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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Befestigung und Abdichtung von Schwimmkopf- deckeln für Wärmetauscher an der schwimmenden Rohrplatte dieser Wärmetauscher.
Solche Wärmetauscher sind insbesondere in der chemischen Verfahrenstechnik von grosser
Bedeutung, wenn es darum geht, die in ein erstes Medium beispielsweise zur Durchführung einer chemischen Reaktion eingebrachte Wärme anschliessend nutzbringend, beispielsweise zum Vorwärmen eines zweiten Mediums, zu verwenden. Diese Wärmetauscher sind geschlossene zylindrische Kessel mit einem Ein- und Austritt für das erste Medium, das in diesem Kessel mittels Umlenkblechen in einer Zick-Zack-Bahn (sogenannte Mantelseite) geführt wird. Das zweite Medium wird in einem innerhalb des Kessels angeordneten und gegenüber dem Kesselinneren abgedichteten Rohrbündel (sogenannte Rohrseite) geführt. Dabei ist ein Ende des Rohrbündels im Kessel fix gelagert, wo- gegen das andere Ende wegen der Wärmedehnungen in einem relativ zum Kessel beweglichen, so- genannten Schwimmkopf gelagert ist.
Dieser Schwimmkopf besteht aus einer die Rohrenden aufnehmen- den Rohrplatte (sogenannte Schwimmkopfplatte) und einem an dieser Rohrplatte befestigten, die
Innenräume der Rohre gegen das Kesselinnere abdichtenden Schwimmkopfdeckel. Dabei ist die dichte
Verbindung des Schwimmkopfdeckels mit der Rohrplatte von grosser Wichtigkeit, um ein Austreten des im Rohrbündel geführten zweiten Mediums in das erste Medium oder umgekehrt und damit eine gegenseitige Verunreinigung der Medien mit Sicherheit zu verhindern.
Bei den bisher bekannten Ausführungen solcher Wärmetauscher wurden die Schwimmkopf- deckel mittels Schraubenbolzen und geteiltem Gegenring an der schwimmenden Rohrplatte befestigt ; die Abdichtung erfolgte durch eine zwischen Rohrplatte und Schwimmkopfdeckel liegende Flach- dichtung. Dabei erfolgte die Abdichtung des Schwimmkopfes durch Anziehen der Schraubenbolzen- - Muttern. Dieses Anziehen der Muttern erfolgt mit vorberechneten Drehmomenten, um eine nach normierten Berechnungsgrundlagen festgelegte Schraubenkraft zu erhalten. Da die Schrauben- reibung das Anzugsmoment beeinflusst, wird zusätzlich eine Messung der Längung der Schraubenbolzen vorgenommen, um die für eine vollkommene Abdichtung erforderliche Anpresskraft zu erreichen. Diese Vorgangsweise ist sehr zeitaufwendig.
Ausserdem ist auch mit dieser aufwendigen Methode keine unter allen Umständen dichte Verbindung erreichbar : Die vorher genannten Berechnungsgrundlagen für die Schraubenkraft stützen sich auf die Annahme eines extrem möglichen Betriebszustandes, nämlich Anfall des maximalen Auslegungsdruckes auf der Rohrseite (zweites Medium) und Ausfall des Druckes auf der Mantelseite (erstes Medium). In diesem Fall wird die Dichtung durch die Kraft der Schraubenbolzen bleibend deformiert. Während des weiteren Betriebsablaufs können andere, zum Teil völlig konträre Druckund Kraftverhältnisse auftreten, so dass diese Verbindung undicht wird.
