DE3820494C2 - Wärmetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Wärmetauscher der voranstehend beschriebenen Art werden bei­ spielsweise bei chemischen Prozessen, insbesondere innerhalb von Äthylen- oder Ammoniakanlagen eingesetzt. Bei ihnen wird ein heißes Gas durch die Rohre des Rohrbündels geführt und mit Hilfe von in den Zylinderraum eingeführtem Wasser abge­ kühlt. Wenn die durch den Kühlprozeß abgeführte Wärme zum Erzeugen von Dampf genutzt wird, werden die Wärmetauscher als Quench-Kühler oder Abhitze-Dampferzeuger bezeichnet.

Die die Rohrenden aufnehmenden Rohrplatten dienen bei derartigen Wärmetauschern nicht nur zur Trennung des wärmeab­ gebenden und des wärmeaufnehmenden Fluids, sie müssen außer­ dem die beim Betrieb sowie beim An- und Abfahren des Wärme­ tauschers auftretenden Kräfte aufnehmen, die sich einerseits durch den im Zylinderraum ergebenden Innendruck und anderer­ seits durch Temperaturdifferenzen ergeben, die zwischen den das wärmeabgebende Fluid führenden Rohren und dem die Rohr­ platten ebenfalls verbindenden Mantel auftreten, wobei sich diese Temperaturdifferenzen beim An- und Abfahren stark ändern. Um die hierbei auftretenden Kräfte zu beherrschen, ist es bekannt, mindestens die an der Eintrittsseite des wärmeabgebenden Fluids angeordnete Rohrplatte durch eine die beiden Fluids trennende Membranplatte und eine Tragplatte zu bilden; Membranplatte und Tragplatte sind zur Kraftüber­ tragung miteinander verbunden. Die Tragplatte wird durch das in den Zwischenraum zwischen Trag- und Membranplatte ein­ tretende, wärmeaufnehmende Fluid gekühlt, so daß die Trag­ platte mit denjenigen Abmessungen hergestellt werden kann, die zur Aufnahme der auftretenden Kräfte erforderlich sind. Die Membranplatte übernimmt bei dieser Konstruktion die Tren­ nung der beiden Fluide, wozu die Rohrenden mit der Membran­ platte jeweils durch eine der Abdichtung dienende Schweißnaht verbunden sind.

Ein Wärmetauscher der voranstehend beschriebenen Art ist aus der EP-OS 2 46 942 bekannt. Bei dieser bekannten Konstruktion werden beide Rohrplatten jeweils durch eine Tragplatte und eine Membranplatte gebildet. Die zusammengehörenden Trag- und Membranplatten sind miteinander durch Rohrstücke verbunden, die in entsprechenden Bohrungen der Membran- bzw. Tragplatte angeordnet sind und mit diesen Platten verschweißt sind. In diesen Rohrstücken sind die Enden der das Rohrbündel bildenden Rohre mit Abstand angeordnet, wobei das wärmeauf­ nehmende Fluid durch Öffnungen in die Rohrstücke eintritt und im Ringraum zwischen Rohr und Rohrstück durch die Tragplatte hindurchströmt. Hierdurch wird eine Kühlung der verhältnis­ mäßig dicken Tragplatte erreicht.

Bei dem aus der EP-OS 246 942 bekannten Wärmetauscher sind die Wärmetauscherrohre nicht mit der Tragplatte, sondern ausschließlich mit der Membranplatte verbunden. Aus diesem Grunde werden alle Betriebslasten, insbesondere die Belastungen aufgrund von Temperaturunterschieden direkt in diejenige Schweißnaht eingeleitet, über die das Ende jedes Wärmetauscherrohres mit dem Ende eines Rohrstückes und damit mittelbar mit der Membranplatte verbunden ist. Die Schweißnähte am Ende der Wärmetauscherrohre müssen deshalb nicht nur die notwendige Abdichtung erzielen, sondern sämtliche Kräfte übertragen, die sich aus den Betriebslasten innerhalb der Wärmetauscherrohre ergeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher der voranstehend beschriebenen Art derart weiterzubilden, daß die von Rohrkräften freigehaltene Membranplatte aus­ schließlich die Dichtaufgabe übernimmt und ausschließlich die Tragplatte die Rohrkräfte aufnimmt, wobei eine ausreichende Kühlung der Tragplatte sichergestellt und die Verbindung zwischen Membran- und Tragplatte auf einfache Weise herge­ stellt werden soll.

Die Lösung dieser Aufgabenstellung durch die Erfindung ist im Patentanspruch 1 gekennzeichnet.

