DE3822808C2 - Wärmetauscher mit zwischen zwei Rohrplatten angeordneten Wärmetauscherrohren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit zwischen zwei Rohrplatten angeordneten Wärmetauscherrohren für ein wärmeab­ gebendes Fluid, beispielsweise ein Gas mit einer Temperatur von 900°C, und einem die Rohrplatten miteinander ver­ bindenden Mantel, der einen die Wärmetauscherrohre auf­ nehmenden Zylinderraum für das wärmeaufnehmende Fluid, beispielsweise Wasser, bildet, das bei seinem Eintritt in den Zylinderraum zur Kühlung an die Rohrplatte herangeführt wird.

Derartige Wärmetauscher sind insbesondere als Kühler in der chemischen Industrie bekannt; sie werden auch zur Erzeugung von Dampf aus der Abhitze des chemischen Prozesses verwendet.

Durch die hohe Temperatur des wärmeabgebenden Fluids muß bei derartigen Wärmetauschern für eine gute Kühlung der eintrittsseitigen Rohrplatte und der ersten Teillänge der Wärmetauscherrohre gesorgt werden.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, einerseits die eintritts­ seitige Rohrplatte gezielt zu kühlen und andererseits dafür zu sorgen, daß das wärmeabgebende Fluid innerhalb einer kürzestmöglichen Strecke abgekühlt wird.

Die Lösung dieser Aufgabenstellung durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß im Zylinderraum des Wärme­ tauschers durch einen Zwischenboden eine Vorkammer für das eintretende wärmeaufnehmende Fluid ausgebildet ist und daß in diesem Zwischenboden jeweils ein Wärmetauscherrohr mit Ab­ stand umgebende Strömungsrohre abgedichtet befestigt sind, deren Eintrittsöffnung für das wärmeaufnehmende Fluid bis nahe an die eintrittsseitige Rohrplatte herangeführt ist.

Durch diese erfindungsgemäße Ausbildung des Wärmetauschers wird erreicht, daß das über einen Eintrittstutzen im Mantel eintretende wärmeaufnehmende Fluid einerseits zwangsweise an die Innenseite der eintrittsseitigen Rohrplatte herangeführt wird und anschließend die Strömungsrohre durchströmt, die die in der Vorkammer verlaufende Teillänge der Wärmetauscherrohre umgeben. Hierdurch wird nicht nur eine intensive Kühlung der eintrittsseitigen Rohrplatte sichergestellt, sondern eine ge­ zielte Kühlung der Wärmetauscherrohre im Bereich ihrer in der Vorkammer verlaufenden Teillänge erreicht, so daß auch das wärmeabgebende Fluid nach seinem Eintritt in die Wärme­ tauscherrohre stark abgekühlt wird. Trotz der hohen Temperaturen des dem Wärmetauscher zugeführten wärmeab­ gebenden Fluids werden auf diese Weise Überbeanspruchungen des mit diesem heißen Fluid beaufschlagten Materials ver­ mieden. Der eine Vorkammer innerhalb des Zylinderraumes bildende Zwischenboden unterliegt keiner besonderen Be­ lastung, da er von beiden Seiten mit demselben Druck beauf­ schlagt wird und demgemäß im wesentlichen als eine Art Ab­ dichtung wirkt. Er kann in geeigneter Weise, beispielsweise über einen Zwischenring zwischen zwei Schüssen des Mantels, an dem Mantel befestigt werden.

Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung umgeben die Strömungsrohre die Wärmetauscherrohre nicht nur im Bereich der Vorkammer, sondern auch auf einer Teillänge im Bereich des Zylinderraumes, wodurch die gezielte Kühlung der Wärme­ tauscherrohre noch verbessert werden kann.

