DE3026625A1

DE3026625A1 - Verfahren zur verbesserung der leistung von indrekten waermeaustauschern, rohrbuendelwaermeaustauscher und dessen verwendung

Info

Publication number: DE3026625A1
Application number: DE19803026625
Authority: DE
Inventors: Karl Ebner; Stefan Dipl.-Ing. 6370 Oberursel Ebner
Original assignee: Ebner Apparate & Maschbau
Current assignee: Ebner Apparate & Maschbau
Priority date: 1980-07-14
Filing date: 1980-07-14
Publication date: 1982-02-04

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Leistung eines indirekten Wärmeaustauschers der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Rohrbündelwärmeaustauscher, mit dem das Verfahren ausgeführt werden kann, sowie die Verwendung des Rohrbündelwärmeaustauschers .

Speziell, jedoch nicht ausschließlich, bezieht sich die Erfindung auf Oberflächenkondensatoren zur Kondensation von Dämpfen, insbesondere zur Kondensation von Dämpfen, die bei der Kühlung unter vermindertem Druck, der sog. Vakuumkühlung, entstehen. Solche Dämpfe werden gebräuchlicherweise kurz als "Vakuumdämpfe" bezeichnet.

Zur Oberflächenkondensation von Vakuumdämpfen werden in aller Regel Rohrbündelwärmeaustauscher eingesetzt, bei denen die Vakuumbrüden als wärmeres Fluid im Kreuzstrom oder Gleichstrom um das Rohrbündel herumgeführt werden. Als kälteres Fluid wird ein Kühlmittel, meist Kühlwasser, durch die Rohre des Rohrbündels geführt.

Bei vorgegebener Wärmeaustauschleistung, hier also Kühlleistung, hängt die zur Erzielung des benötigten Wärmestroms vom wärmeren zum kälteren Fluid erforderliche Größe der Austauschfläche neben den Kenndaten der Wärmeleitung in der Austauschwand primär vom Wärmeübergangskoeffizienten für den Wärmeübergang vom wärmeren Fluid auf die Austauschwand und vom Wärmeübergangskoeffizienten für den Wärmeübergang von der Austauschwand auf das kältere Fluid ab.

Bei der Kondensation von Vakuumdämpfen hängt beispielsweise der Wärmeübergangskoeffizient im Vakuuitibereich von ungefähr

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O bis 80 mbar, entsprechend einer Dampftemperatur von ungefähr 0 bis 40⁰C, in erster Näherung im wesentlichen nur von der Länge der Rohre des Rohrbündels ab. Geringfügig wird der Wärmeübergangskoeffizient unter diesen Bedingungen dabei auch davon beeinflußt, ob der Rohrbündelwärmeaustauscher stehend oder liegend angeordnet ist.

Im Gegensatz dazu wird jedoch unter gleichen Bedingungen die Größe des Wärmeübergangskoeffizienten von der Austauschwand auf das kältere Fluid, in der Regel Kühlwasser, primär durch die Strömungsgeschwindigkeit ν des kälteren Fluids in den Austauscherrohren bestimmt. In erster Näherung ist der Wärmeübergangskoeffizient von der Austauschwand auf das kältere Fluid eine Funktion von ν '

So haben beispielsweise bereits 1940 durchgeführte klassische Versuche gezeigt, daß bei einem Glattrohrbündel-Wärmeaustauscher bei einer Rohrlänge von 1,2 m und einem Außendurchmesser der einzelnen Rohre des Rohrbündels von 12,5 mm bei einer Kühlwasserstörmungsgeschwindigkeit von 0,5 m/s der Wärmeübergangskoeffizient 2,15 kW/m²K beträgt, während der Wärmeübergangskoeffizient im selben Austauscher bei einer Kühlwasserströmungsgeschwindigkeit von 2 m/s 8,14 kW/m²K beträgt.

