DE2033128A1

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Info

Publication number: DE2033128A1
Application number: DE19702033128
Authority: DE
Priority date: 1969-07-04
Filing date: 1970-07-03
Publication date: 1971-02-04
Also published as: GB1320788A; DE2033128C3; CH519693A; NO125206B; US3749160A; NL7009885A; DE2033128B2

Description

2 η 3*31 7ft

Patentanwälte Dipl.-Ing. F. Weickmann,

Dipl.-Ing. H.Weickmann, D1PL.-PHYS.DR.K.F1NCKE D1PL.-ING. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

DZMBM ' 8 MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860 820 MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 483921/22

Norsk Hydro a.s._r Bygdfly alle 2, Oslo 2, Norwegen

Wärmetauscher

Die Erfindung bezieht sich auf einen Itohrreihen-Wärmetauscher, bei dem Rohrreihen innerhalb des Mantels durch einen Zwischenmantel umschlossen sind, woraus sich ein Zweiweg-Gasstrom durch den Wärmetauscher ergibt und zwar durch das Innere des Zwischenmantels bzw.durch den Zwischenraum zwischen dem Zwischenmantel und dem Außenmantel des Wärmetauschers. Das Gas kann nach der Einführung in den Wärmetauscher zuerst durch diesen Zwischenraum oder zuerst durch das Innere des Zwischenmantels strömen, je nachdem;, ob der Wärmetauscher zum KUhIeQ oder zum Erwärmen verwendet wird.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Wärmetauschereinheit solcher Wärmetauscher, die miteinander in Reihe verbunden sind. Ein besonderes Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, diejenigen Probleme zu lösen, die vorherrschen, wenn große Gasmengen mit hoher Temperatur und möglicherweise hohem Drück gekühlt werden sollen, beispielsweise durch Speisewasser oder Dampf, welches bzw. welcher iQ Torheizern vorgeheizt wurde· Die Erfindung wird nachfolgend unter Beachtung

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dieses Zieles beschrieben, jedoch ist es verständlich, daß der Wärmetauscher gemäß der Erfindung ebenso wie die Einheiten aus solchen Wärmetauschern für andere Zwecke mit ähnlichen Vorteilen verwendet werden können.

Beim Kühlen von großen Gasmengen mit hoher Temperatur und hohem !Druck erreichen die vorzugsweise verwendeten Rohrreihen-Wärmetauscher häufig eine schlanke längliche Gestalt und zur Vermeidung zu größer Abmessungen müssen mehrere Wärmetauscher verwendet werden, die in Reihe und/oder in Parallelschaltung miteinander verbunden sind. Bei diesen Arten von Wärmetauschern ist die Strömungsgeschwindigkeit des Gases sehr hoch, was einen verhältnismäßig hohen Druckverlust in diesem System zur Folge hat. Dieses Problem kann durch die Anwendung einer großen Anzahl von Wärmetauscher und z.B. durch ein Einführen des Gases in der Mitte des Wärmetauschers gelöst werden, wobei die Auelaßöffnungen an beiden Enden angeordnet sind. Wenn z»B. zwei Wärmetauscher miteinander in bekannter Weise in Reihe verbunden sind, ergibt sich der Nachteil, daß verschiedene Ausdehnungen in den verschiedenen Wärmetauschern auftreten, wodurch Dehnungsausgleicher in der Rohranlage vorgesehen werden müssen. Wenn man es mit hoher Temperatur und hohem Druck zu tun hat, ist dies nicht nur unerwünscht, sondern wirft auch ernst e bauliche Probleme auf_β

Ein weiteres Problem, das eich in Verbindung mit den bekannten Verfahren und Wärmetauschern ergibt, wenn die Temperatur des Werkstoffes 500:bis 55O⁰G überschreitet, besteht darin, daß man für den Druckmantel keinen ferrit!sehen Stahl verwenden kann, sondern man muß einen austenitischen 13/8-Stahl oder z.B. eine hochprozentige Nickellegierung verwenden, welche bekanntlicherweise sehr teuer 1st.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wärmetausabe?. zn schaffen, durch den das sich aus den Ausdehnungen unü gösasasaasiehuagen

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des Wärmetauschers und des Rohrleitungematerials ergebende Problem verringert oder beseitigt werden kann. Weiterhinsoll durch die Erfindung das aufgrund der hohen !Temperaturen, Spannungen und Belastungen im Werkstoff entstehende Korrosionsproblem vermindert oder vermieden werden. Weiterhin soll durch die Erfindung ein Wärmetauscher und Wärmetausehereiriheiten zum Aufheizen oder Kühlen heißer Gase geschaffen werden, die einen hohen Druck aufweisen» wobei es gleichzeitig möglich genaht werden soll, ein annehmbares Material in dem Wärmetauschersystem zu verwenden. Weiterhin soll die Strömungsgeschwindigkeit des Gases durch den Wärmetauscher erhöht werden. Darüber hinaus ist es ein Ziel der Erfindung, einen neuen 5!yp eines Wärmetauschers zu schaffen, welcher in einer besonders wünschenswerten Weise mit weiteren Wärmetauschern in Reihe angeordnet werden kann, woraus sich ein besonders vorteilhaftes Strömungsbeild ergibt.

