WO2024114973A1 - Wärmeübertrager mit mehreren rohren - Google Patents

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WO2024114973A1
WO2024114973A1 PCT/EP2023/077255 EP2023077255W WO2024114973A1 WO 2024114973 A1 WO2024114973 A1 WO 2024114973A1 EP 2023077255 W EP2023077255 W EP 2023077255W WO 2024114973 A1 WO2024114973 A1 WO 2024114973A1
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heat exchanger
medium
tubes
section
tube
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PCT/EP2023/077255
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Aitzol INCHAURBE
Jens HETZER
Karsten STÜCKRATH
Karsten Hartmann
Sebastian Mann
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Arvos Gmbh
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    • 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
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    • 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
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    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/026—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits
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    • F28F9/02—Header boxes; End plates
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    • F28F9/16—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates by permanent joints, e.g. by rolling
    • F28F9/165—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates by permanent joints, e.g. by rolling by using additional preformed parts, e.g. sleeves, gaskets
    • F28F9/167—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates by permanent joints, e.g. by rolling by using additional preformed parts, e.g. sleeves, gaskets the parts being inserted in the heat-exchange conduits

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger according to the preamble of claim 1.
  • Heat exchangers are used to transfer thermal energy from one process medium to a second process medium.
  • each medium has a space separated from the other medium.
  • a frequently used type of heat exchanger is the so-called tube bundle heat exchanger, in which one medium is passed through several parallel tubes arranged in a bundle. The second medium is passed through a space surrounding the tube bundle.
  • Heat exchangers are used, for example, to cool process gases at high temperatures, for example 700 to 1,500°C.
  • the process gases are usually passed through the pipes and the heat-absorbing medium is located in the space surrounding the pipes and flows around the pipes on the outside.
  • fouling occurs due to particles in the process gas or due to condensing phases of the process gas on the cool inside of the pipe.
  • the deposits are usually removed by cleaning the pipes, in which case the heat exchanger must be taken out of operation, which leads to undesirable downtime.
  • the invention is defined by the features of claim 1.
  • the heat exchanger according to the invention has a plurality of tubes through which a first medium to be cooled can flow. At least one section of the tubes is surrounded by a space or a section of several of the tubes is arranged together in a space. A second, heat-absorbing medium can flow through the space or spaces, the tubes having a constant outer diameter at least in the section.
  • the invention is characterized in that the tubes each have an inner diameter that tapers in the flow direction of the first medium, at least in at least one partial area of the respective section.
  • the heat exchanger according to the invention can have the structure of a tube bundle heat exchanger in which several tubes extend through a common space.
  • the constant outer diameter of the tubes, at least in the section that is located in the common space, ensures that the second medium can flow around the tubes in a fluidically advantageous manner.
  • the device-related outlay is kept comparatively low, since the heat exchanger according to the invention can be constructed largely like a conventional heat exchanger.
  • the heat exchanger can also be designed in such a way that each tube extends through its own space, which is formed, for example, in a ring shape around the respective tube.
  • the pipes initially have an inner diameter that tapers in the direction of flow of the first medium in the partial area of the respective section, it can be achieved that the flow speed of the first medium along the pipe does not decrease or only decreases to a small extent even when the first medium cools and the density changes as a result, and a limit speed is not undercut.
  • a comparatively high flow speed which can thus be maintained, a high shear stress of the flow on the inside of the pipe is achieved, so that the deposition of particles can be prevented or particles that have already deposited can be released from the wall.
  • the comparatively high flow speed can therefore keep the pipe largely free of deposits or even clean it.
  • the invention thus takes advantage of the fact that by reducing the inner diameter of the pipes, the flow velocity of the first medium can be relatively increased and thus the reduction in the flow velocity due to the cooling and the resulting change in density can be counteracted.
  • the respective partial area of a pipe in the flow direction of the first medium forms an end area of the respective section of the pipe.
  • the partial area of a pipe in which a taper of the inner diameter occurs is located in the rear part of the pipe in the flow direction of the first medium, which is located in the respective space.
  • the portion or portions of a pipe in which a taper of the inner diameter occurs have a length which cumulatively amounts to between 1/4 and 9/10 of a total length of the section.