Um die Bedeutung der Abhängigkeit der Leistung eines Rohrbündelwärmeaustauschers von der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers an Hand eines zweiten Beispiels zu verdeutlichen, sei angenommen, daß ein gesättigter Vakuumwasserdampf mit einer Sattdampftemperatur von 35⁰C mit einem Kühlwasser zu kondensieren sei, dessen Eintrittstemperatur 25^C beträgt und dessen Austrittstemperatur bei 30⁰C liegen soll. Bei dieser Kühlaufgabe sei eine Kühlleistung von 291 kW zu erbringen. Unter diesen Voraussetzungen wird bei einer Kühlwasserströmungsgeschwindigkeit von 0,5 m/s eine Austauschfläche von 23,1 m² benötigt. Bei einer Kühlwasserströmungsgeschwindig-

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keit von. 1,0 m/s kann die Austauschfläche bereits auf 13,4 m² verkleinert werden. Bei einer Kühlwasserströmungsgeschwindigkeit von 2,0 m/s braucht die Größe der Austauschfläche unter sonst identischen Bedingungen nur noch 10m² zu betragen.

Um die Strömungsgeschwindigkeit des kälteren Fluids in einem Rohrbündelwärmeaustauscher bei gegebenem Massenstrom zu erhöhen, wird bei gebräuchlichen Rohrbündelwärmeaustauschern der Strom des kälteren Fluids im Austauscher mehrfach umgelenkt. Soll beispielsweise bei gegebenem Massenstrom die Strömungsgeschwindigkeit des kälteren Fluids (beispielsweise des Kühlwassers) von beispielsweise 0,5 m/s auf 2,0 m/s erhöht werden, so müssen in den Strom des kälteren Fluids durch den Austauscher vier Umlenkungen eingebaut werden. Dies bedeutet jedoch/ daß das kältere Fluid viermal auf die Geschwindigkeit von 2,0 m/s beschleunigt werden muß. Zusätzlich treten Umlenkwiderstände auf. Dies führt dazu, daß das kältere Fluid mit erheblich höherem Druck in den Austauscher eingespeist werden muß. Wird beispielsweise für eine Strömungsgeschwindigkeit von 0,5 m/s ohne Umlenkung ein Druck von 0,02 bar benötigt, so wird bei der vierfachen Umlenkung zur Erzielung einer Kühlwasserströmungsgeschwindigkeit in den Austauscherrohren von 2,0 m/s bereits ein Druck von 0,08 bar benötigt.

Der Einbau mehrfacher Umlenkungen in einen indirekten Wärmeaustauscher ist außerdem insofern nachteilig, als sich in den Umlenkungen Verunreinigungen absetzen können, die im Kühlmittel mitgeführt werden. Solche Ablagerungen verrin gern _im Laufe der Betriebsdauer die Leistung de's Wärmeaustauschers und können rasch zu Betriebsstörungen führen.

Der Erfindung -liecjt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verbesserung der Leistung eines indirekten Wärmeaustauschers zu schaffen, bei dem trotz einer Erhöhung der Strömungsge—

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schwindigkeit des kälteren Fluids bei gegebenem Massenstrom der dem Kühlmittelstrom entgegengesetzte Strömungswiderstand nicht erhöht zu werden braucht und die Gefahr der Ablagerung von Verunreinigungen aus dem Kühlmittel ebenfalls weitgehend ausgeschaltet ist.

Aufgabe der Erfindung ist weiterhin die Schaffung eines Rohrbündelwärmeaustauschers, der bei gegebenem Massenstrom eine Erhöhung der Kühlmittelströmungsgeschwindigkeit zuläßt, ohne den Strömungswiderstand, der dem Kühlmittelstrom entgegenwirkt, zu erhöhen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen, das erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale aufweist.

Der Rohrbündelwärmeaustauscher der im Oberbegriff des Anspruchs 4 genannten Art weist erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 4 genannten Merkmale auf.

