NL1008748C2 - Warmtewisselaar. - Google Patents

Description

Warmtewisselaar

De uitvinding heeft betrekking op een warmtewisselaar, omvattende een huis dat aan twee tegenoverliggende einden is afgesloten, door welk huis zich een bundel pijpen 5 uitstrekt, welke pijpen aan beide einden telkens zijn bevestigd aan een pijpplaat, regelmatig tussen beide pijpplaten verdeelde keerschotten waarin de pijpen zijn ondersteund, tenminste een hulpschot dat zich bevindt in de nabijheid van een keerschot voor het stabiliseren met betrekking tot uitknikken van tenminste een deel van de bundel pijpen tussen twee openeenvolgende keerschotten, waarbij de pijpen een 10 vrije kniklengte bezitten die is bepaald door de afstand tussen twee keerschotten respectievelijk tussen een keerschot en een hulpschot, een eerste toevoer en aiVoer in het huis voor een eerste warmtewisselingsmedium, welk eerste medium tussen die toevoer en afvoer volgens een voorgeschreven stromingspatroon wordt geleid door middel van de keerschotten, alsmede een op het inwendige van de pijpen aangesloten 15 tweede toevoer en afvoer voor een tweede warmtewisselingsmedium.

In vele industrieprocessen worden warmtewisselaars toegepast voor het beheersen van de energie- of warmtestromen binnen een procesinstallatie. Een voorbeeld is de chemische industrie, waarin warmtewisselaars worden gebruikt voor het verkrijgen van een gunstige warmtebalans door het toevoeren van warmte uit de ene 20 processtroom aan de andere.

Gewoonlijk worden de pijpen aan beide einden door middel van expanderen en eventueel lassen bevestigd aan de pijpplaten. Deze pijpplaten kunnen op hun beurt zijn vastgelast aan het huis (vaste pijpplaten). De pijpen zijn daardoor zo stijf bevestigd in het huis, dat aanzienlijke trek-drukspanningen in de verschillende onderdelen kunnen 25 optreden.

Bij warmtewisselaars met een zwevende kop is een pijpplaat vast bevestigd aan het huis en is de andere pijpplaat niet aan het huis bevestigd. Door middel van glijdende afdichtingen en/of andere voorzieningen worden beide warmtewisselingsmedia uit elkaar gehouden. Ongelijke drukken in beide media doen 30 beide pijpplaten doorbuigen waardoor ook bij warmtewisselaars met een zwevende kop aanzienlijke drukspanningen in tenminste een deel van de pijpbundel kunnen optreden.

De vrij lange pijpen zouden tengevolge drukkracht, veroorzaakt door drukspanningen, al snel uitknikken, waardoor de werking van de warmtewisselaar 1 0087 4 8 2 verstoord wordt en schade kan ontstaan. Door de keerschotten is de vrije kniklengte van de pijpen echter verminderd, met het gunstige effect dat uitknikken niet al te snel zal optreden.

Een warmtewisselaar van het in de aanhef genoemde soort is bekend uit FR-A-5 2183613. In die warmtewisselaar zijn hulpschotten toegepast die de ondersteuning van de bundel pijpen verbeteren waardoor hogere drukspanningen in de pijpen toelaatbaar zijn, zonder dat de constructie van de warmtewisselaar in gevaar komt door instabiliteit met betrekking tot uitknikken. Dat voordeel kan op verschillende manieren worden benut.

10 Allereerst kunnen, bij overigens gelijke voorwaarden, de keerschotten op grotere onderlinge afstanden worden geplaatst. Voordeel daarvan is dat lagere drukvallen over de rompzijde van de warmtewisselaar optreden. Als alternatief zouden, bij gelijkblijvende afstanden tussen de keerschotten, zwaardere ontwerpvoorwaarden kunnen worden toegelaten bij gelijke pijpafmetingen, leidend tot hogere 15 drukspanningen in de pijpen.

Bij deze bekende warmtewisselaar doet zich echter het probleem voor dat de normale mediumstoring vrij sterk verstoord wordt. Doel van de uitvinding is daarom een warmtewisselaar te verschaffen waarvan enerzijds de pijpen gestabiliseerd zijn, doch waarbij anderzijds de stroming minder verstoord wordt. Dat doel wordt bereikt 20 doordat de afstand tussen keerschot en naburig hulpschot een ordegrootte kleiner is dan de afstand tussen twee naburige keerschotten.

Nabij de keerschotten treden in de praktijk toch al min of meer onvermijdelijke "stille" gebieden op, zodat aldaar geplaatste steunmiddelen tot weinig verstoringen aanleiding zullen geven.