  • the inner diameter of the pipes can taper continuously in the partial area. It is also possible for the inner diameter to taper in stages in the partial area. It can also be provided that the inner diameter tapers in the partial area by arranging pipe elements with conically tapering inner diameters and elements with a constant inner diameter alternately. In principle, it is also possible for different variants of tapering the inner diameter to be used in combination.
  • a heat exchanger in a heat exchanger according to the invention, it can be provided that an outer tube is arranged around each tube, with each outer tube forming one of the spaces.
  • the heat exchanger can thus be designed in the form of a double-tube heat exchanger.
  • the tubes have a constant inner diameter in other areas that are different from the partial area.
  • the material of a pipe or pipes is selected depending on the heat-emitting medium and the heat-absorbing medium.
  • the heat-absorbing medium is a liquid, water or a water/steam mixture
  • low-alloy steel, higher-alloy steel or even stainless steel have proven to be advantageous pipe materials.
  • the heat-absorbing medium is air, process gas or steam
  • the pipe material can be low-alloy steel, higher-alloy steel or even stainless steel or a nickel-based alloy.
  • a pipe can also consist of sections made of different pipe materials.
  • An embodiment of the heat exchanger according to the invention can also have a tube through which a first medium to be cooled can flow, wherein at least one section of the tube is surrounded by a space, wherein a second heat-absorbing medium can flow through the space, and wherein the tube has a constant outer diameter at least in the section, wherein the tube has an inner diameter that tapers in the flow direction of the first medium at least in a partial area of the section.
  • the other features described above can also be implemented.
  • Fig. 1 is a schematic sectional view of an inventive
  • Fig. 2a to 2c show schematic sectional views of various embodiments of a portion of a tube of a heat exchanger according to the invention.
  • FIG. 3 is a schematic detailed representation of a tube of a heat exchanger according to the invention in the form of a double tube.
  • Figure 1 shows a heat exchanger 1 according to the invention schematically in section.
  • the heat exchanger has a plurality of tubes 3 arranged parallel to one another.
  • the tubes 3 pass through a space 5 formed by a jacket tube 7.
  • a first medium to be cooled flows through the tubes 3 from top to bottom.
  • a horizontal arrangement is also possible.
  • the first medium is guided via an inlet 9 into an inlet chamber 11, flows through the tubes 3, being cooled, and then reaches an outlet chamber 13.
  • the now cooled first medium is discharged from the heat exchanger via an outlet 15.
  • a second medium which is intended to absorb the heat of the first medium, is passed through the space 5.
  • the second medium is introduced into the space 5 through a second inlet 17 and flows through it to a second outlet 19.
  • the second medium flows in countercurrent to the first medium.
  • the second medium can alternatively flow in cocurrent to the first medium by being introduced into the space 5 through a corresponding inlet and flowing through it to a corresponding outlet.
  • section 3a The part of the tubes 3 which is located in the space 5 is referred to as section 3a. At least in this section, the tubes 3 each have a constant outer diameter A.
  • the pipes 3 have, in a partial area of the respective section 3a, an inner diameter i that tapers in the flow direction of the first medium.
  • the partial area 3b, in which the pipes 3 have a tapering inner diameter i extends in the illustrated embodiment over, for example, approximately 50% of the total length of the section 3a, which extends in the space 5, wherein the respective partial region 3b of a pipe 3 forms an end region of the respective section 3a of the respective pipe 3. In the remaining region of the pipes 3, these each have a constant inner diameter i.
  • the first medium now flows through the pipes 3 and is cooled by the second medium, which is located in the space 5 and flows around the pipes 3.
  • This increases the density of the first medium, so that the flow speed of the first medium in the pipes 3 initially decreases.
  • the inner diameter i of the pipes 3 tapers in the partial area 3b in which the first medium has already cooled down significantly and thus has a correspondingly reduced flow speed.
  • the flow speed of the first medium is relatively increased again, so that the reduction in flow speed caused by the cooling is counteracted. This can prevent deposits from forming on the inside of the pipe, since the pipe speed prevents this or carries away deposited particles.
  • Figures 2a to 2c show various variants of sections of pipes 3 in which the inner diameter i tapers.
  • the inner diameter i tapers continuously in the direction of flow.
  • Figure 2b shows a step-by-step taper.
