DE4133479A1

DE4133479A1 - TUBE BUNDLE HEAT EXCHANGER

Info

Publication number: DE4133479A1
Application number: DE19914133479
Authority: DE
Inventors: Wolfgang 6700 Ludwigshafen De Genzlinger; Gerd Dipl.-Ing. Stein (Fh), 6701 Hochdorf-Assenheim, De
Original assignee: Halberg Maschinenbau GmbH
Current assignee: Halberg Maschinenbau GmbH
Priority date: 1991-10-09
Filing date: 1991-10-09
Publication date: 1993-06-09
Also published as: EP0536796A1

Description

In Wärmeaustauschern für die rasche Abkühlung und Erwärmung von Prozeßgas in der chemischen oder der Mineralölindustrie können hohe Temperatur- und Druckunterschiede auftreten. Die Temperaturunterschiede führen vor allem in dickwandigen Bauteilen zu beträchtlichen Wärmespannungen. Dies gilt insbe sondere für die im Hinblick auf die Druckunterschiede mit beträchtlicher Dicke ausgeführten Rohrplatten in Rohrbündel wärmeaustauschern. Sie sind mit bekannten Mitteln (bspw. DE-PS 35 33 219, DE-PS 39 30 205) beherrschbar, wenn die Verhältnisse im wesentlichen stationär sind. Wenn aber instationäre Be triebsbedingungen vorliegen, bspw. häufige An- und Abfahrzu stände auftreten, können die wechselnden Wärmespannungen zerstörerisch wirken. Die Erfindung hat erkannt, daß dies vornehmlich den Randbereich der zuführungsseitigen Rohrplatte des Rohrbündel-Wärmeaustauschers betrifft, der einerseits mit dem Mantel und andererseits mit der Wand der zuführungsseiti gen Kammer verbunden ist. Dieser wird einerseits durch die rohrkammerseitige Oberfläche des Rohrbodens, andererseits durch dessen der Zuführungskammer zugewandte Oberfläche und drittens durch die Verbindungslinie zwischen den Übergängen der Rohrplatte zum Mantel einerseits und zur Wand der Zufüh rungskammer andererseits begrenzt. Er erstreckt sich nach innen etwa bis zu den äußeren Rohren oder bis zu einer zwischen dem Rohrbündel und Mantel befindlichen Abschottung. Während die der Zuführungskammer zugewandte Oberfläche sich auf hoher Temperatur befindet, ist die der Rohrkammer zuge wandte Oberfläche gekühlt, was zu Zugspannungen Anlaß gibt, die im instationären Betrieb zu Wechselbeanspruchung werden.In heat exchangers for rapid cooling and heating of process gas in the chemical or mineral oil industry high temperature and pressure differences can occur. The Temperature differences mainly result in thick-walled Components with considerable thermal stresses. This applies in particular especially for those with regard to the pressure differences Tubular plates of considerable thickness in tube bundles heat exchangers. They are known by means (e.g. DE-PS 35 33 219, DE-PS 39 30 205) controllable if the circumstances are essentially stationary. But if transient loading drive conditions exist, e.g. frequent start-ups and shutdowns changes occur, the changing thermal tensions to be destructive. The invention has recognized that this primarily the edge area of the feed-side tube plate of the tube bundle heat exchanger, the one with the jacket and on the other hand with the wall of the feed side gen chamber is connected. This is on the one hand by the surface of the tube sheet on the tube chamber side, on the other hand through its surface facing the feed chamber and third, through the connecting line between the transitions the tube plate to the jacket on the one hand and to the wall of the feed on the other hand limited. It stretches inside up to the outer tubes or up to one partition between the tube bundle and the jacket. During the surface facing the feed chamber is at a high temperature, the tube chamber is drawn turned surface cooled, which gives rise to tensile stress, which become transient in non-stationary operation.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen schädlichen Einfluß zu verringern.The invention has for its object this harmful Reduce influence.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß der Randbereich der Rohrplatte mit Mitteln zur Verminderung der Wärmeabfuhr versehen ist. Er wird dadurch insgesamt insbesondere auf seiner kühlen Seite auf höherer Temperatur gehalten, wodurch der Temperaturgradient gesenkt wird und die maximal auftreten den Temperaturdifferenzen und damit Spannungen im wechselnden Betrieb verringert werden.The solution according to the invention is that the edge area the tube plate with means to reduce heat dissipation is provided. Overall, he will be particularly on its cool side kept at a higher temperature, causing the temperature gradient is lowered and the maximum occur the temperature differences and thus voltages in the changing Operation can be reduced.

