DE3706527A1 - Waermeaustauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher mit wenigstens zwei von einem Temperiermittel durchströmten, in ein zu temperierendes Fluid hineinragenden, kerzenartigen Wärmetauscherkörpern, deren Zufuhrseite für das Temperiermittel jeweils an die gleiche Zufuhrleitung und deren Abfuhrseite jeweils an die gleiche Abfuhrleitung angeschlossen sind, wobei die Wärmetauscherkörper an einem Träger befestigt sind. Als Fluid werden nachfolgend strömungsfähige feste sowie flüssige und gasförmige Materialien bezeichnet; sie werden gemäß dem Gegenstand der Erfindung zwecks Aggregatänderung einer Temperatur­ behandlung unterworfen.

Wärmeaustauscher der eingangs genannten Art bestehen in der Regel aus mehreren zylinderförmigen Wendeln, welche zueinander koaxial angeordnet sind und von einem Verteilersystem ausgehend parallel eingespeist werden; der Strömungsaus­ gang der wendelförmigen Wärmetauscherkörper ist ebenfalls mit einem Strömungs­ verteiler verbunden.

Als nachteilig erweist sich bei derartigen Wärmeaustauschern der verhältnis­ mäßig große apparative Aufwand, wobei aufgrund der wendelförmigen Anordnung stets ein Teil der Windungen im Strömungsschatten des Fluids liegt; dies bedingt relativ große Wärmetauscherkörper. Weiterhin ist der Aufbau verhält­ nismäßig instabil und führt in der Praxis zu Schwingungen, so daß zusätzliche Stabilisierungsmaßnahmen erforderlich sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeaustauscher der eingangs genannten Art zu schaffen, dessen Wärmetauscherkörper sich möglichst ohne Bildung von Strömungsschatten im Fluidstrom befinden und bei reduziertem apparativem Aufwand eine höhere Effektivität und bessere Stabilität aufweisen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst.

In einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die dem Fluid ausgesetzten Oberflächen der Wärmetauscherkörper und des Strömungsverteilers aus korrosionsbeständigem Material. Die Wärmetauscherkörper bestehen aus jeweils zwei ineinander geschobenen Rohren, von denen das äußere mit seinem in die Fluidströmung ragenden Ende verschlossen ist, während das innere Rohr an beiden Enden geöffnet ist; es ragt durch das mit einem ersten Kanal hermetisch dicht abgeschlossene Ende des äußeren Rohres hindurch zu einer beide Kanäle trennenden Zwischenwand und ist mit dieser hermetisch dicht abgeschlossen; das äußere Rohr steht somit in Verbindung mit dem ersten Kanal, während das innere Rohr mit dem zweiten Kanal in Verbindung steht. Der Übergang zwischen dem äußeren und dem inneren Rohr wird durch den Zwischenraum zwischen dem offenen Ende des inneren Rohres und dem geschlossenen Ende des äußeren Rohres gebildet.

Die Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, daß bei verhältnismäßig ge­ ringem apparativem Aufwand eine große Wärmeübergangsfläche zur Verfügung steht, wobei die Strömungsrichtung so gewählt werden kann, daß sowohl nach dem Gleichstromprinzip als auch nach dem Gegenstromprinzip ein optimaler Wärmeaus­ tausch zustande kommt. Aufgrund ihrer verhältnismäßig kurzen Strömungswege und relativ kleinen Wärmetauscherkörpern hat die erfindungsgemäße Anordnung eine geringe Wärmekapazität, so daß verfahrensmäßig erwünschte Temperaturänderungen bzw. Regelvorgänge rasch durchzuführen sind.

Im folgenden ist der Gegenstand der Erfindung anhand der Fig. 1A, 1B, 2A, 2B näher erläutert.

Fig. 1A zeigt in einer Draufsicht, 1B in einem Längsschnitt eine er­ findungsgemäße Anordnung mit koaxialen Rohren, deren Rohrachsen schräg zur Strömungsrichtung des Fluids angeordnet sind; der Längsschnitt verläuft ent­ lang der in der Draufsicht dargestellten Schnittlinie A-B-C-D-E-F-G, wobei zwecks besserer Übersicht auf die Darstellung des Hintergrundes verzichtet wird und die beiden äußeren Wärmetauscherkörper außerhalb der Schnittlinie ebenfalls im Querschnitt dargestellt sind.

Fig. 2A zeigt in einer Draufsicht, Fig. 2B in einem Längsschnitt eine An­ ordnung, welche U-förmige Wärmetauscherkörper aufweist, deren gerade Teilrohre mit ihren Rohrachsen schräg zur Strömungsrichtung des Fluids angeordnung ind; der Längsschnitt verläuft entlang der Schnittlinie A-B-C-D-E-F-G der Drauf­ sicht, wobei ebenfalls auf der Darstellung des Hintergrundes verzichtet wird.

