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Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Aus der
EP 0 393 221 A1 ist es bekannt, bei der Herstellung von Wärmetauschern für korrosive Medien den metallischen Werkstoff, insbesondere der Rohre, durch geeignete Kunststoffe, vorzugsweise Polytetrafluoräthylen, so genannte Fluorkunststoffe, zu ersetzen. Diese Kunststoffe sind kostengünstiger als korrosionsbeständige metallische Werkstoffe. Derartige Wärmetauscher kommen daher auch für Anlagen zum Einsatz, bei denen die im Rauchgas enthaltene Wärme ausgenutzt wird. Gerade bei der Rauchgasabkühlung eignen sich Rohre aus Fluorkunststoffen besonders vorteilhaft, da eine Taupunktunterschreitung möglich ist, ohne dass die Wärmetauscherrohre angegriffen werden.
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Rohre aus Fluorkunststoffen haben jedoch den Nachteil einer sehr hohen Wärmedehnung im Verhältnis zu Metall (Faktor 10 - 16). Daher kann es aufgrund relativ starker Dehnungen zu Spannungen in den Wärmetauscherrohren kommen, die zu Verformungen der Rohre führen können. Die Rohre sind üblicherweise hängend angeordnet, wobei sie am oberen Rohrboden fixiert sind. Es ist möglich einen Schiebesitz im Bereich des unteren Rohrbodens vorzusehen oder den unteren Rohrboden beweglich anzuordnen, was jedoch konstruktiv aufwendiger als ein feststehender Rohrboden ist. Besonders problematisch ist es, wenn die Rohre trotz vorhandener Ausgleichsmöglichkeiten sich nicht bogenförmig krümmen, sondern einknicken. In diesem Fall kommt es zu einer signifikanten Querschnittsreduzierung der Rohre, die sich nachhaltig auf das Strömungsverhalten und damit auch auf den Wärmetauscher auswirkt. Darüber hinaus wird die Reinigung der Rohre beeinträchtigt.
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Die
FR 2 542 438 A1 schlägt in diesem Zusammenhang einen Wärmetauscher mit mehreren sich vertikal erstreckenden Rohren vor, bei welchem ein unterer oder auch ein oberer Rohrboden elastisch angeordnet ist. Der Überdruck in dem Wärmetauscher soll bewirken, dass eine elastische Wand des Wärmetauschers nach außen gedrückt wird und dabei den Rohrboden mitschleppt, sodass die daran befestigten Rohre unter einer Zugspannung stehen. Alternativ ist die Wandung des Wärmetauschers feststehend und über Federelemente mit dem Rohrboden verbunden, so dass dieser auf Zug belastet werden kann. Bei korrosiven Medien müssen geeignete Werkstoffe für die Federn verwendet werden. Zudem befinden sich die Federn im Strömungspfad, was nicht nur die Reinigung erschwert, sondern generell strömungstechnisch von Nachteil ist.
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Theoretisch ist es denkbar, die Wanddicke der Rohre zu erhöhen, um ihre Längssteifigkeit zu verbessern. Allerdings ist dies nur mit erhöhtem Materialeinsatz und damit erhöhten Kosten möglich. Zudem ist Fluorkunststoff kein guter Wärmeleiter, so dass auch der Wärmeübergang zwischen den Medien außerhalb und innerhalb des Rohres beeinträchtigt wird. Das wirkt sich wiederum negativ auf den Wirkungsgrad des Wärmetauschers aus.
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Es wird also angestrebt, möglichst dünnwandige Wärmetauscherrohre aus einem korrosionsbeständigen Werkstoff einzusetzen, die aber dennoch eine hohe Biegesteifigkeit in Längsrichtung besitzen. Es ist in diesem Zusammenhang denkbar, die Anzahl der ohnehin vorgesehenen Abstandhalter zwischen den einzelnen Rohren zu erhöhen. Allerdings führt auch dies wieder zu einem erhöhtem Montage- und Materialaufwand. Ferner behindern zusätzliche Einbauten, d. h. näher beieinander liegende Spacer, die Fluidströme und den Wärmeübergang.
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Zum Stand der Technik ist die
DE 200 13 591 U1 zu nennen, welche ein Wärmeübertragungsrohr mit gedrallten Innenrippen offenbart. Das Rohr kann aus extrudiertem Kunststoff bestehen. Durch die Rippenstruktur wird die Wärmeübertragungsfläche vergrößert.
