EP0770845B1 - Rohr für Wärmeaustauscher mit wirbelerzeugenden Stromstörungselementen - Google Patents

Rohr für Wärmeaustauscher mit wirbelerzeugenden Stromstörungselementen Download PDF

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EP0770845B1
EP0770845B1 EP96115774A EP96115774A EP0770845B1 EP 0770845 B1 EP0770845 B1 EP 0770845B1 EP 96115774 A EP96115774 A EP 96115774A EP 96115774 A EP96115774 A EP 96115774A EP 0770845 B1 EP0770845 B1 EP 0770845B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
tube
corrugated
synthetic material
heat
tubes
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP96115774A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP0770845A3 (de
EP0770845A2 (de
Inventor
Joachim Dipl.-Ing. Hederich
Jürgen Dr.-Ing. Künzel
Manfred Dipl.-Ing. Nedoschill
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SGL Carbon SE
Original Assignee
SGL Acotec GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Publication of EP0770845A3 publication Critical patent/EP0770845A3/de
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Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/06Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media
    • F28F13/12Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media by creating turbulence, e.g. by stirring, by increasing the force of circulation

Definitions

  • the invention relates to a Konlenstoff-, graphite - or silicon - carbide pipe according to the characteristics of the generic term of claim 1.
  • JP-A 62066099 which the closest state of the Represents technology, a heat exchanger tube is described, that is made up of two layers.
  • the outer layer is impermeable to liquid media, while the inner, layer made of graphite is porous.
  • the invention has for its object tubes for Use in the tube bundles of tube bundle heat exchangers to train them inside vortex-generating and / or the flow rate increasing elements which disturb the fluid flow, without affecting the ductility of the pipe material arrives.
  • pipes made of materials that are difficult to deform are, in particular pipes made of graphite accessible have improved heat transfer performance.
  • the task is by the characteristics of the Claim 1 solved.
  • a pair of pipes from Tube bundle heat exchangers limited training the invention is reproduced in claim 5.
  • the corrugated, spiral or Threaded tube made of plastic (4) points to the top Inflow side (15, 15 ') has a U-shape and is therefore for the fluid cannot flow through.
  • the legs (10, 10 ') this U is located in two adjacent tubes (1, 1 ') of a heat exchanger and the legs connecting bend of the U is outside the pipes (1, 1 ') arranged.
  • Claims 2 to 7 represent embodiments of the Invention and applications of the solution according to the invention They are hereby introduced to the descriptive part.
  • the invention is applicable to all types of tubes for heat exchangers applicable, the introduction of the invention Allow strands.
  • the invention has a special meaning for such heat exchangers through which liquid, gaseous or vaporous materials that must be conducted Require chemically resistant material for the pipes.
  • Tubes are made for such heat exchangers special, difficult to process metallic materials such as titanium, titanium-palladium alloys, high alloys Steels or nickel-based alloys or made of Ceramics such as silicon carbide and especially graphite suitable.
  • a special feature of these materials and here What is special about graphite is that it is in the extrusion process not with vortex-generating current disturbance elements can be provided.
  • Tubes made from these materials rather are essentially as inner walls smooth pipes in front. If the tubes according to the invention are Profiling the outer circumference Uses strands, the advantage of being resilient Material with the improvement of heat transfer performance combined.
  • the profiles with which the inserted into the pipes Strands are provided can be varied Have shapes. You just have to make it laminar Flows in turbulent and slightly turbulent flows be converted into more turbulent flows.
  • exemplary be the following surface configurations of the Strands listed: Different thread-like shapes, Ribs, nubs, spines and, as a preferred form, waves.
  • the strands can be hollow on the inside or made of solid material consist. If hollow strands are used, they are preferably closed on at least one side to the Prevent formation of a second flow line in the pipe and an accumulation or a lag of Avoid fluid from the heat exchanger in the line. Where this makes sense, both ends of the hollow strand can also to be introverted. However, if this is an advantage it is also possible to leave the ends open.
  • Commercially available as hollow strands are preferably comparatively inexpensive corrugated pipes used.
  • the hollow strands can either partially or entirely be filled with a suitable material.
  • the part pointing downwards in the heat exchanger of the strand contain only a filling that weighs down, to tighten the hanging strand and on to prevent strong floats or the Interior of the strand is complete with one specifically lightweight material foamed to the strand good longitudinal stability with low overall weight to give.
  • U-shaped strands for example in a U-shape to use curved corrugated pipes.
  • the legs of one Such a U-shaped strand is divided into two neighboring ones Pipes of the heat exchanger used and the legs connecting part naturally remains outside the exchanger tubes.
  • the ends can also be closed here refrain from being arranged if the U-shaped strands are so arranged are that their openings are in the direction of gravity show that, if necessary, in the interior of the Strands of process medium can flow out again. In this way, a heat exchanger with the simplest Means without much effort with the invention Strands are equipped.
