DE102009053554A1

DE102009053554A1 - Wärmeübertrager

Info

Publication number: DE102009053554A1
Application number: DE200910053554
Authority: DE
Inventors: Hans 77889 Fischer; Jürgen Dr. 85435 Scharfe
Original assignee: Individual
Current assignee: CNIM Systemes Industriels SAS
Priority date: 2009-11-18
Filing date: 2009-11-18
Publication date: 2011-06-30
Also published as: WO2011060936A3; WO2011060936A2

Abstract

Beschrieben und dargestellt ist ein Wärmeübertrager (1) mit einer Mehrzahl von Rohrleitungen (2) als Wärmeübertragungsfläche, wobei an mindestens einer Anschlussseite (3) des Wärmeübertragers (1) mindestens eine Haube (4) anbringbar ist. Ein kompakt und materialsparend konstruierter Wärmeübertrager, der gleichzeitig eine große Wärmeübertragungsfläche bietet, wird realisiert, indem mindestens zwei Wärmeübertragermodule (5) und mindestens eine Tragstruktur (6) umfasst sind, dass die Wärmeübertragermodule (5) jeweils Rohrleitungen (2) und wenigstens eine Rohrplatte (7) umfassen, wobei die Rohrleitungen (2) in ihren Endbereichen über die Rohrplatte (7) miteinander verbunden sind, dass die Wärmeübertragermodule (5) mit den Rohrplatten (7) derart in der Tragstruktur (6) befestigbar sind, dass das Innenvolumen der Haube (4) mit dem Rohrinnenraum verbindbar ist und das Innenvolumen der Haube (4) gegen den Rohraußenraum abgedichtet ist, und dass die Tragstruktur (6) die Wärmeübertragermodule (5) derart umgibt, dass ein Teil der Kräfte von der Tragstruktur (6) abgetragen wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit einer Mehrzahl von Rohrleitungen als Wärmeübertragungsfläche, wobei an mindestens einer Anschlussseite des Wärmeübertragers mindestens eine Haube anbringbar ist. Wärmeübertrager der vorgenannten Art sind in einer Vielzahl von Varianten aus dem Stand der Technik bekannt und werden für verschiedene Anwendungen überall dort eingesetzt, wo ein Austausch von Wärmeenergie zwischen zwei Stoffen und insbesondere zwischen zwei Stoffströmen erfolgen soll.
Die Erfindung geht aus von einem Wärmeübertrager, der eine Mehrzahl von Rohrleitungen und wenigstens eine Rohrplatte umfasst. Die Rohrleitungen sind in ihrem Endbereich jeweils mit der Rohrplatte zusammengefasst bzw. verbunden. Die Rohrleitungen werden dabei mit der Rohrplatte verschweißt oder in Bohrungen in der Rohrplatte eingewalzt. Das Einwalzen ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Rohrleitungen aus Werkstoffen mit hoher Duktilität bestehen. An die Rohrplatte ist eine Haube anschließbar, die der Zu- bzw. Abfuhr des in den Rohrleitungen geführten Mediums dient, indem die Haube ein Innenvolumen aufweist, das mit sämtlichen Innenvolumina der Rohrleitungen in Verbindung steht. Aus der Haube bzw. in die Haube gelangt das Medium durch einen an der Haube angeschlossenen Stutzen, der beispielsweise an eine Kondensatleitung o. ä. angeschlossen ist.
Ein solcher Wärmeübertrager weist den Nachteil auf, dass die hydrostatischen und hydrodynamischen Kräfte und insbesondere die aus diesen Kräften im Wärmeübertrager entstehenden Spannungen unmittelbar auf die Rohrplatte und von der an der Rohrplatte befestigten Haube auf die Rohrplatte wirken. Das hat zur Folge, dass diese Kräfte unmittelbar von der Rohrplatte auf die Rohrleitung übertragen werden und sich im Betrieb ein bestimmter Spannungszustand innerhalb der Rohrleitung des Wärmeübertragers einstellt. Die Rohrleitungen müssen dementsprechend so stabil ausgestaltet sein, dass sie die resultierenden enormen Zugkräfte als auch die Druckkräfte tragen können.
Ausgehend von den aus dem Stand der Technik bekannten Nachteilen liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Wärmeübertrager anzugeben, der kompakt und materialsparend konstruiert ist und gleichzeitig eine große Wärmeübertragungsfläche bietet.
Die vorgenannte Aufgabe ist bei einem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager gelöst, indem von dem Wärmeübertrager mindestens zwei Wärmeübertragermodule und mindestens eine Tragstruktur umfasst sind, dass die Wärmeübertragermodule jeweils Rohrleitungen und wenigstens eine Rohrplatte umfassen, wobei die Rohrleitungen in ihren Endbereichen über die Rohrplatte miteinander verbunden sind, dass die Wärmeübertragermodule mit den Rohrplatten derart in der Tragstruktur befestigbar sind, dass das Innenvolumen der Haube mit dem Rohrinnenraum verbindbar ist und das Innenvolumen der Haube gegen den Rohraußenraum abgedichtet ist, und dass die Tragstruktur die Wärmeübertragermodule derart umgibt, dass ein Teil der Kräfte von der Tragstruktur abgetragen wird. Wenn von dem ”Innenvolumen der Haube” die Rede ist, ist damit das von der Haube umschlossene Volumen gemeint, in dem das aus den Rohrleitungen austretende oder das in die Rohrleitungen eintretende Medium gesammelt wird.
Bisher bekannten Wärmeübertragern liegt das Konzept zugrunde, dass die wärmeübertragenden Bauelemente – die Rohrleitungen – auch gleichzeitig die kraftübertragenden Bauelemente darstellen. Dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager hingegen liegt die Idee zugrunde, die wärmeübertragenden Bauelemente bzw. das wärmeübertragende System von den kraftübertragenden Bauelementen zu trennen bzw. die wärmeübertragenden Bauelemente maßgeblich von den Tragwerksaufgaben zu entlasten. Die wärmeübertragenden Bauelemente könnten infolge dessen nahezu ausschließlich dahingehend ausgelegt werden, Wärme optimal zu übertragen, während die kraftübertragenden Bauelemente dahingehend ausgestaltet werden können, die im System entstehenden Kräfte optimal abzutragen.
Durch die Erfindung werden die Rohrleitungen der Wärmeübertragermodule von der Kraftübertragung entlastet, so dass eine Verlagerung der zu übertragenden Kräfte von den Rohrleitungen auf die Tragstruktur erfolgt. Selbstverständlich können die Wärmeübertragermodule nicht vollständig von jeglicher Kraftübertragung befreit werden, jedoch soll mit einer erfindungsgemäßen Konstruktion eine maßgebliche Entlastung der Wärmeübertragermodule erfolgen, so dass die Wärmeübertragermodule insgesamt, aber insbesondere die Rohrleitungen, weniger massiv ausgestaltet werden müssen. Die Wärmeübertragermodule, als wärmeübertragende Bauelemente, bestehen dabei aus einer bestimmten Mehrzahl von Rohrleitungen, die mit wenigstens einer Rohrplatte in ihren Endbereichen miteinander verbunden und zu einem Rohrbündel zusammengefasst sind.
