CH660075A5 - COUNTERFLOW PIPE HEAT EXCHANGER. - Google Patents

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Gegen-strom-Röhren-Wärmetauscher. The present invention relates to a countercurrent tube heat exchanger.

Es sind solche Wärmetauscher bekannt, bei welchen in einem zylindrischen Mantelrohr, das vom einen der beiden Medien durchströmt wird, mehrere achsparallele und im Abstand nebeneinander angeordnete Innenrohre vorgesehen sind, die in Parallelschaltung vom anderen Medium im Gegenstrom durchströmt werden. Bei kleinen Medienströmen und grossen Temperaturveränderungen lässt sich meist kein idealer Gegenstromaustausch in einem Apparat verwirklichen. Um dies zu vermeiden, sind Rohrbündel-Wärmetauscher in sehr langer Bauform, z. B. zwischen 10 und 50 m Länge, erforderlich, was aus konstruktiven und baulichen Gründen meist nicht wirtschaftlich realisierbar ist. In der Praxis wurden demzufolge mehrere solche Wärmetauscher in Serie geschaltet, was zu entsprechend hohen Investitionskosten führt, oder es wurden Rohrbündel-Wärmetau-scher mit mehrmaligem Durchgang des Wärme aufnehmenden Mediums vorgesehen, was infolge des nicht idealen Gegenstroms den Austauschgrad verschlechtert; es sind auch Doppelrohr-Wärmetauscher in Schlangenform, also mit einer Vielzahl von 180°-Umlenkungen, vorgeschlagen worden, die infolge hohen Druckabfalls zu hohen Energiekosten für die notwendigen Pumpen führen. Die Erfindung bezweckt demgegenüber die Schaffung eines Gegenstrom-Röhren-Wärmetauschers, der mit einem einzigen, mit idealem Gegenstrom und einzigem Durchgang arbeitet und trotzdem auf kleinstem Raum eine fast beliebig grosse Länge der medienführenden Rohre ermöglicht. Such heat exchangers are known in which a cylindrical jacket tube through which one of the two media flows has a plurality of inner tubes which are parallel to the axis and spaced apart from one another and through which the other medium flows in countercurrent in parallel connection. With small media flows and large temperature changes, an ideal countercurrent exchange can usually not be achieved in one device. To avoid this, tube bundle heat exchangers in a very long design, e.g. B. between 10 and 50 m in length, which is usually not economically feasible for design and structural reasons. In practice, several such heat exchangers were consequently connected in series, which leads to correspondingly high investment costs, or tube-bundle heat exchangers with repeated passage of the heat-absorbing medium were provided, which worsens the degree of exchange due to the non-ideal countercurrent; double-tube heat exchangers in the form of a snake, that is to say with a multiplicity of 180 ° deflections, have also been proposed which, as a result of the high pressure drop, lead to high energy costs for the necessary pumps. In contrast, the invention aims to create a countercurrent tube heat exchanger, which works with a single, with ideal countercurrent and single passage and still allows an almost arbitrarily large length of the media-carrying tubes in the smallest space.

Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass in einem das eine Medium führenden Mantelrohr mindestens zwei gleichlaufende, das andere Medium im Gegenstrom führende Innenrohre vorgesehen sind, wobei dieses aus Mantelrohr und Innenrohren bestehende Rohrbündel über einen Grossteil seiner Länge mit stetiger Krümmung um eine zentrale Achse gewickelt ist. Damit lässt sich auf relativ kleinem Raum ein Wickel grosser Rohrlänge mit relativ eng benachbarten Windungen bilden. Die Wickelwindungen können Schraubenlinien- oder spiralförmig verlaufen. Dank stetiger Krümmung des grössten Teils des aus Mantel- und Innenrohren gebildeten Rohrbündels sind relativ grosse Krümmungsradien und entsprechend geringe Druckverluste erreichbar. Es versteht sich, dass durch Parallelschalten mehrerer solcher Wärmetauscher, z. B. durch Ineinanderschachteln zylindrischer oder übereinander angeordneter spiralförmiger Rohrwickel, die Durchsatzmenge bei kleinstem Raumbedarf erheblich gesteigert werden kann. According to the invention, this is achieved in that at least two parallel inner tubes carrying the medium are provided in a jacket tube carrying the medium, the other medium flowing in countercurrent, this tube bundle consisting of jacket tube and inner tubes being wound over a large part of its length with a constant curvature about a central axis . In this way, a coil of large tube length with relatively closely adjacent turns can be formed in a relatively small space. The winding turns can be helical or spiral. Thanks to the constant curvature of the majority of the tube bundle formed from jacket and inner tubes, relatively large radii of curvature and correspondingly low pressure losses can be achieved. It is understood that by connecting several such heat exchangers in parallel, for. B. by nesting cylindrical or superposed spiral tube coils, the throughput can be increased significantly in the smallest space.

