DE3039745A1

DE3039745A1 - Waermeaustauscher

Info

Publication number: DE3039745A1
Application number: DE19803039745
Authority: DE
Inventors: Takayuki Chiba Kaneko; Yoshinori Nishimura; Chiba Chiba Youichi; Jun Yachiyo Zamma
Original assignee: Toyo Engineering Corp
Current assignee: Toyo Engineering Corp
Priority date: 1980-01-30
Filing date: 1980-10-22
Publication date: 1981-08-06
Also published as: US4368778A; JPS56108097A; JPS6142194B2; GB2068525B; GB2068525A

Description

Wärmeaustauscher

Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher, der einen Mantel, der ein erstes Fluid enthält, Rohre, die in dem Mantel vorgesehen sind und in diesen heißes zweites Fluid zum Wärmeaustausch mit dem ersten Fluid einführen, und einen Rohrboden umfaßt.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Wärmeaustauscher für den Einsatz bei hoher Temperatur und hohem Druck, bei denen der Temperaturgradient in einem dicken Rohrboden verringert ist und dementsprechend die dadurch verursachte thermische Spannung herabgesetzt ist, und sie bezieht sich insbesondere auf Wärme-

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austauscher, bei denen vermieden wird, daß heißes Fluid vor dem eigentlichen Wärmeaustausch mit einem dicken Rohrboden direkt in Kontakt kommt, wobei das heiße Fluid durch eine Gruppe von Rohren in einen Wärmeaustauschermantel eingeführt und durch eine sich an dem Rohrboden öffnende Fluid-Auslaßdüse ausgelassen wird, und Gruppen dieser Rohre für Fluid vor und nach dem Wärmeaustausch so abwechselnd angeordnet sind, daß eine starke Verringerung der in dem dicken Rohrboden entstehenden thermischen Spannung erzielt wird.

Wärmeaustauscher werden im allgemeinen verwendet, um den chemischen oder verschiedenen anderen industriellen Anlagen Wärme aus heißem Gas zurück zu gewinnen oder um Wärme mit heißem Gas auszutauschen, das durch Verbrennung, chemische Reaktion oder dergleichen erzeugt wird.

Herkömmlicherweise werden verschiedene Arten von Wärmeaustauschern verwendet, von denen ein gebräuchlicher Typ U-Rohr-Wärmeaustauscher sind. Der Wärmeaustauscher dieses Typs ist anderen Wärmeaustauschern in der Hinsicht überlegen, daß das Auftreten derartiger thermischer Spannung verhindert wird, die durch verschiedene Wärmeausdehnung der Rohre und eines Mantelrohres aufgrund von Temperaturdifferenz zwischen den Rohrbündeln und einem Mantel erzeugt wird.

Die herkömmlich Verwendeten Wärmeaustauscher vom U-Rohr-Typ sind in den Figuren 1 (a) , (a¹), (b) und (b¹) dargestellt. Figur 1 (a) ist ein schematischer Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel von herkömmlichen U-Rohr-Wärmeaustauschern, bei denen U-Rohre 2 in einem Mantel 1 mit Einlaß- und Auslaßdüsen für das erste Fluid angeordnet sind und ein Rohrboden an dem Bodenteil des Mantels 1 befestigt ist und die Enden 2a, 2b des U-Rohres durch den Rohrboden 3 hindurchführen und an diesem befestigt sind, wobei sich der Rohrboden 3 zur Außenseite des Mantels öffnet. Auf der Seite des Rohrbodens 3, die dem Mantel 1 abgewandt ist, ist ein Kanalraum vorgesehen, der von einem festen Kopfteil 4 und einer Kanal-

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abdeckung 5 umschlossen ist, und der Kanalraum ist durch eine Durchflußtrennwand 6 in zwei Kammern unterteilt. Eine der beiden Kammern ist mit einer Einlaßdüse 7 für das zweite Fluid versehen und die andere Kammer ist mit einer Auslaßdüse 8 für das zweite Fluid versehen, damit die Enden 2a der ü-Rohre 2 für das Zuleiten des zweiten Fluids alle zu einem Raum oder einer Kammer hin geöffnet sind und die anderen Enden 2b der U-Rohre für das Ablassen des zweiten Fluids alle zu dem anderen Raum oder der anderen Kammer hin geöffnet sind. Figur 1 (a¹) zeigt den Schnitt entlang der Linie A-A in Figur 1 (a).

