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Wärmeaustauscher mit Rohrbündel Die Erfindung bezieht sich auf Wärmeaustauscher
mit Rohrbündeln, bei denen die Mittellinien der Rohre in koaxialen Umdrehungshüllen
gelegen sind, die sich zu den Enden hin erweitern und durch die Drehung einer Rohrmittellinie
um die Achse des Rohrbündels erhalten sind, während gleichzeitig die Rohrmittellinien
in ebenen Flächen gelegen sind, die untereinander gleiche Winkel bilden und durch
ein und denselben Punkt der Achse, um die die Drehung der einen Rohrmittellinie
vor sich geht, hindurchgehen.
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Die Erfindung bezweckt, eine einfache Möglichkeit zu schaffen, jedes
Rohr einzeln ersetzen bzw. auswechseln zu können, ohne daß dadurch die Wärmeübertragungsverhältnisse
ungünstig beeinflußt werden oder irgendwelche unzulässige Spannungen in Kauf genommen
werden müssen. Die Erfindung besteht darin, daß die Mittellinien der Rohre, die
das Bündel bilden, Kreisbögen sind, wobei die Radien der Kreisbögen in der gleichen
Umdrehungshülle gleich und in verschiedenen Umdrehungshüllen verschieden sind.
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Andere Zwecke und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung der auf den Zeichnungen veranschaulichten Ausführungsbeispiele der
Erfindung.
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Die Fig. i veranschaulicht schematisch die äußere Kontur des Rohrbündels
eines Wärmeaustauschers gemäß der Erfindung.
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Die Außenhülle dieses Rohrbündels ist eine Umdrehungsfläche um die
Achse a, wobei die Erzeugende dieser Fläche die Linie b ist. Die Umdrehungsfläche,
in der das Rohrbündel enthalten ist, setzt sich aus drei
gesonderten
Teilen zusammen: der erste Teil zwischen den Querschnitten i und 2 hat einen im
allgemeinen kegelstumpfförmigen Verlauf, konvergierend vom Querschnitt i zum Querschnitt
2; der zweite Teil zwischen den Querschnitten 2 und 3 hat nahezu den Verlauf eines
geraden Zylinders mit konstantem Querschnitt; der dritte Teil zwischen den Querschnitten
3 und 4 hat einen allgemein divergierenden Verlauf vom Querschnitt 3 zum Querschnitt
4.
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Die Fig. 2 veranschaulicht einen geraden Zylinder, der zwischen den
Querschnitten 2 und 3 identisch ist mit demjenigen der Fig. i, wobei dieser Zylinder
in der Fig. 2 jedoch bis zu den Querschnitten i und 4 der Fig. i verlängert ist.
Der Querschnitt io ist der mittlere Querschnitt der Fig. i und 2.
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Die Gerade c der Fig. 2 veranschaulicht in der Zeichnungsebene die
Schnittlinie einer Ebene, senkrecht zur Zeichnungsebene, die durch die Punkte 5
und 6 hindurchgeht und die Achse a im Punkte 8 schneidet. Der Schnitt dieser Normalebene
mit der oberen Hälfte des Zylinders ergibt die in der Fig. 2 dargestellte Halbellipse
nach dem Umlegen in die Zeichnungsebene. Die Punkte 7', 8' und g' der umgelegten
Halbellipse d entsprechen den Schnittpunkten 7, 8 und g in den entsprechenden Querschnitten
2, io und 3. Die Kurve e der Fig. 2 veranschaulicht einen Kreisbogen in wahrer Größe,
der durch die drei Punkte T, 8' und g' bestimmt ist und in ii' und 12' endet. Die
Gerade c veranschaulicht zwischen den Punkten ii und 12 die Projektion des Kreisbogens
e. Die Drehung des Kreisbogens e um die Achse a des Zylinders erzeugt
die in der Fig. i dargestellte Umdrehungsfläche und legt genau die Erzeugende b
fest. Der so aus der Erzeugenden b erhaltene Stumpf zwischen den Querschnitten 2
und 3 ist nur annähernd und nicht genau geradlinig. Unter dem technischen Gesichtspunkt
ist diese letztere Annäherung ohne praktische Bedeutung, da der Unterschied zwischen
einem geraden und dem wirklichen Zylinder zwischen den Querschnitten 2 und 3 innerhalb
der Fertigungstoleranzen liegen wird. Wenn man eine bestimmte Toleranz für die Abmessungen
des wirklichen Zylinders zwischen den Querschnitten 2 und 3 zuläßt, so kann man
dieser Toleranz in der Bemessung des Kreisbogens e Rechnung tragen, derart, daß
dieser nicht genau durch die Punkte 7', 8' und g' festgelegt zu sein braucht, sondern
davon in durch die zugelassene Toleranz bestimmten Grenzen entfernt liegen kann.