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In der
DE 299 03 365 U1 wird eine Einrichtung zum Ausgleich der Bewegung zweier druckdicht zu verbindender Rohre beschrieben. Es kommt ein Balg zum Einsatz, der einteilig mit dem Rohr ausgebildet ist. Der Balg kann aus Kunststoff bestehen und mit PTFE beschichtet sein. Prinzipiell sind keine weiteren Anpassungsmaßnahmen an die Rohre, durch die der Kompensator verbunden werden soll, nötig. Verbindungselemente und Balgkörper können integral miteinander ausgebildet sein. Derartige Balge zum Bewegungsausgleich werden auch in der
WO 2009/022113 A1 sowie in der
US 3 527 291 A offenbart, wobei die Balge oder Kompensatoren bei vertikal angeordneten Rohren aus Metall, benachbart dem oberen Rohrende angeordnet sind.
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Eine Rohr-Rohrboden-Verbindung ist Gegenstand der
DE 93 05 497 U1 . Aus dieser Druckschrift ist bekannt, eine Verbindung eines Kunststofffolien-Rohrbodens mit Kunststoff-Rohren ausschließlich mechanisch (formschlüssig) vorzunehmen, sodass diese Verbindung auch in Fällen, in denen Schweißen oder Kleben technisch nicht möglich oder unwirtschaftlich sind, durchgeführt werden kann. Erfindungsgemäß wird die Formbeständigkeit der Rohr-Rohrboden-Verbindung dadurch verbessert, dass zwischen dem Kragen und dem Rohr im Wesentlichen in Höhe einer Umbördelung ein steifer,zylindrischer Stützring angeordnet ist.
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Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher aufzuzeigen, dessen Rohre aus einem korrosionsbeständigen Kunststoff bestehen und mit geringem konstruktiven Aufwand vor einem Einknicken bei thermisch bedingter Längenänderung geschützt sind, ohne dabei den Wärmeübergang zu beeinträchtigen.
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Diese Aufgabe ist bei einem Wärmetauscher mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Die Unteransprüche betreffen zweckmäßige Weiterbildungen des Erfindungsgedankens.
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Der erfindungsgemäße Wärmetauscher umfasst mehrere Rohre aus Kunststoff, insbesondere aus Polytetrafluoräthylen, die sich zwischen Öffnungen zweier Rohrböden erstrecken und mit wenigstens einem der Rohrböden verbunden sind. Die Rohre befinden sich in einem die Rohrböden tragenden Gehäuse.
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Die Rohre des erfindungsgemäßen Wärmetauschers zeichnen sich dadurch aus, dass sie einen Kompensator besitzen. Der Kompensator ist dafür vorgesehen, thermisch bedingte Längenänderungen des Rohres auszugleichen. Hierzu ist er bevorzugt als Wellrohrkompensator ausgebildet. Der Kompensator ist insbesondere angeformt, d. h. aus dem Rohr selbst gebildet.
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Die Rohre sind vertikal im Gehäuse angeordnet. Der Kompensator ist bei einer solchen hängenden Anordnung im unteren Bereich angeordnet, d. h. er befindet sich benachbart zum unteren Rohrboden.
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Theoretisch ist es denkbar, die Rohre mit einer U-förmigen Biegung zu versehen, was aber aus strömungstechnischen Gründen von Nachteil ist. Theoretisch wäre es auch denkbar, Wellrohrkompensatoren als separate Bauteile zu fertigen und über Kupplungen mechanisch mit den Wellrohren zu verbinden. Dies ist aufgrund der relativ eng beieinander liegenden Wellrohre nicht möglich. Allerdings ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, die Wellrohrkompensatoren separat zu fertigen und stoffschlüssig oder klebetechnisch mit den Rohren zu verbinden, so dass die Verbindungsstelle keinen zusätzlichen Bauraum benötigt. Die Rohre können daher mit den Kompensatoren verschweißt sein. Einstückig im Sinne der Erfindung kann auch stoffschlüssig oder klebetechnisch miteinander verbunden bedeuten.
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Auch die Möglichkeit, einen Folienboden vorzusehen, der in Längsrichtung der Rohre verlagerbar ist, um thermische Längenänderungen auszugleichen, besteht nur dort, wo umfangsseitig des Rohrbündels genügend Platz zum Gehäuse zur Verfügung steht, damit der am Gehäuse fest angebundene Folienboden sich hinreichend biegen kann. Dafür ist ein erhöhter Bauraum notwendig. Zudem hat dies den Nachteil, dass die randseitig angeordneten Wärmetauscherrohre einen höheren Längswiderstand erfahren als die im mittleren Bereich eines Rohrbündelpakets angeordneten Rohre. Mit anderen Worten werden die Rohre mit unterschiedlichen Längskräften belastet, wobei für die Standzeit der Rohre die Konfiguration in den Randseiten maßgeblich ist. Durch den Einsatz von Kompensatoren, die unmittelbarer Bestandteil der Rohre sind, wirken auf alle Rohre die gleichen Kräfte, so dass die Standzeit des Wärmetauschers insgesamt erhöht werden kann.
