DE3136865C2

DE3136865C2 - Röhrenwärmetauscher mit im Strömungsraum angeordneten Strömungsleiteinbauten

Info

Publication number: DE3136865C2
Application number: DE3136865A
Authority: DE
Inventors: Gert Dr.-Ing. 5759 Fröndenberg Langer; Helmut Dr.-Ing. 4600 Dortmund Michele; Udo Prof. Dr.-Ing. 4350 Recklinghausen Werner
Original assignee: Schwelmer Eisenwerk Mueller & Co 5830 Schwelm De GmbH
Current assignee: Schwelmer Eisenwerk Mueller & Co 5830 Schwelm De GmbH
Priority date: 1981-09-17
Filing date: 1981-09-17
Publication date: 1984-08-30
Also published as: IT8223008A0; DE3136865A1; IT1153177B

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Röhrenwärmetauscher mit Wärmetauschermantel, eingesetzten Rohrböden und einer Mehrzahl von in den Rohrböden befestigten Wärme tauscherrohren, die von zumindest einem Wärmeaus tausch medium durchströmt sind. Der Wärmetauschermantel be sitzt einen Eintritt, einen Austritt sowie einen Strömungsraum für ein anderes Wärmeaustauschmedium, wobei im Strömungsraum Strömungsleiteinbauten angeordnet sind, die von den Wärmetauscherröhren durchdrungen sind. Die Strömungsleiteinbauten lassen im Bereich der Wärmetauscherröhren Strömungsdurchtritte frei. Um Schwingungen der Wärmetauscherröhren zu vermeiden sind die Wärmetauscherröhren in den Strömungsdurchtritten an den Strömungsleiteinbauten schwingungsstabil abgestützt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Röhrenwärmetauscher mit Wärmetauschermantel, eingesetzten Rohrboden und einer Mehrzahl von in den Rohrboden befestigten, im Querschnitt runden Wärmetauscherröhren, die von zumindest einem Wärmeaustauschmedium durchströmbar sind, wobei der Wärmetauschermantel einen Eintritt, einen Austritt sowie einen Strömungsraum für ein anderes Wärmeaustauschmediutn aufweist, wobei fernerhin im Strömungsraum Strömungsleiteinbauten aneeordnet sind, die von den Wärmelauscherröhren durchdrungen sind und im Bereich der Wärmetauscherröhren Strömungsdurchtritte freilassen, in denen die Wärmetauscherröhren in den Strömungsleiteinbauten schwingungsstabil eingespannt sind. — Die Erfindung ist insbes. bei solchen Röhrenwärmetauschern anwendbar, bei denen der Wärmetauschermantel innenseitig, die Wärmetauscherröhren außenseitig eine Emailleauflage aufweisen. Der Wärmetsuschermantel kann am Wärmeaustausch teilnehmen und ist in einem solchen Fall regelmäßig als Doppelmantel ausgeführt, in dem ein weiteres Wärmeaustauschmedium fließt

Bei einer (aus der Praxis) bekannten Ausführungsform sind die Strömungsleiteinbauten Platten und die Strömungsdurchtritte runde Löcher, deren Durchmesser beachtlich größer ist als der Außendurchmesser der Wärmetauscherröhren. Man erreicht so eine Umströmung der Wärmetauscherröhren im Bereich der Strömungsleiteinbauten, und zwar mit Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit, weil an den einzelnen Strömungsdurchtritten gleichsam Düseneffekte entstehen. Anders ausgedrückt fließt das den Strömungsraum durchströmende Wärmeaustauschmedium im wesentlichen in Richtung der Wärmetauscherröhren, ohne daß es auf seinem Weg durch den Strömungsraum von den Strömungsleiteinbauten umgelenkt wird. Da der Gesamtquerschnitt der Strömungsdurchtritte geringer ist, als der Querschnitt des Strömungsraums, erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit im Bereich dieser Strömungsdurchtritte.

