DE2037873B2

DE2037873B2 - Wärmetauscher für zwei Fluide mit einem kreiszylindrischen Gehäusemantel

Info

Publication number: DE2037873B2
Application number: DE19702037873
Authority: DE
Inventors: Paul Winterthur Moser; Tadeusz Dipl.-Ing. Wettingen Zaba
Original assignee: Brown Boveri Sulzer Turbomaschinen AG
Current assignee: Brown Boveri Sulzer Turbomaschinen AG
Priority date: 1970-07-24
Filing date: 1970-07-24
Publication date: 1974-05-30
Also published as: DE2037873A1; DE2037873C3

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für zwei Fluide mit einem kreiszylindrischem Gehäusemantel, der einen Raum umschließt, in dem ein Rohrbündel angeordnet ist, dessen Rohre parallel zur Zylinderachse zwischen zwei ebenen Rohrboden verlaufen, und vom ersten Fluid quer angeströmt werden, mit einem Eintritts- und einem Austrittsstutzen für das erste Fluid, die am Gehäusemantel über dessen Umfang versetzt angebracht sind, und mit je einer ebenen Leitwand an der Eintrittsseite und der Austrittsseite, die parallel zur Zylinderachse von einem Rohrboden zum anderen verlaufen, auf einer Seite über deren ganze Länge einen Spalt mit gleichmäßigem Querschnitt frei lassen und auf der anderen Seite einen Eintritts- bzw. Austrittsraum abschließen. Der Wirkungsgrad solcher Wärmetauscher kann bti sonst gleichbleibenden Bedingungen durch eine bessere Verteilung des Stromes des ersten Fluids über einen möglichst großen Teil der Außenfläche

ίο der Rohre erhöht werden. Diesem Erfordernis läßt sich durch Verwendung von kürzeren und breiteren Gehäusen nachkommen. Beim Bauen solcher Wärmetauscher größerer Leistungen ist man oft aus Raum- bzw. Transportgründen beschränkt.

Bei einem bekannten Wärmetauscher der eingangs genannten Art wird zur Erzielung einer gleichmäßigen Beströmung aller Rohre des Rohrbündels die Zahl der parallelliegenden Rohre klein gehalten. Um sehr viele Rohre in Strömungsrichtung hintereinander beströmen zu können, ist eine Mehrzahl von r.eitwänden angeordnet, welche die Beströmung umlenken. Dabei wird das durch den Eintrittsstutzen eintretende Fluid nicht über eine möglichst große Fläche der Rohre gleichmäßig verteilt, sondern strömt, umgelenkt von den Leitwänden, dem Ausgangsstutzen zu, ohne sich über die Länge der Rohre zu verteilen. Auch ist durch die Anordnung einer Vielzahl von Leitwänden dieser bekannte Wärmetauscher sehr aufwendig im Aufbau und damit teuer in der Herstellung.

Bei einem weiteren bekannten Wärmetauscher wird durch die Anordnung einer Mehrzahl von Leitwänden ebenfalls nur eine einfache Umlenkung des von der Eintritts- zur Austrittsseite strömenden ersten Mediums um die vom zweiten Medium durchströmten Rohre erzielt. Der gesamte Raum des Wärmetauschers ist mit Wärmetauschrohren gefüllt und in eine Vielzahl von in Strömungsrichtung hintereinandergereihten schmalen und langen Kammern aufgeteilt, die je mit einer Einzelrohrreihe versehen sind. Außer den Leitwänden sind an den freien Enden derselben in Strömungsrichtung abgebogene Leitschaufeln vorhanden, ähnliche Leitschaufeln finden sich auch an den Füßen der Leitwände.

