NO132704B - - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår generelt anordninger for avbinding av rørsatser i varmevekslere, nærmere bestemt anordninger for avbinding av rørene i en rørsatsvarmeveksler for langsstrøm utenom rørene av den art som er anordnet med et antall med innbyrdes avstand anordnede bærerister med riststaver som løper gjennom mellomrommene mellom rørene.

Oppfinnelsen er utviklet i forbindelse med varmevekslere

til bruk i den kjemiske industri, f.eks. ved petrokjemiske proses-ser hvor store varmemengder via tilsvarende store gassmengder,

ofte av relativt høyt trykk skal utveksles med andre gassmengder, høyttrykks matevann - damp eller andre media.

Varmevekslere ifølge oppfinnelsen kan imidlertid også anvendes ved mere konvensjonelle arbeidsoppgaver.

Når man f.eks. skal overføre varme fra en gassmengde av lavere eller midlere trykk til f.eks. høyttrykksdamp eller matevann, vil man ofte av fremstillings- og økonomiske grunner føre det mediet som har høyt trykk gjennom u-rør. Derved klarer man seg med en rørplate og et lokk for det høye trykket. For at varmeveksleren skal kunne arbeide etter rent motstrømprinsipp,

vil man kunne anordne en skillevegg i mantelen, mellom hver gren av u-en. For avbinding av rørene er da gjerne anordnet kombinerte støtte- og ledeplater (baffles) som av hensyn til under-støttelsen må ta opp minst halvparten av tverrsnittet. Gassen blir da ledet på langs dels på tvers av rørsatsen. Det arealet som blir ledig for gassen og bestemmer hastigheten på denne blir da bare ca. 1/4 av manteltverrsnittet -r rørtverrsnittet (det åpne areal mellom rørene). For å kunne begrense hastigheter og trykktap til rimelige verdier og samtidig holde dimensjonene på høyttrykksdelene innenfor visse grenser, blir det ofte nødvendig å dele varmeveksleroppgaven på flere parallelle enheter.

Det er mulig å la gass-strømmen gå bare i en retning og få ut-nyttet halvparten av det frie tverrsnittet mellom rørene. Mot-strømsprinsippet blir da forlatt, noe som av hensyn til tempera-turdifferansen kan gjøre det nødvendig å ha to varmevekslere i serie.

Gass-strømningen på tvers og på langs gir foruten relativt store trykktap også store variasjoner i hastighet og fører med seg fare for vibrasjoner. Disse kan også fremmes av det faktum at hullene i ledeplatene må utføres med en viss klaring til rørene.

Når det gjelder varmeovergangstall på gass-siden er det alminnelig antatt at den kombinasjon av langsstrøm og tverrstrøm som man oppnår ved ledeplater gir høyere varmeovergangstall enn ren langsstrøm, forutsatt samme Reynoldstall. (Dimensjonsløst tall bestemmende for varmeovergangen, størrelsen avhengig av massestrøm* karakteristisk dimensjon (rørdiam.) og viskositet).

Ut fra vanlige, beregningsmetoder er -dette riktig ved varmevekslere med liten eller midlere belastning (Reynoldstall mindre enn ca. 20 - 30 000). Ved økende Reynoldstall vil imid-.lertid forholdet forskyve seg til fordel for ren langsstrøm, slik at ved Reynoldstall på 100 000 - 300 000 som man ofte har ved de høyt belastede/ varmevekslere som er nevnt tidligere, vil varme-overgangstallet på gass-siden være betydelig høyere ved langs-strøm. Beregningene blir også sikrere idet man kan bruke de beregningsmetoder som anvendes for strømning i rør.

Når det gjelder det forhold at varmeovergangsforholdene ved store Reynoldstall er bedre ved ren langsstrøm enn ved kombi-nert tverr- og langsstrøm, tror patentsøkerne at den ujevne hastighet og de "døde soner" ved den siste strømningsmåte gjør seg sterkere gjeldende ved høyere Reynoldstall.

