EP1646836A1 - Rohrbündelwärmetauscher - Google Patents

Rohrbündelwärmetauscher

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EP1646836A1
EP1646836A1 EP04738868A EP04738868A EP1646836A1 EP 1646836 A1 EP1646836 A1 EP 1646836A1 EP 04738868 A EP04738868 A EP 04738868A EP 04738868 A EP04738868 A EP 04738868A EP 1646836 A1 EP1646836 A1 EP 1646836A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
channel
tubes
heat exchanger
rings
tube bundle
Prior art date
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Granted
Application number
EP04738868A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1646836B1 (de
Inventor
Jiri Jekerle
Klaus Dieter Rothenpieler
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General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Power Energy Recovery GmbH
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Publication date
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Application filed by Alstom Power Energy Recovery GmbH filed Critical Alstom Power Energy Recovery GmbH
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Application granted granted Critical
Publication of EP1646836B1 publication Critical patent/EP1646836B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/22—Arrangements for directing heat-exchange media into successive compartments, e.g. arrangements of guide plates
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/06—Heat-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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/007—Auxiliary supports for elements
    • F28F9/013—Auxiliary supports for elements for tubes or tube-assemblies
    • F28F9/0131—Auxiliary supports for elements for tubes or tube-assemblies formed by plates

Definitions

  • the invention relates to a tube bundle heat exchanger with at least one channel carrying a heating or cooling medium, in particular a heating gas channel, the tubes of the tube bundles running essentially axially parallel to the longitudinal axis of the channel through the channel and the heating or cooling medium through on the respective jacket walls of the channel, alternately arranged and fastened rings and disks, viewed in the axial direction of the channel, are guided in zigzag fashion through the channel, which has an essentially annular cross section.
  • a heating or cooling medium in particular a heating gas channel
  • tube bundle heat exchangers are required, which are flowed with different gaseous and / or liquid media on the tube and shell side (channel side).
  • baffles rings and washers
  • baffles are installed at certain intervals, with the help of which baffles directed between the tube bundle tubes or heating surface tubes are used between the baffle plates Flow of the heating or cooling medium is generated.
  • This flow component can act on the heating surface tubes with pulsating forces, so that they are excited to vibrate and in the worst case are mechanically stressed by constant vibration, especially in the resonance area of the tubes.
  • the natural frequency of the pipes is mainly determined by the pipe diameter, the wall thickness of the pipes and the distance between the support points (pipe plates, baffle plates that support a pipe).
  • the excitation frequency of the medium depends on the cross component of the speed of the medium and the pipe pitch.
  • a match of the natural frequency of the pipes with the excitation vibration frequency leads to a vibration resonance with uncontrolled large vibration amplitudes and consequently to a high mechanical load on the pipes and the risk of cracks or other mechanical damage.
  • the danger of a resonance vibration is generally excluded with the help of a vibration analysis, which is to be carried out, for example, according to the TEMA standard (Tubular Exchanger Manufacturers Association - Norm) or another recognized method.
  • the above-mentioned object is achieved by the characterizing features of patent claim 1.
  • the solution provides that in at least one channel the rings and disks each receive and position all the tubes of a channel by means of cylindrical recesses or bores, and the perimeter contour of the rings and the disks on the medium throughflow side in each case the centers of the outermost or innermost Follow tube bundle tubes, whereby the perimeter contour encompasses all of the outermost or innermost tubes.
  • All tube bundle tubes are securely supported and positioned within the channel, all tubes are supported in such a way that the frequency of the first harmonic oscillation of the tubes is definitely above the excitation frequency of the tubes due to the medium flow and consequently there is no vibration resonance at the tube bundle tubes, Despite the smaller support spacing of the individual pipes, the medium pressure loss is increased only insignificantly, if at all.
  • the width of the leg remains at least partially constant as a distance between the outer wall of the tube and the perimeter contour. This means that the same distance prevails between the center point or the outer wall of the outermost or innermost tubes to the perimeter contour, which simplifies the design side and the manufacturing side.
  • the width of the leg is between 3 and 10 millimeters. This configuration ensures that not only inner or central tubes of the tube bundle are securely received and positioned, but also the outermost or innermost tubes of the respective channel. In a particularly advantageous embodiment, the width of the leg is less than 3 millimeters. With this configuration, a maximum of free Flow cross section of the heating or cooling medium can be achieved on the flow side of the rings or disks.
  • the rings and disks formed with a perimeter contour are advantageously arranged in the outer channel or in the outer channels.
  • the tubes of the respective tube bundle can be designed as U-tubes or as straight tubes.
  • heat exchangers according to the invention can be equipped with differently configured tube bundles and can thus be used for a wide variety of applications.
  • the tubes are arranged on the cross-sectional side within the channel in a triangular or quadrangular or other geometric division or structure.
  • the triangular division or structure is particularly advantageous at high pressures in the heat exchanger, since a tube plate which is stiffened to a significantly higher degree can be achieved in this way.
  • Square or other geometric structures or pipe divisions are advantageous for medium and low pressures.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a tube bundle heat exchanger according to a prior art
  • FIG. 3 shows a partial cross section according to section A-A in FIG. 2,
  • FIG. 4 shows a partial cross section according to section B-B in FIG. 2,
  • FIG. 5 shows an enlarged detail view C according to FIG. 3,
  • FIG. 6 shows an enlarged detail view D according to FIG. 3,
  • tube bundle tubes are laid within the channel with a different (quadrangular) geometric structure
  • 8 like FIG. 3 but tube bundle tubes are laid within the channel with a different (triangular) geometric structure
  • FIG. 9 is an enlarged detail view E according to FIG. 8.
  • a tube bundle heat exchanger 1 according to a prior art can be seen from FIG. 1.
  • Such tube bundle heat exchangers are required for a wide variety of chemical and petrochemical processes.
