DE19723971C1 - Wärmetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit bündel­ artig zusammengefaßten, mit ihren Enden in Rohrböden ge­ lagerten Rohren, in denen zwecks Reinigung von Ablagerun­ gen sich in Längsrichtung erstreckende Reinigungsfedern angeordnet sind.

Bei der Rückgewinnung von Wärme, beispielsweise aus Ab­ gas, bzw. der Kühlung von Abgas kommen Rohrbündelwärme­ tauscher in kompakter Bauweise zum Einsatz. Die Rohrbün­ del setzen sich aus einer Vielzahl von Rohren zusammen, welche in Rohrböden gehalten werden. Durch die Rohre wird das heiße Medium geleitet, während auf deren Außenseite ein Tauschermedium, meist Wasser, geführt wird.

An die Leistung und die Betriebszuverlässigkeit der Wär­ metauscher werden hohe Ansprüche gestellt. Bereits bei der Auslegung der Wärmetauscher ist man daher bestrebt, alle Faktoren, welche die Qualität und Leistung negativ beeinflussen können, zu minimieren.

Problematisch gestaltet sich sowohl die Auslegung der Wärmetauscher als auch deren Betrieb, wenn ein Medium mit hohem Schmutzanteil durch den Wärmetauscher geführt wer­ den muß. Hier kommt es zu einer Verschmutzung der Rohre, wodurch sich der Wärmeübergang vom Medium an die Rohrwand erheblich verschlechtert. Desweiteren steigt der Druck­ verlust mit zunehmender Betriebsdauer. Die vorgegebenen Ausgangstemperaturen können dann nur noch bedingt er­ reicht werden. Als Folge der Verschmutzung sinkt der Ge­ samtwirkungsgrad. Die Verschmutzung fördert darüberhinaus die Korrosion und verkürzt die Lebensdauer eines Wärme­ tauschers. Hohe Wartungskosten und unter Umständen lange Stillstandszeiten der Anlage können die Folge sein.

Üblich ist es, die Rohrbündel in bestimmten Reinigungs­ intervallen manuell zu reinigen. Die Wärmetauscher werden hierzu stillgelegt, geöffnet und mit entsprechendem Rei­ nigungswerkzeug bearbeitet. Das Reinigungsergebnis ist hierbei sehr gut, jedoch ist der Reinigungsaufwand hoch. Darüberhinaus ist eine Unterbrechung des Betriebs der An­ lage unvermeidlich.

Durch die DE 29 35 701 A1 zählt eine Vorrichtung zum Ab­ kratzen von Ablagerungen an den Innenflächen von Wärme­ tauscherrohren zum Stand der Technik. Hierbei sind Schraubenfedern im Inneren der Rohre angeordnet. Die Schraubenfedern sind mit einem Ende an einer Platte befe­ stigt, die mit einem Antrieb für eine hin- und hergehende und eine drehende Bewegung verbunden ist. Aufwendig und im Betrieb schwierig gestaltet sich insbesondere die Ab­ dichtung des außen angeordneten Antriebs zum unter Druck und bei hohen Temperaturen arbeitenden Wärmetauscher. We­ gen ihrer Anfälligkeit führt die Abdichtung häufig zum Ausfall des Wärmetauschers.

Ferner beeinflußt die vollflächig geschlossene Platte, an der die Schraubenfedern festgelegt sind, die Strömungs­ verhältnisse im Wärmetauscher nachteilig. Schließlich hat sich auch die mechanische Kopplung von Antrieb und Platte als störanfällig erwiesen.

Bei der durch die US 48 25 940 bekannten Vorrichtung zur Reinigung von Wärmetauscherrohren im Betrieb sind Reini­ gungsfedern in diesen angeordnet, welche durch die Injek­ tion von Druckgas in die Wärmetauscherrohre in Schwingun­ gen versetzt werden sollen. Diese Vorgehensweise ist je­ doch anlagen- und steuerungstechnisch aufwendig.

Besonders hohe Sicherheitsanforderungen werden an Wärme­ tauscher dann gestellt, wenn toxische, explosive oder um­ weltgefährdende Fluide im Wärmetauscher behandelt werden. Abdichtungen an nach außen geführten Wellen bilden dann potentielle Schwach- und Gefahrenpunkte.