  • the taper is achieved by arranging sections with a conically tapering inner diameter and sections with a constant inner diameter alternately.
  • a stepped taper is structurally simple and inexpensive to produce, but in the case of a particle-laden first medium, the stepped shapes can be prone to erosion or be unfavorable in terms of flow.
  • a continuously tapered cross-section is more favorable in terms of flow, but leads to greater manufacturing effort.
  • the heat exchanger 1 shown in Figure 1 has the design of a classic tube bundle heat exchanger, in which parallel tubes 3 pass through a space 5 formed by a jacket tube 7.
  • the heat exchanger it is also possible for the heat exchanger to be designed as a double-tube heat exchanger.
  • Figure 3 shows a schematic cross-section of such a double tube.
  • the tube 3 is surrounded by an outer tube 21.
  • the annular gap formed between the tube 3 and the outer tube forms the space 5 through which the second medium can flow.
  • the heat exchanger 1 according to the invention has the advantage that fouling on the inside of the pipe can be reduced or avoided in a structurally simple manner, so that downtimes of the heat exchanger 1 for cleaning the pipes 3 can be reduced.
  • the first medium can be, for example, a process gas or air.
  • the heat-absorbing second medium can be process gas, air, water, another liquid, steam or a mixture of water/steam.
  • the heat exchanger 1 according to the invention can be used, for example, to cool process gases at high temperatures, for example between 700 and 1,500°C. Reference list

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Abstract

Wärmeübertrager (1) mit mehreren Rohren (3), die von einem ersten, zu kühlenden Medium durchströmbar sind, wobei zumindest ein Abschnitt (3a) der Rohre (3) jeweils von einem Raum (5) umgeben ist oder jeweils ein Abschnitt (3a) von mehreren der Rohre (3) gemeinsam in einem Raum (5) angeordnet ist, wobei der Raum (5) oder die Räume (5) von einem zweiten wärmeaufnehmenden Medium durchströmbar ist bzw. sind, und wobei die Rohre (3) zumindest in dem Abschnitt (3a) einen konstanten Außendurchmesser aufweisen, wobei die Rohre jeweils zumindest in mindestens einem Teilbereich des jeweiligen Abschnitts einen sich in Strömungsrichtung des ersten Mediums verjüngenden Innendurchmesser aufweisen.

Description

Wärmeübertrager mit mehreren Rohren
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Um Wärmeenergie von einem Prozessmedium auf ein zweites Prozessmedium zu übertragen, werden Wärmeübertrager verwendet. Bei rekuperativen Wärmeübertragern besitzt jedes Medium dabei einen von dem anderen Medium abgetrennten Raum.
Eine häufig verwendete Bauart von Wärmeübertragern sind sogenannte Rohrbündelwärmeübertrager, bei der ein Medium durch mehrere in einem Bündel angeordnete parallele Rohre geleitet wird. Das zweite Medium wird durch eine das Rohrbündel umgebenden Raum geleitet.
Wärmeübertrager werden beispielsweise zur Kühlung von Prozessgasen bei hohen Temperaturen, beispielsweise 700 bis 1.500°C, eingesetzt. Zumeist werden dabei die Prozessgase durch die Rohre geleitet und das wärmeaufnehmende Medium befindet sich in dem die Rohre umgebenden Raum und umströmt die Rohre an der Außenseite.
Beim Abkühlen des Prozessgases in den Rohren kann es zum sogenannten Fouling kommen, was Ablagerungen und Verschmutzung an der Rohrinnenseite darstellt. Das Fouling erfolgt durch Partikel in dem Prozessgas oder durch kondensierende Phasen des Prozessgases auf der kühlen Innenseite des Rohres. Die Ablagerungen werden zumeist durch Reinigung der Rohre entfernt, wobei in diesem Fall der Wärmeübertrager außer Betrieb genommen werden muss, was zu unerwünschten Stillstandzeiten führt.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmeübertrager zu schaffen, bei dem das Fouling reduziert ist.