Ziel der Erfindung ist die Vermeidung dieses Nachteils und die Schaffung einer in allen Betriebszuständen dichten Verbindung des Schwimmkopfdeckels mit der Rohrplatte. Dies wird bei der eingangs näher bezeichneten Einrichtung erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass die schwimmende Rohrplatte in einem ringförmigen Überschubteil gehaltert ist, der zusammen mit einer gewölbten Scheibe den Schwimmkopfdeckel bildet, wobei die Rohrplatte an ihrem dem Rohrbündel des Wärmetauschers zugekehrten Rand, vorzugsweise etwa unter 450, abgeschrägt ist, an welcher Abschrägung über den Umfang des Überschubteils verteilte und in diesem gelagerte Schrauben abgestützt sind, wobei weiters ein Anschlag zur Abstützung der Rohrplatte an ihrer dem Rohrbündel des Wärmetauschers abgewendeten Seite am Überschubteil vorgesehen ist,
und dass zwischen dem Anschlag und der Rohrplatte eine O-Ringdichtung vorgesehen ist. Dadurch wird eine sichere und kostengünstige Abdichtung ermöglicht, deren Funktion nicht oder nur geringfügig von der Schraubenkraft abhängig ist. Die Abschrägung der Rohrplatte bringt den zusätzlichen Vorteil mit sich, dass Bautoleranzen ausgeglichen werden können.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist weiters dadurch gekennzeichnet, dass die Schrauben etwa senkrecht zur Längsachse des Wärmetauschers im Überschubteil angeordnet sind und dass die vorderen Enden der Schrauben in der Form eines Kegels oder Kegelstumpfes mit etwa 450 Öffnungswinkel ausgebildet sind. Insbesondere für höhere Drücke kann auch eine Ausgestaltung der Erfindung zweckmässig sein, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Schrauben unter einem Winkel von etwa 45 zur Längsachse des Wärmetauschers im Überschubteil angeordnet sind und dass die der Abschrägung der Rohrplatte zugekehrten vorderen Stirnflächen der Schrauben im wesentlichen eben ausgebildet sind.
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Für alle Varianten der erfindungsgemässen Einrichtung ist es besonders vorteilhaft, wenn im Anschlag eine Ringnut zur Aufnahme der O-Ringdichtung vorgesehen ist.
Der wesentliche Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die während des Betriebs des Wärme- tauschers zwischen Rohr- und Mantelseite (d. h. zwischen dem ersten und dem zweiten Medium) auftretenden Schwankungen der auf die Dichtung wirkenden Drücke nunmehr einwandfrei beherrscht werden können. So ist durch die Verwendung einer O-Ringdichtung die Schrauben- und somit die
Flanschbelastung geringer, weil eine Vorspannkraft zum Dichten nicht oder nur in geringem Masse erforderlich ist ; die O-Ringdichtung dichtet nämlich nicht durch die Anpresskraft der Schrauben sondern selbstständig durch den darauf wirkenden Betriebsdruck. Die O-Ringdichtung nimmt weiters zusätzliche Ungenauigkeiten, die durch Wärmeausdehnung oder Schrumpfung des Materials entstehen, auf.
Die eine weitere Schwachstelle darstellenden Schraubenbolzen, die bisher wegen der Unsicher- heit hinsichtlich der richtigen Anzugskräfte schwer in den Griff zu bekommen waren, fallen bei der erfindungsgemässen Einrichtung weg. Die Dehnungslängen der Befestigungs- und Abdichtungsein- richtung, die bei den bekannten Schraubenbolzen besonders gross waren, sind bei der erfindungsge- mässen Einrichtung wesentlich kürzer, wodurch auch die Beträge der thermischen Dehnungen und
Schrumpfungen wesentlich reduziert werden.
Insgesamt kann bei der erfindungsgemässen Einrichtung die Flanschverbindung im Durchmesser und in der Dicke leichter gestaltet werden, wodurch sich eine Materialersparnis ergibt ; ausserdem ist eine Gestaltung aus Blech anstatt wie bisher aus teuren Schmiedestücken möglich.
Von den im Titelblatt angeführten Druckschriften bezieht sich nur die GB-PS Nr. 2, 065, 859 auf einen Wärmetauscher mit Schwimmkopf bzw. schwimmender Rohrplatte und somit auf dieselbe
Kategorie von Wärmetauschern wie der Gegenstand der Erfindung. Der bekannte Wärmetauscher ist allerdings für mindestens drei Strömungsmedien eingerichtet und weist-obwohl darüber nichts
Konkretes schriftlich oder zeichnerisch ausgesagt ist-offensichtlich eine durchaus konventionelle
Deckelabdichtung auf. Die in Rede stehende Druckschrift repräsentiert somit lediglich jenen Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht.
Die weiters angeführte GB-PS Nr. 1, 532, 757 und auch die FR-PS Nr. 2. 172. 170 beziehen sich auf Wärmetauscher, die zwar eine entfernte Ähnlichkeit mit der erfindungsgemässen Bauweise haben, aber jedenfalls keinen Schwimmkopf bzw. keine schwimmende Rohrplatte aufweisen. Sie unterscheiden sich somit bereits gattungsmässig vom Gegenstand der Erfindung. Es handelt sich in beiden Fällen um Bauweisen für eher drucklose Wärmetauscher, wobei über die Einzelheiten der Abdichtung eines Deckels keine konkreten Aussagen gemacht sind.
