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Die
Erfindung betrifft einen Doppelrohrsicherheitswärmeübertrager gemäß den Merkmalen im
Oberbegriff des Anspruchs.
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Die
Haupteinsatzgebiete eines solchen Doppelrohrsicherheitswärmeübertragers
(DSWÜ) sind
die Kühlung
von Ölen
sowie die Chemie- und Prozesstechnik. Aufgrund des Sachverhalts,
dass die 1. Austauscherrohre von 2. Austauscherrohren in Längsrichtung
durchsetzt und einerseits die 1. Austauscherrohre und andererseits
die 2. Austauscherrohre mit ihren Enden jeweils für sich in
1. Rohrböden und
2. Rohrböden
dicht festgelegt sind, wird bei einer eventuellen Leckage mit Sicherheit
verhindert, dass eine Vermischung der im Wärmeaustausch stehenden Fluide
erfolgen kann. Hierdurch wird auch eine sichere Betriebsweise erreicht.
Die jeweilige Vorrichtung, die Prozessfluide und die Umwelt werden
geschützt.
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Sofern
der Betriebs- und Belastungszustand eines DSWÜ als weitgehend unkritisch
angesehen werden kann, sieht die Praxis im Umfang des Prospekts "TECHNISCHE DOKUMENTATION
DOPPELROHRTECHNIK" der
Firma Renzmann & Grünewald GmbH,
Monzingen vor, die einander jeweils benachbarten 1. und 2. Rohrböden durch
Verschraubung unmittelbar miteinander zu verbinden. Da aufgrund
des weitgehend unkritischen Betriebs- und Belastungszustands keine
größeren Spannungen
zwischen den benachbarten 1. und 2. Rohrböden einerseits und zwischen
den Doppelrohren (1. und 2. Austauscherrohre) andererseits auftreten
können,
ist keine Gefahr für
einen schadensfreien Betrieb des DSWÜ gegeben. Im wesentlichen handelt
es sich hierbei meistens um einen stationären Betriebszustand.
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Wenn
jedoch z.B. beim instationären
Betrieb die zu erwartende Belastung größer wird, wird auch der DSWÜ thermisch
höher und
damit stärker
belastet. Auch werden häufige
An- und Abfahrvorgänge während der
Lebensdauer eines DSWÜ gefordert. So
kann es z.B. bei der Gasvorwärmung
(u.a. bei Erdgasen), wo als zu heizendes Medium Wasser, Dampf, Öl oder heiße Luft
verwendet wird, zur überkritischen
Beanspruchung kommen. Insbesondere können sich beim An- und Abfahren
des DSWÜ heiße oder
kalte Pfropfen in der Vorrichtung bilden. Dabei kann besonders die
gasseitige Verbindung zwischen dem 1. Rohrboden und dem Mantel des
Austauschraums zwischen den beiden 1. Rohrböden mit einem Temperaturschock
beaufschlagt werden. Auch die Verbindungen zwischen den jeweils
einander benachbarten 1. und 2. Rohrböden stellen kritische Stellen
dar.
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Die
FR 2 603 693 A1 offenbart
eine Vorrichtung zum Abkühlen
eines in einem Kernreaktor erhitzten liquiden Natriums. Dazu erstrecken
sich zwischen einer Zuströmkammer
für kaltes
Wasser und einer Abströmkammer
für Wasserdampf
Innenrohre. Die Enden der Innenrohre sind in Platten eingeschweißt, welche
die Kammern von Räumen
abtrennen, die mit einem inerten Gas, wie beispielsweise Stickstoff,
beaufschlagbar sind.
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Die
die Zuströmkammer
mit der Abströmkammer
verbindenden Innenrohre durchsetzen mit radialem Abstand Außenrohre,
welche in zweiten Platten durch Schweißung dicht festgelegt sind.