25 Bedacht moet worden dat reeds een vrij kleine afstand tussen keerschot en steunmiddel een aanzienlijke verhoging van de kritische knikbelasting oplevert. Bij normale keerschotten worden de pijpen geacht scharnierend te zijn ophangen in de keerschotten. De dikte van de keerschotten is namelijk te klein om een volledig rotatiestijve inklemming te verschaffen.

30 De op kleine onderlinge afstand van elkaar geplaatste paren bestaande uit een keerschot en een steunmiddel leveren wèl een dergelijke rotatiestijve inklemming van de pijpen op, hetgeen de kritische knikbelasting in beginsel met een factor 4 doet toenemen.

1008748 3

Een dergelijk hulpschot zal gezien zijn positie tot weinig verstoringen aanleiding geven.

De keerschotten en hulpschotten kunnen op verschillende manieren zijn uitgevoerd. Volgens een eerste mogelijkheid kunnen de keerschotten en de 5 hulpschotten over een gedeelte van hun omtrek aansluiten op de inwendige wand van ” " het huis, en over een ander gedeelte van hun omtrek op afstand van die wand liggen.

Hoewel deze hulpschotten kunnen worden toegepast voor het ondersteunen voor alle pijpen uit de bundel, kan het voordeliger zijn om slechts een deel der pijpen te ondersteunen. In ieder geval de aan de buitenzijde van de bundel liggende pijpen, die 10 relatief stijf zijn ingeklemd tussen de pijpplaten, komen voor ondersteuning door de hulpschotten in aanmerking.

De meer in het centrum van de bundel liggende pijpen, die een minder stijve inklemming in het centrumgebied van de pijpplaten hebben, zijn minder vatbaar voor uitknikken. Doordat de keerschotten elkaar gedeeltelijk overlappen, zijn deze pijpen 15 bovendien veelal door alle keerschotten ondersteund. Dit in tegenstelling tot veel pijpen aan de rand die slechts om-en-om gesteund worden door de keerschotten. Door de nu grotere kniklengte zijn zij veel gevoeliger voor uitknikken.

Volgens de uitvinding kan ook met deze omstandigheden rekening worden gehouden door de hoogte van een hulpschot kleiner te kiezen dan de hoogte van het 20 nabij geplaatste keerschot, zodanig dat de centraal geplaatste pijpen zich voorbij het hulpschot uitstrekken.

De kleine verstorende werking van de hulpschotten op de stroming kan nog verder worden verminderd indien een als stromingsvenster te fungeren uitsparing wordt aangebracht in de rand van het hulpschot dat naar de wand van het huis is gekeerd. Ook 25 het totale warmtewisselingsoppervlak van de pijpen kan daardoor min of meer worden gehandhaafd.

Volgens een tweede mogelijkheid kunnen achtereenvolgens ringvormige keerschotten en schijfVormige keerschotten zijn voorzien, welke ringvormige schotten aan hun omtrek op het huis zijn aangesloten en een centrale doorgang bezitten, terwijl 30 de hulpschotten eveneens ringvormig zijn en aan hun omtrek zijn aangesloten op de wand van het huis.

Ook bij deze variant kan de hoogte van een hulpschot kleiner zijn dan de hoogte van een ringvormig keerschot.

1 008748 4

Op bekende wijze kan het huis een in hoofdzaak cirkelvormige dwarsdoorsnede hebben.

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van een in de figuren weergegeven uitvoeringsvoorbeeld.

5 Figuur 1 toont een opengewerkt aanzicht in perspectief van de warmtewisselaar volgens de uitvinding.

Figuur 2 toont een verticale radiale doorsnede door de warmtewisselaar.

Figuren 3 en 4 tonen een verdere variant.

De in figuur 1 weergegeven warmtewisselaar omvat een huis 1 dat aan beide 10 einden is afgesloten door eindwanden 2,3. Op enige afstand naar binnen ten opzichte van de eindwanden 2,3 is een tweetal pijpplaten 4, 5 aangebracht, elk voorzien van een aantal gaten 6. Op de gaten zijn de pijpen 7 aangesloten.

Tussen de eindwand 2 en het pijpplaat 4 bevindt zich een ruimte waaraan via een eerste toevoer 8 een eerste warmtewisselingsmedium kan worden toegevoerd. Via de 15 gaten 6 stroomt dit eerste warmtewisselingsmedium 7 door de buizen, waarna het in de ruimte tussen het andere pijpplaat 5 en de andere eindwand 3 terechtkomt Via de eerste afvoer 9 wordt het eerste warmtewisselingsmedium vervolgens afgevoerd.

