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Wärmeaustauscher
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Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher mit Wärmeübertragungsrohranordnungen,
durch die eine Flüssigkeit strömt und die durch ein Gas mit hoher Temperatur erhitzt
wird, das dem Wärmeaustauscher zugeführt wird, um aus der Flüssigkeit Dampf zu erzeugen.
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In einem Dampfkessel oder Verdampfer in Form eines Wärmeaustauschersystems
sind Wärmeübertragungsrohranordnungen mit mehreren Wärmeübertragungsrohren angeordnet,
die mit Rippen versehen sind. Dabei sind die Rohre horizontal angeordnet, und es
wird die durch den inneren unteren Teil eines Wärmeübertragungsrohres befindliche
Flüssigkeit durch ein Gas mit hoher Temperatur, wie z.B. ein Verbrennungsgas oder
ein Abgas einer Fabrik, erhitzt.
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Während dieser Erhitzung strömt dabei in den gerippten Wärmeübertragungsrohranordnungen
erzeugter Dampf oberhalb der Flüssigkeit. Der so erhaltene Dampf kann für die Erzeugung
von Leistung verwendet werden, beispielsweise zum Antrieb einer Turbine.
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üblicherweise umfaßt eine Wärmeübertragungsrohranordnung ein Rohr
und mehrere Rippen, die an der gesamten Außenfläche des Rohres befestigt sind, wobei
jede Rippe im wesentlichen in allen Richtungen die gleiche radiale Länge hat. Bei
Verwendung solcher gerippter Wärmeübertragungsrohranordnungen wird die der Anordnung
durch heißes Gas zugeführte Wärme im wesentlichen gleichmäßig durch die Rippen auf
das Rohr übertragen.
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Wenn die Flüssigkeit, die eine größere oder kleinere Menge an schädlichen
chemischen Materialien enthalten kann, in dem Rohr fließt, bildet ein Teil der Flüssigkeit
entlang dem oberen Teil der Rohrinnenwand einen dünnen Flüssigkeitsfilm. Wenn aber
das Rohr mit großer Wärmeleistung aufgeheizt wird, wird die dünne Flüssigkeitsschicht
verdampft, was im folgenden als Austrocknungsphänomen bezeichnet wird, und es haften
die in dem Flüssigkeitsfilm enthaltenen schädlichen Stoffe an der oberen Innenwand
des Wärmeübertragungsrohres und korrodieren und beschädigen das Rohr schließlich.
Außerdem wird bei einem Verdampfer zum Verdampfen eines Mediums mit einem niedrigen
Siedepunkt und geringer Wärmestabilität, wie z.B. Freon (ein fluorierter Kohlenwasserstoff),
beim Auftreten des obengenannten AustrocknuEsphänomens das Rohr örtlich hocherhitzt,
und es wird das anhaftende Medium thermisch zersetzt, wodurch das Rohr beschädigt
wird. Aus diesem Grunde hat man bisher zur Vermeidung der Korrosion des Rohres aufgrund
des Anhaftens von in der Flüssigkeit enthaltenen schädlichen Materialien vorher
diese schädlichen chemischen Stoffe aus der zu erhitzenden Flüssigkeit durch geeignete
Behandlungsvorrichtungen entfernt, oder man hat Rohre aus korrosionsfestem Material
hergestellt. Die Vorbehandlung der Flüssigkeit erfordert aber zusätzliche
Einrichtungen,
während das für die Herstellung der Rohre verwendete korrosionsfeste Material sehr
teuer ist. Im übrigen ist es nicht vertretbar, eine so teure Vorbehandlung, wie
sie oben beschrieben ist, bei einem großen Dampfkessel anzuwenden, für den im wesentlichen
niedrige Herstellungskosten gefordert werden. Außerdem kann ein Wärmeaustauscher
mit Wärmeübertragungsrohranordnungen zur Verhinderung einer thermischen Zersetzung
des Mediums mit niedrigem Siedepunkt aufgrund zu starker Erhitzung nicht so ausgebildet
werden, daß die dem Rohr zugeführte Wärmemenge so verringert wird, daß der auf dem
oberen Innenteil des Rohres gebildete Flüssigkeitsfilm nicht verdampft wird, sondern
es ist in einem solchen Falle die Anwendung von gerippten Wärmeübertragungsrohranordnungen
begrenzt, und es muß ferner ein Wärmeaustauscher so konstruiert sein, daß er eine
beträchtlich große Kapazität aufweist, damit er die durch das Gas mit hoher Temperatur
abgegebene Wärmemenge ausreichend absorbieren kann.
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Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Wärmeaustauschers mit verbesserter
Wärmeübertragungsrohranordnung, die in dem Wärmeaustauscher in horizontaler Richtung
angeordnet ist und die in der Lage ist, aus der die Rohre durchsetzenden Flüssigkeit
wirksam Dampf zu erzeugen.
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Durch die Erfindung wird auch eine Wä:meübertragungsrohranordnung
geschaffen, die mehrere verbesserte Rippen aufweist, die an dem Wärmeübertragungsrohr
angeordnet sind und die in der Lage sind, nachteilige Wirkungen-auf das Wärmeübertragungsrohr
aufgrund von in der zu verdampfenden Flüssigkeit enthaltenen schädlichen chezwischen
Stoffe zu verhindern.
