DE3820494A1

DE3820494A1 - Waermetauscher

Info

Publication number: DE3820494A1
Application number: DE3820494A
Authority: DE
Inventors: Herbert Krips; Miroslan Dr Podhorsky
Original assignee: Balcke Duerr AG
Current assignee: Balcke Duerr AG
Priority date: 1988-06-16
Filing date: 1988-06-16
Publication date: 1989-12-21
Anticipated expiration: 2008-06-17
Also published as: DE3820494C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit einem vom wärmeabgebenden Fluid durchströmten Rohrbündel, dessen Rohre mit ihren Enden jeweils in einer medium-trennenden Rohrplatte befestigt sind und innerhalb eines durch die Rohrplatten und einen die Rohrplatten miteinander verbindenden Mantel ge bildeten Zylinderraumes angeordnet sind, der vom wärmeauf nehmenden Fluid durchströmt wird, wobei mindestens die an der Eintrittsseite des wärmeabgebenden Fluids angeordnete Rohr platte durch eine die beiden Fluids trennende Membranplatte und eine Tragplatte gebildet ist, die zur Kraftübertragung miteinander verbunden sind und die durch das in den Zwischen raum zwischen der Trag- und Membranplatte eintretende, wärme aufnehmende Fluid gekühlt sind, das mindestens mit einem Teilstrom durch die Tragplatte hindurch in den Zylinderraum geführt wird, wobei die Rohrenden mit der Membranplatte jeweils durch eine der Abdichtung dienende Schweißnaht ver bunden sind.

Wärmetauscher der voranstehend beschriebenen Art werden bei spielsweise bei chemischen Prozessen, insbesondere innerhalb von Äthylen- oder Ammoniakanlagen eingesetzt. Bei ihnen wird ein heißes Gas durch die Rohre des Rohrbündels geführt und mit Hilfe von in den Zylinderraum eingeführtem Wasser abge kühlt. Wenn die durch den Kühlprozeß abgeführte Wärme zum Erzeugen von Dampf genutzt wird, werden die Wärmetauscher als Quench-Kühler oder Abhitze-Dampferzeuger bezeichnet.

Die die Rohrenden aufnehmenden Rohrplatten dienen bei derartigen Wärmetauschern nicht nur zur Trennung des wärmeab gebenden und des wärmeaufnehmenden Fluids, sie müssen außer dem die beim Betrieb sowie beim An- und Abfahren des Wärme tauschers auftretenden Kräfte aufnehmen, die sich einerseits durch den im Zylinderraum ergebenden Innendruck und anderer seits durch Temperaturdifferenzen ergeben, die zwischen den das wärmeabgebende Fluid führenden Rohren und dem die Rohr platten ebenfalls verbindenden Mantel auftreten, wobei sich diese Temperaturdifferenzen beim An- und Abfahren stark ändern. Um die hierbei auftretenden Kräfte zu beherrschen, ist es bekannt, mindestens die an der Eintrittsseite des wärmeabgebenden Fluids angeordnete Rohrplatte durch eine die beiden Fluids trennende Membranplatte und eine Tragplatte zu bilden; Membranplatte und Tragplatte sind zur Kraftüber tragung miteinander verbunden. Die Tragplatte wird durch das in den Zwischenraum zwischen Trag- und Membranplatte ein tretende, wärmeaufnehmende Fluid gekühlt, so daß die Trag platte mit denjenigen Abmessungen hergestellt werden kann, die zur Aufnahme der auftretenden Kräfte erforderlich sind. Die Membranplatte übernimmt bei dieser Konstruktion die Tren nung der beiden Fluids, wozu die Rohrenden mit der Membran platte jeweils durch eine der Abdichtung dienende Schweißnaht verbunden sind.

