DE8501668U1 - Shell and tube heat exchangers with expansion compensation for the heat exchange of gases - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen RÖhrenbUndelwärmeaustauscher mit Dehnungsausgleich für den Wärmeaustausch von Oasen, deren Betriebedrucke sich verhältnismäßig wenig unterscheiden.The invention relates to a tube bundle heat exchanger with expansion compensation for the heat exchange of oases whose operating pressures differ relatively little.

In Röhrenbündelwärmeaustauschern trfet^_n wegen der Wärmeausdehnung der verwendeten Konstruktionsmaterialien und den im Betrieb sich einstellenden Temperaturdifferenssen Spannungen zwischen dem Röhrenbündel, den Röhrböden und dem Mantel auf» die zur unerwünschten Verformung des Wärmeaustauschers und bis zu MaterialSchädigungen führen können«In shell- _and -tube heat exchangers, stresses arise between the tube bundle, the tube plates and the shell due to the thermal expansion of the construction materials used and the temperature differences that arise during operation. These stresses can lead to undesirable deformation of the heat exchanger and even material damage.

Diese Spannungen werden in bekannten Wärmeaustauschern in der Regel dadurch gemindert oder vermieden» daß die Konstruktionselemente des Wärmeaustauschers mit elastiThese stresses are usually reduced or avoided in known heat exchangers by providing the structural elements of the heat exchanger with elastic sehen Kondensatoren verbunden sind, welche die durchsee capacitors are connected, which are the Wärmeausdehnung hervorgerufenen Bewegungen der Konstruktionselemente abfangen. Aus der DE-OS 26 08 977 ist z.B. ein Röhrenbündelwärmeaustauscher für Gase bekannt, dessen beide Rohrböden mit dem Mantel des Wärmeaustauschersabsorb the movements of the structural elements caused by thermal expansion. For example, DE-OS 26 08 977 describes a tube bundle heat exchanger for gases, the two tube plates of which are connected to the shell of the heat exchanger. über elastische Kompensatoren verbunden sind, ringförmige elastische Wärmeausdehnung zulassende Elemente aus relativ dünnem Material. Solche Konstruktionen sind technisch kompliziert, aufwendig in der Herstellung und können bei bestimmten Betriebszuständen zu unerwünschtenconnected via elastic compensators, ring-shaped elastic thermal expansion elements made of relatively thin material. Such constructions are technically complicated, expensive to manufacture and can lead to undesirable Schwingungen des Röhrenbündels im Wärmeaustauschermantel . führen, die Materialschäden verursachen können.Vibrations of the tube bundle in the heat exchanger shell . which can cause material damage.

Elastische Kompensatoren am Mantel eines Röhrenbündel« Wärmeaustauschers bauen in der Regel nur die axialen Spannungen im Röhrenbündel ab.Stellt sich jedoch im Betrieb des Wärmeaustauschers in radialer Richtung über die Rohrboden oder das Röhrenbündel eine unterschiedliche Temperatur-Verteilung ein, so ergeben sich innerhalb dieser Bauteile Spannungen, die zu plastischen Verformungen und Materialschädigungen führen können.Elastic compensators on the shell of a tube bundle in a heat exchanger generally only reduce the axial stresses in the tube bundle. However, if a different temperature distribution occurs in the radial direction over the tube sheet or the tube bundle during operation of the heat exchanger, stresses arise within these components that can lead to plastic deformation and material damage.

Nach einer anderen bekannten Ausführungsform werden dieAccording to another known embodiment, the HALBERG Maschinenbau GmbH .·''*' ^: ' ♦' *'"* * ·*"&iacgr;&iacgr;"&iacgr;HALBERG Maschinenbau GmbH .·''*' ^: '♦'*'"* * ·*"&iacgr;&iacgr;"&iacgr;

Rohre eines Röhrenbündelwärmeaustauschers fest mit dem einen Rohrboden verschweißt, mit dem andern Rohrboden Über einzelne Stopfbüchsen für Jedes Rohr abgedichtet, die eine freie Ausdehnung der Rohre im zweiten Rohrboden in axialer Richtung zulassen.Tubes of a shell and tube heat exchanger are firmly welded to one tube sheet and sealed to the other tube sheet using individual stuffing boxes for each tube, which allow the tubes in the second tube sheet to expand freely in the axial direction.

Die Herstellung einer großen Zahl von Stopfbüchsen ist aufwendig und verbraucht Plats, so daß solche Wärmeaustauscher oft unwirtschaftlich sind und einen zu großen Platzbedarf haben. Bei hohen Oastemperaturen ist die Verwendung von Stopfbüchsen wegen der begrenzten Temperaturbeständigkeit von gut gleitenden Dichtungsmaterialien in Stopfbüchsen eingeschränkt.The manufacture of a large number of stuffing boxes is complicated and consumes space, so that such heat exchangers are often uneconomical and require too much space. At high temperatures, the use of stuffing boxes is restricted due to the limited temperature resistance of easily sliding sealing materials in stuffing boxes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfach und wirtschaftlich herstellbaren Röhrenbündelwärmeaustauscher für den Wärmeaustausch von Gasen mit hohen Temperaturdifferenzen zu schaffen, deren Betriebsdrucke sich verhältnismäßig wenig unterscheiden.The invention is based on the object of creating a simple and economical to manufacture tube bundle heat exchanger for the heat exchange of gases with high temperature differences, the operating pressures of which differ relatively little.