Die weiters noch genannten Druckschriften liegen vom Gegenstand der Erfindung noch weiter ab. So betrifft die FR-PS Nr. 45. 944 einen Wärmetauscher mit Rohrelementen - jedoch ohne Schwimmkopf -, bei dem der Deckel mittels Ringdichtungen abgedichtet ist, jedoch auf ganz andere Weise als beim Gegenstand der Erfindung. Im bekannten Fall wird der Deckel in seinem Zentrum von einer zentralen Druckschraube beaufschlagt, die O-Ringe werden in der Art einer Stoffbuchse verwendet und gequetscht.
Die AT-PS Nr. 278876 offenbart vor allem eine Bajonettverriegelung am unteren Ende eines aufrecht stehenden Wärmetauschers - ebenfalls kein Schwimmkopf-Wärmetauscher-, dessen Deckel- - Befestigung bzw. -Abdichtung offensichtlich auf herkömmliche Art ausgebildet ist. Nähere Details diesbezüglich sind dieser Druckschrift nicht entnehmbar.
Die FR-PS Nr. 2. 404. 187 betrifft einen Wärmetauscher mit spiral-bzw. schraubenlinienförmigem Rohrbündel (offenbar für grössere Verweilzeiten bzw. geringe Durchsatzmengen), der zum Unterschied vom Gegenstand der Erfindung kein Schwimmkopfwärmetauscher ist ; über die Befestigung bzw. Abdichtung des Deckels ist nichts ausgesagt. (Gemäss der in den Zeichnungen angedeuteten Lösung dürfte dies auf konventionelle Art mit verschraubten Flanschen und dazwischenliegender Flachdichtung erfolgen).
Die FR-PS Nr. 2. 385. 067 betrifft einen Festrohrwärmetauscher (beide Enden des Rohrbündels sind fixiert), der mit dem Gegenstand der Erfindung gar nichts zu tun hat.
Tatsächlich ist nur bei einem Wärmetauscher mit Schwimmkopfdeckel die Gefahr von Undichtheiten durch die Aussendruck-Innendruck-Beanspruchungen, die vor allem bei schlechtem Hoch-
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fahren der Anlage sehr gross sein können, gegeben. Diese Gefahr wird durch den erfindungsgemässen Einsatz einer O-Ringdichtung zusammen mit der besonderen Schraubenabstützung der schwimmenden Rohrplatte in einem Überschubteil auf einfache und betriebssichere Weise entschärft.
Ausserdem ist die erfindungsgemässe Bauweise wesentlich kompakter als die herkömmliche und durch den Einsatz eines einstückigen Überschubteils an Stelle der bisher üblichen zweiteiligen Anschlussflansche auch wesentlich montagefreundlicher.
Die Erfindung wird nun an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen : Fig. 1 eine schematische Längsschnittansicht eines Wärmetauschers, bei welchem die erfindungsgemässe Einrichtung Anwendung finden kann, Fig. 2 in einer vergrösserten Längsschnittansicht des Details "A" aus Fig. l eine Befestigung des Schwimmkopfdeckels gemäss dem bisherigen Stand der Technik, Fig. 3a in kleinerem Massstab und Fig. 3b in grösserem Massstab in einer Schnittansicht analog zu Fig. 2 eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Befestigungseinrichtung und Fig. 4 in einer Schnittansicht analog zu Fig. 2 eine andere Ausführungsform der erfindungsgemässen Befestigungseinrichtung.
Der in Fig. 1 teilweise dargestellte (das Mittelstück ist herausgeschnitten) Wärmetauscher umfasst einen zylindrischen Mittelteil bzw. Mantel --1-- mit einem Einlass --2-- und einem Auslass --3-- für das erste Medium Ml, das im Inneren des Mittelteils --1-- mittels der Umlenkbleche - in einer Zick-Zack-Bahn geführt wird. An der in Fig. l linken Stirnwand ist der Mittelteil --1- von der ortsfesten Rohrplatte --5-- abgeschlossen, an der rechten Stirnwand vom üblicherweise gekrümmten Boden --6-- des Wärmetauschers, der bei --7-- am Mittelteil --1-- angeflanscht ist.
Das zweite Medium M2 wird über einen Einlass --8-- in eine durch ein Blech --9-- unterteilte Vorkammer --10-- geführt, die in Fig. 1 links am Mittelteil --1-- bei --11-- angeflanscht ist ; durch diese Anflanschung --11-- wird auch die ortsfeste Rohrplatte --5-- gehalten und gegen- über dem Inneren des Mittelteils --1-- und der Vorkammer --10-- abgedichtet. Von dem in Fig. l
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somit vor allem im Mittelteil --1-- statt.
