DE69605214T2

DE69605214T2 - Rohrbündel-Wärmetauscher mit Schikanen mit Zwillingstragstäben

Info

Publication number: DE69605214T2
Application number: DE69605214T
Authority: DE
Inventors: Cecil C. Gentry
Original assignee: Phillips Petroleum Co
Current assignee: Phillips Petroleum Co
Priority date: 1995-01-10
Filing date: 1996-01-09
Publication date: 2000-04-13
Anticipated expiration: 2016-01-10
Also published as: EP0722076B1; KR960029750A; ES2139258T3; CN1119620C; KR100387205B1; DE69605214D1; DK0722076T3; JPH08247686A; CA2164744C; IN187452B; US5553665A; CA2164744A1; JP3634477B2; CN1193723A; EP0722076A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1 aufweist. Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus US-A-5 139 084 oder US-A-4 398 598 bekannt. Insbesondere betrifft die Erfindung Stabschikanen-Wärmetauscher.
Bei Stabschikanen-Wärmetauschern handelt es sich um Wärmetauscher vom Rohrbündeltyp, bei denen Stabschikanen zur Auflage (Halterung) der Rohre und zu deren Schutz gegen Vibrationen verwendet werden. Zusätzlich können Stabschikanen eingesetzt werden, um mantelseitige Stömungsfehlverteilungen zu korrigieren und um eine turbulentere mantelseitige Strömung zu erzeugen. Der Ausdruck "Schikane" bezieht sich auf einen kreisförmigen Ring, in dem die Enden einer Mehrzahl von Haltestäben verbunden sind, woraus sich der Ausdruck "Stabschikane" ergibt.
Bei bestimmten Anwendungen, wie bei Oberflächenkondensatorkühlern und Kraftwerken, ist es von kritischer Bedeutung, die sich in Längsströmungsrichtung ergebenden, mantelseitigen Druckverluste innerhalb eines Rohrbündel-Wärmetauschers auf ein Minimum zu beschränken. Die Verringerung von mantelseitigen Druckverlusten kann durch Vergrößerung des Stabschikanen- Abstands erreicht werden, wodurch man die Anzahl an Stabschikanen verringert, oder indem man die Anzahl an Rohren durch Erhöhung des Rohrabstands, d. h. des Abstands zwischen zwei benachbarten Reihen von Rohren, von der Rohrmitte aus gemessen, verringert. Die Erhöhung des Schikanenabstands stellt üblicherweise keine tragfähige Option dar, da ein erhöhter Schikanenabstand die Wahrscheinlichkeit, daß es zu einer strömungsinduzierten Rohrvibration kommt, vergrößert. Eine Verminderung der Rohranzahl durch Erhöhung des Rohrabstands verursacht eine Verminderung des mantelseitigen Druckverlustes für eine Längsströmung zwischen Stabschikanen, erfordert aber übermäßig große Durchmesser der Haltestäbe, die bei herkömmlichen Stabschikanen-Konstruktionen dem Rohrabstand ab züglich des Außendurchmessers der Rohre entsprechen muß. Diese Vergrößerung des Haltestabdurchmessers verursacht erhöhte Druckverlustbeiträge der Stabschikanen, was eine etwaige Verringerung des der Rohranzahl zugeschriebenen mantelseitigen Druckverlustes in Längsrichtung ausgleichen kann. Es wäre daher vorteilhaft, den mantelseitigen Druckverlust in Längsrichtung in einem Stabschikanen-Wärmetauscher ohne erhebliche Erhöhung des Druckverlustbeitrags der Stabschikanen und ohne Erhöhung der Wahrscheinlichkeit des Auftretens von strömungsinduzierten Rohrvibrationen zu verringern.