Ein Wärmetauscher der voranstehend beschriebenen Art ist aus der EP-OS 2 46 942 bekannt. Bei dieser bekannten Konstruktion werden beide Rohrplatten jeweils durch eine Tragplatte und eine Membranplatte gebildet. Die zusammengehörenden Trag- und Membranplatten sind miteinander durch Rohrstücke verbunden, die in entsprechenden Bohrungen der Membran- bzw. Tragplatte angeordnet sind und mit diesen Platten verschweißt sind. In diesen Rohrstücken sind die Enden der das Rohrbündel bildenden Rohre mit Abstand angeordnet, wobei das wärmeauf nehmende Fluid durch Öffnungen in die Rohrstücke eintritt und im Ringraum zwischen Rohr und Rohrstück durch die Tragplatte hindurchströmt. Hierdurch wird eine Kühlung der verhältnis mäßig dicken Tragplatte erreicht. Ein Nachteil dieser be kannten Konstruktion ist darin zu sehen, daß die Rohrenden nur mittelbar, nämlich über die Rohrstücke mit der Membran platte verschweißt werden können.

Bei einer weiteren bekannten Konstruktion der eingangs be schriebenen Art wird lediglich die Rohrplatte an der Eintrittsseite des wärmeabgebenden Fluids durch eine Membran platte und eine Tragplatte gebildet. Die Rohre des Rohr bündels sind jeweils durch eine konzentrische Bohrung in der Tragplatte hindurchgeführt und mit ihrem Ende in eine Bohrung der Membranplatte eingeschweißt. Durch den die Rohre im Be reich der Tragplatte umgebenden, ringförmigen Raum wird ein Teilstrom des wärmeaufnehmenden Mediums zur Kühlung der Trag platte hindurchgeführt. Die zwischen der Tragplatte und der Membranplatte auftretenden Kräfte werden durch einen zusätz lichen Gehäusering aufgenommen, dessen eines Ende mit der Membranplatte und dessen anderes Ende im Abstand von der Tragplatte mit dem Mantel des Wärmetauschers verbunden ist. Hierdurch ergibt sich eine aufwendige Konstruktion. Beide Konstruktionen haben den Nachteil, daß die der Abdichtung dienende Naht zwischen Rohrende und Membranplatte mit Kräften beaufschlagt wird, die sich aus der Temperaturdifferenz zwischen der mittleren Temperatur der Rohrwand und der Temperatur des Mantels ergibt. Diese Kräfte sind insbesondere bei Gaskühlern beträchtlich und können zu häufigen Schäden führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher der voranstehend beschriebenen Art derart weiterzubilden, daß die von Rohrkräften freigehaltene Membranplatte aus schließlich die Dichtaufgabe übernimmt und ausschließlich die Tragplatte die Rohrkräfte aufnimmt, wobei eine ausreichende Kühlung der Tragplatte sichergestellt und die Verbindung zwischen Membran- und Tragplatte auf einfache Weise herge stellt wird.

Die Lösung dieser Aufgabenstellung durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre sowohl mit der Membran platte als auch mit der Tragplatte durch Aufweiten in eine ringförmige Erweiterung innerhalb der Plattenbohrung kraft- und formschlüssig verbunden sind und daß die Traplatte zwischen den Rohren mit ihrer Kühlung dienenden Durchlässen für das wärmeaufnehmende Fluid versehen ist.

