EP0864830A1 - Wärmetauscher mit U-Rohren - Google Patents

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EP0864830A1
EP0864830A1 EP97104377A EP97104377A EP0864830A1 EP 0864830 A1 EP0864830 A1 EP 0864830A1 EP 97104377 A EP97104377 A EP 97104377A EP 97104377 A EP97104377 A EP 97104377A EP 0864830 A1 EP0864830 A1 EP 0864830A1
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heat exchanger
tube
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chamber
outlet
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Michael Fix
Matthias Blach
Konrad Nassauer
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Borsig GmbH
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Deutsche Babcock Borsig AG
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    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/06—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits having a single U-bend
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/16—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation
    • F28D7/163—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation with conduit assemblies having a particular shape, e.g. square or annular; with assemblies of conduits having different geometrical features; with multiple groups of conduits connected in series or parallel and arranged inside common casing
    • F28D7/1669—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation with conduit assemblies having a particular shape, e.g. square or annular; with assemblies of conduits having different geometrical features; with multiple groups of conduits connected in series or parallel and arranged inside common casing the conduit assemblies having an annular shape; the conduits being assembled around a central distribution tube
    • F28D7/1676—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation with conduit assemblies having a particular shape, e.g. square or annular; with assemblies of conduits having different geometrical features; with multiple groups of conduits connected in series or parallel and arranged inside common casing the conduit assemblies having an annular shape; the conduits being assembled around a central distribution tube with particular pattern of flow of the heat exchange media, e.g. change of flow direction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
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    • Y10S165/407—Extending in a longitudinal direction internal casing or tube sleeve
    • Y10S165/409—Extending in a longitudinal direction internal casing or tube sleeve including transverse element, e.g. fin, baffle

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger with the features the preamble of claim 1.
  • Such a heat exchanger is from DE-PS 20 33 128 known.
  • this known heat exchanger is the guide jacket open on both sides and in the middle with a feed connector provided for the jacket-side medium.
  • the supplied medium is distributed on the inside of the guiding jacket on both sides and flows partly in countercurrent and partly in Direct current to the pipe-side medium.
  • jacket-side medium in the annular space between the guide jacket and the outer pressure jacket, from which it is subsequently attached is dissipated. In this way it is achieved that the Pressure jacket not in medium with a high inlet temperature Touch comes.
  • the invention has for its object a U-tube heat exchanger to create, where the final temperature of the influenced on the jacket side and the pressure jacket can be protected against excessive temperature stress.
  • the heat exchanger shown is preferably used by cooling of hot gases from an ammonia or a Methanol production plant or from a coal gasification plant with overheating of steam as a cooling medium.
  • the heat exchanger consists of a pressure jacket 1, the one Encloses bundle of U-shaped tubes 2.
  • the pipes 2 are inserted into a tube sheet 3, which with the pressure jacket 1 connected is.
  • On the side facing away from the tubes 2 The tube sheet 3 is an inlet chamber 4 with a Inlet connection 5 for the supply of a heat exchange medium, e.g. B. steam is provided.
  • Inside the entry chamber 4 an outlet chamber 6 is arranged which is connected to the tube sheet 3 connected and closed off from the inlet chamber 4 is.
  • the outlet chamber 6 is provided with an outlet nozzle 7 provided, which is led out of the inlet chamber 4.
  • the U-shaped tubes 2 are aligned so that the Entry ends on a pitch circle and exit ends on lie in another pitch circle.
  • the flow direction of the medium on the pipe side can also be reversed.
  • the exit chamber 6 with unchanged Inlet chamber 4 is circular in cross section, so that they are now on the larger pitch circle Outlet ends of the tubes 2 open into the outlet chamber 6.
  • the pressure jacket 1 is on the tube plate 3 facing away from the end Heat exchanger with a feed pipe 8 for the feed a heat exchange medium, e.g. B. of hot gas from a Ammonia or a methanol production plant or from one Provide coal gasification plant.
  • a heat exchange medium e.g. B. of hot gas from a Ammonia or a methanol production plant or from one Provide coal gasification plant.
  • a discharge pipe 9 for the discharge of the heat exchange medium provided.
  • the feed pipe 8 is connected via a feed channel 10 a one-sided open central tube 11 connected in the Longitudinal axis of the heat exchanger arranged and from the tubes 2nd is surrounded.