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Gemäß der Erfindung ist ein Wärmeaustauscher mit Wärmeübertragungsrohranordnungen
vorgesehen, von denen jede aus einem Rohr und mehreren an der Außenfläche des Rohres
befestigten Rippen besteht, wobei durch einen Einlaß Gas mit hoher Temperatur in
den Wärmeaustauscher eingebracht und durch einen gegenüberliegenden Auslaß wieder
ausgebracht wird, um einen Wärmeaustausch zwischen dem Gas mit hoher Temperatur
und einer die Wärmeübertragungsrohranordnungen durchsetzenden Flüssigkeit zu bewirken
und aus der Flüssigkeit Dampf zu erzeugen. Dabei hat jede Rippe in Richtung auf
den Einlaß für das Gas mit hoher Temperatur eine größere radiale Abmessung als in
Richtung auf den Auslaß.
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Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen
näher erläutert. In der Zeichnung zeigen: Fig. la, 2a,3a + 4a Ansichten von Ausführungsbeispielen
von Wärmeübertragungsrohranordnungen gemäß der Erfindung, und zwar in einem Querschnitt,
Fig. 1b, 2b-,3b + 4b Ansichten der Ausführungen nach den Fig. la, 2a, 3a und 4a,
die die Art der Anbringung der Rippen an den Wärmeübertragungsrohren zeigen, Fig.
5 eine schematische Darstellung einer typischen Rankine-Anlage mit einem Wärmeaustauschsystem,
das Wärmeaustauschrohranordnungen gemäß der Erfindung enthält, Fig. 6 schematisch
einen Querschnitt nach der Linie VI-VI in Fig. 5, Fig. 7-10 Querschnitte durch andere
Ausführungsbeispiele einer Wärmeübertragungsrohranordnung gemäß der Erfindung, und
Fig. lla und lib weitere Ausführungsformen einer Wärmeübertragungsrohranordnung,
bei welcher Rippen an Rohrteilen, außer dem
unteren Teil des Rohres,
angeordnet sind.
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Wie in den Fig. 1a und 2a gezeigt, enthält eine Wärmeübertragungsrohranordnung
4 ein Rohr 1 und mehrere kreisförmige Rippen 2, die je eine vorbestimmte radiale
Abmessung haben. Die Rippen 2 sind am Rohr 1 angeordnet, und zwar verlaufen sie
im wesentlichen um die untere Hälfte des Rohres, und sie sind durch Schweissen oder
auf andere geeignete Weise am Rohr befestigt, wie es in den Fig. 1b und 2b gezeigt
ist. Wie ferner in den Fig. 3a und 3b gezeigt, ist ein äußeres Rohr 3 mit mehreren
kreisförmigen Rippen 2 vorgesehen, wobei jede Rippe an der oberen Hälfte eine geringe
radiale Abmessung aufweist, während sie in der unteren Hälfte eine große radiale
Länge besitzt. Dieses äußere Rohr 3 ist fest auf das Wärmeübertragungsrohr aufgesetzt,
und es sind mehrere Abschnitte der äußeren Rohre 3 auf ein inneres Rohr 1 aufgesetzt.
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Wie ferner in den Fig. 4a und 4b gezeigt, können die Rippen 2 auch
mit dem Rohr 1 aus einem Stück bestehen.
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Fig. 5 zeigt ein Diagramm einer Rankine-Anlage mit einem Wärmeaustauscher
10, in dem die erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsrohranordnungen 4 angeordnet sind.
In dieser Fig. 5 ist die Darstellung der anderen Komponenten weggelassen worden,
weil diese Komponenten sich nicht unmittelbar auf die Erfindung beziehen.
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Fig. 6 zeigt deutlich die Anordnung der Wärmeübertragungsrohranordnungen
4, die in zickzackförmigen horizontalen Reihen innerhalb des in Fig. 5 gezeigten
Wärmeaustauschers angeordnet sind.
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Wenn durch den unteren Einlaß ein Gas 6 mit hoher Temperatur in den
Wärmeaustauscher 10 eingeführt wird, werden die Wärmeübertragungsrohranordnungen
4 erhitzt, und es erfolgt ein Wärmeaustausch zwischen dem heißen Gas 6 und der die
Wärmeübertragungsrohre 1
durchsetzenden Flüssigkei7.'ie iissigkei£7
wird somit allmählich verdampft. Wie in Fig. 1a gezeigt, strömt der erzeugte Dampf
8 oberhalb der Flüssigkeit 7 in dem Rohr 1, und es bildet zu dieser Zeit ein Teil
der Flüssigkeit einen dünnen Film 9 im oberen Teil des Innenraums des Rohres 1.