Zusammenfassende Darstellung der Erfindung

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, einen Stabschikanen- Wärmetauscher mit einem im Vergleich zu herkömmlichen Stabschikanen-Wärmetauschern verringerten mantelseitigen Druckverlust bereitzustellen, wobei aber dennoch jeglicher Anstieg der Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer strömungsinduzierten Rohrvibration vermieden wird.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die Erhöhung des Rohrabstands eines Stabschikanen-Wärmetauschers ohne eine erhebliche Erhöhung der mantelseitigen Druckverlustbeiträge der Haltestäbe in Längsrichtung bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung bereitgestellt, die folgendes umfaßt: eine Mehrzahl von parallelen Rohren mit einer gemeinsamen Ausrichtungsachse, die unter Bildung einer Mehrzahl von Rohrreihen mit zwischen benachbarten Rohrreihen liegenden Gassen angeordnet sind; mindestens einen die Mehrzahl von Rohren umgebenden Ring; und eine Mehrzahl von Halteelementen, die die herkömmlichen Stäbe in einem Stabschikanen-Austauscher ersetzen und in mindestens einem Teil der Gassen angeordnet sind, wobei jedes Halteelement einen ersten Streifen und einen zweiten Streifen umfaßt, wobei der erste Streifen und der zweite Streifen ein erstes und ein zweites Ende aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Ende und das zweite Ende des ersten Streifens fest an dem mindestens einen Ring befestigt sind, so daß sich der erste Streifen entlang einer ersten Sehne des mindestens einen Rings erstreckt, wobei die erste Sehne in einer der Gassen zwischen den benachbarten Rohrreihen liegt, so daß der erste Streifen in Kontakt mit im wesentlichen sämtlichen Rohren in der ersten Reihe der die Gasse bildenden benachbarten Rohrreihen steht, daß das erste Ende und das zweite Ende des zweiten Streifens fest an dem mindestens einen Ring befestigt sind, so daß sich der zweite Streifen entlang einer zweiten Sehne des mindestens einen Rings erstreckt, wobei die zweite Sehne in der Gasse zwischen den benachbarten Rohrreihen liegt, so daß der zweite Streifen in Kontakt mit im wesentlichen sämtlichen Rohren in der zweiten Reihe der die Gasse bildenden benachbarten Rohrreihen liegt, und daß ferner eine Mehrzahl von Haltestreben vorgesehen ist, wobei die Haltestreben entlang des ersten Streifens und des zweiten Streifens im Abstand voneinander angeordnet sind, so daß sich jede Haltestrebe vom ersten Streifen zum zweiten Streifen erstreckt und ein erstes Ende, das fest am ersten Streifen befestigt ist, und ein zweites Ende, das fest am zweiten Streifen befestigt ist, aufweist.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 ist eine Seitenansicht eines erfindungsgemäß konstruierten Rohrbündel-Wärmetauschers, wobei Teile des Mantels weggelassen sind, um die innere Struktur klarer darzustellen.
Fig. 2 ist ein vergrößerter Querschnitt entlang der Linie 2-2 von Fig. 1.
Fig. 3 ist eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Vierschikanen-Satzes.
Fig. 4 ist eine vergrößerte Querschnitt-Teilansicht, die den oberen Teil der in der Ausführungsform von Fig. 2 dargestellten Stabschikane klarer darstellt.
Fig. 5 ist eine vergrößerte Teilansicht des in Fig. 4 verwendeten Halteelements zur klareren Erläuterung des erfindungsgemäßen Halteelements.
Fig. 6 ist eine Querschnittansicht entlang der Linie 6-6 von Fig. 5.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

