DE3034011A1

DE3034011A1 - Kondensator mit verbessertem waermeuebertragungsvermoegen

Info

Publication number: DE3034011A1
Application number: DE19803034011
Authority: DE
Inventors: Harold Becker Ginder; Thomas Michael York Pa. Rudy; Keith Edwin Starner
Original assignee: Borg Warner Corp
Current assignee: Borg Warner Corp
Priority date: 1979-09-19
Filing date: 1980-09-10
Publication date: 1981-04-09
Also published as: US4252186A; GB2058327A; GB2058327B; FR2465979A1; CA1132133A; AU6201280A; ES495149A0; ES8105857A1; MX150931A; FR2465979B1; JPS5682378A; JPS6349154B2; AU537483B2

Description

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Kondensator mit verbessertem Wärmeübertragungsvermögen

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Röhrenkessel— Wärmetauscher mit längs und quer verlaufenden, dem Röhrenbündel zugeordneten Umlenkelementen, welche in der Klasse 165, Unterklasse 161 eingeordnet sind.

In der US-PS 2 916 264 ist ein Röhrenkessel-Wärmetauscher beschrieben, bei dem eine Umlenkplatte in der Nähe des Einlasses angeordnet ist, um den Dampfstrom von einem Punkt in der Mitte des Kessels bis zu einem Punkt in der Nähe des Endes des Röhrenbündels umzulenken. Das in den Wärmetauscher eindringende Medium wird dabei in zwei Teile aufgeteilt und gegenüberliegenden Enden des Kessels zugeführt.

Bei der in der US-PS 2 919 903 beschriebenen Vorrichtung ist ein ähnlicher Verteiler in der Nähe des Einlasses vorgesehen, der im wesentlichen in der gleichen Weise ausgebildet ist wie der vorstehend beschriebene Wärmetauscher.

Bei dem in Figur 1a der Zeichnung dargestellten TEMA 2-1 J Kessel bilden Außenrohre einen Dampfeinlaß an gegenüberliegenden Enden des Kessels. Offensichtlich wird hierdurch

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die Gesamtgröße der Einheit erhöht, und es entstehen zusätzliche Herstellungsprobleme.

Bei einem typischen Röhrenkessel-Kondensator wird Dampf in einen Kessel eingeführt, und man läßt den Dampf im Wärmeaustausch mit einem Röhrenbündel strömen, durch das ein Kühlmittel, beispielsweise Wasser, umgewälzt wird. Auf diese Weise wird der mit den Röhren in Kontakt tretende Dampf gekühlt und kondensiert. Das Kondensat wird im unteren Teil des Kessels gesammelt und durch eine geeignete Auslaßleitung entfernt.

Das Röhrenbündel selbst kann eine Vielzahl von Ausführungsformen besitzen. Bei vielen Ausführungsformen handelt es sich dabei um ein gerades Einrichtungsdurchlaufsystem mit einer Einlaßkammer an einem Ende des Kessels und einer Auslaßkammer am anderen Ende desselben. In der Praxis findet normalerweise eine Reihe von Umlenkelementen Verwendung, die den Dampf zwingen, sich über das Röhrenbündel hin- und zurückzubewegen, um auf diese Weise die Kontaktzeit zu erhöhen.

Es ist bekannt, daß der Druckabfall entlang der Dampfströmungsbahn zunimmt, je öfter der Dampf das Röhrenbündel durchläuft. Eine Erhöhung der Kontaktzeit ohne einen entsprechenden Anstieg im Druckabfall in Kauf nehmen zu müssen, ist jedoch bisher wenig Aufmerksamkeit

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geschenkt worden. Umgekehrt dazu könnte der Druckabfall reduziert werden, ohne dabei eine Verringerung der Kantaktzeit und des Kondensationswirkungsgrades in Kauf nehmen zu müssen.

Erfindungsgemäß wird dies mit Hilfe einer verbesserten Konstruktion erreicht, bei der der Dampf an einer mittig angeordneten Stelle oder in der Nähe des Mittelpunktes zwischen den Enden des Kessels in diesen eingeführt wird. Ein sich in Längsrichtung erstreckendes Umlenkelement teilt die Dampfströmung auf und bewirkt, daß sich der Dampf in Richtung auf die gegenüberliegenden Enden des Kessels bewegt, wo er dann nach unten in Richtung auf die Röhren

Es
strömt./findet dann eine Richtungsumkehr statt, wobei sich jeder Teil vom Ende zur Mitte des Kessels hin bewegt. Durch sich in Querrichtung erstreckende Umlenkelemente muß der Dampf das Röhrenbündel einige Maie passieren; die Anzahl von diesen Querelementen entlang einer jeden unabhängigen Strömungsbahn ist jedoch etwa nur halb so groß wie es bei einer Strecke von einem Ende des Kessels zum anderen der Fall wäre.