  • the central tube 11 ends near the Tube bottom 3.
  • a cylindrical separating jacket 12 is arranged between the legs of the U-shaped curved Tubes 2.
  • This Partition jacket 12 is connected to the tube sheet 3 and extends up to to the reversing bends of the U-shaped tubes 2.
  • the outer Legs of the tubes 2 are surrounded by a guide jacket 13, the forming an annular space 14 at a radial distance of the pressure jacket 1 is arranged.
  • the guide jacket 13 is on tightly connected at one end to the central tube 11 and sufficient with its open end close to the tube sheet 3. In the of the central tube 11 and the guide jacket 13 enclosed space are arranged perpendicular to the tubes 2 baffles 15.
  • the medium flowing through the feed pipe 8 flows through the central tube 11 is in the vicinity of the tube sheet 3 deflected, flows through the space between the Central tube 11 and the separating jacket 12 is on the deflected closed end of the guide jacket 13, now flows through the space between the separating jacket 12 and the Guide jacket 13 emerges from the open end of the guide jacket 13 and arrives in the annular space 14 between the guide jacket 13 and the pressure jacket 1, from which it passes through the discharge pipe 9 is dissipated.
  • the result is the one indicated by the arrows Flow course for the medium guided on the jacket side.
  • 1 in the countercurrent and 2 led in direct current to the pipe-side medium.
  • the jacket-side medium is cooled and only hits the pressure jacket 1 when it has cooled down this way, additional insulation protection on the Be dispensed with inside of the pressure jacket 1.
  • a central tube 11 cylindrical chamber 16 integrated into the radial Feed channel 10 opens out.
  • the chamber 16 is opposite lying openings 17, 18 provided, one of which with the Central tube 11 and the other with the interior of the Pressure jacket 1 is connected.
  • a valve plate 19 slidably arranged by a rod 20 guided out of the heat exchanger is adjustable. In one end position, the valve plate 19 closes the the central tube 11 leading opening 17 and in the other End position leading into the interior of the pressure jacket 1 Opening 18. In between, any intermediate position is possible.
  • In the open position (closed line in Fig. 3) is the through the feed pipe 8 entering medium flow directly and discharged uncooled via the discharge pipe 9 without he comes into contact with the tubes 2.

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Abstract

Ein Wärmetauscher weist einen äußeren Druckmantel (1) auf, der mit einem Eintrittsstutzen (5) für die Zuführung und mit einem Austrittsstutzen (7) für die Abführung eines Wärmeaustauschmediums versehen ist und der U-förmig gebogene Rohre (2) umschließt. Die Rohre (2) sind in einen Rohrboden (3) eingesetzt, der mit dem Druckmantel (1) verbunden ist. Die U-förmig gebogenen Rohre (2) sind von einem Leitmantel (13) umgeben, der unter Bildung eines Ringraumes (14) in einem radialen Abstand von der Innenseite des Druckmantels (1) angeordnet ist. Die inneren und die äußeren Rohrschenkel der U-förmig gebogenen Rohre (2) sind jeweils auf einem von zwei konzentrischen Teilkreisen angeordnet. Die inneren Rohrschenkel umgeben ein in der Längsachse des Wärmetauschers angeordnetes Zentralrohr (11), das mit dem Eintrittsstutzen (5) verbunden und zum Inneren des Wärmetauschers offen ist, und das sich von einem Ende des Wärmetauschers bis nahe an den an dem anderen Ende des Wärmetauschers angeordneten Rohrboden (3) erstreckt. Zwischen den inneren und den äußeren Rohrschenkeln der U-förmig gebogenen Rohre (2) ist ein Trennmantel (12) angeordnet, der mit dem Rohrboden (3) verbunden ist. Der Leitmantel (13) ist an einem Ende mit dem Zentralrohr (11) dicht verbunden und reicht mit seinem offenen Ende bis nahe an den Rohrboden (3). Der von dem Ringraum (14) zwischen dem Leitmantel (13) und dem Druckmantel (1) ausgehende Austrittsstutzen (7) ist an dem Ende des Wärmetauschers angeordnet, das dem offenen Ende des Leitmantels (13) abgewandt ist. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.
