DE3726448A1 - Waermetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Wärmetauscher mit einem Gehäuse, durch das ein Temperiermittel strömt, das mindestens zwei von einem zu temperierenden Fluid durchströmte Wärmetauscherrohre aufweist, die das Gehäuse im wesentlichen in Richtung der Schwerkraft durchsetzen, und bei dem das zu temperierende Fluid die Wärmetauscherrohre entgegen der Schwerkraft durchströmt.

Wärmetauscher bestehen in der Regel aus mehreren zylinderförmigen Wendeln, welche zueinander koaxial angeordnet sind und von einem Verteilersystem aus­ gehend parallel eingespeist werden; der Strömungsausgang der wendelförmigen Wärmetauscherrohre ist ebenfalls mit einem Strömungsverteiler verbunden.

Als nachteilig erweist sich bei derartigen Wärmeaustauschern der verhältnis­ mäßig große apparative Aufwand, wobei aufgrund der wendelförmigen Anordnung stets ein Teil der Windungen im Strömungsschatten des Fluids liegt; dies bedingt relativ große Wärmetauscherrohre. Weiterhin ist der Aufbau verhältnis­ mäßig instabil und führt in der Praxis zu Schwingungen, so daß zusätzliche Stabilisierungsmaßnahmen erforderlich sind.

Weiterhin sind Wärmetauscher bekannt, bei denen das zu erwärmende Fluid in rohrartigen Wärmetauscherrohre von einem Temperiermittel umströmt wird, wobei die Wärmetauscherrohre von einem zylindrischen Gehäuse umgeben sind, dessen Stirnseiten als Rohrbodenplatten zur Aufnahme der Enden der Wärme­ tauschkörper ausgebildet sind.

Solche Wärmetauscher werden auch als Rohrbündelwärmetauscher bezeichnet.

Als nachteilig erweist sich bei solchen Wärmetauschern die bei vertikaler Strömungsrichtung des Fluids einwirkende Schwerkraft, welche in der Dampfphase oberhalb der Austrittsöffnungen der Wärmetauscherrohre zum Rücklauf aus­ kondensierter Flüssigkeitspartikel des Fluids durch die Wärmetauscherrohre führen kann. Hieraus ergibt sich eine Verschlechterung des Wirkungsgrades.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, einen Wärmetauscher zu schaffen der trotz vertikaler Anströmrichtung der Wärmetauscherrohre den Rücklauf aus­ kondensierter Partikel durch die Wärmetauscherrohre verhindert. Darüber hinaus soll ein möglichst hoher Wirkungsgrad gegenüber den in der Praxis üblichen Wärmetauschern erzielt werden. Der Wärmetauscher soll dabei für den Einsatz in Kolonnen, insbesondere Glaskolonnen, geeignet sein, wobei er durch einfache Montage bzw. Demontagemöglichkeit zur Wartungsfreundlichkeit beitragen soll.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des An­ spruches 1 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Das die Wärmetauscherrohre umschließende Gehäuse weist eine zylindrische Form auf, wobei Zylinderachse und Anströmrichtung zueinander parallel verlaufen, d. h. die Zylinderachse vertikal ausgerichtet ist. Dabei sind mehrere Wärmetauscherrohre mit ihren Austrittsöffnungen in verschiedenen Abständen zur Achse des zylindrischen Gehäuses angeordnet; die Fläche der Austrittsöffnungen wird dabei so gewählt, daß das die Fläche der Austrittsöffnungen der von der Zylinderachse am weitesten entfernten Wärmetauscherrohre größer sind als die Fläche der Austrittsöffnungen der anderen Wärmetauscherrohre; die Größe der Austrittsöffnungen kann dabei im umgekehrten Verhältnis zum Abstand der Wärme­ tauscherrohre von der Zylinderachse stehen. Das Verhältnis zwischer freier Austrittsfläche zur gesamten Stirnfläche des Wärmetauschers liegt im Bereich von 30 bis 50%. Die Austrittsfläche entspricht dabei dem Rohrquerschnitt im Austrittsbereich der Wärmetauscherrohre.

