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Wärmeaustausch mit U-förmigen Rohren Die Erfindung betrifft einen
Wärmeaustauscher für Gase, Dämpfe, Flüssigkeiten oder ähnliche strömende Mittel.
Sie hat besondere Vorteile in solchen Fällen, in denen ein hoher Wärmeaustausch
pro Einheit der Austauschfläche erzielt werden soll, z. B. wo es sich um die Anwendung
hoher Temperaturen und Drucke handelt, die bisher zur Anwendung kostspieliger, unter
Umständen sogar schwer zu beschaffender Baustoffe zwangen. Auch kann sie mit gutem
Erfolg zur Anwendung gelangen, wenn bei besonders niedrigen Temperaturen oder bei
Korrosionsgefahr teure Spezialbaustoffe verwendet werden müssen.
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Zur Erzielung eines möglichst günstigen Wärmeaustauschs wurden schon
die verschiedenartigsten Wege beschritten. Unter anderem hat man bereits vorgeschlagen,
bei Wärmeaustauschern mit schlangenförmig gebogenen Rohren den Strömungsweg des
die Rohre von außen bespülenden Mediums durch Trennwände zu teilen. Diese Konstruktion
hatte jedoch insofern Mängel als dabei nur verhältnismäßig geringe Strömungsgeschwindigkeiten
erzielt werden konnten. Das Arbeiten bei sehr hohen Temperaturen war außerdem in
diesem Fall nur bei Verwendung entsprechend hochwertigen Baumaterials möglich. Man
hatte auch schon vorgeschlagen, U-förmige Rohre zu verwenden, die an den gebogenen
Enden frei beweglich waren und in denen sich eines der am Wärmeaustausch beteiligten
Medien bewegte, während sie von dem zweiten
am Wärmeaustausch teilnehmenden
Medium im Kreuzstrom oder, infolge der Umkehrung des in den U-förmigen Rohren strömenden
Mediums, teils im Gleich-, teils im Gegenstrom umspült wurden. Auch wurden diese
U-förmigen Rohre schon in einem zylindrischen Gefäße untergebracht, in das oben
Heizdampf eingeleitet und aus dem unten das Kondensat abgezogen wurde, während das
zu erhitzende Mittel durch die U-förmig gebogenen Rohre geführt wurde, die mit ihrem
längeren Ende in einer das zylindrische Gefäß unten abschließenden ringförmigen
Platte und mit ihrem kürzeren Ende in dem Deckel eines kleineren Zylinders befestigt
waren. Dabei bildeten die Befestigungsstellen Ringe oder Kränze in der Platte und
dem Deckel. Dieser Zylinder war mit der Bodenplatte verbunden und lag zentral in
dem zylindrischen Gefäß, so daß zwischen ihm und der Zylinderwandung ein Speicherraum
für Kondensat entstand. Die Rohrenden, die durch die Bodenplatte bzw. durch den
Zylinderdeckel hindurchgeführt waren, waren an Zuführungen bzw. Abführungen für
das zu erhitzende Mittel angeschlossen.
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Auch wurden die U-förmig gebogenen Rohre in dem zylindrischen. Gefäß
schon hängend angeordnet und mit ihren gleich langen Enden in Form von Ringen in
einer Bodenplatte befestigt, über der ringförmige Kanäle zur Zu- und Abführung des
aufzuheizenden Mittels angeordnet waren. Jedes Rohr war mit einem Ende mit dem äußeren
und mit seinem anderen Ende mit dem inneren ringförmigen Kanal verbunden. Das zu
erhitzende Mittel wurde dem äußeren ringförmigen Kanal zugeführt. Es floß durch
die Rohre zunächst abwärts und dann aufwärts in den inneren ringförmigen Kanal,
aus dem es erhitzt abgeleitet wurde. Auch hierbei wurde Heizdampf oben in das zylindrische
Gefäß eingeleitet und das Kondensat unten abgezogen. Im Gefäß selbst waren Leitbleche
angeordnet, um dem Dampf im Gefäß einen längeren zickzackförmigen Strömungsweg vorzuschreiben.
Zwar waren hierbei hohe Strömungsgeschwindigkeiten möglich, sonst wies diese Konstruktion
aber beim Arbeiten bei sehr hohen Temperaturen die gleichen Mängel auf, wie sie
oben bereits für die mit Rohrschlangen versehener Wärmeaustauscher geschildert wurden.
