Röhrenwärmeaustauscher Bei zahlreichen Verfahren, insbesondere chemischen
Hochdruckverfahren, wie z. B. Methanolsynthese, Ammoniaksynthese usw., werden zur
Wiedergewinnung der Aufheiz- und Reaktionswärme ummantelte Röhrenwärmeaustauscher
verwendet, bei denen das Rohrbündel in einem Trichterhals endet, der sich in einer
Stopfbüchse in axialer Richtung bewegen kann, um die verschiedene Längenausdehnung
zwischen Rohrbündel und Mantel auszugleichen. Da die Stopfbüchse innerhalb des gegebenenfalls
unter hohem Druck stehenden Behälters liegt, sind die verhältnismäßig oft vorkommenden
Undichtigkeiten nur schwer festzustellen, insbesondere solange es sich nicht um
größeren Gas- und Dampfkurzschluß zwischen dem wärmeabgebenden und aufzuheizenden
Mittel handelt. Ein Nachv erpacken der Stopfbüchse ist nur durch Abstellen des Betriebes
möglich, wodurch oft erhebliche Produktionsausfälle eintreten. Bei der Methanolsynthese
z. B., wo die Wärmeaustauscher vorwiegend aus Kupferrohren bestehen, kommt noch
hinzu, daß bei plötzlichen Temperatursteigerungen, z. B. beim Durchgehen der Reaktion,
die Wärmeausdehnung der Rohre so groß wird und so schnell auftritt, daß die Stopfbüchse
wirkungslos wird, die Rohre sich stark verbiegen und an den Schweißstellen undicht
werden. Ähnlich, wenn auch in geringerem Maße, sind die Schwierigkeiten bei Wärmeaustauschern
aus solchen Edelstahlrohren, die einen erheblich höheren Wärmedehnungskoeffizienten
haben als der Mantel.Tubular heat exchangers In numerous processes, especially chemical ones
High-pressure processes, such as. B. methanol synthesis, ammonia synthesis, etc., are used for
Recovery of the heating and reaction heat in jacketed tubular heat exchangers
used, in which the tube bundle ends in a funnel neck, which is in a
Stuffing box can move in the axial direction to accommodate the various linear expansion
balance between the tube bundle and the jacket. Since the stuffing box is within the possibly
is under high pressure container, are the relatively common
Difficult to detect leaks, especially when they are not
larger gas and steam short-circuit between the heat-emitting and the heating-up
Means acts. The stuffing box can only be repacked by shutting down the operation
possible, which often leads to considerable production losses. In methanol synthesis
z. B., where the heat exchangers mainly consist of copper pipes, is yet to come
added that in the event of sudden increases in temperature, e.g. B. when going through the reaction,
the thermal expansion of the pipes is so great and occurs so quickly that the stuffing box
becomes ineffective, the pipes bend severely and leak at the welds
will. Similar, if to a lesser extent, are the difficulties with heat exchangers
from such stainless steel pipes, which have a significantly higher coefficient of thermal expansion
have than the coat.
Es sind schon Ausführungen von Wärmeaustauschern bekannt, bei denen
zur Vermeidung der Stopfbüchse der eine der beiden Rohrböden beweglich angeordnet
wurde. Die vorliegende Bauart geht aber weit über diese bekannten Maßnahmen hinaus.
