DE4026096A1 - Glattrohrschlangen-waermetauscher hoher heizflaechendichte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Glattrohrschlangen-Wärmetauscher hoher Heizflächendichte für Einsatzgebiete der chemischen Verfahrenstechnik und der Energietechnik.

Insbesondere betrifft die Erfindung eine gut EDV-berechenbare, leicht herstellbare und zerstörungsfrei prüfbare Heizflächenanordnung aus Mehrfach-Glattrohrschlangen, die aus gleichen Rohrschlangenpaneelen zum Wärmetauscher gestapelt werden kann und die in Heizflächendichte, Apparatevolumen und Herstellungskosten Rippenrohr-Wärmetauschern vergleichbar ist.

In Anwendungsfällen, bei denen die Temperaturdifferenzen zwischen den Kernrohren und den äußeren Rippenrändern von Rippenrohr-Heizflächen aus prozeßtechnischen Gründen vermieden werden müssen, sind Glattrohr-Heizflächen einzusetzen, welche jedoch wegen ihrer wesent­ lich geringeren Heizflächendichte sehr viel größere Apparatevolumina erfordern.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Glattrohrschlangen-Wärmetauscher zur Verfügung zu stellen, dessen Heizflächendichte die herkömmlicher Glattrohr-Heizflächen weit übersteigt und daher bei gleicher Leistung Apparatevolumina erlaubt, die Rippenrohr-Wärmetauschern vergleichbar sind.

Die Lösung der Aufgabe wird bei einem Wärmetauscher zum Kühlen oder Erhitzen großer Gasströme mittels einer von Wasser, Dampf oder anderen Wärmeträgern durchströmten Glattrohrschlangen-Heizfläche, welche in einem kreisförmigen Gasströmungsquerschnitt eines vertikalen zylindrischen Gehäuses angeordnet ist, dadurch erzielt,

• - daß die Heizfläche aus einem oder mehreren Stapeln übereinander geschichteter Rohrschlangen-Paneele besteht,
• - daß alle Rohrschlangen-Paneele die gleiche mäanderartige Mehrfach-Rohrschlangenwicklung haben, deren äußere Kontur dem Gasströmungsquerschnitt angepaßt ist,
• - daß die parallel geschalteten Rohrschlangen für Wasser, Dampf oder andere Wärmeträger auf zwei oder mehrere Rohrschlangen- Paneele verteilt sind,
• - daß die Verbindungsrohre zwischen den Rohrschlangen-Paneelen an ihrem Außenrand zugänglich liegen,
• - daß die Stapelbarkeit der Rohrschlangen-Paneele durch abwechselnd spiegelbildliche Anordnung und Verdrehung um den Mittelpunkt des Gasströmungsquerschnitts ermöglicht wird.

Anhand der Skizzen eines Prozeßgaskühlers mit 64-bar-Zwangdurchlauf- Vorverdampfung des Kühlmediums Wasser wird das Prinzip dieses neuartigen Wärmetauschers nachfolgend erläutert.

Fig. 1 zeigt die Rohrmittellinien eines Rohrschlangenpaneels mit sechs parallelen Rohren, einschließlich der Lage ihrer Ein- und Austrittsrohre am äußeren Umfang. Die aus dem Dampfkesselbau bekannte Mäanderbandwicklung von Rohrschlangenpaneelen wird für den Strahlungs-Wärmeaustausch in berohrten Kesselwänden und sogenannten "Schotten"-Heizflächen verwendet, an denen das wärmeabgebende Gas hauptsächlich parallel zur Wandebene strömt. Um derartige, mit den im Kesselbau üblichen Maschinen in Serien herstellbare Rohrpaneele für senkrecht zur Paneelebene gasseitig durchströmte große Konvektions­ Wärmetauscher hoher Heizflächendichte einsetzen zu könnnen, werden erfindungsgemäß Rohrpaneele verwendet, die ohne weitere Zwischenlagen stapelbar sind und die es erlauben, daß die gesamte Wärmeaustausch­ fläche aus völlig gleichen Rohrpaneelen gebildet werden kann. Dies wird erfindungsgemäß durch Anpassung der äußeren Paneelenkontur an den in der Regel kreisförmigen Gasgehäusequerschnitt, durch Verwendung besonderer Umkehrenden ermöglichte, sehr enge, gleichmäßige Rohrteilungen ohne Rohrausbiegungen aus der Paneelenebene sowie durch abwechselnd spiegelbildliche Anordnung und Verdrehung der Rohrpaneele erreicht.