Die Erfindung sieht desweiteren einen Reinigungsauslaßanschluß vor, der mittig an der Seite des Kessels angeordnet ist und dazu dient, eine wirksame Entfernung von nicht kondensierbaren Strömungsmitteln in der durch die Umlenkelemente ausgebildeten Strömungsbahn zu bewirken. Diese

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Kombination aus der Anordnung der Umlenkelemente und dem Reinigungsanschluß verbessert aufgrund der höheren Strömungs geschwindigkeit des Dampfes über die Röhren und des besseren Reinigungseffektes den Wärmeübertragungskoeffizienten, ohne daß hierbei jedoch der Druckabfall erhöht wird.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Figur 1a einen seitlichen Schnitt durch einen TEMA 2-1 J Kessel nach dem Stand der Technik;

Figur 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten Kondensator;

Figur 2 einen Schnitt entlang Linie 2-2 in Figur 1; und

Figur 3 einen Querschnitt entlang Linie 3-3 in Figur 1.

Wie man insbesondere aus den Figuren 1 und 2 der Zeichnung entnehmen kann, umfaßt ein mit der Bezugsziffer 10 versehener Kondensator einen länglichen und im wesentlichen zylindrischen Kessel 12, in dem in Längsrichtung ein Röhrenbündel 14 angeordnet ist. Das Röhrenbündel 14 besitzt eine Reihe von einzelnen Röhren 15, die sich parallel zur Hauptlängsachse des Kessels 12 erstrecken. An einem Kesselende sind die Röhren 15 durch eine Verteilerplatte 16

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und am gegenüberliegenden Ende durch eine Verteilerplatte 1B gelagert. Ein Einlaßsammler 17 befindet sich in Strömungsmittelverbindung mit der Verteilerplatte 16, so daß eine Strömungsbahn für ein Kühlmittel aus einer geeigneten Quelle (nicht gezeigt) gebildet wird, um dieses durch die Röhren 15 umzuwälzen. Am gegenüberliegenden Kesselende befindet sich ein Auslaßsammler 19 in Strömungsmittelverbindung mit der Verteilerplatte 18. Bei dem Kühlmittel handelt es sich normalerweise um Wasser. Es können jedoch auch andere Kühlmittel zum Einsatz kommen, wie beispielsweise Äthylenglycol etc.

Der Kessel 12 ist mit einem Dampfeinlaß 20 versehen, und zwar etwa in der Mitte zwischen den Enden des Kessels 12, um ein zu kühlendes Strömungsmittel aufzunehmen und in Kontakt mit den Röhren zu leiten. Am unteren Teil des Kessels 12 gegenüber dem Dampfeinlaß 20 befindet sich ein Kondensatoder Flüssigkeitsauslaß 22, um das Kondensat vom Kessel abzuführen. Innerhalb des Kessels am oberen Abschnitt desselben und über dem Röhrenbündel 14 ist ein längs verlaufendes Umlenkelement 24 angeordnet, das sich im wesentlichen parallel zu den Röhren 15 und im wesentlichenüber die gesamte Länge einer Kondensierkammer 26 erstreckt, die zwischen den beiden Verteilerplatten 16 und 18 ausgebildet ist.

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Innerhalb des Kessels 12 ist desweiteren eine Reihe von quer verlaufenden Umlenkplatten 28 angeordnet, die sich abwechselnd von gegenüberliegenden Seiten des Kessels bis zu einem Punkt etwa in der Mitte des Kesseldurchmessers erstrecken, so daß für den zu kühlenden Dampf eine wellenförmige Strömungsbahn gebildet wird, wenn sich dieser von den gegenüberliegenden Enden in Richtung auf die Mitte des Kessels bewegt. Jede der Umlenkplatten 2Θ trägt desweiteren zur Lagerung der einzelnen Röhren 15 zwischen ihren Enden an den entsprechenden Verteilerplatten 16 und 1B bei. Die Röhren 15 erstrecken sich durch die Umlenkplatten 2B und sind in irgendeiner bekannten Art und Weise an den Platten befestigt. Wie man am besten aus Figur entnehmen kann, sind die Platten 28 zickzackförmig versetzt zueinander angeordnet und mit ihren oberen Enden mit dem längs verlaufenden Umlenkelement 24 verbunden, so daß für das zu kühlende Strömungsmittel die wellenförmige oder sinusförmige Strömungsbahn um die Röhren herum ausgebildet wird, wie durch die Pfeile 29 dargestellt ist.