Die Besserung besteht in einem Röhrenwärmeaustauscher, insbesondere für hohe Drücke,
mit
einem gasdicht befestigten und einem beweglichen Rohrboden, wobei erfindungsgemäß
in der Mitte des Rohrbündels parallel zur Achse ein mit den Rohrböden gasdicht und
fest verbundenes Zentralrohr von wesentlich größerem Durchmesser als die Bündelrohre
angeordnet ist, in dem sich ein auf der Seite des festen Bodens gasdicht befestigtes,
zweckmäßig isoliertes Zu- oderAbleitungsrohr, vorteilhaft für die wärmeabgebenden
Stoffe, frei bewegen kann; ferner soll die mit Isolierung versehene eng anliegende
Rohrbündelumhüllung auf der Seite des befestigten' Rohrbodens gasdicht befestigt
sein und sich in der gleichen Richtung wie das Zu- oder Ableitungsrohr und das Rohrbündel
ohne Anwendung einer Stopfbüchse frei bewegen können. Vorteilhaft befindet sich
zwischen dem Zentralrohr und dem Zu- oder Ableitungsrohr ein Spalt mit Strömungswiderständen,
so daß eine Temperaturangleichung in diesen- beiden Rohren ermöglicht wird und die
Wärmeausdehnung weitgehend gleich wird. Über dem Rohrbündel ist zweckmäßig eine
Haube angeordnet, die eino gleichmäßige Beaufschlagung der Rohre bewirkt.There are already versions of heat exchangers known in which
one of the two tube sheets is movably arranged to avoid the stuffing box
became. The present design goes well beyond these known measures.
The improvement consists in a tubular heat exchanger, especially for high pressures,
with
a gas-tight fixed and a movable tube sheet, wherein according to the invention
in the middle of the tube bundle parallel to the axis with the tube sheets gas-tight and
Fixed central tube with a much larger diameter than the bundle tubes
is arranged in which a gas-tight fastened on the side of the solid floor,
appropriately insulated inlet or outlet pipe, advantageous for the heat emitting
Fabrics that can move freely; furthermore, the one provided with insulation should fit snugly
Tube bundle casing attached to the side of the attached 'tube sheet in a gas-tight manner
and be in the same direction as the inlet or outlet pipe and the tube bundle
can move freely without using a stuffing box. Advantageously is located
a gap with flow resistances between the central pipe and the inlet or outlet pipe,
so that a temperature equalization in these two pipes is made possible and the
Thermal expansion is largely the same. One above the tube bundle is expedient
Arranged hood, which causes a uniform loading of the pipes.
An Hand der Zeichnung sei die Erfindung näher erläutert: In Abb. i
stellt a das stehend oder hängend angeordnete Rohrbündel dar, in dessen Mitte sich
ein in beiden Rohrböden gasdicht befestigtes sog. Zentralrohr b befindet; c ist
das in der Rohrbündelachse angeordnete Zuleitungsrohr, in das die wärmeabgebenden
Stoffe eintreten. Diese werden durch die über das Rohrbündel gestülpte Haube d umgelenkt
und strömen durch die Bündelrohre, um den Wärmeaustauscher bei e zu verlassen. Ein
kleiner Teil, etwa 5 bis 2o °/o, der wärmeabgebenden Stoffe tritt nach seiner Umlenkung
bei f in den Ringraum g zwischen Zuleitungsrohr und dem Zentralrohr, wo zur Regelung
der durchströmenden Menge als Strömungswiderstand eine Drahtspirale h eingelegt
ist, und ver= einigt sich bei e wieder mit den aus den Bündelrohren austretenden
Stoffen. Auf dem festen Zentralrohr sind vorteilhaft Rippen h aufgebracht, die den
Wärmeübergang verbessern und zusammen mit der erwähnten Mengenregelung dazu beitragen,
die Wärmedehnung des Zentralrohres weitgehend derjenigen der Bündelrohre anzugleichen.
