kalten Fluid durchflossen werdenj und aus einer Reihe von Tertikaien Hohren 3 ρ deren Enden in die Röhre 1 "bzw«, in die Söhra 2 eingeführt sind j diese Rohre stehen weder mit der Röhr© 1 noch mit der Söhre 2 in Verbindung und können vollkommen geschlossen sein_s wie in den Figuren 1 bis 5 dargestellt ist ο Wie aus ]?ig_B 1 und 2 ersichtlichg können di® beiden Röhren völlig unabhängig sein oder ein© gemeinsame Wand 4 besitzen (Fig® 3)» wobei diese nicht wärmedurealässig ist_p da si© nicht an der Übertragung der Kalorien des die Röhre 1 durchströmenden Fluids zumäi® Söhr® 2 durchströmenden Fluid teilnehmen muß»

Wie insbesondere aus Figo 3 ersichtlich., enthält jedes der Rohre 3 eine wärmeabführende Flüssigkeit 5₉ deren Dampfdruck einen Wert zwischen 10 mm Hg und einigen Atmosphären aufweist bei einer Temperatur,, auf die das Rohr im Betrieb gebracht wird; diese Flüssigkeit kann beispielsweise geschmolzenes Metall oder eine organische Flüssigkeit sein« Die in jedem Rohr enthaltene Flüssigkeitsmenge ist so bemessen, daß eine bestimmte Menge davon in flüssiger Form bei der gewählten Arbeitstemperatur unter Berücksichtigung der Verdampfung dieser flüssigkeit und des inneren Volumens des Rohres zurückbleibt»

Das Rohr 3 enthält auch ein inertes Gas 6, beispielsweise Stickstoff oder Argon, das weder mit dem das Rohr 3 bilden-

- 7 909831/0786

den Material noch, mit der Flüssigkeit 5 reagieren kann» Wie aus dem nachstehenden hervorgeht, sammelt sich dieses Gas im oberen Teil des Rohres 3 oberhalb der Dämpfe 7, die sich durch die Verdampfung der Flüssigkeit 5 bilden. Die Menge ist so bemessen* daß bei der gewählten Betriebstemperatur der Raum, den sie einnimmt, bei einem Druck, der gleich dem Dampfdruck der Flüssigkeit bei dieser Temperatur ist, kleiner als der Raum des Rohres 3 ist, der sich in der oberen Röhre 2 befindet, so daß dieser Raum des Rohres immer Dämpfe 7 der Flüssigkeit 5 enthält.

Im Betrieb durchströmt das zu kühlende Fluid die untere Röhre 1 und gibt Wärme an die Rohre 3 ab, wodurch die Verdampfung der Flüssigkeit 5 hervorgerufen wird, die sie enthalten. Der so erzeugte Dampf 7 pflanzt sich in den oberen Teil der Rohre fort, der vom Kühlfluid umgeben ist, wobei dieses beispielsweise Luft oder Wasser sein kann· Wenn der Dampf 7 mit diesem Teil des so gekühlten Teiles des Rohres in Berührung kommt, kondensiert er und wird in flüssiger Form zum unteren Teil des Rohres wieder heruntergeführt, um dort von neuem verdampft zu werden, wobei auf diese Weise eine weitere Wärmemenge übertragen wird. Das inerte Gas 6, das praktisch nicht am Wärmeaustausch teilnimmt, wird unter der Einwirkung der Dampfströmung in den kältesten Teil des Rohres zurückgedrängt, wo die Kondensation erfolgt. Der obere, vom inerten Gas eingenommene Teil des Rohres bildet einen toten Bereich für den Wärmeaustausch. Die zum Kühlen

- 8 909831/0786

dienende Wärmeaustauschfläclie, ist auf diese Weise Punktion des vom Gas 6 eingenommenen Raumes ₉ also für eine konstante Gasmenge_fdes im Inneren des Rohres herrschenden Druckes. Dieser Druck ist gleich dem Dampfdruck der Flüssigkeit 5, der sich in Abhängigkeit von der Temperatur stark ändert ο Einer Erhöhung der Temperatur des Rohres 3 entspricht eine Druckerhöhung, die eine Verdichtung des inerten Gases, also eine Verminderung seines Volumens und eine Vergrößerung der Kühlfläche mit sich bringt» Die umgekehrte Erscheinung erfolgt im Falle einer Temperaturerniedrigung des Rohres. Dieser Mechanismus hat einen Regeleffekt in bezug auf die Temperatur des Rohres mit einer Empfindlichkeit zur Folge, die mehr oder weniger groß gemacht werden kann durch Einwirkung auf das Volumen des im Rohr eingeschlossenen inerten Gases 6 und auf den Druck, wobei die Flüssigkeit abhängig von ihrer Dampfspannungskurve ausgewählt wird.