Die modulare Bauweise des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers ermöglicht, durch eine als Serienfertigung organisierte Vorfertigung, die Verlagerung kritischer, aufwändiger und sicherheitsrelevanter Arbeitsschritte von der Baustelle in eine kontrollierte Umgebung einer Serienfertigung. Dadurch ist es möglich, für die Herstellung sämtlicher Bauelemente des Wärmeübertragers, aber insbesondere der Wärmeübertragermodule und der Tragstruktur, Arbeits- und Fertigungsverfahren anzuwenden, die in einer anderen Fertigungsumgebung nicht anwendbar wären. Des Weiteren ist durch die Serienfertigung eine Fertigung der Wärmeübertragermodule und auch der Tragstruktur mit einer sehr hohen Präzision, insbesondere bezüglich der Abmaße und Passungen, möglich.
Die Wärmeübertragermodule sind im Montagezustand des Wärmeübertragers von der Tragstruktur umgeben, so dass die Austritts- bzw. Eintrittsquerschnitte der Rohrleitungen mit dem Innenvolumen wenigstens einer Haube verbunden werden können, wobei das in den Rohrleitungen bzw. im Innenvolumen der Haube geführte Medium gegen das die Rohrleitungen umströmende Medium abgedichtet ist. Die in dem Wärmeübertrager aus Druck oder dem strömenden Medium resultierenden Kräfte werden dabei von der die Wärmeübertragermodule umgebenden Tragstruktur abgetragen, so dass die Rohrleitungen im Wesentlichen von der Kraftübertragung entlastet werden. Diese Entlastung der Rohrleitungen und Rohrplatten von der Kraftübertragung führt dazu, dass die Rohrleitungen und die Rohrplatten insgesamt aus wesentlich dünnerem Material konstruiert werden können, was zu einer erheblichen Materialeinsparung und einem optimierten Wärmeübergang führt. Die Rohrleitungen, die Rohrplatten und die Tragstruktur sind vorzugsweise aus einem rostfreien Stahl oder einem Edelstahl gefertigt.
Die Rohrleitungen werden gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Wärmeübertragers zusätzlich entlastet, indem die Tragstruktur derart zwischen den Wärmeübertragermodulen angeordnet ist, dass auf der aus einer Mehrzahl von Rohrplatten und der Tragstruktur gebildeten Anschlussfläche des Wärmeübertragers auftretende Kräfte gleichmäßig über die Anschlussfläche verteilt abgetragen werden, insbesondere von der Tragstruktur abgetragen werden. Darunter ist nicht zu verstehen, dass die Kraft als Flächenlast abgetragen wird, sondern vielmehr, dass die Abtragpunkte für die wirksame Kraft zwar diskret, aber gleichmäßig verteilt über die Gesamtwirkfläche – die Rohrplatte – sind. Bei dieser Ausgestaltung bildet die Tragstruktur eine gleichmäßige Gitter- bzw. Rasterstruktur, die die Anschlussfläche für den Anschluss der Haube in gleichmäßige Felder mit geringer Fläche aufteilt, wobei wenigstens an den Kreuzungspunkten der Tragstruktur, die Kräfte in axialer Längsrichtung des Wärmeübertragers abgetragen werden. Die Größe eines Feldes entspricht dabei im Wesentlichen der Größe einer Rohrplatte.
Der gitterartige Aufbau der Tragstruktur gewährleistet eine einfache Verbindung der Rohraußenräume der einzelnen Wärmeübertragermodule, zu einem globalen Rohraußenraum. Die Wärmeübertragermodule werden dafür in die dreidimensionale Tragstruktur eingesetzt, so dass das Wärmeübertragermodul und insbesondere die Rohrplatte gleichmäßig von der Tragstruktur umgeben sind. Die Haube wird vorzugsweise an der Tragstruktur befestigt, wobei vorgesehen ist, dass die Verbindung zwischen Tragstruktur und Rohrplatte dabei dichtend ist, so dass das Innenvolumen der Haube gegen den die Rohrleitungen umgebenden Rohraußenraum abgedichtet ist. Selbstverständlich kann die Haube im montierten Zustand insbesondere die im Randbereich der Anschlussfläche gelegenen Rohrplatten zumindest teilweise überdecken. Durch die Aufteilung der Anschlussfläche in eine Mehrzahl von Feldern mit je einer Rohrplatte geringer Größe, wobei die Tragstruktur die gesamte Anschlussfläche gleichmäßig stützt, kann die Größe der Anschlussfläche beliebig erweitert werden, ohne dass durch etwaige Instabilitäten der Anschlussfläche die Rohrleitungen zusätzlich belastet werden. Das einzige Bauelement, dass die Größe der Anschlussfläche möglicherweise limitiert, ist die Haube, deren Stabilität – vor allem bei innerem oder äußerem Überdruck – stets gewährleistet sein muss.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Wärmeübertragers sieht vor, dass die Wärmeübertragermodule jeweils mindestens zwei Rohrplatten aufweisen, die die Rohrleitungen in ihren Endbereichen miteinander verbinden, wobei bevorzugt die Rohrleitungen gerade sind, so dass an beiden Anschlussseiten des Wärmeübertragers eine Haube anbringbar ist. Der Wärmeübertrager weist dabei in seiner Längserstreckung an beiden Enden jeweils eine Rohrplatte auf, die die Rohrleitungen miteinander verbinden, so dass aus der Einheit von Rohrplatten und Rohrleitungen ein symmetrisches Wärmeübertragermodul entsteht. Bevorzugt sind die Rohrleitungen dabei gerade ausgebildet, so dass an beiden Enden des Wärmeübertragers in seiner axialen Längserstreckung – an den Stirnseiten – jeweils durch die Rohrplatte ein Segment einer Anschlussfläche ausgebildet wird, wobei sich an einem Ende der Medium-Eintritt und an dem anderen Ende der Medium-Austritt befindet. Die Rohrleitungen schließen bevorzugt bündig mit der Rohrplatte ab, so dass die Rohrplatte die Schnittstelle der Wärmeübertragermodule zur Tragstruktur und zum Innenvolumen der Haube darstellt. Die Rohrplatten schließen vorzugsweise an beiden Enden auch bündig mit der Tragstruktur ab und sind dichtend mit dieser verbunden. Durch die beidseitige Anordnung einer Haube an dem Wärmeübertrager gleichen sich innerhalb der Tragstruktur auftretende Kräfte teilweise aus.
Die Wärmeübertragermodule liegen bevorzugt horizontal und parallel zueinander angeordnet in der Tragstruktur und werden von dieser – in vertikaler Richtung – gestützt. Neben dieser Stützfunktion der Tragstruktur werden von der Tragstruktur zusätzlich in Längsrichtung der Rohrleitungen in axialer Längsrichtung der Wärmeübertrager auftretende Kräfte aufgenommen und abgetragen, so dass die Rohrleitungen von Kräften entlastet werden. An den Anschlussflächen ist die Verbindung zwischen Tragstruktur und der Rohrplatte jeweils dichtend ausgestaltet, so dass die Anschlussflächen insgesamt dicht sind und von einer Haube überragt und umlaufend gedichtet werden können, wodurch gewährleistet ist, dass die Rohrinnenvolumina die Innenvolumina der Hauben gegen den Rohraußenraum abgedichtet sind, gerade auch dann, wenn innerhalb der Rohrleitungen und in den Innenvolumina der Hauben ein anderer Druck herrscht, als in dem die Rohrleitungen umgebenden Rohraußenraum.
