EP1562018A1 - Wärmetauscherrohr, Wärmetauscher und Verwendung - Google Patents

Wärmetauscherrohr, Wärmetauscher und Verwendung Download PDF

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EP1562018A1
EP1562018A1 EP04002333A EP04002333A EP1562018A1 EP 1562018 A1 EP1562018 A1 EP 1562018A1 EP 04002333 A EP04002333 A EP 04002333A EP 04002333 A EP04002333 A EP 04002333A EP 1562018 A1 EP1562018 A1 EP 1562018A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat exchanger
exchanger tube
layer
cooling medium
medium
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP04002333A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Friedhelm Schmitz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
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Priority to PCT/EP2005/000883 priority patent/WO2005075926A1/de
Priority to CNB2005800079671A priority patent/CN100516762C/zh
Priority to US10/588,351 priority patent/US7640969B2/en
Priority to EP05701250A priority patent/EP1711773A1/de
Publication of EP1562018A1 publication Critical patent/EP1562018A1/de
Priority to US12/582,293 priority patent/US8240364B2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/18—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying coatings, e.g. radiation-absorbing, radiation-reflecting; by surface treatment, e.g. polishing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/04—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by preventing the formation of continuous films of condensate on heat-exchange surfaces, e.g. by promoting droplet formation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2245/00—Coatings; Surface treatments
    • F28F2245/04—Coatings; Surface treatments hydrophobic
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2265/00—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction
    • F28F2265/20—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction for preventing development of microorganisms

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger tube with a on an outer surface lying outside for loading with steam and an inner surface lying on an inner surface for charging with a cooling medium.
  • the invention further relates to a heat exchanger with a cooling medium guide and a vapor medium guide, wherein the cooling medium guide a variety of heat exchanger tubes for guiding Has cooling medium on the inside of a heat exchanger tube, and the steam guide for acting on an outside a heat exchanger tube designed with steam medium is.
  • the invention also leads to a use.
  • Heat exchangers of the above type are usually used in a fluid contained in the heat medium to a fluid Transfer cooling medium. That way it cools Steam medium while the cooling medium heats up. Possibly the heat exchanger is designed so that the cooling of the vapor medium until condensation of the vapor medium leads - in this case, a heat exchanger is also called Capacitor, in particular steam condenser referred to. Heat exchanger, in particular capacitors of the type mentioned, are usually installed in power plants. There serves a fluid vapor medium usually as a working medium for Drive a turbine and gives it its kinetic energy to drive the turbine to a turbine rotor, which in turn used to drive a generator.
  • This turbine exit side vapor medium is usually a heat exchanger, in particular a condenser mentioned above Kind, fed.
  • the goal is usually the vapor medium to condense, possibly also its heat content after delivery continue to use the cooling medium.
  • the boundary of a vapor medium guide in a heat exchanger of the above type formed by a wall, from a variety of heat exchanger tubes of the cooling medium guide is constructed.
  • Other concepts look across the box Steam medium guide arranged cooling medium guides, so a steam medium guided in the steam guide is attached to the Flow past the plurality of heat exchanger tubes of the cooling medium guide got to.
  • the rebuilt volume of such Heat exchangers, in particular of steam condensers, depending on Design to be kept as low as possible and optimized be that the efficiency of such heat exchangers possible good is.
  • the aim of a heat exchanger is therefore, the Heat transfer in a heat exchanger tube as effective as possible, so that the contained in the vapor medium Level of heat supplied as completely as possible to the cooling medium can be lost and not otherwise lost or unintentionally remains in the vapor medium.
  • a hindrance to the Heat transfer occurs z. B. by a formation of an insulating Condensation film on an outside of a heat exchanger tube.
  • a hindrance of the heat transfer is so more serious, the denser an insulating condensation film of this kind on an outer surface of a heat exchanger tube is.
  • the nature of such a condensation film depends on it significantly influenced by the formation of droplets or the dripping behavior from condensed vapor medium.
  • a further impairment of the heat transfer takes place by a cooling medium-side deposit formation on an inner side a heat exchanger tube.
  • Such a deposit formation takes place over time by being contained in the cooling medium inorganic and organic components on the inner surface Deposit a heat exchanger tube and collect.
  • Various Cleaning measures can greatly increase this effect slow down, however, are laborious and can slow down the process as such do not prevent.
  • the invention begins, whose task it is, a heat exchanger tube, a heat exchanger and a use specify a heat exchanger tube, in which a heat transfer from a vapor medium to a cooling medium is improved over conventional concepts.
  • the task is with respect to a heat exchanger tube through a heat exchanger tube of the type mentioned in, at according to the invention, the outer surface with an adhesion of the vapor medium at the outer surface reducing is provided first layer and / or the inner surface with an adhesion of the cooling medium to the inner surface reducing second layer is provided.
  • the invention is based on the consideration that for the drop formation or the dripping behavior of a vapor medium the outer surface of the heat exchanger tube, the surface tension of the pipe material is of grave importance. In addition, the invention is based on the consideration that the Coating on the inner surface of a heat exchanger tube to a considerable degree of the adhesive properties of the surface depends.
  • heat exchanger tubes above kind to provide and especially in one Provide heat exchanger.
  • One main reason lies among other things in that the pipes after their fabrication only with high Effort can be coated. You can also relax the production of the tubes interior coatings practically not perform more, as the tubes are usually of length Own 10 m or more.
