EP1209434A2 - Wärmetauscher für den indirekten Wärmeaustausch - Google Patents

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EP1209434A2
EP1209434A2 EP01125219A EP01125219A EP1209434A2 EP 1209434 A2 EP1209434 A2 EP 1209434A2 EP 01125219 A EP01125219 A EP 01125219A EP 01125219 A EP01125219 A EP 01125219A EP 1209434 A2 EP1209434 A2 EP 1209434A2
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EP
European Patent Office
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tube
heat exchanger
exchanger according
tubes
pipe
Prior art date
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EP01125219A
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English (en)
French (fr)
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EP1209434B1 (de
EP1209434A3 (de
Inventor
Klaus Kreilos
Frank Adamezyk
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Babcock Borsig Service GmbH
Original Assignee
Babcock Borsig Service GmbH
Balcke Duerr Service GmbH
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Publication date
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Publication of EP1209434A3 publication Critical patent/EP1209434A3/de
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    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
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    • F28F9/007—Auxiliary supports for elements
    • F28F9/013—Auxiliary supports for elements for tubes or tube-assemblies
    • F28F9/0132—Auxiliary supports for elements for tubes or tube-assemblies formed by slats, tie-rods, articulated or expandable rods
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    • F28F9/187—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates by permanent joints, e.g. by rolling by welding at least one of the parts being non-metallic, e.g. heat-sealing plastic elements
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    • F28F2275/00—Fastening; Joining
    • F28F2275/20—Fastening; Joining with threaded elements

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger for indirect heat exchange of two gaseous media, at least one of which is on the Heat exchange surfaces of aggressive components, e.g. B. sulphurous Contains acids, with a chamber through which the medium can flow, through the pipes through which the other medium can flow are passed, the pipe ends in at least one of the media separating tube sheet are gas-tight or liquid-tight.
  • B. sulphurous Contains acids with a chamber through which the medium can flow, through the pipes through which the other medium can flow are passed, the pipe ends in at least one of the media separating tube sheet are gas-tight or liquid-tight.
  • Such heat exchangers are known in various embodiments.
  • the often made of stainless steel or another metal that is as corrosion-resistant as possible existing pipes are passed through tube sheets at their ends and connected to the tube sheets by soldering or welding.
  • pipes from z. B. Stainless steel is corrosion-resistant according to conventional standards at least not when used as a heat exchanger between such gases or liquids that contain particularly aggressive components, such as z. B. sulfurous acid.
  • heat exchangers Especially in the area of flue gas desulfurization and Waste incineration, however, requires heat exchangers that also last can withstand acidic gases, especially when falling below the Acid dew point.
  • the invention has for its object one from pipes composite heat exchanger suitable for aggressive media create the pipe side due to low pressure drops and a low Tendency to contamination.
  • the tubes are plastic tubes with tube walls forming a zigzag pattern in longitudinal section, the zigzag patterns on the inside and outside of the tube corresponding to each other, and that the flanks of the zigzag pattern pointing obliquely downwards on the inside of the pipe have a smaller angle to the pipe center axis than the flanks pointing obliquely upwards.
  • Plastic pipes designed in this way are characterized by a relatively high strength from, because of the on the inside and outside of the pipe Corresponding zigzag pattern with sufficient Strength can be achieved with relatively small wall thicknesses.
  • plastic pipes for use in a heat exchanger as part of the flue gas desulfurization of a power plant can such plastic pipes with a nominal width of up to 120 mm and one Wall thickness of only 0.4 mm can be used.
  • zigzag shaped Design of the tube walls is sufficient despite the small wall thickness Resistance to the flow ridges prevailing in the heat exchanger and possibly vibrations reached.
  • flanks of the zigzag pattern with each other alternating flanks of different sizes ensure that the pressure drops are only slight when flowing through the pipes. Also the The tendency to contamination is low, as flow turbulence is generated an undesirable deposit of deposits on the inside of the pipe prevent.
  • the angle is on 1.5 to 2.5 times the inside of the pipe with flanks pointing diagonally upwards the angle of the flanks pointing obliquely downwards on the inside of the pipe is.
  • the zigzag pattern can be designed in a ring shape, that is to say with the circumference flanks of the tube closed.
  • the tubes be made of a melt-weldable fluoroplastic, preferably made of PFA (Perfluoro-alkoxyalkane) or MFA (trifluoro-metoxy-perfluoro-alcoxy polymer).
  • PFA Perfluoro-alkoxyalkane
  • MFA trifluoro-metoxy-perfluoro-alcoxy polymer
  • the tubes in vertical longitudinal direction of the chamber extend that at a vertical distance to horizontal support elements are attached to the tube sheet in the chamber with which the tube outer sides of the tubes are positively connected, and that the Support elements are provided with recesses for each tube, which the Pipe outside of each pipe only on a part of its circumference in enclose in a positive manner.