Diese Aufgabe wird so gelöst, daß die Rohre des Röhrenbündelwärmeaustauschers mindestens in einem Rohrboden in passenden Bohrungen axial beweglich gelagert sind. Die Weite des Spaltes zwischen der Rohraußenwand und der Bohrung beträgt hierbei 0,1 bis 1 96, vorzugsweise 0,25 bis 0,5 % des Rohraußendurchmessers an dieser Stelle.This task is solved in such a way that the tubes of the shell-and-tube heat exchanger are mounted in suitable bores in at least one tube sheet so that they can move axially. The width of the gap between the outer tube wall and the bore is 0.1 to 1 96, preferably 0.25 to 0.5 % of the outer tube diameter at this point.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind die einen Enden der Rohre fest mit dem einen Rohrboden verbunden, die andern Enden der Rohre in passenden Bohrungen des zweiten ßefty&eäens axial beweglieh gelagert*According to a preferred embodiment, one end of the tubes is firmly connected to one tube sheet, the other ends of the tubes are mounted axially movably in suitable holes in the second tube sheet*

Zur Verstärkung des Drosseleffekts der Spalte zwischen Rohraußenwänden und Bohrungen im Rohrboden auf den Durchtritt von Gas sind in die Innenflächen derTo increase the throttling effect of the gaps between the outer tube walls and the holes in the tube sheet on the passage of gas, Bohrungen Nuten eingefräßt, deren Breite das 5 bis 25 fache der Weite des Spaltes beträgt.Grooves are milled into the holes, the width of which is 5 to 25 times the width of the gap.

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Beim Wärmeaustausch zwischen vielen technischen Gasen, z.B. zwischen heißem Rauchgas und damit aufzuheizender Luft, ist die vollständige Abdichtung der beiden Oasräume gegeneinander nicht immer notwendig, besonders wenn zwischen den Gasen eine Differenz der Betriebedrucke im Wärmeaustauscher von weniger als 10 %_t bei Normaldruck eine solche von weniger als 100 mbar, vorzugsweise weniger als 50 mbar besteht.When exchanging heat between many technical gases, e.g. between hot flue gas and air to be heated with it, it is not always necessary to completely seal the two gas chambers against each other, especially if there is a difference in the operating pressures in the heat exchanger between the gases of less than 10 _%, or at normal pressure of less than 100 mbar, preferably less than 50 mbar.

In einer bevorzugten Anwendungsform strömtIn a preferred application form,

Heizgas mit hoher Temperatur durch die Rohre des Wärmeaustauschers, das aufzuheizende Gas durch den Raum zwischen den Rohren und dem Mantel des Wärmeaustausehers.Heating gas at high temperature through the tubes of the heat exchanger, the gas to be heated through the space between the tubes and the jacket of the heat exchanger.

Besonders geeignet ist der Röhrenbündelwärmeaustauscher nach der Erfindung als Luftvorwärmer, der mit Rauchgas geheizt wird.The tube bundle heat exchanger according to the invention is particularly suitable as an air preheater that is heated with flue gas.

Der Röhrenbündelwärmeaustauscher nach der Erfindung hat im Vergleich zu bekannten Wärmeaustauschern mit Dehnungsausgleich den Vorteil der einfacheren, platzsparenden und wirtschaftlicheren Konstruktion.The tube bundle heat exchanger according to the invention has the advantage of a simpler, space-saving and more economical construction compared to known heat exchangers with expansion compensation.

Er ist im Betrieb wartungsfrei, weniger anfällig gegen unerwünschte Schwingungen und gegen Verzug beim Wärmeaustausch von Gasen mit großen Temperaturunterschieden.It is maintenance-free during operation, less susceptible to unwanted vibrations and to distortion during heat exchange between gases with large temperature differences.

Ein AusfUhrungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.An embodiment of the invention is shown in the drawing and is described in more detail below.

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Es zeigenShow it

Fig.1 einen Längsschnitt durch den Röhrenbündelwärme-Fig.1 a longitudinal section through the tube bundle heat

austauscher mit Dehntuigsausgleich.exchanger with expansion compensation.

Fig.2 einen Längsschnitt durch ein Rohrende des Röhren« I 5 bündelwärmeauetauschers, das in eine Bohrung des - zweiten Rohrbodens eingeführt ist und dort in einemFig.2 a longitudinal section through a tube end of the tube bundle heat exchanger, which is inserted into a hole in the second tube sheet and there in a

engen Spalt axial beweglich gelagert ist«narrow gap is axially movable"

I Aufbau und Wirkungsweise einer Ausführungsform desI Structure and mode of operation of an embodiment of the

Röhrenbündelwärmeaustauschers naoh der Erfindung sind aus . 10 dan Figuren 1 und 2 zu entnehmen·Shell and tube heat exchangers according to the invention can be seen from . 10 in Figures 1 and 2.