Die Erfindung ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager weist mehrere Rohre auf, die von einem ersten, zu kühlenden Medium durchströmbar sind. Zumindest ein Abschnitt der Rohre ist jeweils von einem Raum umgeben oder jeweils ein Abschnitt von mehreren der Rohre ist gemeinsam in einem Raum angeordnet. Der Raum oder die Räume ist bzw. sind von einem zweiten, wärmeaufnehmenden Medium durchströmbar, wobei die Rohre zumindest in dem Abschnitt einen konstanten Außendurchmesser aufweisen. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre jeweils zumindest in mindestens einem Teilbereich des jeweiligen Abschnitts einen sich in Strömungsrichtung des ersten Mediums verjüngenden Innendurchmesser aufweisen.
Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager kann den Aufbau eines Rohrbündel Wärmeübertragers aufweisen, bei dem mehrere Rohre sich durch einen gemeinsamen Raum erstrecken. Durch den konstanten Außendurchmesser der Rohre zumindest in dem Abschnitt, der sich in dem gemeinsamen Raum befindet, wird sichergestellt, dass das zweite Medium in strömungstechnisch vorteilhafterweise die Rohre umströmen kann. Gleichzeitig wird der vorrichtungstechnische Aufwand vergleichsweise gering gehalten, da der erfindungsgemäße Wärmeübertrager weitestgehend wie ein herkömmlicher Wärmeübertrager aufgebaut sein kann. In einer alternativen Ausführungsform kann der Wärmeübertrager auch derart ausgestaltet sein, dass sich jedes Rohr durch einen eigenen Raum, der beispielsweise ringförmig um das jeweilige Rohr ausgebildet ist, erstreckt. Dadurch, dass die Rohre jeweils zunächst in den Teilbereich des jeweiligen Abschnitts ein sich in Strömungsrichtung des ersten Mediums verjüngenden Innendurchmesser aufweisen, kann erreicht werden, dass sich die Strömungsgeschwindigkeit des ersten Mediums entlang des Rohres auch bei einer Abkühlung des ersten Mediums und dadurch hervorgerufener Dichteänderung nicht oder nur in einem geringen Maße abnimmt und eine Grenzgeschwindigkeit nicht unterschritten wird. Bei vergleichsweise hoher Strömungsgeschwindigkeit, die somit beibehalten werden kann, wird eine hohe Schubspannung der Strömung an der Rohrinnenseite erreicht, so dass die Ablagerung von Partikeln verhindert werden kann oder schon abgelagerte Partikel von der Wand gelöst werden. Somit kann durch die vergleichsweise hohe Strömungsgeschwindigkeit das Rohr von Ablagerungen weitestgehend freigehalten werden oder sogar gereinigt werden.
Die Erfindung nutzt somit aus, dass durch die Verringerung des Innendurchmessers der Rohre die Strömungsgeschwindigkeit des ersten Mediums relativ erhöht und somit der Reduktion der Strömungsgeschwindigkeit aufgrund der Abkühlung und der sich daraus ergebenden Dichteänderung entgegengewirkt werden kann.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der jeweilige Teilbereich eines Rohres in Strömungsrichtung des ersten Mediums ein Endbereich des jeweiligen Abschnitts des Rohres bildet. Mit anderen Worten der Teilbereich eines Rohres, in dem eine Verjüngung des Innendurchmessers erfolgt, liegt im in Strömungsrichtung des ersten Mediums hinteren Teil des Rohres, der sich in dem jeweiligen Raum befindet. Dies hat den Vorteil, dass die Verjüngung des Innendurchmessers in dem Teil des Rohres erfolgt, in dem das erste Medium bereits stark abgekühlt ist und somit in dem Bereich, in dem die Neigung zum Fouling besonders ausgeprägt ist. Auf Grund der Verjüngung des Innendurchmessers bei konstantem Außendurchmesser nimmt die Rohrwanddicke des Rohres in diesem Bereich zu. Dadurch, dass die Verjüngung des Innendurchmessers jedoch in einem Teilbereich des Rohres erfolgt, der in einem vergleichsweise kühlen Abschnitt angeordnet ist, ist die Relevanz der Oberwanddicke für die Wärmeübertragung des bereits abgekühlten ersten Mediums auf das zweite Medium vernachlässigbar.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Teilbereich oder die Teilbereiche eines Rohres, in dem eine Verjüngung des Innendurchmessers erfolgt, eine Länge aufweist, die kumuliert zwischen 1/4 und 9/10 einer Gesamtlänge des Abschnitts beträgt.
