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Die Erfindung betrifft einen Rohrbündel-Wärmetauscher.
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Bei herkömmlichen Rohrbündel-Wärmetauschern aus Kunststoff werden bei der Einleitung des Kühl- oder Heizmediums keine Prallplatten oder andere Umlenkvorrichtungen verwendet. Wenn das erste Fluid, welches normalerweise als flüssiges und/oder gasförmiges Kühl- oder Heizmedium für das zweite Fluid dient, welches ein zu kühlendes oder zu heizendes flüssiges und/oder gasförmiges Medium ist, aus dem einen Anschlussstutzen in den ersten Fluidraum eintritt, trifft es direkt auf einen Teil der Innenrohre oder -schläuche, welche durch das einströmende Fluid mechanisch stark beansprucht werden und dadurch schnell verschleißen.
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Die Anmelderin der vorliegenden Erfindung produziert und vertreibt Rohrbündel-Wärmetauscher, bei denen die mechanische Belastung der Innenrohre bzw. -schläuche reduziert und die Lebensdauer erhöht wird, indem das erste Fluid nicht direkt auf die Innenrohre oder -schläuche geleitet wird, sondern durch einen Seitenanschlussring seitlich um das Mantelrohr geführt und dort nach und nach eingeleitet wird. Wie in 4 gezeigt, hat ein derartiger auf ein Mantelrohr 2 geschweißter Seitenanschlussring 4 an seinem Umfang einen U-förmigen Querschnitt, der sich radial nach innen zum Mantelrohr 2 öffnet, wodurch ein ringförmiger Kanal 6 rings um das Mantelrohr 2 entsteht. Im Bereich eines Teils dieses Kanals 6 hat das Mantelrohr 2 etliche kleine Löcher 8, auf die sich der Fluidstrom in den ersten Fluidraum im Mantelrohr 2 verteilt.
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Diese Bauart löst zwar das Problem der mechanischen Beanspruchung der Innenrohre oder -schläuche und der damit einhergehenden Lebensdauerverminderung; dies jedoch auf Kosten einer mechanischen Schwächung des Mantelrohres 2 im Bereich der Löcher 8. Außerdem kann der Seitenanschlussring 4 aufgrund der Position der nötigen Schweißnaht nicht mittels eines besonders zuverlässigen berührungslosen Infrarot-Schweißverfahrens mit dem Mantelrohr 2 verbunden werden, welches das für die Herstellung von Rohrbündel-Wärmetauschern bevorzugte Schweißverfahren ist, sondern es muss ein Warmgas-Ziehschweißverfahren benutzt werden, welches wesentlich weniger zuverlässig ist, so dass unter anderem die Abdichtung des Kanals 6 an der Schweißverbindung zwischen dem Mantelrohr 2 und der Seitenanschlussring 4 nicht zuverlässig gewährleistet ist. Insgesamt wird die Druckfestigkeit des Wärmetauschers gegenüber Wärmetauschern ohne Seitenanschlussring deutlich reduziert. Ferner wird seine Zuverlässigkeit tendenziell beeinträchtigt.
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Ein Rohrbündel-Wärmetauscher mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 ist aus der
US 3 804 161 A bekannt.
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Die
JP 2004 308 975 A offenbart einen Rohrbündel-Wärmetauscher, dessen Einzelteile separat hergestellt und dann alle zusammengeschweißt werden.
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Die
US 6 899 169 B1 offenbart einen Rohrbündel-Wärmetauscher mit einem einstückigen Mantelrohr und mit rechteckigen Fluidleitplatten, die den inneren Querschnitt von Anschlussstutzen eines dem zweiten Fluidraum entsprechenden Fluidraums teilweise verdecken, radial innerhalb des Innendurchmessers des Mantelrohres angeordnet sind und Vorsprünge aufweisen, die in Haltenuten eingreifen, die im Mantelrohr geformt sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rohrbündel-Wärmetauscher bereitzustellen, der sowohl eine hohe Druckfestigkeit und Zuverlässigkeit als auch eine große Lebensdauer besitzt.