An der Seite des Kessels 12 befindet sich eine kleine Reinigungsöffnung 30 (Figuren 2 und 3), an die eine Reinigungsvorrichtung angeschlossen werden kann, um Luft und verschiedene andere nicht kondensierbare Strömungsmittel abzuziehen, die sich während des Betriebes des Kondensators ansammeln können. Es versteht sich, daß beim Betrieb eines

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Kältesystems etwas Luft von Zeit zu Zeit in das System gezogen werden kann. Diese nicht kondensierbare Luft reduziert den Wirkungsgrad der Einheit.

Im Betrieb des Kondensators 10 dringt zu kühlendes Strömungs mittel, beispielsweise erhitztes Kältemittel vom Kompressor in Dampfform, durch den Dampfeinlaß 20 in den Kessel 12 ein und wird in etwa zwei gleiche Strömungsanteile aufgeteilt. Da sich das längs verlaufende Umlenkelement 24 parallel zu einer Seite des Kessels und im wesentlichen senkrecht zur Achse der durch den Einlaß 20 eindringenden Dampfströmung erstreckt, wird durch diese Konstruktion erreicht, daß der Dampf von Anfang an in zwei Richtungen strömt, wie durch die Pfeile 32 und 34 angedeutet, und zwar parallel zu den Röhren 15 in Räume 36, die benachbart zu den Verteilerplatten 16 und 18 an den gegenüberliegenden Enden des Kessels vorgesehen sind. Aus den Räumen 36 bewegt sich jeder Anteil der Dampfströmung zur Mitte des Kessels 12 zurück, wobei er sich aufgrund der quer verlaufenden Umlenkplatten 28, die sich von den gegenüberliegenden Seiten des Kessels aus erstrecken, vor und zurück gegen das Röhrenbündel 14 bewegt. Dabei wird die Richtung der Dampfströmung in der Nähe eines jeden offenen Endes 31 der Platten umgedreht.

Dadurch, daß sich der Dampf zwischen den Röhren 15 bewegt, tritt er in indirekten wärmeaustauschenden Kontakt mit dem

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durch die Röhren strömenden Kühlmittel, das den Dampf kondensieren läßt. Diese gekühlte Flüssigkeit sammelt sich dann im unteren Bereich des Kessels an und strömt durch Schwerkraft zum Kondensatauslaß 22. Das Kühlmittel wird in Richtung des Pfeiles 38 über die Verteilerplatte 16 und den Einlaßsammler 17 der Vielzahl von Röhren 15 zugeführt. Indem es durch die Röhren strömt, absorbiert es Wärmeenergie von dem zu kühlenden Dampf, wonach das erhitzte Kühlmittel in Richtung des Pfeiles 40 mittels der Verteilerplatte 18 und dem Auslaßsammler 19 aus den Röhren herausgeführt wird. Zur gleichen Zeit wird der Kessel von Zeit zu Zeit durch den Reinigungsauslaß 30 gereinigt, damit die innerhalb des Kessels strömenden nicht kondensierbaren Strömungsmittel, wie durch die gestrichelten Pfeile 42 angedeutet, abfließen können·

Die aufgrund der Anordnung der Umlenkelemente 24, 28 vorhandene gerichtete Strömungsbahn des Kältemitteldampfes bewirkt, daß die nicht kondensierbaren Strömungsmittel oder Gase in den Bereich des Reinigungsanschlusses 30 mitgezogen werden. Durch den Reinigungsvorgang werden die nicht kondensierbaren Gase aus dem größten Teil des Röhrenbündels 14 im wesentlichen entfernt, wodurch der einer Wärmeübertragung entgegengesetzte Widerstand eliminiert wird. Ein derartiger Widerstand ist vorwiegend bei Kondensatoren vorhanden, die nicht mit Umlenkelementen versehen sind, und resultiert aus einem durch die Gase verursachten Überlagerungseffekt, der den Zufluß von

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kondensierbaren Dampfmalekülen zur Oberfläche der Röhren verhindert.