Das an einem Ende des Wärmeübertragers durch die Haube an den Wärmeübertrager herangeführte Medium tritt folglich über die Anschlussfläche durch die Rohröffnungen in der Rohrplatte in das Innere der Rohrleitungen ein, durchströmt die Rohrleitungen bis zur anderen Anschlussseite und tritt an der dortigen Anschlussfläche aus den Rohrleitungen heraus in das Innenvolumen der dort angebrachten Haube. Von dort wird das Medium weiter durch den Stutzen aus der Haube fortgeführt. Das so geführte Medium kommt aufgrund der Mehrzahl an dichtenden Verbindungen niemals mit dem an der Rohraußenseite geführten Medium in Kontakt.
Zur Vergrößerung der Wärmeübertragerfläche des Wärmeübertragers ist bei einer vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen, dass die Tragstruktur derart ausgebildet ist, dass eine Mehrzahl von Wärmeübertragermodulen übereinander und/oder nebeneinander parallel angeordnet werden. Durch diese Anordnung wird – wie bereits zuvor beschrieben – die Anschlussfläche in eine Mehrzahl von Zellen bzw. Flächen unterteilt, die von der Tragstruktur umgeben werden. Die Anzahl der Wärmeübertragermodule kann dabei beliebig erweitert und angepasst werden. Dadurch, dass sich die Anschlussfläche durch das übereinander und/oder nebeneinander Anordnen von Wärmeübertragermodulen auf eine beliebige Größe erweitern lässt, kann nicht nur die Wärmeübertragerfläche beliebig vergrößert werden, sondern auch bei gleichbleibender Wärmeübertragerfläche – im Vergleich zu einem herkömmlich konstruierten Wärmeübertrager-, die Länge der Wärmeübertragermodule, im Speziellen der Rohrleitungen, verkürzt werden, so dass insgesamt eine kompaktere Bauweise ermöglicht ist.
Aufgrund statischer Probleme innerhalb der Rohrplatten sind aus dem Stand der Technik bekannte Wärmeübertrager, um eine große Wärmeübertragerfläche zu erreichen, stets so konstruiert, dass die Anschlussflächen nur eine geringe Größe aufweisen, was dazu führt, dass sehr lange Rohrleitungen notwendig sind, folglich die Wärmeübertrager eine sehr lange Baulänge aufweisen. Die Rohrleitungen müssen wegen ihrer statischen Aufgaben zudem sehr stabil, folglich dickwandig ausgelegt sein. Diese Schranken bezüglich der Konstruktion eines Wärmeübertragers werden nunmehr mit einer der Erfindung entsprechenden Ausgestaltung aufgebrochen, so dass neue materialsparende, leichte und besonders kompakte Bauformen möglich sind, die jedoch äquivalente Kennwerte bezüglich der Druckfestigkeit aufweisen.
Um auch den Rohrleitungsaußenraum zur Führung eines Mediums zu definieren ist vorzugsweise vorgesehen, dass an der Tragstruktur flächige Bauelemente befestigbar sind, die im montierten Zustand ein Außengehäuse des Wärmeübertragers bilden. Auf die vorzugsweise gitterartige Struktur der Tragstruktur werden flächige Bauelemente – insbesondere Platten oder Bleche – befestigt, so dass sich die flächigen Bauelemente membranartig über die Tragstruktur erstrecken und den Rohraußenraum begrenzen. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass für das Außengehäuse des Wärmeübertragers flächige Bauelemente aus einem sehr dünnen Material gewählt werden können, da eine regelmäßige Abstützung des Materials durch die Tragstruktur erfolgt. Dickwandige Bauelemente, die das Außengehäuse bilden und den hohen Drücken standhalten, sind durch die neuartige Konstruktion nicht mehr erforderlich, so dass auch hier eine Materialeinsparung erreicht wird.
Herrscht beispielsweise im Rohraußenraum ein Unterdruck bezüglich der Umgebung, so würde das Außengehäuse bei nicht ausreichender Abstützung zusammengedrückt, wenn die Dicke des Materials nicht ausreichend ist. Durch die Tragstruktur wird das Außengehäuse sowohl für inneren als auch für äußeren Überdruck abgestützt. Durch die mögliche Verwendung eines dünneren Materials für das Außengehäuse des Wärmeübertragers wird zum einen Material gespart, zum anderen wird das Gesamtgewicht des Wärmeübertragers nennenswert reduziert.
Die Tragstruktur des Wärmeübertragers kann auf unterschiedliche Weise ausgestaltet sein. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Tragstruktur aus einem Rahmen besteht, wobei der Rahmen einer Mehrzahl von räumlich angeordneten Quadern ausbildet, insbesondere der Rahmen aus quer und längs zu den Wärmeübertragermodulen angeordneten Profilen gebildet ist, wobei die Profile jeweils an ihren Enden miteinander verbindbar sind, vorzugsweise form-, kraft- oder stoffschlüssig. Die Tragstruktur besteht aus einem Rahmen, der im Wesentlichen aus Quadern gebildet ist. Die Quader entstehen durch das Anordnen und Verbinden der Profile längs und quer zu den Wärmeübertragermodulen bzw. den Rohrleitungen.
Die Profile können dabei gleichartig oder verschiedenartig sein und lassen sich modular zu einer beliebigen Anzahl von nebeneinander, hintereinander und übereinander angeordneten Quadern zusammensetzen. Um das Einsetzen der Wärmeübertragermodule in den Rahmen zu vereinfachen, ist vorgesehen, dass die Profile quer und längs zu den Wärmeübertragermodulen angeordnet sind, so dass die Profile beim Einschieben des Wärmeübertragermoduls in den Rahmen das Einschieben nicht behindert. Vorzugsweise sind die Zwischenprofile derart angeordnet, dass mindestens unter jeder Rohrplatte ein stützendes, quer angeordnetes Zwischenprofil vorgesehen ist. Ein eingesetztes Wärmeübertragermodul durchtritt vorzugsweise eine Mehrzahl von hintereinander angeordneten Quadern, die die Tragstruktur bilden. Die Tragstruktur kann dabei auch aus Längsprofilen gebildet werden, deren Länge im Wesentlichen der Länge der Wärmeübertragermodule entspricht. Zwischen den parallel zu den Wärmeübertragermodulen angeordneten Längsprofilen sind horizontal und vertikal verlaufende Zwischenprofile angeordnet, die die Längsprofile zueinander beabstandet befestigen und Kräfte quer zur Längserstreckung der Wärmeübertragermodule aufnehmen. Die axialen Kräfte in Richtung der Längserstreckung der Wärmeübertragermodule werden dabei von den Längsprofilen getragen.
Das Verbinden der vorzugsweise vorgefertigten Profile untereinander erfolgt formschlüssig beispielsweise in Form eines einfachen Einsteckmechanismus, kraftschlüssig beispielsweise indem die Profile verschraubt oder verspannt werden oder stoffschlüssig indem die Profile an ihren Enden miteinander verschweißt werden. Durch den Aufbau aus Profilen lässt sich die Größe des Rahmens – der Tragstruktur – in Abhängigkeit des Anwendungsfalls beliebig erweitern und anpassen. Für die Profile können jegliche Profilformen Anwendung finden, insbesondere offene, geschlossene, halboffene, flache Profile oder Winkelprofile.