Der Raum zwischen den Innenrohren und den Außenrohren wird durch ein Wärme gut
leitendes Material, wie insbesondere porösem Kupfer, ausgefüllt. Mit
Längsnuten
versehene Hülsen
im Bereich der zweiten Platten kammern dieses Material.
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Das
liquide Natrium wird über
einen Ringraum und eine umfangsseitige Öffnung am oberen Ende eines
zylindrischen Mantelbereichs eingebracht, welcher zwischen den zweiten
Platten die Außenrohre
umschließt.
Das Natrium kann dann die Außenrohre
umströmen
und tritt durch eine umfangsseitige Öffnung am unteren Ende des
Mantelbereichs gekühlt
in einen Ringraum aus, von dem es wieder dem Kernreaktor zugeführt wird.
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In
die Wandung des Mantelbereichs ist ein Kompensator integriert. Ferner
ist ein Kompensator zwischen der Wandung des unteren Ringraums und der
die untere Zuströmkammer
begrenzenden Platte eingegliedert.
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Aus
der
DE 1 117 148 B geht
eine Vorrichtung hervor, die weitgehend derjenigen gemäß dem eingangs
genannten Prospekt entspricht, lediglich mit dem Unterschied, dass
die Räume
zwischen den ersten Rohrböden
und den zweiten Rohrböden
axial länger
bemessen sind.
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Der
Erfindung liegt – ausgehend
vom Stand der Technik – die
Aufgabe zugrunde, einen Doppelrohrsicherheitswärmeübertrager zu schaffen, bei welchem
unabhängig
von dem jeweiligen Betriebs- und Belastungszustand (stationär oder instationär) eine
Ermüdung
der kritischen Stellen vermieden wird.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in den Merkmalen des Patentanspruchs.
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Danach
werden jetzt die einander benachbarten 1. und 2. Rohrböden an den
Enden des Doppelrohrsicherheitswärmeübertragers
(DSWÜ) gezielt
in einem größeren Abstand
zueinander angeordnet. Ferner werden zwischen den mit der Wandung
des zentralen Austauschraums verschweißten 1. Rohrböden und
dem jeweils benachbarten 2. Rohrboden mantelseitige Ausgleichselemente
eingeschweißt.
Die Integration von Ausgleichselementen zwischen den 1. Rohrböden und
den 2. Rohrböden fängt einerseits
die temperaturbedingte Dehnung zwischen den 1. und 2. Rohrböden auf
und vermindert andererseits die Gefahr des Abscherens der Austauscherrohre
an den Rohrböden.
In anderen kritischen Belastungssituationen, wie etwa bei Erdgasvorwärmern, führt die
erfindungsgemäße Ausbildung zu
Vorteilen für
einen sicheren Betrieb. Die Variationsbreite der Anwendungsmöglichkeiten
eines DSWÜ wird
größer, so
dass neben der Energietechnik auch Anwendungsfälle in der Chemie und Prozesstechnik
sowie bei anderen kritischen Betriebsweisen in der Industrie jetzt
beherrschbar werden.
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Die
Erfindungs teilt eine optimale Gestaltungslösung dar, weil sie sowohl die
thermischen Belastungen beim Aufheizen und Abfahren als auch Termperaturschockbedingungen
einwandfrei abfangen kann. Es können
Betriebsbedingungen bis zu einem Druck von über 200 bar und Temperaturen
von bis zu 1200°C
ohne Ausfallrisiko erfüllt
werden. Als im Wärmeaustausch
stehende Fluide kommen gasförmige,
flüssige,
kondensierende oder verdampfende Fluide in Betracht.
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Die
Wanddicke der Ausgleichselemente hängt von den örtlichen
Betriebsbedingungen, wie Druck, Temperatur, Fluid usw. ab. Sie muss
so bemessen sein, dass sie den jeweiligen maximalen Betriebsbelastungen
sowohl auf der Rohr- als
auch auf der Mantelseite standhalten kann. Die Länge der Ausgleichselemente
hängt neben
den vorgenannten Bedingungen außerdem
von der jeweiligen Betriebsweise des DSWÜ ab. Insbesondere die An- und
Abfahrsituationen des DSWÜ und
die im Betrieb auftretenden instationären Betriebsbedingungen bestimmen
die Abmessungen der Ausgleichselemente. Diese Abmessungen können ohne
weiteres durch Finite Elementenberechnungen genau fixiert werden.