Figur 1(b) ist ein schematischer Schnitt durch ein anderes AusfUhrungsbeispiel von herkömmlichen U-Rohr-Wärmeaustauschern. Dieser Typ umfaßt ähnlich wie der Wärmeaustauscher in Figur 1(a) ein Mantelrohr oder einen Mantel 1, in dem U-Rohre 2 enthalten sind, und einen Kanalraum, der von einem festen Kopfteil 4 und einer Kanalabdeckung 5 umschlossen ist. In dem Kanalraum ist ein innerer Kanal 9 mit einer Einlaßdüse 7 für das zweite Fluid vorgesehen, und die Enden 2a der U-Rohre für den Einlaß des zweiten Fluids öffnen sich an dem Rohrboden des inneren Kanals 9 und die anderen Enden der U-Rohre für den Auslaß des zweiten Fluids öffnen sich an dem ringförmigen Abschnitt des Rohrbodens zwischen dem inneren Kanal 9 und dem festen Kopfteil 4. Figur 1 (b¹) zeigt den Schnitt entlang der Linie B-B in Figur 1 (b).

Beim Betrieb des in Figur 1(a) gezeigten Typs eines Wärmeaustauschers tritt heißes zweites Fluid von der Einlaßdüse 7 für das zweite Fluid in den Kanalraum und strömt weiter durch die Enden 2a der U-Rohre in die U-Rohre 2, und fließt nach dem Wärmeaustausch mit dem ersten Fluid in dem Mantel 1 durch den Kanalraum aus der Auslaßdüse 8 aus. Da der Kanalraum durch die Trennwand 6 in zwei Räume oder Kammern unterteilt ist, wird der Kanalraum der Einlaßseite des zweiten Fluids mit heißem zweiten Fluid gefüllt, wodurch der Rohrboden heiß wird.

Der Kanalraum der Auslaßseite des zweiten Fluids wird mit kaltem

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zweitem Fluid gefüllt, was diesen Teil des Rohrbodens 3 kälter als den der Einlaßseite macht. Die Temperaturverteilung in dem Rohrboden 3 wird unsymmetrisch, wie es in Figur 1(a") gezeigt ist, wodurch hohe thermische Beanspruchung hervorgerufen wird und der Aufbau und das Auslegen des Wärmeaustauschers schwierig werden.

Beim Betrieb des in Figur 1 (b) gezeigten Typs eines Wärmeaustauschers tritt heißes zweites Fluid von einer Einlaßdüse 7 in den inneren Kanal 9, strömt durch die Einlaßöffnungen 2a der U-Rohre in die U-Rohre 2 und strömt nach dem Austausch von Wärme mit dem ersten Fluid in dem Mantel 1 und Abkühlung aus den Auslaßöffnungen 2b der U-Rohre in den ringförmigen Raum, der den inneren Kanal 9 umgibt, und verläßt dann die Vorrichtung durch die Auslaßdüse 8. In diesem Falle wird die Innenseite des inneren Kanals 9 mit heißem zweitem Fluid angefüllt, so daß der Rohrboden 3, der mit dem heißen Fluid in Kontakt steht, heiß wird, jedoch andererseits der Rohrbodenteil außerhalb des inneren Kanals 9 mit dem nach dem Wärmeaustausch kalten zweiten Fluid in Kontakt steht und kalt gehalten wird, und daher ist die Temperaturverteilung in dem Rohrboden so, wie es in Figur 1(b") gezeigt ist, bei der der mittlere Teil heiß und der Umfangsteil kalt ist. Diese Differenz in der Temperatur verursacht Wärmespannung in dem Rohrboden 3. Die Beanspruchung in diesem Falle ist ein wenig geringer als in dem Fall der Figur 1 (a), aber es ist noch immer schwierig, die Anordnung von U-Rohren für den Fall der Figur 1(b) zu bestimmen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, neue Wärmeaustauscher zu schaffen, indem die vorstehend beschriebenen Probleme, die bei den U-förmigen Wärmeaustauschern auftreten, beseitigt werden und zwar insbesondere indem in dem Rohrboden auftretende thermische Spannung minimalisiert wird.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, den Aufbau von wirtschaftlichen und zuverlässigen Wärmeaustauschern durch Minimal!-

