Wärmetauscher mit U-Rohren

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.

[0002] Ein derartiger Wärmetauscher ist aus der DE-A-3 147 512 bekannt.
Dieser Wärmetauscher enthält U-förmig gebogene Rohre sowie ein Zentralrohr innerhalb des Bündels der U-förmig gebogenen Rohre, einen Trennmantel zwischen den Rohren und einen Leitmantel außerhalb des Rohrbündels. Auf diese Weise wird erreicht, daß das abzukühlende, mantelseitig geführte Medium so durch den U-Rohr-Wärmetauscher geleitet wird, daß das Medium erst abgekühlt mit dem Druckmantel in Berührung kommt. Es sind mehrere Gruppen von U-Rohren vorgesehen, wobei die Schenkel der U-Rohre auf jeweils konzentrischen Kreisen angeordnet und jeweils strikt einander zugeordnet sind. Der innerste Rohrkreis ist dem äußersten Rohrkreis zugeordnet, der zweitinnerste dem zweitäußeren und so weiter. Im Unterschied dazu wird gemäß der Erfindung eine einzige Gruppe von U-Rohren verwendet. Der bekannte Wärmetauscher ist nicht mit einem regelbaren Bypass versehen. Es ist daher nicht möglich, die Temperatur zu beeinflussen, auf die das abzukühlende, mantelseitig geführte Medium abgesenkt werden soll.

[0003] Bei einem aus der DE-C-2 033 128 bekannten Wärmetauscher ist der Leitmantel beidseitig offen und in der Mitte mit einem 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.

[0004] 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-C-2 846 455), 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 für Geradrohr-Wärmetauscher anwendbar, bei denen die Wärmeaustauschrohre in zwei Rohrböden gehalten sind, die jeweils die Gaseintrittskammer oder die Gasaustrittskammer begrenzen.

[0005] Aus der GB-A-2 134 240 ist ein Wärmetauscher mit U-Rohren bekannt, die von dem zu kühlenden heißen Gas durchströmt sind. Die Eintrittsschenkel der U-Rohre münden in eine Gaseintrittskammer, und die Austrittschenkel münden in eine Gasaustrittskammer ein, die die Gaseintrittskammer umschließt. Die Gaseintrittskammer ist mit der Gasaustrittskammer über eine durch einen Schieber verschließbare Öffnung verbunden. Je nach der Stellung des Schiebers wird das eintretende Gas den U-Rohren oder direkt der Gasaustrittskammer zugeführt. Der bekannte U-Rohr-Wärmetauscher ist nicht mit einem Zentralrohr, einem Trennmantel und einem Leitmantel versehen.

[0006] 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.

[0007] Die Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Wärmetauscher erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

[0008] 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.

[0009] 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.

[0010] Der dargestellte Wärmetauscher dient vorzugsweise der Kühlung von heißen Gasen aus einer Ammoniak- oder einer Methanolerzeugungsanlage oder aus einer Kohlevergasungsanlage unter Überhitzung von Dampf als Kühlmedium.

[0011] 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.

[0012] 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.

[0013] 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.

[0014] 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.

[0015] 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.

[0016] 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.

[0017] 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.

Ansprüche

1. Wärmetauscher 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, wobei die inneren und die äußeren Rohrschenkel der U-förmig gebogenen Rohre (2) jeweils auf einem von zwei konzentrischen Teilkreisen angeordnet sind, wobei die inneren Rohrschenkel ein in der Längsachse des Wärmetauschers angeordnetes Zentralrohr (11) umgeben, das mit einem Zuführungskanal (10) 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, wobei 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, wobei 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, wobei der von dem Ringraum (14) zwischen dem Leitmantel (13) und dem Druckmantel (1) ausgehende Austrittsstutzen (7) an dem Ende des Wärmetauschers angeordnet ist und das Ende des Wärmetauschers dem offenen Ende des Leitmantels (13) abgewandt ist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Eintrittsbereich des Zentralrohres (11) eine Kammer (16) vorgesehen ist, die mit zwei gegenüber liegenden Öffnungen (18, 17) versehen ist, von denen eine mit dem Zentralrohr (11) und die andere 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.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, 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.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittskammer (6) im Querschnitt kreisförmig ausgebildet und zentral in der Eintrittskammer (4) angeordnet ist.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittskammer (6) im Querschnitt kreisringförmig ausgebildet ist.