  • Heat exchanging fluids in those with the invention can according to another advantageous variant Heat exchanger tubes or those with the tube ends of these Aligned flow channels in the upper and lower tube sheets of the tube bundle into which these tubes are installed, conical or wedge-shaped at the inflow end Have extensions. This measure is particularly useful for the application of u-shaped strands to the side of the U-shaped connection of the legs recommended. she is but not required. Where this seems beneficial can such extensions also on the outflow side the tube bundle must be attached.
  • the material from which the strands exist depends on the operating conditions, especially according to the medium to which the strands are exposed and according to the intended operating temperature.
  • the expert chooses that based on his knowledge suitable material. Be exemplary without so that a limitation is made to some of the in Question coming materials called: metal, plastic, Rubber, wood, ceramics, carbon. From the plastics are delayed for media that are less aggressive Polypropylene (PP) or polyvinyl chloride (PVC) are used.
  • PP Polypropylene
  • PVC polyvinyl chloride
  • fluorine-containing Polymers such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), tetrafluoroethylene-perfluoropropylene copolymer (FEP) or copolymers of tetrafluoroethylene with Perfluoroalkyl vinyl ether (PFA) used.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • FEP tetrafluoroethylene-perfluoropropylene copolymer
  • PFA Perfluoroalkyl vinyl ether
  • the outer diameter of the strand is preferably one third to eight tenths of the inside diameter of the heat exchanger tube surrounding it. These proportions have opted for aggressive heat exchangers chemical media in which the exchanger tubes are made of Graphite and the strands were made of plastic, proven. However, the invention is not based on this Dimensional relationships limited. If necessary, this can be done be deviated.
  • the strand For cases where the strand is inside the pipe must be arranged in a stable position, it is recommended that Support the strand in places on the smooth inner wall of the pipe. In general this can be achieved be that the strand by known means such as Webs on the inner wall of the exchanger tube is supported. When choosing and arranging the support elements should only be taken care of be that the flow in the annular gap is not essential is affected. According to a preferred approach a support is reached when the strand Pipe interspersed in a spiral shape.
  • This spiral shape arises with flexible material by for example as a corrugated pipe strand Inserting it into the tube twisted around its axis or it after insertion on the opposite end of the tube, or tube plate locked, then twisted, doing something compresses and then at the other end of the tube, or Also defines the tube sheet. That way it happens to support the strand on the inner surface of the Tube.
  • Tube 1 is a tube 1 of the Tube bundle of a tube bundle heat exchanger shown, its parts in contact with the product with the exception of those in the Tubes 1 used strand consist of tantalum.
  • Tantalum tube 1 is only hinted at in the upper tube sheet 2 and lower tube sheet 3 of the tube bundle shrink wrapped.
  • the strand body 4 is in the form of a at its upper end 5 by squeezing and / or welding sealed, on its outer surface with a thread-like profile 6 provided FEP tube. On the lower end 9 of the strand body 4 is open.
  • the the turbulence causing and the fluid accessible Internal cross section 7 of the heat exchanger tube 1 reducing Strand 4 is both on the upper tube sheet 2 as well as on the lower tube sheet 3 of the tube bundle by means of each a guided through the strand 4 pin 8, 8 ', the supported on the upper 2 and the lower tube sheet 3, held.
  • the graphite tubes 1, 1 ' are in the upper tube sheet 2 and in the not shown glued in the lower tube sheet of the tube bundle 16.
  • the threaded tubes forming the strand bodies 4 consist of Polypropylene.
  • the heat exchanger runs, as the arrows indicate, the Product flow from top to bottom through pipes 1, 1 '.
  • Fig. 4 the upper 2 and the lower tube sheet 3 of a tube bundle are indicated, in which (2, 3) an exchanger tube 1 is glued (16).
  • the parts of the exchanger in contact with the product, with the exception of the strand body 4, are again made of fluid-tight graphite.
  • the tubular strand body 4, closed at its upper 5 and lower 9 end, consists of a rubber-like copolymer of vinylidene fluoride with hexafluoropropylene, which is commercially available under the R Viton brand. Its surface has a plurality of knobs 13 in order to cause the desired turbulence in the flow in the tube 1.
  • the strand body 4 is suspended at its upper end 5 with a welded-in PTFE pin 8 passing through it at the top of the upper tube sheet 2 of the tube bundle.
  • the strand body 4 contains a specifically heavy mass 17, for example silicon dioxide bonded with a synthetic resin, heavy spar or chips of a corrosion-resistant alloy, in order to tighten it and to secure it against undesired and uncontrollable movements in the flow.
  • the interior of the strand 4 could also be foamed with a plastic 19 in addition or while omitting the weighting filling, in order to give the strand longitudinal rigidity.
  • Fig. 5 shows a section of a heat exchanger tube 1
  • the hollow strand 4 in the form of a corrugated tube contains, on its surface in alternating order Elevations 12 and depressions 12 'which are concentric around the Run longitudinal axis of the tube, are arranged.
  • FIGS. 6a, 6b and 6c show in connection with FIGS. 6a, 6b and 6c a way to get a strand 4 from a sufficient flexible material in the heat exchanger tube surrounding it 1 keep stable.