Dadurch ist die Erfindung hinsichtlich der Gestaltungsform des DSWÜ sowie in
der freien Wahl der Betriebsdrücke
und Temperaturen als auch der Werkstoffe auf der Rohr- oder Mantelseite
sehr flexibel. Werkstoffkombinationen, wie z.B. Stahl, Edelstahl usw.
sind ohne weiteres vorstellbar.
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Das
Gehäuse
des DSWÜ ist
bevorzugt langgestreckt und zylindrisch. Denkbar ist aber auch ein im
Querschnitt mehreckiges Gehäuse
mit der Folge, dass die Ausgleichselemente dieser Kontur dann anzupassen
sind.
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Vorstellbar
ist ferner eine Ausführungsform, gemäß welcher
die Ausgleichselemente als Kompensatoren ausgebildet sind.
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Die
Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung schematisch
veranschaulichten Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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Die
Figur zeigt im vertikalen Längsschnitt eine
Hälfte
eines Doppelrohrsicherheitswärmeübertragers,
nachfolgend kurz DSWÜ genannt,
welcher beispielsweise in der Kraftwerksindustrie zur Vorwärmung von Ölen eingesetzt
wird.
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Der
DSWÜ besitzt
ein langgestrecktes zylindrisches Gehäuse 1 mit einem zentralen
Austauschraum 2, der über
einen Anschlussstutzen 3 mit einem 1. Fluid A, beispielsweise
Wasser, beaufschlagt wird. Das 1. Fluid A durchströmt dann
den Austauschraum 2 entlang eines durch eingeschweißte Schikanen 4 vorbestimmten,
gemäß den Pfeilen
PF mehrfach umgelenkten Wegs und tritt über einen Anschlussstutzen 5 wieder
aus. Während
seines Wegs durch den Austauschraum 4 umströmt das 1.
Fluid A 1. Austauscherrohre 6, die am Umfang mit Rippen 7 versehen sind.
Die Enden 8 der 1. Austauscherrohre 6 sind dicht
in 1. Rohrböden 9, 10 befestigt,
die im Abstand X zueinander angeordnet sind. Die 1. Rohrböden 9, 10 sind
am Umfang mit der zylindrischen Wandung 11 des Austauschraums 2 verschweißt. Die
Anschlussstutzen 3 und 5 sind in entsprechende Öffnungen 12 in
der Wandung 11 eingeschweißt.
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Die
1. Austauscherrohre 6 werden in Längsrichtung von 2. Austauscherrohren 13 durchsetzt,
die mit ihren Enden 14 in 2. Rohrböden 15, 16 dicht
fixiert sind. Die 2. Rohrböden 15, 16 erstrecken
sich im Abstand L parallel zu den 1. Rohrböden 9, 10.
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Die
jeweils einander benachbarten 1. und 2. Rohrböden 9, 15 und 10, 16 sind
durch ein sich in Längsrichtung
der Wandung 11 des Austauschraums 2 erstreckendes
zylindrisches, mantelseitiges Ausgleichselement 17 durch
Schweißnähte 18 miteinander
verbunden. Die Wanddicke D dieser Ausgleichselemente 17 und
ihre Länge
L1 wird durch Finite Elementenberechnungen in Abhängigkeit
von den jeweiligen Betriebs- und Belastungszuständen des DSWÜ festgelegt.
Die Ausgleichselemente 17 fangen thermische Belastungen
beim Aufheizen und Abfahren des DSWÜ als auch die Temperaturschockbedingungen
sicher auf.