In der beiliegenden Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Wärmetauschers dargestellt. In der Zeichnung zeigt: Exemplary embodiments of the heat exchanger according to the invention are shown in the accompanying drawing. The drawing shows:

Fig. 1 in Draufsicht ein zu einem Zylinderwickel geformter Gegenstrom-Röhren-Wärmetauscher, 1 is a plan view of a countercurrent tube heat exchanger formed into a cylinder coil,

Fig. 2 eine Seitenansicht des Wärmetauschers nach Fig. 1, 2 shows a side view of the heat exchanger according to FIG. 1,

Fig. 3 in grösserem Massstab und im Axialschnitt ein Kopfstück mit Anschlussstutzen des Wärmetauschers nach Fig. 1 und 2, 3 on a larger scale and in axial section a head piece with connection piece of the heat exchanger according to FIGS. 1 and 2,

Fig. 4 u. 5 je einen Querschnitt durch die Rohrgruppe eines Wärmetauschers mit unterschiedlicher Innenrohrzahl, und Fig. 4 u. 5 each a cross section through the tube group of a heat exchanger with a different number of inner tubes, and

Fig. 6 in Draufsicht ein zu einem Spiralwickel geformter Wärmetauscher. Fig. 6 is a plan view of a heat exchanger formed into a spiral wrap.

Der in Fig. 1 bis 3 gezeigte Wärmetauscher besteht im Wesentlichen aus einem Bündel gleichlaufender Innenrohre 1 und einem diese einschliessenden Mantelrohr 2. Diese Rohrgruppe 1,2 ist schraubenlinienförmig zu einem zylindrisch einstückigen Wickel geformt, der mittels an den Windungen angreifenden Klammern 3 stehend an Stützen 4 gehaltert ist. An den beiden Endpartien des Mantelrohres 2 sind erweiterte Rohrstücke 2a angeschweisst, die durch eine gelochte Stirnplatte 5 abgeschlossen und mit einem Seitenstutzen 2b versehen sind. Durch die Öffnungen 5a der Stirnplatte 5 führen die Enden der an dieser Platte fixierten Innenrohre 1, wo sie in einen an der Platte 5 angeschweissten Stutzen 6 münden. The heat exchanger shown in FIGS. 1 to 3 essentially consists of a bundle of inner tubes 1 running in the same direction and a jacket tube 2 enclosing them. This tube group 1, 2 is shaped helically to form a cylindrical, one-piece coil, which stands on supports by means of clips 3 acting on the windings 4 is supported. At the two end parts of the tubular casing 2, expanded pipe sections 2a are welded, which are closed off by a perforated end plate 5 and are provided with a side connector 2b. The ends of the inner tubes 1 fixed to this plate lead through the openings 5a of the end plate 5, where they open into a socket 6 welded to the plate 5.

Beim gezeichneten Beispiel wird beim Betrieb dieses Wärmetauschers den Innenrohren 1 durch den oberen Stutzen 6 ein Wärmeträger, z.B. ein geeignetes Thermalöl, zugeführt, das den Wärmetauscher durch den unteren Stutzen 6 wieder verlässt, während im Gegenstrom hierzu dem Mantelrohr 2 durch den unteren Seitenstutzen 2b das zur Wärmeaufnahme bestimmte Medium zugeführt und durch den oberen Seitenstutzen 2b dem Wärmetauscher wieder entnommen wird. In the example shown, during operation of this heat exchanger, a heat transfer medium, e.g. a suitable thermal oil, which leaves the heat exchanger through the lower connection piece 6, while in countercurrent to the jacket pipe 2 through the lower side connection piece 2b, the medium intended to absorb heat and is removed through the upper side connection piece 2b from the heat exchanger.