  • the support is here achieved in that the strand 4 after insertion into the exchanger tube 1 and, if necessary, after fixing of the strand 4 at the lower end of the tube 1 under light Upset is rotated about its longitudinal axis so that it takes the form of a helix and along a helical one Line of contact on the inner wall 18 of the exchanger tube 1 is present and thus possibly against the flow caused movements are supported.
  • the strand 4 twisted in this way must be on its (not shown) upper and lower ends in the exchanger tube 1 or on the also not shown upper and lower tube sheets of the tube bundle against one Back turning can be secured.

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Konlenstoff-, Graphit - oder Silizium - carbid- Rohr gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Es ist bekannt, den Wärmeübergang zwischen Fluiden und diese begrenzenden Wänden durch Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit oder durch Erzeugung von Turbulenzen in der Strömung zu verbessern. Solche Turbulenzen werden durch wirbelerzeugende Stromstörungselemente erreicht. Vorbekannte Rohre dieser Art weisen im Prinzip Profilierungen der Rohrinnenfläche im Sinne von Wellungen, Vorsprüngen, Rippen oder dergleichen auf.
Die Anordnung wirbelerzeugender Stromstörungselemente auf der Innenfläche der Rohre wird dann problematisch, wenn das einzelne Rohr des Wärmeaustauschers aus einem Material besteht, dessen Wand nicht in der herkömmlichen Art verformt werden kann. Dies trifft insbesondere auf Rohre zu, die im Strangpreßverfahren hergestellt werden müssen. Hierzu offenbart die DE-OS 35 21 914, im einzelnen Rohr Stege anzuordnen, die das Rohr nicht völlig durchsetzen und wellenförmig geformt sind. Eine solche Formgebung ist aber nur im Strangpreßverfahren für Leichtmetall, insbesondere Aluminium denkbar, wo es durch geeignete Ausbildung des Rezipienten möglich ist, solche gewellten Stege herzustellen.
Dieses bekannte Verfahren ist aber dort nicht anwendbar, wo sich das Material des Rohres nicht in der bekannten Weise beim Strangpressen oder einem anderen Verfahren verformen läßt. Dies ist insbesondere bei Rohren aus metallischen Werkstoffen wie Titan, hochlegierten Stählen, Nickelbasislegierungen oder Rohren aus Siliciumcarbid und aus Graphit der Fall. Wärmeaustauscher mit Graphitrohren werden bevorzugt zum Wärmeaustausch zwischen Flüssigkeiten, Dämpfen oder Gasen verwendet, die ein chemisch resistentes Rohrmaterial voraussetzen.
In der JP-A 62066099, die den nächstkommenden Stand der Technik darstellt, wird ein Wärmetauscherrohr beschrieben, das aus zwei Schichten aufgebaut ist. Die äußere Schicht ist für flüssige Medien undurchlässig, während die innere, aus Graphit bestehende Schicht porös ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Rohre für die Verwendung in den Rohrbündeln von Rohrbündelwärmeaustauschern so auszubilden, daß sie in ihrem Inneren wirbelerzeugende und/oder die Strömungsgeschwindigkeit steigernde, die Fluidströmung störende Elemente aufweisen, ohne daß es auf die Verformbarkeit des Rohrmaterials ankommt. Im speziellen sollen durch die Erfindung Rohre aus Materialien, die schwer verformbar sind, insbesondere Rohre aus Graphit zugänglich sein, die eine verbesserte Wärmeübertragungsleistung aufweisen.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Eine auf paarweise nebeneinander liegende Rohre von Rohrbündelwärmeaustauschern beschränkte Weiterbildung der Erfindung ist in Anspruch 5 wiedergegeben. Das Well-, Spiral- oder Gewinderohr aus Kunststoff (4) weist an der oberen Einströmseite (15, 15') eine U-Form auf und ist damit für das Fluid nicht durchströmbar. Die Schenkel (10, 10') dieses U befinden sich in jeweils zwei benachbarten Rohren (1, 1') eines Wärmeaustauschers und der die Schenkel verbindende Bogen des U ist außerhalb der Rohre (1, 1') angeordnet.
Die Ansprüche 2 bis 7 stellen Ausgestaltungen der Erfindung und Anwendungen der erfindungsgemäßen Lösung dar. Sie werden hiermit in den beschreibenden Teil eingeführt.
