DE3541418A1 - Rohrbuendel und waermetauschvorrichtung mit diesem rohrbuendel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft zunächst ein Rohrbündel für Wärme­ tauschervorrichtungen, insbesondere Überhitzer, mit zwei endständigen Rohrplatten, einer Vielzahl von sich zwi­ schen den gelochten Rohrplatten erstreckenden und in den Löchern gehaltenen Rohren, sich im wesentlichen senkrecht zu den Rohren erstreckenden Leitblechen und den Außensei­ ten der Rohrplatten zugeordneten Vorköpfen zur Beauf­ schlagung der Rohre mit Heizmedium.

Aus den DE-OS′en 25 55 539 und 33 07 101 und der US-PS 42 73 077 sind derartige Rohrbündel bekannt, bei denen die Rohrplatten kreisrund ausgebildet sind, und der Vor­ kopf entsprechend halbkugelförmig ausgebildet ist. Da das mittels des Rohrbündels zu erwärmende Strömungsmedium die Rohre quer anströmt und der zulässige Strömungsverlust die Abmessungen des berohrten Feldes der Rohrplatte in Strömungsrichtung im wesentlichen bestimmt, ergeben sich große nicht berohrte und somit ungenutzte Felder in den kreisrunden Rohrplatten. Neben dem unnötig großen Bauvo­ lumen führen die großen unberohrten Felder in den Rohr­ platten dazu, daß beim An- oder Abfahren der mit solchen Rohrbündeln ausgerüsteten Vorrichtungen in den Rohrplat­ ten Spannungen infolge unterschiedlich schneller Aufheizung bzw. Abkühlung hervorgerufen werden.

Außerdem ergibt sich bei Zusammenschaltung mehrerer Rohr­ bündel mit kreisrunden Rohrplatten in ein- oder mehrstu­ figen Überhitzern, daß eine große Vielzahl von Rohrbün­ deln unter Zwischenschaltung einer Vielzahl mit von Dampfleitblechen zusammengebaut werden, um eine vorgege­ bene Überhitzungsleistung zu erzielen. Dampfleitbleche sind aber sehr aufwendig und damit kostenintensiv (vgl. die anhängige Patentanmeldung P 35 31 054.5 der Anmelde­ rin vom 30.08.1985 betreffend eine Vorrichtung zum Trock­ nen von Naßdampf und anschließender zweistufiger Überhit­ zung des getrockneten Dampfes).

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Rohr­ bündel für Wärmetauscher zu schaffen, um bei Einhaltung eines üblichen Strömungswiderstandes die Überhitzungs­ leistung des einzelnen Bündels zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Rohrplatten im wesentlichen rechteckig und in gleichmäßiger Vertei­ lung berohrt sind derart, daß die schmale Seite des quaderförmigen Rohrbündels den Druckverlust bestimmt, und der Vorkopf an diese Ausbildung der Rohrplatte angepaßt ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Rohrbündel treten unberohrte Felder in den Rohrplatten im wesentlichen nicht auf, so daß ein Überhitzer mit vergleichbarer Gesamtheizfläche relativ klein baut. Darüber hinaus bleiben wegen des Weg­ falls von größeren unberohrten Feldern die Spannungen hervorgerufen durch unterschiedlich schnelle Aufheizung während des An- oder Abfahrens des Überhitzers relativ klein.

Bei der rechteckigen Ausbildung der Rohrplatte ist es von Vorteil, wenn der Vorkopf aus zwei Viertelkugeln und einem dazwischenliegenden Halbzylinder besteht. Diese drei Teile des Vorkopfes können auf einfache Weise herge­ stellt und miteinander durch Schweißung verbunden werden.

Um die Zugänglichkeit zu den eingeschweißten oder einge­ walzten Rohren zu verbessern, ist es zweckmäßig, wenn die Lochplatte auf der dem Vorkopf zugewandten Seite mit einem umlaufenden Zwischenring versehen ist, der mit dem Vorkopf verbunden ist. Sofern die Rohrplatte aus einem hochfesten Werkstoff hergestellt wird, der nach dem Ver­ schweißen mit dem Vorkopf einer Wärmebehandlung unterzo­ gen werden muß, verhindert der Zwischenring ein Lösen von zuvor in die Rohrplatte eingewalzten Rohren.

