CH672677A5

CH672677A5 -

Info

Publication number: CH672677A5
Application number: CH1096/86A
Authority: CH
Inventors: Frank Dr Etzold
Original assignee: Klein Schanzlin & Becker Ag
Priority date: 1985-03-20
Filing date: 1986-03-18
Publication date: 1989-12-15
Also published as: DE3510049C2; FR2579313A1; DE3510049A1; FR2579313B1

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Wärmeaustauscher aus Doppelrohren sind seit langem bekannt. Ihre Bauart geht im Prinzip auf den seit 1870 in der Chemie verwendeten Liebig-Kühler zurück. Ihrer guten thermodynamischen Eigenschaften wegen werden sie auch als Hochleistungs-Wärmeaustauscher bezeichnet, aufgrund ihres konstruktiven Aufbaus nennt man sie auch Koaxial-W ärmeaustauscher.

Wärmeaustauscher aus Doppelrohren sind in vielen Varianten gebaut worden. Die einfachste Form entsteht durch Ummantelung einer geraden Rohrstrecke mit einem zweiten Rohr grösseren Querschnitts. Zwischen den Wandungen des inneren und des äusseren Rohres entsteht ein an den Endseiten abgedichteter Mantelraum.

Es gehört zum Wesentlichen dieses Typs von Wärmeaustauschern, dass das Fluid im Mantelraum nicht in Ruhe ist, sondern ständig ausgetauscht wird. Auch das Fluid im Innenrohr ist in strömender Bewegung. Es ist dabei vorteilhaft, wenn die Flussrichtungen der Fluida im Mantelraum und im Innenrohr einander entgegengesetzt sind. Man spricht hier auch von einem Gegenstrom-Wärmeaustauscher.

Die Wärmeleistung eines Doppelrohr-Wärmeaustauschers ist proportional zur Länge des ummantelten Rohres. Um die bei grösserer Wärmeleistung notwendige Rohrlänge zu erreichen, wird oft die Möglichkeit genutzt, einzelne kürzere Wärmeaustauscher hintereinanderzuschalten. Dies erbringt vor allem eine handhabbare kompakte Form des Wärmeaustauschers. Hierfür sind noch verschweisste, verschraubte oder gelötete Verbindungsstücke zwischen den einzelnen Wärmeaustauschern notwendig.

Wo jedoch die wärmeaustauschenden Fluida unter hohen Drücken stehen, vermeidet man eine aus Einzelkomponenten zusammengesetzte Konstruktion des Wärmeaustauschers, da sich mit der Anzahl von Verbindungsstellen das

Risiko einer Undichtigkeit erhöht und in jedem Fall ein erhöhter Prüfaufwand für die drucktragenden Teile zu erbringen ist. Dieses vor allem für die chemische Verfahrenstechnik und die Kerntechnik geltende Problem führte dazu, dass sich bisher auf diesen Anwendungsgebieten der aus Geradrohrabschnitten zusammengesetzte Doppelrohr-Wärmeaustauscher nicht durchsetzen konnte.

Man greift hier auf den Einfachrohr-Wärmeaustauscher zurück, bei dem das druckführende Rohr aus einem zusammenhängenden geraden Rohrstrang gefertigt ist. Durch Kaltbiegen wird dieser Rohrstrang in eine kompakte Form, z. B. eine Rohrschlange gebracht. Der Nachteil des Einfachrohr-Wärmeaustauschers liegt vor allem in der gegenüber dem Doppelrohr-Wärmeaustauscher geringeren Leistungsfähigkeit.

Es wurden auch bereits Wärmeaustauscher mit gewen-deltem Doppelrohr durch Biegen zusammenhängender Rohrstränge hergestellt. Dies gelang bei Werkstoffen mit verhältnismässig niedriger Festigkeit, wie Aluminium-Knetlegierungen oder Weichkupfer. Vor dem Biegen wurden die beiden im Ausgangszustand geraden Rohre ineinanderge-steclct. Der Raum zwischen den Rohren wurde durch Stützen, die z. B. aus Rippen, Sicken oder Nocken bestanden, überbrückt. Hierdurch wurde das Innenrohr einerseits im Aussenrohr zentriert, andererseits übertrugen die Stützen beim Biegen die am Aussenrohr angreifenden Kräfte auf das Innenrohr, so dass sich dieses gleichzeitig mit dem Aussenrohr verformte.

Dieses bei vergleichsweise weichen Materialien angewandte Verfahren liess sich nicht ohne weiteres auf Stahlrohre übertragen. Beim Wendeln von Doppelrohren aus Stahl wird das Verfahren aufwendiger:

Durch die DE-PS 698 949 ist eine Methode der Warmverformung bekannt, bei der das Werkstück für die Zeit des Biegevorganges auf eine höhere Temperatur gebracht wird, um die Verformbarkeit zu erleichtern. Zusätzlich wird der Raum zwischen den Rohren mit einem festen Stoff, z. B. Sand, gefüllt. Nach dem Biegen wird dieser Füllstoff wieder herausgewaschen. Im fertig gebogenen Rohr übernehmen wieder abstandshaltende Elemente die Zentrierung des Innenrohres.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Doppelrohr-Wärmeaustauscher zu schaffen, der aus Werkstoffen hoher Festigkeit, z. B. austenitischem Stahl, besteht, und der aus zusammenhängenden Rohrsträngen durch Biegen herstellbar ist, ohne dass das Werkstück erwärmt werden muss und ohne dass zwischen den Rohren Stützmaterialien eingesetzt werden müssen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Querschnitt des Innenrohres im Bereich vorgesehener Biegezonen eine Form besitzt, die im Bezug auf den Biegemittelpunkt des Doppelrohres eine geringe Biegesteifigkeit hat.