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Die Erfindung besteht nun darin, daß in einem Wärmeaustauscher mit
U-förmigen Rohren, die an ihren gebogenen Enden frei beweglich und mit ihren Schenkeln
in einem Kranz oder in mehreren konzentrischen Ringen angeordnet sind, die beiden
Schenkelgruppen jedes Rohrringes durch eine mit den Rohren gleichlaufende und vor
den Rohrbögen endende Leitwand getrennt sind, wobei Ein- und Austrittsöffnungen
für die am Austausch teilnehmenden Medien derart angeordnet sind, daß das zu erhitzende
Medium zunächst durch einen äußeren Ringraum strömt, während das Wärme abgebende
,Medium in die im innersten Raum angeordneten Schenkel der Rohre eingeleitet wird.
Durch diese Anordnung werden nicht nur sehr hohe Strömungsgeschwindigkeiten ermöglicht,
sondern es wird auch bewirkt, daß die am Wärmeaustausch teilnehmenden Medien sich
durch das ganze System hindurch im Gegenstrom bewegen. Dadurch ist ein außerordentlich
hoher Wärmeaustausch gewährleistet. Da in der Vorrichtung gemäß der Erfindung das
zu erhitzende Medium zunächst durch den äußeren Ringraum strömt und das Wärme abgebende
Medium in die im innersten Raum angeordneten Schenkel der Rohre eingeleitet wird,
treten am Außenmantel des Wärmeaustauschers nur verhältnismäßig niedrige Temperaturen
auf. Dieser Vorteil fällt insbesondere dann ins Gewicht, wenn unter Druck gearbeitet
wird, da selbst in diesem Fall durch die neuartige Konstruktion die Notwendigkeit
der Anwendung besonders hochwertiger Baustoffe entfällt.
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Durch die Erfindung wird es gegebenenfalls möglich, auch in dem die
Austauschrohre umgebenden Raum die -gleichen oder selbst höhere Geschwindigkeiten
des zu erwärmenden Stoffes aufrechtzuerhalten als im Innern der engen Rohre. Durch
Verwendung sehr langer Rohre, z. B. von über 15 m Länge, lassen sich selbst bei
stark verdichteten Gasen und bei Flüssigkeiten sehr hohe Strömungsgeschwindigkeiten
erzielen und damit ungewöhnlich hohe Wärmeaustauschziffern. Die ungleiche Dehnung
der beiden Schenkel der Rohre infolge verschiedener Temperatur derselben kann bei
der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung der Rohre ohne weiteres durch den
sie verbindenden elastischen Rohrbogen unter zulässiger elastischer Deformation
desselben aufgenommen werden. Schwer abzudichtende, bewegliche Rohrböden, wie sie
bisher oft bei Wärmeaustäuschern angewendet werden mußten, lasen sich vermeiden.
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Die neue Vorrichtung besteht z. B. in einer he= sonders einfachen
Ausführung aus einer größeren Anzahl U-förmiger Rohre von großer Länge, z. B. 5
bis 2o m und von zweckmäßig ungleicher Länge der Schenkel, deren längeres Ende in
einen gemeinsamen Boden eingewalzt oder eingeschweißt ist, während das andere, kürzere
Ende in gleicher Weise mit einem die längeren Schenkel umgebenden, ringförmigen
Boden verbunden. ist. Dieses Bündel von Rohren ist durch einen Behälter, z. B. Zylinder
oder Rohr, möglichst eng umhüllt und die Einrichtung mit Anschlüssen für die zu
behandelnden Gase od. dgl. versehen, die eine Durchströmung der Rohre mit dem Wärme
abgebenden Stoff und eine Längsdurchströmung des Raumes um die Rohre mit dem Wärme
aufnehmenden Stoff gestatten. Die beiden Schenkel der Rohre sind durch eine gemeinsame,
z. B. zylindrische Wand voneinander getrennt. Das die Rohre umströmende Mittel wird
zur Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit zunächst im Ringraum am Mantel entlang
geführt und dann, nachdem es seine Strömungsrichtung durch Umkehr um das freie Ende
der Wand geändert hat, durch den zentralen Raum innerhalb der Trennwand hindurchgeleitet.