Bei Ausbildung einer formschlüssigen Verbindung ist auch vorgesehen, dass Verbindungselemente verwendet werden, die die einzelnen Profile miteinander verbinden, wobei dabei unterschiedliche Verbindungselemente für die Eckbereiche, die Zwischenbereiche und die Längsbereiche vorgesehen sind, z. B. Verbindungselemente für zwei, drei, vier oder sechs Profile. Zur zusätzlichen Stabilität können die Profile auch mit den Verbindungselementen verschweißt oder anderweitig verbunden werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Tragstruktur sieht vor, dass die Profile als Hohlprofile ausgestaltet sind, so dass im montierten Zustand das Innere des Rahmens ein bezüglich des Wärmeübertragers abgeschlossenes System bildet. Die Hohlprofile sind dafür derart miteinander verbunden – ggf. auch über Verbindungselemente-, dass in ihrem Inneren ein geschlossenes und durchgängiges System entsteht. Wenn als Hohlprofile Rohrleitungen verwendet werden, dann wird durch den Rahmen ein Rohrleitungssystem ausgebildet, das von den im Wärmeübertrager vorhandenen Medien abgeschlossen und bei Bedarf nur von außerhalb des Wärmeübertragers zugängig ist. Bei Verwendung von Verbindungselementen zwischen den Hohlprofilen sind jeweils auch die Verbindungselemente so ausgestaltet, dass sie eine Verbindung zwischen den einzelnen Hohlprofilen ermöglichen; die Verbindung zwischen den Hohlprofilen und den Verbindungselementen ist dabei nach Möglichkeit dichtend.
Bei dem geschlossenen System aus Hohlprofilen ist vorzugsweise vorgesehen, dass innerhalb der Hohlprofile des Rahmens Zugmittel geführt sind, wobei mit den Zugmitteln Zugkräfte innerhalb der Tragstruktur übertragbar sind, insbesondere dann, wenn die Profile nur zusammengesteckt sind und daher nur Druckkräfte tragen. Als Zugmittel sind beispielsweise Zugseile innerhalb der Hohlprofile vorgesehen, die mit dem Außengehäuse des Wärmeübertragers oder anderen Bauteilen des Wärmeübertragers verbunden sind, so dass neben den über die Profile übertragbaren Druckkräften zusätzlich auch Zugkräfte im Wärmeübertrager übertragen werden. Selbstverständlich übertragen die Hohlprofile auch Zugkräfte, jedoch nur wenn sie in geeigneter Weise miteinander verbunden sind. Als Zugmittel kann alternativ auch Stangenmaterial verwendet werden. Wenn der Rahmen aus Hohlprofilen ein vollständig gedichtetes System bildet, können die Zugmittel auch aus einem nicht korrosionsfesten Material hergestellt sein, da sie durch den Rahmen vor schädigendem Einfluss geschützt sind. Dadurch können die Kosten zur Herstellung des Wärmeübertragers weiter gesenkt werden.
Eine alternative Ausgestaltung der Tragstruktur sieht vor, dass die Tragstruktur flächige Gehäusemodule und Querverbinder umfasst, wobei die jeweiligen Gehäusemodule mit den Querverbindern untereinander verbindbar sind, insbesondere die Querverbinder die Gehäusemodule als innerer Rahmen stützen. Die Gehäusemodule sind dafür vorzugsweise als Platten ausgestaltet, die mit den Querverbindern untereinander verbunden werden. Die Querverbinder weisen dabei insbesondere eine Länge auf, die der Breite eines Wärmeübertragermoduls entspricht, so dass im Montagezustand zwischen zwei Gehäusemodule eine Mehrzahl von Wärmeübertragern übereinander eingebracht werden kann. Die Wärmeübertragermodule liegen dabei vorzugsweise auch auf den die Gehäusemodule verbindenden Querverbindern auf. Die äußeren Gehäusemodule bilden dabei das Außengehäuse des Wärmeübertragers. Die zwischen den Wärmeübertragermodulen angeordneten, innenliegenden Gehäusemodule können zusätzlich regelmäßige Ausnehmungen aufweisen, die die Rohraußenräume der nebeneinander angeordneten Wärmeübertragermodule miteinander verbinden und eine gleichmäßige Verteilung des im Rohraußenraum geführten Mediums sicherstellen. Insgesamt bildet sich zwischen den Gehäusemodulen ein inneres Gerüst aus Querverbindern, die vorzugsweise form-, kraft- oder stoffschlüssig mit den Gehäusemodulen verbindbar sind, so dass sowohl äußere als auch innere Überdrücke von dieser Tragstruktur getragen werden können.
Die Wärmeübertragermodule werden noch vorteilhafter innerhalb der Tragstruktur gelagert, wenn die Gehäusemodule Ausformungen aufweisen, wobei die Ausformungen zur Wechselwirkung mit den Querverbindern und zur horizontalen Führung der Wärmeübertragermodule dienen. Die Ausformungen sind vorzugsweise als horizontal erstreckte Knicke oder Sicken innerhalb der Gehäusemodule ausgeformt, so dass die Ausformungen horizontal erstreckte, parallel zueinander verlaufende Führungsleisten bilden, auf denen die Querverbinder und auch die Wärmeübertragermodule aufliegen können. Die Wärmeübertrager können also auf den horizontalen Ausformungen geführt, innerhalb der Gehäusemodule horizontal in die Tragstruktur eingeschoben werden, wobei die Wärmeübertragermodule gleichzeitig auf den Ausformungen und durch die Querverbinder gestützt werden.
Wenn im Montagezustand sämtliche in der Tragstruktur für jeweils ein Wärmeübertragermodul vorgesehenen Plätze mit einem Wärmeübertragermodul besetzt sind, dann werden sowohl die Querverbinder, als auch die Gehäusemodule von den Wärmeübertragern derart gestützt, dass bei einem äußeren Überdruck auf den Wärmeübertrager ein Knicken der Querverbinder oder Gehäusemodule unmöglich ist, da sie jeweils von allen Seiten durch einen Wärmeübertragermodul, insbesondere von dessen Rohrplatten, gestützt werden.
Um die der Erfindung zu Grunde liegende Idee der Trennung von kraft- und wärmeübertragenden Bauelementen fortzuführen, ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, das die Tragstruktur die Wärmeübertragermodule derart umgibt, dass mit Ausnahme der hydrodynamischen und hydrostatischen Kräfte auf die Rohrplatte die Kräfte von der Tragstruktur abgetragen werden. Die Wärmeübertragermodule werden dafür dichtend mit der Tragstruktur verbunden, allerdings dürfen über die Dichtung keine nennenswerten Kräfte übertragen werden, so dass die Kräfte im Wesentlichen von der Tragstruktur abgetragen werden. Einzig die auf die zwischen den Stirnseiten der Rohrleitungen vorhandene Rohrplatte wirkenden Kräfte werden dabei über das Wärmeübertragermodul, d. h. in axialer Richtung über die Rohrleitungen, abgetragen; die Dichtung zwischen Tragstruktur und Wärmeübertragermodul überträgt im Wesentlichen keine Kräfte. Die Wärmeübertragermodule sind dazu vorzugsweise schwimmend innerhalb der Tragstruktur gelagert, wobei die Haube ausschließlich an der Tragstruktur befestigt ist. Die Abdichtung der schwimmenden Lagerung kann beispielsweise über eine die Rohrplatte umgebende Dichtlippe erfolgen, die der Bewegung des Wärmeübertragermoduls innerhalb der Tragstruktur folgt.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass das Wärmeübertragermodul mit der Rohrplatte bewegbar in der Tragstruktur befestigt ist. Eine bewegbare Befestigung ist beispielsweise ausgestaltet, dass die Wärmeübertragermodule in vertikaler Richtung von der Tragstruktur gestützt und gelagert werden, jedoch in ihrer axialen Richtung im Wesentlichen bewegbar bleiben. Die Dichtung zwischen Tragstruktur und Rohrplatte erfolgt beispielsweise über eine Zickzackdichtung, die ziehharmonikaartig die Dichtung vornimmt und der Bewegung folgt. Als Kräfte auf das Wärmeübertragermodul verbleiben dabei lediglich im Wesentlichen die hydrostatischen Kräfte auf die Rohrplatte.
