DD277504B1 - Stuetzgitter fuer rohrbuendelwaermeuebertrager - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Stützgitter mit definierter Halterung der vorrangig in einer Dreiecksteilung ausgeführten parallelen Rohre eines Rohrbündelwärmeübertragers zur Intensivierung des Wärmeüberganges durch eine Erhöhung der Turbulenz und einer Vergleichmäßigung der Strömung über dem Mantelraumquerschnitt und der Mantelraumlänge. Das erfindungsgemäße Stützgitter findet vorzugsweise in stehenden Rohrbündelwärmeübertragern im Hochdruckbereich, in welchen eine Begrenzung des Manteldurchmessers bei hoher Wärmeübertragungsleistung durch enge Rohrteilung und hohe Strömungsgeschwindigkeiten angestrebt wird, Anwendung. Es ist besonders für den Einsatz bei Zweiphasenströmung von Gas-/Flüssigkeitsgemischen um die Rohre geeignet. Derartige Rohrbündelwärmeübertrager werden beispielsweise bei hydrierenden Prozessen der Petrol- und Karbochemie eingesetzt.

Gemäß US-PS 3967677 sind Einbauten für Wärmeübertrager in Form eines Stabgitters bekannt. Dabei verlaufen zwischen den Rohrreihen eines Rohrbündels mit Rechteckteilung der Rohre Haltestäbe, die sich in verschiedenen Ebenen kreuzen.

Am Rohrspiegelrand wird die Lage der einzelnen Haltestäbe durch ein der Kontur des Rohrspiegels angepaßtes Blechband fixiert. Das Stabgitter nach dieser Lösung dient der Rohrabstützung bei gleichzeitiger Erhöhung der Turbulenz und damit des Wärmeübergangs.

Nachteilig sind der für die Haltestäbe notwendige relativ weite Abstand zwischen den Rohren sowie die komplizierte Montage des Rohrbündels aufgrund der sich kreuzenden Haltestäbe.

Ein weiterer Nachteil sind die begrenzte Turbulenzwirkung dieser Lösung und damit auch der geringe Effekt bezüglich einer Vergleichmäßigung der Strömung und Verbesserung des Wärmeübergangs.

Entsprechend US-PS 4204305 ist eine Methode zur Gestaltung eines Wärmeübertragers bekannt, bei der die Rohrbündelrohre durch gebohrte Vollscheiben gehalten werden. Diese Vollscheiben füllen den gesamten Strömungsquerschnitt aus, wobei das Medium durch Formbohrungen, welche sich jeweils an die Hauptbohrungen für die Rohrbündelrohre anschließen, geführt wird.

Nachteilig bei dieser Lösung ist besonders bei enger Rohrteilung die Beschränkung auf geringe Strömungsgeschwindigkeiten.

Mit steigender Geschwindigkeit sind zur Vermeidung von zu hohem Druckverlust und Phasenentmischung unter den Vollscheiben größere prozentuale Durchtri'tsflächen und damit größere Formbohrungen erforderlich. Diese sind aber bei der vorgestellten Lösung wegen der technologisch und festigkeitsmäßig erforderlichen Mindeststegbreite in ihren Abmessungen beschränkt und in ihrer Herstellung aufwendig.

jin bekannter Haltekäfig nach SU-PS 731251 stützt die Rohrbündelrohre durch aufgeschobene Hülsen, die mit Stegen untereinander verbunden sind;

Auf den aufeinanderfolgenden Haltekäfigen mit unterschiedlicher Konfiguration werden abwechselnd andere Rohre abgestützt.

Nachteilig sind die erforderliche weite Rohrteilung sowie der kompakte und auch komplizierte Aufbau. Es werden keine wesentliche Strömungsbeeinflussung und damit auch keine positive Beeinflussung der Phasenverteilung und des Wärmeübergangs erreicht.

Nach DE-OS 2213126 ist weiterhin ein Gitter aus Drahtseilen, die am Ende gegen Querverschiebung durch einen Rahmen gehalten werden, bekannt. Die Rohre, außer die äußeren, sind jeweils in den Gitterzwischenräumen angeordnet.