Durch die Maßnahmen gemäß den Ansprüchen 1 bis 5 werden in der das Rohr durchsetzenden Strömung mit einfachsten Mitteln Turbulenzen erzeugt. Gleichzeitig kann die Strömungsgeschwindigkeit im Rohr erhöht werden. Beide Maßnahmen, das Hervorrufen von Turbulenzen und die Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit in den Rohren führen jede für sich allein zu einer Verbesserung der Wärmeübertragungsleistung der Rohre. Werden beide Maßnahmen gleichzeitig angewandt, so ist die Wärmeübertragungsleistung entsprechend höher. Zur Erzielung der beschriebenen Effekte muß lediglich ein passend profilierter Strang in das Rohr eingesetzt werden. Da diese Maßnahme nicht an die Rohrherstellung gekoppelt ist, können Wärmeaustauscherrohre zu jeder Zeit ihrer betrieblichen Existenz mit den erfindungsgemäßen Strängen ausgerüstet werden. Es können sowohl Neuanlagen als auch bereits in Betrieb gewesene Anlagen damit bestückt werden. Letztere Möglichkeit ist besonders für die Anpassung bereits bestehender Wärmetauscher an geänderte Betriebsbedingungen von Vorteil. Aber auch bei der Auslegung von Neuanlagen sieht sich der Konstrukteur häufig mit Zwängen konfrontiert, bei deren Umgehung er von der Erfindung in vorteilhafter Weise Gebrauch machen kann. Wenn er beispielsweise aus räumlichen Gründen an eine bestimmte Wärmeaustauschfläche gebunden ist, mit der die verlangte oder erforderliche Austauschleistung mit normalen Rohren nicht erbracht werden kann, kann er nun auf die erfindungsgemäße Lösung zurückgreifen und die Leistung auf einfache Weise erhöhen. Bei Bedarf kann die Leistung zu einem späteren Zeitpunkt durch Entnahme aller oder eines Teils der Stränge wieder gesenkt und anderen Gegebenheiten angepaßt werden. Von diesem Beispiel ist leicht ableitbar, daß mit den Mitteln der Erfindung unter Konstanthalten der Wärmeaustauschleistung im Vergleich zu herkömmlichen Wärmeaustauschern auch die Abmessungen von Wärmeaustauschern verringert werden können, indem der durch die Anwendung der erfinderischen Maßnahme erzielte Leistungsgewinn zur Reduzierung der Länge der verwendeten Rohre oder zur Verringerung von deren Anzahl im Wärmeaustauscher eingesetzt wird. Im ersteren Fall wird der Austauscher kürzer, im anderen schlanker. In manchen Fällen ergibt die verfahrenstechnische Auslegung, daß Rohre mit sehr kleinen Innendurchmessern erforderlich sind. Derartige Rohre sind aus produktionstechnischen Gründen und/oder wegen ihrer großen Bruchempfindlichkeit, wenn sie z.B. aus Siliciumcarbid oder Kohlenstoff bzw. Graphit bestehen, mit wirtschaftlich tragbarem Aufwand nicht herstellbar. Durch die Erfindung ist es nunmehr möglich, auch in den Bereich der Anwendung derartiger, schwer herstellbarer und praktisch nicht anwendbarer Rohre vorzustoßen, indem größere, mechanisch stabilere und mit vertretbarem Aufwand hergestellte Rohre herangezogen werden und diese durch Einsatz von Strängen gemäß der Erfindung so abgewandelt werden, daß sie dem technischen Wirkungsbereich der kleineren Rohre voll entsprechen.
Die Erfindung ist auf alle Arten von Rohren für Wärmeaustauscher anwendbar, die das Einführen von erfindungsgemäßen Strängen erlauben.
Eine spezielle Bedeutung erlangt die Erfindung jedoch für solche Wärmeaustauscher, durch die flüssige, gasförmige oder dampfartige Materialien geleitet werden müssen, die chemisch widerstandsfähiges Material für die Rohre voraussetzen. Für solche Wärmeaustauscher sind Rohre aus speziellen, schwer verarbeitbaren metallischen Werkstoffen wie Titan, Titan-Palladium-Legierungen, hochlegierten Stählen oder Nickelbasislegierungen oder aus Keramik wie Siliciumcarbid und insbesondere aus Graphit geeignet. Ein besonderes Merkmal dieser Werkstoffe und hier speziell des Graphits ist, daß sie im Strangpreßherstellungsverfahren nicht mit wirbelerzeugenden Stromstörungselementen versehen werden können. Rohre aus diesen Werkstoffen liegen vielmehr als innenwandig im wesentlichen glatte Rohre vor. Wenn man in solche Rohre die erfindungsgemäßen, Profilierungen des Außenumfanges aufweisende Stränge einsetzt, wird der Vorteil des widerstandsfähigen Materials mit der Verbesserung der Wärmeübertragungsleistung kombiniert.
Die Profilierungen, mit denen die in die Rohre eingesetzten Stränge versehen sind, können mannigfaltige Formen haben. Sie müssen nur bewirken, daß laminare Strömungen in turbulente und leicht turbulente Strömungen in stärker turbulente Strömungen umgewandelt werden. Beispielhaft seien folgende Oberflächenausgestaltungen der Stränge angeführt: Verschiedene gewindeartige Formen, Rippen, Noppen, Stacheln und als bevorzugte Form, Wellen.
Die Stränge können innen hohl sein oder aus Vollmaterial bestehen. Wenn hohle Stränge verwendet werden, sind sie bevorzugt an mindestens einer Seite verschlossen, um die Ausbildung einer zweiten Strömungslinie im Rohr zu verhindern und eine Ansammlung oder ein Zurückbleiben von Fluid aus dem Wärmetauscher im Strang zu vermeiden. Wo dies sinnvoll ist, können auch beide Enden des Hohlstrangs verschlossen sein. Falls dies jedoch Vorteile bringt, ist es auch möglich, die Enden offen zu lassen. Vorzugsweise werden als hohle Stränge im Handel erhältliche, vergleichsweise preiswerte Wellrohre verwendet. Die hohlen Stränge können entweder teilweise oder ganz mit einem geeigneten Material gefüllt sein. Beispielsweise kann der im Wärmetauscher nach unten zeigende Teil des Stranges eine lediglich beschwerende Füllung enthalten, um den hängenden Strang zu straffen und an zu starken Hin- und Herbewegungen zu hindern oder der Innenraum des Stranges ist vollständig mit einem spezifisch leichten Material ausgeschäumt, um dem Strang eine gute Längsstabilität bei insgesamt geringem Gewicht zu geben.