Die Erfindung betrifft auch eine Wärmetauschvorrichtung mit einem zylindrischen Behälter und mindestens einem in dem Behälter angeordneten und mit einem Heizmedium beauf­ schlagten Rohrbündel, insbesondere Vorrichtung zum Trock­ nen von Naßdampf und anschließendem Überhitzen mit einem dem Rohrbündel vorgeschalteten Wasserabscheider. Der Be­ hälter kann entweder ein stehender Behälter oder ein liegender Behälter sein.

Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, daß als Rohrbündel ein quaderförmiges Rohrbündel gemäß der erfindungsgemäßen Bauart eingesetzt wird; diesem kann mindestens ein Dampf­ leitblech zugeordnet sein.

Bevorzugt wird dabei, daß zwei quaderförmige Rohrbündel mit ihren großen Seitenflächen gegenüberstehend in dem Behälter angeordnet sind, um das Behältervolumen besser ausnutzen zu können.

Dabei ist es möglich, daß sich die beiden Rohrbündel pa­ rallel zueinander erstrecken. Hierbei ist es wiederum möglich, daß die Rohrbündel sich parallel zur Achse des Behälters erstrecken oder zu ihr geneigt sind.

Insbesondere bei Ausbildung des Überhitzers als einstu­ figer mehrflutiger Überhitzer ist es von Vorteil, wenn die beiden Rohrbündel gegensinnig zur Behälterachse ge­ neigt sind.

Die ältere Patentanmeldung P 35 31 054 betrifft eine Vor­ richtung der vorstehend genannten Art, bei der den Über­ hitzerrohrbündeln außenliegende und sich in Längsrichtung des Behälters erstreckende Dampfleitbleche derart zuge­ ordnet sind, daß ein Teil der Rohrbündel als erste Über­ hitzerstufe von aus dem Abscheider austretenden getrock­ neten Dampf von außen nach innen durchströmt wird, und der andere Teil als zweite Überhitzerstufe von dem in einen mittigen Kanal eingeströmten Dampf von innen nach außen durchströmt wird. Bei der von der Anmelderin vorge­ schlagenen Anordnung sind die Rohrbündel alle mit kreis­ runder Rohrplatte und halbkugelförmigem Vorkopf versehen. Wie aus den Figuren der älteren Anmeldung hervorgeht muß der Dampfstrom um einen sehr großen Winkel umgelenkt wer­ den. Diese Umlenkung bewirkt einen zusätzlichen Druckver­ lust. Außerdem ist eine Vielzahl von Dampfleitblechen er­ forderlich.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vor­ liegenden Erfindung in Form eines zweistufigen Überhit­ zers ist daher erfindungsgemäß vorgesehen, daß der einen großen Fläche des einen quaderförmigen Rohrbündels ein die gesamte Fläche überdeckendes gekrümmtes Dampfleit­ blech zugeordnet ist, das einer gleichmäßigen Beaufschla­ gung der großen Außenfläche dient und daß der Zwischen­ raum zu dem benachbarten Bündel randseitig geschlossen ist derart, daß der aus der innenliegenden großen Fläche des einen Bündels austretende erhitzte Dampf in die be­ nachbarte innenliegende große Fläche des anderen Bündels eintritt, und dieses auf der anderen großen Fläche als überhitzter Dampf verläßt.

Je nach Lage der Bündel relativ zur Behälterachse kann sich das Leitblech im wesentlichen konzentrisch zur Be­ hälterachse oder geneigt zur Behälterachse erstrecken. Durch die variable Anordnung der beiden Bündel und des konischen Dampfleitbleches - vertikal und/oder geneigt - können die Zu- und Abströmräume für den trockenen nicht überhitzten Dampf bzw. für den überhitzten Dampf in dem Behälter optimal gestaltet werden. Durch die kompakte Bauweise der Bündel und deren variable Anordnung sind bei vorgegebenen äußeren Abmessungen des Behälters die Ein­ bauten relativ klein bzw. bei nicht vorgegebenen Abmes­ sungen ergeben sich geringere äußere Baumaße im Vergleich zu den bisher bekannten Überhitzern mit einer Vielzahl von Rohrbündeln, die mit kreisrunder Rohrplatte und halbkugelförmigem Vorkopf ausgerüstet sind.