Der Innendurchmesser der Rohre kann sich in dem Teilbereich jeweils kontinuierlich verjüngen. Auch besteht die Möglichkeit, dass der Innendurchmesser sich in dem Teilbereich gestuft verjüngt. Es kann auch vorgesehen sein, dass sich der Innendurchmesser in dem Teilbereich verjüngt, indem alternierend Rohrelemente mit sich konisch verjüngenden Innendurchmesser und Elemente mit konstantem Innendurchmesser angeordnet sind. Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, dass verschiedene Varianten der Verjüngung des Innendurchmessers kombiniert Anwendung finden.
Bei einem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager kann vorgesehen sein, dass um jedes Rohr ein Außenrohr angeordnet ist, wobei durch jedes Außenrohr jeweils einer der Räume gebildet ist. Der Wärmeübertrager kann somit in Form eines Doppelrohrwärmeübertragers ausgebildet sein.
Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass mehrere Rohre parallel in einem Mantelrohr angeordnet sind, wobei das Mantelrohr den Raum bildet.
Bei dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager kann vorgesehen sein, dass die Rohre in anderen, von dem Teilbereich unterschiedlichen Bereichen, einen konstanten Innendurchmesser aufweisen.
Das Material eines Rohres oder der Rohre wird in Abhängigkeit des wärmeabgebenden Mediums und des wärmeaufnehmenden Mediums gewählt. Ist beispielsweise das wärmeaufnehmende Medium eine Flüssigkeit, Wasser oder Wasser/Dampfgemisch, hat sich niedrig legierter Stahl, höher legierter Stahl bis hin zu Edelstahl als vorteilhaftes Rohrmaterial herausgestellt. Ist das wärmeaufnehmende Medium Luft, Prozessgas, Dampf, kann das Rohrmaterial niedrig legierter Stahl, höher legierter Stahl bis hin zu Edelstahl oder eine Nickelbasislegierung sein. Ein Rohr kann auch aus Teilabschnitten aus unterschiedlichen Rohrmaterialien bestehen.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers kann auch ein Rohr aufweisen, das von einem ersten, zu kühlenden Medium durchströmbar ist, wobei zumindest ein Abschnitt des Rohres von einem Raum umgeben ist, wobei der Raum von einem zweiten wärmeaufnehmenden Medium durchströmbar ist, und wobei das Rohr zumindest in dem Abschnitt einen konstanten Außendurchmesser aufweist, wobei das Rohr zumindest in einem Teilbereich des Abschnitt einen sich in Strömungsrichtung des ersten Mediums verjüngenden Innendurchmesser aufweist. Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers können auch die weiteren zuvor beschriebenen Merkmale verwirklicht sein.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren die Erfindung näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen
Wärmeübertragers in der Gesamtansicht,
Fign. 2a bis 2c schematische Schnittdarstellungen verschiedener Ausführungsformen eines Teilbereichs eines Rohres eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers, und
Fig. 3 eine schematische Detaildarstellung eines Rohres eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers in Form eines Doppelrohrs. Figur 1 ist ein erfindungsgemäßer Wärmeübertrager 1 schematisch im Schnitt dargestellt.
Der Wärmeübertrager weist eine Vielzahl von Rohren 3 auf, die parallel zueinander angeordnet sind. Die Rohre 3 durchlaufen einen Raum 5, der durch ein Mantelrohr 7 gebildet ist. In dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel, bei dem die Rohre 3 vertikal angeordnet sind, werden die Rohre 3 von einem ersten, zu kühlenden Medium von oben nach unten durchströmt. Grundsätzlich ist auch eine horizontale Anordnung möglich. Das erste Medium wird dabei über einen Einlass 9 in eine Einlasskammer 11 geleitet, durchströmt die Rohre 3, wobei es gekühlt wird, und gelangt dann in eine Auslasskammer 13. Über einen Auslass 15 wird das nun abgekühlte erste Medium aus dem Wärmeübertrager abgeleitet.