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sierung der in dem Rohrboden von Wärmeaustauschern auftretenden thermischen Spannungen zu vereinfachen.

Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, die Kosten zur Herstellung von Wärmeaustauschern niedrig zu halten, da für sie keine hitzebeständigen Materialien für die Rohrboden verwendet werden müssen, indem sowohl der Kontakt des heißen Fluids mit dem Rohrboden vermieden wird als auch die thermische Spannung, die in dem Rohrboden des Wärmeaustauschers auftritt, minimalisiert wird.

Schließlich ist es Aufgabe der Erfindung, wirtschaftliche Wärmeaustauscher herzustellen, bei denen keine hitzebeständigen Materialien für einen inneren Kanalraum verwendet werden müssen, indem der innere Kanalraum, in den die heißen Fluide strömen, auf spezielle Weise angeordnet wird.

Die vorliegende Erfindung kann auch auf andere Wärmeaustauscher als solche vom U-Rohr-Typ angewendet werden, um in dem Rohrboden entstehende thermische Spannung zu minimalisieren.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert.

In den Zeichnungen zeigen:

Figur 1(a) und (b) schematische senkrechte Schnittansichten von herkömmlichen Wärmeaustauschern vorn.U-Rohr-Typ,

Figur 1(a¹) ein Schnitt entlang der Linie A-A in Figur 1 (a), Figur 1(b¹) einen Schnitt entlang der Linie B-B in Figur 1(b),

Figur 1(a") und (b") Temperaturverteilungskurven im Verlauf über den Rohrboden,

Figur 2 einen schematischen senkrechten Schnitt durch einen Wärmeaustauscher nach der Erfindung,

Figur 3 eine schematische Detailschnittansicht des Bereiches, an dem das Rohrende an dem Rohrboden befestigt ist,

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Figur 4(a) einen Schnitt entlang der Linie A-A in Figur 2, Figur 4Cb) einen Schnitt entlang der Linie B-B in Figur 2,

Figur 4(c) einen Temperaturverteilungsverlauf an dem Rohrboden des Wärmeaustauschers in Figur 2,

Figur 5(a) und (b) schematische Ansichten von Rohrbündelverläufen eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung und

Figur 6 einen schematischen senkrechten Schnitt noch eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel, der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Figur 2 ist ein schematischer Schnitt durch eine Ausführungsform von Wärmeaustauschern gemäß der Erfindung, wobei der Mantel 11 eine Einlaßdüse 12 und eine Auslaßdüse 13 für das erste Fluid aufweist und ein Rohrboden 14 an dem Bodenteil des Mantels befestigt ist. Ein feststehendes Kopfteil 15 ist an der Seite des Rohrbodens 14 befestigt, die dem Mantel 11 abgewandt ist, und das untere Ende des feststehenden Kopfteils 15 ist mit einer Kanalraumabdeckung 16 abgedeckt, wobei ein getrennter Kanalraum durch das feststehende Kopfteil 15, die Kanalabdeckung 16 und den Rohrboden 14 gebildet und begrenzt wird. Der Kanalraum ist durch eine Trenn-oder Scheidewand 17 in zwei Räume oder Kammern 18, 19 unterteilt. Die obere Kammer 18 ist mit einer Auslaßdüse 20 für das zweite Fluid und die untere Kammer 19 mit einer Einlaßdüse 21 für das zweite Fluid versehen. Ein Bündel von U-förmigen Rohren 22 ist in dem Mantel 11 angeordnet, wobei sich jeweils ein Ende der ü-Rohre an der unteren Oberfläche der Trennwand 17 öffnet und mit der unteren Kammer 19 des Kanalraumes kommuniziert und das andere Ende jedes U-Rohres sich an der unteren Oberfläche des Rohrbodens 14 öffnet und mit der oberen Kammer 18 des Kanalraums kommuniziert.