  • a heat exchanger above kind for a power plant are usually hundreds of kilometers laid by heat exchanger tubes.
  • For a nuclear power plant can a heat exchanger more than 1000 km laid heat exchanger tubes exhibit.
  • the outer surface and / or the inner surface of the heat exchanger tube also with the claimed functionality provided surface treatment to understand the surface of a heat exchanger tube.
  • the surface of a heat exchanger tube be smoothed or polished by suitable measures.
  • a layer as a coating.
  • the first layer and / or the second layer formed from a number of sub-layers.
  • sublayers can be used, for example, as adhesion promoter layers serve.
  • adhesion promoter layers serve.
  • a coating of the outer surface and a coating the inner surface of the first layer is different is formed to the second layer.
  • the first layer is advantageous to do so the first layer as a the surface tension of the Pipe material on the outer surface reducing layer designed.
  • a second layer is advantageous as a the formation of deposits on the inner surface of the pipe material decreasing layer configured, so to reduce the adhesive properties of the inner surface of a heat exchanger tube designed.
  • the first layer is thus advantageous as the surface tension the outer surface degrading layer designed. This advantageously reduces the formation of drops and the dripping behavior of the vapor medium in a condensation thereof.
  • the second layer is therefore advantageous as a the formation of a deposit designed on the inner surface reducing layer.
  • a layer may be used as a biocide layer be designed.
  • Next proves to be an antifouling layer as advantageous. Reduce such layers the formation of deposits and the growth of organic substances to a negligible extent.
  • the invention leads to the solution of the problem in terms of Heat exchanger on a heat exchanger of the aforementioned Art in which a heat exchanger tube according to the invention to a designed above type is designed.
  • the Heat exchanger tube as a longitudinally welded heat exchanger tube is trained. That is, in the heat exchanger tube a weld extends along the elongated extent of the pipe and it is in the installed condition of the pipe arranged on the upper side of the pipe cross-section.
  • the layer becomes advantageous immediately before the welding process and still in the molding process of the tape to the slotted tube in Area of slit / weld removed.
  • the weld seam area be ground, so that under such a Grinding process an existing layer, in particular Coating, is removed again.
  • the object with regard to a use concerning the heat exchanger tube is achieved by a use according to the invention an adhesion of a fluid to a surface reducing coating material for an outer surface an outer side of a heat exchanger tube for acting with a vapor medium and for an inner surface at one Inside of the heat exchanger tube to act on a Cooling medium.
  • the outer surface is one with an adhesion of the vapor medium at the outer surface reducing the first Layer is provided and / or the inner surface is with a reduce adhesion of the cooling medium to the inner surface second layer provided.
  • PTFE Polytetrafluoroethylene
  • organic silicate network based material for use as a layer material as proved particularly advantageous.
  • Such organic silicate networks can be advantageously as outer surface consisting from nanoparticles which have the non-stick properties a surface, in particular an inner surface significantly reduce the heat exchanger tube.
  • a polytetrafluoroethylene-based sheet material can be particularly beneficial on an outer surface of a Heat exchanger tube can be used.
  • the particularly preferred embodiment shown here of the heat exchanger tube 1 in the installed state sees a an adhesion of a fluid to a surface 3, 5 of the heat exchanger tube 1 reducing layer 7, 9 before.
  • the heat exchanger tube 1 has a steam-side outer surface 3 its outer side 4 for exposure to a vapor medium 25 on and a cooling medium-side inner surface 5 at its Inner side 6 for acting on a cooling medium 27 on.
  • the outer surface 3 is one with an adhesion of the vapor medium on the outer surface 3 reducing first layer 7 provided.
  • the inner surface 5 is one with an adhesion of the cooling medium on the inner surface 5 reducing the second Layer 9 provided.
  • the first vapor-side layer 7 is presently made of a Layered material made on a PTFE (polytetrafluoroethylene) based material is. Present will be a Mixture of teflon and other components preferred.
  • the second, cooling medium-side layer 9 is present on a an organic silicate network based material. This Material was present in the formation of nanoparticles produced and exhibits according to a so-called sol-gel process so that a surface structured in the nanometer range. It has been shown that this type of coating with a second layer 9 on an inner surface 5 particularly advantageous the adhesive properties of a cooling medium and thus the deposit and accumulation of organic and inorganic Material on the inner surface 5 of the heat exchanger tube 1 prevented.
  • a first layer 7 on an outer surface 3 of the heat exchanger tube 1 based on polytetrafluoroethylene has a particularly low surface tension and thus reduces the formation of drops on the Surface and as far as drops are formed, the dripping behavior is changed so that no condensation films on the outer surface 3 of the heat exchanger tube 1 can form.
  • the heat exchanger tube 1 shown in this embodiment is advantageously made from a narrow band that already as such on its the inner surface 5 associated Surface with a layer 9 organic silicate network to form an inside 6 has been provided and on a the outer surface 3 associated surface with a polytetrafluoroethylene based material for forming an outside 4 has been provided.
  • the narrow band in the area 11 so on its edges, later in the area 11 of the weld 13 would lie already during the coating process for formation the layers 9, 7 masked and in this embodiment then ground, so that the area 11 of the Weld 13 remained free of coating.