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Der Wellrohrkompensator ist im Sinne der Erfindung einstückiger Bestandteil des Rohres. Er wird insbesondere durch ein Blasformverfahren hergestellt. Hierbei wird das vorgefertigte Rohr in einem entsprechenden Formwerkzeug partiell unter Innendruck aufgeweitet, wobei sich die Rohrwandung an die formgebende Kontur anschmiegt. Der Kompensator kann aber auch separat gefertigt werden und mit dem Rohr verschweißt werden.
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Je nach Konfiguration kann der Kompensator so ausgelegt sein, dass er sich in seinem Außendurchmesser nicht über den Außendurchmesser der angrenzenden Längenabschnitte des Rohres hinaus erstreckt. Dies führt allerdings zu einer partiellen Querschnittsreduzierung.
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Im umgekehrten Fall, bei welchem der Wellrohrbereich ausschließlich nach außen gerichtet ist, kommt es zu keiner Querschnittsreduzierung, sondern eher zu einer partiellen Querschnittserweiterung. Das ist strömungstechnisch günstig. Andererseits kann hierdurch die Montage beeinträchtigt werden. Dem kann allerdings dadurch entgegengewirkt werden, dass der eine an den Kompensator angrenzende Längenabschnitt im Außendurchmesser unverändert bleibt, während der andere an den Kompensator angrenzende Längenabschnitt im Außendurchmesser vergrößert wird, so dass das Rohr zwei Enden mit unterschiedlichen Außendurchmessern aufweist. Dadurch wird sichergestellt, dass das Wärmetauscherrohr in jedem Fall über die größere Öffnung in den Rohrboden eingesetzt werden kann.
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Der untere Rohrboden kann theoretisch feststehend ausgebildet sein. Im Rahmen der Erfindung ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass der untere Rohrboden als in Längsrichtung der Rohre verlagerbarer Folienboden ausgebildet ist. Es ist im Rahmen der Erfindung auch möglich, an einem der Rohrböden einen Schiebesitz auszubilden. Entscheidend ist, dass die Rohre insgesamt von Längskräften entlastet werden und nicht einknicken.
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Die Rohre können zusätzlich mit Aussteifungen versehen sein. Vorzugsweise besitzen die Rohre mehrere in Längsrichtung verlaufende Stege. Die Stege befinden sich insbesondere innenseitig. Die Stege können zur Verbesserung des Wärmeübergangs wendelförmig verlaufen.
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Die Stege dienen als zusätzliche Aussteifung und vergrößern die freie Knicklänge der Rohre. Das hat zur Folge, dass die Rohre, die einer starken thermischen Längenänderung unterliegen, auch unter dem Einfluss von axial wirkenden Druckspannungen bei gutem Wärmeübergang nicht so leicht einknicken wie Rohre, deren Wandstärke insgesamt erhöht worden ist, welche aber aufgrund der höheren Wanddicken einen schlechteren Wärmeübergang aufweisen. Zudem muss bei größeren Wanddicken der Rohre mehr Material eingesetzt werden.
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Die Stege verlaufen in Längsrichtung der Rohre. In Längsrichtung bedeutet, dass das eine Ende des Stegs an einem Ende des Rohres beginnt und am anderen Ende des Rohres aufhört. Der wenigstens eine Steg kann hierbei parallel zur Mittellängsachse des Rohres verlaufen oder während seines Verlaufs auch gekrümmt sein, insbesondere helixförmig verlaufen. Dementsprechend können auch mehrere, insbesondere parallel zueinander verlaufende Stege vorgesehen sein. Bei einer Helixform ergibt sich dabei, dass die Helices mehrgängig sind. Die Stege schneiden sich dabei nicht, solange die Helices dieselbe Steigung besitzen.
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Über die Steigung der Helices kann zudem der Wärmeübergang beeinflusst werden. Die Helixform führt zu einer Verwirbelung des durch das Rohr strömenden Fluids. Das Fluid wird in eine Drehbewegung versetzt. Dadurch verlängert sich der Strömungspfad innerhalb des Rohres und es kommt zu einem intensiveren Wärmeaustausch beim Durchströmen der Wärmetauscherrohre.
