DE3901493A1

DE3901493A1 - Rohrbuendelkondensator mit erhoehtem waermeuebertragungsfaktor zum verfluessigen von daempfen

Info

Publication number: DE3901493A1
Application number: DE19893901493
Authority: DE
Inventors: Jozsef Kertesz
Original assignee: Energiagazdalkodasi Intezet
Current assignee: Energiagazdalkodasi Intezet
Priority date: 1988-01-25
Filing date: 1989-01-19
Publication date: 1989-09-14
Also published as: PL277348A1; DD278638A5; HUT49694A; HU206408B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Rohrbündelkondensator mit erhöhtem Wärmeübertragungsfaktor zum Verflüssigen von Dämpfen, mit gekühlten Rohren, die in einem von einem Mantel und Rohrplatten begrenzten Dampfraum angeordnet sind, und mit Anschlußstutzen zur Dampfeinführung, zur Flüssigkeitsabführung und zur Abführung von nicht kondensierbaren Gasen. Die spezifische Wärmeleistung (d.h. Wärmeübertragungsfaktor) des erfindungsgemäßen Rohrbündelkondensators liegt wesentlich höher als die der bekannten Rohrbündelkondensatoren.

Rohrbündelkondensatoren sind, wie bekannt, auf zahlreichen Gebieten der Industrie zum Verflüssigen von Dämpfen verschiedener Stoffe durch Abkühlung verwendet. Als Beispiel soll erwähnt werden, daß das Verflüssigen des verdampften Kältemittels in den Kühleinrichtungen mittels wassergekühlter Rohrbündelkondensatoren durchgeführt wird, nachdem das verdampfte Kältemittel auf einen höheren Druck verdichtet ist.

Die Schaltungsanordnung und die Arbeitsweise der bekannten Rohrbündelkondensatoren wird nachstehend anhand der Figuren näher erläutert. An dieser Stelle soll kurz erwähnt werden, daß der zu verflüssigende Dampf über einen Eintrittstutzen in einen Dampfraum gelangt, wo er sich auf der Oberfläche von in den Rohrplatten befestigten und wassergekühlten Rohren niederschlägt. Die niedergeschlagene Flüssigkeit sammelt sich, von den Rohren abgetropft, am Boden der Umhüllung des Dampfraumes und wird über einen Austrittstutzen abgeführt. Das Kühlwasser tritt über den Stutzen der sogenannten Wasserdeckel der Einrichtung ein und strömt mittels in den Wasserdeckel eingebauter Ablenkplatten umgelenkt durch die Rohre, während es sich erwärmt und über den Austrittstutzen abgeführt wird. Die Einrichtung verfügt auch über einen Anschlußstutzen zur Abführung von nicht kondensierbaren Gasen. Die zum Verflüssigen erforderliche Wärmeentnahme findet über die Wände der durch den Dampfraum geführten Rohre statt. Die Wärmeleistung hängt von der Oberfläche, der Temperaturdifferenz und dem Wärmedurchlaßfaktor der Rohre ab. Der Wärmedurchlaßfaktor kann mittels eines bekannten und später ausführlicher dargestellten Zusammenhangs ausgerechnet werden.

Nachfolgend werden einige Fachliteraturstellen aufgeführt, die die modernen Ausführungsformen der in den Kälteeinrichtungen verwendeten Rohrbündelkondensatoren darstellen und zugleich deren zum Errechnen des Wärmedurchlaßfaktors erforderlichen Faktoren "k" angeben:

a/ MAAKE-ECKERT: Pohlmann Taschenbuch der Kältetechnik, 1978, Verlag C.F. Müller, Kapitel 7.5.2.1. Seiten 281-284.
b/ H.L. con CUBE: Lehrbuch der Kältetechnik, 1981, Verlag C.F. Müller, Band 1, Kapitel 4.3.1.1, Seite 36.
c/ DVORAK-CERVENKA: Industriekälteeinrichtungen, Technischer Buchverlag Budapest, 1964, Seiten 142-152.