Als Beispiel sei ein Rohr mit einer Temperatur von 150° C betrachtet, das in einen Luftstrom von 20° C eintaucht, um für die Wärmeableitung in einem Wärmekreislauf zu sorgen«.

Eine Vergrößerung der übertragenen Strömung um 14^ drückt sich bei einem herkömmlichen Aufbau in einer Temperaturerhöhung des Rohres um 150 bis 171° G aus.

In einem Rohr, das Wasser und ein Volumen von inertem Gas,

- 9 909831 /0786

A%

das 50$ des der. Kühlung ausgesetzten Raumes einnimmt, beträgt die Temperaturerhöhung des Rohres nur 5° C.

Umgekehrt ruft eine Verringerung der abzuführenden Strömung um 14$, die bei einem herkömmlichen Aufbau eine Temperaturerniedrigung des Rohres von 150 bis 126° C zur Folge hätte, in dem als Beispiel angeführten Rohr nur eine Abkühlung um 5° C hervor.

Die Rohre 3 arbeiten unter denselben Temperatur- und Wärmeübertragungsbedingungen, was bei den Rohren ein und derselben zu den Fluidströmen senkrechten Reihe der Fall ist, und können an ihrem oberen Abschnitt an ein und dasselbe Rohr angeschlossen werden, wie es in Fig. 4 dargestellt ist.

Jedes Rohr 3 oder jede Gruppe von Rohren 3 kann mit einer Einrichtung versehen werden, die den im Rohr herrchenden Druck regelt und die Menge des inerten Gases ändern kann. So ist in Figo 5 der obere Teil des Rohres 3 mit einem Druckgasbehälter 9 über ein Druckminderventil 10 und eine mit einem Manometer 12 versehene Leitung 11 verbunden. Die Leitung 11 kann mit der Atmosphäre durch ein Ventil 13 verbunden werden.

Durch Änderung der Menge des inerten Gases 6 kann die Wärmeaustauschfläche zwischen dem Rohr 3 und der Röhre 2 verändert werden, also die Kalorienmenge, die dem die Röhre 1

- 10 909831/0786

durchströmenden. Fluids entzogen, wird? auch die Temperatur der Rohre 3 kann geregelt werden.» Wenn die Gasmenge so groß ist, daß sie den Teil des Rohres 3* der sich in der oberen Röhre 2 befindet vollständig ausfüllt, erfolgt die Wärmeübertragung vom heißen Fluid zum kalten Fluid nur dank der Wärmeleitfähigkeit des Rohres und sie würde sehr schwach sein; das Rohr 3 würde praktisch die Temperatur des heißen Fluids annehmen»

Gemäß der Ausführung der Fig» 6 ist das Rohr 3 mit seinem größten Teil seiner Länge von seinem unteren Ende her in der horizontalen Röhre 1 eingesetzt™ die von einem heißen Fluid beispielsweise den Rauchgasen eines Ofens durchströmt ist. Der obere Teil des Rohres 3 ist von einer ringförmigen Kammer 2· umgeben, die an eine Zuleitung 14 mit kaltem Fluid, beispielsweise Wasser,, und an eine Ablaufleitung 15 angeschlossen ist· Diese ist mit einem oder mehreren vertikalen Elementen 16 verbunden, die stromaufwärts vom Rohr 3 die Röhre 1 durchqueren«.