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Die Erzeugungsart der in der Fig. i dargestellten Fläche durch die
Drehung eines Kreisbogens um eine Achse bildet das Hauptprinzip der Bauart von Wärmeaustauschern
mit Rohrbündel gemäß der Erfindung. Bei den Anlagen gemäß der Erfindung werden die
verschiedenen Rohrabschnitte so hergestellt, daß alle Achsen der einen Abschnitt
bildenden Rohre in einer Umdrehungsfläche enthalten sind, die auf die in den Fig.
i und 2 dargestellte Weise erhalten wird, wobei diese verschiedenen Abschnitte ein
und dieselbe Achse a und ein und denselben Mittelquerschnitt io haben.
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Die Fig. 3 veranschaulicht den Schnitt einer axialen Ebene durch die
verschiedenen Umdrehungsflächen, die die Rohrabschnitte, welche das Rohrbündel gemäß
der Erfindung bilden, enthalten, wobei die Linien f den Verlauf dieser Flächen in
der Zeichnungsebene veranschaulichen. Die Querschnitte 1, 2, 3 und 4 der Fig. 3
sind diejenigen, die in den Fig. i und 2 festgelegt sind.
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Die Fig.4 veranschaulicht die Anordnung der Rohre 13 in einer Hülle
gemäß der Erfindung, wobei diese Rohre nach dem Kreisbogen e gemäß Fig.2 gebogen
sind und die Endquerschnitte i und 4 denjenigen der Fig. i und 2 entsprechen.
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Die Bauart der Rohrbündel gemäß der Erfindung eignet sich dank der
Freiheit in der Wahl, die für die Verteilung der Querschnitte 1, 2, 3, 4 und io
und der Punkte 5 und 6 gemäß der Fig. 2 gegeben ist, für ganz verschiedene Abmessungen
von Anlagen. Insbesondere kann man ein Rohrbündel schaffen, in dem der gerade zylindrische
Teil zwischen den Querschnitten 2 und 3 eine Länge o hat.
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Dieser letztere Spezialfall läßt sich auf die beiden nachfolgenden
Arten verwirklichen: Bei der ersten Art haben die Rohre eine sehr geringe Krümmung,
und jede Rohrhülle hat dann die Form einer Umdrehungshyperbel, wie es die Fig. 6
zeigt, in der die Linien h die Achsen der Rohre, die eine Hülle oder einen Abschnitt
bilden, bedeuten. Bei der zweiten Art haben alle Rohre, die einen Abschnitt bilden,
eine bestimmte Krümmung, und ihre Achsen liegen in Axialebenen des Bündels. Die
Fig. 5 zeigt eine solche Hülle von Rohren, wobei die Linien g die Achsen der Rohre,
die diesen Abschnitt bilden, veranschaulichen.
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Andere Arten von Rohrbündeln gemäß der Erfindung können durch Nebeneinandersetzen
von Teilelementen gewonnen werden, die den zuvor beschriebenen Ausführungen entnommen
sind. Zum Beispiel kann man die in Kreisbogenform gekrümmten Rohre so anordnen,
daß ihre Achsen g in einer Ebene enthalten sind, wie es die Fig. 5 zeigt, und mehrere
Rohrebenen dieser Art können so nebeneinandergesetzt werden, daß ein Rohrbündel
beliebigen Querschnitts, der sich beliebig ändert, geschaffen werden kann.