Eine besonders bevorzugte Lösung der Aufgabe besteht darin, U-förmige Stränge, beispielsweise in eine U-Form gebogene Wellrohre zu verwenden. Die Schenkel eines solchen U-förmigen Stranges werden in zwei benachbarte Rohre des Wärmetauschers eingesetzt und der die Schenkel verbindende Teil bleibt naturgemäß außerhalb der Austauscherrohre. Hier kann auch das Verschließen der Enden unterbleiben, wenn die u-förmigen Stränge so angeordnet sind, daß ihre Öffnungen in Richtung der Schwerkraft zeigen, daß also gegebenenfalls in die Innenräume der Stränge gelangtes Prozeßmedium wieder herausfließen kann. Auf diese Weise kann ein Wärmeaustauscher mit einfachsten Mitteln ohne größeren Aufwand mit den erfindungsgemäßen Strängen ausgerüstet werden.
Das Befestigen der Stränge in den Wärmeaustauscherrohren geschieht mit einfachen, an sich bekannten Mitteln wie an den Rohrenden angebrachten Aufhängungen oder Stegen oder durch die Strangenden geführte Stifte, die sich auf den Rohrenden abstützen.
Um das Einströmen der jeweiligen, in den Wärmetauschern Wärme tauschenden Fluide in die mit den erfindungsgemäßen Strängen ausgerüsteten Wärmetauscherrohre zu erleichtern, können nach einer anderen vorteilhaften Variante die Wärmetauscherrohre bzw. die mit den Rohrenden dieser Rohre fluchtenden Strömungskanäle in den oberen und unteren Rohrböden der Rohrbündel, in die diese Rohre eingebaut sind, am Einströmende konische oder keilförmige Erweiterungen haben. Diese Maßnahme wird besonders bei der Anwendung von u-förmigen Strängen an der Seite der u-förmigen Verbindung der Schenkel empfohlen. Sie ist aber nicht Bedingung. Wo dies vorteilhaft erscheint, können derartige Erweiterungen auch auf der Ausströmseite der Rohrbündel angebracht sein.
Der Werkstoff, aus dem die Stränge bestehen, richtet sich nach den Einsatzbedingungen, speziell nach dem Medium, dem die Stränge ausgesetzt sind und nach der vorgesehenen Betriebstemperatur. Der Fachmann wählt aufgrund seiner Kenntnisse das jeweils geeignete Material aus. Beispielhaft seien, ohne daß damit eine Beschränkung vorgenommen wird, einige der in Frage kommenden Materialien genannt: Metall, Kunststoff, Gummi, Holz, Keramik, Kohlenstoff. Von den Kunststoffen werden für Medien, die weniger aggressiv sind, beverzugt Polypropylen (PP) oder Polyvinylchlorid (PVC) verwendet. In aggressiveren Medien und bei höheren Anwendungstemperaturen werden bevorzugt Stränge aus fluorhaltigen Polymeren wie Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Tetrafluorethylen-Perfluorpropylen-Copolymer (FEP) oder Copolymere von Tetrafluorethylen mit Perfluoralkylvinylether (PFA) eingesetzt. Die Palette der Kohlenstoffmaterialien ist nicht auf nicht graphitischen und auf graphitierten Kohlenstoff beschränkt. Es können auch Teile aus mit Kohlenstoffasern verstärktem Kohlenstoff oder aus mit Kohlenstoffasern verstärktem Kunststoff Verwendung finden.
Der Außendurchmesser des Stranges beträgt vorzugsweise ein Drittel bis acht Zehntel des Innendurchmessers des ihn umgebenden Wärmeaustauscherrohres. Diese Maßverhältnisse haben sich bei Wärmeaustauschern für aggressive chemische Medien, bei denen die Austauscherrohre aus Graphit und die Stränge aus Kunststoff bestanden, bewährt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Maßverhältnisse beschränkt. Im Bedarfsfall kann davon abgewichen werden.