Durch diese erfindungsgemäße Ausbildung werden die die Rohr­ enden mit der Membranplatte verbindenden Dichtnähte von der Rohr­ belastung, die von der Länge und der Temperaturdifferenz zwischen dem Mantel und den Rohren abhängt, befreit. Durch die kraft- und formschlüssige Verbindung der Rohre mit der Tragplatte übernimmt ausschließlich die Tragplatte die Rohr­ kräfte. Die zusätzliche form- und kraftschlüssige Verbindung der Rohrenden mit der Membranplatte bewirkt eine zuverlässige Verbindung zwischen Membranplatte und Tragplatte, ohne daß hierbei die Dichtnähte mit Kräften belastet werden. Das Aufweiten von Rohren in eine ringförmige Erweiterung zwecks kraft- und formschlüssiger Verbindung mit einer Rohrplatte ist an sich aus der DE-OS 27 14 757 bekannt. Die Kühlung der Tragplatte wird durch die zwischen den Rohren ausgebildeten Durchlässe erzielt, durch die das wärmeauf­ nehmende Medium aus dem zwischen Membranplatte und Tragplatte gebildeten Raum in den dem Wärmeaustausch dienenden Zylinder­ raum eintritt. Auf eine aufwendige Konstruktionsverbindung von Membranplatte und Tragplatte kann verzichtet werden.

Aus der DE-OS 22 23 805 war es zwar bekannt, die Rohre eines Wärmetauschers an ihrem zuerst mit dem heißen Medium beaufschlagten Ende sowohl mit einer Membranplatte (Schirmplatte) als auch mit einer Tragplatte zu verbinden. Dieser vorbekannten Konstruktion fehlen jedoch die erfindungsgemäßen Merkmale, wonach die Verbindung der Rohre mit der Membranplatte und mit der Tragplatte durch Aufweiten in eine ringförmige Erweiterung innerhalb der Plattenbohrung kraft- und formschlüssig erfolgt und wonach die Tragplatte zwischen den Rohren mit Durchlässen für das wärmeaufnehmende Fluid versehen ist, wodurch eine zuverlässige und zwangsläufige Kühlung der Tragplatte erzielt wird. In diesem Zusammenhang ist es von Bedeutung, daß die Tragplatte durch das in den Zwischenraum zwischen Trag- und Membranplatte eintretende, wärmeaufnehmende Fluid gekühlt wird, so daß das in den eigentlichen Zylinderraum eintretende, wärmeaufnehmende Medium vor dem eigentlichen Wärmeaustauschvorgang zur zwangsweisen Kühlung der Trag- und Membranplatte herangezogen wird. Dies ist beim Wärmetauscher nach der DE-OS 22 23 805 nicht der Fall. Hier wird zur Kühlung der Schirm- und Rohrplatte ein separates Kühlmedium verwendet, das über einen Stutzen zugeführt und aus dem zwischen Rohrplatte und Schirmplatte gebildeten Raum abgeführt wird. Sollte dieses separate Kühlmedium ausfallen oder eine zu hohe Temperatur erhalten, unterbleibt die erforderliche Kühlung insbesondere der Rohrplatte. Schäden am bekannten Wärmeaustauscher sind dann nicht zu vermeiden.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die Durch­ lässe der Tragplatte durch Rohrstücke verlängert, deren eintrittsseitige Stirnfläche zur Zwangskühlung der Membran­ platte bis nahe an die Membranplatte herangeführt ist. Hier­ durch wird eine zuverlässige Kühlung auch der Membranplatte sichergestellt.

Um eine gleichmäßige Durchströmung aller Rohrstücke ent­ sprechend ihrer Lage innerhalb der Tragplatte und ent­ sprechend der Zufuhr des wärmeaufnehmenden Fluids zu er­ zielen, können gemäß weiteren Merkmalen der Erfindung entweder der Abstand zwischen der eintrittsseitigen Stirn­ fläche der Rohrstücke und der Membranplatte unterschiedlich ausgeführt oder der Eintrittsquerschnitt der Rohrstücke in der Art einer Drossel unterschiedlich ausgebildet werden.

Um die Aufheizung sowohl der Membranplatte als auch der Trag­ platte durch das in die Rohre eintretende, wärmeabgebende Fluid herabzusetzen, kann erfindungsgemäß in das Endstück der Rohre im Bereich der vorzugsweise mit einer Isolierung ver­ sehenen Membranplatte bis hinter die Tragplatte jeweils ein Isolierrohrstück eingesetzt werden, wobei vorzugsweise zwischen dem Isolierrohrstück und dem Rohr eine Isolier­ schicht ausgebildet wird. Derartige Isolierrohrstücke werden als Ferruls bezeichnet.

Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungs­ gemäßen Wärmetauschers dargestellt, und zwar zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine schematische Ge­ samtdarstellung eines Wärmetauschers,

Fig. 2 einen Querschnitt gemäß der Schnittlinie II-II in Fig. 1 mit einer größeren Anzahl von Rohren und

Fig. 3 einen Teilschnitt durch die untere, in Trag- und Membranplatte aufgeteilte Rohrplatte des Wärme­ tauschers nach Fig. 1 in vergrößerter Darstellung.

Die Gesamtdarstellung in Fig. 1 zeigt einen Wärmetauscher mit einem durch vier Rohre 1 angedeuteten Rohrbündel, das vom wärmeabgebenden Fluid, beispielsweise einem Gas durchströmt wird. Das Rohrbündel ist von einem zylindrischen Mantel 2 um­ geben, der stirnseitig durch Rohrplatten 3 abgeschlossen ist. An diese Rohrplatten 3 schließt sich zu beiden Seiten des Mantels 2 jeweils eine Haube 4 an, durch die das wärmeab­ gebende Gas zu- bzw. abgeführt wird. Das zu kühlende und damit wärmeabgebende Gas G ist in Fig. 1 durch schwarze Pfeile gekennzeichnet.

Während die auf der Austrittsseite des Gases G angeordnete Rohrplatte 3 einstückig ausgeführt ist, wird diese Rohrplatte auf der Eintrittsseite des Gases G durch eine Membranplatte 5 und eine Tragplatte 6 gebildet. Die Membranplatte 5 ist in das untere Ende des Mantels 2 eingeschweißt; die Tragplatte 6 ist über einen Zwischenring 7 an einem Tragring 8 aufgehängt, der im Abstand vom unteren Ende des Mantels 2 in den Mantel 2 eingeschweißt ist, wie dies die Fig. 1 erkennen läßt.

Das wärmeaufnehmende Fluid, beispielsweise Wasser W, wird am unteren Ende des Wärmetauschers durch einen Eintrittstutzen 9 zugeführt. Es gelangt in den Eintrittsraum 10, der zwischen Membranplatte 5, Tragplatte 6, Zwischenring 7 und dem unteren Teil des Mantels 2 gebildet wird. Von hier tritt das Wasser W durch die Tragplatte 6 hindurch in den Zylinderraum 11 ein, der zwischen der oberen Rohrplatte 3 und der Tragplatte 6 vom Mantel 2 umgeben wird. In diesem Zylinderraum 11 findet der Wärmeaustausch zwischen dem wärmeabgebenden, in den Rohren 1 geführten Gas G und dem wärmeaufnehmenden, die Rohre 1 von außen beaufschlagenden Wasser W statt. Das aufgeheizte und ggf. verdampfte Wasser W verläßt den Mantel 2 durch einen Austrittstutzen 12.

In Fig. 3 ist die Anordnung und Befestigung der Enden der Rohre 1 im Bereich der unteren, in Membranplatte 5 und Trag­ platte 6 aufgeteilten Rohrplatte in einer vergrößerten Dar­ stellung gezeigt.

Die Fig. 3 läßt erkennen, daß das einströmseitige Ende jedes Rohres 1 durch Aufweiten in eine ringförmige Erweiterung 5a innerhalb der Bohrung in der Membranplatte 5 kraft- und form­ schlüssig mit der Membranplatte 5 verbunden ist, so daß die an der Stirnseite des Rohres 1 angebrachte Schweißnaht 13 nicht der mechanischen Festlegung des Rohres 1 an der Membranplatte 5, sondern der Abdichtung zwischen Rohr 1 und Membranplatte 5 dient. Auch mit der Tragplatte 6 ist jedes Rohr 1 durch Aufweiten in eine ringförmige Erweiterung 6a kraft- und formschlüssig verbunden, so daß auf diese Weise die Membranplatte 5 über die Rohre 1 mit der Tragplatte 6 verbunden ist, ohne daß die Schweißnähte 13 durch diese Ver­ bindung durch Kräfte belastet werden, die in den Rohren 1 auftreten.

