EP1979699B1 - Rohrbündel-wärmetauscher - Google Patents

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EP1979699B1
EP1979699B1 EP07702370A EP07702370A EP1979699B1 EP 1979699 B1 EP1979699 B1 EP 1979699B1 EP 07702370 A EP07702370 A EP 07702370A EP 07702370 A EP07702370 A EP 07702370A EP 1979699 B1 EP1979699 B1 EP 1979699B1
Authority
EP
European Patent Office
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tube
transition piece
heat exchanger
tubes
gas flow
Prior art date
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Active
Application number
EP07702370A
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English (en)
French (fr)
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EP1979699A1 (de
Inventor
Jiri Jekerle
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
GE Vernova GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Alstom Technology AG filed Critical Alstom Technology AG
Publication of EP1979699A1 publication Critical patent/EP1979699A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1979699B1 publication Critical patent/EP1979699B1/de
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    • 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
    • F28D7/10—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 being arranged one within the other, e.g. concentrically
    • F28D7/106—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 being arranged one within the other, e.g. concentrically consisting of two coaxial conduits or modules of two coaxial conduits
    • 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
    • F28D7/16—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 being arranged in parallel spaced relation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/003—Multiple wall conduits, e.g. for leak detection
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/006—Tubular elements; Assemblies of tubular elements with variable shape, e.g. with modified tube ends, with different geometrical features
    • 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
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/04—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates
    • F28F9/16—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates by permanent joints, e.g. by rolling
    • F28F9/18—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates by permanent joints, e.g. by rolling by welding
    • F28F9/182—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates by permanent joints, e.g. by rolling by welding the heat-exchange conduits having ends with a particular shape, e.g. deformed; the heat-exchange conduits or end plates having supplementary joining means, e.g. abutments
    • 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
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/04—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates
    • F28F9/16—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates by permanent joints, e.g. by rolling
    • F28F9/18—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates by permanent joints, e.g. by rolling by welding
    • F28F9/185—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates by permanent joints, e.g. by rolling by welding with additional preformed parts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2275/00—Fastening; Joining
    • F28F2275/06—Fastening; Joining by welding
    • F28F2275/067—Fastening; Joining by welding by laser welding

Definitions

  • the invention relates to a tube bundle heat exchanger with tubes which are held on both sides in tube plates or oval tube collector tube plates and connected thereto by means of weld, for cooling a guided through the tubes hot gas flow through a surrounding the tubes coolant, comprising at least one gas inlet chamber from which the hot gas stream is introduced into the individual tubes and which is bounded on one side by the input tube plate or oval tube collector tube plate and at least one gas outlet chamber in which the gas flow passed through the tubes is collected and removed and on one side is limited by the output side tube plate or oval tube header tube plate.
  • heat exchangers for the cooling of gases in numerous process engineering plants, such as. B. gasification plants, thermal and catalytic cracking systems, steam reforming plants, etc.
  • heat exchangers in particular tube bundle heat exchanger (cooler), used in the flow of gases to be cooled through straight tubes and thereby the latent heat of the hot gas through the pipe wall to the medium surrounding the tubes, in particular cooling medium.
  • the gases to be cooled are often under a high pressure and a high temperature and enter the straight tubes of the heat exchanger at a high speed.
  • a high heat flux density is achieved at the pipe inlet or the first pipe section, which cause both a high temperature and a high thermal stress in the tubes of the heat exchanger or in the connection Rohrplatte- tube.
  • the gas-carrying pipes are welded into the tube plates, wherein the weld between the tube plate and tube is mounted either on the outer or inner wall of the tube plate or within the tube plate opening.
  • the publication DE 37 15 713 C2 points, for example a welded joint of the pipe or pipes with the outer wall of the tube plate or the oval tube header tube plate.
  • the disadvantage of this known embodiment is that the gas facing contour or surface of the transition from tube to tube plate or oval tube collector tube plate has no exact aerodynamic shape.
  • the use of an inserted sleeve is usually for several different reasons, i.a. a narrowing of the gas-side cross-section and insufficient cooling of the sleeve, undesirable.
  • the object of the present invention is to provide a tube bundle heat exchanger in which the aforementioned disadvantages are avoided or the transition from the tube plate or the oval tube header tube plate to the tubes on the gas side has a streamlined contour and on the cooling medium side and the gas side no disturbing elements are present.