Ein zweites Medium, das die Wärme des ersten Mediums aufnehmen soll, wird durch den Raum 5 geleitet. Das zweite Medium wird durch einen zweiten Einlass 17 in den Raum 5 eingeleitet und durchströmt diesen zu einem zweiten Auslass 19. Das zweite Medium strömt dabei im Gegenstrom zu dem ersten Medium. Je nach Wärmeübertragungsaufgabe kann alternativ das zweite Medium in Gleichstrom zu dem ersten Medium strömen, indem es durch einen entsprechenden Einlass in den Raum 5 eingeleitet wird und diesen zu einem entsprechenden Auslass durchströmt.
Der Teil der Rohre 3, der sich in dem Raum 5 befindet, wird als Abschnitt 3a bezeichnet. Zumindest in diesem Abschnitt weisen die Rohre 3 jeweils einen konstanten Außendurchmesser A auf.
Die Rohre 3 weisen in einem Teilbereich des jeweiligen Abschnitts 3a ein sich in Strömungsrichtung des ersten Mediums verjüngenden Innendurchmesser i auf. Der Teilbereich 3b, in dem die Rohre 3 einen sich verjüngenden Innendurchmesser i aufweisen, erstreckt sich in dem dargestellten Ausführungsbeispiel über beispielsweise etwa 50% der Gesamtlänge des Abschnitts 3a, der sich in dem Raum 5 befindet, wobei der jeweilige Teilbereich 3b eines Rohres 3 jeweils einen Endbereich des jeweiligen Abschnitts 3a des jeweiligen Rohres 3 bildet. In dem übrigen Bereich der Rohre 3 weisen diese jeweils einen konstanten Innendurchmesser i auf.
Das erste Medium durchströmt nun die Rohre 3 und wird mittels des zweiten Mediums, das sich in dem Raum 5 befindet und die Rohre 3 umströmt, abgekühlt. Dadurch erfolgt eine Erhöhung der Dichte des ersten Mediums, so dass die Strömungsgeschwindigkeit des ersten Mediums in den Rohren 3 zunächst abnimmt. Um zu verhindern, dass die Strömungsgeschwindigkeit des ersten Mediums eine Grenzgeschwindigkeit unterschreitet, verjüngt sich der Innendurchmesser i der Rohre 3 in dem Teilbereich 3b, in dem das erste Medium bereits schon deutlich abgekühlt ist und somit entsprechend eine reduzierte Strömungsgeschwindigkeit aufweist. Durch die Verjüngung des Innendurchmessers der Rohre wird die Strömungsgeschwindigkeit des ersten Mediums wieder relativ erhöht, so dass der auf Grund der Abkühlung hervorgerufenen Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit entgegengewirkt wird. Dadurch kann verhindert werden, dass es zu Ablagerungen an der Rohrinnenseite kommen kann, da die Rohrgeschwindigkeit dieses verhindert oder sich ablagernde Partikel wieder mitreißen.
Durch das Vorsehen eines konstanten Außendurchmessers A der Rohre 3 wird eine gleichmäßige Umströmung der Rohre in Raum 5 in vorteilhafterweise ermöglicht.
In den Figuren 2a bis 2c sind verschiedene Varianten von Teilbereichen von Rohren 3 gezeigt, bei dem sich der Innendurchmesser i verjüngt. Bei Figur 2a verjüngt sich der Innendurchmesser i in Strömungsrichtung kontinuierlich. In Figur 2b ist eine stufenweise Verjüngung gezeigt. In Figur 2c wird die Verjüngung erreicht, in dem Abschnitt mit sich konisch verjüngenden Innendurchmesser und Abschnitte mit konstantem Innendurchmesser alternierend angeordnet sind. Je nach Einsatz, Zweck und verwendeten zu kühlendem ersten Medium bieten die verschiedenen Varianten Vor- und Nachteile. Beispielsweise ist eine gestufte Verjüngung konstruktiv einfach und kostengünstig herstellbar, jedoch können die Stufenformen im Fall eines partikelbeladenen ersten Mediums zu Erosionsangriff neigen oder strömungstechnisch ungünstig sein. Eine sich kontinuierlich verjüngender Querschnitt ist strömungstechnisch günstiger, führt jedoch zu einem herstellungstechnisch höheren Aufwand.