Der Nachteil der Konstruktion der bekannten Rohrbündelkondensatoren besteht darin, daß die Geschwindigkeit des über den Anschlußstutzen zur Dampfeinführung eintretenden Dampfes in dem Kondensationsraum wesentlich abnimmt und die Strömungsgeschwindigkeit sich an einigen Stellen entlang der die Kondensation durchführenden Rohroberflächen dem Nullwert annähert. Als Folge haften einerseits die nichtkondensierbaren Gase in dicker Schicht auf den Rohroberflächen, andererseits ist die Konzentration und der Partialdruck der nichtkondensierbaren Gase im Dampfraum ziemlich hoch, wodurch der durch die Anwesenheit der nicht kondensierbaren Gase sich ergebende und die Kondensation vermindernde Verlustfaktor wesentlich hoch ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Rohrbündelkondensator mit erhöhtem Wärmeübertragungsfaktor zum Verflüssigen von Dämpfen ist der bei der Dampfkondensation auftretende und sich durch die Anwesenheit von nichtkondensierbaren Gase, meistens Luft ergebende und die Wärmeübertragung beeinträchtigende Verlustfaktor wesentlich vermindert und dadurch die Leistung des Rohrbündelkondensators erhöht. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß dann, wenn Ablenkplatten zwischen die Kondensationsrohre in dem Rohrbündelkondensator eingebaut werden, die Strömungsverhältnisse der Dämpfe wesentlich und hinsichtlich der Kondensation vorteilhaft verändert werden können.

Die Verwendung der vorgeschlagenen Ablenkplatten gewährleistet, daß der in den Dampfraum eingeführte Dampf wesentlich schneller strömt und dadurch die nicht kondensierbare Gasschicht an der Oberfläche der Rohre dünner ist, d.h. die Konzentration der nicht kondensierbaren Gase im Dampfraum niedriger wird, und die schädliche Wirkung der nicht kondensierbaren Gase in hohem Maße vermindert werden kann.

Die Erfindung betrifft somit einen Rohrbündelkondensator mit erhöhtem Wärmeübertragungsfaktor zum Verflüssigen von Dämpfen, mit gekühlten Rohren, die in einem von einem Mantel und Rohrplatten begrenzten Dampfraum angeordnet sind, und mit Anschlußstutzen zur Dampfeinführung, zur Flüssigkeitsabführung und zur Abführung von nicht kondensierbaren Gasen. Gemäß der Erfindung sind in den Dampfraum des Rohrbündelkondensators Ablenkplatten eingebaut. Diese Ablenkplatten können gemäß vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung parallel oder senkrecht zu den gekühlten Rohren angeordnet werden.

Die wichtigsten Vorteile des erfindungsgemäßen Rohrbündel kondensator mit erhöhtem Wärmeübertragungsfaktor sind die folgenden:

- den Nachteil der bekannten Rohrbündelkondensatoren, nämlich daß die nicht kondensierbaren Gase in dicken Schichten an der Rohroberflächen haften, verbessert die erfindungsgemäße Lösung wesentlich dadurch, daß die nicht kondensierbaren Gase infolge der erfindungsgemäß eingebauten Ablenkplatten zu einer schnelleren Strömung gezwungen sind und dadurch an der Oberfläche der Rohre nur eine sehr dünne Schicht bilden können und ihre schädliche Wirkung bedeutend vermindert wird.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rohrbündelkondensators mit erhöhtem Wärmeübertragungsfaktor wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen aus dem Stand der Technik bekannten Rohrbündelkondensator, dargestellt in Seitenansicht und geschnitten,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II aus Fig. 1,

Fig. 3 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Rohrbündelkondensators schematisch und im Schnitt, und

Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV aus Fig. 3.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine liegende zylindrische Ausführungsform eines bekannten Rohrbündelkondensators. Der zu verflüssigende Dampf tritt über einen Anschlußstutzen 1 in einen von einem zylindrischen Mantel 2 begrenzten Dampfraum ein, wo er sich an der äußeren Oberfläche der in Rohrplatten 4 befestigten wassergekühlten Rohre 3 niederschlägt. Die niedergeschlagene Flüssigkeit tropft von den Rohren ab und sammelt sich am Boden des zylindrischen Mantels 2 und verläßt den Dampfraum über einen Anschlußstutzen 5. Das Kühlwasser tritt über einen Anschlußstutzen 7 eines Wasserdeckels 6 der Vorrichtung ein und wird durch die in den Wasserdeckel 6 eingebauten Ablenkplatten 8 umgelenkt, wonach es durch die Rohre 3 strömt und durch den Anschlußstutzen 9 hindurch erwärmt austritt.

Ein Anschlußstutzen 10 dient zur Abführung der nicht kondensierbaren Gase. Die zur Verflüssigung nötige Wärmeentnahme findet also durch die Wände der Rohre 3 hindurch statt.

Die Wärmeleistung hängt von der Oberfläche F, der Temperaturdifferenz Δt und dem Wärmedurchlaßfaktor k der Rohre ab gemäß der folgenden Gleichung: Q=kF Δ t. Der Wärmedurchlaßfaktor k kann aus der bekannten Gleichung

gerechnet werde, wobei
α₁ den Wärmeübertragungsfaktor der Dampfkondensation,
α₂ den Wärmeübertragungsfaktor des in den Rohren strömenden Wassers,
δ die Dicke der Rohrwand und
λ den Wärmeleitfaktor des Materials der Rohrwand bedeutet.