Gemäß den Fig. 1A und 1B besteht der Strömungsverteiler aus einem toroidartigen Ring, welcher zwei ringförmige Kanäle 2, 3 enthält. Der die beiden Kanäle 2, 3 enthaltende Strömungsverteiler 1 weist einen trapezförmigen Querschnitt auf, wobei Kanal 3 ebenfalls einen trapezförmigen Querschnitt hat; die kleinere Seite des Trapezes ist jeweils zur Mitte des ringförmigen Strömungsverteilers 1 gerichtet. Kanal 2 ist auf der der Fluidströmung zugekehrten Seite angeordnet und mit einem äußeren Anschluß 5 versehen, während der andere Kanal 3 sich im Schatten der Fluidströmung befindet und einen äußeren Anschluß 6 aufweist.

Der Strömungsverteiler 1 hat auf seiner der Strömungsrichtung des Fluids zugekehrten Seite 7 eine kegelstumpfförmige Ausbuchtung, auf der die Wärme­ tauscherkörper 8′, 8′′ mit ihrem äußeren Rohr 9 herausragen. Das im Inneren des äußeren Rohres 9 befindliche innere Rohr 10 der Wärmetauscher­ körper 8′, 8′′ ist mit der ebenfalls kegelstumpfförmig ausgestalteten zwischen beiden Kanälen 2, 3 befindlichen Trennwand 4 verbunden, so daß das innere Rohr ebenfalls senkrecht auf der sie umgebenden Fläche der Trennwand 4 steht. Äußeres Rohr 9 und inneres Rohr 10 der Wärmetauscherkörper 8′, 8′′ sind zuein­ ander koaxial angeordnet, wobei zwischen dem oberen Ende des inneren Rohres 10 und dem abgeschlossenen Teil 11 des äußeren Rohres 9 ein Zwischenraum zum Strömungsübergang des zirkulierenden Mittels befindet. Zwecks besserer Über­ sicht ist der die Wärmetauscherkörper 8′, 8′′ umschließende Mantel 1 A nur teilweise dargestellt.

Beim Betrieb als Gleichstromaustauscher wird das Temperiermittel über den äußeren Anschluß 6 zum Kanal 3 des Strömungsverteilers 1 geführt; dies kann in der Praxis beispielsweise Heißdampf sein. Aus Kanal 3 gelangt das Medium in das innere Rohr 10 der Wärmetauscherkörper 8′, 8′′ und strömt über das offene Ende 12 des Rohres 10 in das einseitig abgeschlossene Ende 11 des äußeren Rohres 9. Erst nach Eintritt in das Rohr 9 steht das strömende Temperiermittel über die gut wärmeleitende Wand dieses Rohres im Wärmekontakt mit dem zuge­ führten Fluid. Das Fluid strömt dem geschlossenen Ende des äußeren Rohres 9 entgegen und wird dabei mit der höchsten Temperatur im gesamten Wärmeaus­ tauscher konfrontiert; das Temperiermittel wird sodann im äußeren Rohr 9 über Kanal 2 zum äußeren Anschluß 5 geführt.

Gemäß der Draufsicht in Fig. 1A sind die Wärmetauscherkörper 8′, 8′′ wechsel­ weise so versetzt, daß der gesamte Strömungsquerschnitt in Richtung des strömenden Fluids gesehen optimal ausgenutzt wird. Die in Form eines äußeren Kegelmantels angeordneten äußeren Wärmetauscherkörper 8′ umschließen einen inneren Kegelmantel, auf dem die wechselseitig innen angebrachten Wärme­ tauscherkörper 8′′ sich befinden.

Beim Betrieb als Gegenstromaustauscher tritt das strömende Temperiermittel über den äußeren Anschluß 5 in die Kammer 2 des Strömungsverteilers 1 ein und durchströmt gegen die Richtung des Fluids das äußere Rohr 9 bis zu dessen abgeschlossenen Teil 11. Anschließend wird es durch das offene Ende 12 des inneren Rohres 10 abgeführt und gelangt über den zweiten Kanal 3 des Strömungsverteilers zum äußeren Anschluß 6.