  • connection of the tubes with the input tube plate or oval tube collector tube plate is formed in each case by means of a conical and / or trumpet-shaped transition piece whose cross-section decreases seen in the gas flow direction, that seen in the gas flow direction input end of the transition piece jerky is connected to the tube plate or oval tube header tube plate and the inner and outer contours of the transition piece and the Sch mentionharms Schemees to the tube plate or oval tube collector tube plate gap and edge free and straight and / or formed with an add on the outer contour radius of equal to or greater than 5 mm ,
  • the length Lu of the transition piece is at least 1.5 times the inner diameter di of the heat exchanger tube and / or the inner diameter Di of the transition piece at the inlet at least 1.2 times the inner diameter di of the heat exchanger tube to a to achieve optimized aerodynamic transition of the tube plate or the oval tube collector tube plate to the respective heat exchanger tubes.
  • the transition piece is formed from a separate pipe part and seen in the gas flow direction output end of the transition piece is jerkily connected to the pipe by a weld.
  • a separate pipe part complicated transition pieces (for example, several different transition radii) can be made much easier and cheaper in their shape become.
  • the inner and outer contours of the transition piece and the weld connection area to the tube plate or oval tube collector tube plate and the pipe gap and edge free and straight and / or formed with a radius equal to or greater than 2 mm.
  • the pipe part used as a transition piece is designed as a forging.
  • FIG. 1 shows a tube bundle heat exchanger 1 shown schematically in longitudinal section.
  • Such tube bundle heat exchanger 1 are used in numerous process engineering systems, such. As gasification plants, thermal and catalytic crackers, steam reforming plants, etc., required, in which a process gas, an exhaust gas or the like. Is produced.
  • the tube bundle heat exchanger 1 is generally used for cooling the aforementioned hot gas 18, which is introduced through a line not shown in the gas inlet chamber 8 of the heat exchanger 1 and passed from here through a plurality of straight tubes 2, then in the gas outlet chamber 9 of the Heat exchanger 1 is collected and discharged by means not shown line from the heat exchanger 1.
  • connection of the tubes according to the invention 2 with the input-side tube plate 3 (see FIGS. 2 to 4 ) or oval tube header tube plate 5 (see FIG. 5 ) are each formed by means of a cone-shaped and / or trumpet-shaped transition piece 10, whose cross-section is seen in the gas flow direction (see arrow) is reduced.
  • the entrance side end 16 of the transition piece 10 as seen in the gas flow direction is jerkily connected to the tube plate 3 or oval tube header tubes 5 and the inner and outer contours 11, 12 of the transition piece 10 and the weld joint portion 13 to the tube plate 3 or oval tube header tube plate 5 free of edges and straight and / or with an attaching to the outer contour 12 radius, which is at least 5 mm formed.
  • the inventive design of the transition of tube plate 3 and of oval tube header tube plate 5 on the tube 2 an aerodynamic contour 11, 12 creates both on the gas-contacting as well as on thedemediumberlickt side of the tubes 2, the transition piece 10 and the tube plate 3 or oval tube-collector tube plate 5, which has at no point a column, an edge or a square transition. All transitions, including the weld connection region 13 on the inner and outer contours 11, 12, are accordingly designed according to the invention either straight or flat and / or with a radius.
  • FIG. 2 and 5 is the transition piece 10, for example, mechanically expanded end 16 of the tube 2.
  • the transition piece 10 which consists of a separate pipe part 15 and is usually easier to manufacture, since the pipe part 15. relative to the entire tube 2 is much shorter and thus is easier to work.
  • a further weld seam 22 is required, which forms the weld joint region 14 between the pipe 2 and the pipe part 15.
  • This weld joint region 14 is advantageously formed either on the inner contour as well as on the outer contour 11, 12 either straight or flat and / or with a radius, ie the region 14 is edge-and gap-free.
  • the transition pieces 10 according to the FIGS. 2 to 5 have at their input end 16, based on the outer contour 12 of the transition pieces 10, for example, a radius R 1 of 5 mm. According to the Figures 2 . 3 and 5 This is followed by another radius R 2 of, for example, 60 mm, whereas at the transition piece 10 according to FIG. 4 the first radius is followed by a conical constriction with a subsequent radius of, for example, 20 mm.