Im Betrieb wird das kalte Fluid durch die vom Dampf 7 gelieferten Kalorienj, der im oberen Teil des Rohres 3 kondensiert ist, angewärmt· Dieses Fluid wird noch in den rohrförmigen Elementen 16 erwärmt, wodurch eine Türkühlung des Fluids geschaffen wird, das die Höhre 1 durchströmt„ In einer besonderen^ erfindungsgemäßen Anlage besteht das heiße fluid aus Rauchgasen^ die sich stromaufwärts der

= 11 909131/0 7(1(3

rohrförmigen Elemente 16 mit 500 C befinden; ihre Temperatur betrug nur 300° C zwischen den rohrförmigen Elementen 16 und dem Rohr 3 und 270° C stromabwärts von diesem Rohr 3· Seinerseits bestand das kalte Pluid aus Wasser mit 110° G, das die Kammer 2' mit 200° 0 verließ und in Dampfform bei einem Brück von 50 bar am Auslaß der rohrförmigen Elemente 16 vorhanden war.

Unter diesen Bedingungen sind die Wände der rohrförmigen Elemente 16 immer auf einer Temperatur gehalten, die höher als die Kondensationstemperatur ist, was eine Kondensation der säurehaltigen und aggressiven Produkte, die die Rauchgase enthalten, an diesen Wänden verhindert, ebenso wie den Niederschlag von feinem Staub an diesen Wänden, den die Rauchgase mit sich führen.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen beschränkt, sondern umfaßt auch alle Varianten

- 12 809831/Q7Ü

Claims

26. Januar 1979 Aktes P 23 640 Patentansprüche

1.) Wärmetauscher mit zwei übereinander angeordneten Räumen,, wobei der obere und der untere Raum für den Durchlauf eines kalten bzw« eines heißen Fluids bestimmt sind₉ gekennzeichnet durch eine Reihe von Rohren, welche sum Teil in jedem der beiden Räume eingesetzt sind^ aber nicht mit ihnen in Verbindung stehen^ wobei jedes dieser Rohre eine wärmeabführende Flüssigkeit und ein inertes Gas enthält und die Menge dieser Flüssigkeit und dieses Gases so bemessen ist, daß bei der gewollten Betriebstemperatur einerseits im Rohr eine bestimmte Menge der nicht verdampften Flüssigkeit zurückbleibt und andererseits das vom inerten Gas eingenommene Volumen kleiner als das Volumen des Rohres ist ρ das im oberen^ vom kalten Fluid durchströmten Raum enthalten ist ο

2o) Wärmetauscher nach Anspruch 1₉ dadurch gekennzeichnet ₉ daß die Rohre vertikal angeordnet sind.

3») Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2_ΰ dadurch gekennzeichnet _ΰ daß die Rohre innen mit

— 13 — 90983 1 /0788

Platten versehen sind, welche durchbrochen sind oder aus faserigem oder porösem Material bestehen, welche an den Wandungen der Rohre angeordnet sind.

4.) Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3» d a durch gekennzeichnet, daß die Rohre oder wenigstens ein Teil von ihnen mit Rippen versehen ist.

5.) Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre unter denselben Temperatur- und Wärmeübertragungsbedingungen arbeiten, daß beispielsweise die Rohre ein und derselben, zu den Pluidströmen senkrechten Reihe an ihrem oberen Abschnitt untereinander verbunden sein können.

6.) Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Rohr oder jede Rohrgruppe mit einer Einrichtung versehen ist, durch welche der im Rohr herrschende Druck und die Menge des inerten Gases geändert werden kann.

7·) Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß das Rohr oder die Rohrgruppe an eine Quelle inerten Druckgases und an die Atmosphäre über zwischenliegende Ventile angeschlossen ist.

8.) Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

- 14 -

3 09831/0788

ORIGINAL INSPECTED

dadurch gekennzeichnet, daß die
Räume als zwei übereinander angeordnete Röhren ausgebildet sind, welche unabhängig voneinander sind oder eine gemeinsame Y/and aufweisen.

9.) Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7„ dadurch gekennzeichnet, daß der obere Raum als eine Kammer ausgebildet ist, welche den oberen
Abschnitt des Rohres umgibt und mit den Zulauf- und Ablaufleitungen für das Fluid verbunden ist»

10.) Wärmetauscher nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer mit einem oder mehreren vorzugsweise vertikalen, rohrförmigen Elementen verbunden ist, welche den unteren Raum stromaufwärts vom Rohr durchquerenο

9 09831/0786
ORIGINAL INSPECTED