DE2951549A1

DE2951549A1 - Ringspalt-rohrbuendel-waermetauscher

Info

Publication number: DE2951549A1
Application number: DE19792951549
Authority: DE
Inventors: Günter Dipl.-Ing. 6200 Wiesbaden Heck; Dipl.-Ing. Dr. Erhard 6233 Kelkheim Muthmann; Rudolf Dipl.-Ing. 8420 Kelkheim Roßmeißl; Heinz 8425 Neustadt Schmidt
Original assignee: Hoechst AG
Current assignee: Hoechst AG
Priority date: 1979-12-21
Filing date: 1979-12-21
Publication date: 1981-07-02
Also published as: EP0031919A1; JPS5697790A

Description

HOECHST AKTIENGESELLSCHAFT HOE 79/F 350 Dr.DA/a Ringspalt-Rohrbündel-Wärmetauscher

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit einer stark erhöhten Wärmeübertragungsfläche durch Anwendung des Ringspalt-Prinzips.

Es ist ein Ringspalt-Röhrenwärmetauscher bekannt, bei welchem in den Austauscherrohren Füllstäbe als Verdrängerkörper angeordnet sind, so daß sich zwischen den Innenwänden der Austauscherrohre und den Verdrängerkörpern Ringspalte befinden, in welchem das zu kühlende bzw. zu heizende Medium (Primärmediuni) fließt (vgl. FR-PS 12 49 001). Auf diese Weise wird das im Austauscher befindliche Volumen an Primärmedium beträchtlich reduziert, was insbesondere bei sehr kostspieligem Primärmedium vorteilhaft ist. Allerdings ist das Ringspalt-Prinzip in dieser Form nur bei kleinen Wärmetauschern anwendbar. Bei großen Wärmetauschern werden die Verdrängerkörper bei großen Abmessungen zu schwer und unhandlich.

Es bestand daher die Aufgabe, einen Wärmetauscher zu finden, der einen intensiven Wärmeaustausch bei großen Abmessungen gestattet.

Gegenstand der Erfindung ist der in den Ansprüchen genannte Wärmetauscher.
25

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher besteht aus einem zylindrischen Teil, der aus mehreren Segmenten gebildet wird, und zwei diesen Teil abschließenden Hauben.

130027/0285

Das größte dieser Segmente besteht aus einem Zylinder, welcher an zwei Seiten durch ebene, kreisrunde Böden verschlossen wird. Zwischen den beiden Böden ist eine Anzahl paralleler Rohre angeordnet. Sie sind in den Böden weitgehend druckdicht befestigt, beispielsweise durch Einwalzen oder Einschweißen. Die Zahl dieser Außenrohre beträgt 1 bis ca. 3000, vorzugsweise 1 bis 1500, sie sind vorzugsweise symmetrisch über den Querschnitt des Segmentes verteilt. Sie sind ca. 100 bis ca. 8000 mm, vorzugsweise 1000 bis 6000 mm lang, haben einen Durchmesser von ca. 15 bis ca. 150 mm, vorzugsweise 30 bis 100 nun, und eine Wandstärke von ca. 1 bis ca. 10 mm, vorzugsweise 2 bis 6 nun. An beiden Enden des Segmentes sind in der Nähe der ebenen Böden rn der Zylinderwand Stutzen für den Zu- bzw. Abfluß des Heiz- bzw. Kühlmediums angebracht.

