DE3019452C2 - Wärmeaustauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher mit Wärmeübertragungsrohranordnungen, 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.

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 die Rohre strömende Flüssigkeit durch ein Gas mit hoher Temperatur, wie z. B. ein Verbrennungsgas oder ein Abgas einer Fabrik, erhitzt, wo in den mit Rippen versehenen Rohren Dampf erzeugt wird, der beispielsweise für den Antrieb einer Turbine verwendet werden kann.

Üblicherweise sind die Rohre mit Rippen versehen, die an der gesamten Außenfläche des Rohres befestigt sind, wobei jede Rippe im wesentlichen in allen Richtungen gleiche radiale Längen hat (DE-PS 39 56 85). Bei Verwendung solcher Rippenrohre wird die durch das heiße Gas zugeführte Wärme im wesentlichen gleichmäßig durch die Rippen auf das Rohr übertragen.

Wenn die Flüssigkeit, die eine größere oder kleinere Menge an schädlichen chemischen Materialien enthalten kann, in dem Rohr verdampft und als Zweiphasen-Strömung das Rohr durchströmt, bildet ein Teil der Flüssigkeit entlang dem oberen Teil der Rohrinnenwand einen dünnen Flüssigkeitsfilm, der bei Zuführung einer großen Wärmeleistung verdampft, was im folgenden als Austrocknungsphänomen bezeichnet wird. Es haften dann die in der Flüssigkeit enthaltenen schädlichen

ίο Stoffe an der oberen Innenwand des Wärmeübertragungsrohres, wodurch dieses korrodiert und schließlich beschädigt wird. Außerdem wird bei einem Verdampfer zum Verdampfen eines Mediums mit niedrigem Siedepunkt und geringer Wärmestabilität, wie z. B. ein unter dem Warenzeichen Frigen bekannter fluorierter Kohlenwasserstoff, beim Auftreten des obengenannten Austrocknungsphänomens das Rohr örtlich hoch erhitzt, wodurch das Medium thermisch zersetzt wird. Um eine Korrosion des Rohres zu vermeiden, hat man bisher die in der zu erhitzenden Flüssigkeit enthaltenen schädlichen chemischen Stoffe durch geeignete Behandlungsvorrichtungen entfernt, oder man hat Rohre aus korrosionsfestem Material verwendet Die Entfernung der schädlichen Materialien aus der Flüssigkeit erfordert aber zusätzlich Einrichtungen, während das für die Herstellung der Rohre verwendete korrosionsfeste Material sehr teuer ist. Im übrigen ist es nicht vertretbar, eine so teuere Vorbehandlung, wie sie oben erwähnt ist, bei einem Dampfkessel für eine Abwärmerückgewinnung anzuwenden, für den im allgemeinen niedrige Herstellungskosten gefordert werden. Außerdem kann ein Wärmeaustauscher mit Wärmeübertragungsrohranordnungen zur Verhinderung einer thermischen Zersetzung des Mediums mit niedrigem Siedepunkt wegen zu starker Erhitzung nicht so ausgebildet werden, daß die dem Rohr zugeführte Wärmemenge so verteilt wird, daß der auf dem oberen Innenteil des Rohres gebildete Flüssigkeitsfilm nicht verdampft. Es ist in einem solchen Falle also die Anwendung von gerippten Wärmeübertragungsrohranordnungen begrenzt. Ferner muß ein Wärmeaustauscher so konstruiert sein, daß er eine beträchtlich große Wärmeaustauschfläche besitzt, damit er die durch das Gas mit hoher Temperatur abgegebene Wärmemenge ausreichend absorbieren kann.

Es sind Rippenrohre bzw. Lamellenrohre, z. B. für Kondensatoren bzw. Verdampfer, bekannt, (DE-PS 9 29521, AT-PS 230402), bei denen die Rippen oder Lamellen mit U-förmigen Ausnehmungen versehen sind, wodurch die auf die Rohre aufgebrachten Rippen oder Lamellen nicht in alle Richtungen gleich große radiale Abmessungen erhalten. Diese Ausbildung der Rippen bzw. Lamellen ist ausschließlich aus fertigungstechnischen Gründen vorgenommen, um das Aufbringen der Lamellen bzw. Rippen auf die Rohre zu erleichtern.

Es ist auch ein Rippenrohr für künstliche Eisbahnen bekannt (DE-PS 6 84 167), bei welchem die Rippen an der Unterseite ganz oder teilweise entfernt sind, um hierdurch eine möglichst gleichmäßige Abkühlung und damit eine gleichmäßige Beschaffenheit der Eisoberfläche zu erzielen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Anordnung der Wärmeübertragungsrohre eines Dampferzeugers der eingangs genannten Art dahingehend zu

^b5 verbessern, daß eine thermische Zersetzung des flüssigen Stömungsmediums bzw. Ablagerungen der in diesem Medium enthaltenen gelösten Stoffe vermieden wird.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß jede Rippe in Richtung zum Einlaß für das Gas mit hoher Temperatur eine größere radiale Abmessung hat als in Richtung auf den Auslaß.