Zweckmäßigerweise werden die Mittel zur Verminderung der Wärmeabfuhr dort vorgesehen, wo die Wärmeabfuhr ohne diese Mittel am stärksten sein würde, nämlich an der rohrseitigen Oberfläche des Randbereichs der Rohrplatte. Auch an der Außenoberfläche des Randbereichs zwischen deren Verbindung mit dem Mantel und der Kammerwand können derartige Mittel sinnvoll sein.Appropriately, the means for reducing the Heat dissipation is provided where the heat dissipation without it Medium would be strongest, namely on the pipe side Surface of the edge area of the tube plate. Also at the Outer surface of the edge area between their connection with such means can be useful for the jacket and the chamber wall be.

Diese Mittel können zum einen von einer Wärmedämmeinrichtung gebildet sein. Diese ist vornehmlich an der rohrkammerseitigen Oberfläche sinnvoll. Die Mittel zur Verminderung der Wärmeab fuhr können jedoch auch von einer Heizeinrichtung gebildet sein. Da deren Einfluß je nach Leistung beträchtlich über den Bereich ihrer Anbringung hinausreichen kann, muß diese nicht unbedingt im Bereich der stärksten Wärmeabfuhr (rohrkammer seitige Oberfläche) vorgesehen werden, sondern kann auch sehr wirksam sein, wenn sie an der Außenoberfläche des Randbereichs angeordnet ist, wo sie besser zugänglich ist. On the one hand, these means can be from a thermal insulation device be educated. This is primarily on the tube chamber side Surface makes sense. The means to reduce the heat drove can also be formed by a heater be. Since their influence is considerably greater than that depending on the performance Range of their attachment may not have to absolutely in the area of the strongest heat dissipation (tube chamber side surface) can be provided, but can also be very be effective when on the outer surface of the border area is arranged where it is more accessible.

Sowohl die Wärmedämmeinrichtung als auch die Heizeinrichtung können nach der Erfindung von einer Vorsatzkammer gebildet sein. Als Wärmedämmkammer enthält sie ruhendes Medium und vermindert daher die Wärmeabfuhr durch Konvektion. Zweckmäßi gerweise besitzt dieses Medium eine niedrige Wärmeleitfähig keit und ist vorzugsweise ein Gas (Luft). In der Vorsatzkammer können dabei zusätzliche Mittel vorgesehen sein, die eine Konvektionsbewegung des Mediums hemmen, bspw. faserige oder porige Stoffe. Wenn die Vorsatzkammer zur Beheizung verwendet wird, kann sie von einem geeigneten Wärmeträgermedium durch strömt sein, das auch das zu kühlende Prozeßgas selbst sein kann.Both the thermal insulation device and the heating device can be formed by an attachment chamber according to the invention be. As a thermal insulation chamber, it contains static medium and therefore reduces heat dissipation by convection. Expedient this medium has a low thermal conductivity speed and is preferably a gas (air). In the front chamber additional funds can be provided, the one Inhibit convection movement of the medium, e.g. fibrous or porous fabrics. If the front chamber is used for heating is, it can by a suitable heat transfer medium flows, which is also the process gas to be cooled itself can.

Zweckmäßigerweise wird der Randbereich der Platte dünner als deren die Rohre aufnehmender Bereich ausgebildet. Durch die Verringerung der Wandstärke werden bekanntermaßen die Wärme spannungen verringert. In Verbindung mit den oben erläuterten erfindungsgemäßen Mitteln hat die Verringerung der Wandstärke den weiteren Vorteil, daß der Randbereich der Platte rascher durchwärmt wird, so daß geringere Temperaturgradienten auftre ten.The edge region of the plate is expediently thinner than whose area receiving the tubes is formed. Through the Reducing the wall thickness is known to be the heat tensions reduced. In conjunction with the above agents according to the invention has the reduction in wall thickness the further advantage that the edge area of the plate faster is heated so that lower temperature gradients occur ten.