Mit der Erfindung wird weiterhin vorgeschlagen, die Wärme­ tauscherrohre in den Rohrplatten und die Strömungsrohre am Zwischenboden durch an sich bekanntes hydraulisches Aufweiten zu befestigen. Hierbei ist es vorteilhaft, die Bohrungen in den Rohrplatten mit Vertiefungen zu versehen, in die die Rohrwand zur Erzielung eines besseren Sitzes aufgeweitet wird. Da der Zwischenboden normalerweise nur eine geringe Wandstärke hat, kann gemäß einem weiteren Merkmal der Er­ findung das Befestigen der Strömungsrohre an diesem Zwischen­ boden dadurch erfolgen, daß die Strömungsrohre durch hydrau­ lisches Aufweiten zu beiden Seiten des Zwischenbodens an diesem befestigt werden. Das hydraulische Aufweiten ist deshalb von Vorteil, weil es sich auch in größerem Abstand von den Stirnseiten des Wärmetauschers her durchführen läßt.

Mit der Erfindung wird schließlich vorgeschlagen, zwischen den Strömungsrohren und den Wärmetauscherrohren Abstands­ halter, beispielsweise Distanzstifte anzuordnen, um sowohl bei der Fertigung als auch beim Betrieb eine möglichst konzentrische Lage der Rohre zu erreichen und sicherzu­ stellen.

Die DE-PS 35 33 219 zeigt zwar einen Rohrbündelwärmetauscher, dessen Wärmetauscherrohre zwischen zwei Rohrplatten angeordnet sind, von denen die eintrittsseitige Rohrplatte im Verhältnis zur anderen Rohrplatte dünn ausgebildet und auf einer Tragplatte abgestützt ist, die mit einem das Rohrbündel umgebenden Mantel verbunden ist, wobei die Wärmetauscherrohre diese Tragplatte unter Bildung eines Ringspaltes durchdringen. Diese bekannte Konstruktion hat jedoch weder einen Zwischenboden, der innerhalb des Zylinderraumes eine Vorkammer für das eintretende, wärmeaufnehmende Fluid bildet, noch die Wärmetauscherrohre mit Abstand umgebende Strömungsrohre, die in einem derartigen Zwischenboden abgedichtet befestigt sind und deren Eintrittsöffnung für das wärmeaufnehmende Fluid bis nahe an die eintrittsseitige Rohrplatte herangeführt ist. Da die Tragplatte der bekannten Konstruktion der Abstützung der dünnen Rohrplatte über spezielle Tragfinger dient, ist auch diese Tragplatte nicht mit dem Zwischenboden des erfindungsgemäßen Wärmetauschers vergleichbar.

Auch der aus der US-PS 3 802 497 bekannte Wärmetauscher, der aus insgesamt vier zylinderförmigen Einzelteilen zusammengesetzt ist, kann mit dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher nicht verglichen werden. Zwar weist jedes Einzelteil dieses Wärmetauschers Wärmetauscherrohre auf, die zwischen zwei Rohrscheiben angeordnet sind; diese bekannte Konstruktion offenbart jedoch keine Maßnahmen zur Kühlung der eintrittsseitigen Rohrplatte.

Spezielle Rohrstücke sorgen lediglich für eine gezielte Kühlung einer Teillänge der Rohre in einem Bereich, der sich in Strömungsrichtung des wärmeabgebenden Fluids hinter der Zwischenplatte befindet. Damit fehlt bei der aus der US-PS 3 802 497 bekannten Konstruktion das zur Kühlung der eintrittsseitigen Rohrplatte entscheidende Merkmal, wonach die Eintrittsöffnung der erfindungsgemäßen Strömungsrohre für das wärmeaufnehmende Fluid bis nahe an die eintrittsseitige Rohrplatte herangeführt ist.

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

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen Wärmetauscher, wobei der besseren Übersichtlich­ keit wegen nur ein Wärmetauscherrohr dargestellt ist,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Wärmetauscher gemäß der Schnittlinie II-II in Fig. 1, wobei eine einem Ausführungsbeispiel entsprechende Zahl von Wärmetauscherrohren angedeutet ist, und

Fig. 3 einen dreifach verkürzten Längsschnitt durch drei Wärmetauscherrohre und zugehörige Strömungsrohre in vergrößerter Darstellung.