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Diese Aufgabe wird durch einen Rohrbündel-Wärmetauscher mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Indem man das Mantelrohr nicht aus einem einzigen Rohrstück herstellt, sondern einen Mittelabschnitt und zwei Endabschnitte separat herstellt und erst danach miteinander verschweißt, gewinnt man gegenüber einem einfach vom Rohrprofil abgeschnittenen einzigen Rohrstück erhebliche Gestaltungsfreiheit für die Endabschnitte. So kann man die Endabschnitte zumindest teilweise mit einem größeren Außendurchmesser und/oder einer größeren Wandstärke als der Mittelabschnitt des Mantelrohres herstellen. Dadurch gewinnt man Raum zum Formen oder Einbauen von Fluidleitstrukturen, welche durch den Anschlussstutzen eingeleitetes bzw. ausströmendes Fluid zumindest teilweise über den Umfang des Endabschnitts verteilen bzw. davon ausgehend sammeln, so dass die mechanische Belastung der Innenrohre oder -schläuche in diesem Bereich reduziert und die Lebensdauer erhöht wird. Der größere Außendurchmesser bzw. die größere Wandstärke ermöglichen es auch, derartige Fluidleitstrukturen ohne Stabilitätseinbußen bereitzustellen. Weiterhin können die Endabschnitte mittels des zuverlässigen berührungslosen Infrarot-Schweißverfahrens mit dem Mantelrohr verschweißt werden. Daher können alle Anforderungen an Druckfestigkeit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer erfüllt werden.
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Geeignete Fluidleitstrukturen können einfach in Querschnittsaufweitungen der Ein- und Ausströmöffnungen im Bereich der an die Lochböden angrenzenden Enden des ersten Fluidraums bestehen. Gemäß der Erfindung werden alternativ oder zusätzlich Fluidumlenkstrukturen in Form einer Prallplatte vorgesehen, die zumindest einen Teil des inneren Querschnitts des entsprechenden Anschlussstutzens verdeckt und aus einer länglichen rechteckigen Kunststoffplatte besteht, die entlang ihrer Länge zu einem Teilkreis mit einem kleineren Radius als der Radius des Endabschnitts gebogen ist. Diese Prallplatte kann einfach dadurch am Endabschnitt befestigt werden, dass entlang ihrer Längskanten Vorsprünge angeformt sind, die in gebogene Haltenuten eingreifen, die im Bereich des Anschlussstutzens im Endabschnitt geformt sind.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1a eine Perspektivansicht eines Rohrbündel-Wärmetauschers mit einem aus einem Mittelabschnitt und zwei Endabschnitten zusammengesetztem Mantelrohr in einem ersten Ausführungsbeispiel;
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1b eine Längsschnittansicht eines Endes des in 1a gezeigten Wärmetauschers entlang der Linie A-A in 1c;
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1c eine Draufsicht auf den in 1a gezeigten Wärmetauscher von seiner Achse her;
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1d eine Draufsicht auf das in 1b gezeigte Ende des Wärmetauschers von dessen Anschlussstutzen her;
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1e eine Querschnittsansicht des in 1a gezeigten Wärmetauschers entlang der Linie B-B in 1d;
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2a eine gegenüber den 1a bis 1e vergrößerte Perspektivansicht eines der im Wesentlichen zylindrischen Endabschnitte des in 1a bis 1e gezeigten Rohrbündel-Wärmetauschers;
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2b eine Querschnittsansicht des in 2a gezeigten Endabschnitts des Wärmetauschers entlang B-B in 2c;
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2c eine axiale Draufsicht auf den in 2a gezeigten Endabschnitt des Wärmetauschers;
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2d eine Querschnittsansicht des in 2a gezeigten Endabschnitts des Wärmetauschers entlang A-A in 2c;
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3a eine axiale Draufsicht auf einen Endabschnitt eines Rohrbündel-Wärmetauschers in einem zweiten Ausführungsbeispiel;
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3b eine Längsschnittansicht des in 3a gezeigten Endabschnitts des Wärmetauschers entlang A-A in 3a;
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4 eine Längsschnittansicht eines Endes eines konventionellen Rohrbündel-Wärmetauschers mit Seitenanschlussring und gelochtem Mantelrohr;
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5a eine axiale Draufsicht auf einen Endabschnitt eines Rohrbündel-Wärmetauschers in einem dritten Ausführungsbeispiel;
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5b eine Längsschnittansicht des in 5a gezeigten Endabschnitts des Wärmetauschers entlang A-A in 5a;
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6a eine axiale Draufsicht auf einen Endabschnitt eines Rohrbündel-Wärmetauschers in einem vierten Ausführungsbeispiel; und
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6b eine Längsschnittansicht des in 6a gezeigten Endabschnitts des Rohrbündel-Wärmetauschers entlang A-A in 6a.