Durch diese erfindungsgemäße Ausbildung werden die die Rohr enden der Membranplatte verbindenden Dichtnähte von der Rohr belastung, die von der Länge und der Temperaturdifferenz zwischen dem Mantel und den Rohren abhängt, befreit. Durch die kraft- und formschlüssige Verbindung der Rohre mit der Tragplatte übernimmt ausschließlich die Tragplatte die Rohr kräfte. Die zusätzliche form- und kraftschlüssige Verbindung der Rohrenden mit der Membranplatte bewirkt eine zuverlässige Verbindung zwischen Membranplatte und Tragplatte, ohne daß hierbei die Dichtnähte mit Kräften belastet werden. Die Kühlung der Tragplatte wird durch die zwischen den Rohren ausgebildeten Durchlässe erzielt, durch die das wärmeauf nehmende Medium aus dem zwischen Membranplatte und Tragplatte gebildeten Raum in den dem Wärmeaustausch dienenden Zylinder raum eintritt. Auf eine aufwendige Konstruktionsverbindung von Membranplatte und Tragplatte kann verzichtet werden.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die Durch lässe der Tragplatte durch Rohrstücke verlängert, deren eintrittsseitige Stirnfläche zur Zwangskühlung der Membran platte bis nahe an die Membranplatte herangeführt ist. Hier durch wird eine zuverlässige Kühlung auch der Membranplatte sichergestellt.

Um eine gleichmäßige Durchströmung aller Rohrstücke ent sprechend ihrer Lage innerhalb der Tragplatte und ent sprechend der Zufuhr des wärmeaufnehmenden Fluids zu er zielen, können gemäß weiteren Merkmalen der Erfindung entweder der Abstand zwischen der eintrittsseitigen Stirn fläche der Rohrstücke und der Membranplatte unterschiedlich ausgeführt oder der Eintrittsquerschnitt der Rohrstücke in der Art einer Drossel unterschiedlich ausgebildet werden.

Um die Aufheizung sowohl der Membranplatte als auch der Trag platte durch das in die Rohre eintretende, wärmeabgebende Fluid herabzusetzen, kann erfindungsgemäß in das Endstück der Rohre im Bereich der vorzugsweise mit einer Isolierung ver sehenen Membranplatte bis hinter die Tragplatte jeweils ein Isolierrohrstück eingesetzt werden, wobei vorzugsweise zwischen dem Isolierrohrstück und dem Rohr eine Isolier schicht ausgebildet wird. Derartige Isolierrohrstücke werden als Ferruls bezeichnet.

Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungs gemäßen Wärmetauschers dargestellt, und zwar zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine schematische Ge samtdarstellung eines Wärmetauschers,

Fig. 2 einen Querschnitt gemäß der Schnittlinie II-II in Fig. 1 mit einer größeren Anzahl von Rohren und

Fig. 3 einen Teilschnitt durch die untere, in Trag- und Membranplatte aufgeteilte Rohrplatte des Wärme tauschers nach Fig. 1 in vergrößerter Darstellung.

Die Gesamtdarstellung in Fig. 1 zeigt einen Wärmetauscher mit einem durch vier Rohre 1 angedeuteten Rohrbündel, das vom wärmeabgebenden Fluid, beispielsweise einem Gas durchströmt wird. Das Rohrbündel ist von einem zylindrischen Mantel 2 um geben, der stirnseitig durch Rohrplatten 3 abgeschlossen ist. An diese Rohrplatten 3 schließt sich zu beiden Seiten des Mantels 2 jeweils eine Haube 4 an, durch die das wärmeab gebende Gas zu- bzw. abgeführt wird. Das zu kühlende und damit wärmeabgebende Gas G ist in Fig. 1 durch schwarze Pfeile gekennzeichnet.

Während die auf der Austrittsseite des Gases G angeordnete Rohrplatte 3 einstückig ausgeführt ist, wird diese Rohrplatte auf der Eintrittsseite des Gases G durch eine Membranplatte 5 und eine Tragplatte 6 gebildet. Die Membranplatte 5 ist in das untere Ende des Mantels 2 eingeschweißt; die Tragplatte 6 ist über einen Zwischenring 7 an einem Tragring 8 aufgehängt, der im Abstand vom unteren Ende des Mantels 2 in den Mantel 2 eingeschweißt ist, wie dies die Fig. 1 erkennen läßt.

