-
Wärmetauscher Zur Wiedergewinnung der Reaktionswärme werden bei thermischen.,
insbesondere exothermen, chemischen Hochdruckverfahren, z. B: der Ammoniaksynt'hese,
der Druckhydrierung' von Kohle, Teer, Mineralöl u. dgl. oder der KohIenwasserstöffsynthese
aus Kohlenoxyd und Wasserstoff, Röhren, wärmetau"scher verwendet, bei denen im allgemeinem
die aufzuheizenden. Stoffe um die Rohre strömen, während die wärmeabgebenden Stoffe
im Gegenstrom hierzu durch die Rohre fließen. Es ist bekannt, solche Wärmetauscher
aus einem in einem Mantel befindlichen Rohrbündel herzustellen, biei dem zwischen
den Rohren - mit Ausnahme an deren. Enden - Abstand.shalter vorgesehen, ferner die
Rohrenden derart zusammengeholt und dicht verschweißt sind, daß der gegenseitige
Abstand der Rohre zueinander an ihren Enden geringer ist als. an irgendeiner Stelle
auf der Länge des Bündels. Es ist ferner schon vorgeschlagen worden, die dicht zusammenzuschwieißenden
Enden des. Rohrbündels den, Rohrboden bilden zu lassen. Derartig gestaltete Wärmetauscher
vermögen jeddch an den Schweißstellen die beträchtlichen Kräfte nicht aufzunehmen,
die durch äußeren überdruck, Wärmediehnung und Eigengewicht entstehen; wenn solche
Wärmetauscher für Anlagen eingesetzt werden, in
denen exotherme
Reaktionen vorkommen. Daneben erfordert die bisherige Ausführung der Röhrenwärmetauscher
,eine Menge Spezialwerkzeuge und -maschinen, großräumige Werkstätten und Präzisionsmeßgeräte.
Ein größerer Strömungsquerschnitt um die Rohre bringt dabei den Nachteil eines schlechten
Wärmeüberganges an die aufzuheizenden Stoffe mit sieh, da die Strömungsgeschwindigkeit
klein ist, zumal die Gasmenge auf dem Weg zum Reaktionsofen in vielen Fällen kleiner
ist, z. B. nur etwa zwei Drittel derjenigen beträgt, die den Reaktionsofen verläßt.
Mit Hilfe von Leit- und Schneckenblechen werden die Stoffe außen zum Kreuz- bzw.
Schrauben.linienstrom gezwungen, die Strömungswege verlängert und damit eine bequeme
äußere Reinigungsmöglichkeit unterbunden. Während im Rohrinnern meist turbulente
Strömung herrscht, wird die äußere, laminare Strömung zur Ursache von Staubablagerungen
und damit zur weiteren Verschlechterung des Wärmeüberganges und von Verstopfungen.
-
Es wurde nun gefunden, daß die beschriebenen Nachteile an derartigen
aus Rohrbündeln hergestellten Wärmetauschern behoben werden, wenn man die Rohrenden
an ihren Berührungslinien auf einer Strecke von etwa ein bis zwei Rohrumfängen miteinander
längs verschweißt und den Rohrboden in an sich bekannter Weise mit einem angeschweißten
Flansch oder einem AnschlußTing umfaßt. Ein mit axialen Einschnitten versehener
schmaler Anschlußring, der innen Vorsprünge trägt, die in die Lücken zwischen den
außenliegenden Rohren hineintreten, wird an jedem Ende des Rohrbündels in den genannten
axialen Einschnitten ebenfalls auf Mantellinien mit den äußeren Rohren verschweißt.
Diese Vorsprünge können auch durch passende Füllstücke ersetzt werden. Die axialen
Verschweißungen übernehmen die Kräfte, die durch äußeren überdruck, Wärmedehnung
und Eigengewicht auftreten, während die Dichtschweißung der Stirnflächen von diesen
Kräften verschont bleibt. Der Rohrbündelkopf wird durch diese Bauart gleich oder
kleiner als der Durchmesser des Rohrbündels selbst. Die Rohre werden in den gewünschten
Abständen in bekannter Weise, z. B. durch Beringung oder andere Abstandshalter,
und durch eine äußere Bindung in geeigneten Abständen zusammengehalten, wobei diese
Bindung eine Brems-,v@rkung auf die wandläufigen Stoffe ausübt. In die äußeren,
größeren Lücken können Verdrängerstäbe mit eingebunden werden. Ferner können die
Rohre an ihren Enden vor dem Zusammenbau so. vorgebogen sein, daß die gewünschte
Form erzielt wird.
-
Leitbleche u: dgl. sind nicht mehr notwendig, denn -durch diese Bauart
ist es möglich, den. äußeren Strömungsquerschnitt kleiner oder gleich dem inneren
zu halten. - Im Vergleich zu den gebräuchlichen Bauweisen von Wärmetauschern kann
nach der vorstehenden. Erfindung eine Gewichtseinsparung von 5o bis 60% und eine'
wesentliche Verringerung der Wärmeverluste durch Abstrahlung erreicht werden. Diese
Rohrbündelausführung eignet sich in gleicher Weise auch für die bekannten Röhrenbündel
mit Zentralrohr.