Die Fig. 2A und 2B zeigen eine erfindungsgemäße Anordnung mit U-förmig gebogenen Wärmetauscherkörpern 8, die jeweils aus zwei zueinander parallel angeordnetenTeilrohren 14, 15 bestehen, welche an ihren in das Innere des Wärmetauschers ragenden Enden durch ein U-förmiges Zwischenstück 16 mitein­ ander verbunden sind. Die Kanäle 2, 3 sind ähnlich wie in den Fig. 1A, 1B als zwei zueinander koaxiale Ringkanäle ausgebildet, welche durch die Trenn­ wand 4 voneinander getrennt sind. Auf seiner Strömungsrichtung des Fluids zugewandten Seite 7 weist der Strömungsverteiler 1 ähnlich wie in den Fig. 1A, 1B eine kegelförmige Einbuchtung auf, so daß die Teilrohre 14, 15 senkrecht aus der sie umgebenden Fläche herausragen. Der anhand dieser Figur erläuterte Aufbau der Wärmetauscherkörper 8 bezieht sich im wesentlichen auf deren geometrische Beschreibung, d. h., daß die Wärmetauscherkörper selbstver­ ständlich auch aus einem einzigen U-förmig gebogenen Rohr bestehen können. Es hat sich als besonders zweckmäßig erwiesen, die auf einen (gedachten) äußeren Kegelstumpfmantel liegenden Teilrohre 14 für die Einströmung aus Kanal 3 zu verwenden und die auf einem (gedachten) inneren Kegelstumpfmantel liegenden Teilrohre 15 sowie Kanal 2 für den Rücklauf des strömenden Temperierungs­ mittels vorzusehen; die Kanäle 2 und 3 sind jeweils mit den äußeren An­ schlüssen 5 und 6 den vorherigen Figuren entsprechend versehen.

Die beschriebenen Wärmeaustauscher sind beispielsweise zum Einsatz als Ver­ dampfer sowie als Kühler von korrodierenden Medien, wie beispielsweise Schwefelsäure, geeignet, die dem Wärmeaustauscher als Fluid in Form von Flüssigkeitströpfchen zugeführt werden. Als Material für die Wärmetauscher­ körper und das Stromverteilersystem werden im Falle korrosiver Flüssigkeiten Ventilmetalle, wie beispielsweise Tantal, Niob, Zirkonium, Titan bzw. Edel­ metalle eingesetzt. Dabei erweist sich die in Fig. 1 dargestellte Anordnung als besonders zweckmäßig, da keinerlei Biegeformung des Materials der Wärme­ tauscherkörper mehr erforderlich ist. Weiterhin ist es aufgrund der erhöhten Stabilität der Gesamtanordnung möglich, die Wandstärke der Rohre der Wärme­ tauscherkörper so zu reduzieren, daß ein möglichst guter Wärmeübergang zwischen dem strömenden Temperiermittel und dem Fluid erzielt wird. Beim Einsatz als Verdampfer wird den Wärmetauscherkörpern Dampf zugeführt und über den Strömungsverteiler als Kondensat abgeführt.

Claims (6)

1. Wärmeaustauscher mit wenigstens zwei von einem Temperiermittel durch­ strömten, in ein zu temperierendes Fluid hineinragenden, kerzenartigen Wärmetauscherkörpern, deren Zufuhrseite für das Temperiermittel jeweils an die gleiche Zufuhrleitung und derenAbfuhrseite jeweils an die gleiche Abfuhrleitung angeschlossen sind, wobei die Wärmetauscherkörper an einem Träger befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Wärme­ tauscherkörper (8; 8′; 8′′) mit der Strömungsrichtung (13) des Fluids einen Winkel von 15 bis 30° bilden, der Träger als Strömungsverteiler (1) für das Temperiermittel ausgebildet ist und zwei Kanäle (2, 3) aufweist, wobei der eine Kanal mit der Zufuhrleitung für das Temperiermittel und der andere Kanal mit der Abfuhrleitung verbunden ist.

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel 12 bis 18° beträgt.

3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscherkörper (8′; 8′′) aus einem einseitig geschlossenen Rohr (9) besteht, in das ein beidseitig offenes Rohr (10) eingesetzt ist.

4. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherkörper (8) jeweils aus zwei zylindrischen Teil­ rohren (14, 15) bestehen, die durch ein U-förmiges Zwischenstück (16) miteinander verbunden sind, wobei jeweils ein Teilrohr (14, 15) mit jeweils einem der beiden Kanäle (2, 3) verbunden ist.

5. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherkörper (8, 8′, 8′′) auf wenigstens einem Kreisring angeordnet sind.

6. Wärmeaustauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Viel­ zahl von Wärmetauscherkörpern (8, 8′, 8′′) auf zwei zueinander konzen­ trischen Kreisringen angeordnet ist, wobei im Uhrzeigersinn betrachtet jeweils ein Wärmeaustauscherkörper auf dem inneren und jeweils ein Wärme­ tauscherkörper auf dem äußeren Kreisring angeordnet ist.