Das Rohrbündel ist mit seiner Haube frei beweglich und ruht am anderen Ende auf
dem starr mit dem Rohrboden verbundenen Trichter i, der gasdicht mit dem Mantel
L verbunden ist. Bei m treten die aufzuheizenden Stoffe durch den Mantel
in die isolierende Rohrbündelumhüllung n ein und gelangen bei o an das Rohrbündel,
wo sie die Rohre umspülen, bei p das Bündel verlassen und bei q aus
dem Wärmeaustauscher austreten. Die eng an den Bündelrohren anliegende Rohrbündelumhüllung
ist bei p am gleichen Ende des Mantels gasdicht und starr verbunden wie das Rohrbündel
und das Zuleitungsrohr, so daß alle drei Teile in gleicher Richtung beweglich sind.The invention will be explained in more detail with reference to the drawing: In Fig. I, a represents the upright or suspended tube bundle, in the middle of which there is a so-called central tube b, which is fastened in a gas-tight manner in both tube sheets; c is the feed pipe arranged in the tube bundle axis into which the heat-emitting substances enter. These are deflected by the hood d slipped over the tube bundle and flow through the bundle tubes to leave the heat exchanger at e. A small part, about 5 to 20%, of the heat-emitting substances, after being deflected at f, enters the annular space g between the supply pipe and the central pipe, where a wire spiral h is inserted as a flow resistance to regulate the amount flowing through, and then joins at e again with the substances emerging from the bundle tubes. On the fixed central tube, ribs h are advantageously applied, which improve the heat transfer and, together with the aforementioned quantity control, contribute to largely equalizing the thermal expansion of the central tube to that of the bundle tubes. The tube bundle is freely movable with its hood and rests at the other end on the funnel i, which is rigidly connected to the tube sheet and is connected to the jacket L in a gas-tight manner. At m, the substances to be heated enter the insulating tube bundle envelope n through the jacket and at o they reach the tube bundle, where they wash around the tubes, at p they leave the bundle and at q exit the heat exchanger. The tube bundle sheathing lying close to the bundle tubes is gas-tight and rigidly connected at p at the same end of the jacket as the tube bundle and the supply pipe, so that all three parts can be moved in the same direction.
In Abb.2 ist eine Ausführung dargestellt, bei der Ein- und Austritt
für die wärmeabgebenden bzw. aufzuheizenden Stoffe jeweils an einem Ende des Wärmeaustauschers
zusammengelegt sind. Der Weg der wärmeabgebenden Stoffe ist der gleiche wie in der
Ausführung nach Abb. i. Die isolierende Rohrbündelumhüllung n mündet an ihrem freien
Ende bei s in ein innen isoliertes Rohr t, das in einer Stopfbüchse u beweglich
ist. Die aufzuheizenden Stoffe treten bei v durch den Mantel l
und
strömen diesen kühlend um die Rohrbündelumhüllung n, gelangen bei o an das Rohrbündel,
wo sie die Rohre umspülen, bei p das Bündel verlassen und bei q aus dem Wärmeaustauscher
austreten.In Fig. 2 an embodiment is shown in which the inlet and outlet for the heat-emitting or substances to be heated are each merged at one end of the heat exchanger. The path of the heat-emitting substances is the same as in the embodiment according to Fig. I. The insulating tube bundle sheathing n opens at its free end at s into an internally insulated tube t which is movable in a stuffing box u. The substances to be heated pass through the jacket l at v and flow this cooling around the tube bundle envelope n, reach the tube bundle at o, where they wash around the tubes, leave the bundle at p and exit the heat exchanger at q.
Die eingangs erläuterten Nachteile werden durch die vorliegende Anordnung
vollkommen vermieden und ein vollständig freies -Ausdehnen des Rohrbündels
sowie der Rohrbündelumhüllung und des Zu- bzw. Ableitungsrohres ermöglicht, was
insbesondere bei plötzlich auftretenden Temperaturänderungen sehr wichtig ist. Die
tiefen Temperaturen herrschen an dem Ende des Austauschers, an welchem die Innenteile
starr mit dem Mantel verbunden sind, so daß an dieser Stelle genügend Festigkeit
für die Aufnahme des Rohrbündelgewichtes gegeben ist, für den Fall, daß -das Bündel
aufrecht angeordnet wird. Bei der Ausführung nach Abb.2 besteht vor allem der Vorteil,
daß sich die Zu- und Ableitungen des Wärmeaustauschers gegenüber bekannten Anordnungen
wesentlich vereinfachen lassen. Die wärmeabgebenden Stoffe, z. B. ein vom Reaktionsraum
kommender Gasstrom, treten bei aufrechter .Anordnung ,des Rohrbündels unten in den.
