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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Befestigung und Abdichtung des Bodens von Wär- metauschern mit schwimmender Rohrplatte am zylindrischen Mantel des Wärmetauschers.
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 vorzugsweise ein Ende des Rohrbündels im Kessel fix gelagert, wogegen das andere Ende wegen der Wärmedehnungen in einem relativ zum Kessel beweg- lichen, sogenannten Schwimmkopf gelagert ist. Dieser Schwimmkopf besteht üblicherweise aus einer die Rohrenden aufnehmenden Rohrplatte (sogenannte Schwimmkopfplatte) und einem an dieser Rohr- platte befestigten, die Innenräume der Rohre gegen das Kesselinnere abdichtenden Schwimmkopf- deckel.
Der zylindrische Mantel des Wärmetauschers ist an der Schwimmkopfseite mit einem gewölbten
Boden abgeschlossen, der mittels einer eine Flachdichtung enthaltenden Flanschverbindung am
Kessel unter Zuhilfenahme von Schraubenbolzen samt Muttern angeschlossen ist. Die Befestigung und Abdichtung dieses Bodens am Mantel des Wärmetauschers erfolgt somit durch Anziehen der
Schraubenbolzen-Muttern. Dieses Anziehen der Muttern erfolgt mit vorberechneten Drehmomenten, um eine nach normierten Berechnungsgrundlagen festgelegte Schraubenkraft zu erhalten. Da die
Schraubenreibung 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 garantiert diese Vorgangsweise nicht für absolute Dichtheit des Bodenanschlusses unter allen Betriebsbedingungen, da den normierten Berechnungsgrundlagen nur ein einziger, allerdings extremer Betriebsfall zugrundegelegt werden kann. Es treten immer wieder Fälle auf, in welchen die Flachdichtung durch die Kraft der Schraubenbolzen bleibend deformiert worden ist und in welchen dann beim Auftreten anderer Betriebsparameter (Druck, Temperatur) die
Flanschverbindung undicht wird.
Ausserdem ist der mit dem Mantel des Wärmetauschers verbundene Flansch ein hochbean- spruchter Teil, der als schweres und teures Schmiedestück hergestellt werden muss.
Ziel der Erfindung ist die Vermeidung der vorstehend dargelegten Nachteile und insbesondere die Schaffung einer Flanschverbindung, die in allen Betriebsphasen dicht ist und die gegenüber den herkömmlichen Flanschverbindungen leichter und billiger herstellbar und einfacher montierbar ist. Dies wird bei der eingangs näher bezeichneten Einrichtung erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass der mit dem Mantelblech verschweisste Anschlussflansch für den Boden aus gewalztem
Blech hergestellt ist und dass entweder in diesem Anschlussflansch oder im Flansch des mittels
Zugschrauben in an sich bekannter Weise angeschlossenen Bodens eine Ringnut zur Aufnahme einer O-Ringdichtung vorgesehen ist.
Dadurch wird eine sichere Abdichtung ermöglicht, deren Funktion nicht oder nur geringfügig von der Schraubenkraft abhängig ist, wobei Schwankungen des auf die Dichtung wirkenden Druckes und der Temperatur 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 geringerem Masse erforderlich ist ; die O-Ringdichtung dichtet nämlich nicht durch die Anpresskraft der Schrauben sondern selbsttätig durch den darauf wirkenden Betriebsdruck. Die O-Ringdichtung nimmt weiters zusätzliche Ungenauigkeiten, die durch Wärmeausdehnung oder-Schrumpfung des Materials entstehen, auf.
Die Flanschverbindung kann somit 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. Da im Falle einer solchen Gestaltung aus Blech infolge des Walzvorganges radiale Schichtungen über die Flanschdicke vorliegen, wodurch eine Einleitung von Zugspannungen nicht möglich ist, ist es gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weiters von Vorteil, wenn der Anschlussflansch über einen Grossteil seiner Erstreckung
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in Richtung der Längsachse des Wärmetauschers über das Mantelblech übergeschoben ist. Damit wird eine einwandfreie Schweissverbindung von Mantelblech und Flansch möglich und es werden in den Flansch nur Druckspannungen eingeleitet.
Dies ergibt eine besonders wirtschaftliche Lösung für die Einrichtung zur Befestigung und Abdichtung des Bodens eines Wärmetauschers.