Alle Rohrkrümmer von weniger als 180° sind mit dem gleichen Biegeradius gebogen, wobei die Biegewinkel, die geraden Rohrschenkel und die Lage der Rohrstöße per EDV-Programm berechenbar sind. Die Fertigung, Schweißnahtprüfung und der Zwischentransport der Rohrschlangenpaneele kann auf einfachen (hier nicht dargestellten) Lehren aus Holz erfolgen, mit denen sie wie üblich verdrahtet werden. Ausreichende Formstabilität im fertigen Heizflächenstapel wird in der für Schottenheizflächen üblichen Art durch zwischen die parallelen Rohre der Paneele eingeschweißte (ebenfalls in Fig. 1 nicht dargestellte) Distanzeisen erreicht.

Fig. 2 zeigt die Rohrmittellinien von zwei übereinandergestapelten Rohrschlangenpaneelen und ist entstanden durch spiegelbildliche Anordnung und geringe Verdrehung von zwei gleichen Rohrschlangen­ paneelen der Fig. 1. Unter geringer Verdrehung ist generell ein Winkel in der Größenordnung von 3 bis 15°, vorzugsweise 6 bis 10° zu verstehen.

Die darübergestapelten dritten und vierten Paneele werden gegenüber dem ersten bzw. zweiten Paneel um jeweils 180° gedreht.

Die Eintrittsrohre und die verbindenden, für alle Paneele gleichen U-Rohre zum jeweils nachgeschalteten Rohrpaneel werden angeschweißt und geprüft, bevor das nächste Paneel auf den Heizflächenstapel gelegt wird, während alle übrigen Rohrschweißnähte der Paneele bereits im Rahmen ihrer Serienfertigung geprüft und ihre Distanzeisen angeschweißt werden.

Zum Stapeln werden die Rohrpaneele so gedreht, daß ihre hölzernen Lehren oben liegen, so daß die Lehren nach dem Auflegen und Ausrichten jedes Rohrpaneels auf dem Heizflächenstapel abgenommen und in der Paneelenfertigung wiederverwendet werden können.

Fig. 3 zeigt einen Tragrost und seine Anordnung zu den Rohrschlangenpaneelen, konzipiert für das Wärmetauschertragsystem "Apparatefüße gemäß DIN 28081" und für die Aufnahme sehr großer Heizflächenstapel. Dieser Tragrost besteht aus sechs Rostträgern (R_a, R_s, R_m) aus Breitflachstahl, welche von unten geschlitzt auf den zwei Hauptträgern (H) aus Breitflachstahl sitzen und zum kippsicheren Rost verschweißt sind. Beispielsweise wurde für den genannten Anwendungsfall der Tragrost so konzipiert, daß die maximale Vergleichspannung aus Innendruck und Biegung der Rohre 38 ä. ⌀ ×3,2 mm aus St 35.8 der untersten Rohrschlangenpaneele bei einem inneren Auslegungsüberdruck von 64 bar und 300°C Berechnungs­ temperatur die gleiche Mindest-Sicherheit von S_F 1,8 gegen die Warmstreckgrenze beläßt wie der Rost.

Schnitt AA der Fig. 3 zeigt die Anordnung des Tragrosts im Gehäuseboden, der mit den Apparatefüßen verschweißt ist und das äußere Wärmetauschergehäuse einschließlich der Gasführungsschürze trägt. Das äußere Gehäuse und der Boden können mittels Apparate­ flansch- oder Schweißverbindung zusammengefügt werden; ihre Trennlinie muß jedoch stets unter der Rostoberkante und der Unterkante der Gasführungsschürze liegen.