_;:_ Heizgas wird in den Sammelraum 6 zugeführt, verteilt sich ^f von dort auf die Rohre 5 des Rohrbündels 3, durchströmt diese, gelangt in den zweiten Sammelraum 9 und verläßt I dort den Wärmeaustauscher._;:_ Heating gas is fed into the collecting chamber 6, ^from there it is distributed to the tubes 5 of the tube bundle 3, flows through them, reaches the second collecting chamber 9 and leaves the heat exchanger there.

f 19 Das zu erwärmende Gas tritt durch den Stutzen 10 in den i Zwischenraum zwischen den Mantel k des Wärmeaustauschers I und die Rohre 5 ein und verläßt diesen Zwischenraum durch &idiagr; den Stutzen 11.f 19 The gas to be heated enters through the nozzle 10 into the space between the jacket k of the heat exchanger I and the tubes 5 and leaves this space through the nozzle 11.

Die einzelnen Rohre 5 des Wärmeaustauschers sind an 20 einem Ende fest mit dem Rohrboden 1 verschweißt und am anderen Ende in passende Bohrungen im Rohrboden 2 eingeführt und dort in engen Spalten 6 gleitend gelagert. Erfindungsgemäß können auch mehrere Rohrböden 2 vorgesehen werden, in denen die Rohre 5 gleitend i 25 gelagert sind.The individual tubes 5 of the heat exchanger are firmly welded to the tube sheet 1 at one end and are introduced into suitable bores in the tube sheet 2 at the other end and are slidably mounted there in narrow gaps 6. According to the invention, several tube sheets 2 can also be provided in which the tubes 5 are slidably mounted.

In die Innenflächen der Bohrungen im Rohrboden 2 sind I *wei Nuten f eiügefräflt, welche den Drosseleffekt derTwo grooves are milled into the inner surfaces of the bores in the tube sheet 2, which reduce the throttling effect of the

j. Spalte 6 verstärken.j. Strengthen column 6.

Claims (5)

nsprüchenclaims 1. Röhrenbündelvrärmeaustauscher mit Dehnungsausgleich für den Wärmeaustausch von Gasen, deren Betriebsdrucke sich verhältnismäßig wenig unterscheiden, dadurch gekennzeichnet,1. Shell and tube heat exchangers with expansion compensation for the heat exchange of gases whose operating pressures differ relatively little, characterized by daß die Rohre (5) des Röhrenbündels (3) mindestens in einem Rohrboden (2) in passenden Bohrungen axial beweglich gelagert sind, wobei die Weite des Spaltes (6) zwischen der Rohraußenwand und der Bohrung 0,25 bis 0,5 96 des Rohraußßndurchmessers an dieser Stelle beträgt.that the tubes (5) of the tube bundle (3) are mounted axially movably in suitable bores in at least one tube sheet (2), the width of the gap (6) between the outer tube wall and the bore being 0.25 to 0.5 96 of the outer tube diameter at this point. 2. RÖhrenbündelwärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,2. Tube bundle heat exchanger according to claim 1, characterized in daß die einen Enden der Rohre (5) fest mit dem Rohrboden (1) verbunden sind und die anderen Enden der Rohre (5) in passenden Bohrungen des Rohrbodens (2) axial beweglich gelagert sind.that one end of the tubes (5) is firmly connected to the tube sheet (1) and the other ends of the tubes (5) are mounted axially movably in suitable bores of the tube sheet (2). 3. RÖhrenbündelwärmeaustauscher nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß3. Tube bundle heat exchanger according to claim 1 and 2, characterized in that in die Innenflächen der Bohrungen im Rohrboden (2) Nuten (7) eingefräflt sind, deren Breite das 5 bis 20 fache der Weite des Spaltes (6) zwischen Rohraussenwand und Bohrung beträgt.grooves (7) are milled into the inner surfaces of the bores in the tube sheet (2), the width of which is 5 to 20 times the width of the gap (6) between the outer wall of the tube and the bore. 4. RÖhrenbündelwärmeaustauscher nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet,4. Tube bundle heat exchanger according to claim 1 to 3, characterized in daß zwischen den Gasen eine Differenz der Betriebsdrucke im Wärmeaustauscher von weniger als 50 mbar besteht.that there is a difference in operating pressures between the gases in the heat exchanger of less than 50 mbar. HALBERG Maschinenbau GmbH -'- ·HALBERG Maschinenbau GmbH -'- · 5. Röhrenbündelwärmeaustauscher nacn Anspruch 1 bis 4, Z dadurch gekennzeichnet,5. Shell and tube heat exchanger according to claim 1 to 4, characterized in that das er als Luftvorwärmer mit Heizgas betrieben wird, welches durch das Innere der Rohre (5) geleitet 5 wird.that it is operated as an air preheater with heating gas, which is passed through the interior of the pipes (5). 5