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Infolge der Anordnung der Rippen 2 nur entlang der unteren Oberfläche
des Rohres 1 ist die Wärmemenge, die auf die das Rohr durchsetzende Flüssigkeit
übertragen wird, im unteren Teil des Rohres höher als im oberen Teil des Rohres,
wenn das Gas 6 mit hoher Temperatur von der Unterseite der Wärmeübertragungsrohranordnungen
4 zugeführt wird, wie es in Fig. 6 gezeigt ist. Infolgedessen wird, obgleich die
die Rohre 1 durchsetzende Flüssigkeit an den unteren Teilen des Rohres verdampft
wird, der am oberen Teil der Rohre 1 gebildete dünne Flüssigkeitsfilm nicht ausgetrocknet,
wodurch die Wirkung des Austrocknungsphänomens verhindert wird. Dies bedeutet mit
anderen Worten, daß der innere obere Teil des Wärmeübertragungsrohres nicht so stark
erhitzt wird, daß der dünne Flüssigkeitsfilm vollständig ausgetrocknet wird, und
zwar auch dann, wenn ein heißes Gas zugeführt wird, dessen Temperatur beträchtlich
höher ist als bei üblichen Wärmeübertragungsrohren, die mit um den gesamten Außenumfang
verlaufenden Rippen versehen sind.
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Die Fig. 7 bis 10 zeigen andere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen
Wärmeübertragungsrohranordnung. In Fig. 7 sind mehrere rechteckförmige Rippen 2
für ein Wärmeübertragungsrohr 1 vorgesehen, wobei die Höhe der oberen Kante der
Rippe 2 im wesentlichen zu der oberen Außenfläche des Rohres 1 gleich ist. In Fig.
8 hat jede Rippe 2 auch einen rechteckförmigen Umfang. Dabei
ist
die Rippe an der unteren Hälfte der Außenfläche des Rohres 1 angeordnet.
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Bei einer in Fig. 9 gezeigten Abwandlung besitzt jede Rippe 2 einen
im wesentlichen kreisförmigen Umfang, wobei aber der obere Teil in Form eines Segments
weggeschnitten ist. In Fig. 10 weist jede Rippe 2 ebenfalls einen im wesentlichen
kreisförmigen Umfang auf, wobei aber der obere Teil der Rippe horizontal weggeschnitten
ist, so daß die Höhe der oberen Kante der Rippe 2 in bezug auf die obere Außenfläche
des Wärmeübertragungsrohres 1 im wesentlichen gleich ist.
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Da nach der Erfindung für jedes in einem Wärmeaustauscher angeordnetes
Wärmeübertragungsrohr Rippen vorgesehen sind, wobei die radiale Abmessung der Rippe,
die sich von dem unteren Teil des Rohres erstreckt, so bestimmt ist, daß sie größer
ist als die Abmessung des Teiles der Rippe, die vom oberen Teil des Rohres ausgeht,
ist die auf die den inneren unteren Teil des Rohres durchsetzende Flüssigkeit übertragene
Wärmemenge größer als die auf den den inneren oberen Teil des Rohres durchsetzenden
Flüssigkeitsfilm- übertragene Wärmemenge, wenn ein Gas mit hoher Temperatur von
der Unterseite der Rohre zugeführt wird. Somit wird, obgleich die Flüssigkeit verdampft
wird, um wirksam Dampf zu erzeugen, der dünne Flüssigkeitsfilm nicht dem Austrockungsphänomen
ausgesetzt, und es wird eine Zerstörung des Wärmeübertragungsrohres aufgrund der
Anhaftung von in dem zu verdampfenden Wasser enthaltenen schädlichen chemischen
Stoffen vermieden. Infolgedessen ist es nichterforderlich, eine teure Flüssigkeitsbehandlungsanordnung
zu verwenden oder Wärmeübertragungsrohre aus teurem korrosionsfesten Material herzustellen.
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Obgleich in der vorhergehenden Beschreibung mehrere Arten von Wärmeübertragungsrohranordnungen
offenbart sind, von denen jede eine Vielzahl von Rippen aufweist, die im unteren
Teil des Rohres eine radiale Abmessung haben, die größer ist als diejenige im oberen
Teil des Rohres, wie es z.B. in den Fig. 11a und 11b gezeigt ist, können die Rippen
an der oberen oder seitlichen Aussenfläche der Rohe angeordnet werden, wobei diese
gerippten Rohranordnungen in einem Wärmeaustauscher so angeordnet werden, daß die
Rippen dem Teil des Wärmeaustauschers zugekehrt sind, in dem das heiße Gas eingeführt
wird.
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Die Verwendung dieser gerippten Wärmeübertragungsrohranordnungen in
einem Wärmeaustauscher, und zwar in zickzackförmigen Reihen, vermeidet die Ausbildung
eines Raumes der Anordnungen in dem Wärmeaustauscher und bewirkt einen wirksamen
Wärmeaustausch zwischen den gerippten Rohranordnungen und dem heißen Gas, wobei
Probleme bezüglich der zu verdampfenden Flüssigkeit, wie das Austrockungsphänomen,
vermieden sind.
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Es ist selbstverständlich, daß die Erfindung nicht auf die in der
Zeichnung dargestellten Ausführuna:sbeisp:ele beschränkt ist.
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Selbstverständlich können Änderungen und Abwandlungen innerhalb des
Erfindungsgedankens vorgenommen werden.
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