DE890349C - Roehrenwaermeaustauscher - Google Patents

Description

• Röhrenwärmeaustauscher Bei zahlreichen Verfahren, insbesondere chemischen Hochdruckverfahren, wie z. B. Methanolsynthese, Ammoniaksynthese usw., werden zur Wiedergewinnung der Aufheiz- und Reaktionswärme ummantelte Röhrenwärmeaustauscher verwendet, bei denen das Rohrbündel in einem Trichterhals endet, der sich in einer Stopfbüchse in axialer Richtung bewegen kann, um die verschiedene Längenausdehnung zwischen Rohrbündel und Mantel auszugleichen. Da die Stopfbüchse innerhalb des gegebenenfalls unter hohem Druck stehenden Behälters liegt, sind die verhältnismäßig oft vorkommenden Undichtigkeiten nur schwer festzustellen, insbesondere solange es sich nicht um größeren Gas- und Dampfkurzschluß zwischen dem wärmeabgebenden und aufzuheizenden Mittel handelt. Ein Nachv erpacken der Stopfbüchse ist nur durch Abstellen des Betriebes möglich, wodurch oft erhebliche Produktionsausfälle eintreten. Bei der Methanolsynthese z. B., wo die Wärmeaustauscher vorwiegend aus Kupferrohren bestehen, kommt noch hinzu, daß bei plötzlichen Temperatursteigerungen, z. B. beim Durchgehen der Reaktion, die Wärmeausdehnung der Rohre so groß wird und so schnell auftritt, daß die Stopfbüchse wirkungslos wird, die Rohre sich stark verbiegen und an den Schweißstellen undicht werden. Ähnlich, wenn auch in geringerem Maße, sind die Schwierigkeiten bei Wärmeaustauschern aus solchen Edelstahlrohren, die einen erheblich höheren Wärmedehnungskoeffizienten haben als der Mantel.
• Es sind schon Ausführungen von Wärmeaustauschern bekannt, bei denen zur Vermeidung der Stopfbüchse der eine der beiden Rohrböden beweglich angeordnet wurde. Die vorliegende Bauart geht aber weit über diese bekannten Maßnahmen hinaus. Die Besserung besteht in einem Röhrenwärmeaustauscher, insbesondere für hohe Drücke, mit einem gasdicht befestigten und einem beweglichen Rohrboden, wobei erfindungsgemäß in der Mitte des Rohrbündels parallel zur Achse ein mit den Rohrböden gasdicht und fest verbundenes Zentralrohr von wesentlich größerem Durchmesser als die Bündelrohre angeordnet ist, in dem sich ein auf der Seite des festen Bodens gasdicht befestigtes, zweckmäßig isoliertes Zu- oderAbleitungsrohr, vorteilhaft für die wärmeabgebenden Stoffe, frei bewegen kann; ferner soll die mit Isolierung versehene eng anliegende Rohrbündelumhüllung auf der Seite des befestigten' Rohrbodens gasdicht befestigt sein und sich in der gleichen Richtung wie das Zu- oder Ableitungsrohr und das Rohrbündel ohne Anwendung einer Stopfbüchse frei bewegen können. Vorteilhaft befindet sich zwischen dem Zentralrohr und dem Zu- oder Ableitungsrohr ein Spalt mit Strömungswiderständen, so daß eine Temperaturangleichung in diesen- beiden Rohren ermöglicht wird und die Wärmeausdehnung weitgehend gleich wird. Über dem Rohrbündel ist zweckmäßig eine Haube angeordnet, die eino gleichmäßige Beaufschlagung der Rohre bewirkt.