In jedes Außenrohr des großen Wärmetauscher-Segmentes ragt ein Verdrängerkörper hinein, derart, daß zwischen der Innenwand des jeweiligen Außenrohres und dem Verdrängerkörper ein schmaler, ringförmiger Spalt von ca. bis ca. 20 mm, vorzugsweise 2 bis 10 mm gebildet wird. An der Oberfläche können die Verdrängerkörper geeignete Abstandshalter, z.B. Nocken, Rippen o.a. tragen, damit sie gleichen Abstand von den Innenwänden der Außenrohre des großen Segmentes bewahren. Die Verdrängerkörper können jedoch auch einen Querschnitt und eine Form aufweisen, welche bewirken daß die Verdrängerkörper hin und wieder die Außerrohre berühren, und im allgemeinen einen Abstand wahren. Die Verdrängerkörper selbst bestehen aus Rohren mit einem Durchmesser von ca. 10 bis ca. 140 mm, vorzugsweise 20 bis 80 mm, einer Länge von ca. 100 bis ca. 8000 mm, vorzugsweise 1000 bis 60OO mm und einer Wandstärke von ca. bis ca. 10 mm, vorzugsweise 2 bis 6 mm. An einem Ende sind die Verdrängerrohre ebenfalls in einem ebenen Boden befestigt. Dieser Boden befindet sich in einem Abstand entsprechend der Höhe eines kleinen Wärmetauscher-Segmentes

vom nächstliegenden Boden des großen Wärmetauscher-Segmentes entfernt.

Auf diese Weise wird eine Kammer gebildet, aus welcher das zu heizende oder zu kühlende Medium in die Ringspalte zwischen den Außenrohren des großen Segmentes und den Verdrängerrohren fließen kann. Am anderen Ende können die Verdrängerrohre offen sein, in diesen Fällen werden sie wegen der Wärmebewegung an diesem Ende lose in einem zweitun ebenen Boden, z.B. durch Stopfbuchsen, gehalten. Dieser Boden befindet sich wiederum, in einem Abstand entsprechend der Höhe eines kleinen Wärmetauscher-Segmentes vom nächsten Boden des großen Wärmetauscher-Segmentes entfernt, so daß ebenfalls eine Kammer gebildet wird. Die Verdrängerrohre können aber auch einseitig geschlossen sein. In diesem Falle müssen sie ausreichend weit sein, damit ein Min- und Zurückfließen des Heiz- bzw. Kühlmediums möglich ist. Vorzugsweise wird jedoch das Heizb/.w. Kühlmedium mi LLcIj; innen toh ι e , die in die Verdrängerrolle eingeführt sind, an das geschlossene Ende der Verdrängerrohro gebracht, so daß es im Spalt zwischen den Verdrängerrohrcn und den Innenrohren zurückfließt. Falls sich Kondensat bildet, wird sein Abtransport durch den nachströmenden Dampf unterstützt. Auch diese Innenrohre, die einen Durchmesser von ca. 6 bis ca. 130 mm, vorzugsweise ca. 14 bis 70 mm, eine Länge von ca. 100 bis ca. 8000 mm, vorzugsweise 1000 bis 6000 mm, und eine Wandstärke von ca. <!!3 I bis ca. IO mm, vor/.ugswe lh ο 2 bis G nun, aufweisen, sind in einem ebenen Boden befestigt, welcher durch ein kleines Wärmetauscher-Segment von dem die Verdrängerrohre tragenden Boden getrennt ist.

Das große Wärmetauscher-Segment ist ca. 100 bis ca. 8000mm, vorzugsweise 1COC bis 6000 n\ir. lang und hat einen Durchmesser der Zylinderwandung (ohne Flansche und Stutzen) von ca. 25 bis ca. 3000 mm, vorzugsweise 150 bis 1600 mm, die Wandstärke i:il. abfiiiiKjiy vom Hef ι if-bstlι tick und Material und be-

.J'i trefft vor2iigew»P rs«' ca. 2 bis OO nun. Uei großen Durchmessern werden im großen Segment zweckmäßigerweise Leitbleche eingebaut, um das Heiz- bzw. Kühlmedium gleichmäßiger über den