  • plastic pipes with corresponding, wave-like Structures on the inside and outside have a high radial strength Direction, d. H. against pressure, but in the longitudinal direction behave rather flexibly.
  • the individual pipes to avoid vertical arrangement are therefore in the chamber of the Fixed heat exchanger horizontal support elements with which the Pipe outer sides of the pipes are positively connected.
  • the assembly of the heat exchanger and in particular the positive integration of the pipes in the support elements significantly simplified. This also contributes if the support elements are horizontal strips, which too Both sides are provided with recesses for pipes.
  • the pipe ends are positively fixed in the tube sheet, the positive connection by the Zigzag shape of the pipes is achieved.
  • This enables simple and Inexpensive connection technology, being particularly preferred Design in the opening of the respective tube end Tube bottom is a retaining ring surrounding the tube end is attached, and the Retaining ring is provided on its inner edge with an all-round structure in which the zigzag structure of the outside of the pipe interlocks.
  • the tube sheet at least on the chamber facing side is plastic coated or plastic coated.
  • the tube is preferably plastic-welded to the plastic layer.
  • the tube sheet can be divided into segments is designed, and that the segments are provided with recesses that the Pipe outside of the respective pipe on half of its circumference enclose positively. This enables a particularly simple attachment the tube ends in the respective tube sheet.
  • the heat exchanger shown in FIG. 1 and in cross section in FIG. 2 is designed in the manner of a tube-bundle heat exchanger with a chamber 2 penetrated by the individual tubes 1 and inlets and outlets for the two media involved in the heat exchange.
  • the first medium enters the heat exchanger via the inlet m 1e and leaves it via the outlet m 1a .
  • the distribution of this first medium takes place via hoods 3 attached at the top and bottom and with flow through the individual, vertically arranged tubes 1 of the heat exchanger.
  • the second medium involved in the heat exchange passes through the inlet m 2e into the heat exchanger, flows through the interior of the chamber 2 twice under deflection and leaves the heat exchanger again via the outlet m 2a .
  • the second medium is guided in cross-countercurrent flow, but cross-flow or countercurrent flow is also possible.
  • the pipes 1 are fastened in the region of the inlet m 1e arranged at the top and the outlet m 1a arranged at the bottom on the horizontally extending pipe plates 4 which, like the pipes 1, therefore separate the two media involved from one another.
  • the tube 1 is a plastic tube made of a melt-weldable fluoroplastic, for example made of PFA (perfluoroalkoxyalkane) or MFA (trifluoro-metoxy-perfluoro-alcoxy polymer).
  • the plastic tube is shaped in the manner of a corrugated tube, the zigzag-shaped shafts 5, as can be seen in FIG. 3 in the form of a drawing, on the inside and outside of the tube corresponding to one another with a constant wall thickness d.
  • This wall thickness d is between 0.25 and 0.75 mm, for example approx. 0.4 mm for a pipe with a nominal diameter of up to 120 mm.
  • the ratio between the maximum pipe outside diameter d a and the minimum pipe inside diameter d i is between 1.2: 1 and 1.5: 1.
  • the zigzag-shaped waves 5 each consist of a longer one Edge 6 and a shorter edge 7 together, which are in one another Stand angle that is about 90 °.
  • the in relation to the pipe central axis 1a measured angle ⁇ of the diagonally pointing upwards on the inside of the tube, shorter edge 7 is 1.3 to 2 times the angle ⁇ on the Inside of the pipe towards the longer flank 6, which points obliquely downwards.
  • the ratio of the height H of the longer flank 6 to the height h of the shorter edge 7 between 2: 1 and 4: 1, preferably 3: 1.
  • the smaller angle ⁇ has the advantage that the tubes 1 move upwards flow flowing through at the bottom can nestle against the flanks 6.
  • the shorter flanks 7 in turn lead to turbulence formation in this area and cause that in the area of the flanks 7 no deposits on the Can fix the inside of the pipe.
  • Fig. 3 is the definition of a smooth pipe end 8 in the upper tube sheet 4 shown. A corresponding determination can also be made in the lower tube sheet be provided.
  • the tube sheet 4 is both on its top, as well as on its underside is provided with a plastic layer 9a, 9b. In the area each through hole to the bushings of the tube are the two Plastic layers 9a, 9b formed overlapping. On the top circumferential Edge of the through hole is a weld 10 for gas or liquid-tight connection of the pipe end 8 with the plastic layer 9a drawn.
  • FIG. 6 Another embodiment of the connection between tube 1 and tube plate 4 is shown in Fig. 6.