• An Hand der Zeichnung sei die Erfindung näher erläutert: In Abb. i stellt a das stehend oder hängend angeordnete Rohrbündel dar, in dessen Mitte sich ein in beiden Rohrböden gasdicht befestigtes sog. Zentralrohr b befindet; c ist das in der Rohrbündelachse angeordnete Zuleitungsrohr, in das die wärmeabgebenden Stoffe eintreten. Diese werden durch die über das Rohrbündel gestülpte Haube d umgelenkt und strömen durch die Bündelrohre, um den Wärmeaustauscher bei e zu verlassen. Ein kleiner Teil, etwa 5 bis 2o °/o, der wärmeabgebenden Stoffe tritt nach seiner Umlenkung bei f in den Ringraum g zwischen Zuleitungsrohr und dem Zentralrohr, wo zur Regelung der durchströmenden Menge als Strömungswiderstand eine Drahtspirale h eingelegt ist, und ver= einigt sich bei e wieder mit den aus den Bündelrohren austretenden Stoffen. Auf dem festen Zentralrohr sind vorteilhaft Rippen h aufgebracht, die den Wärmeübergang verbessern und zusammen mit der erwähnten Mengenregelung dazu beitragen, die Wärmedehnung des Zentralrohres weitgehend derjenigen der Bündelrohre anzugleichen. Das Rohrbündel ist mit seiner Haube frei beweglich und ruht am anderen Ende auf dem starr mit dem Rohrboden verbundenen Trichter i, der gasdicht mit dem Mantel L verbunden ist. Bei m treten die aufzuheizenden Stoffe durch den Mantel in die isolierende Rohrbündelumhüllung n ein und gelangen bei o an das Rohrbündel, wo sie die Rohre umspülen, bei p das Bündel verlassen und bei q aus dem Wärmeaustauscher austreten. Die eng an den Bündelrohren anliegende Rohrbündelumhüllung ist bei p am gleichen Ende des Mantels gasdicht und starr verbunden wie das Rohrbündel und das Zuleitungsrohr, so daß alle drei Teile in gleicher Richtung beweglich sind.
• In Abb.2 ist eine Ausführung dargestellt, bei der Ein- und Austritt für die wärmeabgebenden bzw. aufzuheizenden Stoffe jeweils an einem Ende des Wärmeaustauschers zusammengelegt sind. Der Weg der wärmeabgebenden Stoffe ist der gleiche wie in der Ausführung nach Abb. i. Die isolierende Rohrbündelumhüllung n mündet an ihrem freien Ende bei s in ein innen isoliertes Rohr t, das in einer Stopfbüchse u beweglich ist. Die aufzuheizenden Stoffe treten bei v durch den Mantel l und strömen diesen kühlend um die Rohrbündelumhüllung n, gelangen bei o an das Rohrbündel, wo sie die Rohre umspülen, bei p das Bündel verlassen und bei q aus dem Wärmeaustauscher austreten.
• Die eingangs erläuterten Nachteile werden durch die vorliegende Anordnung vollkommen vermieden und ein vollständig freies -Ausdehnen des Rohrbündels sowie der Rohrbündelumhüllung und des Zu- bzw. Ableitungsrohres ermöglicht, was insbesondere bei plötzlich auftretenden Temperaturänderungen sehr wichtig ist. Die tiefen Temperaturen herrschen an dem Ende des Austauschers, an welchem die Innenteile starr mit dem Mantel verbunden sind, so daß an dieser Stelle genügend Festigkeit für die Aufnahme des Rohrbündelgewichtes gegeben ist, für den Fall, daß -das Bündel aufrecht angeordnet wird. Bei der Ausführung nach Abb.2 besteht vor allem der Vorteil, daß sich die Zu- und Ableitungen des Wärmeaustauschers gegenüber bekannten Anordnungen wesentlich vereinfachen lassen. Die wärmeabgebenden Stoffe, z. B. ein vom Reaktionsraum kommender Gasstrom, treten bei aufrechter .Anordnung ,des Rohrbündels unten in den. Wärmeaustauscher ein und dort auch wieder aus, die aufzuheizenden Stoffe in gleicher Weise am Kopf des Austauschers. Dadurch werden die außenliegenden heißen Verbindungsleitungen so weit wie möglich verkürzt, und die Gefahr des Undichtwerdens von heißen Leitungen wird verringert. Bei großen Anlagen lassen sich dadurch erhebliche Mengen teurer hochlegierter Werkstoffe einsparen. Die in Abb.2 vorgesehene Stopfbüchse ist durchaus unbedenklich, da sie innerhalb des Stromes der aufzuheizenden Stoffe, d. h. im niedrigeren Temperaturbereich, liegt und zu keinem Kurzschluß mit den wärmeabgebenden Stoffen führen kann; außerdem liegt die Druckdifferenz, der die Stopfbüchse ausgesetzt ist, meist erheblich unterhalb i at.