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Der in den 1a bis 1e gezeigte Rohrbündel-Wärmetauscher besteht vollständig aus einem Kunststoff wie z. B. PFA, ECTFE, PVDF, PP oder PE. Der hier gezeigte Wärmetauscher hat eine Länge von ca. drei Metern, kann aber auch andere Abmessungen aufweisen.
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Ein Mantelrohr des Wärmetauschers besteht aus einem längeren zylindrischen Mittelabschnitt 10 und zwei kürzeren zylindrischen Endabschnitten 12, die axial fluchtend an den Mittelabschnitt 10 angeschweißt sind. Am Umfang eines jeden Endabschnitts 12 ist ein senkrecht davon abstehender Anschlussstutzen 14 eingeschweißt oder angeformt. An die äußeren Ränder der Endabschnitte 12 sind Endkappen 16 geschweißt, worin jeweils ein axial fluchtender Anschlussstutzen 18 eingeschweißt oder angeformt ist, wobei so ein Anschlussstutzen alternativ auch seitlich abgehen kann. Alle vorstehend genannten Schweißverbindungen sind fluiddicht ausgeführt.
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Im axial äußeren Ende eines jeden Endabschnitts 12 ist ein Lochboden 22 eingeschweißt, welcher die Form einer Scheibe hat, die sich senkrecht zur Achse des Mantelrohres erstreckt und den ganzen Querschnitt des Endabschnitts 12 einnimmt. Der Lochboden 22 enthält eine große Anzahl von kleinen Löchern, die in kleinen Abständen voneinander parallel zueinander und zur Achse des Mantelrohres verlaufen.
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Eine Haltestange 24 erstreckt sich entlang der Achse des Mantelrohres von einem Lochboden 22 zum anderen. Die Haltestange 24 trägt eine Anzahl von Fluidumlenkplatten 26, die über die Länge des Mittelabschnitts 10 des Mantelrohres verteilt sind und jeweils eine dem Lochboden 22 entsprechende Form, Orientierung und Lochung haben, jedoch weniger dick sind und nicht den ganzen Querschnitt des Endabschnitts 12 einnehmen, sondern abwechselnd entgegengesetzt orientierte Aussparungen haben.
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Durch die Löcher der Lochböden 22 und der Fluidumlenkplatten 26 verlaufen eine entsprechende Anzahl von nicht gezeigten Innenrohren von einem Lochboden 22 zum anderen. Die Enden der Innenrohre, welche auch Schläuche sein können, fluchten mit den axialen Außenflächen der Lochböden 22 und sind auf den Außenseiten der Lochböden 24 fluiddicht mit den Lochböden 22 verschweißt.