Mit der hier dargestellten verbesserten Kondensatorkonstruktion wird die Anzahl der Male beträchtlich reduziert,/die sich der Dampf über das Röhrenbündel 14 bewegen muß, wenn man dies mit einer Kondensatorkonstruktion vergleicht, wie sie in der vorstehend erwähnten US-PS 2 916 264 beschrieben ist. Durch die vorliegende Erfindung wird der Druckabfall stark reduziert und der Kondensationswirkungsgrad der Einheit im allgemeinen verbessert.

Im vorstehenden wurde eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Es versteht sich, daß bei dieser Ausführungsform verschiedene Änderungen möglich sind bzw. daß hierbei für bestimmte Elemente entsprechende Äquivalente eingesetzt werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Hinzu kommt, daß viele Änderungen vorgenommen werden können, um die Lehre der Erfindung an eine spezielle Situation oder ein entsprechendes Material anzupassen. Die Erfindung ist daher nicht auf die vorstehend beschriebene spezielle Ausführungsform begrenzt, sondern soll alle Ausführungsformen umfassen, die unter die Patentansprüche fallen.

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Claims

Patentansprüche

f1 Λ Röhrenkessel-Kondensator mit einem länglichen Kessel, einem Röhrenbündel, das aus einer Vielzahl von im Abstand voneinander angeordneten, parallelen Röhren besteht, die sich in Längsrichtung im Kessel erstrecken, einem Einlaßsammler, der mit einem Ende der Röhren in Verbindung steht, und einem Auslaßsammler, der mit dem anderen Ende der Röhren in Verbindung steht, gekennzeichnet durch Dampfeinlafleinrichtungen (20), die im wesentlichen in der Mitte zwischen den Enden des Kessels angeordnet sind, um ein zu kühlendes Strömungsmittel in Kontakt mit den Röhren umzuwälzen, Flüssigkeitsauslaßeinrichtungen (22), die gegenüberliegend zu den Einlaßeinrichtungen angeordnet sind, um Kondensat vom Kessel abzuziehen, längs verlaufende Umlenkeinrichtungen (24), die im Kessel angeordnet sind, um das Strömungsmittel in den Einlaßeinrichtungen auf die gegenüberliegenden Enden des Kessels zu verteilen, und quer verlaufende Umlenkeinrichtungen (2B), die im Kessel

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angeordnet sind, um die Strömung des Strömungsmittels an den gegenüberliegenden Enden des Kessel in Richtung auf die Kesselmitte und die Auslaßeinrichtungen zu führen·
2. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die längs verlaufenden Umlenkeinrichtungen ein sich in Längsrichtung erstreckendes Umlenkelement (24) umfassen, das sich im wesentlichen über die gesamte Länge einer Kammer erstreckt, die zwischen dem Einlaßsammler und dem Auslaßsammler ausgebildet ist.
3. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die quer verlaufenden Umlenkeinrichtungen eine Vielzahl von sich in Querrichtung erstreckenden Umlenkplatten (28) umfassen, die sich abwechselnd von gegenüberliegenden Seiten des Kessels aus erstrecken, wobei jede Platte sich etwa bis zur Mitte des Kessels erstreckt .
4. Kondensator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die quer verlaufenden Umlenkeinrichtungen eine Vielzahl von sich in Querrichtung erstreckenden Umlenkplatten (28) umfassen, die sich abwechselnd von gegenüberliegenden Seiten des Kessels aus erstrecken, wobei sich jede Platte etwa bis zur Mitte des Kessels erstreckt.

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5. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er desweiteren Einrichtungen (30) zum Reinigen der durch die längs verlaufenden und quer verlaufenden Umlenkeinrichtungen gebildeten Strömungsbahn im Kessel von nicht kondensierbaren Strömungsmitteln aufweist.
6. Kondensator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Reinigungseinrichtungen eine kleine, mittig angeordnete Öffnung (30) umfassen, die an einer Seite des Kessels angeordnet ist und an die eine Reinigungsvorrichtung angeschlossen werden kann, um Luft und andere nicht kondensierbare Strömungsmittel vom Kessel abzuziehen.
7. Kondensator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß er desweiteren Einrichtungen (30) zum Reinigen der durch die längs verlaufenden und quer verlaufenden Umlenkeinrichtungen im Kessel gebildeten Strömungsbahn von nicht
kondensierbaren Strömungsmitteln umfaßt.
8. Kondensator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Reinigungseinrichtungen eine kleine, mittig angeordnete Öffnung (30) unifassen, die an der Seite des Kessels angeordnet ist und an die eine Reinigungsvorrichtung
angeschlossen werden kann, um Luft und andere nicht kondensierbare Strömungsmittel vom Kessel abzuziehen.

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