Ein weiteres vorteilhaftes Dichtmittel zwischen Tragstruktur und Rohrplatte, das auch eine nur geringe Kraftübertragung ermöglicht, sieht vor, dass die Wärmeübertragermodule mit einer Membrandichtung mit der Tragstruktur verschweißt sind. Wie zuvor beschrieben, liegen die Wärmeübertragermodule dabei horizontal innerhalb der Tragstruktur, so dass nur eine rein axiale Bewegung der Wärmeübertragermodule möglich ist. In den Endbereichen, in denen die Rohrplatten der Wärmeübertragermodule bündig mit der Tragstruktur des Wärmeübertragers abschließen, wird jeweils ein den Spalt zwischen Wärmeübertragermodul und Tragstruktur abdeckender Blechstreifen sowohl mit dem Wärmeübertragermodul als auch mit der Tragstruktur verschweißt, so dass eine dichtende Verbindung entsteht. Durch diese Dichtmethode bleibt das Wärmeübertragermodul in gewissem Maße innerhalb der Tragstruktur beweglich – jedenfalls im Rahmen der elastischen Verformbarkeit des Blechstreifens-, während gewährleistet ist, dass sämtliche nennenswerten Kräfte über die Tragstruktur abgetragen werden. Der Blechstreifen ist dazu vorteilhaft aus einem Material gefertigt, dass eine hohe elastische Verformbarkeit aufweist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Wärmeübertragers ist vorgesehen, dass zwischen den Rohrplatten der Wärmeübertragermodule und der Tragstruktur jeweils eine elastische Dichtung angeordnet ist. Bei den Dichtungen kann es sich beispielsweise um Gummidichtungen handeln, die als O-Ringe ausgestaltet sind. Das Wärmeübertragermodul wird dabei mit beidseitig zwischengelegten Dichtungen in der Tragstruktur derart befestigt, dass dem Wärmeübertragermodul ein geringes Maß an Restbeweglichkeit in axialer Richtung, insbesondere im Rahmen der elastischen Verformbarkeit der Dichtungen, verbleibt. Auch so wird gewährleistet, dass die wesentliche Kraftübertragung innerhalb des Wärmeübertragers, insbesondere in axialer Richtung, über die Tragstruktur erfolgt. Auf die Wärmeübertragermodule – und damit auf die Rohrleitungen – wirkt dabei lediglich die zur Dichtung notwendige Dichtkraft und die hydrodynamische Kraft auf die Rohrplatte.
Für den Fall, dass die Tragstruktur derart stabil ausgestaltet ist, dass nahezu keine Kräfte mehr von den Rohrleitungen übertragen werden müssen, ist vorgesehen, dass die Wärmeübertragermodule mit der Tragstruktur verschweißt sind. Das Verschweißen der Rohrplatte des Wärmeübertragermoduls mit der Tragstruktur verbindet diese zwar unmittelbar, so dass auch Kräfte von der Tragstruktur auf das Wärmeübertragermodul übertragen werden können, allerdings wird durch die sehr stabile Struktur der Tragstruktur verhindert, dass die Rohrleitungen übermäßig belastet werden, wodurch eine Reduzierung des Durchmessers und der Wandstärke der Rohrleitungen auch weiterhin möglich ist.
Um die Rohrleitungsbündel innerhalb der Wärmeübertragermodule zuverlässig vor Vibrationen durch um- oder durchströmendes Medium zu schützen, ist vorgesehen, dass in Längsrichtung der Rohrleitungen der Wärmeübertragermodule jeweils mindestens eine die Rohrleitungen verbindende Stützplatte angeordnet ist, insbesondere die Stützplatte sich an der Tragstruktur abstützt. Eine oder eine Mehrzahl von Stützplatten innerhalb der Wärmeübertragermodule verhindert zuverlässig, dass die Rohrleitungen in Vibration geraten und dient zusätzlich dazu, dass sich das Wärmeübertragermodul an weiteren Stellen über die Stützplatten an der Tragstruktur abstützen kann. Die Stützplatten sind dazu in regelmäßigen oder vorzugsweise in unregelmäßig Abständen an den Rohrleitungen der Wärmeübertragermodule befestigt und weisen dabei vorzugsweise die Abstände auf, die den Gitterabständen der Tragstruktur entsprechen, so dass eine zuverlässige Abstützung an der Tragstruktur möglich ist. Bei der Variante der Tragstruktur aus Gehäusemodulen und Querverbindern stützen sich die Stützplatten vorzugsweise jeweils auf einem Querverbinder ab bzw. stützt sich ein Querverbinder an der Stützplatte ab.
Auch die Verbindung zwischen Rohrplatte und den Rohrleitungen muss eine dichtende Verbindung sein, weshalb vorzugsweise realisiert ist, dass zwischen Rohrplatte und den Rohrleitungen jeweils ein Dichtmaterial vorgesehen ist, insbesondere die Rohrleitung und/oder die Rohrplatte aus rostfreiem Stahl oder aus einem Edelstahl bestehen. In die Bohrung innerhalb der Rohrplatte wird dafür vorzugsweise ein elastisches Dichtmaterial eingebracht, wobei die Rohrleitungen in die mit dem Dichtmaterial versehenen Bohrungen eingeschoben werden und durch plastische Verformung mit den Bohrungen kraft- und/oder formschlüssig verbunden werden. Das Dichtmaterial ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Rohrleitungen aus einem rostfreien Stahl oder aus einem Edelstahl bestehen, da diese Stähle sich nur in geringem Maße plastisch verformen lassen bzw. sich nicht in dem Umfang plastisch anformen lassen bzw. anschmiegen lassen, in dem dieses Anformen mit weicheren Werkstoffen möglich ist. Durch das Dichtmaterial zwischen der Rohrleitung und der Rohrplatte muss sich das Material der Rohrleitung nicht exakt an die Bohrung in der Rohrplatte anschmiegen, vielmehr werden nach der Verformung der Rohrleitung verbleibende Unebenheiten durch das Dichtmaterial zuverlässig ausgeglichen, so dass eine dichtende Verbindung zwischen Rohrplatte und Rohrleitung entsteht. Diese Verbindung hat den Vorteil, dass im Material keine Spannungen beispielsweise durch Wärmeeinwirkung entstehen und sich die – vorzugsweise dünnwandigen – Werkstoffe nicht verziehen.
Eine besonders einfache und zuverlässige Methode, eine dichtende Verbindung zwischen Rohrleitungen und Rohrplatte herzustellen, ist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, nämlich dadurch, dass die Rohrleitungen mit der Rohrplatte stoffschlüssig verbunden sind, insbesondere eingeschweißt sind. Die Rohrleitungen werden dazu, vorzugsweise mittels Laserschweißen, in die Bohrung innerhalb der Rohrplatte eingeschweißt, so dass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Rohrleitung und Rohrplatte entsteht, die zuverlässig dichtend ist.