  • the sanding step can also be omitted in the context of a modification. After the rounding of the narrow band to the slot tube in the further production step could the weld 13 at the slotted pipe to Completion of the heat exchanger tube to be attached without while adverse effects of a coating 9, 7 on to have to accept the welding process.
  • a heat exchanger tube As part of a modification, a heat exchanger tube, essentially with the same manufacturing method explained above, only in the area of its three o'clock position until nine o'clock position be coated. It has been shown that in particular the area around the six o'clock position at a Heat exchanger tube particularly susceptible to corrosion and surface damage is. In particular, often remain, z. B. especially in a Emptying of the heat exchanger tube, suspended matter in the Range of the six o'clock position on the inside of the heat exchanger tube. At least the area around the six o'clock position, z. As a 45 ° angle range, a 90 ° angle range, advantageous a 120 ° angle range and in particular a 180 ° angle range or a larger angle range, respectively as part of the modification provided with a layer.
  • FIG 2 shows schematically a heat exchanger 17 with a Cooling medium guide 19 and a steam medium guide 21.
  • Die Cooling medium guide 19 has to guide the cooling medium 27 a Variety of in Figure 1 explained in more detail heat exchanger tubes 23, which is shown only schematically in FIG are.
  • the cooling medium 27 is doing on the inside of the 6 Heat exchanger tubes 23 out.
  • the steam guide 21 sees the Actuation of the outside 4 of the heat exchanger tubes 23 with a vapor medium 25 before.
  • the heat transfer in heat exchanger tubes 1, 23 obstructing To avoid film formation is in a heat exchanger tube 1, 23 with a lying on an outer surface 3 Outside 4 to be exposed to a vapor medium and a lying on an inner surface 5 inside 6 to Loading with a cooling medium according to the proposed Concept provided that the outer surface 3 with a a Adhesion of the vapor on the outer surface 3 reducing is provided first layer 7 and / or the inner surface with an adhesion of the cooling medium to the inner surface 5 reducing second layer 9 is provided.
  • the concept leads to a heat exchanger 17 and a use.

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Abstract

Um eine, den Wärmeübergang bei Wärmetauscherrohren (1, 23) behindernde Filmbildung zu vermeiden, ist bei einem Wärmetauscherrohr (1, 23) mit einer auf einer Außenoberfläche (3) liegenden Außenseite (4) zur Beaufschlagung mit einem Dampfmedium und einer auf einer Innenoberfläche (5) liegenden Innenseite (6) zur Beaufschlagung mit einem Kühlmedium gemäß dem vorgeschlagenen Konzept vorgesehen, dass die Außenoberfläche (3) mit einer eine Adhäsion des Dampfes an der Außenoberfläche (3) verringernden ersten Schicht (7) versehen ist und/oder die Innenoberfläche mit einer ein Adhäsion des Kühlmediums an der Innenoberfläche (5) verringernden zweiten Schicht (9) versehen ist. Das Konzept führt auf einen Wärmetauscher (17) und eine Verwendung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmetauscherrohr mit einer auf einer Außenoberfläche liegenden Außenseite zur Beaufschlagung mit Dampf und einer auf einer Innenoberfläche liegenden Innenseite zur Beaufschlagung mit einem Kühlmedium. Die Erfindung betrifft weiter einen Wärmetauscher mit einer Kühlmediumführung und einer Dampfmediumführung, wobei die Kühlmediumführung eine Vielzahl von Wärmetauscherrohren zur Führung von Kühlmedium an der Innenseite eines Wärmetauscherrohres aufweist, und die Dampfführung zur Beaufschlagung einer Außenseite eines Wärmetauscherrohres mit Dampfmedium ausgelegt ist. Die Erfindung führt auch auf eine Verwendung.
Wärmetauscher obiger Art dienen in der Regel dazu, die in einem fluiden Dampfmedium enthaltene Wärme auf ein fluides Kühlmedium zu überführen. Auf diese Weise kühlt sich das Dampfmedium ab, während sich das Kühlmedium erwärmt. Gegebenenfalls ist der Wärmetauscher so ausgelegt, dass die Abkühlung des Dampfmediums bis zu einer Kondensation des Dampfmediums führt - in diesem Fall wird ein Wärmetauscher auch als Kondensator, insbesondere Dampfkondensator, bezeichnet. Wärmetauscher, insbesondere Kondensatoren der genannte Art, sind üblicherweise in Kraftwerksanlagen installiert. Dort dient ein fluides Dampfmedium in der Regel als Arbeitsmedium zum Antrieb einer Turbine und gibt dabei seine kinetische Energie zum Antrieb der Turbine an einen Turbinenrotor ab, der wiederum zum Antrieb eines Generators dient.
Danach befindet sich ein turbinenausgangsseitiges Dampfmedium in der Regel in einem entspannten Zustand, d. h. es weist einen Druck im Bereich von 1 bar auf und ist kaum überhitzt. Dieses turbinenausgangsseitige Dampfmedium wird in der Regel einem Wärmetauscher, insbesondere einem Kondensator oben genannter Art, zugeführt. Ziel ist es in der Regel, das Dampfmedium zu kondensieren, ggf. auch seinen Wärmeinhalt nach Abgabe an das Kühlmedium weiter zu nutzen.