13Ö027/028S

COPY

ganzen Raum verteilen zu können. Die kleinen Segmente weisen eine Höhe von ca. 100 bis ca. 2000 mm, vorzugsweise 200 bis 6OO nun auf, ihre Durchmesser sind die gleichen wie beim großen Segment, ihre Wandstärken können im Fall von Fertigungsvorteilen gleich sein. Vorzugsweise sind alle kleinen Segmente gleich in ihren Abmessungen und besitzen die gleiche Anzahl Anschlußstutzen, so daß der zylindrische Teil des Wärmetauschers nur aus zwei verschiedenen Arten Segmenten bestehen kann. Auch die Anschlußstutzen können gleichgroß sein, vorzugsweise sind jedoch die Eintrittsstutzen für das Heizmedium größer als die anderen Stutzen. Es ist weiterhin möglich, die ebenen Böden mit den Verdrängerrohren und den Innenrohren nicht fest an einem der Segmente bzw. einer der Hauben anzubringen, son-

}b dern lose zwischen die Flansche der Segmente bzw. Hauben einzulegen, so daß beim Festziehen der Flansche eine feste Verbindung der Böden zu den Segmenten entsteht. Weiterhin sind die Verdrängerrolle und gegebenenfalls mit ihnen die Innenrohie nicht gleich lang, sondern weisen verschiedene I.ängei auf. Durch diese Maßnahmen werden Montage und Demontage vereinfacht und erleichtert. Außerdem kann noch ein Distanzhalter für die Verdränger- und/oder Innenrohre in den ent sprochondr-n Sc-ginnntcn e int-fi'bracht weL"den, um die KinfadfH ung noch wi'-mHot 714 ιί> > K^v irlii i»rn (l>i^awi">i I iclu- IMaILi¹

Jn wit gleicher Toi lung wie Rohrboden) .

Die Hauben sind handelsübliche Kesselhauben und können in allen gewünschten Größen ab Lager bezogen werden.

H) Der ganze Wärmetauscher besteht vorzugsweise aus Metall, beispielsweise je nach Agressivität der Medien aus Kesselblcch oder ro.-.Lfroiüin Edelstahl. Es ist jedoch auch möglich, ihn aus Glas oder Graphit anzufertigen.

Die Figuren zeigen Beispiele des erfindungsgemäßen Wärmetauschers, wie er als Verdampfer/Kondensator in senkrechter oder schräger Lage betrieben wird.

130027/0285

COPY

Figur 1 zeigt einen LöngssclmiLt durch einen Wärmetauscher, bei welchem die Verdrängerrolle an beiden Seiten offen sind und an einer Seite lose in einem Boden geführt werden.

Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch denselben Wärmetauscher.

Figur 3 zeigt einen Längsschnitt durch einen Wärmetauscher mit einseitig geschlossenen Verdrängerrohren.

Figur 4 zeigt einen Längssclmitt durch einen Wärmetauscher mit einseitig geschlossenen Verdrängerrohren und Innenrohren.
15

Aus Figur 5 ist der Querschnitt dieses Wärmetauschers zu erkennen.

Der Wärmetauscher gemäi3 Figur 1 besteht aus dem großen zylindrischen Segment: (1), (lon kleinen zylindrischen Segmenten (2) und den Hauben (J). am den im Segment (1) eingeschweißten ebenen Böden (4) und (5) sind die Außenrohre (G) ebenfalls eingeschweißt. Durch den Stutzen (7) strömt Dampf in das Segment (1) und umspült die Rohre (6), während da:; Kondensat das Segment (1) durch den Stutzen (8) verläßt. In den Rohren (6) befinden sich Verdrängerrolle (9) mit Abstandhalten) (')a) , welche im Boden (1O) eingeschweißt sind und im Hoden (11) beweglich in einer Stopfbuchse (11a) geführt werden. D.i.ο Böden (10) und (11) befinden sich lose zwi-

3t) r.chen den Flanschen (12) der Segmente (2) und der Hauben (3) und werden beim Vorschrauben dieser Flansche festgehalten. Das zu heizende Produkt tritt durch den Stutzen (13) in den Wärmetauscher, fließt in dem Ringspalt zwischen den Rohren (6) und (9) aufwärts und verläßt den Apparat durch den Stutzen (14). Dampf strömt durch den Stutzen (15) in der oberen Haube (3) durch die Verdrängerrohre (9), das Kondensat verläßt den Wärmetauscher durch den Stutzen (16) in der unteren Haube (3). Auf diese Weise wird das zu erwärmende Produkt von zwei Seiten

130027/02ÖS

- ^a COPY

erhitzt.