Laut der im Einführungsteil unserer Beschreibung erwähnten Fachliteratur wird der Wärmedurchlaßfaktor der bekannten Konstruktionen der Rohrbündelkondensatoren im Bereich k=800 ... 1200 W/m²k angegeben.

Dieser Wert ist wesentlich niedriger als der aus der obigen Gleichung errechnete Wert von 1500 ... 2000 W/m²k. Die Differenz kann dadurch erklärt werden, daß die obige Gleichung die in der Wirklichkeit auftretenden und die Wärmeübergabe beeinträchtigenden Faktoren, nämlich die an der äußeren und inneren Oberfläche der Rohre sich bildenden Schmutzschichten (Öl, Wasserstein, usw.) ferner die Anwesenheit der nicht kondensierbaren Gase an der Dampfseite, nicht berücksichtigt.

Die nicht kondensierbaren Gase beeinträchtigen die Wirkung der Kondensation aus zwei Gründen:

- die nicht kondensierbaren Gase umgeben die Wärmeübertragungsfläche je nach den Strömungsverhältnissen und die Dampfmoleküle können nur durch Diffusion mit der Kondensationsoberfläche in unmittelbare Verbindung kommen;
- der Partialdruck des im Dampfraum befindlichen, nicht kondensierbaren Gases erhöht den Druck des Kondensators, dadurch ist die Kondensationstemperatur niedriger als die zum Kondensatordruck gehörende Sättigungstemperatur des Dampfes, weshalb die Wärmeübergabe infolge des niedrigeren Wertes von Δ t niedriger ist.

Die Fig. 3 und 4 stellen eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rohrbündelkondensators dar. Die Fig. 3 und 4 unterscheiden sich von den die bekannte Ausführungs form eines Rohrbündelkondensators darstellenden Fig. 1 und 2 dadurch, daß in den Kondensator auf eine aus den Fig. 3 und 4 ersichtlichen Weise Ablenkplatten 11 in den Dampfraum eingebaut sind und dadurch der Dampf in dem Dampfraum hin und her längs der Rohre 3 waagerecht strömend den mittels Pfeilen gedeuteten Weg zurücklegt, während sich das Wasser niederschlägt. Die nicht kondensierbaren Gase strömen mit dem Dampf zusammen und treten über den Anschlußstutzen 10 aus, während die kondensierte Flüssigkeit über den Anschlußstutzen 5 austritt.

Aus der Anordnung der Ablenkplatten 11 ergibt sich auch jener Vorteil, daß die an der Oberfläche der Rohre 3 sich niederschlagende Flüssigkeit nicht entlang der niedriger angeordneten Rohre 3 fließen kann, sondern von den Ablenkplatten 11 aufgefangen wird und an deren Rändern über in der Figur nicht dargestellte Öffnungen zum Boden des zylindrischen Mantels 2 abfließt. Auch dadurch verbessert sich der Wärmeübertragungsfaktor, da die Dicke des an den Rohren 3 entstehenden und die Wärmeübertragung verhindernden Flüssigkeitsfilmes abnimmt.

Die Ablenkplatten 11 können erfindungsgemäß auch auf einer in der Fig. 3 nicht dargestellten Weise senkrecht zu den gekühlten Rohre 3 angeordnet werden und in diesem Fall ist der Dampf zu einer senkrechten Strömung auf und ab gezwungen. Die Anordnung der Ablenkplatten 11 im Dampfraum für die Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der Dämpfe gewährleistet eine zur beschriebenen Wirkung ähnlich bevorzugte Wirkung auch in den Kondensatoren mit senkrecht stehendem Rohrbündel, z.B. in den sog. Turmkondensatoren.

Claims

1. Rohrbündelkondensator mit erhöhtem Wärmeübertragungsfaktor zum Verflüssigen von Dämpfen, mit gekühlten Rohren, die in einem von einem Mantel und Rohrplatten begrenzten Dampfraum angeordnet sind, und Anschlußstutzen zur Dampfeinführung, zur Flüssigkeitsabführung und zur Abführung von nicht kondensierbaren Gasen, dadurch gekennzeichnet, daß Ablenkplatten (11) im Dampfraum eingebaut sind.

2. Rohrbündelkondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkplatten (11) parallel zu den gekühlten Rohren (3) angeordnet sind.

3. Rohrbündelkondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkplatten (11) senkrecht zu den gekühlten Rohren (3) angeordnet sind.