Üblicherweise ist die Berandung einer Dampfmediumführung in einem Wärmetauscher obiger Art durch eine Bewandung gebildet, die aus einer Vielzahl von Wärmetauscherrohren der Kühlmediumführung aufgebaut ist. Andere Konzepte sehen quer in einer Dampfmediumführung angeordnete Kühlmediumführungen vor, so dass ein in der Dampfführung geführtes Dampfmedium an der Vielzahl von Wärmetauscherrohren der Kühlmediumführung vorbeiströmen muss. Dabei sollte das umbaute Volumen solcher Wärmetauscher, insbesondere von Dampfkondensatoren, je nach Auslegung, möglichst gering gehalten werden und so optimiert werden, dass der Wirkungsgrad solcher Wärmetauscher möglichst gut ist. Ziel bei einem Wärmetauscher ist es deshalb, den Wärmeübergang bei einem Wärmetauscherrohr so effektiv wie möglich zu gestalten, so dass das im Dampfmedium enthaltene Maß an Wärme möglichst vollständig dem Kühlmedium zugeführt werden kann und nicht anderweitig verloren geht oder ungewollterweise im Dampfmedium verbleibt. Eine Behinderung des Wärmeübergangs erfolgt z. B. durch eine Ausbildung eines isolierenden Kondensationsfilms an einer Außenseite eines Wärmetauscherrohres. Eine Behinderung des Wärmeübergangs ist um so gravierender, je dichter ein isolierender Kondensationsfilm dieser Art auf einer Außenoberfläche eines Wärmetauscherrohres ist. Dabei hängt die Art eines solchen Kondensationsfilms maßgeblich von der Tropfenausbildung bzw. von dem Abtropfverhalten von kondensiertem Dampfmedium ab.
Eine weitere Beeinträchtigung des Wärmeübergangs erfolgt durch eine kühlmediumseitige Belagbildung an einer Innenseite eines Wärmetauscherrohres. Eine solche Belagbildung erfolgt im Laufe der Zeit dadurch, dass sich im Kühlmedium enthaltene anorganische und organische Bestandteile auf der Innenoberfläche eines Wärmestauscherrohres absetzen und ansammeln. Diverse Reinigungsmaßnahmen können diesen Effekt zwar stark verlangsamen, sind jedoch aufwändig und können den Prozess als solchen nicht verhindern.
Wünschenswert wäre ein Wärmetauscherrohr und eine Verwendung betreffend das Wärmetauscherrohr, die einen verbesserten Wärmeübergang vorsehen. Wünschenswert wäre auch ein Wärmetauscher mit einem verbesserten Wirkungsgrad, der nicht unnötig durch einen verschlechterten Wärmeübergang bei einem Wärmetauscherrohr beeinträchtigt ist.
An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, ein Wärmetauscherrohr, einen Wärmetauscher und eine Verwendung betreffend ein Wärmetauscherrohr anzugeben, bei dem ein Wärmeübergang von einem Dampfmedium zu einem Kühlmedium gegenüber üblichen Konzepten verbessert ist.
Die Aufgabe wird hinsichtlich eines Wärmetauscherrohrs durch ein Wärmetauscherrohr der eingangs genannten Art gelöst, bei dem erfindungsgemäß die Außenoberfläche mit einer eine Adhäsion des Dampfmediums an der Außenoberfläche verringernden ersten Schicht versehen ist und/oder die Innenoberfläche mit einer eine Adhäsion des Kühlmediums an der Innenoberfläche verringernden zweiten Schicht versehen ist.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass für die Tropfenausbildung bzw. das Abtropfverhalten eines Dampfmediums an der Außenoberfläche des Wärmetauscherrohres die Oberflächenspannung des Rohrwerkstoffs von gravierender Bedeutung ist. Außerdem geht die Erfindung von der Überlegung aus, dass die Belagbildung auf der Innenoberfläche eines Wärmetauscherrohres in gravierendem Maß von den Hafteigenschaften der Oberfläche abhängt. Im Unterschied zu bisher üblichen Maßnahmen, die entweder eine regelmäßige Reinigung der Oberflächen oder Zusätze im Dampf/Kühlmedium vorsehen, hat die Erfindung erkannt, dass es möglich ist, einerseits zur verbesserten Ausgestaltung der Oberflächenspannung einer Außenoberfläche, andererseits zur verbesserten Ausgestaltung der Hafteigenschaften einer Innenoberfläche eines Wärmetauscherrohres im Hinblick auf die oben erläuterten Anforderungen, möglich ist, die Außenoberfläche mit einer Adhäsion des Dampfmediums an der Außenoberfläche verringernden ersten Schicht zu versehen und/oder die Innenoberfläche mit einer eine Adhäsion des Kühlmediums an der Innenoberfläche verringernden zweiten Schicht zu versehen. Dadurch verringern sich die bisher üblichen aufwändigen Reinigungsmaßnahmen auf der Innenseite eines Wärmetauscherrohres und Maßnahmen betreffend Zusätze im Kühlmedium. Auf der Außenseite eines Wärmetauscherrohres war eine Reinigung nachteiligerweise bisher nicht üblich. Solche mit Einschränkungen versehenen Maßnahmen wurden bisher dennoch bevorzugt, da es bisher nicht möglich war, Wärmetauscherrohre obiger Art zur Verfügung zu stellen und insbesondere in einem Wärmetauscher vorzusehen. Ein Hauptgrund liegt unter anderem darin, dass die Rohre nach ihrer Fabrikation nur mit hohem Aufwand beschichtet werden können. Außerdem lassen sich nach der Herstellung der Rohre Innenbeschichtungen praktisch nicht mehr durchführen, da die Rohre eine Länge von in der Regel 10 m oder mehr besitzen. In einem Wärmetauscher obiger Art für ein Kraftwerk sind in der Regel Hunderte von Kilometern von Wärmetauscherrohren verlegt. Für ein Kernkraftwerk kann ein Wärmetauscher mehr als 1000 km verlegte Wärmetauscherrohre aufweisen.