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Figur 3 ist ein schematischer Schnitt, der zeigt, wie das Rohrende an der Trennwand 17 zu befestigen ist. Wie aus dieser Figur ersichtlich ist, ist das Rohrende des U-Rohres an dem Rohrboden 14 befestigt und ein getrenntes gerades Rohr 23 ist mit dem Rohrende verbunden, wobei eine Rohrausdehnungstechnik oder dergleichen verwendet wird, und erstreckt sich durch die obere Kammer 18 des Kanalraums und ist an der Trennwand 17 mit einer Hohlschraube oder dergleichen befestigt.

Die Figuren 4(a) und (b) zeigen jeweils den Schnitt entlang der Linie A-A bzw. B-B in Figur 2. h., bis h_o stellen die Einlaß-

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enden der Rohre für das zweite Fluid dar und I₁ bis l_o stellen die Auslaßenden der Rohre für das zweite Fluid dar. Die Rohre h und 1 sind somit abwechselnd angeordnet, wobei in dem oberen Teil des Mantels 11 die Rohre h... und 1- miteinander kommunizieren und die Rohre I₁ und h« miteinander kommunizieren usw.

Beim Betrieb des vorstehend beschriebenen Beispiels für den Wärmeaustauscher nach der Erfindung tritt das erste Fluid von der Einlaßdüse 12 in den Mantel 11 und verläßt die Vorrichtung nach dem Austausch von Wärme mit dem zweiten Fluid und nachdem es erhitzt worden ist aus der Auslaßdüse 13. Andererseits tritt heißes zweites Fluid von der Einlaßdüse 21, die sich in der unteren Kammer 19 des Kanalraums befindet, in die untere Kammer 19 ein, strömt durch die Einlaßöffnungen 22a der U-Rohre, die sich an der Trennwand 17 öffnen, in die U-Rohre und strömt nach dem Austausch von Wärme mit dem ersten Fluid an dem U-Rohrabschnitt 22 und nach Abkühlung durch die Auslaßöffnungen 22b der U-Rohre, die sich an der Rohrplatte 14 öffnen, in die untere Kammer 18 des Kanalraumes ein und verläßt die Anlage durch die Auslaßdüse 20.

In diesem Falle kommt der Rohrboden 14 mit dem kalten zweiten Fluid in Kontakt, das nach dem Austausch von Wärme mit dem ersten Fluid abgekühlt ist, aber er kommt nicht direkt mit dem heißen zweiten Fluid in Kontakt. Die Temperaturverteilung in dem

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Rohrboden 14 ist in Figur 4(c) angegeben, wobei die mit den Einlaßöffnungen h.. bis h_ft der U-Rohre in Berührung stehenden Abschnitte erhitzt sind und die mit den Auslaßöffnungen I₁ bis Ig in Kontakt stehenden Abschnitte der U-Rohre kühler sind, aber die Temperaturdifferenz zwischen ihnen kleiner als bei herkömmlichen Einrichtungen ist, wie es in den Figuren 1(a") und (b") gezeigt ist, wobei die Kurve relativ flach verläuft. Demzufolge ist die in dem Rohrboden 14 entstehende thermische Spannung sehr klein,

Die U-Rohre können in solch einer Weise angeordnet werden, wie es in den Figuren 5(a) und (b) dargestellt ist, wobei der einlaßseitige Teil jedes Rohres neben dem auslaßseitigen Teil desselben angeordnet ist, wobei die Krümmung des gekrümmten Abschnittes der U-Rohre klein gemacht wird.