Die Erfindung ist ausgehend von einem Wärmetauscher, bei dem die Rohrreihen innerhalb des Außenmantels durch einen Zwischenmantel umschlossen sind, der sich koaxial mit Abstand zur Innenwand des Außenmantels erstreckt, welcher mit zwei als Einlafl- und Auslaß dienenden Öffnungen versehen ist, von denen eine direkt mit dem Inneren des Zwischenmantels zur Ermöglichung eines Gasstromes zwischen den Wärmetauscherrohren, und die andere mit dem Zwischenraum zwischen dem Zwischenmantel und dem Außenmantel in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß beide Öffnungen in der gleichen Querschnittsebene am Außenmantel Im wesentlichen in der Mitte der Rohrreihen angeordnet sind und der Zwischenmantel an beiden Enden offen ist, so daß das durch eine Öffnung eingeführte Medium in zwei einander entgegengesetzte Ströme aufgeteilt wird, die an den Enden des Wärmetauschers umgelenkt und vor ihrem Austritt wieder vereinigt werden·

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Eine Wärmetauschereinheit mit mindestens zwei Wärmetauschern gemäß der Erfindung, die in Reihe miteinander verbunden sind, ' ist dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscher in bezug auf . ihre Durchströmrichtung in entgegengesetzter Richtung miteinander verbunden sind, derart, daß das Medium in dem ersten Wärmetauscher zuerst durch das Innere des Zwischenmantels hindurch zu dessen offene Enden strömt, an den Enden des Außenmantels, umgelenkt wird und dann wieder in zwei entgegengerichteten Strömen im Zwischenraum an der Außenseite des Zwischenmantels zu einer beide Teilströme vereinigenden, als Auslaß dienenden öffnung strömt, die mit der Einlaßöffnung des zweiten Wärmetauschers verbunden ist, die in den Zwischenraum zwischen dem Zwischenmantel und dem Außenmantel ausmündet, wodurch das Medium zuerst durch den Zwischenraum und dann durch das Innere des Zwischenmantels zu dem in der Kitte angeordneten Auslaß des Zwischenmantels strömt, der in die als Auslaß dienende Öffnung im Außenmantel führt.

Weitere Merkmale und Torteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung, in der ein AusfOhrungsbeispiel eines Wärmetauschers und einer Wärmetauschereinheit gemäß der Erfindung dargestellt sind. Es ' zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform eines Wärmetauschers gemäß der Erfindung; und

Fig. 2 einen ähnlichen Längsschnitt durch zwei solcher Wärmetauscher, die miteinander in Reihe verbunden sind.

In Fig.l ist mit 2 der Druckaantel eines länglichen Wärmetau- * schere bezeichnet, welcher in der Mitte mit zwei Anschluß-» stutzen 4 und 6 versehen ist* die als Einlaß und AasIaS des Wärmetauschers für ein Gas dienen, das -gekühlt oder aufgeheizt

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werden soll· An dem einen Ende des Wärmetauschers ist ein Kopf 8 mit einer ü-förmigen Rohrreihe 10 angeordnet, die sich in das Innere des Außenmantels erstreckt und in bekannter Weise mit einem Einlaß und Auslaß versehen ist, die mit 12 und 14 "bezeichnet sind, wodurch die Bohrreihe mit einem Medium, z.B. Kühlwasser oder Dampf, beschickt werden kann*

Koaxial zum Außenmantel ist in diesen ein rohrförmiger Zwischenmantel 16 angeordnet, welcher die Röhrreihe 10 umfaßt. Der Zwischenmantel 16 ist an beiden Enden 18 und 20 offen und in seiner Mitte mit einem Anschlußslutz en 22 versehen, welcher nach außen in den Anschlußstutzen 4 des Außenmantels hervorragt. Der Zwischenmantel 16 hat einen geringeren Durchmesser als der Außenmantel, so daß zwischen dem Zwischenmantel -und der Innenwand des Außenmantels ein verhältnismäßig grosser Zwischenraum 17 entsteht, wobei der Zwisohenmantel durch am Umfang angeordnete Abstandshalter 24in seiner Lage gehalten ist, welche verschiebbar an der Innenseite des Außenmantels anliegen oder umgekehrt· Der Zwischenmantel ist so in dem Außenmantel nur durch den Anschlußstutzen 22 festgelegt, der, wie bereits erwähnt, in dem Anschlußstutzen 4 des Außenmantels gelagert ist.