Es versteht sich, dass je nach Verwendungszweck die Zahl der Innenrohre 1, z.B. zwischen zwei und sieben, variieren kann. Dank der Wickelform lässt sich so ein Gegenstrom-Wärmetauscher mit einmaligem Durchgang von erheblicher Länge auf relativ kleinem Raum unterbringen. Es versteht sich, dass in dem ungenützten Innenraum des zylindrischen Wickels ein weiterer solcher Wärmetauscherwickel entsprechend kleineren Durchmessers angeordnet werden kann. Anstatt stehend kann der zylindrische Wickel natürlich auch liegend angeordnet sein. Dank stetiger Krümmung und relativ grossem Krümmungsradius stellt das einstückige Wik-keln der Rohrgruppe keinerlei Probleme; enge, separat einzufügende Rohrbogen, wie sie bei den bekannten, mäander- It goes without saying that, depending on the intended use, the number of inner tubes 1, e.g. can vary between two and seven. Thanks to the winding shape, a counterflow heat exchanger with a single pass of considerable length can be accommodated in a relatively small space. It goes without saying that a further heat exchanger coil of this type with a correspondingly smaller diameter can be arranged in the unused interior of the cylindrical coil. Instead of standing up, the cylindrical winding can of course also be arranged lying down. Thanks to the constant curvature and relatively large radius of curvature, the one-piece winding of the tube group poses no problems; narrow, separately inserted pipe bends, as used in the known, meandering

s s

10 10th

15 15

20 20th

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förmigen Rohrschlangen bekannt sind, fallen weg. In der Praxis hat sich gezeigt, dass das Biegen des Rohrbündels mit stetiger Krümmung zu einem wenigstens annähernd zylindrischen bzw. spiralförmigen Wickel (auch leichte Ovalität kann aus Platzgründen vorteilhaft sein) je nach Zahl und Grösse der Innenrohre 1 bzw. Durchmesser des Mantelrohres 2 die verschiedensten Biegeradien und damit Wickelradien zulässt. Beispielsweise können in einem 5 mm starken Mantelrohr 2 von etwa 90 mm Durchmesser sieben 2 mm starke Innenrohre 1 von je etwa 25 mm Durchmesser angeordnet sein, wobei sich dieses Rohrbündel 1,2 schrau-benlinienförmig zu einem zylindrischen Wickel vòn 1.75 m Durchmesser biegen lässt. Anschliessend an das bis zur gewünschten Zylinderhöhe vorgenommene Biegen auf einer Rohrbiegemaschine werden das erweiterte Mantelrohrstück 2a, die in die Öffnungen 5a der Stirnplatten 5 eingeführten Enden der Innenrohre 1 und der Stutzen 6 an den Stirnplatten 5 festgeschweisst. Nun kann der Wickel mittels der Klammern 3 an den Stutzen 4 lagerichtig fixiert werden. Das gewählte Durchmesserverhältnis von Mantelrohr 2 und Wickel von etwa 1:20 ermöglicht ein einwandfreies Biegen des Rohrbündels, und grössere Druckverluste durch übermässige Umlenkungen der Medienströme werden vermieden. Praktische Versuche haben gezeigt, dass man den Wickeldurchmesser in relativ weiten Grenzen variieren kann; so kann bei Verwendung eines Mantelrohrs von ca. 60 mm, was immer noch genügend Platz für mindestens zwei Innenrohre schafft, ein Wickel von nur etwa 500 mm Durchmesser erzeugt werden, ohne den Druckverlust durch allzu enge Windungen unzulässig hoch zu machen oder das einwandfreie Biegen des Rohrbündels zu verunmöglichen. Ist genügend Platz vorhanden, um z.B. einen Wickel mit etwa 2000 mm Durchmesser zu schaffen, so kann ein Mantelrohr von bis zu 200 mm Durchmesser verwendet werden. shaped coils are known to be eliminated. In practice, it has been shown that the bending of the tube bundle with a constant curvature to form an at least approximately cylindrical or spiral-shaped winding (even slight ovality can be advantageous for reasons of space), depending on the number and size of the inner tubes 1 and the diameter of the jacket tube 2, the most varied Bending radii and thus allow winding radii. For example, seven 2 mm thick inner tubes 1, each about 25 mm in diameter, can be arranged in a 5 mm thick casing tube 2 of about 90 mm in diameter, this tube bundle 1, 2 being able to bend in a screw-line shape to form a cylindrical coil of 1.75 m in diameter. Following the bending carried out to the desired cylinder height on a pipe bending machine, the expanded jacket pipe section 2a, the ends of the inner pipes 1 inserted into the openings 5a of the end plates 5 and the connecting piece 6 are welded to the end plates 5. Now the winding can be fixed in the correct position by means of the clamps 3 on the nozzle 4. The selected diameter ratio of jacket tube 2 and winding of about 1:20 enables the tube bundle to be bent properly, and greater pressure losses due to excessive deflections of the media flows are avoided. Practical tests have shown that the winding diameter can be varied within relatively wide limits; So when using a jacket tube of approx. 60 mm, which still creates enough space for at least two inner tubes, a coil of only about 500 mm in diameter can be produced without making the pressure loss through excessively narrow windings impermissibly high or the perfect bending of the To make tube bundle impossible. Is there enough space to e.g. to create a coil with a diameter of about 2000 mm, a jacket tube of up to 200 mm in diameter can be used.