Die genannten Düseneffekte führen zu turbulenten Strömungsformen mit durch die Turbulenzen erzeugten Druckschwankungen, die auch die Wärmetauscherröhren beaufschlagen und zu mechanischen Schwingungen anregen. Diese Schwingungserscheinungen können korrosionsfördernde Risse oder auch Dauerbrüche entstehen lassen.

Bei einem gattungsgemäßen Röhrenwärmetauscher (US-PS 22 56 993) ist es bekannt, die einzelnen Wärmetauscherröhren zur Vermeidung eines Durchhangs abzustutzen. Bei der bekannten Ausführungsform sind die Strömungsleiteinbauten die Träger für die Wärmetauscherröhren und offenbar entsprechend nach statischen Gesichtspunkten angeordnet. Die Anordnung nimmt keine Rücksicht darauf, daß der gesamte Röhrenwärmetauscher ein schwingungsfähiges System ist, indem die Wärmetauscherröhren mit Grundschwingungen und Oberschwingungen, Schwingungsbäuchen und Schwingungsknoten schwingen. Im übrigen kennt man Röhrenwärmetauscher, bei denen das den Strömungsraum durchströmende Wärmeaustauschmedium durch entsprechende Anordnung von plattenförmigen Strömungsleiteinbauten auf einem mäanderförmigen Weg geführt ist (DE-OS 23 39 364). Dabei sind die Wärmetauscherröhren durch die Strömungsleiteinbauten geführt und werden von diesen eng umschlossen. Bei einer demgegenüber abgewandelten Ausführung (DE-OS 23 07 685) sind die Strömungsleiteinbauten frei im Strömungsraum angeordnet und lediglich von den Wärmetauscherröhren getragen. Zusätzlich sind unmittelbar neben diesen Strömungsleiteinbauten Stützwände angeordnet, die für die einzelnen Wärmetauscherröhren so große Durchtrittsöffnungen lassen, daß sich die Wärmetauscherröhren mit den Strömungsleiteinbauten relativ zu den Stützwänden bewegen und Schwingungen ausführen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Wärmetauscher so weiter auszubilden, daß störende Schwingungen der Wärmelauscherröhren

nicht mehr auftreten.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Strömungsleiteinbauten außerhalb der Schwingungsknoten der zwischen den Rohrböden grundsätzlich in Grundschwingung und Oberschwingungen schwingbaren Wärmetauscherröhren angeordnet sind. — Durch diese Ausführungsform werden das Strömungsbild und das funktionell Verhalten eines gattungsgemäßen Röhrenwärmetauschers in thermodynamischer Hinsicht nicht verändert; denn nach wie vor fließt das den Strömungsraum durchströmende Wärmeaustauschniedium hauptsächlich in Richtung der Wärmetauscherröhren, so daß ein guter Wärmeübergang nach wie vor gewährleistet ist Darüber hinaus ist aber sichergestellt, daß die Wärmetauscherröhren keine unerwünschten Schwingungen ausführen und zwar weder Grundschwingungen noch Oberschwingungen. Dadurch, daß die Wärmetauscherröhren jeweils außerhalb der Schwingungsknoten in den Strömungsdurchtritten der verschiedenen Strömungsleiteinbauten eingespannt sind, können die dort wirksamen Erregerkräfte (Druckschwankungen) nicht mehr im Sinne einer Schwingungsanfachung wirksam werden, weil die Erregerkräfte unmittelbar über die Strömungsleiteinbauten abgeleitet werden. Auch freie Schwingungen der Wärmetauscherröhren sind ausgeschlossen. Störende Ablagerungen an den Wärmetauscherröhren werden nicht beobachtet.