Die Erfindung schafft also ein Verfahren, bei dem die Strömungsgeschwindigkeit des kälteren Fluids im Wärmeaustauscher dadurch erhöht wird, daß ein Teil des kälteren Fluids im Kreislauf durch den Wärmeaustauscher geführt wird. Statt den Strömungsweg zu verlängern und dadurch die Strömungsgeschwindigkeit zu erhöhen, wird also bei unverändertem Strömungsweg der interne Massenstrom des kälteren Fluids durch Kreislaufführung erhöht. Dem in den Wärmeaustauscher zulaufenden Strom des kälteren Fluids wird dadurch kein erhöhter Strömungswiderstand entgegengesetzt. Bei geeigneter. Zwangsrückführung kann dadurch das kältere Fluid bereits bei einmaligem Durchgang durch den Wärmeaustauscher, beispielsweise durch das Rohrbündel eines Rohrbündelwärmeaustauschers, eine praktisch beliebig hohe Strömungsgeschwindigkeit erhalten.

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Durch die Rückführung des kälteren Fluids in einem Kreislauf, in dem der Wärmeaustauscher liegt, wird zwar die Temperaturdifferenz zwischen dem kälteren Fluid und dem wärmeren Fluid geringfügig vermindert, jedoch wird dieser Verlust der Wärmeaustauschleistung durch den Gewinn weit überkompensiert, der durch die Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des kälteren Fluids erzielbar ist. Außerdem kann der zum Betrieb des Wärmeaustauschers erforderliche Energiebedarf in der Gesamtbilanz spürbar gesenkt werden. Mit anderen Worten, bei gleichbleibender Wärmeaustauschleistung, gleichbleibendem Aufgabedruck für das kältere Fluid und gleichbleibendem Massenstrom des Zulaufs des kälteren Fluids kann die benötigte Austauschfläche spürbar verkleinert werden. Dies ermöglicht bei gleicher Austauschleistung die Verkleinerung der Abmessungen des indirekten Wärmeaustauschers.

Die Rückführung des kälteren Fluids zur Erhöhung des Massenstroms im Wärmeaustauscher kann durch einen äußeren Rückführungskreis erfolgen, in den eine zusätzliche Pumpe eingeschaltet ist. Vorzugsweise erfolgt die Rückführung und Kreislaufführung des kälteren Fluids jedoch durch Zwangsumlauf des kälteren Fluids innerhalb des Wärmeaustauschers selbst. Dabei ist der Massenstrom des im Wärmeaustauscher umgewälzten kälteren Fluids größer, vorzugsweise um ein Vielfaches größer als der Massenstrom des Zulaufs des kälteren Fluids.

Das Verfahren eignet sich weiterhin vor allem zum Einsatz unter wärmeren Umweltbedingungen, insbesondere zum Einsatz in den Tropen, bei denen das zur Verfügung stehende Kühlwasser zur Lösung der meisten Kühlaufgaben zu warm ist, während sich andererseits die Verwendung von Kältesole verbietet, da die Austauscherwände beim Kondensieren beispielsweise von Vakuumdampf sofort vereisen würden. Bei Einsatz des Verfah-

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rens der Erfindung dagegen kann ohne weiteres als Kältemittel eine Kältesole verwendet werden, deren Temperatur durch die Kreislaufführung des Kältemittels so weit erhöht wird, daß eine Vereisung der Austauschwände nicht mehr auftritt.

