DE7513205U - Waermeaustauscher fuer vorrichtungen in der chemieindustrie, insbesondere in der erdoelindustrie - Google Patents

Description

Patentanwälte Dipl.-lng. W. Meissner

DipMii,:.:^;. E. Meissner

Oipl.-Ιπΐ;. f..-}. h-äsiing

Scrlii) jj (Grunewald), Herbertstraßa

Brelln, d« 28. April 1975 HJr/8i

QiUSZPARZ TERVBZO TlLLALAT

TJARMEAUSTAUSCHER FÜR VORRICHTUNGEN IN DE?. CHEMIEINDUSTRIE, INSBESONDERE IN DER ERDÖLINDUSTRIE

Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher für Vorrichtungen in der Chemieindustrie, vorzugsweise in dor Erdölindustrie.

Bei Wärmeaustauschern bringt die Steigerung des V/äme-Ubei-gangswertes Einsparungen in Investition und Betrieb mit sich.

A772-2168

7 K '-

■-'■: 13.01.7?

Daher iat die ijteigerung des V/ürmeübergangewertes wünschenswert ·

Von den bekannten Lösungen zur Vergrößerung des l.'ürmeübergangswertes 1st die älteste Methode die Ausbildung von Rippen an der wirmeüb er tragend en Wand ohne Vergrößerung dee Strömungpquerschnittea. Weitere bekannte Lösungen beruhen teile auf der Vergrößerung der wirksamen Flächen der Kippen, teils auf der Ausbildung günstigerer StrömungeverhaMtnisse· Solche teohnisohen Lösungen sind zum Beispiel die Anwendung von gewellten lieiarippen, Kanälen konstanten Querschnitts oder die Steigerung der strömung B turbulenz»

Bei Strömungen, die parallel zu einer ebenen Viand verlaufen» wird die wärmeübertragende ebene Oberfläche «weckraäßig mit einem Rippenprofil versehen, das aus der ebenen Wand selbst ausgebildet ist. Zum Beispiel können in der wärueUbertrageaden Wand durch Fressen an Stelle der herausstellenden Rippen Vertiefungen angebracht werden, wodurch an diesen Stellen eine turbulente Strömung auftritt und der Wärmeübergang größer wird (L.Porgo: MTA müszaki tud. oszt. közleminyei, 1952, IT, - Kitteilungen der technisch-wissenschaftliohen Abteilung der Wissenschaftlichen Akademie Ungarns).

Ee ist bekannt, daß bei Strömungen parallel zu einer ebenen Wand der lokale Y7ärmeübergangswert durch die allgemeine Formel

ausgedrückt werden kann, worin

Ot₁ der Wärmeübergangswert in der Bitfernung χ von der Eintrittekante,

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■ ti*

O₁ eine eich aus den physikalischen Eigensohaften des strömenden Mediums ergebende Konstante und w die Geschwindigkeit des strömenden Mediums ist.

Aus der Formel folgt, daß der Wert von « an der Eintrittskarte (d.h. wenn χ gleioh Null ist oder einen sehr kleinen Wert hat) unendlioh beziehungsweise sehr groß ist, während dieser V.'ert, nimmt die Entfernung von der Kante auf einen unendlioh großen Wart BU, asymptotiaoh gegen Null beziehungsweise einen sehr kleinen Wert strebt.

Durch Integrieren der Gleichung über die gesamte Länge erhält man

* " χ
und durch Hinsetzen von λ

* " °2 \ 1 , worin «₂ - 2 ο_χ ist. Aus dieser Gleichung ist ersichtlich, daß zur Verbesserung des durchschnittlichen Y7ürmeUbergangswertes zwei Möglichkeiten bestehen: Verringerung des in die Richtung der Strömung fallenden Maßes der Rippe, oder Vergrößerung der Strömungsgeschwindigkeit (w).

Zur Vergrößerung der Strömungsgeschwindigkeit muß eine

Zwangeströmung, müssen alao Ventilatoren angewendet werden, was natürlich einen Eiiergieverluet Bedeutet. Der Vergrößerung der Geschwindigkeit ist auch dadurch eine Grense gesetzt, daß die notwendige Ventile orleietuag etwa alt den Quadrat der Geschwindigkeit es teigerun? ^äoHtoS«, Zweckmäßig ist demnach die Verringerung der Strümuagslänge, waa im wesentlichen durch die Pestig«· kalt der Kleinrippen nach unten begrenzt ist. Eheoretisch und

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praktisch liegt dio op+^:malo Ippenbr^j. tr b'i ι. tvm ? mi,