  • a heating or cooling medium 20, in most cases a heating gas, is fed through an inlet duct 18 to one or more ducts or gas ducts 4, 5 in which the heat or cold is directed to pipes or heating surface pipes 3 running therein
  • Larger number of tube bundles 2 is released, which heats or cools a liquid or gaseous medium to be heated or cooled, for example water and / or steam.
  • the structure of the tube bundle heat exchanger 1 according to FIG. 1 provides that the first gas duct or gas duct 4, the second gas duct or gas duct 5 and then the outlet duct 19 are connected concentrically to one another around the centrally arranged inlet duct 18.
  • the channels 4, 5, 1 8, 1 9 have a common longitudinal axis 6, which corresponds to the longitudinal axis of the tube bundle heat exchanger 1.
  • the cross section of the inlet channel 18 is preferably essentially round and that of the gas channels 4 and 5 and of the outlet channel 19 is essentially circular.
  • the heating or cooling medium flow 20 flowing in at one end of the tube bundle heat exchanger 1 through the inlet channel 18 is deflected at the other end by the tube or end plate 17 receiving the tube bundle 2 by 180 ° and fed to the first gas channel or gas train 4. After flowing through the first gas channel 4, a further 180 ° deflection and supply of the heating or Cooling medium flow 20 in the second G ⁇ sk ⁇ n ⁇ l 5. Finally, the heating or cooling medium flow 20 after flow through the second gas channel 5 through the tube plate 17 7 is deflected again by 180 ° and discharged through the outlet channel 19 from the heat exchanger 1.
  • heating or cooling medium 20 In order to increase the efficiency of the heat or cold transfer between heating or cooling medium 20 and the medium circulating in the tubes 3 and to be heated or cooled within the gas channels 4, 5 and to support the tubes 3 of the tube bundle 2, support or position the pipes 3 at certain intervals by means of deflection plates. It is thereby achieved that the heating or cooling medium flow 20 does not flow parallel to the tubes 3 through the gas duct 4, 5, but rather flows across the tubes 3 transversely or essentially transversely and thus a significantly better heat transfer is achieved.
  • the baffle plates are designed in such a way that on the two jacket walls 7, 8 (inner 7 and outer 8 gas channel boundary) of the gas channel 4, 5 rings 9 or disks 10 are arranged alternately, so that a zigzag-shaped flow of heating or cooling medium flows through of the gas channel 4, 5 is formed.
  • the outer tubes 3 of the tube bundle tubes running in the gas channel 4, 5 are supported and positioned by the rings 9 fastened to the jacket wall 8 and the inner tubes 3 of the tube bundle tubes extending in the gas channel 4, 5 by the disks 10 attached to the jacket wall 7.
  • the tubes 3 are supported by the rings 9 or disks 10 in the axial direction each with a support distance S (distance between two rings 9 or between two disks 10), the support of the disks 10, viewed axially, in the middle between the support of the Rings 9 lies.
  • the tube bundle heat exchanger 1 has at least one gas channel 4, 5 rings 9 and disks 10, each of which has all the tubes 3 of the tube bundle tubes of this gas channel 4, 5 by means of a cylindrical tube Pick up or position recess or hole 1 1. Furthermore, according to the invention, the perimeter contour 12 of the rings 9 and the disks 10 on the medium Flow-through side 13 each follow the center points 14, 15 of the outermost or innermost tube bundle tubes 3, the perimeter contour 12 comprising a leg 16 enveloping all outermost and innermost tubes 3.
  • the medium throughflow side 13 of the rings 9 or the disks 10 is the side 13 of the rings 9 or disks 10 which is passed by the medium stream 20 and thus the free passage or passage of the heating or cooling medium stream 20 forms between ring 9 and inner jacket wall 7 or disk 10 and outer jacket wall 8, see FIGS. 3 to 9.
  • the perimeter contour 12 of the rings 9 or disks 10 on the flow-through side 13 is not circular, but instead follows the centers 14, 15 of the outermost or innermost tube bundle tubes 3, as described above, i.e. the perimeter contour 12 of the rings 9 the center points 15 of the innermost and the perimeter contour 12 of the disks 10 the center points 14 of the outermost tube bundle tubes 3, the perimeter contour 12 also including ring or disc material or a leg 16 so that each individual tube bundle tube 3 is fringed or surrounded by this leg 1 6 (see FIGS. 3 to 9), so that the innermost or outermost tubes 3 are also laterally securely supported.
  • the flow cross section on the flow-through side 13 of the baffle plates i.e.
  • the width B of the material protrusion or leg 16 between the outer wall of the outermost or innermost tube 3 and the perimeter contour 12 remains at least partially preferably constant.
  • Another preferred embodiment provides a width B of the leg 16 of three to ten millimeters, a particularly preferred embodiment provides a width B of the leg 16 of less than three millimeters.
  • FIGS. 7 to 9 show a further advantageous embodiment of the invention, which consists in the perimeter contour 12 running at least partially parallel to an imaginary connecting line between two or more outer or inner tube centers 14, 15.
  • the width B of the leg 16 is defined as the vertical distance between the perimeter contour 12 and the outer wall of the tube 3.
  • the rings 9 and disks 10 according to the invention can be simplified and inexpensively manufactured on the production side and, on the other hand, the free passage cross section of the heater can be produced - or cooling medium 20 can be maximized on the flow side 13 of the rings 9 or discs 10.
  • the bores or cylindrical recesses 1 1, with which the rings 9 and the disks 10 are formed for receiving all the tubes 3 of a gas channel 4, 5, are arranged in such a way that each individual tube bundle tube 3 is axially parallel to the longitudinal axis of the channel or tube bundle heat exchanger ⁇ are aligned and guided in the respective bores 1 1 of the rings 9 and disks 10.