Vorzugsweise hat jede Rippe im unieren Bereich eines Rohres eine größere radiale Abmessung als im oberen Bereich des Rohres, wobei die Rippen, an der äußeren Umfangsfläche der untersn Hälfte eines Rohres befestigt sein können.

Zweckmäßig ist die Höhe einer oberen Kante jeder Rippe zu einer oberen Außenfläche eines Rohres, im wesentlichen gleich.

Die Wärmeübertragungsrohranordnungen in dem Wärmeaustauscher können in horizontaler Richtung in zick-zack-förmigen Reihen angeordnet sein.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Rippen erfolgt eine Aufteilung der auf das Rohr übertragenen Wärmemenge derart, daß eine Verdampfung des sich an der oberen Rohrinnenwand bildenden Flüssigkeitsfilms vermieden wird.

Da nach der Erfindung für jedes in einem Wärmeaustauscher angeordnete 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 Austrocknungsphänomen ausgesetzt, und es wird eine Zerstörung des Wärmeübertragungsrohres aufgrund der Anhaftung von in dem zu verdampfenden Wasser enthaltenen schädlichen chemischen Stoffen vermeiden. Infolgedessen ist es nicht erforderlich, eine teure Flüssigkeitsbehandlungsanordnung zu verwenden oder Wärmeübertragungsrohre aus teurem korrosionsfesten Material herzustellen.

Die Verwendung dieser gerippten Wärmeübertragungsrohranordnungen in einem Wärmeaustauscher, und zwar in zickzackförmigen Reihen, vermeidet die Ausbildung eines freien 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 Austrocknungsphänomen, vermieden sind.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen

Fig. la, 2a, 3a + 4a Ansichten von Ausfüiirungsbeispielen von Wärmeübertragungsrohranordnungen gemäß der Erfindung, und zwar in einem Querschnitt,

Fig. Ib₁ 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,

F i g. 5 eine schematische Darstellung einer typischen Rankine-Anlage mit einem Wärmeaustauschsystem, das Wärmeaustauschrohranordnungen gemäß der Erfindung enthalt,

F i g. 6 schematisch einen Querschnitt nach der Linie VI-VI in Fig.5,und

Fig. 7 —10 Querschnitte durch andere Ausfuhrungsbeispiele einer Wärmeübertragungsrohranordnung gemäß der Erfindung.

Wie in den Fig. la und 2a gezeigt, enthält eine Wärmeübertragungsrohranordnung 4 ein Rohr 1 und mehrere kreisförmige Rippen 2, die je eine vorbestimmte rpdiale 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

ίο Schweißen oder auf andere geeignete Weise am Rohr befestigt, wie es in den F i g. 1 b 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.

Wie ferner in den F i g. 4a und 4b gezeigt, können die Rippen 2 auch in das Rohr 1 integriert sein, d. h. mit diesem aus einem Stück bestehen.

Fig. 5 zeigt das Schaltschema einer Rankine-Anlage mit einem Wärmeaustauscher 10, in dem die Wärmeübertragungsrohranordnungen 4 angeordnet sind.

F i g. 6 zeigt deutlich die Anordnung der Wärmeübertragungsrohranordnungen 4, die in zickzackförmigen horizontalen Reihen innerhalb des in F i g. 5 gezeigten Wärmeaustauschers angeordnet sind. Wenn durch den unterer Einlaß ein Gas 6 mit hoher Temperatur in den Wärmeaustauscher t0 eingeführt wird, werden die Wärmeübertragungsrohranordnungen 4 erhitzt, und es erfolgt ein Wärmaustausch zwischen dem heißen Gas 6 und der die Wärmeübertragungsrohre 1 durchsetzenden Flüssigkeit 7. Die Flüssigkeit 7 wird somit allmählich verdampft. Wie in F i g. 1 a 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.

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 F i g. 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.

Die F i g. 7 bis 10 zeigen andere Ausführungsbeispiele der Wärmeübertragungsrohranordnung. In F i g. 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 F i g. 8 hat jede Rippe 2 auch einen rechteckförmigen Umfang. Dabei ist

die Rippe an der unteren Hälfte der Außenfläche des Rohres t angeordnet.

Bei einer in F i g. 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Wärmeaustauscher mit Wärmeübertragungsrohranordnungen, 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, dadurch gekennzeichnet, daß jede Rippe (2) in Richtung zum Einlaß (6) für das Gas mit hoher Temperatur eine größere radiale Abmessung hat als in Richtung auf den Auslaß.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Rippe (2) im unteren Bereich eines Rohres (1, 3) eine größere radiale Abmessung hat als im oberen Bereich des Rohres.

3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (2) an der äußeren Umfangsfläche der unteren Hälfte eines Rohres (1, 3) befestigt sind.

4. Wärmeaustauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe einer oberen Kante jeder Rippe (2) zu einer oberen Außenfläche eines Rohres (1) im wesentlichen gleich ist.

5. Wärmeaustauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungsrohranordnungen in dem Wärmeaustauscher in horizontaler Richtung in zickzackförmigen Reihen angeordnet sind.