Claims

1. Heat exchanger with an outer pressure casing (1), which is provided with an inlet stub pipe (5) for the feed and with an outlet stub pipe (7) for the discharge of a heat exchange medium and which encloses tubes (2) bent in U-shape and inserted in a tube base (3), which is connected with the pressure casing (1), wherein the tubes (2) bent into U-shape are surrounded by a guide casing (13) which is arranged at a radial spacing from the inner side of the pressure casing (1) with formation of an annular space (14), wherein the inner and outer tube limbs of the tubes (2) bent in U-shape are each arranged on a respective one of two concentric part circles, wherein the inner tube limb surrounds a central tube (11) which is arranged in the longitudinal axis of the heat exchanger and which is connected with a feed channel (10) and open towards the interior of the heat exchanger and extends from one end of the heat exchanger to near the tube base (3) arranged at the other end of the heat exchanger, wherein arranged between the inner and the outer tube limbs of the tubes (2) bent in U-shape is a separating casing (12) which is connected with the tube base (3), wherein the guide casing (13) is sealingly connected at one end with the central tube (11) and extends by its open end into the vicinity of the tube base (3), wherein the outlet stub pipe (7) going out from the annular space (14) between the guide casing (13) and the pressure casing (1) is arranged at the end of the heat exchanger and the end of the heat exchanger is remote from the open end of the guide casing (13), characterised in that provided in the inlet region of the central tube (11) is a chamber (16) which is provided with two mutually opposite openings (18, 17), of which one is connected with the central tube (11) and the other with the interior space of the pressure casing (1) and that a valve plate (19) is arranged in the chamber (16) to be axially displaceable each time for contact with one of the openings (17, 18).

2. Heat exchanger according to claim 1, characterised in that the tube base (3) bounds, on the side remote from the tubes (2), an inlet chamber (4) in which an outlet chamber (6) is arranged and is connected with the tube base (3), the outlet chamber being provided with an outlet stub pipe (7), and that the outlet ends of all tubes (2) open into the outlet chamber (6).

3. Heat exchanger according to claim 2, characterised in that the outlet chamber (6) is constructed to be circular in cross-section and is arranged centrally in the inlet chamber (4).

4. Heat exchanger according to claim 2, characterised in that the outlet chamber (6) is constructed to be circularly annular in cross-section.

Revendications

1. Échangeur de chaleur comportant une enveloppe sous pression extérieure (1), qui est pourvue d'une goulotte d'entrée (5) pour l'alimentation et d'une goulotte de sortie (7) pour l'évacuation d'un fluide caloporteur et qui entoure des tubes (2) cintrés en U, qui sont insérés dans une plaque à tubes (3) qui est reliée à l'enveloppe sous pression (1), les tubes cintrés en U (2) étant entourés d'une enveloppe conductrice (13) qui est disposée à une distance radiale de la face interne de l'enveloppe sous pression (1) en formant un espace annulaire (14), les branches intérieures et extérieures des tubes cintrés en U (2) étant respectivement disposées sur deux cercles partiels concentriques, les branches intérieures des tubes entourant un tube central (11) disposé dans l'axe longitudinal de l'échangeur de chaleur, qui est relié à un canal d'alimentation (10) et est ouvert vers l'intérieur de l'échangeur de chaleur, et qui s'étend d'une extrémité de l'échangeur de chaleur jusqu'à proximité de la plaque à tubes (3) disposée à l'autre extrémité de l'échangeur de chaleur, une enveloppe de séparation (12) étant disposée entre les branches de tubes intérieures et extérieures des tubes cintrés en U (2), qui est reliée à la plaque à tubes (3), l'enveloppe conductrice (13) étant reliée de manière étanche à une extrémité au tube central (11) et son extrémité ouverte arrivant jusqu'à proximité de la plaque à tubes (3), la goulotte de sortie (7) partant de l'espace annulaire entre l'enveloppe conductrice (13) et l'enveloppe sous pression (1) étant disposée à l'extrémité de l'échangeur de chaleur et l'extrémité de l'échangeur de chaleur étant tournée à l'opposé de l'extrémité ouverte de l'enveloppe conductrice (13), caractérisé en ce que dans la zone d'entrée du tube central (11) est prévue une chambre (16) qui est pourvue de deux ouvertures (18, 17), situées en regard l'une de l'autre, dont l'une est reliée au tube central (11) et l'autre à l'espace intérieur de l'enveloppe sous pression (1), et qu'une plaque de vanne (19) est disposée dans la chambre (16), coulissante axialement jusqu'en appui sur chacune des ouvertures (17, 18).

2. Échangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la plaque à tubes (3) délimite sur sa face tournée à l'opposé des tubes (2) une chambre d'entrée (4) dans laquelle est disposée une chambre de sortie (6), qui est reliée à la plaque à tubes (3) et est pourvue d'une goulotte de sortie (7), et que dans la chambre de sortie (6) débouchent les extrémités de sortie de tous les tubes (2).

3. Échangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la chambre de sortie (6) est réalisée avec une forme circulaire en section transversale et est disposée de manière centrale dans la chambre d'entrée (4).

4. Échangeur de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la chambre de sortie (6) est réalisée avec une forme d'anneau de cercle en section transversale.

Zeichnung