Ein derartiger Wärmetauscher ist aus der DE-PS 20 33 128 bekannt. Bei diesem bekannten Wärmetauscher ist der Leitmantel beidseitig offen und in der Mitte mit einen Zuführungsstutzen für das mantelseitige Medium versehen. Das zugeführte Medium verteilt sich im Inneren des Leitmantels nach beiden Seiten und strömt zu einem Teil im Gegenstrom und zum anderen Teil im Gleichstrom zu dem rohrseitigen Medium. Danach tritt das mantelseitige Medium in den Ringraum zwischen dem Leitmantel und dem äußeren Druckmantel ein, aus dem es anschließend abgeführt wird. Auf diese Weise wird erreicht, daß der Druckmantel nicht mit Medium von hoher Eintrittstemperatur in Berührung kommt.
In manchen Anwendungsbereichen ist es erwünscht, daß die Temperatur, auf die das abzukühlende, mantelseitig geführte Medium abgesenkt wird, beeinflußt werden kann. Zum Erreichen dieses Zweckes ist eine Bypassanordnung bekannt (DE-PS 28 46 455), die aus einem in der Längsachse des Wärmetauschers angeordneten Zentralrohr besteht. Dieses Zentralrohr verbindet direkt die Gaseintrittskammer mit der Gasaustrittskammer und nimmt an seinem Austrittsende ein Verschluß-oder Regelorgan auf. Diese Bypassanordnung ist nur Geradrohr-Wärmetauscher anwendbar, bei denen die Wärmeaustauchrohre in zwei Rohrböden gehalten sind, die jeweils die Gaseintrittskammer oder die Gasaustrittskammer begrenzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen U-Rohr-Wärmetauscher zu schaffen, bei dem die Endtemperatur des mantelseitig geführten Mediums beeinflußt und der Druckmantel vor zu hoher Temperaturbelastung geschützt werden kann.
Durch die Anordnung der U-Rohre und die mehrfache Umlenkung des mantelseitig geführten Mediums innerhalb des Wärmetauschers wird es möglich das Zentralrohr mit einem Absperr- und Regelorgan zu versehen und so bei einem U-Rohr-Wärmetauscher eine Bypassanordnung zu schaffen. Gleichzeitig wird das mantelseitige Medium so geführt, daß es erst abgekühlt mit dem Druckmantel in Berührung kommt.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1
einen Längsschnitt durch einen Wärmetauscher,
Fig. 2
den Längsschnitt durch einen Wärmetauscher gemäß einer anderen Ausführungsform und
Fig. 3
die Einzelheit Z nach Fig. 1 oder 2.
Der dargestellte Wärmetauscher dient vorzugsweise durch Kühlung von heißen Gasen aus einer Ammoniak- oder einer Methanolerzeugungsanlage oder aus einer Kohlevergasungsanlage unter Überhitzung von Dampf als Kühlmedium.
Der Wärmetauscher besteht aus einem Druckmantel 1, der ein Bündel aus U-förmig gebogenen Rohren 2 umschließt. Die Rohre 2 sind in einen Rohrboden 3 eingesetzt, der mit dem Druckmantel 1 verbunden ist. Auf der den Rohren 2 abgewandten Seite des Rohrbodens 3 ist eine Eintrittskammer 4 mit einem Eintrittsstutzen 5 für die Zufuhr eines Wärmeaustauschmediums, z. B. Dampf vorgesehen. Innerhalb der Eintrittskammer 4 ist eine Austrittskammer 6 angeordnet, die mit dem Rohrboden 3 verbunden und gegenüber der Eintrittskammer 4 abgeschlossen ist. Die Austrittskammer 6 ist mit einem Austrittsstutzen 7 versehen, der aus der Eintrittskammer 4 herausgeführt ist.
Die U-förmig gebogenen Rohre 2 sind so ausgerichtet, daß die Eintrittsenden auf einem Teilkreis und die Austrittsenden auf einem anderen Teilkreis liegen. Die Eintrittsenden der Rohre 2 sind zu der Eintrittskammer 4 offen, und die Austrittsenden münden in die Austrittskammer 6 ein. Auf diese Weise ergibt sich die durch die Pfeile angedeutete Strömungsrichtung des auf der Rohrseite geführten Mediums. Gemäß Fig. 1 ist die Austrittskammer 6 im Querschnitt kreisförmig und zentral, das heißt in der Längsachse des Wärmetauschers angeordnet.