Der Erfindung liegt daher ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher, bei dem eine Abreinigung der Rohre während des Betriebs erfolgen kann, anlagentechnisch weiterzubilden und zu verbessern.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß in den Merkmalen des Anspruchs 1.

Kernpunkt der Erfindung bildet die Maßnahme, die Rohr­ platte, an der die Reinigungsfedern festgelegt sind, durch eine äußere Magnetkraft zu bewegen.

Auf diese Weise kann eine berührungslose Kraftübertragung für die Bewegung der Rohrplatte erfolgen. Zusätzliche Dichtungen an nach außen geführten Wellen sind nicht er­ forderlich. Hierdurch wird die insbesondere bei problema­ tischen Einsatzfällen, wie der Behandlung von toxischen, explosiven oder umweltgefährdenden Fluiden, geforderten Dichtheit Rechnung getragen. Der Wärmetauscher kann her­ metisch dicht ausgeführt werden. Grundsätzlich kann die äußere Magnetkraft innerhalb des Gehäuses des Wärmetau­ schers oder außerhalb angeordnet sein.

Zur Erzeugung der Magnetkraft kommt ein Magnet zum Ein­ satz, dessen Magnetfeld in der Lage ist, mit einer ent­ sprechend hohen Suszeptibilitätswirkung die Rohrplatte mit den angegliederten Reinigungsfedern zu bewegen. Neben Permanentmagneten können vorteilhaft auch Elektromagnete zur Erzeugung der Magnetkraft zum Einsatz gelangen.

Die Anbindung der Reinigungsfedern an die Rohrplatte kann direkt oder mittelbar durch Zwischenschaltung weiterer Bauteilkomponenten erfolgen.

Die Reinigungsfedern sind einseitig an der Rohrplatte festgelegt. Das jeweils andere Federende ist lose im Rohr geführt. Durch die durch die Magnetkraft eingeleitete Be­ wegung der Reinigungsfedern werden diese in Längsrichtung im Rohr bewegt. Gleichzeitig werden die Reinigungsfedern zu Schwingungen angeregt. Der Außendurchmesser der Reini­ gungsfedern ist daher kleiner als der Innendurchmesser eines Rohrs gewählt. Es kommt dann zu Längs- und Quer­ schwingungen der Reinigungsfedern. Die Reinigungswirkung besteht sowohl in einer Schab- als auch in einer Pulsa­ tions- oder Schlagwirkung. Verschmutzungen kann so entge­ gengewirkt werden.

Ein zusätzlicher Vorteil stellt sich durch die von den Reinigungsfedern im Rohr hervorgerufenen Turbulenzen ein. Hieraus resultiert ein besserer Wärmeübergang an der Rohrinnenseite und eine verbesserte Wärmeübertragung.

In der Rohrplatte sind in Geometrie und Anzahl entspre­ chend auf die austrittsseitigen Öffnungen der Wärmetau­ scherrohre angepaßte Durchbrechungen vorgesehen. Die Durchbrechungen gewährleisten einen ausreichend großen Durchströmquerschnitt für das Abgas. So werden die Strö­ mungsverhältnisse im Wärmetauscher durch die im Wärmetau­ schergehäuse integrierte Rohrplatte nur unwesentlich be­ einflußt. Im Wärmetauscher ist die Rohrplatte an Füh­ rungsstangen mit Passung verlagerbar angeordnet.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des allgemeinen Erfin­ dungsgedankens ist in den Merkmalen des Anspruchs 2 cha­ rakterisiert.

Danach weist die Rohrplatte einen Permanentmagneten auf, welcher unter den Einfluß eines außen am Wärmetauscherge­ häuse verlagerbaren Magneten bewegbar ist. Bei dem äuße­ ren Magneten kommt ebenfalls vorzugsweise ein Permanent­ magnet zum Einsatz. Permanentmagnete haben die Eigen­ schaft, daß sie eine von äußeren Feldern wenig abhängige Magnetisierung besitzen und erzeugen ein dauernd wirken­ des Magnetfeld.