Jedes Drahtseil wird um einen Abschnitt der angrenzenden Rohre gebogen. Diese Anordnung besitzt eine begrenzte Stabilität und ihr Anwendungsbereich ist nachteiligerweise auf den Einsatz bei relativ weiter Dreiecksteilung der Rohre eingeengt.

Außerdem erfordert diese Anordnung eine komplizierte Montagetechnologie.

Gemäß EP-PS 105938 ist eine Halterung für die Rohre eines Rohrbündels innerhalb eines Behälters bekannt. Dabei sind die sich kreuzenden Stützstäbe in einer jeden Etage nicht gerade, sondern wellenförmig ausgebildet, so daß sie die Rohre am Umfang über einen Zentrierwinkel teilweise umfassen. Dadurch besitzen die auf Knickung beanspruchten und Vibrationen ausgesetzten Rohre weniger Freiheitsgrade.

Der wesentliche Nachteil dieser Ausführung besteht darin, daß die Gitterstäbe lediglich eine Halterung der Rohrbündelrohre gewährleisten, ohne dabei gleichzeitig eine Turbulenzwirkung zu erzielen. Ein weiterer Nachteil besteht in der komplizierten Montage des Rohrbündels aufgrund erforderlicher kleiner Bauteiltoleranzen bei dieser Lösung.

Gemäß GB-Patent Specification 1360239 und GB 2024399 sind Halterungen bekannt, die das Ziel der Verbesserung des Wärmeüberganges durch entsprechend gestaltete Anordnungen und Formen verfolgen.

Die wesentlichen Nachteile sind, daß bei einer einfachen Wellung nahezu keine positive Beeinflussung des Wärmeüberganges erreicht wird und daß durch Strömungswehre eine wesentliche negative Beeinflussung aufgrund hoher Druckverluste erzielt wird. Nach GB-Patent Specification 1551373 ist das Herstellungsverfahren von Metall-Wellen in Radienform bzw. in eckigen Konen aus Blech, Stangen oder Profilen bekannt, welches für Bauelemente, vorrangig in der Nachrichtentechnik bzw. Kabelindustrie, Anwendung findet. Mittel-Wirkprinzipien sind in der Beziehung zum Stützgitter für Rorhbündelwärmeübertrager nicht gegeben.

Das Ziel der Erfindung ist die Steigerung der Wärmeübertragerleistung von stehenden Rohrbündelwärmeübertragern bei hoher Betriebssicherheit und Lebensdauer, kleinem Druckverlust und geringen Herstellungskosten.

Entsprechend dem Ziel liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Stützgitter für Rohrbündelwärmeübertrager zu entwickeln, das bei hoher Kompaktheit der Wärmeübertragerfläche, d.h. enge Rohrteilung bei großen Volumenströmen eines vorzugsweise zweiphasigen Mediums, eine zuverlässige Halterung und schwingungstechnische Lagerung der Rohrbündelrohre gewährleistet und dabei gleichzeitig eine gleichmäßige Phasen- und Geschwindigkeitsverteilung im gesamten Mantelraum bewirkt.

Dies wird im wesentlichen dadurch erreicht, daß die Wellung der Blechstreifen derart im Wechsel verläuft, daß jeweils dem größeren Radius an der Oberkante dor kleinere Radius an der Unterkante sich gegenüberliegender Blechstreifen zugeordnet

Die Höhe der Blechstreifen beträgt das 3- bis 5fache des Durchmessers der Rohrbündelrohre.

Über dem Rohrbündelquerschnitt sind die jeweils benachbarten parallelen Blechstreifen, bezogen auf die von ihnen eingeschlossene Rohrreihe symmetrisch zueinander angeordnet.

Dadurch besteht im Bereich der Blechstreifen ein System von gleichmäßig über dem Rohrspiegelquerschnitt verteilten, sich konisch verengender und erweiternder Kanäle.