Wie in der Fig. 2 gezeigt ist, kann die Strömungsrichtung des rohrseitig geführten Mediums auch umgekehrt sein. In diesem Fall ist die Austrittskammer 6 bei unveränderter Eintrittskammer 4 im Querschnitt kreisringförmig ausgebildet, so daß jetzt die auf dem größeren Teilkreis liegenden Austrittsenden der Rohre 2 in die Austrittskammer 6 münden.
Der Druckmantel 1 ist an dem Rohrboden 3 abgewandten Ende des Wärmetauschers mit einem Zuführungsstutzen 8 für die Zuführung eines Wärmeaustauschmediums, z. B. von heißem Gas aus einer Ammoniak- oder einer Methanolerzeugungsanlage oder aus einer Kohlevergasungsanlage versehen. An dem gleichen Ende des Wärmetauschers ist ein Abführungsstutzen 9 für die Abführung des Wärmeaustauschmediums vorgesehen.
Der Zuführungsstutzen 8 ist über einen Zuführungskanal 10 mit einem einseitig offenen Zentralrohr 11 verbunden, das in der Längsachse des Wärmetauschers angeordnet und von den Rohren 2 umgeben ist. Das Zentralrohr 11 endet in der Nähe des Rohrbodens 3. Zwischen den Schenkeln der U-förmig gebogenen Rohre 2 ist ein zylindrischer Trennmantel 12 angeordnet. Dieser Trennmantel 12 ist mit dem Rohrboden 3 verbunden und reicht bis an die Umkehrbögen der U-förmig gebogenen Rohre 2. Die äußeren Schenkel der Rohre 2 sind von einem Leitmantel 13 umgeben, der unter Bildung eines Ringraumes 14 in einem radialen Abstand von dem Druckmantel 1 angeordnet ist. Der Leitmantel 13 ist an einem Ende mit dem Zentralrohr 11 dicht verbunden und reicht mit seinem offenen Ende bis nahe an den Rohrboden 3. In dem von dem Zentralrohr 11 und dem Leitmantel 13 umschlossenen Raum sind senkrecht zu den Rohren 2 Umlenkbleche 15 angeordnet.
Das durch den Zuführungsstutzen 8 geführte Medium durchströmt das Zentralrohr 11, wird in der Nähe des Rohrbodens 3 umgelenkt, strömt durch den Zwischenraum zwischen dem Zentralrohr 11 und dem Trennmantel 12, wird an dem geschlossenen Ende des Leitmantels 13 umgelenkt, strömt nun durch den Zwischenraum zwischen dem Trennmantel 12 und dem Leitmantel 13, tritt aus dem offenen Ende des Leitmantels 13 aus und gelangt in den Ringraum 14 zwischen dem Leitmantel 13 und dem Druckmantel 1, aus dem es durch den Abführungsstutzen 9 abgeführt wird. Es ergibt sich der durch die Pfeile angedeutete Strömungsverlauf für das mantelseitig geführte Medium. Dabei wird das mantelseitige Medium gemäß Fig. 1 im Gegenstrom und gemäß Fig. 2 im Gleichstrom zu dem rohrseitigen Medium geführt. Durch den Wärmetausch mit dem durch die Rohre 2 geführten kühleren Medium wird das mantelseitige Medium gekühlt und trifft erst im abgekühlten Zustand auf den Druckmantel 1. Auf diese Weise kann auf einen zusätzlichen Isolierschutz auf der Innenseite des Druckmantels 1 verzichtet werden.