Für Fälle, bei denen der Strang innerhalb des Rohres lagestabil angeordnet sein muß, empfiehlt es sich, den Strang stellenweise an der glatten Rohrinnenwand abzustützen. Ganz allgemein kann dies dadurch erreicht werden, daß der Strang mit bekannten Mitteln wie beispielsweise Stegen, an der Innenwand des Austauscherrohres abgestützt wird. Bei der Wahl und der Anordnung der Abstützelemente sollte lediglich dafür Sorge getragen werden, daß die Strömung im Ringspalt nicht wesentlich beeinträchtigt wird. Nach einer bevorzugten Vorgehensweise wird eine Abstützung erreicht, wenn der Strang das Rohr in einer Spiralform durchsetzt. Diese Spiralform entsteht bei biegsamem Material dadurch, daß man den, beispielsweise als Wellrohr ausgebildeten Strang beim Einsetzen in das Rohr um seine Achse verdreht oder ihn nach dem Einsetzen am entgegengesetzten Ende des Rohres, bzw. Rohrbodens arretiert, dann verdreht, dabei etwas staucht und ihn danach am anderen Ende des Rohres, bzw. Rohrbodens ebenfalls festlegt. Auf diese Weise kommt es zu Abstützungen des Stranges an der Innenfläche des Rohres.
Im folgenden wird die Wirksamkeit der Erfindung durch ein Ausführungsbeispiel demonstriert:
Alle Wärmeaustauscherrohre eines mit fluiddichten Graphitrohren, 32 mm Außendurchmesser und 22 mm Innendurchmesser bestückten, industriell anwendbaren Partialdruckkondensators wurden mit käuflichen, in U-Form gemäß Fig. 2 gebogenen Wellrohren aus Polytetrafluorethylen, deren größter, an der Wellung gemessener Durchmesser 16 mm und deren kleinster, an der Außenwand des Rohres, also am Boden der Wellung gemessener Durchmesser 14 mm betrug, bestückt. Es wurde die Wärmeübertragungsleistung des Partialdruckkondensators unter Beaufschlagung mit dem gleichen Produkt und mit dem gleichen Kühlmittel (Wasser) einmal ohne eingebaute, Turbulenzen erzeugende Stränge und einmal mit derartigen Strängen gemessen:
Betriebsbedingungen/Meßergebnisse:
  • Versuch ohne Stränge in den Rohren,
  • Massestrom Produkt: 6066 kg/h
  • Temperatur des Produkts am Apparateeingang: 123,75 °C
  • Temperatur des Produkts am Apparateausgang: 37,4 °C
  • Massestrom Kühlwasser: 147 m3/h
  • Temperatur des Kühlwassers am Apparateeingang: 21 °C
  • Temperatur des Kühlwassers am Apparateausgang: 26 °C
  • Versuch mit Strängen in den Rohren:
  • Massestrom Produkt: 11058 kg/h
  • Temperatur des Produkts am Apparateeingang: 123,60 °C
  • Temperatur des Produkts am Apparateausgang: 39 °C
  • Massestrom Kühlwasser: 51 m3/h
  • Temperatur des Kühlwassers am Apparateeingang: 20 °C Temperatur des Kühlwassers am Apparateausgang: 39 °C
Ein Vergleich der bei den beiden Versuchen pro Zeiteinheit übertragenen Wärmemengen zeigt, daß bei der erfindungsgemäßen Lösung 1,32 mal mehr Wärme übertragen worden ist wie bei dem Apparat ohne Stränge in den Wärmeaustauscherrohren. Die Erhöhung der Wärmeübertragungsleistung wird dabei mit einer auf ca. 1/3 reduzierten Kühlwassermenge bei einer Steigerung des Produktdurchsatzes um fast das Doppelte erreicht.
Durch die folgenden Figuren wird die Erfindung mittels schematischer Darstellungen beispielhaft weiter erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1:
Einen Teillängsschnitt durch einen Rohrbündelwärmeaustauscher der eine erfindungsgemäße Rohranordnung wiedergibt.
Fig. 2:
Einen Teillängsschnitt durch einen Rohrbündelwärmeaustauscher, mit einem in benachbarte Wärmeaustauscherrohre eingesetzten u-förmigen Strang.
Fig. 3:
Eine Draufsicht auf die Stirnseite einer Kopfplatte des Rohrbündels eines Wärmetauschers, dessen Austauscherrohre mit u-förmig gestalteten Strängen ausgerüstet sind.
Fig. 4:
Einen Teillängsschnitt durch das Rohrbündel eines Wärmetauschers am Ort eines Austauscherrohres mit einem gefüllten Hohlstrang.
Fig. 5:
Die Ausführung eines erfindungsgemäßen Stranges als Wellrohr.
Fig. 6, 6a, 6b, 6c:
Ein Wärmeaustauscherrohr, in dem ein Strang entlang einer wendelförmigen Linie an der Rohrwand anliegt und festgelegt ist.
In dem Teillängsschnitt gemäß Fig. 1 ist ein Rohr 1 des Rohrbündels eines Rohrbündelwärmeaustauschers dargestellt, dessen produktberührten Teile mit Ausnahme des in die Rohre 1 eingesetzten Strangs aus Tantal bestehen.