  • the through opening 11 is in this case in diameter slightly larger and offers space for a retaining ring 12, which is both with the upper plastic layer 9a, as well as with the lower plastic layer 9b is welded.
  • the retaining ring 21, which is also preferably made of Fluoroplastic, such as PFA or MFA, is marked on the inside with a circumferential structure 13 provided in the undulating tube outside intervenes positively.
  • the structure 13 of the retaining ring 12 also has a zigzag shape Wave valleys and wave crests corresponding to the corresponding one Contour of the tube 1.
  • this is on top of the tube sheet 4 arranged plastic layer enlarged to a plastic plate 14. This is provided with an inner edge 15 which fits into the structure of the External surface of the tube 1 engages.
  • Fig. 2 shows that the tube bundle with certain vertical intervals horizontally extending support members 17 is secured.
  • the support elements 17 are attached in a suitable manner in the chamber 2. Details of the Support elements 17 can be based on FIGS. Explain 4 and 5. After that there is each support element from a horizontally extending ledge to both Sides is provided with recesses 18 for the tubes.
  • the recesses have, since the tubes in the embodiment have a circular cross section also have the contour of a circular section. In this way each recess 18 encloses the outside of the tube 1 in question part of its scope.
  • each tube 1 is form-fitting in the vertical direction coupled with a total of two support elements 17 so that the tubes in the area of Do not make any horizontal or vertical movements can.
  • the plastic pipes described enable material savings in the small wall thickness and because of the better heat transfer value, which results, inter alia, from the increased turbulence of the gases on the flanks 7 of the plastic pipes. Furthermore, due to the undulation of the plastic pipes, their surface area increases considerably, depending on the ratio d a / d i . With the same performance, the heat exchanger can therefore be made smaller and more compact.
  • FIG. 9 shows a variant of the tube sheet 4.
  • This consists of individual segments 19 arranged parallel to one another in the same plane. It is similar to the support elements already explained above also in the segments 19 around horizontal strips that go to both sides Recesses 20 are provided for the tubes. Adjoining adjacent segments to each other, so that the recesses 20 in tubes with a circular Cross-section have the contour of a semicircle. Wraps this way each recess 20 the outside of the tube 1 in question on half of its scope.
  • the individual segments 19 are in suitably sealed to each other.
  • the segments 19 are braced with each other by long bolts 22, which all segments 19 horizontally penetrate.

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Wärmetauscher für den indirekten Wärmeaustausch zwischen Gasen, von denen zumindest eines auf die Wärmeaustauschflächen aggressiv wirkende Bestandteile, z. B. schwefelhaltige Säuren, enthält. Der Wärmetauscher besteht aus einer von dem einen Medium durchströmbaren Kammer (2), durch die von dem jeweils anderen Medium durchströmbaren Rohre (1) hindurchgeführt sind. Die Rohrenden (7) sind in mindestens einem die Medien voneinander trennenden Rohrboden (4) gas- bzw. flüssigkeitsdicht festgelegt. Um einen Wärmetauscher zu schaffen, der sich rohrseitig durch geringe Druckverluste und eine geringe Tendenz zur Verunreinigung auszeichnet, sind die Rohre (1) Kunststoffrohre mit im Längsschnitt ein Zick-Zack-Muster (5) bildenden Rohrwänden, wobei die Zick-Zack-Muster (5) auf der Rohrinnenseite und der Rohraußenseite zueinander korrespondierend verlaufen, und wobei die auf der Rohrinnenseite nach schräg unten weisenden Flanken (6) des Zick-Zack-Musters (5) einen geringeren Winkel (α) zur Rohrmittelachse aufweisen, als die nach schräg oben weisenden Flanken (7). <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für den indirekten Wärmeaustausch von zwei gasförmigen Medien, von denen zumindest eines auf die Wärmeaustauschflächen aggressiv wirkende Bestandteile, z. B. schwefelhaltige Säuren, enthält, mit einer von dem einen Medium durchströmbaren Kammer, durch die von dem jeweils anderen Medium durchströmbare Rohre hindurchgeführt sind, deren Rohrenden in mindestens einem die Medien voneinander trennenden Rohrboden gas- bzw. flüssigkeitsdicht festgelegt sind.
Derartige Wärmetauscher sind in vielfältigen Ausführungsformen bekannt. Die häufig aus Edelstahl oder einem anderen möglichst korrosionsresistenten Metall bestehenden Rohre sind an ihren Enden durch Rohrböden hindurchgeführt und mit den Rohrböden durch Löten oder Schweißen verbunden. Wenngleich Rohre aus z. B. Edelstahl nach konventionellen Maßstäben korrosionsbeständig sind, gilt dies jedenfalls nicht beim Einsatz als Wärmeübertrager zwischen solchen Gasen oder Flüssigkeiten, die besonders aggressiv wirkenden Bestandteile enthalten, wie z. B. schweflige Säure. Gerade im Bereich der Rauchgasentschwefelung und der Müllverbrennung sind jedoch Wärmeübertrager gefordert, die auch auf Dauer säurehaltigen Gasen widerstehen können, vor allem beim Unterschreiten des Säuretaupunktes.