In dem Eintrittsbereich ist in das Zentralrohr 11 eine zylindrische Kammer 16 integriert, in die radial der Zuführungskanal 10 einmündet. Die Kammer 16 ist mit gegenüber liegenden Öffnungen 17, 18 versehen, von denen eine mit dem Zentralrohr 11 und die andere mit dem Innenraum des Druckmantels 1 in Verbindung steht. In der Kammer 16 ist axial eine Ventilplatte 19 verschiebbar angeordnet, die durch eine aus dem Wärmetauscher herausgeführte Stange 20 verstellbar ist. In der einen Endstellung verschließt die Ventilplatte 19 die zu dem Zentralrohr 11 führende Öffnung 17 und in der anderen Endstellung die in das Innere des Druckmantels 1 führende Öffnung 18. Dazwischen ist jede Zwischenstellung möglich. In der Offenstellung (geschlossener Linienzug in Fig. 3) wird der durch den Zuführungsstutzen 8 eintretende Mediumstrom direkt und ungekühlt über den Abführungsstutzen 9 abgeführt, ohne daß er mit den Rohren 2 in Berührung kommt. In der Geschlossenstellung (gestrichelter Linienzug in Fig. 3) tritt der Mediumstrom in das Zentralrohr 11 ein und wird unter mehrfacher Umlenkung an den Rohren 2 entlang, bevor er durch den Ringraum 14 und den Abführungsstutzen 9 abgeführt wird. Dieser Fall ist auch in den Fig. 1 und 2 gezeigt. Auf diese Weise kann durch eine einzige Verstellbewegung der mit der Ventilplatte 19 verbundenen Stange 20 - also durch die Verstellbewegung eines einzigen Verstellgliedes - die jeweils durch die Öffnungen der Kammer 16 strömende Mediummenge zwischen null und hundert Prozent variiert werden. Dadurch kann jede Austrittstemperatur des mantelseitigen oder des rohrseitigen Mediums eingestellt werden.

Claims (6)

  1. Warmetauscher mit einem äußeren Druckmantel (1), der mit einem Eintrittsstutzen (5) für die Zuführung und mit einem Austrittsstutzen (7) für die Abführung eines Wärmeaustauschmediums versehen ist und der U-förmig gebogene Rohre (2) umschließt, die in einen Rohrboden (3) eingesetzt sind, der mit dem Druckmantel (1) verbunden ist, wobei die U-förmig gebogenen Rohre (2) von einem Leitmantel (13) umgeben sind, der unter Bildung eines Ringraumes (14) in einem radialen Abstand von der Innenseite des Druckmantels (1) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren und die äußeren Rohrschenkel der U-förmig gebogenen Rohre (2) jeweils auf einem von zwei konzentrischen Teilkreisen angeordnet sind, daß die inneren Rohrschenkel ein in der Längsachse des Wärmetauschers angeordnetes Zentralrohr (11) umgeben, das mit dem Eintrittsstutzen (5) verbunden und zum Inneren des Wärmetauschers offen ist, und das sich von einem Ende des Wärmetauschers bis nahe an den an dem anderen Ende des Wärmetauschers angeordneten Rohrboden (3) erstreckt, daß zwischen den inneren und den äußeren Rohrschenkeln der U-förmig gebogenen Rohre (2) ein Trennmantel (12) angeordnet ist, der mit dem Rohrboden (3) verbunden ist, daß der Leitmantel (13) an einem Ende mit dem Zentralrohr (11) dicht verbunden ist und mit seinem offenen Ende bis nahe an den Rohrboden (3) reicht und daß der von dem Ringraum (14) zwischen dem Leitmantel (13) und dem Druckmantel (1) ausgehende Austrittsstutzen (7) an dem Ende des Wärmetauschers angeordnet ist, das dem offenen Ende des Leitmantels (13) abgewandt ist.
  2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Eintrittsbereich des Zentralrohres (11) ein Verschlußorgan angeordnet ist.
  3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Eintrittsbereich des Zentralrohres (11) eine Kammer (16) vorgesehen ist, die mit zwei gegenüber liegenden Öffnungen (18, 19) versehen ist, von denen eine mit dem Zentralrohr (11) und die anderen mit dem Innenraum des Druckmantels (1) in Verbindung steht und daß in der Kammer (16) eine Ventilplatte (19) axial jeweils bis zur Anlage an eine der Öffnungen (17, 18) verschiebbar angeordnet ist.
  4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrboden (3) auf der den Rohren (2) abgewandten Seite eine Eintrittskammer (4) begrenzt, in der eine Austrittskammer (6) angeordnet ist, die mit dem Rohrboden (3) verbunden und mit einem Austrittsstutzen (7) versehen ist und daß in die Austrittskammer (6) die Austrittsenden aller Rohre (2) einmünden.
  5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittskammer (6) im Querschnitt kreisförmig ausgebildet und zentral in der Eintrittskammer (4) angeordnet ist.
  6. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittskammer (6) im Querschnitt kreisringförmig ausgebildet ist.
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