!icknnnt jjt. dip ■/<·. _:.-.v. π : _: .· .. ' I ,. ι ..· ] _; j·. . . ι , ,· itauecherolctiK. ntnn hoi don Y'< Vi i;iii-'-.< ·. v·· ., , _r · ι Γ t. -.··■. :·!■■ ι ( ;, ··:·-, Beispiel tir.cvincln- !ή ι , ■; ι ;_;ι:] _ιΓ , r ι. ■ , ■ .". : ) ■ j , , i_ri . ner die unglnichra/.Oi^r.· .i-if triLnn,- d·- I. ,,, ,·.·, do·· ;.l' inii _Γρ₍.·ι, womit der Zweck verfolgt wird, i oBonaneerscboinunnen zu v^rin-irtf?n.

lür die /nv/endi:n,- in der ''Iv i;i( -, vor nl Leu Lü dor Tdölindustrie sind diese aua bekennU-n !!lfncntpn bfotolnndon ν; rmeaustauscher wenig geeignet, vreil Ln den n^nennton Anwendiinc3-gebieten völlig andere technologische und w.xmetechnische ■ Bedingung en herrschen.

Die bekannten kleinrippigen lomentc werden für freie oder höchstens in geringem r'aße durch künstliche "ittel geförderte Konvektion, d.h. für geringe Strömungsgeschwindigkeiten hergestellt. In den zu kühlenden Rohren kondensiert sich 'wasserdampf, wodurch der innere V'la'meübercancswcrt groß ist und die Gefahr einer Hohrverstopfung nicht besteht.

Bei Wärmeaustauschern in der Erdölindustrie ist hingegen eine starke Zwangsströmung erforderlich, der innere i/ärmeübergangswert ist klein, und die Gefahr der Korrosion unddes Verstopfens besteht. Aus letzterem Grund muß in den Rohrleitungen die Strömungsgeschwindigkeit gering gehelten werden, d.h. der Rohrquerschnitt muß größer sein, als dias bei V/asser der Fall ist* Darüber hinaus muß das Rohr oftmals aus schlecht τ/ärmeleitenaeni Material, zum Beispiel aus rostfreiem Stahl, gefertigt werden.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß die erwähnten Wärmeaustauscher für eine Anwendung in der Erdölindustrie in ihrem Aufbau in folgender Weise geädert werden müssen:

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1. Die allgemein verwendeten Aluminiumrohro laUsson dürr·]. Üoln-o auo ninem ,letall eiitnprpijhcwlor Ou tia und !•■.UBucimeiiijetzuij/;, voraufisweiou durch Stahlrohre, ersetzt worden.

2. Dor JJurchmesser der Kühlrohre muß vergrößert werdon.

3. Wegen des kleineren inneren '.Vürmeübergangawertea ist es nicht erforderlich, die Uußere wj'rneünertragonde Fläche derart stark zu vergrößern. Daher kann die Länge der Rippen wesentlich vermindert werden. Dies bedingt eine größere Geschwindigkeit des verwendeter Kühlmediums, zum Beispiel Luft.

Aus diesen sich zwangsläufig ergebenden Forderungen folgt, daß sich das Verhältnis zwischen mit Rippen versehener Fläche und Gesamtfläche stark verschlechtert, d.h. unter der Annahme der üblichen gleichmäßigen Rippenauf teilung bleiben große !'lachen ungenutzt«

Gegenstand der Erfindung ist ein Wärmeaustauscher, der ein aus Kühlrohren bestehendes Rohrbündel und an den Rohren befestigte Wärmeaustauschplatten hat, wobei diese Y'äraeaustauschplatten kleingerippte Kühlelemente darstellen, an deren Oberfl . das Rippenprofil aua Elementarrippen verschiedener Länge ausgebildet ist, zweckmäßig in der Weise, daß die Rippen ganz bis auf die auf die Rohre aufgezogenen Distanzringe oder in deren Nähe reichen.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die auf der wärmeübertragenden Oberfläche (Rohr) befindlichen Rippen und die auf der Platte des Wärmeaustauschers befindlichen Klein-. rippen im Verhältnis zueinander so angeordnet sind, daß der V/ärmeatrom gleichmäßig auf die einzelnen Rippen verteilt wird, d.h. daß der Wärmewiderstand zwiachen Rohr und den einzelnen Kleinrippen über den gesamten Umfang des Rohres praktisch gleich ist«

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Als Beispiel werden an Hand der Zeichnungen die wörraeteohnisohen Ergebnisse einer Y-'L-meaustauBoherplatte bekannter Teilung und die einer Platte erfindungagemüßer Aufteilung miteinander verglichen.
Fig. 1 zeigt in schematischer Zeiohnung ein konventionelles

Wärmeaustauschereleraent mit kleinen Rippen, in Draufsicht, Fig. 2 die Draufsieht auf das erfindungsgemäße klelnrlppige