  • the inner contour 11 of the transition pieces 10 according to the Figures 2 and 5 then has corresponding radii, which are larger by the wall thickness s of the transition piece 10.
  • the transition between the two wall thicknesses s and t is within the weld connection area 13
  • the wall thickness t of the tube plate 3, 5 does not correspond to the wall thickness s of the tube 2
  • the transition between the two wall thicknesses s and t is within the weld connection area 13
  • a different wall thickness t of the tube plate 3, 5 with respect to the wall thickness s of the tube 2 can according to the Figures 3 and 4 be compensated with a trained as a tubular member 15 transition piece 10 by the respective wall thicknesses at the tube ends of the tube member 15 to the wall thicknesses t and s of the tube plate 3, 5 and the tube 2 are adjusted. That is, seen in the gas flow direction, within the pipe section 15, the wall thickness t is continuously reduced or increased to the wall thickness s.
  • the tube part 15 may advantageously be formed as a forged piece.
  • the length L of the transition piece 10 is advantageously 1.5 times the inner diameter di of the tube 2 and the inner diameter Di of the transition piece 10 directly at the entrance into the transition piece 10 is advantageously 1.2 times the inner diameter di of the tube. 2
  • FIG. 4 For example, instead of a trumpet-shaped transition piece 10 has a cone-shaped transition piece 10, which in turn is formed from a separate tube member 15. Again, the pipe member 15 is connected by two welds 7, 22 with the tube plate 3 and the tube 2.
  • FIG. 5 shows a tube bundle heat exchanger 1 with double tubes 2, 21, in which the cooling medium 19 circulates in the annular cross-section between the inner tube 2 and the outer tube 21.
  • the cooling medium 19 leading, outer tubes 21 is the otherwise, and as in FIG. 1 shown, required outer heat exchanger jacket 23 unnecessary.
  • the cooling medium 19 according to the FIG. 5 supplied or removed by means of oval tube collector 20.
  • the connection of the transition piece 10 according to the invention takes place in this case with the oval tube header tube plate fifth
  • water can be used, which is partially or completely evaporated by the heat supply.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Rohrbündel-Wärmetauscher mit Rohren, die beidseitig in Rohrplatten oder Ovalrohr-Sammlerrohrplatten gehalten und mit diesen jeweils mittels Schweißnaht verbunden sind, zum Abkühlen eines durch die Rohre geleiteten heißen Gasstromes durch ein die Rohre umgebendes Kühlmittel, aufweisend wenigstens eine Gaseintrittskammer, von der aus der heiße Gasstrom in die einzelnen Rohre eingeleitet wird und die an einer Seite durch die eingangsseitige Rohrplatte oder Ovalrohr-Sammlerrohrplatte begrenzt ist und wenigstens eine Gasaustrittskammer, in der der durch die Rohre hindurchgeleitete Gasstrom gesammelt und abgeführt wird und die an einer Seite durch die ausgangsseitige Rohrplatte oder Ovalrohr-Sammlerrohrplatte begrenzt ist.
  • Für die Kühlung von Gasen in zahlreichen verfahrenstechnischen Anlagen, wie z. B. Vergasungsanlagen, thermischen und katalytischen Spaltanlagen, Dampfreformierungsanlagen etc., werden in der Regel Wärmetauscher, insbesondere Rohrbündel-Wärmetauscher (Kühler), eingesetzt, in den die zu kühlenden Gase durch gerade Rohre strömen und dabei die latente Wärme des heißen Gases über die Rohrwand an das die Rohre umgebende Medium, insbesondere Kühlmedium, abgeben. Charakteristisch für derartige Wärmetauscher ist es, dass die zu kühlenden Gase oft unter einem hohen Druck und einer hohen Temperatur stehen und in die geraden Rohre des Wärmetauschers mit einer hohen Geschwindigkeit eintreten. Dadurch wird am Rohreintritt bzw. dem ersten Rohrabschnitt eine hohe Wärmestromdichte erreicht, die sowohl eine hohe Temperatur als auch eine hohe Wärmespannung in den Rohren des Wärmetauschers bzw. in der Verbindung Rohrplatte- Rohr verursachen.