  • the tubes 3 are not firmly connected to one another with the rings 9 or disks 10 and can expand axially freely in the bores 11 when heated in the operating state.
  • the rings 9 and disks 10 each receive all tube bundle tubes 3 of a channel or gas channel 4, 5, the former span S of each tube 3 between two rings 9 or between two disks 10 is halved to half the span S / 2.
  • this is advantageous for the lateral support of the tube bundle tubes 3, since each individual tube 3 is supported twice as often as in known designs.
  • the design of the invention advantageous in terms of preventing resonant vibrations of the tubes 3 and, consequently, the prevention of 1 to high mechanical stresses of these pipes 3 which are caused by the resonant vibrations.
  • a vibration resonance is formed on the tubes 3 when the natural frequency of the tubes corresponds to the excitation vibration frequency of the medium or the heating or cooling medium flow 20, the excitation vibration frequency of the medium being dependent on the cross component of the flow velocity of the medium and the tube pitch while the natural frequency of the tubes 3 is mainly determined by the tube diameter, the wall thickness of the tubes 3 and the distance between the support points (tube plate 17, rings 9 and washers 10).
  • the arrangement according to the invention allows the vibration resonance within the tube bundle heat exchanger 1 to be prevented in a simple manner and the tubes 3 to be securely supported without the distances between the deflection plates, i.e. to reduce the rings 9 and disks 10 with each other and thus to generate higher pressure losses on the channel or heating or cooling medium side 20.
  • the halved support spacing may make it possible, without losing the advantageous effect, to increase the dimension of the support spacing or to reduce the wall thickness of the tubes 3.
  • FIGS. 2 to 4 show a tube bundle heat exchanger 1 according to the invention, which is designed with two channels or gas channels 4, 5 arranged concentrically to one another in a preferred embodiment.
  • the rings 9 and disks 10 formed with the perimeter contour 12 and receiving all the tubes 3 are advantageously arranged in the outer channel 5 or the outer gas channels. This measure prevents a high medium pressure loss within the heat exchanger 1, since the medium flow 20 in the inner channel 4, in which the gas is still at a very high temperature and consequently has a large volume or a high passage speed, allows a free passage, ie one larger flow area, finds. While FIGS.
  • FIGS. 7 to 9 show a tube bundle heat exchanger 1 according to the invention with straight lines Tubes 3 formed tube bundle 2.
  • the straight tubes 3 can be arranged on the cross-sectional side within the channel 4, 5 in a triangular or quadrangular or other geometric structure or tube division.
  • a triangular pipe division as shown in FIGS. 8 and 9, is suitable for shell-and-tube heat exchangers 1 with high to very high pressures, while square-shaped pipe divisions according to FIG. 7 or another geometric pipe division is suitable for medium and low pressures.
  • tube bundle heat exchangers 1 with tube bundles 2 formed from straight tubes 3 it may be advantageous to design rings 9 and / or disks 10 in the shape of a crescent moon (not shown). This leads to a stronger cross-flow of the tubes 3 by the heating or cooling medium flow 20 and thus also to a higher heat transfer.
  • the tube bundle heat exchanger 1 according to the invention is not limited to the application examples listed in the aforementioned figures.

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Abstract

Rohrbündelwärmetauscher mit wenigstens einem, ein Heiz- oder Kühlmedium, insbesondere ein Heizgas führenden Kanal (4, 5), wobei die Rohre (3) der Rohrbündel (2) im wesentlichen achsparallel zur Kanal-Längsachse (6) durch den Kanal (4, 5) verlaufen und das Heiz- oder Kühlmedium durch an den jeweiligen Mantelwänden (7, 8) des Kanals (4, 5) abwechselnd angeordnete und befestigte Ringe (9) und Scheiben (10) in axialer Richtung des Kanals (4, 5) gesehen zickzackförmig durch den im wesentlichen einen kreisringförmigen Querschnitt aufweisenden Kanal (4, 5) geleitet wird, wobei in wenigstens einem Kanal (4, 5) die Ringe (9) und Scheiben (10) jeweils sämtliche Rohre (3) eines Kanals (4, 5) mittels zylindrischer Ausnehmungen (11) aufnehmen und positionieren und die Perimeterkontur (12) der Ringe (9) und der Scheiben (10) an der Medium-Durchströmungsseite (13) jeweils den Mittelpunkten (14, 15) der äußersten bzw. innersten Rohrbündelrohre (3) folgen, wobei die Perimeterkontur (12) einen sämtliche äußersten bzw. innersten Rohre (3) umhüllenden Schenkel (16) umfasst.

Description

Beschreibung
Rohrbϋndelwärmetαuscher
Die Erfindung bezieht sich auf einen Rohrbündelwärmetauscher mit wenigstens einem, ein Heiz- oder Kühlmedium, insbesondere ein Heizgas führenden Kanal, wobei die Rohre der Rohrbündel im wesentlichen achsparallel zur Kanal-Längsachse durch den Kanal verlaufen und das Heiz- oder Kühlmedium durch an den jeweiligen Mantelwänden des Kanals abwechselnd angeordnete und befestigte Ringe und Scheiben in axialer Richtung des Kanals gesehen zickzackformig durch den im wesentlichen einen kreisringförmigen Querschnitt aufweisenden Kanal geleitet wird.
Für zahlreiche chemische und petrochemische Prozesse werden Rohrbündelwärmetauscher benötigt, die auf der Rohr- und Mantelseite (Kanalseite) mit unterschiedlichen gasförmigen und/oder flüssigen Medien beströmt werden. Dabei werden auf der Kanalseite zur Erhöhung des Wärmeübergangkoeffizienten des Wärmetauschers und zur Abstützung der Rohrbündel-Rohre innerhalb des Kanals in bestimmten Abständen Umlenkbleche (Ringe und Scheiben) eingebaut, mit deren Hilfe jeweils zwischen den Umlenkblechen eine quer zu den Rohrbündel-Rohren bzw. Heizflächenrohren gerichtete Strömung des Heiz- oder Kühlmediums erzeugt wird. Diese Strömungskomponente kann an die Heizflächenrohre mit pulsierenden Kräften wirken, so dass diese zur Schwingung angeregt werden und im schlimmsten Fall durch ständiges Schwingen, insbesondere im Resonanzbereich der Rohre, mechanisch belastet werden.