Von den auf der Titelseite genannten Druckschriften betreffen nur zwei, nämlich die GB-PS Nr. 1, 549, 417 und Nr. 2, 065, 859 Wärmetauscher mit schwimmender Rohrplatte ; in beiden Fällen ist jedoch über die Befestigung und Abdichtung des Bodens keinerlei Aussage gemacht ; gemäss den zeichnerischen Darstellungen handelt es sich offensichtlich um die herkömmliche Befestigungsart mit Flachdichtungen.
Alle übrigen Druckschriften betreffen, da sie keine Wärmetauscher mit schwimmender Rohrplatte offenbaren, bereits andere Kategorien von Wärmetauschern.
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einem Wärmetauscher einer andern Bauart als der Gegenstand der Erfindung. Allerdings wird hier die Ringdichtung in der Art einer klassischen Stopfbuchse verwendet, d. h. sie wird gequetscht.
Die US-PS Nr. 3, 782, 456 zeigt eine Deckelverbindung an einem rohrlosen Wärmetauscher, die keinen Vergleich mit der bei der Erfindung vorliegenden Flanschverbindung gestattet.
Die weiters genannte US-PS Nr. 3, 820, 598 betrifft einen Flüssigkeitskühler, bei welchem die
Flanschdichtung in der herkömmlichen Art als Flachdichtung ausgeführt ist.
Bei dem in der FR-PS Nr. 1. 592. 253 geoffenbarten Wärmetauscher ist der Boden nach der lediglich aus den Zeichnungen entnehmbaren Information in klassischer Art mittels einer Flach- dichtung abgedichtet.
Die weiters genannte FR-PS Nr. 2. 081. 700 zeigt einen als Kesselheizer bzw. Rauchgaserhitzer eingesetzten Wärmetauscher, der mit einer Ausmauerung versehen und für Hochtemperaturanwendung gedacht ist. Dabei ist es für den Fachmann klar, dass es sich bei den aus Fig. 1 dieser Druck- schrift ersichtlichen, nicht näher beschriebenen "O-Ringdichtungen" um Asbestschnüre handeln muss, die zusammengequetscht werden.
Bei dem aus der FR-PS Nr. 2. 241. 759 bekannten Festrohrwärmetauscher ist der Anschlussflansch einstückig mit der Hülle ausgebildet. Über die Abdichtung ist diesem Vorhalt nichts entnehmbar, es scheint sich um eine Abdichtung durch Schweissung mit zusätzlicher Klammerung zu handeln.
Die schliesslich noch genannte FR-PS Nr. 2. 386. 344 offenbart einen Reaktor-Wärmetauscher, der mit einer Hochtemperatur-Ausmauerung ausgekleidet ist ; es handelt sich um einen Festrohrtau- scher. Über die im vorliegenden Zusammenhang interessierende Abdichtung ist nichts ausgesagt.
Wenn somit auch in einigen Druckschriften die Verwendung von O-Ringdichtungen dargestellt ist, so geht es bei der Erfindung nicht um einen Schutz der O-Ringdichtung bei Wärmetauschern an sich, sondern um die Beherrschung eines ganz bestimmten Anwendungsfalles, wie er im Vorstehenden gekennzeichnet ist. Gerade bei Wärmetauschern mit schwimmender Rohrplatte muss wegen des Durchmessersprunges zwischen den beiden Flanschen, insbesondere bei mit dem Mantelblech verschweissten Anschlussflanschen, immer mit Spannungen und vergrösserten Flanschverformungen bzw. Toleranzen gerechnet werden ; es hat sich nun gezeigt, dass alle die Probleme durch Anwendung einer in einer Ringnut angeordneten O-Ringdichtung in zuverlässiger Weise gelöst werden können.
Wenn nämlich - was aus Kostengründen wünschenswert ist-der mit dem Mantelblech verschweisste Anschlussflansch für den Boden aus gewalztem Blech hergestellt ist (und nicht wie üblich als teures und schweres Schmiedestück), nimmt die Flanschverformung zu (d. h. die Flanschblattneigung wird grösser) und dies würde bei einer konventionellen Abdichtung mittels einer Flachdichtung bereits zu Undichtheiten Anlass geben. Bei Anwendung der O-Ringdichtung in der erfindungsgemässen Kombination ist dagegen eine sichere Abdichtung auch im Falle der soeben geschilderten, aus Gewichts- und Kostengründen bevorzugten Bauweise erzielbar. Da bei der O-Ringdichtung ausserdem die bei einer Flachdichtung notwendigen Vorspann- bzw.