  • Bei Wärmetauschern gemäß dem Stand der Technik werden die gasführenden Rohre in die Rohrplatten eingeschweißt, wobei die Schweißnaht zwischen Rohrplatte und Rohr entweder an der Außen- oder Innenwand der Rohrplatte oder innerhalb der Rohrplattenöffnung angebracht ist. Die Druckschrift DE 37 15 713 C2 weist beispielsweise eine Schweißverbindung des Rohres bzw. der Rohre mit der Außenwand der Rohrplatte bzw. der Ovalrohr-Sammlerrohrplatte auf.
  • Der Nachteil dieser bekannten Ausführung besteht darin, dass die dem Gas zugewandte Kontur bzw. Oberfläche des Überganges von Rohr zu Rohrplatte bzw. Ovalrohr-Sammlerrohrplatte keine exakte aerodynamische Form aufweist. Die Verwendung einer eingesteckten Hülse ist in der Regel aus mehreren unterschiedlichen Gründen, u.a. eine Einengung des gasseitigen Querschnittes sowie eine unzureichende Kühlung der Hülse, unerwünscht. Darüber hinaus kann auf der Kühlmediumseite der Rohrplatten - Rohr Verbindung ein Spalt vorkommen, der zu einer wasserseitigen Korrosion führt, oder die Rohrplatten - Rohr Verbindung kann eine Ecke aufweisen, in der eine unerwünschte Spannungskonzentration auftritt.
  • Durch die Druckschrift EP 1 154 143 A1 ist ein Kühler bekannt geworden, in dessen Wärmetauscherrohren, die zwischen einer eintrittseitigen und einer austrittseitigen Rohrplatte liegen, ein Abgas durch Kühlwasser gekühlt wird. Durch die Abkühlung des Abgases wird ein eine ätzende Komponente aufweisendes Kondensat erzeugt, das an der Verbindung des jeweiligen Rohres mit der austrittseitigen Rohrplatte eine Korrosion verursacht. Als Folge dieser Korrosion tritt an dieser Verbindung eine Leckage des Kühlwassers auf, was zur Beschädigung der nachgeschalteten Maschine führt. Zur Verhinderung der Leckage wird vorgeschlagen, die Verbindung des jeweiligen Rohres mit der austrittseitigen Rohrplatte derart auszubilden, dass das Rohr konusförmig durch die Rohrplatte gesteckt wird und der konusförmige Teil des Rohres völlig mit der Rohrplatte laserverschweißt wird, um damit eine tiefreichende Schweißverbindung zu erzielen.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Rohrbündel-Wärmetauscher zu schaffen, bei dem die vorgenannten Nachteile vermieden werden bzw. der Übergang von der Rohrplatte bzw. der Ovalrohr-Sammlerrohrplatte zu den Rohren auf der Gasseite eine strömungsgünstige Kontur aufweist sowie auf der Kühlmediumseite und der Gasseite keine störenden Elemente vorhanden sind.
  • Die vorstehend genannte Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Die Lösung sieht dabei vor, dass die Verbindung der Rohre mit der eingangseitigen Rohrplatte oder Ovalrohr-Sammlerrohrplatte jeweils mittels eines konus- und/oder trompetenförmigen Übergangsstückes gebildet ist, dessen Querschnitt sich in Gasströmungsrichtung gesehen verringert, dass das in Gasströmungsrichtung gesehen eingangseitige Ende des Übergangsstückes stoßartig mit der Rohrplatte oder Ovalrohr-Sammlerrohrplatte verbunden ist und die Innen- und Außenkonturen des Übergangstückes und des Schweißverbindungsbereiches zur Rohrplatte oder Ovalrohr-Sammlerrohrplatte spalt- und kantenfrei sowie gerade und/oder mit einem an der Außenkontur ansetzenden Radius von gleich oder größer 5 mm ausgebildet sind.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Durch die erfindungsgemäße Lösung wird ein Rohrbündel-Wärmetauscher geschaffen, der die nachfolgenden Vorteile aufweist:
    • Durch die Vermeidung von vorstehenden Kanten sowie Spalten an der Verbindurigsstelle zwischen den Rohren und der Rohrplatte bzw. der Ovalrohr-Sammlerrohrplatte werden einerseits Verwirbelungen des Gas- sowie des Kühlmediums vermieden und andererseits Korrosion unterbunden,
    • Der Übergang von Rohrplatte bzw. Ovalrohr-Sammlerrohrplatte zu den Rohren ist aerodynamisch ausgebildet, so dass der Eintritt des Gases in die Rohre in höchstem Maße verwirbelungsfrei verläuft und Temperaturspitzen im Eingangsbereich abgebaut werden können.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung beträgt die Länge Lü des Übergangsstückes mindestens das 1,5-fache des Innendurchmessers di des Wärmetauscher-Rohres und/oder der Innendurchmesser Di des Übergangsstückes an dessen Eintritt mindestens das 1,2-fache des Innendurchmessers di des Wärmetauscher-Rohres um einen optimierten aerodynamischen Übergang der Rohrplatte bzw. der Ovalrohrsammler-Rohrplatte zu den jeweiligen Wärmetauscher-Rohren zu erzielen.