Die Eigenfrequenz der Rohre ist hauptsächlich vom Rohrdurchmesser, der Wanddicke der Rohre und dem Abstand der Stützpunkte (Rohrplatten, Umlenkbleche die ein Rohr anstützen) bestimmt. Die Erregungsschwingungsfrequenz des Mediums (Heiz- oder Kühlmedium) ist von der Querkomponente der Geschwindigkeit des Mediums und der Rohrteilung abhängig. Eine Übereinstimmung der Eigenfrequenz der Rohre mit der Erregungsschwingungsfrequenz führt zu einer Schwingungsresonanz mit unkontrolliert großen Schwingungsamplituden und in Folge dessen zu einer hohen mechanischen Belastung der Rohre und der Gefahr von Rissen oder anderer mechanischer Schäden. In der technischen Praxis wird die Gefahr einer Resonanzschwingung in der Regel mit Hilfe einer Schwingungsanalyse, die beispielsweise nach der TEMA Norm (Tubular Exchanger Manufacturers Association - Norm) oder einem anderen anerkannten Verfahren durchgeführt werden soll, ausgeschlossen. Um die Resonanzschwingung auszuschließen, ist es oft notwendig, die Eigenschwingung der Rohre durch sehr kurze Abstände der Stützpunkte zu versteifen. Da die Randrohre, d.h. die jeweiligen im Bereich des äußeren bzw. des inneren Mantelbereiches liegenden Rohre, durch jedes zweite Umlenkblech und somit kanalseitig die Außenrohre eines Rohrbündels durch die Ringbleche bzw. Ringe und die inneren Rohre des Rohrbündels durch die Scheiben gehalten werden, werden bzw. würden die Umlenkblechabstände zueinander sehr klein, was zu einem hohen Druckverlust auf der Mantelseite führt bzw. führen würde.
Aus der Druckschrift „Process Gas Waste Heat Recovery Systems for ammonia, methanol, hydrogen and coal gasification plants", Deutsche Babcock, Babcock-Borsig, Seite 14, ist ein Rohrbündelwärmetauscher mit zwei Gaskanälen und Umlenkblechen bekannt geworden, bei dem kanalseitig die Außenrohre der Rohrbündel durch Ringbleche und die Innenrohre der Rohrbündel durch Scheiben gehalten werden.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Rohrbündelwärmetauscher zu schaffen, der die vorgenannten Nachteile vermeidet bzw. die jeweiligen Rohre der Rohrbündel innerhalb des Kanals bzw. der Kanäle sicher abzustützen und Schwingungsresonanzen an den Rohrbündelrohren, die zu mechanischen Schäden führen können, zu verhindern.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Die Lösung sieht dabei vor, dass in wenigstens einem Kanal die Ringe und Scheiben jeweils sämtliche Rohre eines Kanals mittels zylindrischer Ausnehmungen bzw. Bohrungen aufnehmen und positionieren und die Perimeterkontur der Ringe und der Scheiben an der Medium-Durchströmungsseite jeweils den Mittelpunkten der äußersten bzw. innersten Rohrbündelrohre folgen, wobei die Perimeterkontur einen sämtliche äußersten bzw. innersten Rohre umhüllenden Schenkel umfasst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird ein Rohrbündelwärmetauscher geschaffen, der die nachfolgenden Vorteile aufweist:
- Sämtliche Rohrbündelrohre sind innerhalb des Kanals sicher abgestützt und positioniert, sämtliche Rohre sind derart abgestützt, dass die Frequenz der ersten harmonischen Schwingung der Rohre auf jeden Fall oberhalb der Erregungsfrequenz der Rohre infolge der Mediumströmung liegt und infolgedessen auch keine Schwingungsresonanz an den Rohrbündelrohren auftritt, - trotz kleinerer Stützabstände der einzelnen Rohre wird der Medium- Druckverlust, wenn überhaupt, nur unwesentlich erhöht.
In vorteilhafter Weise bleibt die Breite des Schenkels als Abstand zwischen der Außenwand des Rohres und der Perimeterkontur zumindest partiell konstant. Dies bedeutet, dass bei den besagten Bereichen zwischen dem Mittelpunkt bzw. der Außenwand der äußersten bzw. innersten Rohre zur Perimeterkontur der gleiche Abstand vorherrscht, was von konstruktiver Seite und der Herstellungsseite eine Vereinfachung darstellt.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung liegt die Breite des Schenkels zwischen 3 und 10 Millimeter. Durch diese Ausgestaltung wird erreicht, dass nicht nur innere bzw. zentrale Rohre der Rohrbündel sicher aufgenommen und positioniert werden, sondern auch die äußersten bzw. innersten Rohre des jeweiligen Kanals. In besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist die Breite des Schenkels kleiner als 3 Millimeter ausgebildet. Mit dieser Ausgestaltung kann ein Maximum an freiem Durchtrittsquerschnitt des Heiz- oder Kühlmediums an der Durchstromungsseite der Ringe bzw. Scheiben erzielt werden.