Der Einsatz eines Elektromagneten zur Erzeugung der äuße­ ren Magnetkraft hat den Vorteil, daß diese bzw. die magnetische Feldstärke durch Veränderung der Stromstärke geregelt werden kann.

Nach den Merkmalen des Anspruchs 3 wird der äußere Magnet durch eine Kolben-Zylinder-Einheit, beispielsweise einen doppelt wirkenden Pneumatik- oder Hydraulikzylinder, be­ wegt. Kolben-Zylinder-Einheiten, beispielsweise Pneuma­ tik- oder Hydraulikzylinder, sind robust, kleinbauend und arbeiten zuverlässig. Sie sind sowohl für den Einsatz im periodischen Betrieb als auch für einen Dauerbetrieb ge­ eignet.

Je nach Baugröße des Wärmetauschers können mehrere Kol­ ben-Zylinder-Einheiten vorgesehen sein, welche über den Umfang des Wärmetauschergehäuses verteilt angeordnet sind, wie dies Anspruch 4 vorsieht.

Grundsätzlich sind auch andere Antriebsausführungen mög­ lich. Eine Alternative sieht nach den Merkmalen des An­ spruchs 5 vor, einen Elektromotor zur Bewegung des Magne­ ten einzusetzen.

Nach den Merkmalen des Anspruchs 6 sind die Reinigungsfe­ dern an einer Halteplatte festgelegt, welche der Rohr­ platte zugeordnet ist.

Die Enden der Reinigungsfedern sind in Durchbrechungen der Halteplatte eingehängt. Durch Verbindungselemente, beispielsweise Schraubbolzen, sind Rohrplatte und Halte­ platte untereinander gekoppelt. Auf diese Weise ist eine sichere Lagefixierung und ein einfacher Ein- und Ausbau der Reinigungsfedern gewährleistet.

Ein der Rohrplatte zugeordneter Permanentmagnet kann bei­ spielsweise mittels einer Paßfederverbindung festgelegt sein. Hierdurch wird eine stabile Lagefixierung des Per­ manentmagneten gewährleistet, die eine gute Kraft- bzw. Bewegungsübertragung ermöglicht.

Zweckmäßgerweise ist die Aktivierung der Magnetkraft, welche die Bewegung der Rohrplatte bewirkt, in die Abhän­ gigkeit einer speicherprogrammierbaren Steuerung ge­ stellt, wie dies Anspruch 7 vorsieht. Auf diese Weise kann eine bedarfsgerechte, in Abhängigkeit vom Verschmut­ zungszustand des Wärmetauschers ansteuerbare Abreinigung der Wärmetauscherrohre vorgenommen werden.

Die Bewegung bzw. Bewegungsfrequenz der Reinigungsfedern kann entsprechend der Neigung zur Ablagerung des jeweili­ gen Mediums angepaßt werden. Bei geringer Neigung zur Bildung von Ablagerungen reicht eine diskontinuierliche Abreinigung in gewissen Zeitabständen aus. Vor allem bei Medien mit hohem Foulingfaktor, also starkem Bestreben, Ablagerungen zu bilden, ist es nützlich, die Frequenz der Federbewegungen erhöhen zu können.

Insgesamt ermöglicht die Erfindung einen kontinuierlichen Betrieb eines Wärmetauschers. An den Rohrwänden abgela­ gerte Schmutzpartikel werden durch die Reinigungsfedern während des Betriebs abgelöst und mit dem strömenden Me­ dium ausgetragen. Stillstandszeiten bzw. Betriebsunter­ brechungen für Reinigungsarbeiten werden weitestgehend minimiert. Auch die häufig übliche Überdimensionierung von Wärmetauschern, um den sich während des Betriebs ein­ stellenden Leistungsrückgang infolge der Verschmutzungen zu kompensieren, ist nicht erforderlich.

Besonders zweckmäßig wird die Rohrplatte mit den An­ triebskomponenten an der kalten Seite des Wärmetauschers, also an der Abgasaustrittsseite, vorgesehen. Auf diese Weise ist der Magnetantrieb den hohen Temperatureinflüs­ sen auf der Abgaseintrittsseite entzogen. Vorteilhafter­ weise sind die im Medium befindlichen Magnete gekapselt und damit vor nachteiligen Einflüssen des Fördermediums geschützt.