  • Zweckmäßig ist es, das Übergangsstück am in Gasströmungsrichtung gesehen eingangsseitigen Ende des Rohres mechanisch aufzuweiten. Durch diese Maßnahme wird lediglich an einem Teil - dem Rohr - gefertigt und der Arbeitsprozess zur Herstellung des erfindungsgemäßen Übergangstückes lässt sich vereinfachen und abkürzen.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Übergangsstück aus einem gesonderten Rohrteil gebildet und das in Gasströmungsrichtung gesehen ausgangseitige Ende des Übergangsstückes stoßartig mit dem Rohr durch eine Schweißnaht verbunden. Durch die Verwendung eines gesonderten Rohrteiles können auch in ihrer Form komplizierte Übergangstücke (beispielsweise mehrere unterschiedliche Übergangsradien) wesentlich einfacher und kostengünstiger hergestellt werden. Zweckmäßig ist es bei dieser Ausgestaltung der Erfindung, die Innen- und Außenkonturen des Schweißverbindungs-bereiches zwischen Übergangsstück und Rohr spalt- und kantenfrei sowie gerade und/oder mit einem Radius gleich oder größer 5 mm auszubilden. Durch diese Maßnahme wird eine aerodynamische Form am Eintritt des Gases in die Rohre erzielt.
  • In besonders vorteilhafter Weise sind die Innen- und Außenkonturen des Übergangstückes und des Schweißverbindungsbereiches zur Rohrplatte oder Ovalrohr-Sammlerrohrplatte und zum Rohr spalt- und kantenfrei sowie gerade und/oder mit einem Radius gleich oder größer 2 mm ausgebildet.
  • In zweckmäßigerweise ist das als Übergangstück eingesetzte Rohrteil als Schmiedestück ausgebildet.
  • Nachstehend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung und der Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigt:
    • Fig. 1
    einen Längsschnitt durch einen Rohrbündel-Wärmetauscher,
    Fig. 2
    einen Detailschnitt des Überganges von Rohrplatte zu Rohr gemäß Einzelheit "A" aus Figur 1,
    Fig. 3
    wie Figur 2, jedoch alternative Ausführung,
    Fig. 4
    wie Figur 2, jedoch alternative Ausführung,
    Fig. 5
    einen Detailschnitt des Überganges einer Ovalrohr-Sammlerrohrplatte zu einem Rohr.
  • Figur 1 zeigt einen Rohrbündel-Wärmetauscher 1 schematisch dargestellt im Längsschnitt. Derartige Rohrbündel-Wärmetauscher 1 werden in zahlreichen verfahrenstechnischen Anlagen, wie z. B. Vergasungsanlagen, thermischen und katalytischen Spaltanlagen, Dampfreformierungsanlagen etc., benötigt, in denen ein Prozessgas, ein Abgas oder dgl. produziert wird. Der Rohrbündel-Wärmetauscher 1 dient in der Regel zum Kühlen des vorgenannten heißen Gases 18, das durch eine nicht dargestellte Leitung in die Gaseintrittskammer 8 des Wärmetauschers 1 eingeführt und von hier durch eine Vielzahl von geraden Rohren 2 hindurchgeleitet wird, anschließend in der Gasaustrittskammer 9 des Wärmetauschers 1 gesammelt und mittels nicht dargestellter Leitung aus dem Wärmetauscher 1 abgeführt wird. Die Rohre 2, durch die ein indirekter Wärmetausch mit einem die Rohre 2 umgebenden Kühlmedium 19 stattfindet, sind dabei jeweils voneinander beabstandet zwischen zwei Rohrplatten 3, 4 bzw. Ovalrohr-Sammlerrohrplatten 5, 6 angeordnet und mit diesen fest und gasdichtin der Regel verschweißt - verbunden.
