DE948692C - Waermeaustausch mit U-foermigen Rohren - Google Patents

Waermeaustausch mit U-foermigen Rohren

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DE948692C
DE948692C DEM10863A DEM0010863A DE948692C DE 948692 C DE948692 C DE 948692C DE M10863 A DEM10863 A DE M10863A DE M0010863 A DEM0010863 A DE M0010863A DE 948692 C DE948692 C DE 948692C
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pipe
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DEM10863A
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Dr-Ing Otto Hubmann
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Metallgesellschaft AG
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Metallgesellschaft AG
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/06Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits having a single U-bend

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung ist in Abb. i und 2 beispielsweise dargestellt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (4)

  1. PATENTANSPRCCHE: i.
  2. Gegenstromwärmeaustauscher 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, dadurch gekennzeichnet, daß 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 den äußeren Ringraum strömt, während das Wärme abgebende Medium in die im innersten Raum angeordneten Schenkel der Rohre eingeleitet wird. a. Vorrichtung. nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die U-förmigen Rohre ganz oder teilweise mit Längs- oder Spiralrippen versehen sind.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die U-förmigen Rohre in ihrer Längsrichtung aus verschiedenen Baustoffen zusammengesetzt sind.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrboden, an dem die inneren Schenkel der U-förmigen Rohre befestigt sind, unmittelbar gasdicht mit einem nach außen führenden Zu- oder Ableitungsrohr für das am Wärmeaustausch teilnehmende Mittel verbunden ist und dieses Zu- oder Ableitungsrohr durch Stopfbüchsen nach außen geführt ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 58 477, 127 623, 34I 273. 348 289, 376 104 432 97I. 498 I96, 528 665, 556 803, 59o 862, 684 736 österreichische Patentschrift Nr. I 22q.; schweizerische Patentschriften Nr. 224 747, 271 219; französische Patentschrift Nr. 910 273; britische Patentschriften Nr. 11 594 vom Jahre I901, 367 026.
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