Das wärmeaufnehmende Fluid, beispielsweise Wasser W, wird am unteren Ende des Wärmetauschers durch einen Eintrittstutzen 9 zugeführt. Es gelangt in den Eintrittsraum 10, der zwischen Membranplatte 5, Tragplatte 6, Zwischenring 7 und dem unteren Teil des Mantels 2 gebildet wird. Von hier tritt das Wasser W durch die Tragplatte 6 hindurch in den Zylinderraum 11 ein, der zwischen der oberen Rohrplatte 3 und der Tragplatte 6 vom Mantel 2 umgeben wird. In diesem Zylinderraum 11 findet der Wärmeaustausch zwischen dem wärmeabgebenden, in den Rohren 1 geführten Gas G und dem wärmeaufnehmenden, die Rohre 1 von außen beaufschlagenden Wasser W statt. Das aufgeheizte und ggf. verdampfte Wasser W verläßt den Mantel 2 durch einen Austrittstutzen 12.

In Fig. 3 ist die Anordnung und Befestigung der Enden der Rohre 1 im Bereich der unteren, in Membranplatte 5 und Trag platte 6 aufgeteilten Rohrplatte in einer vergrößerten Dar stellung gezeigt.

Die Fig. 3 läßt erkennen, daß das einströmseitige Ende jedes Rohres 1 durch Aufweiten in eine ringförmige Erweiterung 5 a innerhalb der Bohrung in der Membranplatte 5 kraft- und form schlüssig mit der Membranplatte 5 verbunden ist, so daß die an der Stirnseite des Rohres 1 angebrachte Schweißnaht 13 nicht der mechanischen Festlegung des Rohres 1 an der Membranplatte 5, sondern der Abdichtung zwischen Rohr 1 und Membranplatte 5 dient. Auch mit der Tragplatte 6 ist jedes Rohr 1 durch Aufweiten in eine ringförmige Erweiterung 6 a kraft- und formschlüssig verbunden, so daß auf diese Weise die Membranplatte 5 über die Rohre 1 mit der Tragplatte 6 verbunden ist, ohne daß die Schweißnähte 13 durch diese Ver bindung durch Kräfte belastet werden, die in den Rohren 1 auftreten.

Um die Tragplatte 6 durch das in den Eintrittsraum 10 ein tretende Wasser W zu kühlen, ist die Tragplatte 6 zwischen den Rohren 1 mit Durchlässen 6 b versehen, die vorzugsweise als Bohrungen ausgeführt sind. Um gleichzeitig eine gute Kühlung der Membranplatte 5 zu erreichen, sind an die Eintrittsöffnung der Durchlässe 6 b Rohrstücke 14 angesetzt, deren eintrittsseitige Stirnfläche bis nahe an die Membran platte 5 herangeführt ist. Hierdurch wird das in den Eintrittsraum 10 eintretende Wasser W gezwungen, an der Innenseite der Membranplatte 5 entlangzuströmen und damit die Mambranplatte 5 zu kühlen, bevor es in die Rohrstücke 14 ein treten kann. Die Fig. 3 zeigt zwei Ausführungsmöglichkeiten für diese Rohrstücke 14. In der linken Hälfte ist darge stellt, daß ein derartiges Rohrstück 14 ausschließlich an die Unterseite der Tragplatte 6 angesetzt ist. Die rechte Hälfte der Darstellung zeigt, daß das Rohrstück 14 in dem Durchlaß 6 b eingesetzt ist und an der Tragplatte 6 durch Aufweiten in eine Erweiterung 6 c befestigt ist.

Bei dem auf der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Membranplatte 5 auf ihrer Unterseite mit einer Isolierung 15 versehen, die durch eine Deckschicht 16 abge deckt ist. Um ein Aufheizen sowohl der Membranplatte 5 als auch der Tragplatte 6 durch das in die Rohre 1 eintretende heiße Gas zu verhindern, ist in das eintrittsseitige Ende der Rohre 1 ein Isolierrohrstück 17 eingesetzt, das einerseits an der Außenseite der Deckschicht 16 mündet und andererseits bis hinter die Tragplatte 6 in das jeweilige Rohr 1 ragt. Um eine Wärmeübertragung von diesem Isolierrohrstück 17 auf das umge bende Rohr 1 herabzusetzen, ist zwischen Isolierrohrstück 17 und Rohr 1 ein Ringraum gebildet, der mit einer Isolier schicht 18 ausgefüllt ist.