Unter einer Schicht im obigen Sinne ist neben einer Beschichtung der Grundoberfläche, also der Außenoberfläche und/oder der Innenoberfläche des Wärmetauscherrohres auch eine mit der beanspruchten Funktionalität versehene Oberflächenbehandlung der Oberfläche eines Wärmetauscherrohres zu verstehen. Beispielsweise könnte die Oberfläche eines Wärmetauscherrohres durch geeignete Maßnahmen geglättet oder poliert werden. Als wesentlich effektiver im Sinne obiger Erfindung erweisen sich jedoch Beschichtungsmaßnahmen, die im Weiteren erläutert sind.
Vorteilhafte Weiterbildung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, ein Wärmetauscherrohr hinsichtlich seiner Oberflächengestaltung zu realisieren.
Es ist zweckmäßig eine Schicht als Beschichtung auszuführen. Besonders vorteilhaft ist die erste Schicht und/oder die zweite Schicht aus einer Anzahl von Unterschichten gebildet. Dabei können Unterschichten beispielsweise als Haftvermittlerschichten dienen. Um eine möglichst gute Haftung der die Adhäsion eines Fluids in Form von Dampf/Kühlmedium verringernden Schicht zu verbessern. Außerdem lassen sich eine Reihe von Coating-Maßnahmen hinsichtlich der Glättung oder Versiegelung einer Oberfläche und/oder der adhäsionsverringernden Schicht vorsehen.
Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, dass im Falle einer beidflächigen Beschichtung des Wärmetauscherrohrs, d. h. einer Beschichtung der Außenoberfläche und einer Beschichtung der Innenoberfläche die erste Schicht unterschiedlich zur zweiten Schicht ausgebildet ist. Vorteilhaft ist dazu die erste Schicht als eine die Oberflächenspannung des Rohrwerkstoffs auf der Außenoberfläche vermindernde Schicht ausgestaltet. Vorteilhaft ist dabei eine zweite Schicht als eine die Belagbildung auf der Innenoberfläche des Rohrwerkstoffes vermindernde Schicht ausgestaltet, also zur Verringerung der Hafteigenschaften der Innenoberfläche eines Wärmetauscherrohres ausgelegt. Im Rahmen der Weiterbildung ist erkannt worden, dass die erste, dampfseitige Schicht aufgrund ihrer Beaufschlagung mit Dampfmedium an der Außenseite des Wärmetauscherrohres anderen Anforderungen unterworfen ist, als die zweite, kühlmediumseitige Schicht, die an der Innenseite des Wärmetauscherrohres mit Kühlmedium beaufschlagt wird. Die erste und die zweite Schicht lassen sich also hinsichtlich ihrer Anforderungen auf unterschiedliche Weise optimieren.
Vorteilhaft ist die erste Schicht also als eine die Oberflächenspannung der Außenoberfläche vermindernde Schicht ausgestaltet. Dies vermindert vorteilhaft die Tropfenausbildung und das Abtropfverhalten des Dampfmediums bei einer Kondensation desselben.
Die zweite Schicht ist also vorteilhaft als eine die Belagbildung auf der Innenoberfläche vermindernde Schicht ausgestaltet. Insbesondere kann eine solche Schicht als eine Biozidschicht ausgestaltet sein. Weiter erweist sich eine Antifoulingschicht als vorteilhaft. Solche Schichten reduzieren die Belagbildung und das Belagwachstum organischer Substanzen auf ein zu vernachlässigendes Maß.
Die Erfindung führt zur Lösung der Aufgabe hinsichtlich des Wärmetauschers auf einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art, bei dem ein Wärmetauscherrohr erfindungsgemäß auf eine oben erläuterte Art ausgelegt ist.
Als ganz besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, dass das Wärmetauscherrohr als ein längsnahtgeschweißtes Wärmetauscherrohr ausgebildet ist. Das heißt, bei dem Wärmetauscherrohr verläuft eine Schweißnaht längs der länglichen Ausdehnung des Rohres und es ist im eingebauten Zustand des Rohres an der oberen Seite des Rohrquerschnitts angeordnet.
Es hat sich nämlich gezeigt, dass eine gemäß dem vorgeschlagenen Konzept ausgebildete Schicht, insbesondere Beschichtung, eines Wärmetauscherrohres vorteilhaft bereits bei Breit- oder Schmalbändern angebracht wird, aus denen Wärmetauscherrohre üblicherweise hergestellt werden. Breit- oder Schmalbänder sind bandförmige Metallplatten der Wandstärke eines Wärmetauscherrohres, die anschließend zu einem entlang einer Längsnaht geschlitzten Schlitzrohr gerundet werden. Dieses Schlitzrohr wird dann entlang der Längsnaht mit einer Schweißnaht zur Erstellung des Wärmetauscherrohres versehen. Da die gemäß dem Konzept der Erfindung vorgesehene Schicht, insbesondere Beschichtung, möglicherweise eine Beeinträchtigung des Schweißprozesses bzw. der Qualität der Schweißnaht mit sich bringen kann, kann die Schicht vor dem Schweißprozess im Bereich der Schweißnaht lokal wieder entfernt werden. Durch ein Entfernen der Schicht im Bereich der Schweißnaht wird der oben erläuterte Effekt der Schicht nur zu einem unwesentlichen Teil beeinträchtigt, so dass gemäß dem Konzept der Erfindung immer noch ca. 90 % bis 95 % der oben erläuterten gewünschten Effekte erzielt werden.