  • Um am Eintritt des heißen Gases 18 von der Gaseintrittskammer 8 in die jeweiligen Wärmetauscher-Rohre 2 die auftretenden Wärmespannungen an der in Gasströmungsrichtung gesehen eingangseitigen Rohrplatte 3, 5 und dem eingangseitigen Ende 16 der Rohre 2 möglichst gering zu halten, wird erfindungsgemäß die Verbindung der Rohre 2 mit der eingangseitigen Rohrplatte 3 (siehe Figuren 2 bis 4) oder Ovalrohr-Sammlerrohrplatte 5 (siehe Figur 5) jeweils mittels eines konus-und/oder trompetenförmigen Übergangsstückes 10 gebildet, dessen Querschnitt sich in Gasströmungsrichtung (siehe Pfeil) gesehen verringert. Ferner wird das in Gasströmungsrichtung gesehen eingangseitige Ende 16 des Übergangsstückes 10 stoßartig mit der Rohrplatte 3 oder Ovalrohr-Sammlerrohrplafte 5 verbunden und die Innen- und Außenkonturen 11, 12 des Übergangstückes 10 und des Schweißverbindungsbereiches 13 zur Rohrplatte 3 oder Ovalrohr-Sammlerrohrplatte 5 spalt-und kantenfrei sowie gerade und/oder mit einem an der Außenkontur 12 ansetzenden Radius, der wenigstens 5 mm beträgt, ausgebildet.
  • Das heißt, dass die erfindungsgemäße Ausbildung des Überganges von Rohrplatte 3 bzw. von Ovalrohr-Sammlerrohrplatte 5 auf das Rohr 2 eine aerodynamische Kontur 11, 12 sowohl an der gasberührten als auch an der kühlmediumberührten Seite der Rohre 2, des Übergangstückes 10 und der Rohrplatte 3 bzw. Ovalrohr-Sammlerrohrplatte 5 schafft, die an keiner Stelle eine Spalte, eine Kante oder einen eckigen Übergang aufweist. Sämtliche Übergänge einschließlich des Schweißverbindungsbereiches 13 an der Innen- sowie Außenkontur 11, 12 sind demnach erfindungsgemäß entweder gerade bzw. plan und/oder mit einem Radius ausgebildet.
  • Gemäß Figur 2 und 5 ist das Übergangsstück 10 das beispielsweise mechanisch aufgeweitete Ende 16 des Rohres 2. Bei dieser Ausbildung ist lediglich eine Schweißnaht 7 zwischen Rohr 2 und Rohrplatte 3 bzw. 5 erforderlich, die den Schweißverbindungsbereich 13 zwischen Rohr 2 und Rohrplatte 3, 5 bildet. Figur 3 und 4 weist ein Übergangsstück 10 auf, das aus einem gesonderten Rohrteil 15 besteht und in der Regel einfacher zu fertigen ist, da das Rohrteil 15. gegenüber dem gesamten Rohr 2 wesentlich kürzer ist und somit auch leichter zu bearbeiten ist. Zur kopfseitigen Verbindung des in Gasströmungsrichtung gesehen ausgangseitigen Ende 17 des Rohrteiles 15 ist eine weitere Schweißnaht 22 erforderlich, die den Schweißverbindungsbereich 14 zwischen Rohr 2 und Rohrteil 15 bildet. Dieser Schweißverbindungsbereich 14 ist sowohl an der Innen- wie auch an der Außenkontur 11, 12 vorteilhaft entweder gerade bzw. plan und/oder mit einem Radius ausgebildet, d.h. der Bereich 14 ist kanten- und spaltfrei ausgeführt.