Jede Leitschaufel bildet eine Wand und die ihr gegenüberliegende Hohlkehle die andere Wand einer Düse mit sich verringerndem Querschnitt. Dadurch wird eine Drosselung im Rohrbündel selbst und innerhalb des Weges des ersten Fluids durch das Rohrbündel erzielt, wobei der Weg durch die Leitwände vorgegeben ist. Die Leitschaufeln selbst dienen zum Umlenken des Stromes sowie zu dessen Beschleunigung und zur Erzeugung einer Wirbelbildung des anfangs laminaren Stromes des ersten Fluids. Eine Verteilung des Stromes des ersten Fluids über die ganze Länge der Rohre wird nur dadurch annähernd erreicht, daß der Ausgangsstutzen an dem Eingangsstutzen abgewandtem Ende des Wärmetauschers angeordnet ist. Insgesamt ist die Bauweise dieses bekannten Wärmetauschers sehr aufwendig, ohne daC ein guter Wirkungsgrad bei der Warmetauschung erzielt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einer Wärmetauscher der eingangs genannten Art zu schaf fen, bei dem ohne baulich aufwendige Anström- bzw Abströmanbauten an dem Gehäusemantel mit nu zwei geraden Leitwänden am Rohrbündel ein voll kommen gleichmäßig über die ganze verfügbar

Wärmetauschfläche, insbesondere über die ganze Länge des Rohrbündels, verteilter Durchgang des ersten Fluids im Raum des Rohrbündels erzielt wird, wobei der Wärmetauscher auch für höchste Leistungen, was Druck, Temperatur, Durchtrittsmenge und Durchtrittsgeschwindigkeit betrifft, benutzbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß das mittig zum Gehäusemantel angeordnete Rohrbündel im Querschnitt rechteckförnng ausgebildet ist, die Leitwände an gegenüberliegenden Seiten des Rohrbündels anliegen und diese Seiten voll abdecken, daß der Eintritts- bzw. Austrittsstutzen auf die entsprechende Leitwand gerichtet ist, daß die Spalte Drosselstellen bilden, von denen die Durchtrittsfläche der eintrittsseitigen Drosselstelle kleiner ist als diejenige der austrittsseitigen Drosselstelle, und daß zwischen den Drosselstellen und den senkrecht zu den Leitwänden verlaufenden Seiten des Rohrbündels Beruhigungsräum^ gebildet sind, die s,'ch über die ganze Rohrlänge im umschlossenen so Raum erstrecken. Dadurch kommen die Drosselstellen für das erste Medium außerhalb des Raumes des Rohrbündels, d.h., vor und nach diesem, zu liegen. Auf Grund der Anordnung der eintrittsseitigen Drosselstelle wird der Strom des ersten Fluids durch die Stauungswirkung dieser Drosselstelle über die ganze Länge des Wärmetauschers und damit über die gesamte Länge der Rohre des Rohrbündels verteilt. Diese Verteilung bleibt auch hinter der eintrittsseitigen Drosselstelle erhalten, so daß das er..te Fluid sich über die gesamte Breite des Rohrbündels eher laminar verbreitet, d.h., über die Breite aller im Rohrbündel nebeneinanderliegenden Rohre, wodurch eine gute, gleichmäßig verteilte Beaufschlagung der ganzen verfügbaren Wärmetauschfiäche erreicht wird. Ein vorteilhafter Nebeneffekt ist dabei die Verminderung von Geschwindigkeit und dadurch des Strömungswiderstandes. Durch die mittige Anordnung des Rohrbündels ergibt sich jeweils vor bzw. nach dem Rohrbündel ein Raum. Im Beruhigungsraum vor dem Rohrbündel, in Durchflußrichtung gesehen, kann sich das Fluid wegen seiner Entspannung nach der eintrittsseitigen Drosselstelle gut verbreiten und bildet eine Schicht von überall gleichem Druck, mit dem es durch das Rohrbündel durchdringen kann. Im Raum hinter dem mittig angeordneten Rohrbündel kann sich der durchgetretene Strom des ersten Fluids beruhigen, so daß das Abführen des Fluids zum Austrittsstutzen den Durchtritt des Fluids durch das Rohrbündel nicht stört. Dementsprechend ist auch die austrittsseitige Drossehtelle größer ausgeführt als die eintrittsseitige Drosselstelle.