-
Bei der großen Länge dieser Rohrbündel kann eine notwendige äußere
Reinigung nach Abnahme der Bindung durch. logenweises Anheben der Rohre bis nahe
an die Rohrbündelköpfe vorgenommen werden.
-
Neben der Steigerung des Wärmeüberganges um 3o bis 50% ergeben diese
Wärmetauscher eine erhebliche Verringerung der Anlagekosten. Infolge der elastischen
Einschnürting der Bündelrohre an den Enden, die dort. ohne äußere und innere Verschwächung
und ohne eine Kaltverformung durch Kugeldorn u. dgl. verschweißt und spannungsfrei
geglüht werden, gibt es keine Rohrabreißer mehr. Auch ist der Platzbedarf bei der
Herstellung in der Werkstätte viel geringer gegenüber der bisherigen Bauart, bei
der die Rohre in der Längsrichtung in zwei Rohrböden eingefädelt werden müssen.
-
Weitere Vorteile ergeben sich aus folgendem Beispiel: 'Die Wärmetauscher
eines neuzeitlichen Ammoniakofens bisher üblicher Bauart enthalten z. B. etwa 125o
Rohre mit ii mm Durchmesser mit etwa 140n12 Wärmeaustauschfläche. Der innere Strömungsquerschnitt
ist 35o cm2 und der äußere 250o cm2 und ist durch z8 Leitbleche und sonstige Einbauten
unterteilt. Nach der vorliegenden Bauweise ist es nun möglich, mit Rohren von i
i mm Durchmesser über 400 m2 Austauschfläche in dem gleichen Raum unterzubringen.
Sogar bei der Verwendung größerer Rohre von i 8 mm Durchmesser könnten noch 185
m2 Austauschfläche mit 954 Rohren eingebaut werden, wobei der innere Strömungsquerschnitt
etwa 1000 cm2 der äußere nur etwa 1200 cm2 beträgt und der Strömungswiderstand
in den Rohren und um die Rohre infolge des größeren Rohrdurchmessers bei erhöhter
Leistung geringer ist.
-
Die vorliegenden Wärmetauscher eignen sich auch vorzüglich als Kondensatoren
oder Verdampfer, besonders aus Edelstählen, die dadurch wesentlich vereinfacht und
verbilligt werden.
-
An Hand der Abbildungen sei die Erfindung beispielsweise näher erläutert:
Abb. i stellt den Längsschnitt durch ein elastisch eingeschnürtes Rohrbündelende
dar, aus welchem die gewünschten Rohrabstände a, die Zone der Rohrbündeleinschnürung
b und die Strecke der geringeren Rohrabstände c, wo die Rohrenden an der Berührungslinie
d miteinander längs verschweißt sind, ersichtlich sind. Die Stirnfläche des Rohrbündels
ist bei e auch mit dem das Bündelende umschließenden Anschlußring f dicht verschweißt,
und der Anschlußring ist durch die Einschnitte g mit den äußeren Bündelrohren längs
verschweißt. Die Zentrierwarzen h verhindern ein seitliches Anlegen des Rohrbündelkopfes
an den Mantel i. Am äußeren Umfang des Rohrbündels werden die verbleibenden Lücken
durch die Verdränger k ausgefüllt, während das fertige Rohrbündel durch die Bindung
l zusammengehalten wird. Auf den Bündelrohren
sorgen die Ringe
m dafür, daß die, Rohre je in den gewünschten Abständen gegenearnder verbleiben.
-
Abb. 2 zeigt den Querschnitt A-A durch den Rohrbündelkopf mit den
axialen Längsverschweißungen der Bündelrohre bei d, den Anschlußring f mit den Einschnittverschweißungen
bei g, den Zentrierwarzen h, den Rohren n und dein Mantel i. Die inneren
Vorsprünge p des Ringes können auch durch Füllstücke ersetzt werden.
-
Abb. 3 zeigt den Querschnitt B-B durch das Rohrbündel in dem Teil,
wo die Rohre durch Abstandshalter, wie z. B. den Wellstreifen o, auf den gewünschten
Abständen a gehalten werden. Das Rohrbündel mit den Verdrängern h wird durch die
Bindung L zusammengehalten.
-
Abb.4 zeigt einen Längsschnitt durch einen Wärmetauscher ohne Innenisolierung,
bei dem das Rohrbündel bis zur Mantelwand reicht. An den Anschlußringen
f sind beiderseits die Trichter q angeschweißt, durch die die wärmegebenden
Stoffe von oben nach unten durch die Rohre fließen, während die aufzuheizenden Stoffe
um die Anschlußringe f im Gegenstrom um die Rohre strömen.
-
Abb. 5 zeigt einen Längsschnitt, durch einen Wärmetauscher mit Zentralrohr
r und ohne Innenisolierung, bei dem auch das Röhrenbündel bis zur Mantelwand reicht.
-
In den Zonen b sind die Bündelrohre nach der Mitte des Rohrbündels
elastisch zusammengefaßt und bilden in den Strecken c die Rohrböden, die mit den
Anschlußringen f im Durchmesser kleiner sind als das Rohrbündel an den Stellen seiner
größten Ausdehnung.