Durch eine zumindest teilweise wellenförmig der Außenkontur der äußersten bzw. innersten Rohre folgenden Perimeterkontur kann eine hinsichtlich Fertigung, verbleibender Durchströmungsquerschnitt usw. vorteilhafte Ausgestaltung der Ringe bzw. Scheiben erzielt werden. Vorteilhaft bzw. zusätzlich vorteilhaft kann es sein, dass die Perimeferkontur zumindest partiell parallel zu einer gedachten Verbindungslinie zweier oder mehrerer äußerer bzw. innerer Rohr-Mittelpunkte verläuft. Dies ist dann vorteilhaft, wenn ausreichend Durchströmungsquerschnitt an den Ringen bzw. Scheiben vorhanden ist und die Perimeterkontur somit nicht jedem einzelnen Rohrquerschnitt folgen muss.
Bei mehr als einem vorhandenen Kanal innerhalb des Rohrbündelwärmetauschers werden zwei oder mehrere Kanäle konzentrisch zueinander angeordnet. Durch diese Maßnahme wird ein kompakter Wärmetauscher erzielt.
In vorteilhafter Weise werden bei zwei oder mehreren vorhandenen Kanälen die mit Perimeterkontur ausgebildeten Ringe und Scheiben im äußeren Kanal oder in den äußeren Kanälen angeordnet. Durch diese Maßnahme kann der durch die Umlenkbleche Ring und Scheibe verursachte Druckverlust des Heiz- oder Kühlmediums gering gehalten werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung können die Rohre der jeweiligen Rohrbündel als U-Rohre oder als gerade Rohre ausgebildet sein. Damit können erfindungsgemäße Wärmetauscher mit unterschiedlich ausgebildeten Rohrbündeln ausgestattet sein und somit für die unterschiedlichsten Anwendungsfälle einsetzbar sein.
Vorteilhaft kann es sein, die erfindungsgemäßen Ringe und/oder Scheiben halbmondförmig auszubilden. Dies führt insbesondere bei Rohrbündelwärmetauschern mit geraden Rohren (anstelle der U-Rohre) zu einer stärkeren Queranströmung der Rohre und somit einem höheren Wärmeübergang.
In vorteilhafter Ausgestaltung werden querschnittseitig die Rohre innerhalb des Kanals in einer dreieck- oder viereckförmigen oder einer anderen geometrischen Teilung bzw. Struktur angeordnet. Die dreieckförmige Teilung bzw. Struktur ist insbesondere bei hohen Drücken im Wärmetauscher vorteilhaft, da damit eine wesentlich höher versteifte Rohrplatte erzielbar ist. Viereckförmige oder andere geometrische Strukturen bzw. Rohrteilungen sind für mittlere und niedrigere Drücke von Vorteil.
Nachstehend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung und der Beschreibung näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Rohrbündelwärmetauscher gemäß einem Stand der Technik,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Rohrbündelwärmetauscher gemäß der Erfindung,
Fig. 3 einen Teilquerschnitt gemäß Schnitt A-A in Figur 2,
Fig. 4 einen Teilquerschnitt gemäß Schnitt B-B in Figur 2,
Fig. 5 eine vergrößerte Detailansicht C gemäß der Figur 3,
Fig. 6 eine vergrößerte Detailansicht D gemäß der Figur 3,
Fig. 7 wie Figur 5, jedoch Rohrbündelrohre innerhalb des Kanals mit einer abweichenden (viereckförmigen) geometrischen Struktur verlegt, Fig. 8 wie Figur 3, jedoch Rohrbündelrohre innerhalb des Kanals mit einer abweichenden (dreieckförmigen) geometrischen Struktur verlegt,
Fig. 9 eine vergrößerte Detailansicht E gemäß der Figur 8.
Ein Rohrbündelwärmetauscher 1 gemäß einem Stand der Technik ist aus der Figur 1 ersichtlich. Derartige Rohrbündelwärmetauscher werden für unterschiedlichste chemische und petrochemische Prozesse benötigt. Dabei wird ein Heiz- oder Kühlmedium 20, in den häufigsten Fällen ein Heizgas, durch einen Eintrittskanal 18 einem oder mehreren Kanälen bzw. Gaskanälen 4, 5 zugeführt, in dem bzw. denen die Wärme oder Kälte an darin verlaufende Rohre bzw. Heizflächenrohre 3 einer größeren Anzahl von Rohrbündeln 2 abgegeben wird, die ein zu erwärmendes oder abzukühlendes flüssiges oder gasförmiges Medium, beispielsweise Wasser und/oder Dampf, erhitzt oder abkühlt.
Der Aufbau des Rohrbündelwärmetauschers 1 gemäß der Figur 1 sieht vor, dass sich um den zentrisch angeordneten Eintrittskanal 18 in radialer Sichtweise und konzentrisch zueinander der erste Gaskanal bzw. Gaszug 4, der zweite Gaskanal oder Gaszug 5 und anschließend der Austrittskanal 19 anschließt. Die Kanäle 4, 5, 1 8, 1 9 weisen dabei eine gemeinsame Längsachse 6 auf, die der Längsachse des Rohrbündelwärmetauschers 1 entspricht. Der Querschnitt des Eintrittskanals 18 ist vorzugsweise im wesentlichen rund und der der Gaskanäle 4 und 5 sowie des Austrittskanals 19 im wesentlichen kreisringförmig.
Der an dem einen Ende des Rohrbündelwärmetauschers 1 durch den Eintrittskanal 18 einströmende Heiz- oder Kühlmediumstrom 20 wird am anderen Ende durch die die Rohrbündel 2 aufnehmende Rohr- bzw. Endplatte 1 7 um 1 80° umgelenkt und dem ersten Gaskanal bzw. Gaszug 4 zugeführt. Nach Durchströmung des ersten Gaskanals 4 erfolgt eine weitere 180°-Umlenkung und Zuführung des Heiz- oder Kühlmediumstromes 20 in den zweiten Gαskαnαl 5. Schließlich wird der Heiz- oder Kühlmediumstrom 20 nach Durchströmung des zweiten Gaskanals 5 durch die Rohrplatte 1 7 ein weiteres Mal um 180° umgelenkt und durch den Austrittskanal 1 9 aus dem Wärmetauscher 1 ausgeleitet.