Um die Tragplatte 6 durch das in den Eintrittsraum 10 ein­ tretende Wasser W zu kühlen, ist die Tragplatte 6 zwischen den Rohren 1 mit Durchlässen 6b versehen, die vorzugsweise als Bohrungen ausgeführt sind. Um gleichzeitig eine gute Kühlung der Membranplatte 5 zu erreichen, sind an die Eintrittsöffnung der Durchlässe 6b Rohrstücke 14 angesetzt, deren eintrittsseitige Stirnfläche bis nahe an die Membran­ platte 5 herangeführt ist. Hierdurch wird das in den Eintrittsraum 10 eintretende Wasser W gezwungen, an der Innenseite der Membranplatte 5 entlangzuströmen und damit die Membranplatte 5 zu kühlen, bevor es in die Rohrstücke 14 ein­ treten kann. Die Fig. 3 zeigt zwei Ausführungsmöglichkeiten für diese Rohrstücke 14. In der linken Hälfte ist darge­ stellt, daß ein derartiges Rohrstück 14 ausschließlich an die Unterseite der Tragplatte 6 angesetzt ist. Die rechte Hälfte der Darstellung zeigt, daß das Rohrstück 14 in dem Durchlaß 6b eingesetzt ist und an der Tragplatte 6 durch Aufweiten in eine Erweiterung 6c befestigt ist.

Bei dem auf der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Membranplatte 5 auf ihrer Unterseite mit einer Isolierung 15 versehen, die durch eine Deckschicht 16 abge­ deckt ist. Um ein Aufheizen sowohl der Membranplatte 5 als auch der Tragplatte 6 durch das in die Rohre 1 eintretende heiße Gas zu verhindern, ist in das eintrittsseitige Ende der Rohre 1 ein Isolierrohrstück 17 eingesetzt, das einerseits an der Außenseite der Deckschicht 16 mündet und andererseits bis hinter die Tragplatte 6 in das jeweilige Rohr 1 ragt. Um eine Wärmeübertragung von diesem Isolierrohrstück 17 auf das umge­ bende Rohr 1 herabzusetzen, ist zwischen Isolierrohrstück 17 und Rohr 1 ein Ringraum gebildet, der mit einer Isolier­ schicht 18 ausgefüllt ist.

Claims (6)

1. Wärmetauscher mit einem vom wärmeabgebenden Fluid durch­ strömten Rohrbündel, dessen Rohre (1) mit ihren Enden jeweils in einer medium-trennenden Rohrplatte befestigt sind und innerhalb eines durch die Rohrplatte und einen die Rohr­ platten miteinander verbindenden Mantel (2) gebildeten Zylinderraumes (11) angeordnet sind, der vom wärmeaufnehmenden Fluid durchströmt wird, wobei mindestens die an der Eintrittsseite des wärmeabgebenden Fluids angeordnete Rohrplatte durch eine die beiden Fluide trennende Membran­ platte (5) und eine Tragplatte (6) gebildet ist, die zur Kraft­ übertragung miteinander verbunden sind und die durch das in den Zwischenraum (10) zwischen der Trag- (6) und Membranplatte (5) eintretende, wärmeaufnehmende Fluid gekühlt sind, das mindestens mit einem Teilstrom durch die Tragplatte (6) hin­ durch in den Zylinderraum (11) geführt wird, wobei die Rohr­ enden mit der Membranplatte jeweils durch eine der Ab­ dichtung dienende Schweißnaht (13) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (1) sowohl mit der Membranplatte (5) als auch mit der Tragplatte (6) durch Aufweiten in eine ring­ förmige Erweiterung (5a, 6a) innerhalb der Plattenbohrung kraft- und formschlüssig verbunden sind und daß die Trag­ platte (6) zwischen den Rohren (1) mit ihrer Kühlung dienenden Durchlässen (6b) für das wärmeaufnehmende Fluid (W) versehen ist.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlässe (6b) der Tragplatte (6) durch Rohrstücke (14) verlängert sind, deren eintrittsseitige Stirnfläche zur Zwangskühlung der Membranplatte (5) bis nahe an die Membranplatte (5) herangeführt ist.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Abstand zwischen der eintrittsseitigen Stirnfläche der Rohrstücke (14) und der Membranplatte (5) zur Erzielung einer gleichmäßigen Durchströmung aller Rohrstücke (14) entsprechend ihrer Lage innerhalb der Tragplatte (6) und entsprechend der Zufuhr des wärmeauf­ nehmenden Fluids (W) unterschiedlich ausgeführt ist.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Eintrittsquerschnitt der Rohrstücke (14) zur Erzielung einer gleichmäßigen Durchströmung aller Rohrstücke (14) entsprechend ihrer Lage innerhalb der Tragplatte (6) und entsprechend der Zufuhr des wärmeauf­ nehmenden Fluids (W) in der Art einer Drossel unterschied­ lich ausgebildet ist.

5. Wärmetauscher nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in das Endstück der Rohre (1) im Bereich der vorzugsweise mit einer Isolierung (15) ver­ sehenen Membranplatte (5) bis hinter die Tragplatte (6) jeweils ein Isolierrohrstück (17) eingesetzt ist.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Isolierrohrstück (17) und dem Rohr (1) eine Isolierschicht (18) ausgebildet ist.