Zur Durchführung des Verfahrens wird vorzugsweise ein Rohrbündelwärmeaustauscher verwendet. Ein solcher Wärmeaustauscher weist im Gegensatz zu den gebräuchlichen Rohrbündelwärmeaustauschern mit einem beidseitig offenen Rohrbündel ein Zentralrohr auf, dessen Querschnitt wesentlich größer als der Querschnitt der einzelnen Kühlrohre des Rohrbündels und gleichzeitig größer als der Querschnitt des Einlaßstutzens für das kältere Fluid ist. In diesem Zentralrohr, das wie die Austauschrohre an zwei einander gegenüberliegenden Rohrboden befestigt ist und zu den beiden Kappen des Austauschers offen ist, ist eine Vorrichtung zur Herbeiführung des Zwangsförderung im Austauscher angeordnet. Diese Vorrichtung zur Herbeiführung der Zwangsförderung ist im einfachsten Fall eine Propellerschraube, deren Antriebswelle aus der der Einlaßseite gegenüberliegenden Austauscherkappe herausgeführt ist. Der Einlaßstatzen eines solchen Rohrbündelwärmeaustauschers ist vorzugsweise mit einem Verlängerungsrohr versehen, das frei in die Einlauföffnung des Zentralrohres mündet. An derselben Kappe, die den Einlaßstutzen trägt, ist auch der Auslaßstutzen für das kältere Fluid angebracht, ohne daß der Einlauf-und der Auslaufraum des kälteren Fluids durch besondere Trennmittel voneinander getrennt sind.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Figur näher erläutert. Es zeigt die einzige Figur, nämlich die

Fig. 1 in schematischer Darstellung und im Längsschnitt einen Glattrohrbündel-Wärmeaustauscher zur Durchführung des Verfahrens.

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Der in der Fig. 1 schematisch dargestellte indirekte Wärmeaustauscher ist ein Rohrbündelwärmeaustauscher, speziell ein Glattrohrbündel-Wärmeaustauscher. Der Wärmeaustauscher besteht aus zwei einander gegenüberliegenden Kappen 5,6, die durch einen Mantel 1 miteinander verbunden sind. Die eine der beiden Kappen, die sog. Einlaß/Auslaß-Kappe 5, weist einen Einlaßstutzen 11 und einen Auslaßstutzen 12 für das kältere Fluid auf. Die gegenüberliegende Kappe ist im folgenden als ümlenkkappe 6 bezeichnet.

Die Räume unter den Kappen 5, 6 sind in üblicher Weise durch Rohrboden 2, 3 abgetrennt, in die die Kühlrohre des Rohrbündels 4 eingewalzt sind. Die Kühlrohre des Rohrbündels 4 sind beidseitig offen, stehen also mit dem Kopfraum unter der Einlaß/Auslaß-Kappe 5 und dem Fußraum, der durch die Kappe 6 definiert ist, in freier Verbindung.

Das wärmere Fluid bzw. der zu kondensierende Dampf, wird im Kreuzstrom um das Rohrbündel 4 geführt. Das wärmere Fluid tritt bei einem Einlaßstutzen 13 im Mantel 1 in den Wärmeaustauscher einjDas Kondensat bzw. das abgekühlte wärmere Fluid verläßt den Wärmeaustauscher durch einen Auslaßstutzen 14. Der Wärmeaustauscher kann über einen Belüftungsstutzen 15 belüftet werden.

Koaxial zur Zentralach.se des Wärmeaustauschers ist ein Zentralrohr 7 angeordnet. Das Zentralrohr 7 verläuft parallel zu den Kühlrohren des Rohrbündels 4. Ebenso wie die Kühlrohre ist auch das Zentralrohr 7 in die beiden Rohrboden 2, 3 eingewalzt und öffnet sich frei zum Kopfraum unter der Kappe und zum Fußraum, der durch die ümlenkkappe 6 definiert ist.

Im unteren Teil des Zentralrohres 7 ist eine Propellerschraube 8 angeordnet, die über eine Welle 9, die durch die ümlenkkappe 6 hindurch aus dem Austauscher herausgeführt ist, von

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einem Getriebemotor 10 angetrieben wird. Die Propellerschraube 8 ist dabei in der Weise antreibbar, daß sie dem im Zentralrohr 7 von der Einlaß/Auslaß-Kappe 5 zur Umlenkkappe 6 strömenden kälteren Fluid eine Zwangsumwälzungsbeschleunigung in dieser Richtung, in der Darstellung der Fig. 1 also abwärts gerichtet, erteilen kann. Der Umlauf der Zwangsumwälzung ist in der Fig. 1 durch den Pfeil im Zentralrohr 7 und durch die Umlenkpfeile an der Umlenkkappe 6 dargestellt.