Eine weitere Lehre der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragermoduls, das dadurch gekennzeichnet ist, dass zunächst die Rohrplatte mit Bohrungen entsprechend der Anzahl der Rohrleitungen versehen wird, anschließend die Innenflächen der Bohrungen mit einer Schicht aus einem elastischen Material versehen werden, so dass die Bohrungen mit einer Dichtschicht überzogen sind, und abschließend jeweils die Enden der Rohrleitung durch eine plastische Verformung der Rohrleitung an der Rohrplatte befestigt werden. Dieses Verfahren hat insbesondere den Vorteil, dass Spannungen innerhalb des Materials infolge von Wärmeeinwirkungen vermieden werden, da ausschließlich eine plastische Verformung der Rohrleitungen beispielsweise durch Einwalzen erfolgt.
Das Dichtmaterial erfüllt seine vorteilhafte Wirkung insbesondere bei der Verwendung von rostfreiem Stahl oder einem Edelstahl als Werkstoff für die Rohrplatte oder die Rohrleitungen, da diese Stähle nur mit erhöhtem Aufwand plastisch verformbar sind und sich insbesondere schlecht an eine Oberfläche – hier der Bohrung – anschmiegen, weshalb ein Einwalzen einer Rohrleitung aus Edelstahl in eine Bohrung – ohne die Verwendung eines Dichtmaterials – einen sehr hohen Aufwand für die Fertigung der Bohrung und das Einwalzen bedeutete. Das Dichtmaterial zwischen der Rohrleitung und der Bohrung gleicht dabei die mangelnde Anpassungsfähigkeit des Rohrleitungsmaterials aus, so dass auf einfache Weise eine zuverlässige dichtende Verbindung hergestellt wird.
Im Einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten den erfindungsgemäßen Wärmeübertrager und das erfindungsgemäße Verfahren auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen sowohl auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, als auch auf die nachfolgende Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel einer Tragstruktur eines erfindungsgemäßes Wärmeübertragers in perspektivischer Ansicht,
2 ein Ausführungsbeispiel eines Wärmeübertragermoduls eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers in perspektivischer Ansicht,
3 das Ausführungsbeispiel eines Wärmeübertragermoduls gemäß 2 in perspektivischer Detailansicht,
4 eine Tragstruktur gemäß 1 bestückt mit Wärmeübertragermodulen gemäß 2 in einer perspektivischen Ansicht,
5 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers in Explosionsdarstellung und
6 das Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers gemäß 5 im zusammengebauten Zustand in perspektivischer Ansicht.
4 zeigt einen annähernd vollständig montierten Wärmeübertrager 1 mit einer Mehrzahl von Rohrleitungen 2 als Wärmeübertragungsfläche, wobei im vollständig montierten Zustand des Wärmeübertragers 1 an jeder der Anschlussseiten 3 eine – in 5 dargestellte – Haube 4 anbringbar ist. Der Wärmeübertrager 1 umfasst eine Mehrzahl von Wärmeübertragermodulen 5, die in eine Tragstruktur 6 eingebracht sind; die Tragstruktur 6 ist in 1 separat dargestellt. Die Wärmeübertragermodule 5 umfassen jeweils eine bestimmte Anzahl von Rohrleitungen 2, die jeweils in ihren Endbereichen mit einer Rohrplatte 7 miteinander verbunden sind, so dass die Rohrleitungen 2 bündig mit der Rohrplatte 7 abschließen.
Die Mehrzahl von nebeneinander und übereinander in der Tragstruktur 6 angeordneten Wärmeübertragermodule 5 bilden auf jeder Anschlussseite 3 des Wärmeübertragers 1 eine Anschlussfläche 8, wobei die Anschlussfläche 8 insbesondere im Montagezustand von einer – in 5 dargestellten – Haube 4 vollständig abgedeckt wird, so dass die Innenvolumina der Rohrleitungen 2 mit dem Innenvolumen der Haube 4 in Verbindung stehen. Ein in den Rohrleitungen 2 zu führendes Medium kann so über die Haube 4 in die Rohrleitungen 2 eingeleitet oder aus den Rohrleitungen 2 herausgeleitet werden.
Die in 1 dargestellte Tragstruktur 6 ist bei diesem Ausführungsbeispiel als Rahmen ausgestaltet und besteht aus quer und längs zu den – in 2 und 4 dargestellten – Wärmeübertragermodulen angeordneten Profilen, wobei bei der Ausgestaltung gemäß 1 zwischen Längsprofilen 9 und Zwischenprofilen 10 unterschieden wird. Die Längsprofile 10 sind parallel zu den Wärmeübertragermodulen 5 angeordnet und tragen im montierten Zustand im Wesentlichen die auftretenden Axialkräfte in Längsrichtung der Wärmeübertragermodule 5. Die Zwischenprofile 10 sind quer zu den Wärmeübertragermodulen 5 angeordnet und erstrecken sich jeweils horizontal und vertikal und verbinden die einzelnen Längsprofile 9 miteinander, so dass eine Tragstruktur 6 entsteht, in die eine Mehrzahl von Wärmeübertragermodulen 5 einbringbar ist.
Bei diesem Ausgestaltungsbeispiel gemäß 1 bietet die Tragstruktur 6 Platz für jeweils drei Wärmeübertragermodule 5 nebeneinander und maximal jeweils sechs Wärmeübertragermodule 5 übereinander. Sowohl die Längsprofile 9, als auch die Zwischenprofile 10 sind bei diesem Ausgestaltungsbeispiel als Hohlprofile ausgestaltet, so dass beispielsweise innerhalb der Längsprofile 9 und der Zwischenprofile 10 ein – nicht dargestelltes – Zugmittel, z. B. ein Zugseil, geführt werden kann, das zusätzlich zu der Tragstruktur 6 aus Längsprofilen 9 und Zwischenprofilen 10 Zugkräfte übertragen kann. Das Zugmittel ist dafür an den entsprechenden Bauteilen, z. B. dem Außengehäuse, des Wärmeübertragers befestigt.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Wärmeübertragermoduls 5 für einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 1 in perspektivischer Ansicht. Jeweils an den Enden der Rohrleitungen 2 ist eine Rohrplatte 7 angeordnet, die eine Anzahl von Durchgangsbohrungen 11 aufweist, die der Anzahl an Rohrleitungen 2 entspricht; bei diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich um 315 Rohrleitungen. Die Länge des Wärmeübertragermoduls 5 entspricht dabei im Wesentlichen der Länge der – in 1 dargestellten – Tragstruktur 6. Die Rohrleitungen 2 sind derart in den Durchgangsbohrungen 11 in den Rohrplatten 7 befestigt, dass die Enden der Rohrleitungen 2 bündig mit der jeweiligen Rohrplatte 7 abschließen. Die Verbindung zwischen den Rohrleitungen 2 und den Rohrplatten 7 ist dichtend, in diesem Fall eine Laserschweißverbindung.