Es ist jedoch auch möglich, die Austrittsfläche durch Abschluß der Rohrenden mit verschieden großen Durchlaßöffnungen, beispielsweise durch aufgesetzte Kappen festzulegen. Weiterhin ist es möglich zwecks optimaler Anpassung an die im stationären Betrieb herrschenden Strömungsverhältnisse verstellbare Durch­ laßöffnungen vorzusehen.

Als besonders vorteilhaft erweist es sich, daß der Wärmetauscher aus geome­ trisch einfachen Bauelementen, wie Rohre und Zylinder, hergestellt werden kann. Da keine gebogenen Rohre verwendet werden, ist die erfindungsgemäße Anordnung zum Einsatz von Rohren aus schwierig zu handhabenden Metallen, wie z. B. Tantal, Niob, Zirkonium, Titan, Hafnium, sowie deren Basislegierungen geeignet.

Im folgenden ist der Gegenstand der Erfindung anhand der Fig. 1A, 1B, 2A, 2B, 3A, 3B, 4A und 4B näher erläutert.

Fig. 1A zeigt im Längsschnitt einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher, während Fig. 1B gemäß der Linie A-B in Fig. 1A einen Querschnitt darstellt. Die Fig. 2A, 2B, 3A, 3B und 4B, 4B zeigen im Ausschnitt Wärmetauscherrohre, deren Austrittsöffnungen gegenüber der Querschnittsfläche der Rohre verringert sind.

Gemäß Fig. 1A besteht der Wärmetauscher aus einem zylinderförmigen Gehäuse 1 mit einer vertikal verlaufenden Achse 2, die parallel zur Anströmrichtung 3 des Fluids im Eintrittsbereich 5, 5′ der Wärmetauscherrohre 4, 4′ angeordnet ist. Die Anströmrichtung 3 verläuft gegen die Richtung der Kraftlinien des auf die Fluidpartikel wirkenden Schwerkraftfeldes. Wesentlich ist dabei die Parallelität von Kraftlinien und Anströmrichtung 3 im Eintrittsbereich der Wärmetauscherrohre 4, 4′. Im Eintrittsbereich werden die Wärmetauscherrohre 4, 4′ von der Rohrbodenplatte 10 gehalten. Die Achsen 11 der Wärmetauscher­ rohre bilden mit der Achse des zylinderförmigen Gehäuses einen Winkel im Bereich von 5 bis 25°, vorzugsweise beträgt der Winkel 7°.

Nach Eintritt in die Wärmetauscherrohre 4, 4′ wird das Fluid mittels des die Wärmetauscherrohre umströmenden Temperiermittels erhitzt und in die Dampfphase überführt, wobei in den Austrittsöffnungen 6, 6′ die Dampfphase des Fluids vorliegt. Das Temperiermittel wird dem Gehäuse 1 über eine Eintrittsöffnung 7 senkrecht zu seiner Achse 2 zugeführt, so daß alle Wärmetauscherrohre 4 gleichmäßig über ihre gesamte Länge umströmt werden. Nach Durchströmen des Gehäuses 1 verläßt das Temperiermittel in radialer Richtung über die in Fig. 1B dargestellte Austrittsöffnung 8 das Gehäuse 1.

Die Wärmetauscherrohre 4 sind in verschiedenen Abständen zur Achse 2 des Gehäuses 1 angeordnet, so daß sich auf der Stirnfläche 9 des Gehäuses 1 ein Verhältnis der Fläche von freien Austrittsöffnungen zur gesamten Stirnfläche im Bereich von ca. 35% ergibt.

Anhand der Fig. 1B ist das Verhältnis der Flächen der Austrittsöffnungen zur gesamten Stirnfläche 9 des Gehäuses 1 erkennbar. Die Wärmetauscherrohre 4 werden dabei beispielsweise sternförmig in konzentrischen Kreisen um Achse 2, wie in Fig. 1B zeigt, angeordnet. Es ist jedoch auch möglich, die Wärme­ tauscherrohre 4 in den Schnittpunkten eines Rautenmusters anzuordnen, wobei benachbarte Wärmetauscherrohre jeweils gegeneinander versetzt angeordnet sind, um eine möglichst ungehinderte Umströmung durch das Temperiermittel ohne Strömungsschatten zu gewährleisten.