Die Erfindung ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß der größere Radius dem Außenradius der Rohrbündelrohre und der kleinere Radius dem Radius eines im Mittelpunkt des Teilungsdreieckes angeordneten, die Rohrbündelrohre tangierenden Kreises entsprechen.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in

Fig. 1: stehender Hochdruck-Rohrbündelwärmeübertrager

Fig. 2: Stützgitterausschnitt in der Draufsicht

Fig.3: Schnitt A-A aus Fig.2

Fig.4: Schnitt B-B aus Fig. 2 ohne Darstellung der geschnittenen Rohrbündelrohre Fig. 5: Ausschnitt aus einem Blechstreifen in perspektivischer Darstellung.

Der stehende Hochdruck-Rohrbündelwärmeübertrager besteht aus e-nem Hochdruckmantel 1, der mit einem Deckel 2 verschlossen ist, und einem Rohrbündel 3, welches von einem Hüllmantel 4 umgeben ist. Das untere offene Ende des Hüllmantels 4 bildet den Zuströmquerschnitt zum Raum um die Rohrbündelrohre 5. In diesem befindet sich eine Verteilereinrichtung 6 zur Gewährleistung einer gleichmäßigen Anfangsverteilung des Zweiphasengemisches in einer Ausführung z. B. entsprechend DD-WP 243551A1. In gleichmäßigen Abständen von 0,5 bis 2 D des Rohrbündels 3 befinden sich zwischen unterem Rohrboden 7 und oberem Rohrboden 8 quer zu den Rohrbündelrohren 5 die erfindungsgemäßen Stützgitter 9.

Die Stützgitter 9 bestehen aus vorgeprägten, gewellten Blechstreifen 10, die in den Rohrreihen parallel zueinander eingeklemmt

Die Blechstreifen 10 werden am Rohrspiegelrand durch einen Haltering 11, der fest mit dem Hüllmantel 4 verbunden ist, gehaltert.

Im Ausführungsbeispiel besteht das Rohrbündel 3 aus Rohrbündelrohren 5 mit einem Außendurchmesser von 20 mm, welche in einer Dreiecksteilung von 26mm angeordnet sind. Die 2 mm dicken Blechstreifen 10 mit einer Höhe von 80mm besitzen an ihrer Ober- bzw. Unterkante eine derartige Wellung, daß im Wechsel ein größerer Radius 12 und ein kleinerer Radius 13 aufeinanderfolgen.

Das Außenmaß des größeren Radius 12 entspricht dem Außenradius der Rohrbündelrohre 5 in einer Größe von 10mm. Der kleinere Radius 13 entspricht dem Radius eines im Mittelpunkt des Teilungsdreiecks angeordneten, die Rohrbündelrohre 5 tangierenden Kreises, der im Ausführungsbeispiel einen Radius von 5mm aufweist.

Zwischen der Ober- und Unterkante der Blechstreifen 10 ist die Zuordnung der verschieden großen Wellungsradien vertauscht, wodurch entlang der Blechstreifen 10 im Wechsel sich stetig konisch erweiternde bzw. verengende Wellen entstehen.

Benachbarte Blechstreifen 10 sind derart eingebaut, daß sis symmetrisch zu der sie voneinander trennenden Rohrreihe liegen.

Durch die Form der Blechstreifen 10 und ihren Einbau entsteht zwischen zwei Rohrreihen ein System von im Wechsel sich konisch erweiternder bzw. verengender Kanäle, welche seitlich durch die Blechstreifen 10 und die Rohrbündelrohre 5 begrenzt sind. Zwischen den Rohrbündelrohren 5 einer Rohnaihe liegen gleiche konisch sich verengende oder erweiternde Kanäle vor, wobei zwischen benachbarten Rohrreihen ein Wechsel zwischen der sich verengenden und der sich erweiternden Kanalform zwischen den Rohrbündelrohren 5 stattfindet. Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Stützgitters für Rohrbündelwärmeübertrager ist wie folgt:

Das am unteren offenen Ende des Hüllmantels in den Mantelraum des Rohrbündels eintretende Zweiphasengemisch wird in einer Verteilereinrichtung gleichmäßig über den Querschnitt verteilt und strömt parallel zu den Rohrbündelrohren aufwärts, wobei es durch das in den Rohren abwärts strömende Fluid aufgeheizt wird.