Figur 6 ist ein schematischer Schnitt durch eine andere Ausführungsform eines Wärmeaustauschers gemäß der Erfindung. In dieser Ausführungsform ist eine innere Kanalkammer 31 in dem Kanalraum 30 vorgesehen, und heißes zweites Fluid tritt in die innere Kanalkammer 31 ein und strömt nach dem Wärmeaustausch durch die U-Rohre und Abkühlung in den Raum außerhalb der inneren Kanalkammer 31 und verläßt die Vorrichtung durch die Auslaßdüse. Die innere Oberfläche der inneren Kanalkammer 31 ist vorzugsweise mit Wärmeisolationsmaterial 32 ausgekleidet. Dies gestattet die Verwendung von nicht-wärmebeständigem Stahl als Wandmaterial für die innere Kanalkammer 31, da die äußere Oberfläche der Kanalkammer 31 nicht direkt mit dem heißen zweiten Fluid in Kontakt kommt, und der Kanalraum 30 ist auch nicht dem heißen zweiten Fluid ausgesetzt und daher kann das Auslegen und die Materialauswahl für die Wärmeaustauscher auf der Grundlage einer Tieftemperaturbeanspruchung gemacht werden.

Die obigen Ausführungsformen wurden anhand von U-Rohr-Wärmeaustauschern beschrieben, aber der Aufbau gemäß der Erfindung,

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bei dem ein Kanalraum zum Zuführen von heißem zweitem Fluid abgetrennt ist, um zu verhindern, daß heißes zweites Fluid direkt mit einem dicken Rohrboden in Kontakt kommt, kann auch auf andere Wärmeaustauscher angewendet werden, die vom anderen Typ als U-Rohr-Wärmeaustauseher sind, und auch diese Ausführungsformen der Anwendung der Erfindung auf andere Wärmeaustauscher fällt in den Umfang der Erfindung.

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Claims

Patentansprüche

Wärmeaustauscher, der einen Mantel, der ein erstes Fluid enthält, Rohre, die in dem Mantel vorgesehen sind und in diesen heißes zweites Fluid zum Wärmeaustausch mit dem ersten Fluid einführen, und einen Rohrboden umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kanalraum mit einer Auslaßöffnung (20) und einer Einlaßöffnung (21) für dieses zweite Fluid auf der Seite ues Rohrbodens (14), die dem Mantel (11) abgewandt ist, angebracht ist und die Rohrauslaßenden (22b) für das zweite Fluid nach dem Austausch von Wärme durch den Rohrboden (14) hindurchreichen und sich in den Kanalraum öffnen, der einen getrennten Abschnitt oder Kammer (19; 31) enthält, der mit Abstand von dem Rohrboden (14) angeordnet ist, wobei dieser getrennte Abschnitt bzw. die Kammer (19) darin mit einer Einlaßöffnung (21) für das heiße zweite Fluid und Einlassöffnungen (22a) der heißen Seite der Rohre versehen ist, die sich durch den Rohrboden (14)

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erstrecken und in dem Mantel (11) angeordnet sind, und wobei weiterhin die Einlaßöffnungen (22a) der heißen Seiten und die Auslaßöffnuägen (22b) der kalten Seiten der U-Rohre (22) an dem Rohrboden (14) alternierend angeordnet sind, um thermische Spannungen in dem Rohrboden zu minimalisieren.
2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Kanalraum durch eine Trenn-oder Scheidewand (17) geteilt ist, um einen getrennten Abschnitt oder eine getrennte Kammer (19; 31) zu bilden.
3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Kanalraum (30) eine innere Kanalkammer (31) enthält, durch die ein getrennter Abschnitt gebildet wird.
4. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre, durch die das zweite Fluid geleitet wird, U-förmige Rohre (22)sind.
5. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Einlaßteil· (h.., h„, ...) und ein Ausiaßteil (1-, Ij, .··) jeweils eines dieser ü-förmigen Rohre (22) benachbart zueinander angeordnet sind, um die Krümmung des gekrümmten Abschnittes der Ü-Rohre (22) kleinzuhalten.
6. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5 , dadurch gekennzeichnet, daß der ganze Kanalraum oder ein Teil des Kanalraums (30) und der getrennte Abschnitt bzw. die Kanalkammer (19; 31) mit Wärmeisolationsmaterialien (32) abgedeckt oder ausgekleidet sind.

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