Der Querschnitt des Zentralrohres 7 und die Leistung des Propellers 8 sind dabei so aufeinander abgestimmt, daß im Zentralrohr 7 abwärts und durch das Rohrbündel 4 aufwärts ein Vielfaches des Massenstroms zwangsumgewälzt werden kann, als dem Massenstrom des kälteren Fluids durch den Einlaufstutzen entspricht.

Der Einlaßstutzen 11 für das kältere Fluid geht in ein Verlängerungsrohr 17 über, das frei in die Einlauföffnung 16 des Zentralrohres 7 einmündet. Zwischen der Innenwand des Zentralrohres 7 im Bereich der Einlauföffnung 16 und der Außenwand des Verlängerungsrohres 17 bleibt ein ausreichend breiter Ringspalt frei, um aus dem Rohrbündel 4 durch die Öffnungen im oberen Rohrboden 2 austretendes kälteres Fluid wieder in das Zentralrohr 7 eintreten zu lassen, und zwar mit einem größeren Massenstrom als es durch den Auslaßstutzen 12 hindurch den Wärmeaustauscher verläßt. Dabei ist der Querschnitt des Zentralrohres 7 vorzugsweise so bemessen, daß die Strömungsgeschwindigkeit des kälteren Fluids im Zentralrohr abwärts gleich der Strömungsgeschwindigkeit dieses kälteren Fluids im Rohrbündel 4 aufwärts ist.

Versuche mit dem in Fig. 1 dargestellten Rohrbündelwärmeaustauscher haben gezeigt, daß bei einer Zulaufströmungsgeschwindigkeit des kälteren Fluids von 0,5 m/s und einer Strömungsgeschwindigkeit des kälteren Fluids im Zentral-

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rohr 7 und im Rohrbündel 4 von 2,0 m/s die für eine bestimmte Kühlleistung erforderliche Austauschfläche um 5 bis 10 % verringert werden kann.

Besonders vorteilhaft wird der in Fig. 1 dargestellte indirekte Wärmeaustauscher zur Kondensation von Vakuumdämpfen verwendet. Bei der Kondensation von Vakuumdämpfen ist stets mit der Gefahr einer Vereisung zu rechnen. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Oberflächenkondensator kann dagegen trotz einer beachtlichen Kühlleistung mit relativ warmem Kältemittel gearbeitet werden, so daß die Gefahr einer Vereisung von vornherein ausgeschlossen ist. Die Rückführung des angewärmten kälteren Fluids und die Vermischung des rückgeführten angewärmten kälteren Fluids mit dem frisch zugeführten kalten kälteren Fluid ermöglicht sogar bei der Kondensation von Vakuumdämpfen den Einsatz von Kältesole als Kältemittel. Verfahren und Vorrichtung der Erfindung eignen sich daher vor allem zum Einsatz in wärmeren Gegenden der Erde oder in Gegenden und unter Bedingungen, in denen bzw. unter denen preiswertes Kühlmittel nicht unbeschränkt zur Verfügung steht.