Es läßt sich auch eine einfachere klare Strömungsführung mit reduziertem Druckverlust erzielen, da keine Strö­ mungsumlenkungen in die zweite Überhitzerstufe erforder­ lich sind.

Da die Zahl der Rohrbündel und somit die Zahl der Vorköp­ fe reduziert wird, wird auch die Zahl der verbindenden Rohrleitungen, wie Heißdampfzuführung und Kondensatabfüh­ rung wesentlich verringert, wodurch die Vorrichtung kon­ struktiv vereinfacht wird, der Platzbedarf erniedrigt und die Kosten reduziert werden.

Bei Ausbildung der Vorrichtung als einstufiger, mehrflu­ tiger Überhitzer wird der zu trocknende Dampf in den Zwi­ schenraum zwischen den beiden Rohrbündeln eingeführt und durchströmt diese von innen nach außen.

Abschließend soll darauf hingewiesen werden, daß die nun folgenden Figuren das erfindungsgemäße Rohrbündel und Überhitzervorrichtungen beschreiben, die jeweils mit zwei dieser Rohrbündel ausgestattet sind. Es ist selbstverständlich, daß auch Anordnungen für ein- oder mehrstufige Überhitzung unter Einsatz des erfindungsge­ mäßen Rohrbündels möglich sind, die mit mehr als zwei dieser Rohrbündel ausgerüstet sind. Die Rohrbündel können nicht nur in Überhitzern, die dem Überhitzen von Wasser­ dampf dienen, eingesetzt werden, sondern auch in anderen Wärmetauschern, z. B. Gas-Gas oder Gas-Flüssigkeits-Wär­ metauschern. Das bevorzugte Anwendungsgebiet sind jedoch Überhitzer und wiederum bevorzugt zweistufige Überhitzer.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungs­ form der Vorrichtung mit zweistufiger Überhitzung mit einem stehenden Behälter, in dem zwei erfin­ dungsgemäße Rohrbündel vorgesehen sind,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II in Blick­ richtung der Pfeile,

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III-III in Fig. 1 längs der Blickrichtung der Pfeile in vergrößertem Maßstab,

Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV in Fig. 3 und

Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie V-V in Fig. 4,

Fig. 6 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zweistufiger Überhitzung mit zwei zueinander parallelen Rohrbündeln und einem Dampfleitblech, wobei die beiden Rohrbündel gegen die Behälterachse geneigt sind und das Dampfleit­ blech im wesentlichen konzentrisch zur Behälter­ achse angeordnet ist und

Fig. 7 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einstufiger Überhitzung, die im Gegensatz zu den Ausführungsformen gemäß Fig. 1 und 6 nicht als zweistufiger Überhitzer, sondern als zweiflutiger einstufiger Überhitzer ausgebil­ det ist.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist in einem stehen­ den zylindrischen Behälter 1 im unteren Teil ein Wasser­ abscheider 2 angeordnet, der von verschiedener Bauart sein kann. Die Anmelderin verweist hier beispielsweise auf die DE-OS 25 55 539, die DE-OS 33 07 101 oder auf die US-PS 42 73 077.

Oberhalb des Wasserabscheiders 2 sind mittels einer Trag­ platte 3 zwei quaderförmige Rohrbündel 4 und 5 derart an­ geordnet, daß sie sich mit ihren zwei großen Seitenflä­ chen 4 a und 5 a gegenüberstehen und sich parallel zur Achse des Behälters erstrecken. Der Außenfläche 4 b ist ein gekrümmtes konisches Dampfleitblech 6 zugeordnet, das einer gleichmäßigen Beaufschlagung der Fläche 4 b mit von dem Wasserabscheider 2 über eine Öffnung 3 a in der Trag­ platte herangeführtem getrocknetem Dampf dient. Wie aus der Fig. 1 und den Fig. 2 und 3 ersichtlich ist, verklei­ nert sich der Querschnitt unterhalb des Dampfleitbleches 6 in Strömungsrichtung des Dampfes. Der von den großen Seitenflächen 4 a und 5 a begrenzte Raum ist randständig durch die Tragplatte 3 und durch weitere Dampfleitbleche 7 geschlossen, so daß der aus dem Bündel 4 austretende Dampf nur in das Bündel 5 eintreten kann, wobei - wie die Pfeile in Fig. 1 andeuten - keine Umlenkung des Dampfes erforderlich ist. Der auf der großen Seitenfläche 5 b des Bündels 5 austretende überhitzte Dampf tritt in das Be­ hälterinnere ein und wird über einen oder mehrere Dampf­ abführstutzen 8 abgezogen.