Es hat sich herausgestellt, daß auf Dauer, abgesehen von Kunststoffen, allenfalls hochwertige Edelstähle als Werkstoff geeignet sind, aggressiv wirkenden Bestandteilen in Gasen oder Flüssigkeiten zu widerstehen. Solche Wärmetauscher sind z. B. aus der DE 37 22 520 A1 und der DE 25 54 646 A1 bekannt, Kunststoff ist allerdings ein prinzipiell schlechter Wärmeleiter und daher für den Einsatz in den Wärmeübertragungsflächen von Wärmetauschern vom Grundsatz her nicht sehr geeignet. Um überhaupt annehmbare Wärmeübergangszahlen bei Wärmetauscherrohren aus Kunststoff zu erzielen, muß die Rohrwanddicke sehr gering ausfallen. Solchen dünnwandigen Kunststoffrohren sind jedoch aus Gründen der Festigkeit und der Fertigungsmöglichkeiten Grenzen gesetzt. Wandstärken von Kunststoffrohren deutlich unter 1 mm lassen sich, wie Versuche gezeigt haben, nicht praxistauglich verwirklichen. Höhere Festigkeiten der Kunststoffrohre lassen sich durch Einsatz von welligen Rohren erzielen, wie dies bei den oben zitierten Druckschriften DE 37 22 520 A1 und DE 25 54 646 A1 der Fall ist. Nachteil solcher wellenförmigen Rohre ist jedoch deren großer Druckabfall auf der Rohrinnenseite sowie die Neigung zu Verschmutzungen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen aus Rohren zusammengesetzten und für agressive Medien geeigneten Wärmetauscher zu schaffen, der sich rohrseitig durch geringe Druckverluste und eine geringe Tendenz zur Verunreinigung auszeichnet.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Wärmetauscher der eingangs genannten Art vorgeschlagen, daß die Rohre Kunststoffrohre mit im Längsschnitt ein Zick-Zack-Muster bildenden Rohrwänden sind, wobei die Zick-Zack-Muster auf der Rohrinnenseite und der Rohraußenseite zueinander korrespondierend verlaufen, und daß die auf der Rohrinnenseite nach schräg unten weisenden Flanken des Zick-Zack-Musters einen geringeren Winkel zur Rohrmittelachse aufweisen, als die nach schräg oben weisenden Flanken.
Derartig gestaltete Kunststoffrohre zeichnen sich durch eine relativ hohe Festigkeit aus, wobei sie sich wegen des auf der Rohrinnenseite und der Rohraußenseite korrespondierend zueinander verlaufenden Zick-Zack-Musters bei ausreichender Festigkeit mit relativ geringen Wandstärken realisieren lassen. Zur Anwendung in einem Wärmetauscher im Rahmen der Rauchgasentschwefelung eines Kraftwerks können solche Kunststoffrohre mit einer Nennweite von bis zu 120 mm und einer Wandstärke von nur 0,4 mm eingesetzt werden. Infolge der Zick-Zack-förmigen Gestaltung der Rohrwände wird trotz der geringen Wandstärke eine ausreichende Festigkeit gegenüber den in dem Wärmetauscher herrschenden Strömungsrücken und gegebenenfalls Schwingungen erreicht.
Durch die Gestaltung der Flanken des Zick-Zack-Musters mit einander abwechselnden, unterschiedlich großen Flankensteigungen wird erreicht, daß beim Durchströmen der Rohre die Druckverluste nur gering ausfallen. Auch die Tendenz zur Verunreinigung ist gering, da Strömungsturbulenzen erzeugt werden, die ein unerwünschtes Absetzen von Ablagerungen auf der Rohrinnenseite verhindern.
Im Bezug auf die angestrebten geringen Druckverluste im Rohrinneren sowie eine geringe Tendenz zur Verunreinigung ist es von Vorteil, wenn der Winkel der auf der Rohrinnenseite nach schräg oben weisenden Flanken das 1,5 bis 2,5-fache des Winkels der auf der Rohrinnenseite nach schräg unten weisenden Flanken beträgt.
Das Zick-Zack-Muster kann ringförmig gestaltet sein, also mit über den Umfang des Rohres geschlossenen Flanken. Ebenfalls durchführbar ist eine schraubenartige Gestaltung der Rohrausprägungen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird vorgeschlagen, daß die Rohre aus einem schmelzschweißbaren Fluorkunststoff bestehen, vorzugsweise aus PFA (Perfluor-Alkoxyalkan) oder MFA (Trifluor-Metoxy-Perfluoro-Alcoxypolymer).