Wie aus den Figuren ersichtlich, in denen mittels Pfeilen das Strömungsbild des Gases dargestellt ist, arbeitet ein Wärmetauscher gemäß der Erfindung in folgender Weises

In der dargestellten Ausführungsform - in welcher ein Gas von . einer hohen Temperatur heruntergekühlt werden soll, — ist das Gas in Richtung des Pfeiles A in den Anschlußstutzen 4 eingeführt und strömt von dort durch den Anschlußstutzen 22 in das Innere des Zwischenmantels 16 direkt in die Rohrreihen 10, in denen das Gas in zwei gleiche Ströme aufgeteilt wird, die in entgegengesetzte Richtungen strömen und mit den Pfeilen B-B bezeichnet sind. Die Rohrreihen können in bekannter Weise mit Leitflächen versehen sein, so daß das Gas teilweise entlang und

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• teilweise quer zu den Rohrreihen strömt. An beiden Enden des Auflenmantels treten die beiden Gasströme aus dem Zwischenmantel aus und werden um 180° umgelenkt, wie dies durch die Pfeile C-C angezeigt ist und gelangen hierauf durch den Zwischenraum 26 zu der Mitte des Wärmetauschers, wo die beiden Teilströme wieder bei den Pfeilen D-D vereinigt werden und zusammen aus dem Anachlußstutzen 6 herausströmen.

Wie ersichtlich, ist der Drückmantel 2 des Wärmetauschers nicht den Einströmungsgasen ausgesetzt, bevor diese durch die Rohrreihen geströmt sind und daher gekühlt oder erhitzt worden sind, was davon abhängt, wofür der Wärmetauscher benutzt wird. Hierdurch werden solwohl Ausdehnungs- und Zusammenziehungaprobleme als auch Korrosionsprohleme wesentlich verringert« Darüber hinaus werden die Probleme in Verbindung mit den Wärmedehnungen an beiden Anschlußstellen des Wärmetauschers ebenfalls verringert, da diese Anschlußstutzen in der gleichen Querschnittsebene in der Mitte des Auflenmantels angeordnet sind»

Das dargestellte Strömungsbild für das Gas kommt zur Anwendung, wenn das Gas gekühlt werden soll. Wenn der gleiche Wärmetau-. scher zum Aufheizen von Gasen verwendet werden soll, ist das Strömungsbild durch den Wärmetauscher umgekehrt derart, daß das Gas zuerst durch den Auslaß 6 eingeführt wird und demnach zuerst durch den Zwischenraum 17 strömt· Das Gas wird dann in erster Linie innerhalb des Zwischenmantels aufgeheizt und erreicht seine höchste Temperatur in der Nähe des Aaslasses aus dem Zwischenmantel, der sich am Einlaß 4 befindet, wodurch das erhitzte Gas nicht direkt mit dem Druckmantel 2 in Berührung kommt.

Eine thermo dynamische Un Vollkommenheit der Arbeitsweise äea in *ig. 1 dargestellten Wärmetauschers besteht dariöj» iai our eine Hälfte der ü-förmigen Rohranordnung entsprechend dem fegenstromprinzip verwendet wird, doch haben ttermodynamische und wirtschaft-

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liehe Berechnungen gezeigt, daß diese Umstände von geringer Bedeutung im Vergleich mit den erzielten Vorteilen sind. Zusätzlich zu den welter oben erwähnten Vorteilen sei angeführt, daß aufgrund des Strömens des Gases in zwei Richtungen durch den Wärmetauscher die Gasgeschwindigkeit wesentlich erhöht werden kann, woraus sich in vielen Fällen ein großer Vorteil ergibt.

Ein Wärmetauscher gemäß der Erfindung kann mit ziemlichen speziellen thermo dynamischen und baulichen VortdQLen in Verbindung mit zwei oder mehreren solchen Wärmetauschern verwendet werden, die in Reihe miteinander verbunden sind. Solche in Reihe verbundenen Wärmetauscher werden, wie bekannt, insbesondere bei der Kühlung von sehr heißen Gasen verwendet, die • einen hohen Druck aufweisen. Aus verschiedenen Gründen u.a. aus Gründen der Größe und des Gewichts des Wärmetauschers ist es nicht möglich, den gewünschten Temperaturabfa11 in einem Wärmetauscher zu erzielen und man verwendet deshalb eine Anzahl parallel und/oder in Reihe miteinander verbundener Wärmetaue eher. In Reihe miteinander verbundenen Wärmetauscher werfen besondere Probleme auf, z.B. daß die Temperaturen in benachbarten Wärmetauschern dann notwendigerweise aufgrund des schrittweisen Wärmeaustausche unterschiedlich sind.