Die Gesamtdarstellung in Fig. 1 zeigt einen Wärmetauscher mit einem Mantel 1, der zwei Rohrplatten 2 und 3 miteinander ver­ bindet und der beim Ausführungsbeispiel aus zwei Schüssen hergestellt ist. Zwischen den beiden Rohrplatten 2 und 3 verlaufen Wärmetauscherrohre 4, von denen der besseren Über­ sicht wegen in Fig. 1 nur ein Rohr dargestellt ist. Die Wärme­ tauscherrohre 4 sind in Bohrungen der Rohrplatten 2 und 3 ab­ gedichtet befestigt, vorzugsweise durch hydraulisches Auf­ weiten und eine Dichtnaht, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. An jede Rohrplatte 2 bzw. 3 ist eine Haube 5 angeschlossen, die der Zufuhr bzw. Abfuhr des wärmeabgebenden Fluids G, bei­ spielsweise eines heißen Gases dienen, das zum Zwecke der Ab­ kühlung durch die Wärmetauscherrohre 4 geführt wird.

Die Kühlung dieses wärmeabgebenden Fluids G geschieht durch ein wärmeaufnehmendes Fluid W, beispielsweise Wasser, das durch einen Eintrittstutzen 6 in das Innere des Mantels 1 ge­ führt wird und den vom Mantel 1 gebildeten Zylinderraum 7 am oberen Ende durch einen Austrittstutzen 8 verläßt, beispiels­ weise als Dampf.

Wie insbesondere in Fig. 1 zu erkennen ist, ist im Zylinder­ raum 7 ein Zwischenboden 9 angeordnet, der innerhalb des Mantels 1 eine Vorkammer 10 bildet, in welche das wärmeauf­ nehmende Fluid W mittels des Eintrittstutzens 6 hineingeführt wird. Beim Ausführungsbeispiel ist dieser Zwischenboden 9 über ein zylinderförmiges Zwischenstück 11 an einem Zwischen­ ring 12 befestigt, der zwischen den beiden Schüssen des Mantels 1 angeordnet ist. Da der Zwischenboden 9 und das rohrförmige Zwischenstück 11 auf beiden Seiten mit demselben Druck beaufschlagt sind, unterliegen sie keinen hohen Be­ lastungen; sie dienen im wesentlichen der Abdichtung der Vor­ kammer 10 vom Zylinderraum 7.

Wie besonders deutlich aus Fig. 3 hervorgeht, sind die Wärmetauscherrohre 4 auf ihrer ersten Teillänge von Strömungs­ rohren 13 mit Abstand umgeben. Diese Strömungsrohre 13 sind am Zwischenboden 9 abgedichtet befestigt und reichen mit ihrer Eintrittsöffnung für das wärmeaufnehmende Fluid W bis nahe an die eintrittsseitige Rohrplatte 2 heran. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß das wärmeaufnehmende Fluid W zwangsweise an die Innenseite der eintrittsseitigen Rohr­ platte 2 herangeführt wird und diese Rohrplatte 2 intensiv kühlt. Das wärmeaufnehmende Fluid W tritt anschließend in das untere Ende der Strömungsrohre 13 ein und strömt im Zwischen­ raum zwischen den Strömungsrohren 13 und den Wärmetauscher­ rohren 4 in Längsrichtung der Wärmetauscherrohre 4 aus der Vorkammer 10 in den Zylinderraum 7. Auf diese Weise wird der erste Teilbereich der Wärmetauscherrohre 4 gezielt gekühlt, so daß das wärmeabgebende Fluid G stark abgekühlt wird. Beim Ausführungsbeispiel verlaufen die Strömungsrohre 13 auch in einem ersten Teil des Zylinderraumes 7, so daß sich auch in diesem Bereich die intensive Kühlung der Wärmetauscherrohre 4 fortsetzt. Das wärmeaufnehmende Fluid W verläßt den Zylinder­ raum 7, ggf. nach Überführung in die Dampfphase, durch den Austrittstutzen 8.