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird vorgeschlagen, daß sich die Rohre in vertikaler Längsrichtung der Kammer erstrecken, daß mit vertikalem Abstand zu dem Rohrboden horizontale Stützelemente in der Kammer befestigt sind, mit denen die Rohraußenseiten der Rohre formschlüssig verbunden sind, und daß die Stützelemente mit Ausnehmungen für jedes Rohr versehen sind, welche die Rohraußenseite des jeweiligen Rohres nur auf einem Teil von dessen Umfang in formschlüssiger Art und Weise umschließen. Auf diese Weise wird dem Umstand Rechnung getragen, daß Kunststoffrohre mit korrespondierenden, wellenartigen Strukturen auf der Innen- und Außenseite zwar eine hohe Festigkeit in radialer Richtung, d. h. gegen Druckeinwirkung aufweisen, sich jedoch in Längsrichtung eher flexibel verhalten. Um ein "Zusammensacken" der einzelnen Rohre bei vertikaler Anordnung zu vermeiden, werden daher in der Kammer des Wärmetauschers horizontale Stützelemente befestigt, mit denen die Rohraußenseiten der Rohre formschlüssig verbunden sind. Des weiteren wird mit der Ausgestaltung die Montage des Wärmetauschers und insbesondere die formschlüssige Einbindung der Rohre in die Stützelemente deutlich vereinfacht. Hierzu trägt ferner bei, wenn die Stützelemente Horizontalleisten sind, die zu beiden Seiten mit Ausnehmungen für Rohre versehen sind.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird vorgeschlagen, daß die Rohrenden formschlüssig in dem Rohrboden festgelegt sind, wobei der Formschluß durch die Zick-Zack-Gestalt der Rohre erreicht wird. Dies ermöglicht eine einfache und kostengünstige Verbindungstechnik, wobei in besonders bevorzugter Ausgestaltung in der das jeweilige Rohrende aufnehmenden Öffnung des Rohrbodens ein das Rohrende umschließender Haltering befestigt ist, und der Haltering an seinem Innenrand mit einer umlaufenden Struktur versehen ist, in die die Zick-Zack-Struktur der Rohraußenseite formschlüssig eingreift.
Ferner wird vorgeschlagen, daß der Rohrboden zumindest an seiner der Kammer zugewandten Seite kunststoffummantelt oder kunststoffbeschichtet ist. Vorzugsweise ist das Rohr mit der Kunststoffschicht kunststoffverschweißt.
Des weiteren wird vorgeschlagen, daß der Rohrboden in Segmente teilbar gestaltet ist, und daß die Segmente mit Ausnehmungen versehen sind, die die Rohraußenseite des jeweiligen Rohres auf der Hälfte von dessen Umfang formschlüßig umschließen. Dies ermöglicht eine besonders einfache Befestigung der Rohrenden in dem jeweiligen Rohrboden.
Weitere Einzelheiten und Vorteile werden nachfolgend anhand eines auf der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert. Auf der Zeichnung zeigen:
Fig. 1
eine Ansicht eines Wärmetauschers für schwefelhaltige Rauchgase einer Rauchgas-Entschwefelungsanlage;
Fig. 2
einen Schnitt durch den Wärmetauscher nach Fig. 1;
Fig. 3
in einer Detaildarstellung die Befestigung eines der Rohre des Wärmetauschers in einem Rohrboden;
Fig. 4
einen Teilschnitt durch mehrere der Rohre in einer gegenüber Fig. 3 anderen Horizontalebene, wobei die Rohre in Stützelementen gehalten sind;
Fig. 5
eine Draufsicht auf Rohre und Stützelemente der Fig. 4;
Fig. 6
eine im Vergleich zu Fig. 3 und Fig. 4 abgewandelte Befestigung der Rohrenden in einem Rohrboden;
Fig. 7
eine im Vergleich zu den vorangehenden Figuren nochmals abgewandelte Befestigung der Rohrenden in einem Rohrboden;
Fig. 8
eine im Vergleich zu den vorangehenden Figuren nochmals abgewandelte Befestigung der Rohrenden in einem Rohrboden und
Figur 9
eine Draufsicht auf den Rohrboden des Wärmetauschers.