Weiterhin ist anhand der Fig. 1A, 1B erkennbar, daß die Wärmetauscher­ rohre 4 von einem konzentrischen Kreis von Wärmetauschern 4′ umgeben sind, die jeweils einen größeren Rohrdurchmesser aufweisen als die von ihnen umschlos­ senen Wärmetauscherrohre 4. Die Wärmetauscherrohre 4′ dienen aufgrund ihres erweiterten Durchmessers dazu, einen möglicherweise über den Wärmetauscher­ rohren 4 sich bildenden Flüssigkeitsspiegel des Kondensats abzubauen.

Nachfolgend ist die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers anhand der Fig. 1A, 1B näher erläutert.

Gemäß Fig. 1A strömt ein zu verdampfendes Fluid in Anströmrichtung 3 zur Rohrbodenplatte 10 des Gehäuses 1 und tritt durch den Eintrittsbereich 5, 5′ in die Wärmetauscherrohre 4, 4′ ein. Die Strömung wird durch Druck erzeugt. Das sich zunächst im flüssigen Aggregatzustand befindende Fluid wird im Wärme­ tauscherrohr durch Übertragung der Wärme des Temperiermittels in die Gasphase überführt und tritt im Austrittsbereich des Wärmetauscherrohres 4, 4′ als Gas aus. Oberhalb des Austrittsbereichs 6, 6′ kondensiert gegebenenfalls ein Teil des Fluids aus und fällt im Schwerkraftfeld in vertikaler Richtung in den Austrittsbereich 6, 6′ des Wärmetauscherrohres zurück. Aufgrund der Schräg­ stellung der Wärmetauscherrohre gelangt das Kondensat im Austrittsbereich 6, 6′ jeweils auf die Wand der Wärmetauscherrohre 4, 4′ und nimmt anschließend durch direkten Wärmekontakt die zur Verdampfung erforderliche Energie auf und ver­ dampft wieder. Ein Durchfallen der das Kondensat bildenden Tröpfchen bis in den Eintrittsbereich 5, 5′ der Wärmetauscherrohre wird somit vermieden.

Die Fig. 2A, 2B, 3A, 3B, 4A, 4B zeigen ausschnittsweise im Längsschnitt Wärmetauscherrohre 4, 4′, deren Austrittsöffnungen 6, 6′ durch verschiedenartige Maßnahmen gegenüber dem Rohrquerschnitt verringert worden sind. Die Neigung zwischen dem Wärmetauscherrohr 4, 4′ und der Vertikalen ist in den Fig. 2A, 3A, 4A durch eine schräg verlaufende obere Stirnfläche 9 des Wärmetauschers symbolisch dargestellt. In der praktischen Ausführungsform ist jeweils die obere Stirnfläche 9 horizontal angeordnet, während die Achse 11 des Wärmetauscherrohres gegenüber der Vertikalen geneigt ist.

Die Fig. 2A, 2B zeigen eine Verengung der Austrittsöffnung 6 durch eine flaschenhalsartige Verjüngung des Rohrendes. Es ist jedoch auch möglich, eine Verengung durch Zusammenquetschen des Rohrendes zu erzielen, so daß die Austrittsöffnung 6 in ihrer Form einer Ellipse angenähert ist. Fig. 2B zeigt eine Draufsicht in axialer Richtung des Wärmetauscherrohres.

Gemäß Fig. 3A ist in das aus der Stirnfläche 9 herausragende Ende des Wärme­ tauscherrohres 4, 4′ eine sich nach oben konisch verengende Kappe 12 ein­ gesetzt, deren nach oben gerichtete Auslaßöffnung die physikalisch maßgebende Verengung gegenüber dem Wärmetauscherrohrquerschnitt darstellt. Zur Befesti­ gung der Kappe 12 sind wenigstens zwei sich gegenüberliegende Bohrungen 13 am Ende des Wärmetauscherrohres 4, 4′ sowie entsprechende Bohrungen 14 in der Kappe vorgesehen, in denen Bolzen 15 zur Herstellung einer formschlüssigen Verbindung zwischen Wärmetauscherrohr 4, 4′ und Kappe 12 angeordnet sind. Mit dieser Anordnung ist es möglich, einen Wärmetauscher mit Wärmetauscherrohren vorgegebenen Durchmessers durch Auswahl von Kappen mit vorgegebenen Öffnungen dem jeweiligen Anwendungsfall optimal anzupassen.