Diese Probleme sind durch die Erfindung wesentlich vermindert, die dadurch gekennzeichnet ist, daß zwei oder mehr Wärmetauscher in entgegengesetzter Weise miteinander in Reihe verbunden sind, d.h. daß die Rohr verbindungen zweier benachbarter Wärmetauscher jeweils in den Zwischenraum zwischen den Zwischenmantel und der Innenwand des Außenmantels einmünden. Hierdurch wird der wesentliche Vorteil erzielt, daß die Gasmengen oder Gasströme in benachbarten Wärmetauschern im wesentlichen die gleiche temperatur aufweisen. Auf diese Weise wird das Gas, falls die Wärmetauscher miteinander in Reihe verbunden und zur Kühlung von Gasen verwendet sind, zuerst in einen ersten Wärmetauscher direkt

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in das Innere des Zwischemmantels einströmen, nach der Umkehr durch den Zwischenraum zwischen dem Zwisohenmantel und dem Außenmantel hindurchströmen, aus der Auslaßöffnung des ersten Wärmeaustauschers hinaus und in den Einlaß des zweiten Wärmetauschers hineinströmen, indem das Gas zuerst durch den Zwischenraum zwischen der Innenwand des Außenmantels und dem Zwischenmantel strömt und hierauf durch das Innere des ZwBahenmantels hindurchströmt, worauf das Gas direkt aus dem Zwischenmantel zu dem Auslaß des Zwischenmantels und dem Auslaß im Außenmantel strömt.

Zwei Wärmetauscher, die, wie oben "beschrieben, in Reihe miteinander verbunden sind, sind in Fig. 2 dargestellt, wobei das Strömungsbild durch Pfeile dargestellt ist, und wobei der stattfindende Wärmeaustauschvorgang in Verbindung mit einem praktischen Beispiel erläutert wird.

Eine Gasmenge von 250 000 m /h einer maximalen Temperatur von 57O⁰C und einem Druck von 30 kp/cm soll mittels eines Hochdruckdampfes (110 kp/cm ) gekühlt werden, welcher überhitzt werden soll. Der hohe Dampfdruck bestimmt einen Wärmetauscher mit Rohrreihen, bestehend aus U-förmigen Rohren, in deren Inner'em der Dampf und an deren Außenseite das Gas strömt. Aufgrund der großen Gasmenge wird das Gas vorzugsweise in zwei parallele Ströme geteilt und die große Kühlleistung macht es notwendige Jeden Strom durch zwei in Reihe miteinander verbundene Wärmetauscher zu schicken, derart, daß die Einheit zusammen vier Wärmetauscher aufweist, die die gleiche Größe besitzen= 3?ig_o 2 zeigt nur zwei in Reihe miteinander verbundene Wärmetauscher, die mit A und B bezeichnet sind. Die Bezugesseichen 70 und 72 bezeichne» die Einlaß-und Auslaßsammler für den Hochdruckdampf und ebenso * die Sammlerplatten, mit 74 ist das IF-förmige Roiirregieter, mit 76 Leitbleche, mit 78 und 80 die Druckmäntel, mit 82_g 84$ 86 und 88 die Gasanschlußleituageoj, mit Planschen, mit 9Q₉ 92 die

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Zwischenmäntel zur Führung des Oases gemäß der Erfindung bezeichnet, während die Bezugszeichen 93» 94, 95» 96, 97 leitungen und Flansche für den Hochdruckdampf kennzeichnen.

Das heiße Gas kommt durch die Leitung 82 in der Mitte des Wärmetauschers an und strömt dann durch das Innere des Zwischenmantels 90, welcher den Druck nicht aufnimmt. Das heiße Gas wird dann in zwei 5*ei!ströme geteilt, die Über die Richtung auf daa Ende des Wärmetauschers strömen. Das Gas wird hier heruntergekühlt und kehrt nun durch den Zwischenraum zwistshen dem ZwiBohenmantel 90 und der Innenwand des Druckmantels 78 zu dem zentralen Auslaß 84 zurück. Der Zwischenmantel 90 ist in seiner Mitte festgelegt und kann sich daher nach beiden Enden hin frei ausdehnen· Über die Leitung 86 gelangt das Gas in den Wärmetauscher B zwischen: den Druckmantel 80 und den Zwischenmantel 92. Der Gasstrom ist wiederum in awöi Teilströme geteilt, die in Richtung auf die beiden Enden strömen, worauf die Teilströme durch das Innere des Zwischenmantels 92 durch die Rohrreihen zurückströmen und dann in dem Auslaß des zweiten Wärmetauschers vereinigt werden.