Vorverformungskräfte wegfallen, kann der Flansch noch leichter gebaut sein, wodurch sich ein zusätzlicher Vorteil ergibt.
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Die Erfindung wird nun an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeich- nungen näher beschrieben. Es zeigen Fig. 1 eine schematische Längsschnittansicht eines Wärme- tauschers, bei welchem die erfindungsgemässe Einrichtung Anwendung finden kann, Fig. 2 in einer vergrösserten Längsschnittansicht des Details "B" aus Fig. 1 eine Befestigung des Bodens gemäss dem bisherigen Stand der Technik und Fig. 3 in einer ähnlichen Darstellung wie Fig. 2 die erfin- dungsgemässe Lösung.
Der in Fig. l teilweise dargestellte (das Mittelstück ist herausgeschnitten) Wärmetauscher umfasst einen zylindrischen Mittelteil bzw. Mantel --1-- mit einem Einlass --2-- und einem Aus- lass --3-- für das erste Medium Ml, das im Inneren des Mittelteils --1-- mittels der Umlenkble- che --4-- in einer Zick-Zack-Bahn geführt wird. An der in Fig. 1 linken Stirnwand ist der Mit- telteil --1-- von der ortsfesten Rohrplatte --5-- abgeschlossen, an der rechten Stirnwand vom üblicherweise gekrümmten Boden --6-- des Wärmetauschers, der bei B am Mittelteil --1-- ange- flanscht ist.
Das zweite Medium M2 wird über einen Einlass --8-- in eine durch ein Blech --9-- unter- teilte Vorkammer --10-- geführt, die in Fig. l links am Mittelteil --1-- bei --11-- angeflanscht ist ; durch diese Anflanschung --11-- wird auch die ortsfeste Rohrplatte --5-- gehalten und ge- genüber dem Inneren des Mittelteils-l-und der Vorkammer --10-- abgedichtet. Von dem in
Fig. 1 oberen Teil der Vorkammer --10-- gelangt das zweite Medium M2 über den oberen Teil eines im Inneren des Mittelteils-l-angeordneten Rohrbündels-12- (in Fig. l sind nur zwei Rohre dieses Bündels beispielsweise dargestellt) in den Umlenkraum --13-- und von dort über den un- teren Teil des Rohrbündels --12-- zurück in den unteren Teil der Vorkammer --10-- und von dort zum Auslass --14--.
Der Wärmeaustausch zwischen dem ersten und dem zweiten Medium findet somit vor allem im Mittelteil --1-- statt.
Die in Fig. l linken Enden der Rohre 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 Wärme- dehnung der Rohre axial beweglichen Rohrplatte --15-- (sogenannte schwimmende Rohrplatte) ver- bunden. Mit dieser schwimmenden Rohrplatte --15-- ist ein sogenannter Schwimmkopfdeckel --16-- fest verbunden, der somit ebenfalls axial beweglich gegenüber dem Mittelteil --1-- und dem Bo- den --6-- des Wärmetauschers ist und zusammen mit der schwimmenden Rohrplatte den sogenannten "Schwimmkopf" des Wärmetauschers bildet.
Der Schwimmkopfdeckel --16-- besteht aus einer gewölbten Deckelplatte und einem mit die- ser verschweissten Ringflansch --16a--, welcher Ringflansch --16a-- mit einem geteilten Gegen- ring --17-- mittels der in Fig. l nur angedeuteten Schraubenbolzen --18-- verschraubt wird ; zwischen dem Ringflansch --16a-- und dem Gegenring --17-- wird die schwimmende Rohrplat- te --15-- dichtend eingeklemmt und so der Schwimmkopfdeckel --16-- mit dieser Rohrplatte --15-fest und dichtend verbunden.
Ebenso ist der Boden --6-- des Wärmetauschers mittels eines an diesen angeschweissten Ringflansches --19-- und mittels der in Fig. l ebenfalls nur angedeuteten Schraubenbolzen --20-mit einem am Mantel-l-angeschweissten Ringflansch bzw. Anschlussflansch --21-- fest und abdichtend verbunden.