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Die Rohrbündel gemäß der Erfindung, die in der beschriebenen Weise
hergestellt sind, werden in bekannter Weise durch Aufweiten der Rohrenden und anschließendes
Abdichten in Rohrplatten befestigt. Die Rohrplatten sind sehr oft eben, können aber
auch gewölbt sein. Im Falle von Wärmeaustauschern mit Rohrbündeln, die einem hohen
Druck standhalten müssen, eignen sich die Rohrbündel gemäß der Erfindung besonders
gut für die Verwendung von gewölbten Rohrplatten, da die Oberfläche dieser gekrümmten
Rohrplatten etwa senkrecht zu den Achsen der Rohre verlaufen würde, wie es schematisch
die Fig. 7 zeigt, in der die Linien i die Achsen der Rohre und j eine gewölbte Rohrscheibe
bedeuten.
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Die Fig. 8 zeigt als Ausführungsbeispiel einen Wärmeaustauscher, der
mit einem Rohrbündel gemäß der Erfindung ausgerüstet ist. Die Linien l und die Rohrscheiben
m begrenzen den Raum für das Rohrbündel gemäß der Erfindung, von dem ein Rohr k
dargestellt ist. Die Hülle n setzt sich aus einem mittleren geraden Stumpf und zwei
kegelstumpfförmigen Endstümpfen zusammen, in denen der Ein- und Austritt der an
den Rohren vorbeiströmenden Flüssigkeit
durch die Anschlüsse p und
q erfolgt. Die im Innern der Rohre strömende Flüssigkeit wird durch die Rohranschlüsse
r und s geleitet, die in bekannter Weise mit den ebenen Rohrplatten na verschraubt
sind. Die Achse a der Anlage ist gleichfalls die Achse des Rohrbündels gemäß der
Erfindung. Die Schnitte A-A und B-B der Fig. 8 veranschaulichen, daß der Durchtrittsquerschnitt
für die die Rohre des Bündels umspülende Flüssigkeit in den Eingangs- und Austrittsstümpfen
bedeutend größer ist, als in dem mittleren zylindrischen Stumpf.
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Die Vorteile der Wärmeaustauscher mit Rohrbündel gemäß der Erfindung
ergeben sich aus der vorhergehenden Beschreibung. Es ist bekannt, daß das Verhältnis
des Wärmeübertragungskoeffizienten zum mit der Wärmeübertragung verbundenen Leistungsverlust
das günstigste ist, wenn die Wärmeübertragungsflächen der Strömung der Flüssigkeit
keinen Widerstand entgegenstellen. Diese Bedingung günstigster Übertragung der Wärme
wird in dem mittleren Stumpf der Wärmeaustauscher gemäß der Erfindung erzielt, in
dem das Durchströmen der äußeren Flüssigkeit sich parallel zu den Rohren mit einer
gewünschten Geschwindigkeit vollzieht, wobei diese durch die Wahl eines bestimmten
Durchtrittsquerschnittes für diesen Zweck erhalten wird. Die Druckverluste der äußeren
Flüssigkeit infolge des Formwiderstandes der Rohre in den Eintritts- und Austrittsstümpfen
werden auf Grund des großen Abstandes der Rohre in diesen Abschnitten und auf Grund
des großen Durchtrittsquerschnittes auf einem Minimum gehalten.
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Außerdem gestattet die Divergenz der Rohre in dem Austrittsquerschnitt
der äußeren Flüssigkeit eine gute Rückdruckentwicklung der äußeren Flüssigkeit,
herkommend von ihrer kinetischen Energie beim Austritt aus dem mittleren Stumpf
mit geringem Durchtrittsquerschnitt. Im ganzen sind die Strömungsbedingungen der
außen um die Rohre zirkulierenden Flüssigkeit die günstigsten, soweit es den hohen
Wärmeübertragungskoeffizienten und den geringen Druckverlust angeht. Die Strömungsbedingungen
der im Innern der Rohre zirkulierenden Flüssigkeit sind denjenigen von Wärmeaustauschern
bekannter Art gleich. Es ist bekannt, daß diese Strömungsbedingungen zufriedenstellend
sind. Die Tatsache, daß die Rohre eine beträchtliche Krümmung in den Rohrbündeln
gemäß der Erfindung besitzen können, begrenzt das Zusammenziehen der Rohre infolge
von Temperaturunterschieden.