Med bakgrunn i de momenter som er nevnt foran, har patent-søkerne funnet at det, ved høye Reynoldstall vil være prinsipielt gunstigere å anvende ren langsstrøm utenpå rørene ved rørsats-varmevekslere enn den kombinerte tverr- og langsstrøm ved hjelp av ledeplater som hittil har vært mest anvendt.

Siktemålet for oppfinnelsen er på denne bakgrunn å komme frem til en forbedret utførelse av en rørsatsvarmeveksler med ren langsstrøm som 1: gir minst mulig innskrenkning av det frie tverrsnittet mellom rørene, og 2: samtidig gir en så fast avbinding eller opplagring av rørene at det ikke blir fare for vibrasjoner og/eller knekning ved de store massestrømmer det kan bli tale om.

Det er kjent en rekke konstruksjoner for riststaver og andre avbindingsmåter og som tar særlig sikte på å bibeholde størst mulig andel av det frie tverrsnitt . Det kan eksempelvis vises til svensk patent nr. 219 944 som angår avbindingsorganer i form av bølge- eller siksakformete elastiske platestrimler som er anordnet tvers igjennom de fortløpende mellomrom mellom rørene slik at strimlene befinner seg til anlegg mot tilstøtende rør på en altererende måte, hvorved strimmelmaterialet gir etter eller settes i spenn fra rør til rør. Det må imidlertid anses på det rene at denne avbindingsmåten ikke vil være tilstrekkelig dersom det dreier seg om varmevekslere som skal arbeide under høye be-lastninger og store gassmengder.

Det skal her innskytes at problemet med rørenes avbinding av to grunner vil øke når avstanden mellom rørene minsker; for det første blir det da viktigere å bibeholde så meget som mulig av .det frie tverrsnittet for gass-strømmene og for det andre er det av ren plassmangel vanskelig samtidig å oppnå tilstrekkelig mekanisk stivhet i avbindingsorgane.

Anordningen ifølge oppfinnelsen vedrører således avbinding av rør i rørsatsvarmeveksler for langsstrøm utenom rørene, omfattende et antall med innbyrdes anstand anordnede bærerister med riststavelementer som forløper gjennom mellomrommene mellom røre-ne og anordningen ifølge oppfinnelsen karakteriseres generelt ved at riststavelementene er anordnet på en slik måte at stavelemen-tene i hver to innbyrdes uavhengige naborister utøver sin bærende virkning ved i lengderetningen vekselvis motsatt rettet, ensrettet press på tvers av rørene slik at rørene i satsen er satt under motsatt rettet bøyepåkjenning lengdemessig fra rist til rist.

Herved oppnås at man bibeholder en maksimal del av det

frie tverrsnittet mellom rørene, samtidig som disse fikseres på

en enkel og pålitelig måte.

Oppfinnelsen kan realiseres på flere forskjellige måter. Ved en utførelsesform er riststavene i hvert risttverrsnitt anordnet vekselvis gjennom en brøkdel av de fortløpende mellomrom mellom rørene, idet rørene fikseres ved at de tilstrammes eller settes under spenn ved vekselvis sideveis forskyvning og forank-ring av respektive rister. Ved en annen foretrukket utførelses-form som er særlig egnet ved rørsatser med forholdsvis stor rør-deling, kan det brukes riststaver som løper gjennom alle mellomrommene mellom rørene, idet oppfinnelsen realiseres ved at det anvendes gitterrister med masker og hvor riststavene kan være tynnere enn rørmeilomrommet, og fastspenningen og fikseringen av rørene oppnås ved at gitterristene-presses eller forskyves i retning på tvers av rørene og fortrinnsvis diagonalt på maskene eller rutene i risten og i vekselvis motsatte retninger ved hver rist. Denne løsning medfører flere spesielle fordeler.