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In konstruktiver Hinsicht sollte die Anzahl der Stege mindestens 3 betragen. Die Stege sind vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang des Rohres verteilt angeordnet, so dass sich eine gleichmäßige Aussteifung des Rohres unabhängig von der Einbaulage ergibt. Die Stege dienen primär zur Aussteifung und zur Verbesserung des Wärmeübergangs (Helix). Sie sollen somit nicht besonders weit in den Rohrinnenraum ragen. Vorzugsweise beträgt daher die in Radialrichtung des Rohres gemessene Höhe des wenigstens einen Stegs das 0,5- bis 1,5-fache der Wanddicke des Rohres. Aus fertigungstechnischen Gründen sollte zudem die Materialanhäufung im Bereich der Stege nicht zu groß sein. Daher ist die in Umfangsrichtung des Rohres gemessene Breite des wenigstens einen Stegs etwa in einem Bereich von 0,5 bis 1,5 der Wanddicke des Rohres. Vorzugsweise entspricht die Breite des Stegs der Wanddicke des Rohres.
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Im Rahmen der Erfindung sind auch von einer quadratischen oder rechteckigen Form abweichende Querschnittsgestaltungen der Stege denkbar. Beispielsweise kann der Steg auch trapezförmig sein oder einen dreieckigen Querschnitt besitzen.
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Maßgeblich für die Stegform ist auch die Möglichkeit, die Rohre von innen zu reinigen. Die Reinigung sollte durch die zusätzlichen Stege nicht behindert werden. Üblicherweise werden die Rohre mit Spülwasser gereinigt. Dies geschieht nicht unter Druck, sondern durch Fluten der Rohre, d. h. unter Wasserüberschuss. Das Wasser entfernt Anhaftungen aus den Rohren, die üblicherweise problemlos ausgespült werden können. Die Stege sollten daher in Bezug auf ihre radial nach innen gerichtete Fläche hinterschneidungsfrei sein. Als grundsätzlicher Vorteil ist zu nennen, dass durch weniger oder gänzlich fehlende Einknickungen der Rohre das Reinigungsergebnis generell verbessert werden kann. Daher ist die Anordnung der Stege grundsätzlich auch im Hinblick auf die Reinigung und nicht nur im Hinblick auf den Wärmeaustausch und die höhere Stabilität der Rohre von Vorteil.
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Erfindungsgemäß sind die Rohre hängend montiert, wobei der obere Rohrboden die Rohre trägt, während der Ausgleich der thermischen Längenänderung insbesondere im Bereich des unteren Rohrbodens erfolgt. Hier ist der Kompensator angeordnet. Bei einem als Folienboden ausgebildeten Rohrboden besitzt die Folie entsprechend Öffnungen. Die Folie besteht vorteilhafterweise ebenfalls aus Fluorkunststoff. Sie ist entweder freitragend oder wird von einem die Folie tragenden Rohrboden gestützt.
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Die Rohre werden durch Extrusion des Fluorkunststoffs hergestellt, so dass die Stege einteiliger Bestandteil des Rohres sind.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
- 1 einen Längsschnitt durch einen Teilbereich eines Wärmetauschers mit einem Wärmetauscherrohr;
- 2 einen Querschnitt durch das Rohr der 1 ;
- 3 das Rohr der 1 im Längsschnitt durch den Kompensator;
- 4 eine weitere Ausführungsform eines Kompensators und
- 5 eine weitere Ausführungsform eines Kompensators.
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1 zeigt einen Teilbereich eines Wärmetauschers 1, von dem zur Vereinfachung des Sachverhalts nur ein einzelnes Rohr 2 dargestellt ist, das sich zwischen zwei Rohrböden 3, 4 erstreckt und Öffnungen 5, 6 in dem Rohrboden 3, 4 durchsetzt. Das Rohr 2 ist hängend angeordnet. Der in der Bildebene obere Rohrboden 3 befindet sich somit vertikal über dem unteren Rohrboden 4. Die Öffnungen 5, 6 in den Rohrböden 3, 4 sind fluchtend angeordnet. Das Rohr 2 erstreckt sich dementsprechend gerade zwischen den Rohrböden 3, 4.