Element, und
Pig. 3 die Ausbildung der Rippen an einem kleinrlppigen Würmeaustauscherelement·

Das in Fig. 1 gezeigte Würraeaustauscherelerient 2 ist durch Pressen mit den aus seinem eigenen Llaterial bestehenden Kleinrippen 4 versehen. Die Wärmeaustauscherelemente sind auf die Rohre 1 aufgezogen. Die zwischen den einzelnen Elementen angebrachten Distanzringe dienen einesteils dazu, die einzelnen Y/ärneaustauscherelemente im rechten Winkel auf den Rohren 1 zu halten, zum anderen bestimmen sie die zwischen den einzelnen Elementen 2 vorhandene Entfernung, d.h. die Breite des ELetaentarluftkanals. Da die Kleinrippen von gleicher Gestalt und entlang einer Geraden angeordnet sind, bleiben um die Rohre herum bezüglich der Wärmeleitung schlecht ausgenutzte Teile. Bei der in Fig. 2 gezeigten, erfindungsgemäßen Verteilung reichen die Kleinrippen 4 unterschiedlicher Länge ganz bis zu den Distanzringen 3, ihr Rand ist nur durch einen kleinen, herstellungsbedingten Spalt ο von den Distanzringen getrennt.

Nach eigenen Berechnungen kann mit den Rippen unterschiedlicher Länge ein um wenigstens 10 ^c/o besserer Wärmeübergangewert erreicht werden als mit den ansonsten identischen herkömm-

(C (I-

Hohen Elementen.

Dar Luftwideretand dar Elemente untereohiedlioher Utaga 1st proktiaoh unverändert, dia Haratallungakoeten tinderr •loh ebenfalla nioht.

Die ausführlichen Zahlenangaben de· Vergleiohea swiaohen dan Rippen gleicher Lange (Fall 1, Flg. l) sind für einen vier Rohrreihen enthaltenden (Zahl der Rippen η - 30) Wärmeaustauscher mit 1 m Stirnfläche und einem ebensolchen Wärmeaustauscher mit Rippen unterschiedlicher Länge (Pail 2, Hg. 2) in der folgenden Tabelle zusammengestellt.

τ», (m/a) Luftge schwindigkeit an der Stirnseite	FaJLl	1	1.5	1.9	2,3	2,7	3,0	3,8
λ (kp/m2)	Fall	k	3.69	4.89	6,84	9.3	12.12	18,96
	Fall	1	3.69	4.89	6.84	9.3	12.12	18.96
«k (kcal/mVc)	Fall	ά	635	698	754	800	842	920
			710	772	825	861	908	, 985
(X^(FaIl 2)			1,12	1,11	1,10	1,09	1,08	1,07
a^ (Fall 1)

A - hydraulischer Widerstand

Λ. ■ auf die ungerippte äußere Oberfläche des Rohres bezogener V/ärmeUbergangswert ·

Aus der Tabelle ist ersichtlich, daß im Fall 2 der V/frme- Ubergangswert <s in Abhängigkeit von der Luftgeschwindigkeit um 7-12 % größer ist als im Fall 1.

Die auf den Rauminhalt des Elementes bezogene Gesamt- oberfläche der Rippen beträgt im Fall 1 252 m²/m³, im Fall 2 312 m²/m³.

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Die erfindungegemiiße Ausbildung der Kühlrippen kann selbstverständlich auoh bei anderen geometrisohen iormen vorteilhaft angewendet werden, ireaentlioh ist nur, daß die in dem Quer-Bohnitt der Kleinrippen strömende Wärmemenge unabhängig von der räumliohen oder ebenen Anordnung annähernd konstant ist,.

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Claims (5)

1· WIT—wf Mooher IUr Torrlnhtimg** 1» «er

la der KrdBUndurtrie, der Ober ein au· EUhI-

selctart, del «Hf «er Oberfläob· d«· klelaeerippt« «MtwtBahiriil —t· (2) ob· KliitfiIm¹M lpp<B (4) tnterachi^dliehmr LBae· ·*^Λ ^* blMch· der Platt« durchdrtacaod·· IUppeappofll la der ««ie· «oec^)ild»t i*t, «mi dl· ·!»—law Rippm (4) la gleicher lntf«mune im den IHItIBnIi-HtIW (3) «*r winmbgrtin4w Rohr· (1) ma&orauit eiad und ihr· Batfwnung von d«i rtrtwifT—nt (3) k5etet«n· dm« t,5-f«ch· der Mcke am· DistMif Ί taint·· tetrlgt*

2. Wr—iiit«ιiwhtr steh Anspruch 1,

das dl· tfw—iMn glwwnt«r^lppw> (4) für dl· Bag (!•leber TfI r—— mm «uegablldet aftnd.

Bipl.-lnr P. Γ Mf.' n_t

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