In einer weiteren Ausbildung ist es möglich, die Reini­ gungsfedern in der Rohrplatte drehbar einzuhängen, so daß durch den Magnetantrieb neben der längsgerichteten Bewe­ gung auch eine Drehbewegung möglich ist.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben.

In der Fig. 1 ist ein Ausschnitt aus einem erfindungsge­ mäßen Wärmetauscher im vertikalen Querschnitt darge­ stellt.

Heißes Abgas wird von der hier nicht dargestellten Ein­ trittsseite durch ein von einer Vielzahl von Tauscherroh­ ren 1 gebildeten Rohrbündel geleitet. Der Übersicht hal­ ber ist hier nur ein Tauscherrohr 1 gezeigt. Über eine Austrittskammer 2 des Wärmetauschergehäuses 3 wird das Abgas der weiteren Entsorgung zugeführt.

Beidseitig sind die Tauscherrohre 1 mit ihren Enden in Rohrböden gelagert. Hier dargestellt ist ein Rohrboden 4 an der Abgasaustrittsseite 5. Das Rohrbündel ist von einem Mantel 6 umgeben, welcher mit Stutzen für die Zu- und Ableitung eines Tauschermediums versehen ist. Mit 7 ist hier der Abgangsstutzen bezeichnet.

Jedes Tauscherrohr 1 ist in Längsrichtung mindestens zum überwiegenden Teil seiner Länge von einer Reinigungsfeder 8 durchsetzt. An einem Ende 9 ist die Reinigungsfeder 8 aus dem Tauscherrohr 1 herausgeführt und an einer im Wär­ metauschergehäuse 3 angeordneten Rohrplatte 10 festge­ legt. Das andere Ende der Reinigungsfeder 8 ist lose im Tauscherrohr 1 geführt.

Der Rohrplatte 10 ist eine Halteplatte 11 zugeordnet. Jede Reinigungsfeder 8 ist in eine Durchbrechung 12 der Halteplatte 11 eingehängt. Hierzu ist das Ende 13 der Reinigungsfeder 8 hakenartig umgeformt. Das Ende 13 ist durch die Durchbrechung 12 geführt und greift in eine ne­ ben der Durchbrechung 12 vorgesehene Bohrung 14 ein.

Die Fixierung der Reinigungsfedern 8 erfolgt durch die Rohrplatte 10. Die Rohrplatte 10 ist auf der dem Rohrbo­ den 4 abgewandten Seite 15 angeordnet, wobei Halteplatte 11 und Rohrplatte 10 untereinander mittels Schraubbolzen 16 gekoppelt sind. Durch die Verspannung von Halteplatte 11 und Rohrplatte 10 werden die Enden 13 der Reinigungs­ federn 8 festgeklemmt.

Korrespondierend zu den Durchbrechungen 12 der Halte­ platte 11 sind Öffnungen 17 in der Rohrplatte 10 angeord­ net. Die Halteplatte 11 und die Rohrplatte 10 können so vom Abgas durchströmt werden.

Die Rohrplatte 10 ist durch einen Magnetantrieb 18 im Wärmetauschergehäuse 3 längsgerichtet bewegbar. Der Magnetantrieb 18 umfaßt einen Permanentmagneten 19, wel­ cher der Rohrplatte 10 zugeordnet ist und mittels einer Paßfederverbindung 20 nach DIN 6885 festgelegt ist. Außerhalb des Wärmetauschers ist ein zweiter, mit dem Permanentmagneten 19 zusammenwirkender Permanentmagnet 21 angeordnet. Dieser kann durch eine Kolben-Zylinder-Ein­ heit 22 in axialer Längsrichtung des Wärmetauschers be­ wegt werden. Bei der Kolben-Zylinder-Einheit 22 kann es sich um einen Pneumatik- oder Hydraulikzylinder handeln.