Ferner ist es im Zusammenhang der Erfindung vorteilhaft, wenn - wie gleichfalls bekannt - zwischen dem Rohrbündel und dem Mantel eine Abschottung vorgesehen ist. Die rohrkammerseitigen Mittel zur Verminderung der Wärmeabfuhr von dem Randbereich der Rohrplatte sind dann zweckmäßigerweise zwischen der Abschottung und dem Mantel angeordnet.It is also advantageous in the context of the invention if - as is also known - between the tube bundle and the Sheath foreclosure is provided. The pipe chamber side Means for reducing heat dissipation from the edge area the tube plate are then conveniently between the Foreclosure and the mantle arranged.

Schließlich ist es im Sinne einer raschen Durchwärmung des Randbereichs der Rohrplatte vorteilhaft, wenn die zufuhrseiti ge Kammer eine Einrichtung enthält, die die Spülung des Randbereichs mit dem zuzuführenden Medium fördert, bspw. strömungsführende Einbauten, die das aus der Kammer den Rohren zuzuführende Medium zunächst gleichmäßig dem Randbereich der Rohrplatte zuleiten. After all, it is in the sense of a rapid warming of the Edge area of the tube plate advantageous if the supply side chamber contains a device for flushing the Promotes edge area with the medium to be supplied, for example. flow-carrying internals that get the pipes out of the chamber medium to be fed initially evenly around the edge of the Feed pipe plate.

Wenn der erfindungsgemäße Rohrbündel-Wärmeaustauscher auch vornehmlich zur Kühlung von heißem Gas, das durch die Rohre geleitet wird, gegen flüssiges oder verdampfendes Medium vorgesehen ist, braucht die Anwendung der Erfindung jedoch auf solche Fälle nicht beschränkt zu sein.If the tube bundle heat exchanger according to the invention also primarily for cooling hot gas flowing through the pipes is directed against liquid or evaporating medium is intended, however, the application of the invention is exhausted such cases are not limited.

Die Erfindung wird im folgenden näher unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert, die vorteilhafte Ausführungsbeispiele veranschaulicht.The invention will now be described in more detail with reference to the Drawing explains the advantageous embodiments illustrated.

Fig. 1 zeigt einen Teil-Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform und Fig. 1 shows a partial longitudinal section through a first embodiment and

Fig. 2 einen entsprechenden Teilschnitt durch eine zweite Ausführungsform. Fig. 2 shows a corresponding partial section through a second embodiment.

Beide Figuren veranschaulichen lediglich einen randnahen Teil der Rohrplatte 1, die an ihrem Außenumfang einerseits mit dem Mantel 2 bei 3 verschweißt ist und andererseits mit der Wand 4 der zufuhrseitigen Kammer 5 bei 6 verschweißt ist. Die Außen oberfläche 7 des Rohrplattenrandes wird daher etwa von der Verbindungslinie zwischen den Verbindungspunkten 3 und 6 der Rohrplatte zum Mantel 2 und zur Wand 4 der Zufuhrkammer gebildet. Bei 8 ist ein in die Rohrplatte in bekannter Weise eingesetztes Rohr angedeutet. Zwischen dem Bündel der Rohre 8 und dem Mantel 2 ist nahe dem Rohrbündel eine Abschottung 9 vorgesehen, die den Zwischenraum 10 dem Wärmeaustausch ent zieht und dadurch im Mantelbereich für mäßigere Temperaturen sorgt.Both figures illustrate only a part of the tube plate 1 near the edge, which is welded on its outer circumference on the one hand to the jacket 2 at 3 and on the other hand is welded to the wall 4 of the supply-side chamber 5 at 6 . The outer surface 7 of the tube plate edge is therefore formed approximately from the connecting line between the connection points 3 and 6 of the tube plate to the jacket 2 and the wall 4 of the feed chamber. At 8 , a tube inserted into the tube plate in a known manner is indicated. Between the bundle of tubes 8 and the jacket 2 , a partition 9 is provided near the tube bundle, which draws the space 10 away from the heat exchange and thereby ensures moderate temperatures in the jacket area.