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Der aufzuheizende Stoff wird in der Nähe der äußeren Rohrenden in
den Ringraum eingeführt, durchströmt diesen Ringraum in der Längsrichtung
der
Rohre und gelangt darauf unter Umkehr am unteren Ende des Einsatzes ebenfalls im
Gegenstrom zu dem Wärme abgebenden Stoff, der die Rohre von innen nach außen durchströmt,
in den Innenraum. Es wird auf diese Weise eine ideale Gegenstromführung bei hohen
Geschwindigkeiten erreicht, unter gleichzeitiger Kühlung des dem Arbeitsdruck ausgesetzten.
Außenmantels durch das zu erwärmende Mittel. Bei größeren Wärmeaustauschern können
auch mehrere solcher, z. B. zylindrischer Einsätze angeordnet sein, wobei die Rohre
gruppenweise in je zwei der dadurch entstehenden Räume liegen.
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Insbesondere bei Wärmeaustausch zwischen Stoffen verschiedenen Charakters,
z. B. zwischen permanenten Gasen und kondensierenden Dämpfen oder zu verdampfenden
Flüssigkeiten, kann der Wärmeaustausch noch dadurch erhöht werden, daß der Stoff
mit schlechterem Wärmeübergang, z. B. das permanente Gas, um die U-förmigen Rohre
geleitet wird und diese Rohre, wie an sich bekannt, mit Rippen, zweckmäßig Längs-
oder Spiralrippen, versehen werden. Im Rahmen der Erfindung hat diese konstruktive
Maßnahme noch den besonderen Vorteil, daß eine höhere Festigkeit der Wärmeaustauschrahre
erzielt wird, die namentlich bei Verwendung U-förmiger Rohre mit sehr langen Schenkeln
wünschenswert ist. Der Wärmeaustauscher kann je nach dem Verwendungszweck waagerecht,
schräg oder senkrecht angeordnet werden. In vielen Fällen, insbesondere bei hohen
Temperaturdifferenzen, ist eine senkrechte Anordnung der Rohre vorteilhaft, wobei
die Bogen der U-förmigen Rohre sowohl nach oben als auch nach unten gekehrt sein
können. Besonders sofern die Gefahr von Ablagerungen oder Ansätzen besteht, ist
die senkrechte Anordnung nach oben zweckmäßig.
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Bei besonders hohen thermischen Beanspruchungen der Austauschrohre
können die von anderen Röhrenwärmeaustauschern her bekannten Maßnahmen, die den
hohen Temperaturen ausgesetzten Teile der Rohre aus besonders widerstandsfähigem
Material herzustellen, derart angewandt werden, daß die beiden Schenkel der U-förmigen
Rohre auch aus verschiedenen Baustoffen derart hergestellt werden, daß am Eintritt
der heißen Gase hochwertige, legierte Stähle verwendet werden, während das kältere
Ende der Rohre aus normalen oder schwächer legierten Stählen hergestellt wird.
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Die Verwendung verschiedener Baustoffe für die beiden Schenkel der
Rohre kann erfindungsgemäß aber auch dazu ausgenutzt werden, die verschiedene Ausdehnung
der beiden Schenkel durch Erwärmung auf verschiedene Temperaturen unter Ausnutzung
der verschiedenen. Wärmeausdehnungskoeffizienten der Baustoffe auszugleichen. Soweit
bei sehr hohen Temperaturdifferenzen oder bei Verwendung spröden Baumaterials darüber
hinaus noch ein Ausgleich der Dehnungen durch eine Stopfbüchse zweckmäßig erscheint,
kann eine Stopfbüchse bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung wesentlich einfacher
eingebaut werden als bei den bisher bekannten Vorrichtungen. Es ist nämlich nicht
notwendig, einen der Rohrböden im Gehäuse beweglich anzuordnen und gegen das Gehäuse
mit Stopfbüchse abzudichten. Sondern man kann die Zu- oder Ableitung zum inneren
Rohrbündel fest mit dem Rohrboden für dieses Bündel verbinden und die Zu-oder Ableitung
selbst, die nur einen kleineren Durchmesser besitzt, durch einte Stopfbüchse, die
mit dem äußeren Rohrboden fest verbunden ist, verschieblich in den Wärmeaustauscher
einzuführen.
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Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung ist in Abb. i und 2 beispielsweise
dargestellt.