In Fig. 6 ist in Draufsicht ein zu einer ebenen Spirale stetig gekrümmter Rohrbündelwickel gezeigt, der beispielsweise im Mantelrohr 2 nur zwei gleichlaufende Innenrohre 1 auf-5 weist. Mehrere solche Spiralwickel lassen sich, auf entsprechenden Stützen gehalten, auch schichtweise übereinander anordnen. 6 shows a top view of a tube bundle winding which is continuously curved to form a flat spiral and which, for example, has only two inner tubes 1 of the same direction in the jacket tube 2. Several such spiral wraps can be arranged in layers one above the other, held on appropriate supports.

Es hat sich ausserdem zweckmässig erwiesen, die Innenrohre 1 sowohl unter sich als auch vom Mantelrohr 2 so zu io distanzieren, dass sie allseitig vom im Mantelrohr strömenden Medium umspült sind. Als Distanzelemente lassen sich um die Innenrohre gelegte Drahtringe, Drahtspiralen oder Nocken verwenden. It has also proven expedient to distance the inner tubes 1 both below themselves and from the jacket tube 2 so that they are flushed on all sides by the medium flowing in the jacket tube. Wire rings, wire spirals or cams placed around the inner tubes can be used as spacer elements.

Die beschriebenen Wärmetauscher lassen sich als Vor-15 wärmer bzw. Erhitzer oder Kühler von Produktmedien, wie z.B. zur Desodorisation von Speiseöl (durch Erhitzen auf 270°C) verwenden, wobei als Wärmeträger z.B. Druckwasser oder Thermalöl verwendbar ist. Das Aufheizen des Wärmeträgers kann bei zylindrischem Wickel direkt durch einen im letzteren angeordneten Brenner erfolgen, wobei eine Pumpe für den geschlossenen Umlauf des Wärmeträgers sorgt. Ein weiteres bevorzugtes Verwendungsgebiet ist die Dampferzeugung oder die Dampfumformung. The heat exchangers described can be used as preheaters or heaters or coolers for product media, e.g. for deodorization of cooking oil (by heating to 270 ° C), using e.g. Pressurized water or thermal oil can be used. In the case of a cylindrical winding, the heat transfer medium can be heated directly by a burner arranged in the latter, a pump ensuring the closed circulation of the heat transfer medium. Another preferred area of use is steam generation or steam conversion.