Auf Grund vorhandener Querstromkomponenten, Druckpulsationen und Turbulenzen tritt auch bei Längsstrom eine strömungsinduzierte Schwingungserregung auf. Zur Verhinderung von schwingungsbedingten Schäden am Rohrbündel ist daher in erforderlichen Abständen eine geeignete Rohrhalterung zu realisieren.

Durch diese werden die freie Knicklänge der Rohre begrenzt und die Eigenfrequenz des Rohrbündels derart gegenüber der Erregerfrequenz der Zweiphasenströmung verstimmt, daß die Eigenfrequenz immer höher als die maximal mögliche Erregerfrequenz liegt.

Jedes Rohrbündelrohr wird viermal am Umfang geklemmt. Auf Grund der gewellten Form der Blechstreifen ist die Anwendung auf enge Rohrteilungen möglich, wobei durch die unterschiedliche Wellung über die Höhe der Blechstreifen auch eino hohe Stabilität des Stützgitters erwirkt wird.

Beim parallelen Durchströmen des Mantelraumes bildet sich durch Wandeinflüsse u. a. zwangsläufig ein radial ungleichmäßiges Geschwindigkeitsprofil aus, welches wiederum eine ungleiche radiale Phasenverteilung hervorruft. Zur Gewährleistung eines hohen Wärmeübergangs wird aber eine über dem Mantelraumquerschnitt homogene Geschwindigkeits- und Phasenverteilung verlangt, die durch das aus vorgeprägten, gewellten Blechstreifen bestehende erfindungsgemäße Stützgitter erzielt wird.

Aufgrund der sich konisch verengenden bzw. erweiternden Strömungskanäle, die durch die Rohrbündelrohre und die Blechstreifen begrenzt werden, und deren gleichmäßige Verteilung über dem gesamten Strömungsquerschnitt entstehen eng benachbarte Bereiche mit verzögerter bzw. beschleunigter Strömung am Stützgitter. Dies bedingt oberhalb des Stützgitters Zirkulationserscheinungen, die sich zwischen den eng benachbarten Bereichen verzögerter und beschleunigter Strömung ausbilden und einen Ausgleich der Geschwindigkeits- und Phasenverteilung hervorrufen.

Die erfindungsgemäßen Stützgitter und ihre Anordnung bewirken eine Erhöhung der Turbulenz, wodurch der Wärmeübergang verbessert wird. Gleichzeitig zur Verbesserung der Wärmeübertragerleistung wird durch die Gewährleistung einer stabilen Rohrhalterung bei enger Rohrteilung und hohen Strömungsgeschwindigkeiten die Betriebssicherheit erhöht. Durch die enge Rohrteilung ist die Möglichkeit einer hohen Kompaktheit der Wärmeübertragungsfläche und damit eine Begrenzung des Manteldurchmessers gegeben. Dies trägt zu einer Minderung der Herstellungskosten bei.

Claims (1)

1. Stützgitter für Rohrbündelwärmeübertrager, das aus vorgeprägten, gewellten Blechstreifen besteht, in definierter Folge über die Rohrbündellänge verteilt und quer zu den Rohrbündelrohren angeordnet ist, wobei das gesamte Stützgitter am Rohrspiegelrand gegen Vorschiebung gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellung der Blechstreifen (10), welche eine Blechstreifenhöhe vom 3- bis 5fachen Durchmesser der Rohrbündelrohre (5) aufweisen, in an sich bekannter Weise in Längsrichtung derart im Wechsel verläuft, wobei in ihrer Ober- bzw. Unterkante jeweils ein größerer Radius (12) und ein kleinerer Radius (13) mit gleichmäßig verlaufendem Übergang der Radien zwischen Oberkante und Unter Kante aufeinanderfolgen, daß jeweils dem größeren Radius (12) an der Oberkante der kleinere Radius (19) an der Unterkante sich gegenüberliegender Blockstreifen (10) angeordnet ist und daß der größere Radius (12) dem Außenradius der Rohrbündelrohre (5) und der i;'einere Radius (13) dem Radius eines im Mittelpunkt des Teilungsdreiecks angeordneten, die RohrLündelrohre (5) tangierenden Kreises entspricht.

   Hierzu 3 Seiten Zeichnungen