Es ist auch möglich, andere Befestigungsarten, wie z. B. eine Bajonett­ verriegelung zwischen Kappe und Ende des Wärmetauscherrohres vorzusehen.

Fig. 3B zeigt einen Querschnitt entlang der Linie A-B gemäß Fig. 3A.

Fig. 4A zeigt einen in das Ende des Wärmetauscherrohres 4, 4′ einsetzbaren Konus 16, dessen verjüngter Bereich 17 in das Innere des Wärmetauscherrohres 4, 4′ ragt, während der erweiterte Bereich 18 des Konus 16 sich im Bereich der Austrittsöffnung 6, 6′ des Wärmetauschers befindet. Die senkrecht zur Achse 11 der Wärmetauscherrohre zu messende Querschnittsfläche des Konus 16 ist dabei stets kleiner als die Querschnittsfläche des Wärmetauscherrohres 4, 4′, so daß der Konus 16 von dem Fluid umströmt wird.

Anhand des in Fig. 4B dargestellten Schnitts A-B gemäß Fig. 4A ist eine dreifache mechanische Verbindung durch Bolzen 15 vorgesehen, die in Boh­ rungen 13 des oberen Endes des Wärmetauscherrohres 4 eingebracht sind. Die Befestigung der mit Gewinde versehenen Bolzen 15 erfolgt beispielsweise durch Hohlgewinde innerhalb des Konus 16.

Claims (7)

1. Wärmetauscher mit einem Gehäuse, durch das ein Temperiermittel strömt, das mindestens zwei von einem zu temperierenden Fluid durchströmte Wärme­ tauscherrohre aufweist, die das Gehäuse im wesentlichen in Richtung der Schwerkraft durchsetzen, und bei dem das zu temperierende Fluid die Wärme­ tauscherrohre entgegen der Schwerkraft durchströmt, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wärmetauscherohre (4, 4′) zur Vertikalen geneigt das Gehäuse (1) durchsetzen und ihre Achsen (11) mit der Vertikalen einen Winkel von 5 bis 25° einschließen.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Wärmetauscherrohre (4, 4′) mit ihren Austrittsöffnungen (6, 6′) in ver­ schiedenen Abständen zur vertikalen Achse (2) des Gehäuses (1) angeordnet sind.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2 mit mindestens vier Wärmetauscher­ rohren, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche der Austrittsöffnungen (6′) jedes der beiden am weitesten von der Achse (2) entfernten Wärmetauscher­ rohre (4′) größer sind als die Fläche der Austrittsöffnungen (6) jedes anderen Wärmetauscherrohres (4).

4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Austrittsöffnungen (6, 6′) der Wärmetauscherrohre (4, 4′) im umgekehrten Verhältnis zu ihrem Abstand von der Achse (2) steht.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherrohre (4, 4′) aus zylindrischen Rohren bestehen, deren Aus­ trittsöffnungen (6, 6′) kleiner sind als die Querschnittsflächen der Rohre.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aus­ trittsöffnungen (6, 6′) der Wärmetauscherkörper (4, 4′) mit Kappen (12) abgeschlossen sind, deren Austrittsöffnung kleiner ist als die Quer­ schnittsfläche der Wärmetauscherrohre (4, 4′).

7. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in die Enden der Austrittsöffnungen (6, 6′) der Wärmetauscherrohre (4, 4′) ein Konus (16) eingesetzt ist, dessen verjüngter Bereich (17) in das Innere des Wärmetauscherrohres gerichtet ist und dessen erweiterter Bereich (18) eine Querschnittsfläche aufweist, die kleiner ist als die Querschnittsfläche des Wärmetauscherrohres (4, 4′).