Um die Effizienz der Wärme- bzw. Kälteübertragung zwischen Heiz- oder Kühlmedium 20 und dem in den Rohren 3 zirkulierenden und zu erhitzenden bzw. abzukühlenden Medium innerhalb der Gaskanäle 4, 5 zu erhöhen und um die Rohre 3 der Rohrbündel 2 abzustützen, ist vorgesehen, die Rohre 3 in bestimmten Abständen mittels Umlenkblechen abzustützen bzw. zu positionieren. Damit wird erreicht, dass der Heiz- oder Kühlmediumstrom 20 nicht parallel zu den Rohren 3 durch den Gaskanal 4, 5 strömt, sondern die Rohre 3 quer bzw. im wesentlichen quer anströmt und damit ein wesentlich besserer Wärmeübergang erzielt wird. Die Umlenkbleche sind derart gestaltet, dass an den beiden Mantelwänden 7, 8 (innere 7 und äußere 8 Gaskanal- Begrenzung) des Gaskanals 4, 5 Ringe 9 bzw. Scheiben 10 jeweils abwechselnd angeordnet sind, so dass eine zickzackförmige Heiz- oder Kühlmedium- Durchströmung des Gaskanals 4, 5 gebildet wird. Dabei werden die äußeren Rohre 3 der im Gaskanal 4, 5 verlaufenden Rohrbündelrohre durch die an der Mantelwand 8 befestigten Ringe 9 und die inneren Rohre 3 der im Gaskanal 4, 5 verlaufenden Rohrbündelrohre durch die an der Mantelwand 7 befestigten Scheiben 10 gestützt und positioniert. Die Rohre 3 werden dabei durch die Ringe 9 bzw. Scheiben 10 in axialer Richtung jeweils mit einem Stützabstand S (Abstand zwischen zwei Ringen 9 bzw. zwischen zwei Scheiben 10) abgestützt, wobei die Abstützung der Scheiben 10 axial betrachtet jeweils mittig zwischen der Abstützung der Ringe 9 liegt.
Ausgehend von diesem Rohrbündelwärmetauscher 1 gemäß einem Stand der Technik weist der erfindungsgemäße Rohrbündelwärmetauscher 1 , siehe Figur 2, in wenigstens einem Gaskanal 4, 5 Ringe 9 und Scheiben 10 auf, die jeweils alle Rohre 3 der Rohrbündelrohre dieses Gaskanals 4, 5 mittels jeweils einer zylindrischen Ausnehmung bzw. Bohrung 1 1 aufnehmen bzw. positionieren. Des weiteren wird erfindungsgemäß die Perimeterkontur 12 der Ringe 9 und der Scheiben 10 an der Medium- Durchströmungsseite 13 jeweils den Mittelpunkten 14, 15 der äußersten bzw. innersten Rohrbündelrohre 3 folgen, wobei die Perimeterkontur 12 einen sämtliche äußersten bzw. innersten Rohre 3 umhüllenden Schenkel 16 umfasst.
Bei der Medium-Durchströmungsseite 13 der Ringe 9 bzw. der Scheiben 10 handelt es sich um die Seite 13 der Ringe 9 bzw. Scheiben 10, die von dem Mediumstrom 20 passiert wird und somit den freien Durchgang bzw. Durchtritt des Heiz- oder Kühlmediumstroms 20 zwischen Ring 9 und innerer Mantelwand 7 bzw. Scheibe 10 und äußerer Mantelwand 8 bildet, siehe Figuren 3 bis 9.
Die Perimeterkontur 12 der Ringe 9 bzw. Scheiben 10 an der Durchstromungsseite 13 ist nicht kreisförmig ausgebildet, sondern sie folgt erfindungsgemäß und wie oben beschrieben den Mittelpunkten 14, 15 der äußersten bzw. innersten Rohrbündelrohre 3, d.h. die Perimeterkontur 12 der Ringe 9 den Mittelpunkten 15 der innersten und die Perimeterkontur 12 der Scheiben 10 den Mittelpunkten 14 der äußersten Rohrbündelrohre 3, wobei die Perimeterkontur 12 noch jeweils Ring- bzw. Scheibenmaterial bzw. einen Schenkel 16 mit einschließt, damit jedes einzelne Rohrbündelrohr 3 durch diesen Schenkel 1 6 umsäumt oder umragt wird (siehe Figuren 3 bis 9), um damit eben auch die innersten bzw. äußersten Rohre 3 lateral sicher abzustützen. Durch die erfindungsgemäße Perimeterkontur 12 wird in vorteilhafter Weise der Strömungsquerschnitt an der Durchstromungsseite 13 der Umlenkbleche, d.h. an den Ringen 9 und an den Scheiben 10, so groß wie möglich gehalten. Dabei bleibt die Breite B des Materialüberstandes bzw. Schenkels 16 zwischen Außenwand des äußersten bzw. innersten Rohres 3 und der Perimeterkontur 12 zumindest partiell vorzugsweise konstant. Eine weitere vorzugsweise Ausbildung sieht eine Breite B des Schenkels 16 von drei bis zehn Millimetern, eine besonders bevorzugte Ausbildung sieht eine Breite B des Schenkels 16 von weniger als drei Millimeter vor.