Der in Fig. 1 in Ansicht und in Fig. 2 im Querschnitt dargestellte Wärmetauscher ist nach Art eines Rohrbündel-Wärmetauschers gestaltet mit einer von den einzelnen Rohren 1 durchsetzten Kammer 2 und Ein- und Auslässen für die beiden am Wärmeaustausch beteiligten Medien. Das erste Medium gelangt über den Einlaß m1e in den Wärmetauscher und verläßt diesen über den Auslaß m1a. Die Verteilung dieses ersten Mediums erfolgt über oben und unten angesetzte Hauben 3 und unter Durchströmung der einzelnen, vertikal angeordneten Rohre 1 des Wärmetauschers. Das zweite am Wärmeaustausch beteiligte Medium gelangt über den Einlaß m2e in den Wärmetauscher, durchströmt unter Umlenkung zweimal den Innenraum der Kammer 2 und verläßt den Wärmetauscher wieder über den Auslaß m2a. Die Führung des zweiten Mediums erfolgt, wie die Strömungspfeile erkennen lassen, im Kreuz-Gegenstrom, jedoch ist ebenso eine Kreuzstrom- oder eine Gegenstromführung möglich.
Die Befestigung der Rohre 1 im Bereich des oben angeordneten Einlasses m1e sowie des unten angeordneten Auslasses m1a erfolgt an dortigen, horizontal sich erstreckenden Rohrböden 4, die daher, ebenso wie die Rohre 1, die beiden beteiligten Medien voneinander trennen.
In Fig. 3 ist die Befestigung eines der Rohre 1 in dem in diesem Fall oberen Rohrboden 4 dargestellt. Bei dem Rohr 1 handelt es sich um ein Kunststoffrohr aus einem schmelzschweißbaren Fluorkunststoff, z.B. aus PFA (Perfluor-Alkoxyalkan) oder MFA (Trifluor-Metoxy-Perfluoro-Alcoxypolymer). Das Kunststoffrohr ist nach Art eines Wellrohres geformt, wobei die zick-zack-förmig gestalteten Wellen 5, wie Fig. 3 in Gestalt eines zeichnerischen Ausbruchs erkennen läßt, auf der Rohrinnenseite und der Rohraußenseite zueinander korrespondierend mit gleichbleibender Wanddicke d verlaufen. Diese Wanddicke d beträgt zwischen 0,25 und 0,75 mm, z.B. ca. 0,4 mm bei einem Rohr mit Nenndurchmesser bis zu 120 mm. Das Verhältnis zwischen maximalem Rohraußendurchmesser da und minimalem Rohrinnendurchmesser di beträgt zwischen 1,2 : 1 und 1,5 : 1.
Die zick-zack-förmig gestalteten Wellen 5 setzen sich jeweils aus einer längeren Flanke 6 sowie einer kürzeren Flanke 7 zusammen, die zueinander in einem Winkel stehen, der ca. 90° beträgt. Der in Bezug auf die Rohrmittelachse 1a gemessene Winkel β der auf der Rohrinnenseite schräg nach oben weisenden, kürzeren Flanke 7 beträgt das 1,3 bis 2-fache des Winkels α der auf der Rohrinnenseite nach schräg unten weisenden längeren Flanke 6. Insbesondere beträgt das Verhältnis der Höhe H der längeren Flanke 6 zu der Höhe h der kürzeren Flanke 7 zwischen 2 : 1 und 4 : 1, vorzugsweise 3 : 1.
Der geringere Winkel α hat den Vorteil, daß sich die die Rohre 1 von oben nach unten durchlaufende Strömung gut an die Flanken 6 anschmiegen kann. Die kürzeren Flanken 7 wiederum führen zu einer Turbulenzbildung in diesem Bereich und bewirken, daß sich im Bereich der Flanken 7 keine Ablagerungen an der Rohrinnenseite festsetzen können.
In Fig. 3 ist die Festlegung eines glattflächigen Rohrendes 8 im oberen Rohrboden 4 dargestellt. Eine entsprechende Festlegung kann auch im unteren Rohrboden vorgesehen sein. Der Rohrboden 4 ist sowohl auf seiner Oberseite, wie auch auf seiner Unterseite jeweils mit einer Kunststoffschicht 9a, 9b versehen. Im Bereich jeder Durchgangsbohrung zu den Durchführungen des Rohres sind die beiden Kunststoffschichten 9a, 9b überlappend ausgebildet. An der oberen umlaufenden Kante der Durchgangsbohrung ist eine Schweißnaht 10 zur gas- bzw. flüssigkeitsdichten Verbindung des Rohrendes 8 mit der Kunststoffschicht 9a gezogen.