Der in Figur 1 dargestellte Wärmeübertrager 1 weist die Bauform eines klassischen Rohrbündelwärmeübertragers auf, bei dem parallel verlaufende Rohre 3 durch ein Mantelrohr 7 gebildeten Raum 5 gemeinsam durchlaufen. Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, dass der Wärmeübertrager als Doppelrohrwärmeübertrager ausgebildet ist. In Figur 3 ist ein derartiges Doppelrohr schematisch im Schnitt dargestellt. Das Rohr 3 ist dabei von einem Außenrohr 21 umgeben. Der zwischen dem Rohr 3 und dem Außenrohr gebildete Ringspalt bildet den Raum 5, durch den das zweite Medium strömen kann.
Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager 1 hat den Vorteil, dass auf konstruktiv einfache Art und Weise Fouling an der Rohrinnenseite reduziert oder vermieden werden kann, so dass Ausfallzeiten des Wärmeübertragers 1 für die Reinigung der Rohre 3 reduziert werden können.
Das erste Medium kann beispielsweise ein Prozessgas oder Luft sein. Das wärmeaufnehmende zweite Medium kann Prozessgas, Luft, Wasser, eine andere Flüssigkeit, Dampf oder ein Gemisch aus Wasser/Dampf sein. Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager 1 ist beispielsweise zur Kühlung von Prozessgasen bei hohen Temperaturen, beispielsweise zwischen 700 und 1.500°C einsetzbar. Bezuaszeichenliste
Wärmeübertrager
Rohr a Abschnitt b Teilbereich
Raum
Mantelrohr
Einlass 1 Einlasskammer 3 Auslasskammer 5 Auslass 7 zweiter Einlass 9 zweiter Auslass 1 Außenrohr

Claims

Patentansprüche Wärmeübertrager (1) mit mehreren Rohren (3), die von einem ersten, zu kühlenden Medium durchströmbar sind, wobei zumindest ein Abschnitt (3a) der Rohre (3) jeweils von einem Raum (5) umgeben ist oder jeweils ein Abschnitt (3a) von mehreren der Rohre (3) gemeinsam in einem Raum (5) angeordnet ist, wobei der Raum (5) oder die Räume (5) von einem zweiten wärmeaufnehmenden Medium durchströmbar ist bzw. sind, und wobei die Rohre (3) zumindest in dem Abschnitt (3a) einen konstanten Außendurchmesser (A) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (3) jeweils zumindest in mindestens einem Teilbereich (3b) des jeweiligen Abschnitts (3a) einen sich in Strömungsrichtung des ersten Mediums verjüngenden Innendurchmesser (i) aufweisen. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Teilbereich (3b) eines Rohres (3) in Strömungsrichtung des ersten Mediums einen Endbereich des jeweiligen Abschnitts (3a) des Rohres (3) bildet. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilbereich (3b) oder die Teilbereiche (3b) eine Länge aufweist, die zwischen 25% und 90% einer Gesamtlänge des Abschnitts (3a) beträgt. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Innendurchmesser (i) in dem Teilbereich (3b) kontinuierlich verjüngt. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Innendurchmesser (i) in dem Teilbereich (3b) gestuft verjüngt. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Innendurchmesser verjüngt, indem alternierend Teilbereiche (3b) mit sich konisch verjüngenden Innendurchmesser (i) und Elemente mit konstanten Innendurchmesser (i) angeordnet sind. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass um jedes Rohr ein Außenrohr angeordnet ist, wobei durch jedes Außenrohr jeweils einer der Räume gebildet ist. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Rohre parallel in einem Mantelrohr angeordnet sind, wobei das Mantelrohr den Raum bildet. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre in anderen, von dem Teilbereich unterschiedlichen Bereichen einen konstanten Innendurchmesser aufweisen. Wärmeübertrager (1) mit einem Rohr (3), das von einem ersten, zu kühlenden Medium durchströmbar ist, wobei zumindest ein Abschnitt (3a) des Rohres (3) von einem Raum (5) umgeben ist, wobei der Raum (5) von einem zweiten wärmeaufnehmenden Medium durchströmbar ist, und wobei das Rohr (3) zumindest in dem Abschnitt (3a) einen konstanten Außendurchmesser aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (3) zumindest in einem Teilbereich (3b) des Abschnitt (3a) einen sich in Strömungsrichtung des ersten Mediums verjüngenden Innendurchmesser (i) aufweist.
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