Vorteilhaft wird die Schicht unmittelbar vor dem Schweißprozess und noch im Einformprozess des Bandes zum Schlitzrohr im Bereich des Schlitzes / der Schweißnaht entfernt.
Zweckmäßigerweise wird eine Beschichtung im lokalen Bereich der Schweißnaht durch eine örtlich lokale Maskierung des Schweißnahtbereichs während des Beschichtungsprozesses verhindert. Alternativ oder zusätzlich kann der Schweißnahtbereich beschliffen werden, so dass im Rahmen eines solchen Schleifprozesses eine bereits vorhandene Schicht, insbesondere Beschichtung, wieder entfernt wird.
Durch einen anschließenden Einbau eines Wärmetauscherrohres, bei dem die Schweißnaht längs der länglichen Ausdehnung des Rohres an der oberen Seite des Rohrquerschnitts angeordnet ist, also in einer Zwölf-Uhr-Lage, wird erreicht, dass die in einem solchen Fall nicht mit einer Schicht versehene Schweißnaht weniger durch Belagbildung beansprucht ist als die der Schweißnaht gegenüber liegende Seite und die übrigen Bereiche eines Wärmetauscherrohres. Durch diese vorteilhafte Maßnahme wird also erreicht, dass der Schweißprozess, der ein Schlitzrohr zum Wärmetauscherrohr fertigstellt, zum Einen nicht durch eine Schicht gemäß dem vorgeschlagenen Konzept beeinträchtigt wird, und zum Anderen dennoch ein besonders hoher Anteil der oben erläuterten gewünschten Effekte, vorteilhaft in einem Bereich oberhalb von 95 Prozent, erreicht wird.
Die Aufgabe hinsichtlich einer Verwendung betreffend das Wärmetauscherrohr wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Verwendung eines eine Adhäsion eines Fluids an einer Oberfläche verringernden Schichtmaterials für eine Außenoberfläche an einer Außenseite eines Wärmetauscherrohres zur Beaufschlagung mit einem Dampfmedium und für eine Innenoberfläche an einer Innenseite des Wärmetauscherrohres zur Beaufschlagung mit einem Kühlmedium.
Insbesondere ist die Außenoberfläche mit einer eine Adhäsion des Dampfmediums an der Außenoberfläche verringernden ersten Schicht versehen ist und/oder die Innenoberfläche ist mit einer eine Adhäsion des Kühlmediums an der Innenoberfläche verringernden zweiten Schicht versehen.
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, dass ein auf Polytetrafluorethylen (PTFE) basierendes Material als Schichtmaterial verwendet wird. Dazu kann vorteilhaft ein Material verwendet werden, das PTFE in Form von Teflon enthält.
Weiter hat sich erwiesen, dass ein auf einem Kohlenstoffsystem basierendes Material als Schichtmaterial vorteilhaft ist. Insbesondere hat sich ein gemäß einem Diamond-like-System (DLC-System) aufgebautes Material als besonders vorteilhaft erwiesen.
Weiter hat sich ein, auf einem organischen Silikatnetzwerk basierendes Material zur Verwendung als Schichtmaterial als besonders vorteilhaft erwiesen. Solche organische Silikatnetzwerke lassen sich vorteilhaft als Außenoberfläche bestehend aus Nanopartikeln ausbilden, welche die Antihafteigenschaften einer Oberfläche, insbesondere einer Innenoberfläche des Wärmetauscherrohres maßgeblich verringern. Ganz ähnlich erweist sich eine DLC-System-Oberfläche auf einer Innenoberfläche des Wärmetauscherrohres als besonders vorteilhaft.
Eine auf einem Polytetrafluorethylen basierendes Schichtmaterial kann besonders vorteilhaft auf einer Außenoberfläche eines Wärmetauscherrohres verwendet werden.
Die Verwendung aller genannten Schichtmaterialien für ein Wärmetauscherrohr gemäß dem oben erläuterten Konzept lässt sich gemäß der Erkenntnis der Erfindung auf überraschende Weise vorteilhaft verwirklichen, denn nach bisher üblichen Maßnahmen ließen sich Schichten der oben genannten Art auf Wärmetauscherrohren gar nicht realisieren und konnten deshalb für einen Fachmann nicht in Betracht kommen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Diese soll die Ausführungsbeispiele nicht maßgeblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Im Einzelnen zeigt die Zeichnung in:
FIG 1
den Querschnitt eines Wärmetauscherrohres im eingebauten Zustand gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform;
FIG 2
eine schematische Darstellung eines Wärmetauschers gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform mit einer Kühlmediumführung und einer Dampfmediumführung.