In Fig. 2 ist ein Längsschnitt in vergrössertem Massstab des Details B aus Fig. l dargestellt, u. zw. in einer Ausführung gemäss dem bisherigen Stand der Technik. Der Ringflansch --19-- des Bodens --6-- ist mittels der Schraubenbolzen --20-- samt zugehörigen Muttern --20a-- mit dem Ringflansch-21-- verspannt, welch'letzterer mit dem Mittelteil-l-verschweisst ist. Zur Abdichtung der Flanschverbindung ist zwischen die Flansche --19 und 21-- eine Flachdichtung --22-eingelegt. Dabei ergeben sich die eingangs geschilderten Probleme beim Anziehen der Muttern --20a-- der Schraubenbolzen --20-- und hinsichtlich des Undichtwerdens des durch die Flachdichtung --22-- abgedichteten Spaltes während des Betriebes des Wärmetauschers.
Ausserdem ergeben sich durch die relativ grosse Länge der Schraubenbolzen --20-- (bedingt durch die erforderliche massive Ausführung der Ringflansch-19 und 21--) nachteiligerweise auch relativ grosse Längenänderungen derselben bei Temperaturschwankungen.
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Fig. 3 zeigt nun an demselben Detail A aus Fig. l, das auch in Fig. 2 dargestellt ist, die erfindungsgemässe Konstruktion, durch die die dargelegten Nachteile bei gleichzeitiger Verringerung des Material- und Montageaufwandes beseitigt sind.
Der Boden --6-- des Wärmetauschers ist mit dem Ringflansch --19'-- verschweisst, der mittels der Schraubenbolzen --20'-- samt zugehörigen Muttern --20'a-- an den Ringflansch bzw.
Anschlussflansch --21'-- angeschlossen ist ; der Anschlussflansch --21'-- ist mit dem Blech des Mittelteiles bzw. Mantels-l-des Wärmetauschers verschweisst. Im Flansch --19'-- ist eine Ringnut --23-- vorgesehen, in welcher eine O-Ringdichtung-22'-zur Abdichtung der Flanschverbindung eingelegt ist.
Wie schon eingangs dargelegt, ist bei Verwendung einer O-Ringdichtung die Belastung der Schraubenbolzen --20'-- wesentlich geringer, wodurch die Flansche --19'und 21'-- wesentlich leichter gebaut werden können, u. zw. nicht mehr als Schmiedestücke sondern als Bauteile aus gewalztem Blech. Eine nachteilige bleibende Deformierung der O-Ringdichtung ist ebenfalls ausgeschlossen. Temperaturbedingte Längenänderungen werden durch die O-Ringdichtung ausgeglichen,
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--19'und 21'--)Fig. 2 ; demgemäss sind auch die durch Temperaturschwankungen bedingten Längenänderungen bei der erfindungsgemässen Konstruktion wesentlich geringer.
Die Ringnut --23-- zum Einlegen der O-Ringdichtung-22'--kann natürlich genausogut auch im Anschlussflansch --21'-- ausgebildet sein.
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sich hinsichtlich des Anschlusses des Mantelbleches-l-gewisse Probleme, da das Blech des Anschlussflansches --21'-- durch das Walzen in senkrecht zur Längsachse des Wärmetauschers verlaufenden Ebenen eine Schichtstruktur aufweist und somit die Einleitung von Zugspannungen nicht möglich ist. Eine Lösung dieser Probleme wird dadurch erreicht, dass an Stelle des in Fig. 2 gezeigten herkömmlichen Anschlusses des Mantelbleches --1-- an den Anschlussflansch --21-- bei
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ben wird.
Es werden dann in den Anschlussflansch --21'-- nur Druckspannungen eingeleitet, wodurch keine Probleme bei Ausführung dieses Anschlussflansches aus gewalztem Blech entstehen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Befestigung und Abdichtung des Bodens von Wärmetauschern mit schwimmender Rohrplatte am zylindrischen Mantel des Wärmetauschers, dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem Mantelblech (1) verschweisste Anschlussflansch (21') für den Boden (6) aus gewalztem Blech hergestellt ist und dass entweder in diesem Anschlussflansch (21') oder im Flansch (19') des mittels Zugschrauben (20') in an sich bekannter Weise angeschlossenen Bodens (6) eine Ringnut (23) zur Aufnahme einer O-Ringdichtung (22') vorgesehen ist.