• Durch die Anwendung eines Zentralrohres, das wesentlich größeren Durchmesser besitzt als die Bündelrohre, werden die Strömungsverhältnisse innerhalb des Rohrbündels wesentlich verbessert und höhere Wärmedurchgangszahlen erreicht als in den Wärmeaustauschern der bisher üblichen .Bauart. Beim Einströmen des Mediums in das Rohrbündel werden bei der alten Bauart vorzugsweise die mittleren Rohre des Bündels durchströmt, während bei der neuen Bauweise diese Rohre durch das Zentralrohr verdrängt sind und durch die über diesem angeordnete Haube, die die Umlenkung des Gasstromes bewirkt, eine viel gleichmäßigere Beaufschlagung aller übrigen Rohre erreicht wird. So wurden z. B. in einem Fall trotz der etwas verringerten Heizfläche mit dem neuen Wärmeaustaascher etwa 2o °/o mehr Kalorien je Stunde ausgetauscht als mit einem Austauscher der bisher üblichen Bauweise. Dieser Vorteil gestattet, kleinere Kühler hinter dem Wärmeaustauscher anzuwenden und führt zu erheblichen Energieersparnissen bei der Aufheizung.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Röhrenwärmeaustauscher, insbesondere für hohe Drücke, mit einem gasdicht befestigten und einem beweglichen Rohrboden, dadurch gekennzeichnet, daß in der Mitte des Rohrbündels (a) parallel zur Achse ein mit den Rohrböden gasdicht und fest verbundenes Zentralrohr (b) von wesentlich größerem Durchmesser als die Bündelrohre angeordnet ist, in dem sich ein auf der Seite des festen Bodens gasdicht befestigtes, zweckmäßig isoliertes Zu- oder Ableitungsrohr (c) vorteilhaft für die wärmeabgebenden Stoffe frei bewegen kann, und daß auch die mit Isolierung versehene enganliegende Rohrbündelumhüllung (?a) auf der Seite des befestigten Rohrbodens gasdicht befestigt ist und sich in der gleichen Richtung wie das Zu- oder Ableitungsrohr (c) und das Rohrbündel (a) ohne Anwendung einer Stopfbüchse frei bewegen kann.
2. 2. Röhrenwärmeaustauscher nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen Zentralrohr (b) und Zu- oder Ableitungsrohr (c) ein Spalt mit Strömungswiderständen befindet, der eine Temperaturangleichung in diesen beiden Rohren ermöglicht, so daß die Wärmeausdehnung weitgehend gleich wird.
3. 3. Röhrenwärmeaustauscher nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß über dem Rohrbündel eine Haube (d) angeordnet ist, die eine gleichmäßige Beaufschlagung der Rohre bewirkt. q.. Röhrenwärmeaustauscher nach Anspruch i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Ein- und Austritt der wärmeabgebenden Stoffe auf der einen Seite des Wärmeaustauschers und Ein-und Austritt der aufzuheizenden Stoffe auf der entgegengesetzten des Wärmeaustauschers erfolgt, wobei die enganliegende Rohrbündelumhüllung (n) auf der beweglichen Seite in ein Rohr (t) mündet, das sich in einer Stopfbüchse (u) bewegt.