FIG 1 zeigt ein Wärmetauscherrohr 1 im eingebauten Zustand bei einem Wärmetauscher wie er schematisch in FIG 2 gezeigt ist. Die hier gezeigte besonders bevorzugte Ausführungsform des Wärmetauscherrohres 1 im eingebauten Zustand sieht eine eine Adhäsion eines Fluids an einer Oberfläche 3, 5 des Wärmetauscherrohrs 1 verringernde Schicht 7, 9 vor. Das Wärmetauscherrohr 1 weist eine dampfseitige Außenoberfläche 3 an seiner Außenseite 4 zur Beaufschlagung mit einem Dampfmedium 25 auf und eine kühlmediumseitige Innenoberfläche 5 an seiner Innenseite 6 zur Beaufschlagung mit einem Kühlmedium 27 auf. Die Außenoberfläche 3 ist mit einer eine Adhäsion des Dampfmediums an der Außenoberfläche 3 verringernden ersten Schicht 7 versehen. Die Innenoberfläche 5 ist mit einer eine Adhäsion des Kühlmediums an der Innenoberfläche 5 verringernden zweiten Schicht 9 versehen.
Die erste, dampfseitige Schicht 7 ist vorliegend aus einem Schichtmaterial gefertigt, das ein auf einem PTFE (Polytetrafluorethylen) basierendes Material ist. Vorliegend wird ein Gemisch aus Teflon und anderen Komponenten bevorzugt. Die zweite, kühlmediumseitige Schicht 9 ist vorliegend ein auf einem organischen Silikatnetzwerk basierendes Material. Dieses Material wurde vorliegend zur Bildung von Nanopartikeln nach einem so genannten Sol-Gel-Prozess hergestellt und weist damit eine im Nanometerbereich strukturierte Oberfläche auf. Es hat sich gezeigt, dass diese Art der Beschichtung mit einer zweiten Schicht 9 auf einer Innenoberfläche 5 besonders vorteilhaft die Hafteigenschaften eines Kühlmediums und damit die Ablagerung und Ansammlung von organischem und anorganischem Material auf der Innenoberfläche 5 des Wärmetauscherrohres 1 verhindert. Eine erste Schicht 7 auf einer Außenoberfläche 3 des Wärmetauscherrohres 1 auf Polytetrafluorethylen-Basis weist eine besonders geringe Oberflächenspannung auf und verringert damit die Tropfenausbildung an der Oberfläche und soweit Tropfen gebildet werden, das Abtropfverhalten wird derart verändert, dass sich keinerlei Kondensationsfilme auf der Außenoberfläche 3 des Wärmetauscherrohres 1 bilden können.
Das in dieser Ausführungsform gezeigte Wärmetauscherrohr 1 ist vorteilhaft aus einem Schmalband hergestellt, das bereits als Solches auf seiner der Innenoberfläche 5 zugeordneten Fläche mit einem organischen Silikatnetzwerk der Schicht 9 zur Bildung einer Innenseite 6 versehen wurde und auf einer der Außenoberfläche 3 zugeordneten Fläche mit einem auf Polytetrafluorethylen basierenden Material zur Bildung einer Außenseite 4 versehen wurde. Im Rahmen des weiteren Herstellungsprozesses wurde das Schmalband im Bereich 11, also an seinen Rändern, die später im Bereich 11 der Schweißnaht 13 liegen würden, bereits beim Beschichtungsprozess zur Bildung der Schichten 9, 7 maskiert und bei dieser Ausführungsform anschließend angeschliffen, so dass der Bereich 11 der Schweißnaht 13 beschichtungsfrei blieb. Der Anschleifschritt kann im Rahmen einer Abwandlung auch entfallen. Nach der Verrundung des Schmalbandes zum Schlitzrohr im weiteren Herstellungsschritt konnte die Schweißnaht 13 am Schlitzrohr zur Fertigstellung des Wärmetauscherrohres angebracht werden, ohne dabei nachteilige Auswirkungen einer Beschichtung 9, 7 auf den Schweißprozess in Kauf nehmen zu müssen.
Im eingebauten Zustand wird das Wärmetauscherrohr 1 in einem Wärmetauscher 17 in der in FIG 1 gezeigten Zwölf-Uhr-Lage eingebaut, d. h. die Schweißnaht 13 befindet sich an der oberen Seite 15 des Rohrquerschnitts.
Im Rahmen einer Abwandlung kann ein Wärmetauscherrohr, im Wesentlichen mit dem gleichen oben erläuterten Herstellungsverfahren, lediglich im Bereich seiner Drei-Uhr-Lage bis Neun-Uhr-Lage beschichtet werden. Es hat sich nämlich gezeigt, dass insbesondere der Bereich um die Sechs-Uhr-Lage bei einem Wärmetauscherrohr besonders korrosions- und belaganfällig ist. Insbesondere verbleiben oftmals, z. B. vor allem bei einer Entleerung des Wärmetauscherrohres, Schwebstoffe in dem Bereich der Sechs-Uhr-Lage auf der Innenseite des Wärmetauscherrohres. Wenigstens der Bereich um die Sechs-Uhr-Lage, z. B. ein 45°-Winkel-Bereich, ein 90°-Winkel-Bereich, vorteilhaft ein 120°-Winkel-Bereich und insbesondere ein 180°-Winkel-Bereich oder ein jeweils größerer Winkel-Bereich, ist im Rahmen der Abwandlung mit einer Schicht versehen.