Der Randbereich 11 der Rohrplatte, der nach innen etwa bis zu dem äußersten Rohr 8 oder dem Radius der Abschottung 9 reicht, weist eine der Rohrkammer 12 bzw. dem in der Rohrkammer gebildeten Zwischenraum 10 zugewandte Oberfläche 13 auf. Ihr gegenüber liegt die Oberfläche 14, die der Zufuhrkammer 5 zugewandt ist. Abweichend von der sonstigen im wesentlichen ebenen und relativ dicken Ausführung der Rohrplatte sind die Oberflächen 13, 14 unter Verringerung der Wandstärke der Rohrplatte einander angenähert. Die Punkte 3 und 6, an denen der Rohrplattenrand mit dem Mantel 2 bzw. der Wand 4 der zuführungsseitigen Kammer verbunden ist, sind hinsichtlich des Durchmessers gegeneinander versetzt. Insoweit stimmen beide Ausführungsformen überein. Es versteht sich, daß die Anordnun gen als Rotationskörper ausgebildet sind.The edge region 11 of the tube plate, which extends inward approximately to the outermost tube 8 or the radius of the partition 9 , has a surface 13 facing the tube chamber 12 or the space 10 formed in the tube chamber. Opposite it is the surface 14 which faces the feed chamber 5 . Deviating from the other essentially flat and relatively thick version of the tube plate, the surfaces 13 , 14 are brought closer together while reducing the wall thickness of the tube plate. The points 3 and 6 , at which the tube plate edge is connected to the casing 2 or the wall 4 of the feed chamber, are offset with respect to the diameter. In this respect, both embodiments are the same. It is understood that the Anordnun conditions are designed as a rotating body.

Gemäß Fig. 1 ist durch die ringförmig umlaufende Wand 15 vor der rohrkammerseitigen Oberfläche 13 des Rohrplattenrandberei chs 11 eine Vorsatzkammer 16 geschaffen, die mit Luft gefüllt ist. Sie kann durch eine durch strichpunktierte Linie 17 angedeutete Bohrung mit der Atmosphäre in Verbindung stehen. Die Vorsatzkammer 16 verhindert einen raschen Wärmeaustausch der Oberfläche 13 mit dem Medium in dem Teil 10 der Rohrkammer 12. Dadurch wird die Wärmeabfuhr von der Oberfläche 13 gehemmt und der Rohrplattenrand 11 wird rascher und auf eine gleichmä ßig hohe Temperatur aufgeheizt. In Betriebsintervallen, in denen kein heißes Gas der Zufuhrkammer 5 zugeführt wird, kühlt der Randbereich der Platte auch weniger aus. Insgesamt ergibt sich dadurch eine beträchtliche Verminderung der insbesondere im instationären Betrieb auftretenden Temperaturgradienten. Die Beanspruchung des Plattenrands durch Temperaturwechsel spannungen wird dadurch stark herabgesetzt.According to Fig. 1 of the tube plate edge preparation chs 11 is provided an attachment chamber 16 by the annular circumferential wall 15 in front of the tube chamber side surface 13, which is filled with air. It can be connected to the atmosphere through a bore indicated by dash-dotted line 17 . The attachment chamber 16 prevents a rapid heat exchange of the surface 13 with the medium in the part 10 of the tube chamber 12 . As a result, the heat dissipation from the surface 13 is inhibited and the tube plate edge 11 is heated more quickly and to a uniformly high temperature. In operating intervals in which no hot gas is supplied to the feed chamber 5 , the edge region of the plate also cools down less. Overall, this results in a considerable reduction in the temperature gradients that occur, in particular, in non-stationary operation. The stress on the edge of the plate due to temperature changes is greatly reduced.

Die Zufuhrkammer 5 enthält eine glockenförmige Wand 18, die das (in der Zeichnung von unten) einströmende Gas zunächst dem Randbereich der Rohrplatte 1 zuleitet, so daß dieser rasch und gleichmäßig beheizt wird.The feed chamber 5 contains a bell-shaped wall 18 which first feeds the gas flowing in (in the drawing from below) to the edge region of the tube plate 1 , so that it is heated quickly and uniformly.

Die Wand 15 der Vorsatzkammer 16 ist vergleichsweise dünn ausgeführt, so daß sie auch unter temperaturbedingten Verfor mungen der angrenzenden Teile keine schädlichen Kräfte zwi schen Rohrplatte 1 und Mantel 2 zu übertragen vermag.The wall 15 of the front chamber 16 is comparatively thin, so that it can transmit no harmful forces between the tube plate 1 and jacket 2 even under temperature-related deformations of the adjacent parts.

