DE3315250A1 - Einrichtung zur stroemungsverteilung in waermeaustauschern - Google Patents

Einrichtung zur stroemungsverteilung in waermeaustauschern

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    • F28D7/16—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation
    • F28D7/163—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation with conduit assemblies having a particular shape, e.g. square or annular; with assemblies of conduits having different geometrical features; with multiple groups of conduits connected in series or parallel and arranged inside common casing
    • F28D7/1653—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation with conduit assemblies having a particular shape, e.g. square or annular; with assemblies of conduits having different geometrical features; with multiple groups of conduits connected in series or parallel and arranged inside common casing the conduit assemblies having a square or rectangular shape

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Description

Patentanwältin
Dr. Ursula DörfeS-Töbing Dipl.-Chem.
D-69 Heidelberg 1. 23 2 Bergstraße 152
Tel. C06221) 45159
Postscheckkonto Ludwigshafen Nr. 75307-674 Heidelberger Volksbank Nr 25031008
Mein Zeichen: 371
(B983
HALBERG Maschinenbau GmbH
Halbergstr» 1 6700 Ludwigshafen/Rhein
Einrichtung zur Strömungsverteilung in Wärmeaustauschern
HALBERG Maschinenbau GmbH u
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Strömungsverteilung in Wärmeaustauschern, in denen ein freiliegendes von einem ersten Strömungsmedium durchflossenes Rohrsystem in einem Gehäuse mit Zulaufstutzen und Ablauf zun Durchleiten eines zweiten Strömungsmediums angeordnet ist, wobei die Länge des freiliegenden Rohrsystems wesentlich größer ist als der Durchmesser des Zulaufstutzens zum Einleiten des zweiten Strömungsmediums.
Das radiale Anströmen eines frei in einem Wärmeaustauschergehäuse liegenden Rohrsystems mit dem zweiten Strömungsmedium ruft besonders an den Rohrabschnitten in der Nähe des ZulaufStutzens für das zweite Strömungsmedium, wo die Strömungsgeschwindigkeit des zweiten Strömungsmediums am größten ist, Erosionen und Korrosionen an der Oberfläche der Wärmeaustauscherrohre hervor.
Ist die Länge des freiliegenden Rohrsystems wesentlich größer als der Durchmesser des ZulaufStutzens zum Einleiten des zweiten Strömungsmediums, so kann das direkte Anströmem des Rohrsystems dieses zu schädlichen Schwingungen anregen, welche zur Ermüdung und sogar zur Zerstörung des Rohrmaterials führen können. Erosionen, Korrosionen und Schwingungen des Rohrsystems können unter ungünstigen Bedingungen schon nach kurzen Betriebszeiten eine vollständige Zerstörung des Wärmeaustauschers herbeiführen.
In bekannten Vorrichtungen wird das direkte Anströmen von Rohrsystemen in Wärmeaustauschern dadurch vermieden, daß das Rohrsystem mit einem Mantel umgeben wird.
Dieser ist so ausgebildet, daß das zweite Strömungsmedium nach seinem Eintritt in das Gehäuse des Wärmeaustauschers gleichmäßig verteilt wird und
HALBERG ζ
-Jt-
anschließend das umkleidete Rohrsystem in Richtung von dessen Längsachse;, also parallel oder entgegengesetzt zur Strömungsrichtung des ersten Mediums durchfließt.