Lengdevis kan ristene enten anordnes med lik deling eller over hele rørlengden eller ved at to rister, henholdsvis tre eller fire, anbringes relativt nær hverandre i en felles holder eller "ristsats", og med passende avstand til neste ristsats.

Ved hjelp av forannevnte avbindings- og fikseringsmåte for rørene i rørsatsen oppnås en rekke fordeler. For det første vil 70%- 90% av det frie tverrsnittet mellom rørene være disponibelt for gass-strømmen, samtidig som rørene vil opplagres og fikseres på en sikker og fast måte.

Videre vil rørenes avbinding og fiksering kreve forholdsvis små materialmengder i rist- og stavsystemet, noe som kan være av økonomisk betydning da det ofte dreier seg om forholdsvis kost-bart materiale, såsom rustfritt stål.

Videre vil man med samme trykktap kunne kjøre med større

hastigheter enn man kan ved konvensjonell oppbygging, og som følge herav men også på grunn av det tidligere nevnte forhold med bedre varmeovergang ved langsstrøm og store Reynoldstall, vil man kunne få betydelig mindre overgangsflater.

I det følgende skal oppfinnelsen beskrives nærmere i forbindelse med noen utførelsesformer som vises skjematisk på ved-lagte tegninger, hvor: Figurene la og lb er riss som viser skjematiske lengdesnitt gjennom henholdsvis en konvensjonell varmeveksler med ledeplater og en varmeveksler utført etter prinsippene ifølge oppfinnelsen. Rissene har. samme innbyrdes målestokk og illustrerer varmevekslere med lik kapasitet og samme trykktall, og hvor en gass med 30 atm og sp.v. på 10 kg/m^ overfører varme til f.eks. matevann som går gjennom rørene. Fig. 2 viser en del av et lengdesnitt gjennom en rørvarme-veksler forsynt med anordninger ifølge oppfinnelsen, og Fig. 3 er et detaljriss langs tverrsnittsplanet III-III på fig. 4, mens Fig. 4 er et detaljriss som viser samme detalj på langs langs planet IV-IV på fig. 2.

Fig. 5 viser et tversgående detalj snitt i likhet med

fig. 3 av en foretrukket utførelsesform for oppfinnelsen.

Figurene 6 og 7 er detaljriss, henholdsvis et tverrsnitt og et lengdesnitt i likhet med figurene 3 og 4, idet fig. 6 viser et tverrsnitt langs B-B på fig. 7, og fig. 7 viser et riss langs planet A-A på fig. 6. Fig. la viser et skjematisk lengdesnitt gjennom en konvensjonell langsstrøms varmeveksler med mantel 2 anordnet med innløps-/utløpsstusser 4 og 6. I mantelen 2 er anordnet en rør-sats 8 med parallelle rør som strekker seg mellom headerplater 10 og 12 med samlerom 14 og 16 med adkomststusser 18 og 20 i de kuvete bunnene 21 og 23. I mantelen er på vanlig måte anordnet vekselvis sideforskjøvede ledeplater 22, 24 som bevirker at gass-strømmen gjennom varmevekslermantelen får et siksakforløp som antydet med linjen 25. Den viste varmeveksleren er som nevnt antatt beregnet for overføring av varme fra en gass med 30 atm trykk, spesifikk vekt 10 kg/m<3>, til f.eks. matevann som føres gjennom rørene i rørsatsen. Fig. lb viser i illustrasjonsøyemed en tilsvarende langs-strøms varmeveksler hvor rørsatsen er avbundet i henhold til foreliggende oppfinnelse, og for øvrig beregnet til å ha en kapasitet svarende til varmeveksleren på fig. la, og således med samme trykktap på gass-siden. Like tall på fig. la og lb betegner for øvrig like deler. Varmeveksleren ifølge oppfinnelsen krever som følge av den forbedrede avbindingsmåte bare 1/3 av tverr-snittsflatearealet av den konvensjonelle varmeveksleren vist på fig. la, og får derved tilsvarende mindre ytre dimensjoner slik som vist på figurene la og lb. Fig. 2 viser et skjematisk lengdesnitt i en forstørret målestokk av en del av en varmeveksler ifølge oppfinnelsen med U-formet rørsats og en skilleplate 29 langs midtplanet. Som vist er rørene i rørsatsen 28 her avbundet og fiksert i mantelen 2