  • Die Übergangstücke 10 gemäß der Figuren 2 bis 5 weisen an ihrem eingangseitigen Ende 16, bezogen auf die Außenkontur 12 der Übergangsstücke 10, beispielhaft einen Radius R1 von 5 mm auf. Gemäß der Figuren 2, 3 und 5 schließt sich daran ein weiterer Radius R2 von beispielsweise 60 mm an, wogegen sich beim Übergangstück 10 gemäß der Figur 4 dem ersten Radius eine konusförmige Verengung mit einem anschließenden Radius von beispielsweise 20 mm anschließt. Die Innenkontur 11 der Übergangsstücke 10 gemäß der Figuren 2 und 5 weist dann entsprechend Radien auf, die um die Wandstärke s des Übergangstückes 10 größer sind. Entspricht die Wandstärke t der Rohrplatte 3, 5 nicht der Wandstärke s des Rohres 2, dann ist der Übergang zwischen den beiden Wandstärken s und t innerhalb des Schweißverbindungsbereiches 13 erfindungsgemäß entweder gerade bzw. plan und/oder mit einem Radius ausgebildet. Eine abweichende Wandstärke t der Rohrplatte 3, 5 gegenüber der Wandstärke s des Rohres 2 kann gemäß der Figuren 3 und 4 mit einem als Rohrteil 15 ausgebildeten Übergangstück 10 ausgeglichen werden, indem die jeweiligen Wandstärken an den Rohrenden des Rohrteiles 15 an die Wandstärken t und s der Rohrplatte 3, 5 sowie des Rohres 2 angepasst sind. D.h., dass sich, in Gasströmungsrichtung gesehen, innerhalb des Rohrstückes 15 die Wandstärke t kontinuierlich auf die Wandstärke s verringert bzw. vergrößert. Das Rohrteil 15 kann dabei vorteilhaft als Schmiedestück ausgebildet sein.
  • Die Länge Lü des Übergangstückes 10 beträgt vorteilhaft das 1,5-fache des Innendurchmessers di des Rohres 2 und der Innendurchmesser Di des Übergangsstückes 10 direkt am Eintritt in das Übergangsstück 10 beträgt vorteilhaft das 1,2-fache des Innendurchmessers di des Rohres 2.
  • Figur 4 weist beispielhaft anstelle eines trompetenförmigen Übergangstückes 10 ein konusförmiges Übergangsstück 10 auf, das wiederum aus einem gesonderten Rohrteil 15 gebildet wird. Auch hier wird das Rohrteil 15 durch zwei Schweißnähte 7, 22 mit der Rohrplatte 3 sowie dem Rohr 2 verbunden.
  • Figur 5 zeigt einen Rohrbündel-Wärmetauscher 1 mit Doppelrohren 2, 21 auf, bei denen das Kühlmedium 19 im kreisringförmigen Querschnitt zwischen Innenrohr 2 und Außenrohr 21 zirkuliert. Durch die, das Kühlmedium 19 führende, Außenrohre 21 wird der ansonsten, und wie in Figur 1 dargestellt, erforderliche Wärmetauscher-Außenmantel 23 entbehrlich. Während bei dem in Figur 1 dargestellten Wärmetauscher 1 das Kühlmedium 19 dem Raum innerhalb des Außenmantels 23 und der Rohrplatten 3, 5 sowie 4, 6 zu- und abgeführt wird, wird das Kühlmedium 19 gemäß der Figur 5 mittels Ovalrohr-Sammler 20 zu- bzw. abgeführt. Die Verbindung des erfindungsgemäßen Übergangstückes 10 erfolgt in diesem Fall mit der Ovalrohr-Sammlerrohrplatte 5.
  • Als Kühlmedium 19 kann Wasser eingesetzt werden, das durch die Wärmezufuhr zum Teil oder ganz verdampft wird.