FIG 2 zeigt schematisch einen Wärmetauscher 17 mit einer Kühlmediumführung 19 und einer Dampfmediumführung 21. Die Kühlmediumführung 19 weist zur Führung des Kühlmediums 27 eine Vielzahl von in FIG 1 näher erläuterten Wärmetauscherrohren 23 auf, die in der FIG 2 lediglich schematisch gezeigt sind. Das Kühlmedium 27 wird dabei an der Innenseite 6 der Wärmetauscherrohre 23 geführt. Die Dampfführung 21 sieht die Beaufschlagung der Außenseite 4 der Wärmetauscherrohre 23 mit einem Dampfmedium 25 vor.
Um eine, den Wärmeübergang bei Wärmetauscherrohren 1, 23 behindernde Filmbildung zu vermeiden, ist bei einem Wärmetauscherrohr 1, 23 mit einer auf einer Außenoberfläche 3 liegenden Außenseite 4 zur Beaufschlagung mit einem Dampfmedium und einer auf einer Innenoberfläche 5 liegenden Innenseite 6 zur Beaufschlagung mit einem Kühlmedium gemäß dem vorgeschlagenen Konzept vorgesehen, dass die Außenoberfläche 3 mit einer eine Adhäsion des Dampfes an der Außenoberfläche 3 verringernden ersten Schicht 7 versehen ist und/oder die Innenoberfläche mit einer ein Adhäsion des Kühlmediums an der Innenoberfläche 5 verringernden zweiten Schicht 9 versehen ist. Das Konzept führt auf einen Wärmetauscher 17 und eine Verwendung.

Claims (13)

  1. Wärmetauscherrohr (1) mit einer auf einer Außenoberfläche (3) liegenden Außenseite (4) zur Beaufschlagung mit einem Dampfmedium (25) und einer auf einer Innenoberfläche (5) liegenden Innenseite (6) zur Beaufschlagung mit einem Kühlmedium (27),
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Außenoberfläche (3) mit einer eine Adhäsion des Dampfmediums (25) an der Außenoberfläche (3) verringernden ersten Schicht (7) versehen ist, und/oder die Innenoberfläche (5) mit einer eine Adhäsion des Kühlmediums (27) an der Innenoberfläche (5) verringernden zweiten Schicht (9) versehen ist.
  2. Wärmetauscherrohr (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die erste Schicht (7) und/oder die zweite Schicht (9) durch eine Anzahl von Unterschichten gebildet ist.
  3. Wärmetauscherrohr (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    im Falle einer beidflächigen Beschichtung (7, 9) des Wärmetauscherrohres (1) die erste Schicht (7) unterschiedlich zur zweiten Schicht (9) ausgebildet ist.
  4. Wärmetauscherrohr (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die erste Schicht (7) als eine die Oberflächenspannung der Außenoberfläche (3) vermindernde Schicht ausgestaltet ist.
  5. Wärmetauscherrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die zweite Schicht (9) als eine die Belagbildung auf der Innenoberfläche (5) vermindernde Schicht ausgestaltet ist.
  6. Wärmetauscher (17) mit einer Kühlmediumführung (19) und einer Dampfmediumführung (21), wobei
    die Kühlmediumführung (19) eine Vielzahl von Wärmetauscherrohren (23) zur Führung von Kühlmedium (27) an der Innenseite (6) eines Wärmetauscherrohres (1, 23) aufweist, und
    die Dampfmediumführung (21) zur Beaufschlagung einer Außenseite (4) eines Wärmetauscherrohres (1, 23) mit Dampfmedium (25) ausgelegt ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    ein Wärmetauscherrohr (1, 23) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
  7. Wärmetauscher nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Wärmetauscherrohr (1, 23) als ein längsnahtgeschweißtes Wärmetauscherrohr (1) ausgebildet ist, bei dem eine Schweißnaht (13) längs der länglichen Ausdehnung des Wärmetauscherrohres (1, 23) verläuft und im eingebauten Zustand des Wärmetauscherrohres (1, 23) an der oberen Seite (15) des Rohrquerschnitts angeordnet ist.
  8. Verwendung eines eine Adhäsion eines Fluids an einer Oberfläche verringernden Schichtmaterials für eine Außenoberfläche (3) an einer Außenseite (4) eines Wärmetauscherrohres (1, 23) zur Beaufschlagung mit einem Dampfmedium (25) und für eine Innenoberfläche (5) an einer Innenseite (6) des Wärmetauscherrohres (1, 23) zur Beaufschlagung mit einem Kühlmedium (27).
  9. Verwendung nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Außenoberfläche (3) mit einer eine Adhäsion des Dampfmediums (25) an der Außenoberfläche (3) verringernden ersten Schicht (7) versehen ist, und/oder
  10. die Innenoberfläche (5) mit einer eine Adhäsion des Kühlmediums (27) an der Innenoberfläche (5) verringernden zweiten Schicht (9) versehen ist.
  11. Verwendung nach Anspruch 8 oder 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Schichtmaterial ein auf PTFE (Polytetrafluorethylen) basierendes Material ist.
  12. Verwendung nach Anspruch 8 oder 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Schichtmaterial ein auf einem Kohlenstoffsystem basierendes Material ist.
  13. Verwendung nach Anspruch 8 oder 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Schichtmaterial ein auf einem organischen Silicatnetzwerk basierendes Material ist.
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