Die Rohrbündel 4 und 5 bestehen jeweils aus zwei Rohr­ platten 9 und 10, die aus den Fig. 3 und 4 ersichtliche im wesentlichen rechteckige Form mit abgerundeten Ecken aufweisen. Die berohrten Flächen sind in der Fig. 3 mit F bezeichnet. Aus der Fig. 3 ist ersichtlich, daß der be­ rohrte rechteckige Bereich F im Vergleich zur Gesamtflä­ che der im wesentlichen rechteckigen Rohrplatten 9, 10 anteilsmäßig wesentlich größer ist als im Vergleich zu den bekannten Rohrbündeln mit kreisrunder Rohrplatte, bei denen die berohrte Fläche im wesentlichen quadratisch ist. Wie anhand der Fig. 4 am Beispiel der Rohrplatte 9 erläutert wird, besteht die einzelne Rohrplatte aus einem Plattenrundkörper 9 a der mit einem umlaufenden Rand 9 b versehen ist. Mit dem umlaufenden Rand 9 b ist ein Vorkopf 11 verschweißt, der aus einem halbzylindrischen Mittel­ teil 11 a und zwei endständigen viertelkugelartigen End­ stücken 11 b und 11 c besteht.

Zu den Rohrbündeln gehören sich zwischen den Rohrplatten 9 und 10 erstreckende und mit den Vorköpfen in Strömungs­ mittelverbindung stehende Rohre 12 und an diesen befe­ stigte Leitbleche 13. Bei der in den Fig. 1 bis 5 gezeig­ ten Anordnung wird der Strömungsverlust des zu erwärmen­ den Mediums durch die Schmalseite des quaderförmigen Rohrbündels bestimmt, die aus der Fig. 5 ersichtlich ist.

Die Rohrbündel 4 und 5 für eine zweistufige Überhitzung werden getrennt jeweils über eine Leitung 14 mit Heiß­ dampf beaufschlagt, während das Kondensat bei 15 abgezo­ gen wird.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 6 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 1 dadurch, daß dort zwei Bündel 16 und 17 vorgesehen sind, die unter Aufrechterhaltung eines Parallelabstandes gegenüber der Behälterachse geneigt sind. Dem Bündel 16 ist ein Dampfleitblech 18 zugeordnet, das sich im wesentlichen konzentrisch zur Behälterachse erstreckt, d. h. während sich bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 der Abstand zwischen Außenseite des Dampfleitbleches 6 und der Innen­ wandung des Behälters 1 ändert, bleibt bei Fig. 6 zwischen der Außenfläche des Dampfleitbleches 18 und der Innenflä­ che des Behälters konstant.

Es ist auch möglich, bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 nicht nur die beiden Bündel zu neigen, sondern auch ein im Sinne von Ausführungsform gemäß Fig. 1 geneigtes Blech zu verwenden, wenn dies zur Optimierung erforderlich sein sollte.

Während die Ausführungsformen gemäß Fig. 1 bis 6 einen zweistufigen Überhitzer zeigen, zeigt die Ausführungsform gemäß Fig. 7 einen zweiflutigen einstufigen Überhitzer. Die beiden Rohrbündel 19 und 20 sind - wie aus der Fig. ersichtlich - gegensinnig zueinander und zur Behälterach­ se geneigt und werden über eine gemeinsame Leitung 14 mit Dampf beaufschlagt. Der aus dem Wasserabscheider 2 aus­ tretende getrocknete Dampf tritt in den Raum zwischen den beiden Rohrbündeln ein, dessen Querschnitt sich entspre­ chend verjüngt, durchströmt die beiden Bündel 19 und 20 von innen nach außen.