Als zweckmässige Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass der Querschnitt des Innenrohres im Bereich der Biegezonen als Ellipse ausgebildet ist, deren kleine Achse in Richtung des Biegemittelpunktes weist.

Der gegenüber dem runden Querschnitt wesentlich biegeweichere Querschnitt ist im Bereich vorgesehener Biegezone verwirklicht. Für die Herstellung und den Gebrauch des Wärmeaustauschers besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Biegezonen des Innenrohres sich in einem solchen Abstand zueinander befinden, dass das Innenrohr einen polygonalen Verlauf innerhalb des Aussenrohres besitzt. Zwischen den Biegezonen verbleiben also jeweils gerade verlaufende Strecken des Innenrohres, deren jeweilige Länge durch die Durchmesserverhältnisse und den Biegeradius bestimmt wird.

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Unabhängig von der Querschnittsform des Innenrohres im Bereich der Biegezonen, können die Enden des Innenrohres und deren über Anschlussstücke erfolgende Verbindungen mit dem Aussenrohr in bekannter Weise gestaltet sein.

Anhand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher erläutert. In der Fig. 1 ist ein U-förmiger Wärmeaustauscher erfindungsge-mässer Art dargestellt, während die Fig. 2 einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemässen gewendelten Wärmeaustauscher zeigt.

Der in der Fig. 1 dargestellte Wärmeaustauscher besitzt ein Aussenrohr 1 und ein Innenrohr 2, deren Enden jeweils an Anschlussstücken 3 mittels Schweissung befestigt sind. In den Schenkeln des den Wärmeaustauscher bildenden U besitzt das Innenrohr 2 einen runden Querschnitt. In dem um einen Biegemittelpunkt 4 gebogenen Bereich ist das Innenrohr 2 elliptisch abgeflacht. Die Fig. la und lb zeigen die Querschnitte von Aussenrohr 1 und Innenrohr 2 und deren Lage zueinander in den angesprochenen Bereichen.

Wie die Fig. lb zeigt, liegt das Innenrohr 2 am Aussenra-dius der Krümmung an. Diese Lage ergibt sich, wenn die Anschlussstücke 3 so montiert werden, dass das Innenrohr 2 axial in das Aussenrohr 1 hineingedrückt wird. Umgekehrt kann ein am Innenradius der Krümmung anliegendes Innenrohr 2 dadurch hergestellt werden, dass das Innenrohr 2 bei

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der Montage axial aus dem Aussenrohr 1 herausgezogen wird.

Die Fig. 2 zeigt ein abwechselndes Anliegen eines Innenrohres 5 am Innen- und Aussenradius der Krümmung eines s gewendelten Aussenrohres 6. Das Innenrohr 5 hat innerhalb des Aussenrohres 6 einen polygonalen Verlauf. Diese Form lässt sich dadurch erzeugen, dass das Innenrohr 5 vor dem Biegen nicht durchgehend, sondern in bestimmten Abständen eine Strecke mit elliptischem Querschnitt angelo formt bekommt. Der polygonale Verlauf des Innenrohres 5 ist vorteilhaft, wenn das Doppelrohr die Form einer längeren Rohrwendel bekommen soll.

Die in der Fig. 1 gezeigte durchgehend aussenseitige Lage des Innenrohres 2 im Aussenrohr 1 ist zwar auch bei der ls Rohrwendel herstellbar, sie ist aber aus strömungstechnischen Gründen nur dann vorteilhaft, wenn sich das Fluid mit der niedrigeren Temperatur in dem Mantelraum mit der sichelförmigen Querschnitttsform befindet und das heissere Fluid im Innenrohr mit der teilweise elliptischen, teilweise 20 kreisförmigen Querschnittsform. Bei umgekehrter Schaltung des Wärmeaustauschers würde sich nämlich unter der Wirkung der radialen Beschleunigung in dem sichelförmigen Mantelraum unter bestimmten Bedingungen eine in der Temperatur geschichtete Strömung ausbilden, die den Wär-25 meaustausch behinderte. Beim Wärmeaustauscher mit dem polygonal verlaufenden Innenrohr 5 tritt dieser Effekt nicht auf.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

672 677 PATENTANSPRÜCHE

1. Wärmeaustauscher für zwei Strömungsmedien in der Form eines gebogenen oder gewendelten, aus einem Innenrohr und einem Aussenrohr bestehenden Doppelrohres, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Innenrohres (2,5) im Bereich vorgesehener Biegezonen eine Form besitzt, die im Bezug auf den Biegemittelpunkt (4) des Doppelrohres eine geringere Biegesteifigkeit als der gebräuchliche runde Querschnitt hat.

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Innenrohres (2,5) im Bereich der Biegezonen als Ellipse ausgebildet ist, deren kleine Achse in Richtung des Biegemittelpunktes (4) weist.

3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegezonen des Innenrohxes (5) sich in einem solchen Abstand zueinander befinden, dass das Innenrohr (5) einen polygonalen Verlauf innerhalb des Aussen-rohres (6) besitzt.

4. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr (2,5) und das Aussenrohr (1,6) in bekannter Weise am Anfang und Ende des Doppelrohres einen kreisförmigen Querschnitt besitzen.

5. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Innenrohr (2,5) am Anfang und am Ende der Wendel des Doppelrohres in bekannter Weise in zentrischer Lage zum Aussenrohr (1,6) befindet und mit diesem über Anschlussstücke (3) verbunden ist.