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Die Innenrohre und die Lochböden 24 trennen einen ersten Fluidraum, der von der Innenfläche des Mittelabschnitts 10 des Mantelrohres und den Außenflächen der Innenrohre begrenzt wird, von einem zweiten Fluidraum, der von den Innenflächen der Innenrohre, der Endabschnitte 12 und der Endkappen 16 begrenzt wird. Im Gebrauch strömt einerseits ein erstes Fluid, ein flüssiges und/oder gasförmiges Kühl- oder Heizmedium, von einem der Anschlussstutzen 14 durch den ersten Fluidraum zum anderen Anschlussstutzen 14, und strömt andererseits ein zweites Fluid, ein zu kühlendes oder zu heizendes flüssiges und/oder gasförmiges Medium, im Gegenstrom zu dem ersten Fluid von dem einen Anschlussstutzen 18 durch den zweiten Fluidraum zum anderen Anschlussstutzen 18. Die wechselseitig angeordneten Fluidumlenkplatten 26 erzeugen Querströmungen des ersten Fluides, um eine besonders gute Umströmung der Innenrohre zu erreichen.
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Wie man anhand der 1a bis 1e erkennt, haben die Endabschnitte 12 mit Ausnahme ihrer ringförmigen Stirnflächen, an denen sie mit dem Mittelabschnitt 10 und der zugehörigen Endkappe 16 verschweißt sind, einen größeren Außendurchmesser und eine größere Wandstärke als der Mittelabschnitt 10 und die Endkappen 16 des Mantelrohres. Diese größeren Abmessungen werden für Querschnittsaufweitungen dort, wo die Ein- und Ausströmöffnungen der Anschlussstutzen 14 in das Innere der Endabschnitte 12 münden, genutzt, wodurch die Innenrohre weniger stark durch das erste Fluid beansprucht werden. Außerdem erhöhen die größeren Abmessungen die Festigkeit der Endabschnitte 12, was ihre mechanische Schwächung aufgrund des Vorhandenseins großer Ein- und Ausströmöffnungen mehr als wettmacht. Weiterhin bieten die dicker gemachten Endabschnitte 12 den Anschlussstutzen 14 mehr Halt.
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In 2a bis 2d ist einer der Endabschnitte 12 des in 1a bis 1e gezeigten Rohrbündel-Wärmetauschers vergrößert dargestellt. Dieser Endabschnitt 12 wird so, wie er hier gezeigt ist, z. B. durch Spritzgießen hergestellt und erst dann mit einem Anschlussstutzen 14, dem Mittelabschnitt 10 und der zugehörigen Endkappe 16 verschweißt. Man erkennt deutlich die Durchmesser- und Wandstärkevergrößerung über eine axiale Strecke im Bereich einer Öffnung 28 für den Anschlussstutzen 14 sowie die Querschnittsaufweitung der Öffnung 28 zum Inneren des Endabschnitts 12 hin.
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In einem zweiten Ausführungsbeispiel ist ein Wärmetauscher grundsätzlich ähnlich aufgebaut wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß den 1a bis 1e, jedoch sind die zwei Endabschnitte 12 durch zwei Endabschnitte 30 ersetzt, von denen einer in 3a und 3b gezeigt ist.
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Jeder z. B. durch Spritzgießen hergestellte Endabschnitt 30 besteht aus einer zylindrischen Basis 32, an deren Umfang ein Fortsatz 34 angeformt ist, der sich axial über eine größere Strecke als der Durchmesser einer Öffnung 36 für einen hier nicht gezeigten Anschlussstutzen ähnlich dem Anschlussstutzen 14 in 1a bis 1e erstreckt und der radial um den Endabschnitt 30 herum verläuft und dabei kontinuierlich niedriger wird, so dass der Fortsatz 34 sichelförmig ist. Der Fortsatz 34 bildet eine partielle Durchmesser- und Wandstärkenvergrößerung der zy- lindrischen Basis 32, wodurch diese nicht nur versteift wird, sondern auch Raum für Unterbringung und Befestigung einer Prallplatte 38 geschaffen wird, deren Konturen in 3a gestrichelt eingezeichnet sind. Die durch die zylindrische Basis und den sichelförmigen Fortsatz hindurchgehende Öffnung 36 ist an den Innendurchmesser des anzuschweißenden Anschlussstutzens angepasst.