Eine andere Ausführungsform der Verbindung zwischen Rohr 1 und Rohrboden 4 ist in Fig. 6 dargestellt. Die Durchgangsöffnung 11 ist hierbei im Durchmesser etwas größer gestaltet und bietet Platz für einen Haltering 12, welcher sowohl mit der oberen Kunststoffschicht 9a, wie auch mit der unteren Kunststoffschicht 9b verschweißt ist. Der Haltering 21, der vorzugsweise ebenfalls aus Fluorkunststoffen wie PFA oder MFA besteht, ist an seinem Innenrand mit einer umlaufenden Struktur 13 versehen, in die die wellenförmige Rohraußenseite formschlüssig eingreift. Hierzu weist auch die Struktur 13 des Halterings 12 zick-zack-förmige Wellentäler und Wellenberge entsprechend der korrespondierenden Kontur des Rohres 1 auf.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 7 ist die oben auf dem Rohrboden 4 angeordnete Kunststoffschicht zu einer Kunststoffplatte 14 vergrößert. Diese ist mit einem Innenrand 15 versehen, der formschlüssig in die Struktur der Außenfläche des Rohrs 1 eingreift.
Fig. 2 läßt erkennen, daß das Rohrbündel in bestimmten vertikalen Abständen mit sich horizontal erstreckenden Stützelementen 17 gesichert ist. Die Stützelemente 17 sind in geeigneter Weise in der Kammer 2 befestigt. Einzelheiten der Stützelemente 17 lassen sich anhand der Fign. 4 und 5 erläutern. Danach besteht jedes Stützelement aus einer sich horizontal erstreckenden Leiste, die zu beiden Seiten hin mit Ausnehmungen 18 für die Rohre versehen ist. Die Ausnehmungen haben, da die Rohre beim Ausführungsbeispiel einen kreisrunden Querschnitt aufweisen, ebenfalls die Kontur eines Kreisabschnittes. Auf diese Weise umschließt jede Ausnehmung 18 die Außenseite des betreffenden Rohres 1 auf einem Teil von dessen Umfang.
Insbesondere Fig. 4 läßt erkennen, daß die leistenförmigen Stützelemente 17 im Bereich der Ausnehmungen 18 eine Querschnittskontur aufweisen, die wiederum der aus Wellentälern und Wellenbergen bestehenden Außenkontur der Rohre 1 entspricht. Auf diese Weise ist jedes Rohr 1 in vertikaler Richtung formschlüssig mit insgesamt zwei Stützelementen 17 gekoppelt, so daß die Rohre im Bereich der Stützelemente weder Horizontalbewegungen noch Vertikalbewegungen ausführen können.
Die beschriebenen Kunststoffrohre ermöglichen im Vergleich zu herkömmlichen, glatten Rohren eine Materialersparnis in der geringen Wandstärke und wegen des besseren Wärmeübergangswertes, welcher u. a. aus den verstärkten Verwirbelungen der Gase an den Flanken 7 der Kunststoffrohre resultiert. Desweiteren erhöht sich infolge der Welligkeit der Kunststoffrohre deren Oberfläche erheblich, abhängig vom Verhältnis da/di. Bei gleicher Leistung kann daher der Wärmetauscher kleiner und kompakter gestaltet werden.
Desweiteren treten weniger Probleme bei der Wärmeausdehnung auf, als bei einem herkömmlichen, mit Glattrohren versehenen Wärmetauscher. Grundsätzlich kommt es wegen der stark unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten des aus Stahl bestehenden Gehäuses der Kammer einerseits und der Kunststoffrohre andererseits zu starken Spannungen zwischen den Rohren und dem Gehäuse. Diese Spannung können z. B. über eine schwimmende Lagerung der Rohrböden kompensiert werden, jedoch ist diese Lösung aufwendig, führt zu erheblichen Herstellungskosten und bereitet überdies Dichtungsprobleme. Bei Verwendung eines zick-zack-förmig gestalteten Kunststoffrohres treten diese Probleme nicht auf, da sich das Rohr aufgrund seiner Formgebung den Ausdehnungen des Stahlgehäuses der Kammer anpassen kann.
In der Figur 9 ist eine Variante des Rohrbodens 4 dargestellt. Dieser besteht aus einzelnen, parallel zueinander in derselben Ebene angeordneten Segmenten 19. Ähnlich wie die voranstehend bereits erläuterten Stützelemente handelt es sich auch bei den Segmenten 19 um horizontale Leisten, die zu beiden Seiten hin mit Ausnehmungen 20 für die Rohre versehen sind. Benachbarte Segmente stoßen aneinander, so daß die Ausnehmungen 20 bei Rohren mit kreisrundem Querschnitt die Kontur eines Halbkreises aufweisen. Auf diese Weise umschließt jede Ausnehmung 20 die Außenseite des betreffenden Rohres 1 auf der Hälfte von dessen Umfang. An den Stoßkanten 21 sind die einzelnen Segmente 19 in geeigneter Weise zueinander abgedichtet. Verspannt werden die Segmente 19 miteinander durch lange Bolzen 22, die sämtliche Segmente 19 horizontal durchdringen.