3 zeigt das Ausführungsbeispiel eines Wärmeübertragermoduls gemäß 2 in einer perspektivischen Detailansicht. Wie bereits erwähnt, sind die Rohrleitungen 2 bei diesem Ausführungsbeispiel in die Durchgangsbohrungen 11 der Rohrplatte 7 eingeschweißt und so stoffschlüssig mit dieser verbunden. Die Durchgangsbohrungen 11 sind regelmäßig über die Rohrplatten 7 verteilt, so dass die Stege zwischen den Durchgangsbohrungen 11 eine noch ausreichende Stabilität der Rohrplatten 7 gewährleisten. Das Material der Rohrplatten 7 ist vorzugsweise das gleiche Material wie das der Rohrleitungen 2, wobei idealerweise ein rostfreier Stahl oder ein Edelstahl verwendet wird. Da rostfreie Stähle und Edelstähle im Allgemeinen eine hohe Festigkeit aufweisen, lassen sich so sehr geringe Wandstärken, sowohl für die Rohrleitungen 2, als auch für die Rohrplatten 7 realisieren. Die Wandstärke der Rohrplatten 7 kann dabei in einem Bereich von etwa 5 mm bis 8 mm realisiert werden, während die Wandstärke der Rohrleitungen bis in einen Bereich von 0,1 mm bis 0,2 mm reduziert werden kann.
Der in 4 dargestellte annähernd vollständig montierte Wärmeübertrager 1 zeigt elf Wärmeübertragermodule 5, die in die 18 möglichen Einschubplätze der Tragstruktur 6 eingebracht sind. Die Wärmeübertragermodule 5 sind im dargestellten Zustand noch nicht mit der Tragstruktur 6 dichtend verbunden, wozu bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel bevorzugt eine – in 5 dargestellte – Maske 12 notwendig wäre, allerdings kann die Tragstruktur 6 auch derart ausgestaltet sein, dass auf eine solche zusätzliche Maske 12 verzichtet werden kann.
Auch das Außengehäuse des Wärmeübertragers 1 ist in 4 noch nicht dargestellt. Das dargestellte Ausführungsbeispiel eines Wärmeübertragers lässt deutlich erkennen, dass die Anschlussfläche 8 des Wärmeübertragers 1 in eine Mehrzahl von Feldern unterteilt ist, deren Größe im Wesentlichen der Größe der Rohrplatten 7 mit der dazwischen angeordneten Tragstruktur 6 entspricht. Durch diese Ausgestaltung kann die Anschlussfläche 8 des Wärmeübertragers 1 beliebig vergrößert werden, ohne dass Einbußen bezüglich der Stabilität der Anschlussfläche 8 resultieren. Die in Axialrichtung der Wärmeübertragermodule 5 auftretenden Kräfte werden zuverlässig von den Längsprofilen 9 der Tragstruktur 6 abgetragen. Die Wärmeübertragermodule 5 sind in axialer Richtung beweglich in der Tragstruktur 6 gelagert.
Auf der Tragstruktur 6 ließen sich nun – nicht dargestellte – flächige Bauelemente, z. B. Blechplatten mit einer Stärke von 3 mm, befestigen, die das Außengehäuse des Wärmeübertragers 1 darstellen und auch regelmäßig die Längsprofile 9 mit den Zwischenprofilen 10 gestützt werden, so dass das Außengehäuse des Wärmeübertragers 1 sowohl innerem als auch äußerem Überdruck standhält.
In 5 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Wärmeübertragers 1 dargestellt, bei dem die Tragstruktur 6 aus flächigen Gehäusemodulen 13 besteht, wobei zwischen den Gehäusemodulen 13 Querverbinder 14 angeordnet sind, die den Abstand zwischen den Gehäusemodulen 13 definieren und der gesamten Tragstruktur 6 eine ausreichende Stabilität verleihen. Die Länge der Querverbinder 14 entspricht im Wesentlichen der Breite der Wärmeübertragermodule 5, so dass die Wärmeübertragermodule 5 in die zwischen zwei Gehäusemodulen 13 durch die Querverbinder 14 definierten Schächte einbringbar und darin befestigbar sind.
Um die Wärmeübertragermodule 5 vorteilhaft in ihrer horizontalen Lage innerhalb der aus den Gehäusemodulen 13 und den Querverbindern 14 gebildeten Tragstruktur 6 zu führen, weisen die Gehäusemodule 13 – gemäß 5 – Ausformungen 15 auf, die als Sicken oder Falze ausgebildet sind, und auf denen die Wärmeübertragermodule 5 in die Tragstruktur 6 – wie auf einer Führungsleiste – eingeschoben werden können.
Auf den Ausformungen 15 liegen vorzugsweise auch die Querverbinder 14 auf, die bei diesem Ausführungsbeispiel formschlüssig mit den Gehäusemodulen 13 verbindbar sind, so dass die Tragstruktur 6 sowohl äußerem als auch innerem Überdruck standhält, da die Verbindung zwischen Gehäusemodulen 13 und Querverbindern 14 sowohl Zug- als auch Druckkräfte übertragen kann. An den Anschlussseiten 3 des Wärmeübertragers 1 weist die Tragstruktur 6 jeweils eine Maske 12 auf, die mit den Gehäusemodulen 13 dichtend verbindbar ist. Die Maske 12 weist Ausnehmungen für die Rohrplatten 7 der Wärmeübertragermodule 5 auf, so dass eine dichtende Verbindung zwischen den Rohrplatten 7 und den Masken 12, also der Tragstruktur 6, hergestellt werden kann. Die Mehrzahl der Rohrplatten 7 der Wärmeübertrager 5 bildet gemeinsam eine Anschlussfläche 8, die von einer Haube 4 übergriffen wird, so dass das in den Rohrleitungen 2 geführte Medium von der Haube 4 gesammelt und über einen an der Haube 4 angeschlossenen – nicht dargestellten – Stutzen abgeführt werden kann (5).
Die – gemäß 5 – das Außengehäuse des Wärmeübertragers 1 bildenden Gehäusemodule 13 weisen selbstverständlich eine geschlossene Oberfläche auf, während die zwischen den einzelnen nebeneinander angeordneten Wärmeübertragermodulen 5 angeordneten Gehäusemodule 13 Ausnehmungen 16 aufweisen, die eine Verbindung zwischen den einzelnen Rohraußenräumen der verschiedenen Wärmeübertragermodule 5 herstellen, so dass eine gleichmäßige Beaufschlagung aller Rohrleitungen 2 aller Wärmeübertragermodule 5 in einem Wärmeübertrager 1 gewährleistet ist. Ein Knicken der Querverbinder 14 oder Zwischenstege 17 zwischen den Ausnehmungen 16 in den Gehäusemodulen 13 werden zuverlässig dadurch verhindert, dass eine Abstützung an den Wärmeübertragermodulen 5 erfolgt. Insbesondere erfolgt die Abstützung an den in der Längserstreckung der Wärmeübertragermodule 5 zwischen den beiden Rohrplatten 7 angeordneten, die Rohrleitungen 2 verbindenden Stützplatten 18, die in regelmäßigen Abständen angeordnet sind und eine Vibration der Wärmeübertragermodule verhindern. Eine Anordnung der Stützplatten 18 in unregelmäßigen Abständen erhöhte die Eigenfrequenz zusätzlich. Die Stützplatten 18 stützen sich sowohl an der Tragstruktur 6 ab, stützen diese dabei aber auch gleichzeitig, so dass insgesamt ein sehr stabiler Wärmeübertrager 1 entsteht.