    • Bezugszeichenliste:
    • 1
    Rohrbündel-Wärmetauscher
    2
    Rohr
    3
    Rohrplatte, eingangseitig
    4
    Rohrplatte, ausgangseitig
    5
    Ovalrohr-Sammlerrohrplatte, eingangseitig
    6
    Ovalrohr-Sammlerrohrplatte, ausgangseitig
    7
    Schweißnaht
    8
    Gaseintrittskammer
    9
    Gasaustrittskammer
    10
    Übergangstück
    11
    Innenkontur
    12
    Außenkontur
    13
    Schweißverbindungsbereich
    14
    Schweißverbindungsbereich
    15
    Rohrteil
    16
    Eingangseitiges Ende des Übergangstückes bzw. des Rohres
    17
    Ausgangseitiges Ende des Übergangstückes bzw. Rohrteiles
    18
    Gas
    19
    Kühlmedium
    20
    Ovalrohr-Sammler
    21
    Außenrohr
    22
    Schweißnaht
    23
    Mantel

Claims (8)

  1. Rohrbündel-Wärmetauscher mit Rohren ( 2 ), die beidseitig in Rohrplatten ( 3, 4 ) oder Ovalrohr-Sammlerrohrplatten ( 5, 6 ) gehalten und mit diesen jeweils mittels Schweißnaht ( 7 ) verbunden sind, zum Abkühlen eines durch die Rohre ( 2 ) geleiteten heißen Gasstromes ( 18 ) durch ein die Rohre ( 2 ) umgebendes Kühlmittel ( 19 ), aufweisend
    wenigstens eine Gaseintrittskammer ( 8 ), von der aus der heiße Gasstrom ( 18 ) in die einzelnen Rohre ( 2 ) eingeleitet wird und die an einer Seite durch die eingangsseitige Rohrplatte ( 3 ) oder Ovalrohr-Sammlerrohrplatte ( 5 ) begrenzt ist und wenigstens eine Gasaustrittskammer ( 9 ), in der der durch die Rohre ( 2 ) hindurchgeleitete Gasstrom ( 18 ) gesammelt und abgeführt wird und die an einer Seite durch die ausgangsseitige Rohrplatte ( 4 ) oder Ovalrohr-Sammlerrohrplatte ( 6 ) begrenzt ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der Rohre ( 2 ) mit der eingangseitigen Rohrplatte ( 3 ) oder Ovalrohr-Sammlerrohrplatte ( 5 ) jeweils mittels eines konus- und/oder trompetenförmigen Übergangsstückes ( 10 ) gebildet ist, dessen Querschnitt sich in Gasströmungsrichtung gesehen verringert,
    dass das in Gasströmungsrichtung gesehen eingangseitige Ende ( 16 ) des Übergangsstückes ( 10 ) stoßartig mit der Rohrplatte ( 3 ) oder Ovalrohr-Sammlerrohrplatte ( 5 ) verbunden ist
    und die Innen- und Außenkonturen ( 11, 12 ) des Übergangstückes ( 10 ) und des Schweißverbindungsbereiches ( 13 ) zur Rohrplatte ( 3 ) oder Ovalrohr-Sammlerrohrplatte ( 5 ) spalt- und kantenfrei sowie gerade und/oder mit einem an der Außenkontur ( 12 ) ansetzenden Radius ( R ) von wenigstens 5 mm ausgebildet sind.
  2. Rohrbündel-Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge ( Lü ) des Übergangsstückes ( 10 ) mindestens das 1,5-fache des Innendurchmessers ( di ) des Rohres ( 2 ) beträgt.
  3. Rohrbündel-Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser ( Di ) des Übergangsstückes ( 10 ) in Gasströmungsrichtung gesehen an dessen Eintritt mindestens das 1,2-fache des Innendurchmessers ( di ) des Rohres ( 2 ) beträgt.
  4. Rohrbündel-Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Übergangsstück ( 10 ) durch eine mechanische Aufweitung am in Gasströmungsrichtung gesehen eingangseitigen Ende ( 16 ) des Rohres ( 2 ) gebildet ist.
  5. Rohrbündel-Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Übergangsstück ( 10 ) aus einem gesonderten Rohrteil ( 15 ) gebildet ist und das in Gasströmungsrichtung gesehen ausgangseitige Ende ( 17 ) des Übergangsstückes ( 10 ) stoßartig mit dem Rohr ( 2 ) durch eine Schweißnaht ( 22 ) verbunden ist.
  6. Rohrbündel-Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Innen- und Außenkonturen ( 11, 12 ) des Schweißverbindungsbereiches ( 14 ) zwischen Übergangsstück ( 10 ) und Rohr ( 2 ) spalt- und kantenfrei sowie gerade und/oder mit einem an der Außenkontur ( 12 ) ansetzenden Radius ( R ) von wenigstens 5 mm ausgebildet sind.
  7. Rohrbündel-Wärmetauscher nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innen- und Außenkonturen ( 11, 12 ) des Übergangstückes ( 10 ) und des Schweißverbindungsbereiches ( 13, 14 ) zur Rohrplatte ( 3 ) oder Ovalrohr-Sammlerrohrplatte ( 5 ) und zum Rohr ( 2 ) spalt- und kantenfrei sowie gerade und/oder mit einem an der Außenkontur ( 12 ) ansetzenden Radius ( R ) von wenigstens 2 mm ausgebildet sind.
  8. Rohrbündel-Wärmetauscher nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrteil ( 15 ) als Schmiedestück ausgebildet ist.
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