Eine solche Einrichtung ist Z. B0 in der DE-OS 23 20 beschrieben» Dort ist in einem Wärmeaustauscher das Rohrsystem zum Durchleiten des ersten Strömungsmediums von einer doppelwandigen Strömungskammer umgeben, durch welche das zweite Strömungsmedium zugeführt und verteilt wird= Es tritt anschließend durch eine perforierte kreisringförmige Platte an einem Ende des Rohrsystems in den Raum zwischen den einzelnen Rohren ein und durchströmt den Zwischenraum zwischen den Rohren in Richtung von deren Längsachse«
Auch in der aus der DE-OS 28 31? W)'bekannten Vorrichtung sind die Wärmeaustauscherrohre von einem Zylindermantel mit offenen Stirnseiten umgeben, der zusammen mit dem Gehäuse des Wärmeaustauschers einen Ringraum bildet, in welchem das zweite Strömungsmedium verteilt wird und ebenfalls über eine perforierte kreisringförmige Platte stirnseitig in den Zwischenraum zwischen den Rohren des Wärmeaustauschers eintritt» Es durchströmt den Raum zwischen den Wärmeaustauscherrohren in Richtung der Längsachse der Rohre»
Solche bekannten Vorrichtungen haben verschiedene Nachteile» Zum Umlenken der Strömungsrichtung des zweiten Strömungsmediums in Längsrichtung zu den Rohren des Wärmeaustauschers sind aufwendige Spezialkonstruktionen der Wärmeaustauscher notwendig» Der Sammelraum für das zweite Strömungsmedium an der Stirnseite des Rohrsystems vergrößert die Baulänge des Wärmeaustauschers und macht seine Verwendung aus Platz- oder Montagegründen nicht immer möglich» Außerdem ist an diesen Anordnungen der Durchflußquerschnitt für das zweite Strömungsmedium
HALBERG (,
besonders in langgestreckten Wärmeaustauschern sehr begrenzt.
Eine bekannte Einrichtung zur Strömungsverteilung in einem Plattenwärmeaustauscher (vergl. DE-AS 21 61 604) arbeitet mit einem System von Leitblechen für das zweite Strömungsmedium, welche dieses' in die gewünschte Richtung umlenken und verteilen und bei geringem Druckverlust ein radiales Durchströmem der Zwischenräume . zwischen den Platten des Wärmeaustauschers ermöglichen.
in kompakt gebauten Wärmeaustauschern kann hier oft nur eine sehr begrenzte Zahl von Leitblechen angeordnet werden, so daß nur eine ungenügende Verteilung und grobe Steuerung des Durchflusses des zweiten Strömungsmediums zu erreichen ist. Dies gilt besonders dann, wenn die Länge des Rohrsystems des Wärmeaustauschers wesentlich größer ist als der Durchmesser des ZulaufStutzens für das zweite Strömungsmedium.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf der Basis einer einfachen Konstruktion eines Standard-Wärmeaustauschers eine robuste platzsparende Einrichtung zur Strömungsverteilung zu schaffen, welche ein gleichmäßiges radiales Durchströmen auch von großen Volumina des zweiten Strömungsmediums mit geringem Druckverlust und ohne die Gefahr der materialzerstörenden Erosion, Korrosion und Anregung von schädlichen Schwingungen im Rohrsystem des Wärmeaustauschers ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Einrichtung zur Strömungsverteilung in Wärmeaustauschern mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Zur Erzeugung einer zwar starken aber möglichst gleichmäßigen radialen Strömung zwischen den Rohren eines Wärmeaustauschers hat das perforierte Prallblech zwischen
HALBERG ?
der inneren Öffnung des ZuIaufstutzens für das zweite Strömungsmedium und dem Rohrsystem einen Abstand, der vorzugsweise wenigstens dem zehnfachen des Durchmessers einer Bohrung im Prallblech entspricht.
Die Gleichmäßigkeit der radialen Strömumg des zweiten Strömungsmediums zwischen den Rohren des Wärmeaustauschers wird weiter vorteilhaft dadurch erhöht, daß der Durchmesser der Bohrungen im Prallblech und oder ihre Anzahl pro Flächeneinheit abhängig vom Abstand der Sammelräume oder der einzelnen Abschnitte des Prallblechs zur Achse des Zulaufstutzens verändert wird. Im Allgemeinen steigen die Durchflußquerschnitte der Bohrungen des Prallblechs mit dem Abstand von der Achse des ZulaufStutzens für das zweite Strömungsmedium ano
Trompetenartige Erweiterungen in den Bohrungen des Prallblechs an der Einströmseite passen das Profil dieser Bohrungen an die Strahlkontraktion des zweiten Mediums beim Durchströmen der Bohrungen an, vermindern den Druckverlust beim Durchströmen und wirken ebenfalls vorteilhaft in Richtung der Erzeugung einer möglichst gleichmäßigen radialen Strömung des zweiten Strömungsmediums .