Die beschriebenen Wärmetauscher können aus relativ dünnwandigen rostfreien Stahlrohren platz- und gewichtssparend hergestellt werden und ihre Montage ist einfach. Dank idealem Gegenstrom auf der relativ grossen Durchflusslänge mit entsprechend grosser Wärmeaustauschfläche lässt sich ein fast 100%iger Wärmeaustauschgrad erzielen. Die stetige Krümmung ermöglicht die Einhaltung relativ grosser Krümmungsradien mit entsprechend geringem Druckabfall und somit niedriger Pumpenleistung. The heat exchangers described can be made from relatively thin-walled stainless steel tubes in a space- and weight-saving manner and their assembly is simple. Thanks to the ideal counterflow on the relatively large flow length with a correspondingly large heat exchange surface, an almost 100% degree of heat exchange can be achieved. The constant curvature enables the observance of relatively large radii of curvature with a correspondingly low pressure drop and thus low pump output.

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3 Blatt Zeichnungen 3 sheets of drawings

Claims (7)

660 075660 075 1. Gegenstrom-Röhren-Wärmetauscher, dadurch gekennzeichnet, dass in einem das eine Medium führenden Mantelrohr (2) mindestens zwei gleichlaufende, das andere Medium im Gegenstrom führende Innenrohre (1) vorgesehen sind, wobei dieses aus Mantelrohr und Innenrohren bestehende Rohrbündel (1,2) über einen Grossteil seiner Länge mit stetiger Krümmung um eine zentrale Achse gewickelt ist. 1. countercurrent tube heat exchanger, characterized in that in a jacket tube (2) carrying a medium, at least two synchronized inner tubes (1) leading the other medium are provided, this tube bundle consisting of jacket tube and inner tubes (1, 2) is wound over a large part of its length with a constant curvature around a central axis. 2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mantelrohr (2) beiderends über ein erweitertes, mit einem Seitenstutzen (2b) für Zu- bzw. Wegfuhr des einen Mediums versehenes Rohrstück (2a) an einer gelochten Stirnplatte (5) befestigt ist, durch deren Löcher (5a) die Enden der Innenrohre (1) in einen an der Stirnplatte (5) befestigten Anschlussstutzen (6) zur Weg- bzw. Zufuhr des andern Mediums münden. 2. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the jacket tube (2) is attached to a perforated end plate (5) at both ends via an enlarged, with a side connector (2b) for supplying or removing the medium piece of pipe section (2a) , through the holes (5a) of which the ends of the inner tubes (1) open into a connection piece (6) attached to the end plate (5) for the removal or supply of the other medium. 2 2nd PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS 3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrbündel (1,2) schraubenlinien-förmig zu einem wenigstens annähernd zylindrischen Wickel geformt ist. 3. Heat exchanger according to claim 1 or 2, characterized in that the tube bundle (1,2) is helically shaped to form an at least approximately cylindrical coil. 4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickel an achsparallelen Stützen (4) gehaltert ist. 4. Heat exchanger according to claim 3, characterized in that the winding is supported on axially parallel supports (4). 5. Wärmetauscher nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Mantelrohr (2) einen Durchmesser von mindestens 60 und höchstens 200 mm aufweist, wobei das Verhältnis von Wickeldurchmesser zu Mantelrohrdurchmesser bei den kleineren Mantelrohren mindestens 8:1 und bei den grösseren Mantelrohren mindestens 16:1, zweckmässig aber 20:1 beträgt. 5. Heat exchanger according to claim 3 or 4, characterized in that the jacket tube (2) has a diameter of at least 60 and at most 200 mm, the ratio of the winding diameter to the jacket tube diameter in the smaller jacket pipes at least 8: 1 and in the larger jacket pipes at least 16: 1, but expediently 20: 1. 6. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrbündel (1,2) spiralförmig zu einem ebenen Wickel geformt ist. 6. Heat exchanger according to claim 1 or 2, characterized in that the tube bundle (1,2) is shaped spirally to form a flat coil. 7. Wärmetauscher nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenrohre (1) sowohl gegenseitig als auch vom Mantelrohr (2) im Abstand gehalten sind. 7. Heat exchanger according to claim 3 or 5, characterized in that the inner tubes (1) are kept at a distance both from one another and from the casing tube (2).