In der Zeichnung und insbesondere in Fig. 1 ist ein Rohrbündel-Wärmetauscher 10 dargestellt, bei dem ein Stabschikanenbündel (Rohrbündel) 12 von einem Mantel 14 umgeben ist. Die. Rohre 28 im Rohrbündel 12 werden von einer Mehrzahl von Stabschikanen-Anordnungen 16, 18, 20 und 22 gehalten. Ein Fluid gelangt in die Mantelseite des Rohrbündel-Wärmetauschers 10 durch den Einlaß 26 und verläßt nach Wärmetausch mit dem Fluid in den Rohren 28 die Mantelseite durch den Auslaß 30. Das Fluid, das durch die Rohrseite des Wärmetauschers fließt, betritt die Endkappe 38 des Wärmetauschers durch den Einlaß 32 und verläßt die Endkappe 44 des Wärmetauschers über den Auslaß 34. Dieses Fluid strömt von der Endkammer 36, die durch die Endkappe 38 des Wärmetauschers und die Rohrplatte 40 begrenzt wird, durch die Rohre 28 und in die gegenüberliegende Endkammer 42, die in ähnlicher Weise durch die Endkappe 44 und die andere Rohrplatte 46 begrenzt wird.
Die Rohre 28 können in einem quadratischen Muster angeordnet sein, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Die Rohre 28 werden durch eine Mehrzahl von Stabschikanen-Anordnungen 16, 18, 20 und 22 in Position gehalten. Diese Stabschikanen-Anordnungen, von denen ein Beispiel in Fig. 2 dargestellt ist, umfassen jeweils einen Schikanenring 48 und eine Mehrzahl von Stabhalteelementen 50 in der Form von Zwillingshalte- oder - tragestäben, die mit ihren gegenüberliegenden Enden fest am Schikanenring 48 befestigt sind und in gleichmäßigen Abständen voneinander angeordnet sind, so daß sie sich zwischen Paaren der parallelen Reihen von Rohren 28 erstrecken.
Typischerweise erstrecken sich die Schikanenhalteelemente 50 in horizontaler Richtung, wie in Fig. 2 dargestellt ist, oder sie erstrecken sich ansonsten in vertikaler Richtung. Im allgemeinen weist der Rohrbündel-Wärmetauscher eine Reihe von Stabschikanen-Anordnungen auf, wobei mindestens ein Teil der Stabschikanen-Anordnungen sich in horizontaler Richtung erstreckende Stabhalteelemente und mindestens ein Teil der Stabschikanen-Anordnungen sich in vertikaler Richtung erstreckende Stabhalteelemente aufweisen. Vorzugsweise weist der Rohrbündel-Wärmetauscher 10 mindestens einen Vierschikanen-Satz auf, der zwei vertikale Stabschikanen-Anordnungen und zwei horizontale Stabschikanen-Anordnungen umfaßt, wobei die Stabhalteelemente 50 so im Abstand voneinander angeordnet sind, daß sie sich zwischen abwechselnden Paaren von vertikalen oder horizontalen, parallelen Reihen von Rohren 28 er strecken. Ferner soll das Paar von horizontalen Stabschikanen-Anordnungen die Stabhalteelemente 50 in einer solchen Anordnung aufweisen, daß es sich bei den Rohrreihen, zwischen denen sich die Stabhalteelemente 50 erstrecken, nicht um die gleichen Rohrreihen für beide horizontalen Stabschikanen-Anordnungen handelt. In ähnlicher Weise sind bei den Schikanenhalteelementen 50 der vertikalen Stabschikanen-Anordnungen die Schikanenhalteelemente 50 so angeordnet, daß es sich bei den Rohrreihen, zwischen denen sich die Schikanenhalteelemente 50 erstrecken, nicht um die gleichen Rohrreihen für beide vertikale Stabschikanen-Anordnungen handelt. Ein derartiger Vierschikanen-Satz ermöglicht eine angemessene Rohrhalterung, wobei die Beiträge der Haltestäbe zum mantelseitigen Druckverlust auf ein Minimum beschränkt werden. Ein Vierschikanen-Satz ist in Fig. 3 dargestellt.
Fig. 3 zeigt eine erste Stabschikanen-Anordnung 16, eine zweite Stabschikanen-Anordnung 18, eine dritte Stabschikanen- Anordnung 20 und eine vierte Stabschikanen-Anordnung 22. Die Stabschikanen-Anordnungen 16 und 20 enthalten horizontale Schikanenhalteelemente 50, während die Stabschikanen-Anordnungen 18 und 22 vertikale Schikanenhalteelemente 50 enthalten. Es ist jedoch festzuhalten, daß es sich bei den Rohrreihen 28, zwischen denen sich die Halteelemente 50 der Stabschikanen-Anordnung 20 erstrecken, nicht um die Rohrreihen 28 handelt, zwischen denen sich die Halteelemente 50 der Stabschikanen-Anordnung 16 erstrecken. Die Schikanenhalteelemente einer Stabschikanen-Anordnung 20 sind zwischen zwei horizontalen Rohrreihen angeordnet, die in der Stabschikanen-Anordnung 16 geöffnet oder ohne Schikanen vorliegen. Ferner ist festzuhalten, daß es sich bei den Rohrreihen, zwischen denen sich die Halteelemente 50 der Stabschikanen-Anordnung 22 erstrecken, nicht um die Rohrreihen handelt, zwischen denen sich die Halteelemente 50 der Stabschikanen-Anordnung 18 erstrecken. Die Halteelemente der Stabschikanen-Anordnung 22 sind zwischen vertikalen Rohrreihen angeordnet, die in der Schikanenanordnung 18 geöffnet oder ohne Schikanen sind. Somit ergeben die vier Schikanen zusammen einen radialen Halt sämtlicher vier Seiten eines jeden Rohrs 28.
Der Vierschikanen-Satz von Stabschikanen-Anordnungen ist in den US-Patenten 5 139 084 und 4 398 595 näher beschrieben.
Ferner können Kreuzhalteelemente (nicht abgebildet) zur weiteren Unterstützung der Rohre 28 vorgesehen sein. Kreuzhalteelemente sind ähnlich konstruiert wie die Halteelemente 50, erstrecken sich aber quer zum Schikanenring, an dem sie senkrecht zu den ebenfalls hier befestigten Halteelementen 50 befestigt sind.