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Der
durch den 1. Rohrboden 9, den 2. Rohrboden 15 und
ein Ausgleichselement 17 gebildete Ausgleichsraum 19 ist über den
2. Rohrboden 15 mit einem Anschluss 20 zur Leckageüberwachung
versehen.
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Sowohl
der Ausgleichsraum 19 als auch der durch den 1. Rohrboden 10,
den 2. Rohrboden 16 und das Ausgleichselement 17 begrenzte
Ausgleichsraum 21 können
bei Bedarf mit einem zu bestimmenden Medium geflutet werden. Der
Zweck ist, im Schadensfall in die Ausgleichsräume 19, 21 ein neutralisierendes
Medium, z.B. Stickstoff, einzuschleusen, um z.B. die Zündgrenze
herabzusetzen (bei brennbaren Gasen) oder eine insgesamt neutrale
Atmosphäre
zu schaffen.
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Die
2. Rohrböden 15, 16 begrenzen
auf den einander abgewandten Seiten je eine Zuströmkammer 22 und
eine Abströmkammer 23 für das 2.
Fluid B in Form von z. B. Erdgas. Das 2. Fluid B strömt über einen
Anschlussstutzen 24 in die Zuströmkammer 22, durchströmt die 2.
Austauscherrohre 13, gelangt im Bereich des Austauschraums 2 in
einen Wärme
austauschenden indirekten Kontakt mit dem 1. Fluid A und tritt dann
in die Abströmkammer 23 über, von
wo das 2. Fluid B der weiteren Verwendung zugeführt wird.
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Die
Zuströmkammer 22 wird
von einer mit dem 2. Rohrboden 15 verschweißten Wandung 25, dem
2. Rohrboden 15 und einem durch Schrauben 26 lösbar angeordneten
Deckel 27 begrenzt, der auf einem Ringflansch 28 festgelegt
ist, welcher mit der Wandung 25 verschweißt ist.
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Ferner
ist noch zu erkennen, dass die Zuströmkammer 22 durch Zwischenwände 29 in
Kammerabschnitte aufgeteilt ist. Der Anschlussstutzen 24 ist
in eine an ihn angepasste Öffnung 30 in
der Wandung 25 eingeschweißt.
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Die
Abströmkammer 23 wird
von dem 2. Rohrboden 16 und einem bombierten Deckel 31 begrenzt,
welcher durch Schrauben 32 an dem 2. Rohrboden 16 lösbar befestigt
ist.
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Austauschraum
- 3
- Anschlussstutzen
- 4
- Schikanen
in 2
- 5
- Anschlussstutzen
- 6
- 1.
Austauscherrohre
- 7
- Rippen
an 6
- 8
- Enden
von 6
- 9
- 1.
Rohrboden
- 10
- 1.
Rohrboden
- 11
- Wandung
von 2
- 12
- Öffnungen
für 3 und 5 in 11
- 13
- 2.
Austauscherrohre
- 14
- Enden
von 13
- 15
- 2.
Rohrboden
- 16
- 2.
Rohrboden
- 17
- Ausgleichselemente
- 18
- Schweißnähte
- 19
- Ausgleichsraum
- 20
- Anschluss
- 21
- Ausgleichsraum
- 22
- Zuströmkammer
- 23
- Abströmkammer
- 24
- Anschlussstutzen
- 25
- Wandung
von 22
- 26
- Schrauben
für 27
- 27
- Deckel
von 22
- 28
- Ringflansch
- 29
- Kammerabschnitte
- 30
- Öffnung in 25
- 31
- Deckel
von 23
- 32
- Schrauben
für 31
- DSWÜ
- Doppelrohrsicherheitswärmeübertrager
- A
- Fluid
- B
- Fluid
- D
- Wanddicke
von 17
- L
- Abstand
zwischen 9 und 15 bzw. 10 und 16
- L1
- Länge von 17
- PF
- Pfeile
- X
- Abstand
von 9 und 10