Die symmetrische Anordnung der Rohre (6) und der Verdrängerrohre (9) innerhalb des Segmentes (1) läßt Figur 2 erkennen. Im vorliegenden Fall sind 19 Ringspaltrohre als Beispiel gezeigt.

Auch der Wärmetauscher gemäß Figur 3 besteht aus dem großen Segment (1), den kleinen Segmenten (2), den Hauben (3), den im Segment (1) eingeschweißten Böden (4) und (5) mit den Rohren (6) und den Stutzen (7) und (8). Stutzen (7) dient dem Dampfeintritt, Stutzen (8) dem Kondensatabgang. Die in dem Boden (10)/der mittels der Flansche (12) zwischen den Segmenten (2) gehalten wird, eingeschweißten Verdrängerrohre (9) sind von unterschiedlicher Länge und an dem, dem Boden (10) entgegengesetzten Ende verschlossen. Heizdampf tritt durch den Stutzen (14) in den Wärmetauscher ein, strömt in den Verdrängerrohren

(9) hoch und kondensiert dort, während das Kondensat durch den Stutzen (16) abfließt. Das zu erwärmende Produkt fließt durch den Stutzen (13) zu, durch den Ringspalt zwischen den Rohren (6) und (9) und durch den Stutzen (15) wieder ab.

Ein Wärmetauscher, mit welchem besonders klare Strömungs-Verhältnisse bei feste ingeschweißten Rohren erreicht werden können, ist in Figur 4 abgebildet. Er besteht aus den Segmenten (1) und (2) mit den Hauben (3). Das Segment (1) enthält fest eingebaut in die Böden (4) und (5) die Rohre (6), weiterhin enthält dieses Segment den Stutzen (7) für den Dampfeintritt und den Stutzen (8) für den Kondensatabfluß. Die Verdrängerrohre (9) sind ungleich lang und im Boden

(10) eingeschweißt, welcher sich zwischen den beiden Segmenten (2) unterhalb des Segmentes (1) befindet. In den einseitig geschlossenen Verdrängerrohren (9) sind Innenroh-5 re (17) mit Abstandhaltern (17a) angeordnet, die im ebenen Boden (18) eingeschweißt sind. Dieser Boden wird von der unteren Haube (3) mittels

130027/02ÖS COPY

29515A9

der Flansche (12) gehalten. Das zu erwärmende Produkt tritt durch den Stutzen (13) in den Wärmetauscher ein durchsti-ömt den Rinyspalt zwischen den Außenrohren (6) und den Verdrängungsrohren (9) und verläßt den Apparat durch den Stutzen (15). Weiterer Dampf tritt durch den Stutzen (16) ein, strömt in den Innenrohren (17) hoch und in dem Ringspalt zwischen den Innenrohren (17) und den Verdrängungsrohren (9) unter Kondensation zurück und tritt durch den Stutzen (19) wieder aus.

Aus Figur 5 geht die Anordnung der Rohre (6), der Verdrängeriohre (9) und der Tnnenrohrc (17) im Segment (1) hervor.