In den Figg. 4, 5 und 6 ist das in den Figg. 2 und 3 dargestellte Schikanenhalteelement 50 besser zu sehen. Das Schikanenhalteelement 50 ist in der Form von Zwillingshaltestreifen ausgebildet und besteht aus einem ersten Stab oder Streifen 52, einem zweiten Stab oder Streifen 54 und einer Mehrzahl von Streben 56. Der erste Streifen 52, der zweite Streifen 54 und ein Paar von Haltestreben 56 definieren zusammen einen Durchgang 58, durch den das mantelseitige Fluid strömen kann.
Die Enden des ersten Streifens 52 sind durch ein geeignetes Verfahren, beispielsweise durch Schweißen, am Schikanenring 48 befestigt. In ähnlicher Weise sind die Enden des zweiten Streifens 54 am Schikanenring 48 befestigt. Jedes Paar von Streifen, nämlich der erste Streifen 52 und der zweite Streifen 54 sind so angeordnet, daß sich der erste Streifen 52 entlang einer ersten Sehne des Rings erstreckt, wobei die Sehne in der Gasse zwischen zwei benachbarten Rohrreihen liegt, so daß der erste Streifen 52 sich in Kontakt mit im wesentlichen sämtlichen Rohren in einer der Rohrreihen befindet und der zweite Streifen 54 entlang einer Sehne in der gleichen Gasse liegt, jedoch in Kontakt mit im wesentlichen sämtlichen Rohren in der anderen, die Gasse bildenden Rohrreihe steht. Somit kommt der erste Streifen 52 in Kontakt mit den Rohren von einer der Rohrreihen und hält diese, während der zweite Streifen 54 in Kontakt mit den Rohren der anderen Rohrreihe kommt und diese hält. Haltestreben 56 sind im Abstand voneinander entlang des ersten und zweiten Streifens so angeordnet, daß sich jede Haltestrebe vom ersten Streifen zum zweiten Streifen erstreckt und ein erstes, fest am ersten Streifen 52 befestigtes Ende und ein zweites, fest am zweiten Streifen 54 befestigtes Ende aufweist. Die Streben 56 können auf geeignete Weise, beispielsweise durch Schweißen, an den einzelnen Streifen befestigt sein. Die Streben 56 tragen zum strukturellen Zusammenhalt der Schikanenhalteelemente bei, indem sie den Schikanenhalteelementen eine größere Steifigkeit verleihen, als dies der erste Streifen oder der zweite Streifen allein vermöchten. Die durch die Streben 56 gewährleistete strukturelle Halterung ist an der Stelle der Strebe am größten. Daher ist es bevorzugt, daß die Streben so an den einzelnen Rohren angeordnet sind, daß sie einen maximalen Halt gegen Rohrvibrationen gewährleisten.
Die Dicke w des ersten und zweiten Streifens soll so gewählt werden, daß ein angemessener Halt der Rohre 28 gewährleistet wird und die durch den ersten Streifen 52, den zweiten Streifen 54 und die Streben 56 gebildeten Durchgänge 58 ein Maximum erreichen. Durch Maximieren der Durchgänge 58 wird eine maximale Strömung des mantelseitigen Fluids erreicht und somit der mantelseitige Druckverlust in Längsrichtung auf ein Minimum begrenzt. Die Dicke w der einzelnen Haltestäbe kann zwar variieren, um einen maximalen strukturellen Halt zu gewährleisten und um den mantelseitigen Druckverlust auf ein Minimum zu beschränken, jedoch sollte die Dicke etwa 10 bis etwa 40% des Abstands d zwischen benachbarten Rohrreihen betragen, wobei die Dicke insbesondere etwa 20 bis etwa 30% des Abstands d zwischen benachbarten Rohrreihen und ganz besonders etwa 25% des Abstands d zwischen benachbarten Rohrreihen beträgt. Der Abstand d läßt sich ermitteln, indem man den äußeren Rohrdurchmesser vom Rohrabstand d subtrahiert. Somit verursacht ein erfindungsgemäßes Halteelement unter Maximierung der Lücken 58 und unter Gewährleistung eines angemessenen Halts für die Rohre 28 einen geringeren mantelseitigen Strömungsdruckverlust in Längsrichtung als ein fester Stab oder Halteelement und schützt aber dennoch die Rohre gegen Vibrationen.
Um den Wärmetauscher 10 zusammenzubauen, werden die Rohre 28 durch die Rohranordnungen 16, 18, 20, 22 und dergl., die gemäß der Darstellung in Fig. 1 im Abstand voneinander angeordnet sind, eingeführt. An dieser Stelle werden die Rohre 28 durch die Schikanenhalteelemente 50 der Schikanenanordnungen 16, 18, 20 und 22 gehalten. Die Enden der Rohre 28 werden sodann in den entsprechenden Öffnungen, die in den Rohrplatten 40 und 46 ausgebildet sind, aufgenommen. In geeigneter Positionierung werden die Rohre 28 fest an den Rohrplatten 40 und 46 befestigt, wobei die einzelnen Enden der einzelnen Rohre eine fluiddichte Abdichtung mit der entsprechenden Öffnung in den einzelnen Rohrplatten bilden.
Alternativ kann das erste Ende eines jeden Rohrs 28 vor dem Einführen der Rohre 28 durch die Schikanenanordnungen fest an der Rohrplatte 40 befestigt werden, wobei jedes erste Ende eines jeden Rohrs 28 eine fluiddichte Abdichtung mit der entsprechenden Öffnung in der Rohrplatte 40 bildet. Nach Einführen der Rohre 28 durch die Schikanenanordnungen werden die zweiten Enden der einzelnen Rohre 28 fest an der Rohrplatte 46 befestigt, wobei das zweite Ende eines jeden Rohrs 28 eine fluiddichte Abdichtung mit der entsprechenden Öffnung in der Rohrplatte 46 bildet.
Das auf diese Weise zusammengebaute Rohrbündel 12 wird in das offene Ende des Mantels 14 eingeführt und in geeigneter Weise darin positioniert, wobei zu diesem Zeitpunkt die offenen Enden des Mantels 14 durch geeignete Endkappen 38 und 44 verschlossen werden.