Op de ruimte tussen beide keerschotten 5 en 6 is een tweede toevoer 10 aangesloten, en ook een tweede afvoer 11. Via die tweede toevoer 10 en een tweede 20 afVoer 11 kan een tweede warmtewisselingsmedium rond de pijpen 7 worden geleid. Daarbij treedt uitwisseling van warmte op tussen beide warmtewisselingsmedia.

Op gebruikelijke wijze is in de ruimte tussen de pijpplaten 5,6 een aantal keerschotten 12 aangebracht, die het tweede warmtewisselingsmedium een zigzagvormige baan 13 doen doorlopen teneinde de warmtewisseling te bevorderen.

25 De keerschotten 12 strekken zich elk over iets meer dan de hoogte van de betreffende ruimte uit, en zijn beurtelings aan de bovenzijde danwel de onderzijde van de wand van het huis 1 aangesloten, zoals blijkt uit figuur 1 en 2.

Hoewel de pijpen 7 stevig zijn ingeklemd tussen zowel de pijpplaten 5, 6 als de keerschotten 12, kan zich toch het probleem van uitknikken voordoen indien de 30 warmteverschillen tussen de wand van het huis 1 en de pijpen 7 te groot worden. De pijpen 7 kunnen in dat geval uitknikken tussen de pijpplaten 5,6 en de keerschotten 12, waarbij ter plaatse van de keerschotten 12 de pijpen een weinig verdraaien.

Als oplossing voor dat probleem zouden meerdere keerschotten 12 dichter bij 1 OOG? 4 δ 5 elkaar kunnen worden geplaatst, doch vaak is dat niet toelaatbaar gezien de daarmee gepaard gaande verhoging van de stromingsweerstand.

Om bij de genoemde temperatuurverschillen en bij gelijk blijvende keerschotten toch een veilig bedrijf van de warmtewisselaar mogelijk te maken, zijn volgens de 5 uitvinding nabij elk keerschot hulpschotten 14 geplaatst. Deze hulpschotten bevinden zich op niet al te grote afstand van het betreffende keerschot 12, zodanig dat de stroming 13 van het betreffende warmtewisselingsmedium niet te zeer wordt verstoord.

Elk hulpschot 14 sluit aan op de inwendige wand van het huis 1. In him middengebied kunnen zij zijn uitgespaard, zodanig dat een stromingsvenster 15 10 overblijft, waar doorheen alsnog een zekere hoeveelheid warmtewisselingsmedium kan stromen. Op die manier wordt de totale verstoring van de hulpschotten 14 met betrekking tot de stroming van het warmtewisselingsmedium tot vrijwel nihil gereduceerd.

Elk paar bestaande uit een keerschot 12 en een hulpschot 14 vormt een stabiele 15 inklemming van de betreffende pijpen 7, waardoor hun kniklast aanzienlijk wordt verhoogd. De pijpen 7 kunnen ter plaatse van een dergelijke inklemming niet meer verdraaien, hetgeen een verhoging van de kniklast met in principe een factor 4 ten gevolge heeft.

Zoals weergegeven in figuur 1 en 2 zijn niet alle pijpen 7 door een hulpschot 14 20 ondersteund. Pijpen 7 die door alle keerschotten 12 lopen, hebben een veel kortere kniklengte dan pijpen die om-en-om gesteund worden door de keerschotten 12. De kleinere ongesteunde lengte geeft een veel grotere kniklast die niet verder verbetering behoeft door de hulpschotten 14. Bovendien zijn de centrumpijpen 7 van de bundel, die het verst weg liggen van de wand van het huis 1, minder vatbaar voor uitknikken. Zij 25 kunnen hun lengteverschillen in zekere mate reeds compenseren doordat de pijpplaten 5,6 in het middengebied enigszins uitwijken.

De dichterbij de wand van het huis 1 gelegen pijpen 7 hebben die mogelijkheid in veel mindere mate, en om die reden zijn deze pijpen 7 wèl ondersteund door de hulpschotten.

30 Zoals duidelijk te zien is in figuur 1 en zijn de hulpschotten minder hoog uitgevoerd dan de keerschotten 12, om de hierboven genoemde reden.

Op bekende wijze zijn alle keerschotten 12 door middel van stangen 30 aan elkaar verbonden. Aan het in figuur 1 getoonde linkereind zijn deze stangen 30 * Γ 6 bevestigd aan de pijpplaat 4; het andere eind van de stangen 30 is vrij.

Volgens de uitvinding zijn ook de hulpschotten 14 aan de stangen 30 verbonden.