Die Einrichtung zur Strömungsverteilung in Wärmeaustauschern nach der Erfindung hat vor den bekannten Vorrichtungenj in denen das zweite Strömungsmedium in Richtung der Längsachse der Rohre des Wärmeaustauschers umgelenkt und geführt wird, den Vorteil der einfacheren Konstruktion, der geringeren Baulänge des Wärmeaustauschers bei gleicher Leistung, des grösseren Strömungsquerschnitts für das zweite Medium besonders in langgestreckten Wärmeaustauschern. Gegenüber Wärmeaustauschern mit Strömungsverteilung durch Leitbleche besteht der Vorteil einer platzsparenden Bauweise und der Erzeugung einer gleichmäßigeren radialen
HALBERG S
Strömung des zweiten Strömungsmediums um das Rohrsystem des Wärmeaustauschers.
Mit der vorliegenden Erfindung wird die Möglichkeit geschaffen z. B. aus einfach konstruierten Standard-Röhrenbündelwarmeaustausehern durch wenig aufwendige und unkomplizierte zusätzliche Einbauten sehr leistungsfähige Wärmeaustauscher mit geringem Druckverlust für große Strömungsvolumina des zweiten Strömungsmediums zu erhalten, die trotz der radialen Strömungsführung für das zweite Strömungsmedium ohne Erosion , Korrosion und schädliche Schwingungen des Rohrsystems arbeiten.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Röhrenbündel-Wärmeaustauscher,
Fig. 2 einen Querschnitt durch einen solchen Wärmeaustauscher längs der Linie A...B, Fig. 3 eine Draufsicht auf das Prallblech, Fig. 4 einen vergrößerten Ausschnitt aus der Draufsicht nach Fig. 3 und
Fig. 5 den Längsschnitt einer einzelnen Bohrung des Prallblechs mit trompetenartiger Erweiterung.
Aufbau und Wirkungsweise einer Ausführungsform der Einrichtung zur Strömungsverteilung in Wärmeaustauschern nach der Erfindung sind aus der Fig. 1 und gegebenenfalls den anderen Figuren zu entnehmen: Die vom ersten Strömungsmedium durchflossenen parallel geführten Rohre des Rohrsystems 8 eines Standard-Wärmeaustauschers sind in einem das Rohrsystem umschließenden Gehäuse 4 angeordnet. Das Gehäuse 4 besitzt einen Zulaufstutzen 7 zum Zuführen und einen Ablauf 9 zum Abführen des zweiten Strömungsmediums.
Zwischen der inneren öffnung des Zulaufstutzens 7 und dem Rohrsystem 8 ist im Bereich des Zulaufstutzens und darüber hinaus ein dachförmiges perforiertes Prallblech 3 angeordnet, das auf der dem Rohrsystem zugewandten Seite durch St'ßgbleche 1 in Sammelräume 2 mit Stegabständen 11 unterteilt ist.
Der Querschnitt durch den Wärmeaustauscher mit der Einrichtung zur Strömungsverteilung nach Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausbildungsform und Lage des Prallblechs 3 in Bezug auf das Rohrsystem 8.
Durch den Zulaufstutzen 7 fließt das zweite Strömungsmedium in radialer Richtung in den Wärmeaustauscher ein und wird durch das dachförmige über dem Rohrsystem 8 liegende Prallblech zunächst in axialer Richtung zu den Wärmeaustauscher-Rohren umgelenkt. Es bildet sich nun auf der zun Zulaufstutzen 7 hin liegenden Seite des Prallblechs 3 eine bestimmte Geschwindigkeitsverteilung der Strömung verbunden mit unterschiedlichen statischen Drücken des zweiten Strömungsmediums an verschiedenen Stellen des Prallblechs 3 aus.