In Fig. 3 ist zu erkennen, daß die Befestigung der Enden der Wärmetauscherrohre 4 in den Rohrplatten 2 und 3 durch hydrau­ lisches Aufweiten erfolgt. Zur Erzielung einer hohen Festig­ keit sind die zur Aufnahme der Wärmetauscherrohre 4 vor­ gesehenen Bohrungen mit einer umlaufenden Vertiefung ver­ sehen, in die die Wärmetauscherrohre 4 aufgeweitet worden sind. Die Wärmetauscherrohre 4 sind zum Zwecke der Abdichtung schließlich über eine Dichtnaht 14 mit den Rohrplatten 2 und 3 verbunden. Beim Ausführungsbeispiel ist jede Rohrplatte 2 bzw. 3 auf ihrer Außenseite mit einer Plattierung 15 versehen. Außerdem sind am oberen Ende der Wärmetauscherrohre 4 Rohrstücke 16 aus Plattierungsmaterial angeschweißt.

Da die Wandstärke des Zwischenbodens 9 zu gering ist, um in der die Strömungsrohre 13 aufnehmenden Bohrung eine zum Zwecke der Befestigung dienende Vertiefung auszubilden, sind die Strömungsrohre 13 beim Ausführungsbeispiel dadurch am Zwischenboden 9 befestigt, daß sie zu beiden Seiten dieses Zwischenbodens 9 hydraulisch aufgeweitet worden sind, wie aus Fig. 3 hervorgeht. Die Fig. 3 zeigt schließlich zwischen den Strömungsrohren 13 und den Wärmetauscherrohren 4 angeordnete Abstandshalter in Form von Distanzstiften 17. Diese Distanz­ stifte 17 garantieren sowohl bei der Fertigung als auch beim Betrieb des Wärmetauschers, daß die Strömungsrohre 13 im wesentlichen konzentrisch zu den Wärmetauscherrohren 4 verlaufen.

Bezugszeichenliste

 1 Mantel
 2 Rohrplatte
 3 Rohrplatte
 4 Wärmetauscherrohr
 5 Haube
 6 Eintrittstutzen
 7 Zylinderraum
 8 Austrittstutzen
 9 Zwischenboden
10 Vorkammer
11 Zwischenstück
12 Zwischenring
13 Strömungsrohr
14 Dichtnaht
15 Plattierung
16 Rohrstück
17 Distanzstift
G wärmeabgebendes Fluid
W wärmeaufnehmendes Fluid

Claims (5)

1. Wärmetauscher mit zwischen zwei Rohrplatten angeordneten Wärmetauscherrohren für ein wärmeabgebendes Fluid, bei­ spielsweise ein Gas mit einer Temperatur von 900°C und einem die Rohrplatten miteinander verbindenden Mantel, der einen die Wärmetauscherrohre aufnehmenden Zylinderraum für das wärmeaufnehmende Fluid, beispielsweise Wasser, bildet, das bei seinem Eintritt in den Zylinderraum zur Kühlung an die Rohrplatte herangeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Zylinderraum (7) durch einen Zwischenboden (9) eine Vorkammer (10) für das eintretende wärmeaufnehmende Fluid (W) ausgebildet ist und daß in diesem Zwischenboden (9) jeweils ein Wärmetauscherrohr (4) mit Abstand umgebende Strömungsrohre (13) abgedichtet befestigt sind, deren Eintrittsöffnung für das wärmeaufnehmende Fluid (W) bis nahe an die eintrittsseitige Rohrplatte (2) herangeführt ist.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsrohre (13) die Wärmetauscherrohre (4) auf einer Teillänge im Bereich des Zylinderraumes (7) umgeben.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wärmetauscherrohre (4) in den Rohr­ platten (2, 3) und die Strömungsrohre (13) am Zwischenboden (9) durch hydraulisches Aufweiten befestigt sind.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsrohre (13) durch hydraulisches Aufweiten zu beiden Seiten des Zwischenbodens (9) an diesem befestigt sind.

5. Wärmetauscher nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Strömungsrohren (13) und den Wärmetauscherrohren (4) Abstandshalter, z.B. Distanzstifte (17) angeordnet sind.