Durch Anordnung der Zwischenmäntel 90 und 92, welche das Gas in dieser Weise leiten, vermeidet man die Notwendigkeit, zwei äußere Rohrverindungen zwischen den Wärmetauschern zu verwenden, wobei jeweils eine an einem Ende des Wärmetauschers vorgesehen ist und man vermeidet deshalb die Probleme, die sich aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnung des Werkstoffes ergeben. Darüber hinaus wird erreicht, daß die Gastemperatur in dem Zwischenraum zwischen dem Außenmantel und dem Zwischenmantel in beiden Wärmetauschern gleich hoch ist, wodurch auch die Dehnungsunterschiede an der Dampfleitung 95 vermieden werden. Weiterhin wird das Gas gekühlt, bevor es den* Druckmantel er- ■ reicht, so daß man normalen ferritisohen Stahl für den Druckmantel verwenden kann. Ohne den Zwisohenmantel 90 müßte man

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Im vorliegenden Beispiel eine sehr teure hochprozentige Nickel» Chrom-Legierung wegen der Gefahr einer Spannuagskorrosioa verwendet!·

In der vorausgehenden Beschreibung und in der Zeichnung sind nur Ausfuhrungebeispiele einesWärmetausehers und einer Wärmetauscher einheit dargestellt, wobei TJ-förmige Rohrreihen verwendet wurden, jedoch ist es ersichtlich,daß in vielen Fällen ebenso gerade Rohrreihen verwendet werden können, die an jedem Ende de« WErmetauechermantele mit einem Sammler in Verbindung stehen« !Thermodynamisch ist eine solche Lösung gleich gut, jedoch ist diese Lösung in baulicher Hinsicht nicht so vorteilhaft, wie die hier beschriebenen und dargestellten Ausfuhr ungsbeispiele, da man größere !Dehnungsprobleme vermeiden will und da man u.a. Dehnungsausgleichseinrichtungen, wie z.B. einen Faltenbalg in dem Druekmantel vorsehen muß.

- Patentansprüche -

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Claims

PATENTAN8PRÜQHE

l.j Wärmetauscher, bei dem die Rohrreihen innerhalb des Außen- -^¹ mantels durch einen Zwischenmantel umschlossen sind, der sich koaxial mit Abstand zur Innenwand des Außenmantels erstreckt, welcher mit zwei als Einlaß und Auslaß dienenden Öffnungen versehen ist, von denen eine direkt mit dem Inneren des Zwischenmantels und die andere mit dem Zwischenraum zwischen dem Zwischenmantel und dem Außenmantel in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß beide öffnungen (4, 6) in der gleichen Querschnittsebene am Außenmantel (2) im wesentlichen in der Mitte der Rohrreihen angeordnet sind und der Zwischenmantel (16) an beiden Enden offen ist, so daß das durch eine öffnung eingeführte Medium in zwei einander entgegengesetzte Ströme (B-B) aufgeteilt wird, die an den Enden des Wärmetauschers umgelenkt und vor ihrem Austritt wieder vereinigt werden.
2. -.«ärne tauscher einheit mit zwei oder mehr in Reihe miteinander verbundenen Wärmetauschern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscher in bezug auf ihre Durchströmrichtung in entgegengesetzter Richtung miteinander verbunden sind, derart, daß das Medium in dem ersten Wärmetauscher zuerst durch das ^nnere des Zwischenmantels (90) hindurch zu dessen offene Enden strömt, an den Enden des Außenmantels (78) umgelenkt wird, und dann wieder in zwei entgegengerichteten Strömen im Zwischenraum an der Außenseite des Zwischenmantels (90) zu einer beide leilströme vereinigenden, als Auslaß dienenden Öffnung (84) strömt, die mit der Einlaßöffnung (86) des zweiten Wärmetauschers verbunden ist, die in den Zwischenraum zwischen dem Zwischenmantel (92) und dem Außenmantel (80) ausmündet,wodurch das Medium zuerst durch den Zwischenraum und dann

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durch das Innere des Zwischenmantels (92) zudem in der Mitte angeordneten Auslaß des Zwischenmantels strömt, der in die als Auslaß dienende Öffnung (88) im Außenmantel führt.

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