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Die Prallplatte 38 besteht aus einer länglichen rechteckigen Kunststoffplatte, die entlang ihrer Länge zu einem Halbkreis mit einem kleineren Radius als der Radius des Endabschnitts 30 gebogen ist und entlang ihrer Längskanten kleine Vorsprünge 40 aufweist, mit denen die Prallplatte 38 der Länge nach in nicht gezeigte Haltenuten eingeschoben ist, die axial vor und hinter einer Öffnung 34 im Endabschnitt 30 geformt sind und ebenso wie die Prallplatte 38 gebogen sind.
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Die Prallplatte 38 bildet eine Fluidleitstruktur, welche vor der Öffnung 36 liegt und Fluid, das in die Öffnung 36 strömt, seitlich über den Umfang des Endabschnitts 30 verteilt. Die Prallplatte 38 hat eine der Öffnung 36 zugewandte Hohlkehle 42, welche über einen Teil der Länge der Prallplatte 38 verläuft und die radiale Fluidströmung fördert bzw. ermöglicht.
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Die beschriebenen Ausführungsbeispiele können auch kombiniert werden, indem sowohl Querschnittsaufweitungen der Fluidöffnung als auch eine Prallplatte od. dgl. vor der Fluidöffnung als Fluidleitstrukturen realisiert werden.
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In einem dritten Ausführungsbeispiel ist ein Rohrbündel-Wärmetauscher grundsätzlich ähnlich aufgebaut wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß den 1a bis 1e, jedoch ist einer der Endabschnitte 12 oder sind beide Endabschnitte 12 durch einen bzw. je einen Endabschnitt 50 ersetzt, wie er in 5a und 5b gezeigt ist.
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In diesem dritten Ausführungsbeispiel haben die beiden axialen Enden des Endabschnitts 50 nicht denselben Durchmesser, wie in den früheren Ausführungsbeispielen dargestellt, sondern verschiedene Durchmesser, wie man in 5b erkennt. Das heißt, das Mantelrohr und die Endkappen müssen nicht denselben Durchmesser haben, sondern sie können verschiedene Durchmesser haben, wobei der Endabschnitt 50 eine Durchmesseranpassung ermöglicht. Die Durchmesserdifferenz kann auch noch größer sein als in 5b dargestellt. Außerdem kann eine derartige Durchmesserdifferenz auch bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen realisiert werden.
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Im Unterschied zu den vorangehenden Ausführungsbeispielen weist der in 5a und 5b gezeigte Endabschnitt 50 außerdem einen kegelförmigen Anschlussstutzen 52 auf, welcher sich zum Inneren des Endabschnitts 50 hin erweitert. Innerhalb des kegelförmigen Anschlussstutzens 52 befindet sich ein Verteilerkorb 54, d. h. ein korbförmiges Element mit mehreren Längsschlitzen in seiner Wandung. Der Verteilerkorb 54 bildet eine Fluidleitstruktur, welche durch den Anschlussstutzen 52 eingeleitetes bzw. ausströmendes Fluid über einen Teil des Umfangs des Endabschnitts 50 verteilt bzw. davon ausgehend sammelt.
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In einem in 6a und 6b gezeigten vierten Ausführungsbeispiel hat ein Endabschnitt 60 eines Rohrbündel-Wärmetauschers ebenso wie im dritten Ausführungsbeispiel unterschiedliche Durchmesser an seinen Enden und hat auch einen kegelförmigen Anschlussstutzen 62, welcher sich zum Inneren des Endabschnitts 60 hin erweitert. Jedoch befindet sich in dem Anschlussstutzen 62 kein Verteilerkorb, sondern ein auswechselbarer Filter 64 als Sicherheits-Schmutzfänger.
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Die Ausführungsbeispiele drei und vier können auch miteinander kombiniert werden, indem sowohl ein Verteilerkorb als auch ein Filter im Anschlussstutzen vorgesehen werden. Ferner können diese Ausführungsbeispiele auch mit den Ausführungsbeispielen eins und zwei kombiniert werden.