In bevorzugter Ausführungsform ist mindestens im Bereich des vom Eintrittsstutzen zum Rohrbündel führenden Weges des ersten Fluids innerhalb des Gehäusemantels mit geringem Abstand von diesem ein zweiter Mantel angeordnet, und der Spaltraum zwischen dem Gehäusemantel und dem zweiten Mantel steht mit dem vom Rohrbündel zum Austrittsstutzen führenden Weg des ersten Fluids in Verbindung. Dadurch wird eine Isolationsschicht zum Schonen des Gehäusemantels gebildet. In weiterer Ausbildung der Erfindung ist der Spaltraum einerseits mit dem in Strömungsrichtung nach dem Rohrbündel angeordneten Zwischenraum und andererseits mit dem Austrittsraum verbunden.

Es ist zwar schon ein Wärmetauscher bekannt, bei dem zwei Wände ineinandergeschachtelt sind, um zwei Strömungswege za bilden, deren Querschnitte von gleicher Größenordnung sind. Hier handelt es sich um keine doppelwandige Ausführung zur Bildung einer Isolationsschicht, sondern der Zwischenraum zwischen den beiden Wänden dient dazu, das Strömungsmittel aus dem Austauscher wieder herauszuführen, und zwar nach der gleichen Seite, von der es zugeflossen ist.

Die Erfindung ist nachfolgend an Hand dreier Ausführungsbeispiele von Wärmetauschern erläutert.

Es zeigt

F i g. 1 einen axialen Längsschnitt durch einen Wärmetauscher nach der ersten Ausführungsform,

F i g. 2 einen Querschnitt nach der Linie II-II in

F i g. 3 einen axialen Längsschnitt durch einen Wärmetauscher nach der zweiten Ausführungsform,

F i g. 4 einen Querschnitt nach der Linie IV-IV in Fig. 3,

F i g. 5 einen axialen Schnitt nach der Linie V-V in

Fig.4,

F i g. 6 einen axialen Längsschnitt durch einen Wärmetauscher nach der dritten Ausführungsform,

F i g. 7 einen Querschnitt nach der Linie VII-VII in F i g. 6 und

F i s. 8 einen Schnitt nach der Linie VIII-VIII in

Fig.7.

Bei dem in den F i g. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel des Wärmetauschers hat dieser ein kreiszylindrisches Gehäuse 1, welches einem Gehäusemantel 2 und zwei Rohrboden 3 aufweist. Durch die Rohrboden 3 sind Rohre 4 als Wärmetauschelemente durch das Gehäuse 1 parallel zu seiner Längsachse geführt. An einer Seite ist in dem Gehäusemantel 2 ein Eintrittsstutzen 5 eingesetzt, an der Gegenseite ein Austrittsstutzen 6. Durch diese Stutzen 5 und 6 strömt das erste der zwei Fluide und bespült die Außenflächen der Rohre 4. Das zweite Fluid strömt innerhalb der Rohre 4. Die Rohre liegen in einem millig zum Gehäuse 1 angeordneten Rohrbündel 40, welches einen rechteckigen Querschnitt aufweist. Über die ganze Länge des Gehäuses 1 liegen an den den Stutzen 5 und 6 zugewandten Seiten des Rohrbündels 40 zwei Leitwände 7 und 7', zwischen welchen ein Durchströmraum 8 gebildet ist. Dieser Durchströmraum 8 ist mit den Stutzen 5 und 6 über zwei Drosselstellen 9 und 9' verbunden, welclic zwischen dem Gehäusemantel 2 und den freien Enden der Leitwände 7 und 7' freigelassen sind. Zwischen dem Eintrittsstutzen 5 und der — in Strömungsrichtung des ersten Fluids gesehen — ersten Drosselstelle 9 ist ein Verteilraum 10 und zwischen dem Austrittsstutzen 6 und der zweiten Drosselstelle 9' ein Austrittsraum 11 gebildet. Die Durchtrittsfläche der ersten Drosselstelle 9 ist kleiner als die der zweiten Drosselstelle 9'.