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Abb. i zeigt einen senkrechten Schnitt durch einen Wärmeaustauscher
in der Längsrichtung der U-förmigen Rohre, Abb. 2 einen Schnitt quer zu den Rohren;
in Abb. 3 ist eine Anordnung dargestellt, bei der die beiden Rohrböden gegeneinander
verschieblich sind und das Zuleitungsrohr für den inneren Rohrboden durch eine Stopfbüchse
in den Wärmeaustauscher eingeführt ist.
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Die dargestellte Ausführungsform ist besonders für Austausch von Wärme
zwischen Gasen geeignet. Zum Beispiel kann sie mit Vorteil bei der katalytischen
oder thermischen Spaltung von Naturgas oder anderen methanhaltigen Gasen unter höherem
Druck als Wärmneaustauscher zwischen dem heißen, gespaltenen Gas und dem frischen,
zu spaltenden Gas dienen. Beispielsweise stehen die Gase unter einem Druck von etwa
2o Atm.
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Die U-förmig gebogenen Rohre i sind mit ihren einen Enden in der Bodenplatte
2 und mit ihren anderen Enden in der Bodenplatte 3 eines Kopfstückes, das die Gassammelräume
6 und 7 enthält, befestigt, z. B. eingeschweißt, so daß die Rohrbogen nach unten
hängen. Die Rohre befinden sich in einem druckfesten, zweckmäßig zylindrischen Behälter
q.. Am ringförmigen Boden 3 ist ein unten und oben offener Einsatz, z. B. zylindrisches
Rohr 5, z. B. durch Anschweißen befestigt.
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Der Einsatz bildet eine Trennwand zwischen den beiden Schenkeln der
Rohre i und verläuft derart, daß der eine Schenkel jedes Rohres innerhalb des Einsatzes
5 und der andere e, kürzere Schenkel in dem Ringraum 13 zwischen dem Einsatz 5 und
dem Mantel q. liegt. Der Mantel q. ist mit einem Eintrittsstutzen, io für das zu
erwärmende Gas versehen. An den Räumen 6 und 7 befinden sich die Austrittsstutzen
9 für das, Wärme abgebende Gas bzw. i i für das erwärmte Gas. Das Wärme abgebende
Gas tritt aus dem Raum 8 in die Rohre des Wärmeaustauschers ein. Zur Verringerung
der Wärmeverluste nach außen kann der Mantel q. mit einer Isolationsschicht 12 ausgestattet
sein, die in besonderen Fällen auch innen angebracht sein kann.
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Die U-förmigen Rohre i können im Wärmeaustauscher gruppenweise angeordnet
werden, wie aus der Abb.2 ersichtlich ist, wobei aus Fertigungsgründen zweckmäßig
eine gleiche Formgebung für die Rohrbögen gewählt wird. Bei besonders hohen Temperaturdifferenzen
zwischen den beiden Schenkeln der Rohre wird die Bogenlänge bzw. der
Krümmungshalbmesser
der Bögen vorteilhaft möglichst groß gewählt. Dies ist bei der in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsform der Erfindung dadurch ermöglicht, daß in den einzelnen
Rohrgruppen die Bogen der einzelnen Rohre über Kreuz geführt worden sind. Auf diese
Weise gelingt es, durch Wärmedehnung verursachte Deformationen der Rohre in zulässigen
Grenzen zu halten.
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Beim Betrieb des Wärmeaustauschers nach dem dargestellten Beispiel
wird der Wärme abgebende Stoff hoher Temperatur aus dem Raum 8 durch die Austauscherrohre
i geleitet und aus dem Raum 6 durch die Leitung 9 abgeführt. Der zu erwärmende Stoff
gelangt durch die Leitung io in den Ringraum 13. Er durchströmt diesen Ringraum
in Abwärtsrichtung und darauf den Raum innerhalb des Zylinders 5 in Aufwärtsrichtung
und wird aus dem Raum durch die Leitung i i abgeführt.
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In Abb. 3 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der der innere
Rohrboden direkt am Zu- oder Abführungsrohr für den durch die Rohre geführten Stoff
befestigt ist und dieses Rohr mit einer Stopfbüchse durch das Kopfstück hindurchgeführt
ist, in dem das andere Ende der Rohre befestigt ist. Dadurch können mittels einer
verhältnismäßig kleinen Stopfbüchse 15 die verschiedenen Wärmeausdehnungen der beiden
Rohrhälften, ohne Spannungen zu erzeugen, ausgeglichen werden. In diesem Falle ist
das Kopfstück, das aus der Bodenplatte 3 und den Gassammelräumen 6 und 7 mit den
Ab- und Zuleitungen für Gase 9 und i i besteht, nicht fest mit dem Rohrboden 17,
in dem die längeren Rohrenden der U-förmigen Rohre i befestigt sind, verbunden.