Bezugszeichenliste
1
Rohr
1a
Rohrmittelachse
2
Kammer
3
Haube
4
Rohrboden
5
Welle
6
längere Flanke
7
kürzere Flanke
8
Rohrende
9a
Kunststoffschicht
9b
Kunststoffschicht
10
Schweißnaht
11
Durchgangsöffnung
12
Haltering
13
Struktur
14
Kunststoffplatte
15
Sicherungsring
17
Stützelement
18
Ausnehmung
19
Segment
20
Ausnehmung
21
Stoßkante
22
Bolzen
d
Wanddicke des Rohres
da
Rohraußendurchmesser
di
Rohrinnendurchmesser
H
Höhe
h
Höhe
m1e
Einlaß
m1a
Auslaß
m2e
Einlaß
m2a
Auslaß

Claims (13)

  1. Wärmetauscher für den indirekten Wärmeaustausch von zwei gasförmigen Medien, von denen zumindest eines auf die Wärmeaustauschflächen aggressiv wirkende Bestandteile, z. B. schwefelhaltige Säuren, enthält, mit einer von dem einen Medium durchströmbaren Kammer (2), durch die von dem jeweils anderen Medium durchströmbare Rohre (1) hindurchgeführt sind, deren Rohrenden (7) in mindestens einem die Medien voneinander trennenden Rohrboden (4) gas- bzw. flüssigkeitsdicht festgelegt sind,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (1) Kunststoffrohre mit im Längsschnitt ein Zick-Zack-Muster bildenden Rohrwänden sind, wobei die Zick-Zack-Muster (5) auf der Rohrinnenseite und der Rohraußenseite zueinander korrespondierend verlaufen, und daß die auf der Rohrinnenseite nach schräg unten weisenden Flanken (6) des Zick-Zack-Musters einen geringeren Winkel (α) zur Rohrmittelachse (1a) aufweisen, als die nach schräg oben weisenden Flanken (7).
  2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (β) der auf der Rohrinnenseite nach schräg oben weisenden Flanken (7) das 1,3 bis 2-fache des Winkels (α) der auf der Rohrinnenseite nach schräg unten weisenden Flanken (6) beträgt.
  3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Zick-Zack-Muster (5) spiralförmig bzw. schraubenförmig über den Umfang des Rohres (1) erstreckt.
  4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre aus einem schmelzschweißbaren Fluorkunststoff bestehen, vorzugsweise aus PFA (Perfluor-Alkoxyalkan) oder MFA (Trifluor-Metoxy-Perfluoro-Alcoxypolymer).
  5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (d) der Rohrwände 0,25 bis 0,75 mm beträgt, vorzugsweise 0,4 mm.
  6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Rohre (1) in vertikaler Längsrichtung der Kammer (2) erstrecken, daß mit vertikalem Abstand zu dem Rohrboden (4) horizontale Stützelemente (17) in der Kammer (2) befestigt sind, mit denen die Rohraußenseiten der Rohre (1) formschlüssig verbunden sind, und daß die Stützelemente (17) mit Ausnehmungen (18) für jedes Rohr (1) versehen sind, welche die Rohraußenseite des jeweiligen Rohres (1) nur auf einem Teil von dessen Umfang formschlüssig umschließen.
  7. Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützelemente (17) Horizontalleisten sind, die zu beiden Seiten mit Ausnehmungen (18) für Rohre (1) versehen sind.
  8. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrenden (7) formschlüssig in dem Rohrboden (4) festgelegt sind, wobei der Formschluß durch die Zick-Zack-Gestalt der Rohre (1) erreicht wird.
  9. Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der das jeweilige Rohrende (7) aufnehmenden Öffnung (11) des Rohrbodens (4) ein das Rohrende (7) umschließender Haltering (12) befestigt ist, und daß der Haltering (12) an seinem Innenrand mit einer umlaufenden Struktur (13) versehen ist, in die die zick-zack-förmige Rohraußenseite formschlüssig eingreift.
  10. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrboden (4) zumindest an seiner der Kammer (2) zugewandten Seite mit einer Kunststoffschicht (9b, 9a) versehen ist.
  11. Wärmetauscher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (1) mit der Kunststoffschicht (9b, 9a) kunststoffverschweißt ist.
  12. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrboden (4) in Segmente (19) teilbar gestaltet ist, und daß die Segmente (19) mit Ausnehmungen (20) versehen sind, die die Rohraußenseite des jeweiligen Rohres (1) auf der Hälfte von dessen Umfang formschlüssig umschließen.
  13. Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen maximalem Rohraußendurchmesser (da) und minimalem Rohrinnendurchmesser (di) zwischen 1,2 : 1 und 1,5 : 1 beträgt.
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