/iZOOGS/

Claims

JAEGER, GRAMS & PONTANI

PAT Ii N TA N WA LT Ii

DIPL.CHEM. DR. KLAUS JAEGER DIPL.-ING. KLAUS D. GRAMS DR.-ING. HANS H. PONTANl

GAUTING ■ BERGSTR. 48Vi 8031 STOCKDORF ■ KREUZWEG 34 87S2 KLEINOSTHEIM · HIRSCHPFAD

EBN-13

Apparate- und Maschinenbau
Ebner & Co. KG,
6419 Eiterfeld

Verfahren zur Verbesserung der Leistung von indirekten Wärmeaustauschern, Rohrbündelwärmeaustauscher und dessen Verwendung

Patentansprüche

1. ι Verfahren zur Verbesserung der Leistung eines indirekten Wärmeaustauschers durch Erhöhen der Strömungsgeschwindigkeit des kälteren Fluids bei vorgegebenem Massenstrom, dadurch gekennzeichnet , daß das zulaufende kältere Fluid vor oder unmittelbar nach seinem Eintritt in den Wärmeaustauscher mit aus dem Wärmeaustauscher rückgeführtem kälteren Fluid vermischt wird.

13006 5/0:4 5,9 -⁴'"

TELEPHON: (Ο89) 85Ο2Ο3Ο; 8574Ο8Ο; (Ο6Ο27) 8825 · TELEX: S 21 777 isar d

2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß das kältere Fluid im Wärmeaustauscher im Zwangsumlauf gehalten wird, und zwar unter Einstellen eines Massenstroms, der größer als der Massenstrom des zulaufenden kälteren Fluids ist.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das kältere Fluid ein Kältemittel und das wärmere Fluid Wasserdampf unter vermindertem Druck ist.

4. Rohrbündelwärmeaustauscher mit zwei einander gegenüberliegenden Kappen (5, 6), die durch einen Mantel (1) miteinander verbunden sind, und bei dem in einer der beiden Kappen (5) ein Einlaßstutzen (11) und ein Auslaßstutzen (12) für das kältere Fluid angeordnet sind und bei dem das zwischen zwei Rohrböden (2, 3) angeordnete Rohrbündel (4) zu beiden Kappen (5, 6) hin offen ist, gekennzeichnet durch ein Zentralrohr (7), das sich parallel zum Rohrbündel (4) beidseitig zu den Kappen (5, 6) offen zwischen den Rohrböden (2, 3) erstreckt, dessen Querschnitt größer als der Querschnitt eines der Rohre des Rohrbündels (4) ist, dessen Querschnitt gleichzeitig größer als der Querschnitt des Einlaßstutzens (11) für das kältere Fluid ist, in dem Zwangsfördermittel (8) angeordnet sind, die eine Zwangsförderung des kälteren Fluids von einer EinlaufÖffnung (16) auf der Seite der Einlaß/Auslaß-Kappe (5) zur gegenüberliegenden ümlenkkappe (6) bewirken können und dessen Einlauf-Öffnung (16) sowohl mit dem Einlaßstutzen (11) als auch mit dem Auslaßstutzen (12) für das kältere Fluid in freier Verbindung steht.

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Rohrbündelwärmeaustauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Querschnitt des Zentralrohres (7) so bemessen ist/ daß die Strömungsgeschwindigkeit des kälteren Fluids im Zentralrohr gleich der Strömungsgeschwindigkeit des kälteren Fluids in den Rohren des Rohrbündels ist.

Rohrbündelwärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 4 oder 5/

dadurch gekennzeichnet , daß die Einlaß/Auslaß-Kappe (5) keine Trennwand zwischen dem Einlaßstutzen (11) und dem Auslaßstutzen (12) aufweist und der Einlaßstutzen (11) in ein Verlängerungsrohr (17) übergeht, das frei in die Einlauföffnung (16) des Zentralrohres (7) hineinragt.

7. Rohrbündelwärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 4 bis 6,

dadurch gekennzeichnet / daß im Zentralrohr (7) eine Propellerschraube (8) angeordnet ist, deren Antriebswelle (9) durch den Umlenkboden (6) aus dem Austauscher herausgeführt ist.

8. Verwendung des Rohrbündelwärmeaustauschers nach einem der Ansprüche 4 bis 7 zur Kondensation von Vakuumdämpfen,

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