Die Durchmesser der Bohrungen 5 im Prallblech 3 und/oder ihre Anzahl pro Flächeneinheit werden so gewählt, daß trotz verschiedener statischer Drücke des zweiten Strömungsmediums über verschiedenen Partien des Prallblechs 3 die Sammelräume 2 zwischen Prallblech 3 und Rohrsystem 8 etwa mit gleichen Volumina des zweiten Strömungsmediums versorgt werden.
Fig« 3 und Fig. 4 zeigen beispielhaft die verschiedenen Anzahlen von Bohrungen 5 im Prallblech 3 pro Flächeneinheit in verschiedenen Partien des Prallblechs.
Der Abstand 10 des Prallblechs 3 vom Rohrsystem 8
HALBERG 10
beträgt mindestens das zehnfache einer Bohrung 5. So kann sich das zweite Strömungsmedium nach dem Durchtritt durch das Prallblech 3 zu einer gleichmäßigen ,radialen Strömung ordnen, ehe es das Rohrsystem 8 erreicht und dort in den Zwischenräumen zwischen den Rohren wieder beschleunigt wird.
Der in Fig. 1 dargestellte Längsschnitt zeigt, daß für langgestreckte Wärmeaustauscher ein besonders großer Strömungsquerschnitt für das Durchströmen des zweiten Strömungsmediums geschaffen wird, dessen Engstellen im Zulaufstutzen 7 bzw. im Ablauf 9 liegen. Durch die Zahl und die Wahl der Durchmesser der Bohrungen 5 im Prallblech 3 und die Länge des Prallblechs 3 im Vergleich zur Länge des Rohrsystems 8 kann der Strömungsquerschnitt im Innern des Wärmeaustauschers in einem weiten Bereich variiert und je nach Anforderungen an den Wärmeaustauscher eingestellt werden. Das zweite Strömungsmedium kann die Einrichtung zur Strömungsverteilung nach der Erfindung mit geringem Strömungswiderstand und entsprechend geringem Druckverlust auch beim Durchleiten großer Strömungsvolumina durchfließen.
Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern alle Wärmeaustauscher umfaßt, die dem Fachmann bekannt sind.

Claims (1)

  1. HALBERG Maschinenbau GmbH
    Patentansprüche
    ο Einrichtung zur Strömungsverteilung in Wärmeaustauschern , in denen ein freiliegendes von einem ersten Strömungsmedium durchflossenes Rohrsystem in einem Gehäuse mit Zulaufstutzen und Ablauf zum Durchleiten eines zweiten Strömungsmediums angeordnet istj wobei die Länge des freiliegenden Röhrensystems wesentlich größer ist als der Durchmesser des Zulaufstutzens zum Einleiten des zweiten Strömungsmediums,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß innerhalb des Gehäuses (4) zwischen der inneren
    Öffnung des ZuIaufstutzens (7) und dem Rohrsystem (8) im Bereich des ZulaufStutzens (7) und darüber hinaus ein dachförmiges Prallblech (3) angeordnet ist,das durch zahlreiche Bohrungen (5) perforiert ist und das auf der dem Rohrsystem (8) zugewandten Seite durch Stegbleche (1) in Sammelräume (2) unterteilt ist»
    2„ Einrichtung nach Anspruch 1?
    dadurch gekennzeichnet 3
    daß der Abstand (10) zwischen Prallblech (3) und Rohrsystem (8) mindestens zehnmal größer ist als der Durchmesser einer Bohrung (5) im Prallblech.
    3=. Einrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Durchmesser der Bohrungen (5) und/oder ihre Anzahl pro Flächeneinheit abhängig vom Abstand der Sammelräume (2) zur Achse des Zulauf-
    HALBERG
    Stutzens (7) verändert wird.
    4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (5) an der Einströmseite trompetenartige Erweiterungen (6) aufweisen.
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