ved hjelp av tverrstilte bærerister 30, 32, 34, 36, hver av hvilke er anordnet med parallelle identisk like riststaver 38, 40 osv. Bæreristene er av monteringsmessige grunner hensiktsmessig -

slik som vist - anordnet med ulik deling i rørsatsens lengderetning slik at ristene anordnes i par 30, 32; 34, 36 osv. med passende innbyrdes avstand eller deling slik som for øvrig også vist på fig. lb. Riststavene forløper bare gjennom hvert annet rør-mellomrom og er slik utformet og plassert at rørene gis et motsatt rettet sidepress fra bærerist til bærerist. Konstruksjonen av en varmeveksler som vist på figurene la, lb og fig. 2 fremgår mer detaljert av figurene 3 og 4. På disse figurer er likeledes mantelen betegnet med tallet 2. Hver av bæreristene 30, 32 om-fatter en ringformet ramme 50, 52 av flattstål med utsidediameter noe mindre enn mantelens innsidediameter. I bæreristene 30 og 32 er montert - hensiktsmessig ved sveising - parallelle sett staver, henholdsvis betegnet 56, 58, 60 og 62, 64, 66, som løper mellom planparallelle rør i rørsatsen. Staver forløper som vist kun i hvert annet rørmellomrom ved hver bærerist. Mens stavene 56, 58, 60 forløper i mellomrommene betegnet I, III og V, forløper

stavene 62, 64, 66 i tilstøtende rist 32, i de mellomliggende mellomrom betegnet II, IV og VI. På tvers av og mellom riststavene i hver rist er videre med passe innbyrdes avstand anordnet parallelle avstivningselementer 68.

Riststavene kan være utført som jevntykke, planparallelle staver med tykkelse noe større enn den nominelle klaring eller avstand mellom rørene i hvert fortløpende rørmellomrom, og sam-menbyggingen av rørsatsen foregår ved at stavene skyves inn mellom rørene i satsen, hvorved alle tilstøtende rør i angjeldende rørplan da vil presses en tanke til siden under en viss elastisk oppspenning eller deformasjon. Alternativt kan rørene presses inn i deres lengderetning mellom stavene. Uansett monterings-måten vil alle rørene i satsen fikseres under en viss vekselvis siderettet oppspenning fra bærerist til bærerist som følge av den vekselvise lokalisering av riststavene. Herved oppnås at ved hver bærerist foreligger staver bare gjennom hvert annet rør-mellomrom hvorved bibeholdes fri åpning (dvs. fritt gjennomstrøm-ningsareal) mellom rørene langs hvert annet rørmellomrom i rist-tverrsnittet. Ved utførelsesformen for oppfinnelsen illustrert på figurene 3 og 4 er riststavene utført atskillig tykkere enn klaringsrommet mellom rørene idet stavene er som vist utspart med sirkelbuede seter 70, 70 osv., tilpasset rørene slik at disse får et støtt anlegg og blir sideveis oppstøttet. Slike seter tjener også som styring under monteringen. Ved denne utførelses-formen er det ikke nødvendig å utsette rørene for nevneverdig sideveis oppspenning under monteringen, men tilpasningen bør være så trang at klirr og vibrasjoner unngås. Videre er stavene avrundet og/eller tilspisset ved sidekantene 74, 74 osv. i gass-strømningsretningen antydet med pilen 75 for å minske gassens friksjon.

Fig. 5 viser et detaljsnitt svarende til fig. 3 av en modifisert foretrukket utførelsesform for oppfinnelsen.