Die in Fig. l linken Enden des Rohrs des Rohrbündels --12-- sind mit der ortsfesten Rohr- platte --5-- fest verbunden, welche Rohrplatte --5-- zwischen der Flanschverbindung--11-von Mittelteil --1-- und Vorkammer --10-- dicht gehalten ist.
Die in Fig. l rechten Enden der Rohre des Rohrbündels --12-- sind mit der wegen der Wärmedehnung der Rohre axial beweglichen Rohrplatte --15-- (sogenannte schwimmende Rohrplatte) verbunden. Mit dieser schwimmenden Rohrplatte --15-- ist ein sogenannter Schwimmdeckel --16-fest verbunden, der somit ebenfalls axial beweglich gegenüber dem Mittelteil --1-- und dem Boden - des Wärmetauschers ist und zusammen mit der schwimmenden Rohrplatte --15-- den soge- nannten"Schwimmkopf"des Wärmetauschers bildet.
Der Schwimmkopfdeckel --16-- besteht aus einer gewölbten Deckelplatte und einem mit dieser verschweissten Ringflansch --16a--, welcher Ringflansch --16a-- mit einem geteilten Gegenring --17- mittels der in Fig. l nur angedeuteten Schraubenbolzen --18-- verschraubt wird ; zwischen dem Ringflansch --16a-- und dem Gegenring --17-- wird die schwimmende Rohrplatte--15--dich- tend eingeklemmt und so der Schwimmkopfdeckel --16-- mit dieser Rohrplatte --15-- fest und dichtend verbunden.
In Fig. 2 ist ein Längsschnitt in vergrössertem Massstab des Details A aus Fig. l dargestellt u. zw. in einer Ausführung gemäss dem bisherigen Stand der Technik. Der Ringflansch --16a-des Schwimmkopfdeckels --16-- ist mittels der Schraubenbolzen --18-- samt zugehöriger Muttern --18a-- mit dem geteilten Gegenring --17-- verspannt ; die schwimmende Rohrplatte --15-- ist zwischen Gegenring --17-- und Ringflansch --16a-- eingespannt. Zur Abdichtung des Umlenkraums --13-- gegen das Innere des Wärmetauschers ist zwischen die schwimmende Rohrplatte - und den Ringflansch--16a--eine Flachdichtung--19--eingelegt. Dabei ergeben sich
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An ihrem Hinterende sind die Schrauben --21-- wieder mit einem Ansatz --21b-- für ein Werkzeug versehen.
Die Schrauben --21-- drücken die Rohrplatte --15-- in Richtung der Längsachse des Wärmetauschers gegen einen Anschlag im Überschubteil --20'--, der hier in Form eines Absatzes --22'-im Überschubteil--20'--, somit einstückig mit dem Überschubteil vorgesehen ist. In diesem Ab- satz --22'-- (oder in der gegenüberliegenden Fläche der Rohrplatte--15--) ist wieder eine Ring- nut --23-- zur Aufnahme einer O-Ringdichtung --24-- vorgesehen. Es ergeben sich damit die bereits im Zusammenhang mit Fig. 3 dargelegten Vorteile.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Befestigung und Abdichtung von Schwimmkopfdeckeln für Wärmetauscher an der schwimmenden Rohrplatte dieser Wärmetauscher, dadurch gekennzeichnet, dass die schwimmende Rohrplatte (15) in einem ringförmigen Überschubteil (20,20') gehaltert ist, der zusammen mit einer gewölbten Scheibe den Schwimmkopfdeckel (16) bildet, wobei die Rohrplatte (15) an ihrem dem Rohrbündel (12) des Wärmetauschers zugekehrten Rand, vorzugsweise etwa unter 45 , abgeschrägt ist, an welcher Abschrägung (15a) über den Umfang des Überschubteils (20, 20') verteilte und in diesem gelagerte Schrauben (21) abgestützt sind, wobei weiters ein Anschlag (22, 22') zur Abstützung der Rohrplatte (15) an ihrer dem Rohrbündel (12) des Wärmetauschers abgewendeten Seite am Überschubteil (20, 20')
vorgesehen ist, und dass zwischen dem Anschlag (22, 22') und der Rohrplatte (15) eine O-Ringdichtung (24) vorgesehen ist.