Falls es erforderlich ist, der lokalen Saugwirkung an dem oder den Dampfabführungsstutzen 8 gesteuert entgegenzu­ wirken, kann es zweckmäßig sein, eine Lochblende 21 im Bereich der Stutzen 8 anzuordnen, wie dies in der Fig. 1 schematisch dargestellt ist.

Wenn die beiden Rohrbündel 4 und 5 in Fig. 1 bzw. die beiden Rohrbündel 19 und 20 in in Fig. 6 über eine ge­ meinsame Leitung beaufschlagt werden, erfolgt bei diesen ebenfalls eine einstufige Überhitzung.

Claims (10)

1. Rohrbündel für Wärmetauschervorrichtungen, insbeson­ dere Überhitzer, mit zwei endständigen Rohrplatten, einer Vielzahl von sich zwischen den gelochten Rohr­ platten erstreckenden und in den Löchern gehaltenen Rohren, sich im wesentlichen senkrecht zu den Rohren erstreckenden Leitblechen und den Außenseiten der Rohrplatten zugeordneten Vorköpfen zur Beaufschlagung der Rohre mit Heizmedium, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Rohrplatten (9, 10) im wesentlichen rechteckig und in gleichmäßiger Vertei­ lung (F) berohrt sind derart, daß die schmale Seite des quaderförmigen Rohrbündels (4, 5) den Druckverlust bestimmt, und der Vorkopf (11) an diese Ausbildung der Rohrplatte angepaßt ist.

2. Rohrbündel nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Vorkopf (11) aus zwei Viertelkugeln (11 b, 11 c) und einem dazwischen liegenden Halbzylinder (11 a) besteht.

3. Rohrbündel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochplatte (9) auf der dem Vorkopf (11) zugewandten Seite mit einem umlaufenden Zwischenring (9 b) versehen ist, der mit dem Vorkopf verbunden ist.

4. Wärmetauschervorrichtung mit einem zylindrischen Behälter und mindestens einem in dem Behälter angeord­ neten und mit einem Heizmedium beaufschlagten Rohrbün­ del, insbesondere Vorrichtung zum Trocknen von Naß­ dampf und anschließendem Überhitzen mit einem dem Rohrbündel vorgeschalteten Wasserabscheider, da­ durch gekennzeichnet, daß als Rohrbündel ein quaderförmiges Rohrbündel (4, 5) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwei quaderförmige Rohrbündel (4, 5; 16, 17; 19, 20) mit ihren großen Seitenflächen (4 a, 5 a) gegenüberstehend in dem Behälter (1) angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich die beiden Rohr­ bündel (4, 5; 16, 17) parallel zueinander erstrecken.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrbündel sich parallel (4, 5) zur Achse des Behälters (1) erstrecken oder zu ihr geneigt (16, 17) sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei Ausbildung des Überhitzers als einstufiger mehrflutiger Überhitzer die beiden Rohrbündel (19, 20) gegensinnig zur Behäl­ terachse geneigt sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung des Überhitzers als zweistufiger Überhitzer der einen großen Fläche (4 b) des einen quaderförmigen Rohrbündels (4) ein die gesamte Fläche überdeckendes gekrümmtes Dampfleitblech (6; 18) zugeordnet ist, das einer gleichmäßigen Beaufschlagung der großen Fläche dient, und daß der Zwischenraum zu dem benachbarten Bündel (5) randseitig (3, 7) geschlossen ist derart, daß der auf der innenliegenden großen Fläche (4 a) des einen Bündels (4) austretende erhitzte Dampf in die benachbarte innenliegende große Fläche (5 a) des ande­ ren Bündels (5) eintritt, und dieses auf der anderen großen Fläche (5 b) als überhitzter Dampf verläßt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich je nach Lage der Bündel (6, 7; 16, 17) zur Be­ hälterachse das Leitblech (6; 18) sich im wesentli­ chen konzentrisch zur Behälterachse oder geneigt zur Behälterachse erstreckt.