Sondern es ist der Sammelraum 8 mit dem Zuleitungsrohr 14 direkt an der Bodenplatte
17 befestigt, z. B. angeschweißt, und es sind Zuleitungsrohr 14 und Sammelraum 8
durch den Sammelraum 7 hindurch nach außen geführt. Es kann also eine Dehnung der
Rohre i durch eine Verschiebung des Rohres 14 gegenüber der Bodenplatte 3 ausgeglichen
werden. Die Abdichtung der Stopfbüchse 15 kann im Gegensatz zu der bisher üblichen
Bauart von Wärmeaustauschern außerdem durch Anziehen der Brille 16 dauernd sichergestellt
werden.
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Die Vorrichtung gemäß der Erfindung eignet sich besonders für den
Wärmeaustausch bei hohen Temperaturen und Drucken, da sie es ermöglicht, sehr hohe
Strömungsgeschwindigkeiten auf beiden Seiten der Wärmeaustauschflächen anzuwenden
und da die hohen Materialbeanspruchungen auf einen sehr kleinen Teil der Einrichtung
beschränkt werden können. Eine ungünstige. Beanspruchung liegt lediglich am Eintritt
des heißen Stoffes in die Austauschrohre vor. Dieser Teil kann aber durch Wahl enger
Rohre und hochwertiger Baustoffe selbst für hohe Temperaturen bis beispielsweise
8oo bis goo° betriebssicher gebaut werden. Im übrigen Teil der Einrichtung sinken
die Beanspruchungen thermischer Art sehr schnell ab, und es können im allgemeinen
weniger kostspielige Baustoffe Verwendung finden. Ganz besonders wird die technische
Aufgabe dadurch erleichtert, daß der den Wärmeaustauscher umfassende Behälter, z.
B. Zylinder größeren Durchmessers, nur den niedrigeren Temperaturen des eintretenden,
aufzuheizenden Stoffes ausgesetzt zu werden braucht und dadurch thermisch nur wenig
beansprucht wird. Die Einrichtung hat außerdem einen sehr geringen Raumbedarf und
gestattet eine Reinigung der Rohre in bequemster Weise durch Abziehen des äußeren
Mantels. Ablagerungen im Innern der Rohre können durch stehende Bauweise mit den
Bogen der Rohre nach oben leicht vermieden werden. Zwecks besserer Reinigung der
Rohre kann der Einsatz in der Querrichtung zweiteilig in zwei übereinanderschi,ebbaren
Schüssen oder bei zylindrischer Ausbildung in der Längsrichtung zweiteilig und um
die Zylinderachse drehbar ausgeführt werden, so daß auch die Innenrohre des Wärmeaustauschers
zwecks Reinigung leicht zugänglich gemacht werden können.
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Die Vorrichtung gemäß der Erfindung eignet sich insbesondere zum Wärmeaustausch
bei Kraftmaschinen, z. B. Gasturbinen, für die Spaltung von Gasen und Dämpfen, für
die Synthese von chemischen Stoffen, in denen die Wärme der aus der Synthese abzuführenden
Stoffe an die eintretenden Stoffe abgegeben werden soll. Sie eignet sich auch für
die Erhitzung von Gasen und Flüssigkeiten mit kondensierenden Dämpfen, ferner als
Verdampfer, wobei zweckmäßig die Rohre mit Rippen versehen werden und der für den
Wärmeaustausch ungünstigere Stoff um die Rohre geleitet wird. Außer für Wärmeaustauscher
bei hohen Temperaturen und Drücken kann die Einrichtung z. B. auch mit besonderem
Vorteil für solche Wärmeaustauscher verwendet werden, bei denen die Baustoffe Korrosionen
unterliegen oder wegen sehr niedriger Temperaturen kostspielige Baustoffe angewendet
werden müssen. In allen Fällen lassen sich durch den erzielbaren hohen Wärmeaustausch
und die leichte Überwachung der Einrichtung erhebliche Ersparnisse an Material-
und Betriebskosten erreichen.