Claims

1. Eine Vorrichtung umfassend:

- eine Mehrzahl von parallelen Rohren mit einer gemeinsamen Ausrichtungsachse, die unter Bildung einer Mehrzahl von Rohrreihen mit zwischen benachbarten Rohrreihen liegenden Gassen angeordnet sind;

- mindestens einen die Mehrzahl von Rohren umgebenden Ring; und

- eine Mehrzahl von Halteelementen, die in mindestens einem Teil der Gassen angeordnet sind, wobei jedes Halteelement einen ersten Streifen und einen zweiten Streifen umfaßt, wobei der erste Streifen und der zweite Streifen ein erstes und ein zweites Ende aufweisen, dadurch gekennzeichnet,

- daß das erste Ende und das zweite Ende des ersten Streifens fest an dem mindestens einen Ring befestigt sind, so daß sich der erste Streifen entlang einer ersten Sehne des mindestens einen Rings erstreckt, wobei die erste Sehne in einer der Gassen zwischen den benachbarten Rohrreihen liegt, so daß der erste Streifen in Kontakt mit im wesentlichen sämtlichen Rohren in der ersten Reihe der die Gasse bildenden benachbarten Rohrreihen steht,

- daß das erste Ende und das zweite Ende des zweiten Streifens fest an dem mindestens einen Ring befestigt sind, so daß sich der zweite Streifen entlang einer zweiten Sehne des mindestens einen Rings erstreckt, wobei die zweite Sehne in der Gasse zwischen den benachbarten Rohrreihen liegt, so daß der zweite Streifen in Kontakt mit im wesentlichen sämtlichen Rohren in der zweiten Reihe der die Gasse bildenden benachbarten Rohrreihen liegt,

- und daß ferner eine Mehrzahl von Haltestreben vorgesehen ist, wobei die Haltestreben entlang des ersten Streifens und des zweiten Streifens im Abstand voneinander angeordnet sind, so daß sich jede Haltestrebe vom ersten Streifen zum zweiten Streifen erstreckt und ein erstes Ende, das fest am ersten Streifen befestigt ist, und ein zweites Ende, das fest am zweiten Streifen befestigt ist, aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl von Halteelementen zwischen benachbarten Rohrreihen angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei mindestens ein Ring in einer Ebene liegt, die im wesentlichen senkrecht zur gemeinsamen Ausrichtungsachse der Mehrzahl von Rohren verläuft.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Haltestreben an jeder Rohrstelle vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend mindestens vier derartige Ringe, die jeweils eine Mehrzahl von Halteelementen, die fest an den Ringen befestigt sind, aufweisen, wobei die Halteelemente zusammen einen Vierschikanen-Satz bilden, so daß jedes Rohr an vier Seiten mit einer radialen Halterung versehen ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der erste Streifen und der zweite Streifen jeweils eine Dicke von etwa 10 bis etwa 40% des Abstands zwischen benachbarten Rohrreihen aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der erste Streifen und der zweite Streifen jeweils eine Dicke von etwa 20 bis etwa 30% des Abstands zwischen benachbarten Rohrreihen aufweisen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der erste Streifen und der zweite Streifen jeweils eine Dicke von etwa 25% des Abstands zwischen benachbarten Rohrreihen aufweisen.