Der Strom des ersten Fluids kommt durch den Eintrittsstutzen S in den Verteilraum 10, wo er sich im wesentlichen seitlich quer zur Strömungsrichtung über die ganze Gehäuselänge verbreitert. Gedrosselt durch die erste Drosselstelle 9, dringt der Strom auf der ganzen Länge des Gehäuses in einen als Beruhigungsraum wirkenden Vorraum 18 ein und gelangt von hier in den Durchström raum 8, wo er sich über die ganze Breite des Durchströmraumes 8 verbreitert. So gleichmäßig über die Öffnungsfläche des Durchströmraumes 8 verteilt, bespült er im wesentlichen die ganze Außenfläche der Rohre 4 gleichmäßig.

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eines fließenden Abfuhrens desStromes entsprechend

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der Weg des ersten Fluids dem ^ HandTr Ρ^?ι f^ ^{bls 5} (^bzw· 1 und 2) gezeigten und beschriebenen. "

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kürzeren Koordinate eme symmetrische Form

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Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wärmetauscher für zwei Fluide mit einem kreiszylindrischen Gehäusemantel, der einen Raum umschließt, in dem ein Rohrbündel angeordnet ist, dessen Rohre parallel zur Zylinderachse zwischen zwei ebenen Rohrböden verlaufen, und vom ersten Fluid quer angeströmt werden, mit einem Eintritts- und einem Austrittsstutzen für das erste Fluid, die am Gehäusemantel über dessen Umfang versetzt angebracht sind, und mit je einer ebenen Leitwand an der Eintrittsseite und der Austrittsseite, die parallel zur Zylinderachse von einem Rohrboden zum anderen verlaufen, auf einer Seite über deren »anze Länge einen Spalt mit gleichmäßigem Querschnitt frei lassen und auf der anderen Seite einen Eintritts- bzw. Austrittsraum abschließen, dadurch gekennzeichnet, daß das mittig zum Gehäusemantel (2) angeordnete Rohrbündel (40) im Querschnitt rechteckförmig ausgebildet ist, die Leitwände (7,7') an gegenüberliegenden Seiten des Rohrbündels (40) anliegen und diese Seiten voll abdecken, daß der Eintritts- bzw. Austrittsstutzen (5 bzw. 6) auf die entsprechende Leitwand (7 bzw. T) gerichtet ist, daß die Spalte Drosselstellen (9,9') bilden, von denen die Durchtrittsfläche der eintrittsseitigen Drosselstelle (9) kleiner ist als diejenige der austrittsseitigen Drosselstelle (9'), und daß zwischen den Drosselstellen (9,9') und den senkrecht zu den Leitwänden (7,7') verlaufenden Seiten des Rohrbündels (40) Beruhigungsräume (18,18') gebildet sind, die sich über die ganze Rohrlänge im umschlossenen Raum erstrecken.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens im Bereich des vom Eintrittsstutzen (5) zum Rohrbündel (40) führenden Weges des ersten Fluids innerhalb des Gehäusemantels (2) mit geringem Abstand von diesem ein zweiter Mantel (12) angeordnet ist und der Spaltraum (14) zwischen dem Gehäusemantel (2) und dem zweiten Mantel (12) mit dem vom Rohrbündel (40) zum Austrittsstutzen (6) führenden Weg des ersten Fluids in Verbindung steht.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spaltraum (14) einerseits mit dem in Strömungsrichtung nach dem Rohrbündel (40) angeordneten Beruhigungsraum (18') und andererseits mit dem Austrittsraum (11) verbunden ist.