Im einzelnen läßt sich die Erfindung auf verschiedene Weise verwirklichen. In der Ausführungsform, bei der die Strömungsleiteinbauten als Platten ausgeführt sind, lehrt die Erfindung, die Strömungsdurchtritte als eckige Löcher auszubilden und die Wärmetauscherröhren an den Lochseitenwänden schwingungsstabil abzustützen. Die Strömungsdurchtritte können z. B. regelmäßig dreieckigen, quadratischen oder regelmäßig polygonalen Grundriß aufweisen. Dann bestimmt der Außendurchmesser der Wärmetauscherröhren letzten Endes die Größe dieses Grundrisses, weil die Wärmetauscherröhren an den Lochseitenwänden abgestützt sind. Überraschenderweise ergeben sich dabei für die meisten Anwendungsfälle auch günstige Strömungsverhältnisse in den Strömungsdurchtritten, die den Wärmeaustausch günstig beeinflussen. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Strömungsdurchtritte als runde Löcher auszubilden, deren Durchmesser beachtlich größer ist als der Außendurchmesser der Wärmetauscherröhren. Hier lehrt die Erfindung, daß in den Strömungsdurchtritten radiale Stege angeordnet sowie an diesen die Wärmetauscherröhren abgestützt sind. Die Stege funktionieren hier turbulenzerzeugend, ähnlich wie an Stäben in Strömungen Kärmänsehe Wirbelstraßen entstehen, so daß auch bei dieser Ausführungsform die für die schwingungsstabile Abstützung durchgeführten Maßnahmen den Wärmeaustausch günstig beeinflussen. Letzteres gilt insbes. für eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Strömungsdurchtritte zwischen Stäben gebildet sind, die als Strömungsleiteinbauten sich überkreuzend angeordnet sind und an den Wärnietauscherröhren abstützend anliegen. Im allgemeinen wird man runde Stäbe verwenden. Die Stäbe der einzelnen Strömungsleiteinbauten sind zweckmäßigeiweise in zumindest zwei Ebenen angeordnet, die in be-'.ug auf die Achse der Wärmetauscherröhren hintereinander liegen.

Im folgenden w'r'l die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausfiihruiu!sbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert. Es /.cigt in schcmaiischer Dar-F i g. 1 einen Schnitt durch einen Rohrenwärmetauscher,

F i g. 2 in gegenüber der F i g. 1 wesentlich vergrößertem Maßstab etwa in einem Schnitt A-A einen Aus>schnitt aus einer der als Platten ausgeführten Strömungsleiteinbauten mit im Grundriß dreieckigen Strömungsdurchtritten,

Fig.3 entsprechend der Fig.2 eine Ausführungsform mit im Grundriß quadratischen Strömungsdurchtritten,

Fig. 4 entsprechend der Fig. 2 eine Ausführungsform mit im Grundriß runden Strömungsdurchtritten,

F i g. 5 entsprechend der F i g. 2 eine andere Ausführungsform der Erfindung und

Fig.6 eine Seitenansicht des Gegenstandes der Fig. 5.

Der in F i g. 1 dargestellte Röhrenwärmetauscher besitzt einen Wärmetauschermantel 1, eingesetzte Rohrboden 2 und eine Mehrzahl von in den Rohrboden 2 befestigten, im Querschnitt runden Wärmetauscherröhren 3, die im Ausführungsbeispiel von einem Wärmeaustauschmedium durchsvrömt sind. Dieses Wärmeaustauschmedium wird über eine einem der Rohrboden 2 vorgeschaltete Verteilerkammer 4 zugeführt und über einen Sammler 5 abgeführt. Der Wärmetauschermantel 1 besitzt einen Eintritt 6, einen Austritt 7 sowie einen Strömungsraum 8 für ein anderes Wärmeaustauschmedium, wobei im Strömungsraum 8 Strömungsleiteinbauten 9 angeordne; sind. Diese sind von den Wärmetauscherröhren 3 durchdrungen und im Bereich der Wärmetauscherröhren 3 sind Strömungsdurchtritte 10 freigelassen. Aus einer vergleichenden Betrachtung der F i g. 2 bis 5 entnimmt man, daß die Wärmetauscherröhren 3 in den Strömungsdurchtritten 10 an den Strömungsleiteinbauten 9 abgestützt sind, und zwar schwingungsstabil. Bei der Ausführungsform nach den F i g. 2, 3,4 sind die Strömungsleiteinbauten 9 als Platten ausgeführt. Die Strömungsdurchtritte 10 sind hier eckige Löcher und die Wärmetauscherröhren 3 sind an den Lochseitenwänden U schwingungsstabil abgestützt. In Fig.2 sind die Strömungsdurchtritte 10 regelmäßige Dreiecke. In Fig.3 sind die Strömungsdurchtritte 10 mit quadratischem Grundriß ausgeführt, man könnte sie auch mit polygonalem Grundriß versehen. Bei der Ausführungsform nach F i g. 4 sind die Strömungsdurchtritte 10 als runde Löcher ausgebildet, deren Durchmesser beachtlich größer ist als der Außendurchmesser der Wärmetauscherröhren 3. In den Strömungsdurchtritten 10 sind radiale Stege 12 angeordnet und an diesen sind ^r)0 die Wärmetauscherröhren 3 abgestützt. — Es versteht sich von selbst, daß die Dicke der Platten 9 ausreicht, um diese selbst ausreichend schwingungsstabil zu machen.