In der zweiten Ausführung gemäß Fig. 2 ist eine Vorsatzkammer 19 an die Außenoberfläche 7 des Rohrplattenrands angesetzt und in nicht dargestellter Weise mit einer Wärmequelle verbunden. Sie wird bspw. von einem flüssigen oder gasförmigen Wärmeträ germedium durchströmt. Dies kann auch das der Zufuhrkammer zuzuführende Prozeßgas selbst sein. Erreicht wird dadurch, daß der Randbereich 11 der Rohrplatte nicht nur von der Oberfläche 14 her, sondern auch von außen her beheizt wird. Dadurch erfolgt die Aufheizung rascher und aufgrund der Richtung der Wärmeströmung günstiger. Auch besteht die Möglichkeit, den Randbereich bereits langsam und daher schonend aufzuheizen, bevor heißes Medium der Zufuhrkammer 5 schlagartig zugeführt wird. Dadurch können die mit instationären Betrieb verbundenen wechselnden Temperaturverhältnisse im Randbereich der Roh rplatte nahezu völlig vermieden werden.In the second embodiment according to FIG. 2, an attachment chamber 19 is attached to the outer surface 7 of the tube plate edge and is connected to a heat source in a manner not shown. A liquid or gaseous heat transfer medium flows through it, for example. This can also be the process gas to be supplied to the feed chamber itself. This is achieved in that the edge region 11 of the tube plate is heated not only from the surface 14 but also from the outside. As a result, the heating takes place more quickly and more cheaply on account of the direction of the heat flow. There is also the possibility of heating the edge area slowly and therefore gently before hot medium is suddenly supplied to the feed chamber 5 . As a result, the changing temperature conditions associated with unsteady operation in the edge region of the tube plate can be almost completely avoided.

Die beheizbare Vorsatzkammer gemäß Fig. 2 kann gemeinsam mit der wärmedämmenden Vorsatzkammer 16 der Fig. 1 angewendet werden. Auch die Vorsatzkammer 16 gemäß Fig. 1 kann gewünsch tenfalls mit einem Heizmedium beaufschlagt werden; der zusätz lichen Anwendung einer beheizten Vorsatzkammer 19 auf der Außenoberfläche 7 des Rohrplattenrandes bedarf es dabei in der Regel nicht.The intent heated chamber according to Fig. 2 can 16 of FIG. 1 are applied together with the heat-insulating attachment chamber. The front chamber 16 of FIG. 1 can optionally be acted upon with a heating medium; the additional union application of a heated front chamber 19 on the outer surface 7 of the tube plate edge is usually not required.

Claims

1. Tube bundle heat exchanger with a tube plate connected to the jacket of the heat exchanger and the wall of the feed-side chamber, characterized in that between the feed-side chamber ( 5 ), the tube chamber ( 12 , 10 ) and the connection ( 3 ) with the jacket ( 2 ) located edge area ( 11 ) of the tube plate ( 1 ) is provided with means ( 15 , 16 , 19 ) to reduce the heat dissipation.

2. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the means for reducing the heat dissipation on the tube chamber side surface ( 13 ) of the edge region ( 11 ) of the tube plate ( 1 ) are provided.

3. Heat exchanger according to claim 1 or 2, characterized in that the means for reducing the heat dissipation on the outer surface ( 7 ) of the edge region ( 11 ) of the tube plate ( 1 ) between its connection ( 3 ) with the jacket ( 2 ) and the connection ( 6 ) of which is provided with the chamber wall ( 4 ).

4. Heat exchanger according to one of claims 1 to 3, characterized characterized in that the means for reducing the Heat dissipation are formed by a thermal insulation device.

5. Heat exchanger according to one of claims 1 to 3, characterized characterized in that the means for reducing the Heat dissipation are formed by a heating device.

6. Heat exchanger according to claim 4 or 5, characterized in that the means for reducing the heat dissipation are formed by an attachment chamber ( 16 , 19 ) which is filled with a resting medium, preferably low thermal conductivity or a heating medium.

7. Heat exchanger according to one of claims 1 to 6, characterized in that the edge region ( 11 ) of the tube plate ( 1 ) is formed thinner than the tube receiving area.

8. Heat exchanger according to one of claims 1 to 7, characterized in that a partition ( 9 ) is provided between the tube bundle ( 8 ) and the jacket ( 2 ) and the tube chamber-side means ( 15 , 16 ) for reducing the heat dissipation from the edge region ( 11 ) of the tube plate ( 1 ) between the partition ( 9 ) and the jacket ( 2 ) are arranged.

9. Heat exchanger according to one of claims 1 to 8, characterized in that the supply-side chamber ( 5 ) contains a device ( 18 ) for flushing the edge region ( 11 ) of the tube plate ( 1 ) with the medium to be supplied.