Das an seiner Oberfläche herstellungsbedingt glatte Tantalrohr 1 ist in den nur andeutungsweise wiedergegebenen oberen Rohrboden 2 und unteren Rohrboden 3 des Rohrbündels eingeschweißt. Der Strangkörper 4 ist ein in Form eines an seinem oberen Ende 5 durch Abquetschen und/oder Verschweißen verschlossenes, an seiner äußeren Oberfläche mit einem gewindeartigen Profil 6 versehenes Rohr aus FEP. An seinem unteren Ende 9 ist der Strangkörper 4 offen. Der die Turbulenzen hervorrufende und den fluidzugänglichen Innenquerschnitt 7 des Wärmeaustauscherrohres 1 verringernde Strangkörper 4 ist sowohl am oberen Rohrboden 2 als auch am unteren Rohrboden 3 des Rohrbündels mittels je eines durch den Strang 4 geführten Stiftes 8, 8', der sich auf dem oberen 2 und dem unteren Rohrboden 3 abstützt, gehalten. Es ist möglich, den Strang 4 mittels dieser Arretierungen 8, 8' unter einer bestimmten Längsspannung zu halten, um ihn im Betrieb an die Strömung störenden Hin- und Herbewegungen zu hindern. Durch Fig. 1a, die eine um 90° gedrehte Ansicht des oberen Teils der Fig. 1 wiedergibt, wird verdeutlicht, daß die Arretierung des Stranges 4 durch einen Stift 8 bewirkt wird. Das den Wärmeaustauscher durchsetzende Fluid strömt, wie die Pfeile in den Fig. 1 und 1a andeuten, von unten nach oben durch den Wärmeaustauscher. Nach einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der größte Außendurchmesser a des Stranges 4 1/3 bis 8/10 des Innendurchmessers b des Wärmeaustauscherrohres 1.
In Fig. 2 ist eine Ausführungsvariante der Erfindung wiedergegeben, bei der sich die Schenkel 10, 10' eines U-förmig gebogenen Wellrohres 11 in jeweils benachbarten Rohren 1, 1' eines Wärmeaustauschers befinden. Die Erhebungen 12 und Vertiefungen 12' auf der Oberfläche des Stranges 4, die die Turbulenzen in der in den Rohren 1, 1' vorhandenen Strömung hervorrufen, verlaufen in Wendelform.
Die produktberührten Teile des Wärmeaustauschers, von dem hier lediglich der obere Rohrboden 2 und zwei Rohre 1, 1' des Rohrbündels ausschnittweise wiedergegeben sind, bestehen mit Ausnahme der Strangkörper 4 aus mit einem Kunstharz imprägnierten Graphit. Die Graphitrohre 1, 1' sind in den oberen Rohrboden 2 und in den nicht dargestellten unteren Rohrboden des Rohrbündels eingeklebt 16. Die die Strangkörper 4 bildenden Gewinderohre bestehen aus Polypropylen. In dem hier nur zum Teil abgebildeten Wärmetauscher verläuft, wie die Pfeile andeuten, der Produktstrom von oben nach unten durch die Rohre 1, 1'. An der Eintrittsseite 15, 15' des Produktstroms in die Rohre 1, 1' befindet sich ein sich entgegen der Strömungsrichtung beispielsweise konisch erweiternder Querschnitt 14, 14' um das Einströmen des Produktfluids in die Rohre 1, 1' zu erleichtern. Die Figur zeigt, daß die Stränge 4 bei dieser Anordnung in den Wärmeaustauscherrohren 1, 1' an ihrer oberen, der Einströmseite 15, 15' in die Austauscherrohre 1, 1', stets verschlossen sind. Es kann kein Produkt in sie eintreten. An ihrem, hier nicht sichtbaren, unteren Ende können die Stränge 4 entweder offen oder geschlossen sein. Sie können auch z.B. am unteren Rohrboden festgelegt sein oder nicht. Daß die u-förmige Ausführungsform auch erhebliche Vorteile bei der Montage bietet, ist unschwer einzusehen.
In der in Fig. 3 wiedergegebenen Draufsicht auf den oberen Rohrboden 2 eines Rohrbündels eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers, in dem die Rohre 1 mit u-förmigen Strängen 4 bestückt sind, sind die Einströmöffnungen 15, 15' der Wärmeaustauscherrohre 1 und die sich jeweils über zwei benachbarte Rohre 1, 1' erstreckenden u-förmigen Enden der Stränge 4 zu sehen. Das Rohr 1'' ist ein zugestöpseltes Blindrohr. Es könnte aber auch mit einem Wellrohr 4 gemäß Fig. 1 versehen sein.
In Fig. 4 sind andeutungsweise der obere 2 und der untere Rohrboden 3 eines Rohrbündels abgebildet, in die (2, 3) ein Austauscherrohr 1 eingeklebt (16) ist. Die produktberührten Teile des Austauschers bestehen mit Ausnahme des Strangkörpers 4 wiederum aus fluiddichtem Graphit. Der rohrförmige, an seinem oberen 5 und seinem unteren 9 Ende verschlossene Strangkörper 4 besteht aus einem gummiartigen Copolymeren aus Vinylidenfluorid mit Hexafluorpropylen, das im,Handel unter der Marke RViton erhältlich ist. Seine Oberfläche weist eine Vielzahl von Noppen 13 auf, um in der Strömung im Rohr 1 die gewünschten Turbulenzen hervorzurufen. Der Strangkörper 4 ist an seinem oberen Ende 5 mit einem ihn durchsetzenden, eingeschweißten Stift 8 aus PTFE an der Oberseite des oberen Rohrbodens 2 des Rohrbündels aufgehängt. In seinem unteren Teil enthält der Strangkörper 4 eine spezifisch schwere Masse 17, beispielsweise mit einem Kunstharz gebundenes Siliciumdioxid, Schwerspat oder Späne einer korrosionsfesten Legierung, um ihn zu straffen und gegen unerwünschte sowie unkontrollierbare Bewegungen in der Strömung zu sichern. Das Innere des Stranges 4 könnte auch zusätzlich oder unter Fortlassen der beschwerenden Füllung mit einem Kunststoff 19 ausgeschäumt sein, um dem Strang Längssteifigkeit zu verleihen.