Her er bæreristene 78 anordnet med staver utformet som et nett av gitterformede, kvadratiske masker 80, slik at parallelle stavelementer 82, 82 osv. går i én retning og andre stavelementer 83, 83 osv. går vinkelrett på forannevnte stavelementer 82, 82. Gitter- eller "stavmaskene" er innbyrdes identisk like og er hver avpasset for nøyaktig å omslutte en gruppe av fire tilstø-tende rør 84, 85, 86, 87 (bortsett fra gittermaskene langs peri-ferien av rørsatsen hvor antall rør nødvendigvis blir mindre). Videre er maskene i bæreristen vekselvis sideforskjøvet en rør-deling i begge retninger fra bærerist til bærerist (diagonalfor-skjøvet) slik at stavmaskene 90 i den tilstøtende(bakenforliggende) bæreristen (uskrafert) er lokalisert som illustrert på fig. 5.

Ved denne utførelsen oppnås i prinsippet samme virkning som ved utførelsen vist på figurene 3 og 4 med den forskjell at hvert rør her fikseres på to anleggspunkter 90° innbyrdes vinkelforskjøvet langs rørets omkrets ved hver bærerist. Fortrinnsvis, men ikke nødvendigvis, bør stavene ved denne utførelsesformen ha en tykkelse som er en tanke større enn rørmellomrommet slik at stav-gitterne og rørene i satsen settes sammen under en viss elastisk oppspenning av rørene. For øvrig bibeholdes også ved denne ut-førelsesformen full åpning mellom annet hvert rørmellomrom langs tverrsnittsplanet gjennom hver bærerist^

Figurene 6 og 7 er detaljsnitt som viser henholdsvis et tverrsnitt og et lengdesnitt tilnærmet svarende til figurene 3

og 4, idet fig. 6 viser et snitt langs planet B-B på fig. 7,

av en ytterligere utførelsesform for oppfinnelsen, og fig. 7 viser et snitt langs planet A-A på fig. 6. Denne utførelses-formen anses spesielt egnet for større rørdelinger hvor riststavene som anvendt ved utførelsesformene vist på fig. 2-5 ville bli uforholdsmessig tykke. Det vil forstås at fra et gass-strøm-ningsmessig synspunkt er det fordelaktig å anvende så tynne staver som mulig mens fra et konstruktivt standpunkt må stavene være tilstrekkelig stive til å hindre at rørene beveger seg på uønsket måte under varmevekslerens drift. Ved denne utførelsesformen består hver opplagringsenhet av to identisk like' individuelle rister 91 og 92 bestående av sammensveisete staver. Gittermaskene dimensjoneres for nøyaktig å svare til rørdelingen i satsen, og beregnes for å omslutte kun et enkelt rør. Ved oppbyggingen av rørsatsen forskyves og fikseres disse bæreristene vekselvis diagonalt, dvs. 45° i forhold til gittermaskene, inntil hvert enkelt rør får støtt anlegg på to motstående, 90° innbyrdes forskjøvne punkter på hver rist,og et rør 95, tilfeldig valgtj i punktene 94, 96 på risten 91 og punktene 98, 100 på risten 92. Denne ut-førelsesf ormen skiller seg rent konstruktivt fra de tidligere viste utførelsesformer ved at hver bærerist består av en enhet med to rister 91 og 92 som er opplagret med innbyrdes avstand i

en felles bæreramme 102 anordnet med diagonalt motstående støtter 104 sammenholdt med radialstag 105 i hvilke ristene 91 og 92 kan fikseres regulerbart ved hjelp av skrueorganer 106, 108. Denne ristenheten svarer for øvrig til en av de parvise settene illustrert på fig. 1, og en slik monteringsmåte kan for øvrig også anvendes ved utføreIsesformen vist på figurene 2-5. Ved monteringen skyves innledningsvis alle rørene i rørsatsen på plass i sine respektive maskeåpninger i ristene, hvoretter de enkelte rister fikseres til riktig stilling ved regulering av skrueorga-nene idet ristene i hver enhet diagonalforskyves slik som best illustrert på fig. 6, hvoretter hele enheten skyves inn på plass i mantelen 2 og fastspennes, eksempelvis ved sveising, eller ved hjelp av særskilte skrueorganer.