Der Permanentmagnet 21 ist am freien Ende 23 der Kolben­ stange 24 befestigt. Durch die Bewegung des Permanent­ magneten 21 und des hierbei wirkenden Magnetfelds wird der Permanentmagnet 19 um eine entsprechende Strecke mit­ gezogen. Durch die Rückbewegung des Permanentmagneten 21 wird der Ausgangszustand erreicht. Infolge der äußeren Magnetkraft wird so die Rohrplatte 10 bewegt. Die Anre­ gung der Rohrplatte 10 und der hieran festgelegten Rohr­ federn 8 wird demzufolge durch die in Wirkzusammenhang stehenden Permanentmagneten 19, 21 und deren Bewegung be­ stimmt.

Auf diese Weise ist eine berührungslose Kraftübertragung durch das wirksame magnetische Feld realisiert.

Der Magnetantrieb 18 arbeitet berührungslos und damit verschleißfrei. Die Erfindung ermöglicht einen dichten Wärmetauscher ohne zusätzliche Wellenabdichtungen. Demzu­ folge ist der erfindungsgemäße Wärmetauscher insbesondere geeignet für Einsatzfälle, bei denen toxische, explosive oder andere umweltgefährdende Fluide eingesetzt werden.

Die Aktivierung des Magnetantriebs 18 ist in die Abhän­ gigkeit einer speicherprogrammierbaren Steuerung ge­ stellt. Damit ist eine bedarfsgerechte, in Abhängigkeit vom Verschmutzungsgrad der Tauscherrohre 1 regel- bzw. steuerbare Fremderregung der Reinigungsfedern 8 möglich.

Durch die von dem Magnetantrieb 18 bewirkte Bewegung der Rohrplatte 10 werden die Reinigungsfedern 8 longitudinal in den Tauscherrohren 1 bewegt. Gleichzeitig werden sie zu Schwingungen angeregt. Es kommt dann zusätzlich zu einer intensiven Längs- und Querschwingung der Reini­ gungsfedern 8. Hierdurch werden Ablagerungen an den In­ nenflächen der Tauscherrohre 1 abgetragen. Auf diese Weise ist eine kontinuierliche Abreinigung der Tauscher­ rohre 1 im laufenden Betrieb sichergestellt.

Bezugszeichenliste

1

- Tauscherrohr

2

- Austrittskammer

3

- Wärmetauschergehäuse

4

- Rohrboden

5

- Abgasaustrittsseite

6

- Mantel

7

- Abgangsstutzen

8

- Reinigungsfeder

9

- Ende

10

- Rohrplatte

11

- Halteplatte

12

- Durchbrechung

13

- Ende v.

8

14

- Bohrung

15

- Seite v.

4

16

- Schraubbolzen

17

- Öffnungen in

10

18

- Magnetantrieb

19

- Permanentmagnet

20

- Paßfederverbindung

21

- Permanentmagnet

22

- Kolben-Zylinder-Einheit

23

- Ende v.

24

24

- Kolbenstange

Claims (7)

1. Wärmetauscher mit bündelartig zusammengefaßten, mit ihren Enden in Rohrböden (4) gelagerten Rohren (1), in denen sich in Längsrichtung erstreckende Reini­ gungsfedern (8) angeordnet sind, die an einem Ende (9) aus den Rohren (1) herausgeführt und an einer im Wärmetauschergehäuse (3) längsgerichtet verlagerbar angeordneten Rohrplatte (10) festgelegt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrplatte (10) durch eine äußere Magnetkraft beweg­ bar ist.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrplatte (10) ein Permanentmagnet (19) zugeordnet ist, welcher un­ ter dem Einflug eines außen am Wärmetauschergehäuse (3) verlagerbaren Magneten (21) bewegbar ist.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kolben-Zylin­ der-Einheit (22) zur Bewegung des Magneten (21) vor­ gesehen ist.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kolben- Zylinder-Einheiten (22) vorgesehen sind, welche über den Umfang des Wärmetauschergehäuses (3) verteilt an­ geordnet sind.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Elektromotor zur Bewegung des Magneten vorgesehen ist.

6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrplatte (10) eine Halteplatte (11) umfaßt, welche Durchbrechungen (12) aufweist, in denen die Enden (13) der Reinigungsfedern (8) eingehängt sind.

7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivierung der Magnetkraft in die Abhängigkeit einer speicherprogrammierbaren Steuerung gestellt ist.