Fig. 5 zeigt einen Ausschnitt aus einem Wärmeaustauscherrohr 1, das einen Hohlstrang 4 in Form eines Wellrohres enthält, auf dessen Oberfläche in wechselnder Folge Erhebungen 12 und Vertiefungen 12', die konzentrisch um die Längsachse des Rohres verlaufen, angeordnet sind.
Fig. 6 zeigt in Verbindung mit den Figuren 6a, 6b und 6c eine Möglichkeit, einen Strang 4 aus einem ausreichend flexiblen Material in dem ihn umgebenden Wärmeaustauscherrohr 1 ortsstabil zu halten. Die Abstützung wird hier dadurch erreicht, daß der Strang 4 nach dem Einführen in das Austauscherrohr 1 und falls nötig, nach dem Festlegen des Stranges 4 am unteren Ende des Rohres 1 unter leichtem Stauchen derart um seine Längsachse verdreht wird, daß er die Form einer Wendel annimmt und entlang einer wendelförmigen Berührungslinie an der Innenwand 18 des Austauscherrohres 1 anliegt und so gegen möglicherweise durch die Strömung verursachte Bewegungen abgestützt wird. Selbstverständlich muß der so verdrehte Strang 4 an seinem (nicht wiedergegebenen) oberen und unteren Ende im Austauscherrohr 1 oder an dem ebenfalls nicht dargestellten oberen und unteren Rohrboden des Rohrbündels gegen ein Zurückdrehen gesichert werden.
Bezugszeichenliste
Figure 00160001

Claims (7)

  1. Fluiddichtes, mechanisch stabiles, mit vertretbarem Aufwand herstellbares - und damit wenigstens 22 mm Innendurchmesser aufweisendes - Kohlenstoff-, Graphitoder Siliziumcarbid-Rohr (1) mit glatter Innenwand, welches die hohe Wärmeübertragungsleistung eines vergleichbaren Kohlenstoff-, Graphit- oder Siliziumcarbid-Rohres mit sehr viel geringerem Innendurchmesser hat, für Rohrbündel von Wärmeaustauschern und einem innenliegendem, flexiblem Well-, Spiral- oder Gewinderohr (4) aus Kunststoff
    dadurch gekennzeichnet, daß
    das Wellrohr aus Kunststoff (4) aus einem Kunststoff der Gruppe Polypropylen, Polyvinylchlorid, Polytetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid, Tetrafluorethylen-Perfluorpropylen-Copolymer oder Copolymer von Tetrafluorethylen mit Perfluoralkylvinylether besteht und
    das das Kohlenstoff-, Graphit- oder Siliziumcarbid-Rohr (1) in der Länge überragende Wellrohr aus Kunststoff (4) mindestens einseitig geschlossen ist und der Außendurchmesser des Wellrohres aus Kunststoff ein Drittel bis acht Zehntel des Innendurchmessers des umgebenden Wärmeaustauscherrohres beträgt.
  2. Rohr (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    das Well-, Spiral- oder Gewinderohr aus Kunststoff (4) an der Rohrinnenwand (18) abgestützt ist.
  3. Rohr (1) nach Ansprüchen 1 und 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    das Well-, Spiral- oder Gewinderohr aus Kunststoff (4) das Rohr (1) in einer Spiralform durchsetzt.
  4. Rohr (1) nach Ansprüchen 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    das Well-, Spiral- oder Gewinderohr aus Kunststoff (4) mindestens zum Teil gefüllt ist.
  5. Rohr (1) nach Ansprüchen 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    das Well-, Spiral- oder Gewinderohr aus Kunststoff (4) an der oberen Einströmseite (15, 15') eine U-Form aufweist und damit für das Fluid nicht durchströmbar ist, wobei sich die Schenkel (10, 10') dieses U in jeweils zwei benachbarten Rohren (1, 1') eines Wärmeaustauschers befinden und der die Schenkel verbindende Bogen des U außerhalb der Rohre (1, 1') angeordnet ist.
  6. Verwendung von Rohren (1) nach einem der Patentansprüche 1 bis 5 für die Reduzierung der Baugröße von Wärmeaustauschern nach Höhe/Länge oder/und Durchmesser bei dem Bau von Wärmeaustauschern.
  7. Verwendung von Rohren (1) nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, zur Steigerung der Wärmeübertragungsleistung von Wärmeaustauschern.
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