Bezugsziffernliste:

1 Rohr
2 Mantel
3 Rohrplatte
4 Haube
5 Membranplatte
5a Erweiterung
6 Tragplatte
6a Erweiterung
6b Durchlaß
6c Erweiterung
7 Zwischenring
8 Tragring
9 Eintrittstutzen
10 Eintrittsraum
11 Zylinderraum
12 Austrittstutzen
13 Schweißnaht
14 Rohrstück
15 Isolierung
16 Deckschicht
17 Isolierrohrstück
18 Isolierschicht
G Gas
W Wasser

Claims

1. Wärmetauscher mit einem vom wärmeabgebenden Fluid durch strömten Rohrbündel, dessen Rohre mit ihren Enden jeweils in einer medium-trennenden Rohrplatte befestigt sind und innerhalb eines durch die Rohrplatte und einen die Rohr platten miteinander verbindenden Mantel gebildeten Zylinderraumes angeordnet sind, der vom wärmeaufnehmenden Fluid durchströmt wird, wobei mindestens die an der Eintrittsseite des wärmeabgebenden Fluids angeordnete Rohrplatte durch eine die beiden Fluids trennende Membran platte und eine Tragplatte gebildet ist, die zur Kraft übertragung miteinander verbunden sind und die durch das in den Zwischenraum zwischen der Trag- und Membranplatte eintretende, wärmeaufnehmende Fluid gekühlt sind, das mindestens mit einem Teilstrom durch die Tragplatte hin durch in den Zylinderraum geführt wird, wobei die Rohr enden mit der Membranplatte jeweils durch eine der Ab dichtung dienende Schweißnaht verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (1) sowohl mit der Membranplatte (5) als auch mit der Tragplatte (6) durch Aufweiten in eine ring förmige Erweiterung (5 a, 6 a) innerhalb der Plattenbohrung kraft- und formschlüssig verbunden sind und daß die Trag platte (6) zwischen den Rohren (1) mit ihrer Kühlung dienenden Durchlässen (6 b) für das wärmeaufnehmende Fluid (W) versehen ist.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlässe (6 b) der Tragplatte (6) durch Rohrstücke (14) verlängert sind, deren eintrittsseitige Stirnfläche zur Zwangskühlung der Membranplatte (5) bis nahe an die Membranplatte (5) herangeführt ist.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der Abstand zwischen der eintrittsseitigen Stirnfläche der Rohrstücke (14) und der Membranplatte (5) zur Erzielung einer gleichmäßigen Durchströmung aller Rohrstücke (14) entsprechend ihrer Lage innerhalb der Tragplatte (6) und entsprechend der Zufuhr des wärmeauf nehmenden Fluids (W) unterschiedlich ausgeführt ist.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der Eintrittsquerschnitt der Rohrstücke (14) zur Erzielung einer gleichmäßigen Durchströmung aller Rohrstücke (14) entsprechend ihrer Lage innerhalb der Tragplatte (6) und entsprechend der Zufuhr des wärmeauf nehmenden Fluids (W) in der Art einer Drossel unterschied lich ausgebildet ist.

5. Wärmetauscher nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in das Endstück der Rohre (1) im Bereich der vorzugsweise mit einer Isolierung (15) ver sehenen Membranplatte (5) bis hinter die Tragplatte (6) jeweils ein Isolierrohrstück (17) eingesetzt ist.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Isolierrohrstück (17) und dem Rohr (1) eine Isolierschicht (18) ausgebildet ist.