Bij de in figuren 3 en 4 toegepaste uitvoeringsvorm zijn achtereenvolgens ringvormige keerschotten 20 en schijfVormige keerschotten 21 toegepast. Ook deze 5 keerschotten schrijven een bepaald stromingsverloop van het warmtewisselingsmedium voor.

De meer naar binnen gelegen warmtewisselingspijpen 25 zijn alle slechts ondersteund in de schijfVormige keerschotten 21. Aangezien deze, zoals hiervoor toegelicht, minder sterk op druk worden belast, behoeft dat geen probleem te vormen.

10 Sommige meer naar buiten gelegen warmtewisselingspijpen 26 zijn ondersteund in beide soorten keerschotten 20,21, zodat ook hier weinig problemen te vrezen zijn.

Andere warmtewisselingspijpen 27 zijn echter slechts ondersteund in de schijfVormige keerschotten 20, en bij deze warmtewisselingspijpen is een aanvullende ondersteuning gewenst.

15 Daartoe zijn voor de volgens de uitvinding de ringvormige hulpschotten 24 voorzien, geplaatst nabij de ringvormige keerschotten 20.

Op analoge wijze als in de uitvoeringsvorm van figuren 1 en 2, bieden deze hulpschotten 24 een vrijwel onverdraaibare ondersteuning tezamen met de nabij gelegen keerschotten 20, waardoor ook bij de meer naar buiten gelegen 20 warmtewisselingspijpen 27 het knikgevaar aanzienlijk gereduceerd wordt.

1 008748

Claims (7)

1. Warmtewisselaar, omvattende een huis (1) dat aan twee tegenoverliggende einden (2,3) is afgesloten, door welk huis zich een bundel pijpen uitstrekt, welke 5 pijpen (7) aan beide einden telkens zijn bevestigd aan een pijpplaat (5,6), regelmatig tussen beide pijpplaten (5,6) verdeelde keerschotten (12) waarin de pijpen zijn ondersteund, tenminste een hulpschot (14) dat zich bevindt in de nabijheid van een keerschot (12) voor het stabiliseren met betrekking tot uitknikken van tenminste een deel van de bundel pijpen (7) tussen twee openeenvolgende keerschotten (12), waarbij 10 de pijpen (7) een vrije kniklengte bezitten die is bepaald door de afstand tussen twee keerschotten (12) respectievelijk tussen een keerschot (12) en een hulpschot(14), een eerste toevoer (10) en afvoer (11) in het huis (1) voor een eerste warmtewisselingsmedium, welk eerste medium tussen die toevoer (10) en afvoer (11) volgens een voorgeschreven stromingspatroon (13) wordt geleid door middel van de 15 keerschotten (12), alsmede een op het inwendige van de pijpen (7) aangesloten tweede toevoer (8) en afVoer (9) voor een tweede warmtewisselingsmedium, met het kenmerk dat de afstand tussen keerschot (12) en naburig hulpschot (14) een ordegrootte kleiner is dan de afstand tussen twee naburige keerschotten (12).

2. Warmtewisselaar volgens conclusie 1, waarbij de keerschotten (12) en de hulpschotten (14) over een gedeelte van hun omtrek aansluiten op de inwendige wand van het huis, en over een ander gedeelte van hun omtrek op afstand van die wand liggen.

3. Warmtewisselaar volgens conclusie 2, waarbij de hoogte van een hulpschot (14) kleiner is dan de hoogte van het nabij geplaatste keerschot (12) zodanig dat de centraal geplaatste pijpen (7) zich voorbij het hulpschot (14) uitstrekken.

4. Warmtewisselaar volgens conclusie 2 of 3, waarbij een hulpschot (14) aan 30 zijn naar de wand van het huis gekeerde rand gedeeltelijk is uitgespaard onder vrijlating van een stromingsvenster (15).

5. Warmtewisselaar volgens één der voorgaande conclusies, waarbij 1 0 08 7/i 8 achtereenvolgens ringvormige keerschotten (20) en schijfvormige keerschotten (21) zijn voorzien, welke ringvormige schotten (20) aan hun omtrek op het huis (1) zijn aangesloten en centrale doorgang (23) bezitten, en de hulpschotten (24) eveneens ringvormig zijn en aan hun omtrek zijn aangesloten op de wand van het huis (1). 5

6. Warmtewisselaar volgens conclusie 5, waarbij de hoogte van een hulpschot (24) kleiner is dan de hoogte van het nabij geplaatste ringvormig keerschot (20).

8. Warmtewisselaar volgens één der voorgaande conclusies, waarbij het huis (1) 10 een in hoofdzaak cirkelvormige dwarsdoorsnede heeft. < O ^ " · - * l. L.' .