Wärmeaustauscher ein und dort auch wieder aus, die aufzuheizenden Stoffe in gleicher
Weise am Kopf des Austauschers. Dadurch werden die außenliegenden heißen Verbindungsleitungen
so weit wie möglich verkürzt, und die Gefahr des Undichtwerdens von heißen Leitungen
wird verringert. Bei großen Anlagen lassen sich dadurch erhebliche Mengen teurer
hochlegierter Werkstoffe einsparen. Die in Abb.2 vorgesehene Stopfbüchse ist durchaus
unbedenklich, da sie innerhalb des Stromes der aufzuheizenden Stoffe, d. h. im niedrigeren
Temperaturbereich, liegt und zu keinem Kurzschluß mit den wärmeabgebenden Stoffen
führen kann; außerdem liegt die Druckdifferenz, der die Stopfbüchse ausgesetzt ist,
meist erheblich unterhalb i at.The above-described disadvantages are completely avoided by the present arrangement and a completely free - expansion of the tube bundle and the tube bundle wrapper and the inlet or discharge pipe allows, which is very important especially in the case of sudden changes in temperature. The low temperatures prevail at the end of the exchanger at which the inner parts are rigidly connected to the jacket, so that there is sufficient strength at this point to accommodate the weight of the tube bundle, in the event that the bundle is placed upright. The main advantage of the design according to Fig. 2 is that the inlet and outlet lines of the heat exchanger can be considerably simplified compared to known arrangements. The exothermic substances, e.g. B. a gas stream coming from the reaction chamber, occur with upright .Anordnung, the tube bundle down in the. Heat exchanger on and off again, the substances to be heated in the same way at the head of the exchanger. This shortens the external hot connecting lines as much as possible, and the risk of hot lines leaking is reduced. In large systems, this saves considerable amounts of expensive, high-alloyed materials. The stuffing box provided in Fig.2 is absolutely harmless, as it lies within the flow of the substances to be heated, ie in the lower temperature range, and cannot lead to a short circuit with the substances emitting heat; In addition, the pressure difference to which the stuffing box is exposed is usually well below i at.
Durch die Anwendung eines Zentralrohres, das wesentlich größeren Durchmesser
besitzt als die Bündelrohre, werden die Strömungsverhältnisse innerhalb des Rohrbündels
wesentlich verbessert und höhere Wärmedurchgangszahlen erreicht als in den Wärmeaustauschern
der bisher üblichen .Bauart. Beim Einströmen des Mediums in das Rohrbündel werden
bei der alten Bauart vorzugsweise die mittleren Rohre des Bündels durchströmt, während
bei der neuen Bauweise diese Rohre durch das Zentralrohr verdrängt sind und durch
die über diesem angeordnete Haube, die die Umlenkung des Gasstromes bewirkt, eine
viel gleichmäßigere Beaufschlagung aller übrigen Rohre erreicht wird. So wurden
z. B. in einem Fall trotz der etwas verringerten Heizfläche mit dem neuen Wärmeaustaascher
etwa
2o °/o mehr Kalorien je Stunde ausgetauscht als mit einem Austauscher der bisher
üblichen Bauweise. Dieser Vorteil gestattet, kleinere Kühler hinter dem Wärmeaustauscher
anzuwenden und führt zu erheblichen Energieersparnissen bei der Aufheizung.By using a central tube with a much larger diameter
possesses than the bundle tubes, the flow conditions within the tube bundle
significantly improved and higher heat transfer coefficients achieved than in the heat exchangers
of the usual design. When the medium flows into the tube bundle
in the old design preferably flows through the middle tubes of the bundle while
In the new design, these pipes are displaced by the central pipe and through
the hood arranged above this, which causes the deflection of the gas flow, a
much more even loading of all other pipes is achieved. So were
z. B. in one case despite the slightly reduced heating surface with the new heat exchanger
approximately
20 per cent more calories exchanged per hour than with an exchanger that has been used up to now
usual construction. This advantage allows smaller coolers behind the heat exchanger
apply and leads to considerable energy savings when heating.