6 zeigt das Ausführungsbeispiel des bereits in 5 dargestellten Wärmeübertragers 1 im Montagezustand, wobei auch hier lediglich elf von achtzehn möglichen Wärmeübertragermodulen 5 in die Tragstruktur 6 des Wärmeübertragers 1 eingebracht sind. Die verbleibenden Plätze bleiben bei diesem Ausführungsbeispiel leer und werden von der Maske 12 abgedeckt. Die Wärmeübertrager 5 zusammen bilden die Anschlussfläche 8 des Wärmeübertragers 1, die von einer – in 5 dargestellten – Haube 4 übergriffen wird. Der modulare Aufbau des Wärmeübertragers 1 ermöglicht einen sehr kompakten Wärmeübertrager 1, der eine sehr große Wärmeübertragungsfläche bei gleichzeitig kompakten Abmaßen aufweist, indem durch die erfindungswesentliche Trennung der tragenden Bauelemente von den wärmeübertragenden Bauelementen eine Vergrößerung der Anschlussfläche 8 erfolgen kann. Gleichzeitig kann die Baulänge der Wärmeübertragermodule 5 reduziert werden, so dass ein sehr kompakter Wärmeübertrager 1 entsteht, der aus einer Mehrzahl von Bauelementen mit geringen Wandstärken aufgebaut ist, so dass insgesamt auch ein wesentlicher Teil des Gewichts eingespart wird. Die tragende und stützende Funktion übernehmen bei dieser Erfindung nicht die Rohrleitungen 2, sondern die Tragstruktur 6.

Claims

Wärmeübertrager (1) mit einer Mehrzahl von Rohrleitungen (2) als Wärmeübertragungsfläche, wobei an mindestens einer Anschlussseite (3) des Wärmeübertragers (1) mindestens eine Haube (4) anbringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Wärmeübertrager (1) mindestens zwei Wärmeübertragermodule (5) und mindestens eine Tragstruktur (6) umfasst sind, dass die Wärmeübertragermodule (5) jeweils Rohrleitungen (2) und wenigstens eine Rohrplatte (7) umfassen, wobei die Rohrleitungen (2) in ihren Endbereichen über die Rohrplatte (7) miteinander verbunden sind, dass die Wärmeübertragermodule (5) mit den Rohrplatten (7) derart in der Tragstruktur (6) befestigbar sind, dass das Innenvolumen der Haube (4) mit dem Rohrinnenraum verbindbar ist und das Innenvolumen der Haube (4) gegen den Rohraußenraum abgedichtet ist, und dass die Tragstruktur (6) die Wärmeübertragermodule (5) derart umgibt, dass ein Teil der Kräfte von der Tragstruktur (6) abgetragen wird.
Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (6) derart zwischen den Wärmeübertragermodulen (5) angeordnet ist, dass auf der aus einer Mehrzahl von Rohrplatten (7) von Wärmeübertragermodulen (5) und der Tragstruktur (6) gebildeten Anschlussfläche (8) des Wärmeübertragers (5) auftretende Kräfte gleichmäßig über die Anschlussfläche (8) verteilt abgetragen werden, insbesondere von der Tragstruktur (6) abgetragen werden.
Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragermodule (5) jeweils mindestens zwei Rohrplatten (7) aufweisen, die die Rohrleitungen (2) in ihren Endbereichen miteinander verbinden, wobei bevorzugt die Rohrleitungen (2) gerade sind, so dass an beiden Anschlussseiten (3) des Wärmeübertragers (1) eine Haube (4) anbringbar ist.
Wärmeübertrager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (6) derart ausgebildet ist, dass eine Mehrzahl von Wärmeübertragermodulen übereinander und/oder nebeneinander parallel angeordnet werden können.
Wärmeübertrager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an der Tragstruktur (6) flächige Bauelemente befestigbar sind, die im montierten Zustand ein Außengehäuse des Wärmeübertragers (1) bilden.
Wärmeübertrager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (6) aus einem Rahmen besteht, wobei der Rahmen eine Mehrzahl von räumlich angeordneten Quadern ausbildet, insbesondere der Rahmen aus quer und längs zu den Wärmeübertragermodulen (5) angeordneten Profilen gebildet ist, wobei die Profile jeweils an ihren Enden miteinander verbindbar sind, vorzugsweise form-, kraft- oder stoffschlüssig.
Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Profile als Hohlprofile ausgestaltet sind, so dass im montierten Zustand das innere des Rahmens ein bezüglich des Wärmeübertragers (1) abgeschlossenes System bildet.
Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Hohlprofile des Rahmens Zugmittel geführt sind, wobei mit den Zugmitteln Zugkräfte innerhalb der Tragstruktur (6) übertragbar sind.
Wärmeübertrager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (6) flächige Gehäusemodule (13) und Querverbinder (14) umfasst, wobei die jeweiligen Gehäusemodule (13) mit den Querverbindern (14) untereinander verbindbar sind, insbesondere die Querverbinder (14) die Gehäusemodule (13) als innerer Rahmen stützen.
Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusemodule (13) Ausformungen (15) aufweisen, wobei die Ausformungen (15) zur Wechselwirkung mit den Querverbindern (14) und zur horizontalen Führung der Wärmeübertragermodule (5) dienen.
Wärmeübertrager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (6) die Wärmeübertragermodule (5) derart umgibt, dass mit Ausnahme der hydrostatischen und hydrodynamischen Kräfte auf die Rohrplatte (7) die Kräfte von der Tragstruktur (6) abgetragen werden.
Wärmeübertrager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragermodul (5) mit der Rohrplatte (7) bewegbar in der Tragstruktur (6) befestigt ist.
Wärmeübertrager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragermodule (5) mit einer Membrandichtung mit der Tragstruktur (5) verschweißt sind.
Wärmeübertrager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Rohrplatten (7) der Wärmeübertragermodule (5) und der Tragstruktur (6) jeweils eine elastische Dichtung angeordnet ist.
Wärmeübertrager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragermodule (5) mit der Tragstruktur (6) verschweißt sind.
Wärmeübertrager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in der Längsrichtung der Rohrleitungen (2) der Wärmeübertragermodule (5) jeweils mindestens eine die Rohrleitungen (2) verbindende Stützplatte (18) angeordnet ist, insbesondere die Stützplatte (18) sich an der Tragstruktur (6) abstützt.
Wärmeübertrager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Rohrplatte (7) und den Rohrleitungen (2) jeweils ein Dichtmaterial vorgesehen ist, insbesondere die Rohrleitungen (2) und/oder die Rohrplatte (7) aus rostfreiem Stahl oder aus einem Edelstahl bestehen.
Wärmeübertrager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitungen (2) mit der Rohrplatte (7) stoffschlüssig verbunden sind, insbesondere eingeschweißt sind.
Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragermoduls (5), insbesondere zur Verwendung in einem Wärmeübertrager (1) gemäß den Ansprüchen 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst die Rohrplatte (7) mit Durchgangsbohrungen (11) entsprechend der Anzahl der Rohrleitungen (2) versehen wird, anschließend die Innenflächen der Durchgangsbohrungen mit einer Schicht aus einem elastischen Material versehen werden, so dass die Durchgangsbohrungen (11) jeweils mit einer Dichtschicht überzogen sind, und abschließend jeweils die Enden der Rohrleitungen (2) durch eine plastische Verformung der jeweiligen Rohrleitung (2) an der Rohrplatte (7) befestigt werden.