Andre konstruktive løsninger kan tenkes innenfor opp-finnelsens grunnidé; nemlig den vekselvise oppspenning av rørene i satsen ved hver annen av rørsatsens bærerister. Ved de på figurene illustrerte utførelsesformer for oppfinnelsen er kun vist rørsatser hvor de enkelte rør _i hvert plan er forsatt en full rørdeling både i rørplanet og retningen vinkelrett på denne. I rørsatser hvor rørene i tilstøtende rørplan bare er forsatt en halv rørdeling slik at hver tre tilstøtende rør vil omskrives av likesidete trekanter med innbyrdes 60° vinkel, kan oppfinnelsen utnyttes på helt tilsvarende måte, enten ved hjelp av parallelle riststaver og/eller staver som forløper i innbyrdes 60° vinkel. Alternativt kan benyttes gitterrister tilsvarende de som vist på figurene 5, 6 og 7, idet ristene da på tilsvarende måte kan ut-føres som et nett av masker med rombisk: form. Andre former kan også tenkes.

Claims (8)

1. Anordning for avbinding av rør i rørsatsvarmeveksler for langsstrøm utenom rørene, omfattende et antall med innbyrdes avstand anordnede bærerister med riststaver som løper gjennom mellomrommene mellom rørene, karakterisert ved at riststavene ér anordnet på én slik måte at stavene i to naborister utøvér sin bærende virkning ved vekselvis motsatt rettet press på tvers av rørene.

2. Anordning for avbinding av rør som angitt i krav 1, karakterisert ved at riststavene i risttverr-snittene er anordnet vekselvis gjennom en brøkdél (1/2, 1/3,- 1/4 osv) av de fortløpende mellomrom mellom rørene og ved at stavene er slik utformet at de fikserer rørene ved vekselvis sideveis tilstramming Og/eller spenn (Fig. 2-4 og 5).

3. Anordning for avbinding av rør som angitt i krav 1 i rørsatsvarmeveksler hvor bæreristenes riststaver løper gjennom alle mellomrom mellom rørene, karakterisert ved at hver rist er utformet som et gitter hvor riststavene er ve-sentlig tynnere enn rørmellomrommet og at fiksering av rørene oppnås ved at annen hver gitterrist presses i motsatt retning, fortrinnsvis i gittermaskenes diagonalretning (Fig. 6 og 7).

4. Anordning som.angitt i krav 1 og/eller 2, karakterisert ved at riststavene er rette- og jevntykke og er anordnet vekselvis i vinkel med hverandre.

5. Anordning som angitt i krav 1 og/eller 2, karakterisert ved at riststavene er ensrettete og er ut-ført profilerte slik at de gir også sideveis fiksering av rørene i forhold til riststavenes lengderetning.

6. Anordning som angitt i hvilket som helst av foregående krav, karakterisert ved at avstanden mellom ristene er anordnet med ulik deling. .

7. Anordning som angitt i hvilket som helst av foregående krav, karakterisert ved at riststavene på i og for seg kjent,måte er avrundet og/eller tilspisset langs begge sidekanter (Fig. 4) .'

8. Anordning for avbinding av rør som angitt i hvilket som helst av foregående krav, karakterisert ved at bæreristene er sideveis regulerbart båret i varmeveksleren i forhold til varmevekslerens senterlinje (Fig. 6 og 7). 9.. Anordning som angitt i krav 8, karakterisert ved at bæreristene er regulerbart båret i varmevekslermantelen ved hjelp av omkretsmessig anordnede skruebolter eller lignende. (Fig. 6 og 7).