Bei der Ausführungsform nach den F i g. 5 und 6 sind die Strömungsdurchtritte 10 zwischen Stäben gebildet. Diese sind als Strömungsleiteinbauten 9 sich überkreuzend angeordnet und liegen an den Wärmetauscherröhren 3 an. Im Ausführungsbeispiel sind d^e Stäbe der einzelnen Strömungsleiteinbauten in zumindest zwei Ebenen angeordnet. Diese liegen in bezug auf die Achse bo der Wärmetauscherröhren 3 hintereinander.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Röhrenwärmetauscher mit Wärmetauschermantel, eingesetzten Rohrboden und einer Mehrzahl von in den Rohrboden befestigten, im Querschnitt runden Wärmetauscherröhren, die von zumindest einem Wärmeaustauschmedium durchströmbar sind, wobei der Wärmetauschermantel einen Eintritt, einen Austritt sowie einen Strömungsraum für ein anderes Wärmeaustauschmedium aufweist, wobei fernerhin im Strömungsraum Strömungsleiteinbauten angeordnet sind, die von den Wärmetauscherröhren durchdrungen sind und im Bereich der Wärmetauscherröhren Strömungsdurchtritte freilassen, in denen die Wärmetauscherröhren in den Strömungsleiteinbauten schwingungsstabi! eingespannt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsleiteinbauten (9) außerhalb der Schwingungsknoten der zwischen den Rohrboden (2) grundsätzlich in Grundschwingung und Oberschwingungen schwingbaren Wärmetauscherröhren (3) angeordnet sind.

2. Röhrenwärmetauscher nach Anspruch 1 in der Ausführungsform, bei der die Strömungsleiteinbauten als Platten ausgeführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsdurchtritte (10) als eckige Löcher ausgebildet und die Wärmetauscherröhren (3) an den Lochseitenwänden (11) schwingungsstabil abgestützt sind.

3. Röhrenwärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsdurchtritte (10) regelmäßig dreieckigen, quadratischen oder regelmäßig polygonalen Grundriß aufweisen.

4. Röhrenwärmetauscher nach Anspruch 1 in der Ausführungsform, bei der die Strömungsleiteinbauten als Platten und die Strömungsdurchtritte als runde Löcher ausgebildet sind, deren Durchmesser beachtlich größer ist als der Außendurchmesser der Wärmetauscherröhren, dadurch gekennzeichnet, daß in den Strömungsdurchtritten (10) Stege (12) angeordnet sowie an diesen die Wärmetauscherröhren (3) abgestützt sind.

5. Röhrenwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsdurchtritte (10) zwischen Stäben gebildet sind, die als Strömungsleiteinbauten (9) sich überkreuzend angeordnet sind und die an den Wärmetauscherröhren (3) abstützend anliegen.

6. Röhrenwärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe der einzelnen Strömungsleiteinbauten (9) in zumindest zwei Ebenen angeordnet sind, die in bezug auf die Achse der Wärmetauscherröhren (3) hintereinander liegen.