Fig. 4 zeigt beispielhaft einen Prozeßgaskühler mit einer gasberührten Wärmeaustauschfläche von 1226 m², einem Gehäuse­ durchmesser von 4000 mm, einer Bauhöhe von 4120 mm, einer Heizflächenstapelhöhe von 1672 mm, einem Gewicht von 650 kg je Rohrpaneel und einem Gesamtgewicht des Apparats von 43 t, der gasseitig für 1 bar Oberdruck bei 440°C Berechnungstemperatur am Eintritt bzw. 250°C Berechnungstemperatur an der Gasaustrittsseite ausgelegt ist. Die Verbindung des Gehäuseoberteils mit dem Gehäuse­ boden ist geflanscht und verschraubt; die oberen Anschlußleitungen und die obere Sammlerdurchführung sind so mit herausnehmbaren Teilen ausgerüstet, daß der Heizflächenstapel freigelegt werden kann. Die Gasführungsschürze ist durch Längsflansche in Segmente geteilt und mittels Klemmlaschen im Außengehäuse aufgehängt, wie aus dem vergrößert dargestellten Ausschnitt zu erkennen ist. Dadurch kann die Schürze dem fertig montierten Heizflächenstapel unabhängig vom Gehäusedurchmesser gut angepaßt werden. Der Prozeßgaskühler kann im Herstellerwerk zusammengebaut und fertig (mittels eines nicht dargestellten Tragegeschirrs) zum Einsatzort transportiert werden.

Besonders geeignet ist der erfindungsgemäße Wärmetauscher für große Gasmengen, die bevorzugt frei von Feststoffpartikeln sein sollten. Generell findet er überall dort Anwendung, wo Rippenrohr-Heizflächen wegen möglicher Temperaturdifferenzen zwischen Kernrohr und äußerem Rippenrand vermieden werden müssen. Als Anwendungsbeispiele zu nennen wären Anlagen zur Herstellung von Phthalsäureanhydrid oder von Schwefelsäure sowie Abhitzewärmetauscher hinter Gasturbinen.

Claims (3)

1. Wärmetauscher zum Kühlen oder Erhitzen großer Gasströme mittels einer von Wasser, Dampf oder anderen Wärmeträgern durchströmten Glattrohrschlangen-Heizfläche, welche in einem kreisförmigen Gasströmungsquerschnitt eines vertikalen zylindrischen Gehäuses angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Heizfläche aus einem oder mehreren Stapeln übereinander geschichteter Rohrschlangen-Paneele besteht,
• - daß alle Rohrschlangen-Paneele die gleiche mäanderartige Mehrfach-Rohrschlangenwicklung haben, deren äußere Kontur dem Gasströmungsquerschnitt angepaßt ist,
• - daß die parallel geschalteten Rohrschlangen für Wasser, Dampf oder andere Wärmeträger auf zwei oder mehrere Rohrschlangen-Paneele verteilt sind,
• - daß die Verbindungsrohre zwischen den Rohrschlangen-Paneelen an ihrem Außenrand zugänglich liegen,
• - daß die Stapelbarkeit der Rohrschlangen-Paneele durch abwechselnd spiegelbildliche Anordnung und Verdrehung um den Mittelpunkt des Gasströmungsquerschnitts ermöglicht wird.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizflächenstapel auf dem unteren Gehäuseboden gelagert ist, so daß das Wärmetauschergehäuse von oben über die fertig montierte und geprüfte Heizfläche gesetzt werden kann.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine den Gasströmungsquerschnitt bildende, dünn­ wandige, ggf. teilbare, dem fertigen Heizflächenstapel gut anpaßbare Innenschürze der Außengehäusedurchmesser unabhängig vom Außendurchmesser des Heizflächenstapels größer gewählt werden kann.