Yj Wie sehten dargelegt wurde, wird boiiv orfindungsgemäßcn Wärmetauscher der Dampf an zwei Stellen eingebracht. Ein Teil des Dampfes umströmt im großen Segment die festeingebauten Kühro und kondensiert an ihnen. Der ander·,¹ Teil des Dampfe;· strömt durch die Verdrängerrohre, um dort zu kondensieren. Diese Art der Dampfführung bewirkt, daß der ProduktsLroni im Ringupalt zwischen den festen Rohren im großen Segment und den Verdrängerrohren von zwei Seiten Kondensationswäniio aufnimmt.. Die Verdrängerrohre bewirken, daß gleiche Wärmedurchgangszahlen w ^; ■? baim Normalrohr (Leerrohr) bei niedrigeren Produktinengen erreicht werden. Durch die Verdrängerrolle wird eine wesentlich höhere Wärmeübertragungsfläi:he erreicht, die vom Verhältnis der Durchmesser von Außenrohr (6) und Verdrängerrohr (9) zueinander abhängt. Durch Einbauten (')a) im Rinaspalt /.wischen den Roh- X) ren (t>) und (^K)) köniuMi besondere Strömungsformen erreicht worden (z.B. Tangontialströmung, turbulente Strömung etc.) .

Dor erfindungsgemäße Wärmetauscher kann als Verdampf er /Kondensator in J5 senkrechter bzw. schräger Lage !«trieben werden. Bei C)Iinc I'hasenwechsel ist die lwage beliebig.

130027/0235

COPY

Beispiel

In einem Tauscher gemäß Figur 4 mit den Daten

Durchmesser des Tauschers 150 mm

Länge des großen Segmentes (1) 400O mn

Länge der zwei kleinen Segmente (2) je 200 mm

Länge und Durclimesser der Außenrohre (6) 4000 mm/34 mm

Länge und Durchmesser der Verdrängerrohre (9)4000 rnn/21 mn

Länge und Durchmesser der Innenrohre (17) 4000 mm/12 mn

Strömungsgeschwindigkeit ijn

Spalt zwischen Rohr (6) und Rohr (9) : 1 m/sec- 4 m/sec. Δ T : 8-35°C

Zahl der Rohre (6), (9) und (17) je 7

wird mittels Niederdruckdampf '0,5 bar abs. bis 1,5 bar abs.) ein Gemisch aus Wasser und Dimethylformamid (25/75 Gew.-%) verdampft. Dabei umströmt der Dampf einmal die Außenrohre (6) nur von außen und kondensiert dort. Dabei wird durch die Verdrängerrohre (9) keine Wärme übertragen. Das andere Mal strömt der Dampf zusätzlich über Innenrohre (17) und überträgt seine Kondensationswärme auch über die Verdrängerrohre (9). Die erreichten Wärmedurch-

2T> cjancjs-zahl on .sind in beiden Fällon nahezu gleich und 1 Legen bei ca. 12OO bis 3000 Kcal/m²h°C. Wogen der im zweiten Falle um ca. 50 % größeren Wärmeübertragungsflache kann die übertragene Wärmemenge im gleichen Umfang gesteigert werden.

13Ö027/028S

COPY

Leerseite

Claims

HOE 79

Patentansprüche:

/ 1./Ringspalt-Rohrbündel-Wärmetauscher bestehend aus zwei Kesselhaubon, einem zylindrischen Teil mit ebenen Böden und diese Böden miteinander verbindenden Wärmeaustauschrohren und darin befindlichen Verdrängerkörpern, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher in seinem zylindrischen Teil aus einem großen Segment und mindestens einem kleinen Segment besteht _f wobei die Verdrängerkörper Rohre sind und in einem ebenen Boden befestigt sind, der sich im Abstand entsprechend der Höhe eines kleinen Segments vom nächstliegenden Boden des großen Wärmetauscher-Seqmentes befindet.
2. Ringspalt-Rohrbündel-Wärmetauscher gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich in den Verdrängerrohren zusätzlich Innenrohre befinden, die in einem ebenen Boden befestigt sind, welcher durch ein Wärmetauscher-Segment von dem die Verdrängerrohre tragenden Boden getrennt ist.
20

13ÖÖ27/028S

ORIGINAL INSPECTED