Die Perimeterkontur 12 der Ringe 9 bzw. Scheiben 10 kann, wie in den Figuren 5 und 6 dargestellt, der Außenkontur der äußersten bzw. innersten Rohre 3 wellenförmig folgen, wobei die Perimeterkontur 12 gemäß der Figuren 7 bis 9 vorteilhaft zumindest pαrtiell der vorgenannten Rohr-Außenkontur wellenförmig folgt. Die Figuren 7 bis 9 zeigen eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung auf, die darin besteht, dass die Perimeterkontur 12 zumindest partiell parallel zu einer gedachten Verbindungslinie zweier oder mehrerer äußerer bzw. innerer Rohr-Mittelpunkte 14, 15 verläuft. In diesem Fall wird die Breite B des Schenkels 16 definiert als senkrechter Abstand zwischen Perimeterkontur 12 und Außenwand des Rohres 3. Anhand der vorgenannten vorteilhaften Ausbildungen können einerseits die erfindungsgemäßen Ringe 9 und Scheiben 10 fertigungsseitig vereinfacht und kostengünstig hergestellt werden und andererseits der freie Durchtrittsquerschnitt des Heiz- oder Kühlmediums 20 an der Durchstromungsseite 13 der Ringe 9 bzw. Scheiben 10 maximiert werden.
Die Bohrungen bzw. zylindrischen Ausnehmungen 1 1 , mit denen die Ringe 9 sowie die Scheiben 10 zur Aufnahme sämtlicher Rohre 3 eines Gaskanals 4, 5 ausgebildet sind, sind dabei derart angeordnet, dass jedes einzelne Rohrbündelrohr 3 achsparallel zur Kanal- bzw. Rohrbündelwärmetauscher-Längsachse ό fluchtend in den jeweiligen Bohrungen 1 1 der Ringe 9 und Scheiben 10 aufgenommen und geführt werden. Die Rohre 3 sind mit den Ringen 9 bzw. Scheiben 10 nicht fest miteinander verbunden und können bei Erwärmung im Betriebszustand in den Bohrungen 1 1 axial frei dehnen.
Durch die erfindungsgemäße Maßnahme, dass die Ringe 9 und Scheiben 10 jeweils sämtliche Rohrbündelrohre 3 eines Kanals bzw. Gaskanals 4, 5 aufnehmen, halbiert sich die vormalige Stützweite S eines jeden Rohres 3 zwischen zwei Ringen 9 bzw. zwischen zwei Scheiben 10 auf die halbe Stützweite S/2. Dies ist zum einen vorteilhaft für die laterale Abstützung der Rohrbündelrohre 3, da jedes einzelne Rohr 3 praktisch zweimal so häufig abgestützt wird als bei bekannten Ausführungen. Zum anderen ist die erfindungsgemäße Ausbildung vorteilhaft bezüglich der Verhinderung von Resonanzschwingungen der Rohre 3 und infolgedessen auch der Verhinderung von1 hohen mechanischen Belastungen dieser Rohre 3, die durch die Resonanzschwingungen hervorgerufen werden. Eine Schwingungsresonαnz an den Rohren 3 bildet sich bekanntlich, wenn die Eigenfrequenz der Rohre mit der Erregungsschwingungsfrequenz des Mediums bzw. des Heiz- oder Kühlmediumstromes 20 übereinstimmt, wobei die Erregungsschwingungsfrequenz des Mediums von der Querkomponente der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums und der Rohrteilung abhängig ist während die Eigenfrequenz der Rohre 3 hauptsächlich vom Rohrdurchmesser, der Wanddicke der Rohre 3 und dem Abstand der Stützpunkte (Rohrplatte 1 7, Ringe 9 und Scheiben 10) bestimmt wird.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung kann in einfacher Weise die Schwingungsresonanz innerhalb des Rohrbündelwärmetauschers 1 verhindert werden sowie die Rohre 3 sicher abgestützt werden, ohne die Abstände der Umlenkbleche, d.h. die Ringe 9 und Scheiben 10 untereinander zu verringern und somit höhere Druckverluste auf der Kanal- bzw. Heiz- oder Kühlmediumseite 20 zu erzeugen. Durch die halbierten Stützabstände ist es ggf. möglich, ohne die vorteilhafte Wirkung zu verlieren, die Dimension des Stützabstandes zu vergrößern oder die Wanddicke der Rohre 3 zu verringern.
Die Figuren 2 bis 4 zeigen einen erfindungsgemäßen Rohrbündelwärmetauscher 1 auf, der mit zwei in bevorzugter Ausbildung konzentrisch zueinander angeordneten Kanälen bzw. Gaskanälen 4, 5 ausgebildet ist. Dabei sind in vorteilhafter Weise bei zwei oder mehreren vorhandenen Kanälen bzw. Gaskanälen 4, 5 die mit Perimeterkontur 12 ausgebildeten und sämtliche Rohre 3 aufnehmenden Ringe 9 und Scheiben 10 im äußeren Kanal 5 oder den äußeren Gaskanälen angeordnet. Diese Maßnahme verhindert einen hohen Medium-Druckverlust innerhalb des Wärmetauschers 1 , da der Mediumstrom 20 im inneren Kanal 4, in dem das Gas noch eine sehr hohe Temperatur aufweist und infolgedessen ein großes Volumen bzw. eine hohe Durchtrittsgeschwindigkeit besitzt, einen freieren Durchtritt, d.h. einen größeren Durchströmungsquerschnitt, vorfindet. Während die Figuren 2 bis 6 einen erfindungsgemäßen Rohrbϋndelwärmetauscher 1 mit aus U-Rohren 3 gebildeten Rohrbündeln 2 zeigen, dessen inneres Rohrfeld im Gaskanal 4 und dessen äußeres Rohrfeld im Gaskanal 5 angeordnet ist, zeigen die Figuren 7 bis 9 einen erfindungsgemäßen Rohrbündelwärmetauscher 1 mit aus geraden Rohren 3 gebildeten Rohrbündel 2 auf. Die strukturelle Anordnung dieser geraden Rohre 3 innerhalb des Kanals 4, 5 über den Querschnitt gesehen ist im Gegensatz zur Anordnung der U-Rohre 3 frei gestaltbar. In vorteilhafter Weise können die geraden Rohre 3 querschnittseitig innerhalb des Kanals 4, 5 in einer dreieck- oder viereckförmigen oder einer anderen geometrischen Struktur bzw. Rohrteilung angeordnet werden. Eine dreieckförmige Rohrteilung, wie sie Figuren 8 und 9 aufweisen, bietet sich für Rohrbündelwärmetauscher 1 mit hohen bis sehr hohen Drücken an, während sich viereckförmige Rohrteilungen gemäß der Figur 7 oder eine andere geometrische Rohrteilung sich für mittlere und niedrige Drücke anbietet.
Bei Rohrbündelwärmetauschern 1 mit aus geraden Rohren 3 gebildeten Rohrbündel 2 kann es vorteilhaft sein, Ringe 9 und/oder Scheiben 10 halbmondförmig (nicht abgebildet) auszubilden. Dies führt zu einer stärkeren Queranströmung der Rohre 3 durch den Heiz- oder Kühlmediumstrom 20 und somit auch zu einem höheren Wärmeübergang.
Der erfindungsgemäße Rohrbündelwärmetauscher 1 beschränkt sich nicht auf die in den vorgenannten Figuren aufgeführten Anwendungsbeispiele.
Bezugszeichenliste:
1 Rohrbϋndelwärmetαuscher 2 Rohrbündel 3 Rohr eines Rohrbündels 4 Kanal bzw. Gaskanal 5 Kanal bzw. Gaskanal 6 Kanal-Längsachse 7 Innere Kanal -Mantelwand 8 Äußere Kanal -Mantelwand 9 Ring
10 Scheibe
1 1 Zylindrische Ausnehmung bzw. Bohrung
12 Perimeterkontur
13 Heiz- oder Kühlmedium-Durchströmungsseite
14 Mittelpunkt äußerster Rohre
15 Mittelpunkt innerster Rohre
16 Schenkel
1 7 Rohr- bzw. Endplatte
18 Eintrittskanal
19 Austrittskanal
20 Heiz- oder Kühlmediumstrom

Claims

Pαtentαnsprüche
1 . Rohrbündelwärmetαuscher mit wenigstens einem, ein Heiz- oder Kühlmedium, insbesondere ein Heizgas führenden Kanal ( 4, 5 ), wobei die Rohre ( 3 ) der Rohrbündel ( 2 ) im wesentlichen achsparallel zur Kanal-Längsachse ( 6 ) durch den Kanal ( 4, 5 ) verlaufen und das Heiz- oder Kühlmedium durch an den jeweiligen Mantelwänden ( 7, 8 ) des Kanals ( 4, 5 ) abwechselnd angeordnete und befestigte Ringe ( 9 ) und Scheiben ( 10 ) in axialer Richtung des Kanals ( 4, 5 ) gesehen zickzackformig durch den im wesentlichen einen kreisringförmigen Querschnitt aufweisenden Kanal ( 4, 5 ) geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einem Kanal ( 4, 5 ) die Ringe ( 9 ) und Scheiben ( 10 ) jeweils sämtliche Rohre ( 3 ) eines Kanals ( 4, 5 ) mittels zylindrischer Ausnehmungen ( 1 1 ) aufnehmen und positionieren und die Perimeterkontur ( 12 ) der Ringe ( 9 ) und der Scheiben ( 10 ) an der Medium-Durchströmungsseite ( 13 ) jeweils den Mittelpunkten ( 14, 15 ) der äußersten bzw. innersten Rohrbündelrohre ( 3 ) folgen, wobei die Perimeterkontur ( 12 ) einen sämtliche äußersten bzw. innersten Rohre ( 3 ) umhüllenden Schenkel ( 16 ) umfasst.
2. Rohrbündelwärmetauscher nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Breite ( B ) des Schenkels ( 1 6 ) als Abstand zwischen der Außenwand des Rohres ( 3 ) und der Perimeterkontur ( 12 ) zumindest teilweise konstant bleibt.
3. Rohrbündelwärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite ( B ) des Schenkels ( 16 ) zwischen 3 und 10 mm liegt.
4. Rohrbündelwärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite ( B ) des Schenkels ( 16 ) kleiner 3 mm ist.
5. Rohrbündelwärmetαuscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Perimeterkontur ( 12 ) zumindest teilweise wellenförmig der Außenkontur der äußersten bzw. innersten Rohre ( 3 ) folgt.
6. Rohrbündelwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Perimeterkontur ( 12 ) zumindest teilweise parallel zu einer gedachten Verbindungslinie zweier oder mehrerer äußerer bzw. innerer Rohr- Mittelpunkte ( 14, 15 ) verläuft.
7. Rohrbündelwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehr als einem vorhandenen Kanal ( 4, 5 ) diese konzentrisch zueinander angeordnet sind.
8. Rohrbündelwärmetauscher nach Ansprüche 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehr als einem vorhandenen Kanal ( 4, 5 ) die mit Perimeterkontur ( 12 ) ausgebildeten und sämtliche Rohre ( 3 ) aufnehmenden Ringe ( 9 ) und Scheiben ( 10 ) im äußeren Kanal ( 5 ) oder den äußeren Kanälen angeordnet sind.
9. Rohrbündelwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrbündelrohre ( 3 ) als U- Rohre oder als gerade Rohre ausgebildet sind.
10. Rohrbündelwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringe ( 9 ) und/oder Scheiben ( 10 ) halbmondförmig ausgebildet sind.
1 1 . Rohrbündelwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass querschnittseitig die Rohre ( 3 ) innerhalb des Kanals ( 4, 5 ) in einer dreieck- oder viereckförmigen oder einer anderen geometrischen Teilung bzw. Struktur angeordnet sind.
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