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Das Rohr 2 selbst besteht aus einem korrosionsbeständigen Kunststoff, insbesondere Polytetrafluoräthylen. Diese Gruppe der Kunststoffe wird nachfolgend als Fluorkunststoffe bezeichnet. Das Rohr 2 ist an seinem oberen Ende mit einem nach außen ragenden umlaufenden Kragen 7 versehen. Dieser Kragen 7 liegt auf einer Folie 8 auf, die ebenfalls aus Fluorkunststoff besteht. Der Kragen 7 ist umfangsseitig mit der Folie 8 fluiddicht verschweißt.
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Die Folie 8 schützt den Rohrboden 3 aus Metall vor dem Zutritt eines aggressiven Mediums, wie zum Beispiel Rauchgas. Die Folie 8 besitzt ebenfalls einen Kragen 9 in Form einer Ausstülpung. Dieser Kragen 9 liegt außenseitig an dem Rohr 2 dicht an und erstreckt sich durch die Öffnung 5 im Rohrboden 3.
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Am unteren Rohrboden 4 ist die Konfiguration ähnlich. Auch dort ist eine Folie 10 auf der Oberseite des Rohrbodens 4 vorgesehen. Die Folie 10 erstreckt sich mit einem Kragen 11 durch die Öffnung 6 im Rohrboden 4. Der Kragen 11 liegt dicht an der Außenseite des Rohres 2 an. Gleichzeitig wird der Rohrboden 4 durch die Folie 10 vor korrosiven Medien geschützt. Das untere freie Ende des Endes 12 des Rohres 2 ist nach außen umgebördelt. Der Kragen 11 kann daher nicht von dem Ende 12 des Rohres 2 abrutschen.
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In nicht näher dargestellter Weise können auch die Unterseiten der Rohrböden 3, 4 mit einer Folie bedeckt sein, um sie vor Korrosion zu schützen.
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Wesentlicher Bestandteil des Rohres 2 ist der Kompensator 15, der in der Bildebene der 1 oberhalb des Rohrbodens 4 angeordnet ist. Der Kompensator 15 ist als Wellrohrkompensator ausgebildet. Er ist in 3 vergrößert dargestellt. Die Anzahl der Wellungen ist rein beispielhaft gewählt und kann höher oder niedriger ausfallen als es hier dargestellt worden ist. Der Wellrohrkompensator ist dafür vorgesehen, thermisch bedingte Längenänderungen auszugleichen. In diesem Ausführungsbeispiel ist er über eine Schweißnaht 16 mit dem Rohr 2 verschweißt. Anhand der 3 ist zu erkennen, dass der Kompensator 15 einen kleineren Innendurchmesser D3 und einen größeren Außendurchmesser D2 aufweist als die benachbarten Längenabschnitte des Rohres 2. Hier ist beispielhaft nur der Innendurchmesser D1 des oberen benachbarten Längenabschnitts des Rohres dargestellt. Mit anderen Worten erstrecken sich Wellungen teilweise nach außen und teilweise nach innen, so dass sich insgesamt keine signifikante Querschnittsvergrößerung bzw. Reduzierung ergibt. Der Strömungsquerschnitt wird im Bereich des Wellrohrkompensators dadurch im Mittel konstant gehalten, was die Auslegung derartiger Wärmetauscher insgesamt vereinfacht.
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Grundsätzlich wird die Wahl des Kompensatordurchmessers an die jeweiligen projektbezogenen Bedingungen angepasst.
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2 zeigt eine Schnittdarstellung durch das Rohr 2. Es sind drei gleichmäßige über den Umfang verteilt angeordnete, nach innen gerichtete Stege 13 zu erkennen. Diese Stege 13 verlaufen parallel zueinander und koaxial zur Längsachse LA des Rohres 2. Die drei Stege 13 sind um 120 Grad zueinander versetzt angeordnet. Alle drei Stege 13 sind gleich konfiguriert, d. h. besitzen den gleichen Querschnitt. Die Stege 13 sind rechteckig konfiguriert, wobei ihre Breite B der Wanddicke D des Rohres 2 entspricht. Insgesamt stehen die Stege 13 nur geringfügig in den Innenraum des Rohres 2 radial vor.
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4 zeigt eine Variante eines Kompensators 15, bei welchem die Wellungen nach innen gerichtet sind, d. h. nicht nach außen über den Außendurchmesser des Rohres 2 vorstehen.
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5 zeigt eine Variante eines Kompensators 15, bei welchem der unten angrenzende Längenabschnitt des Rohres einen Außendurchmesser D4 aufweist, der genauso groß ist wie der Außendurchmesser D2 des Kompensators 15. Dadurch kann der Kompensator 15 einfacher montiert werden, weil durch den größeren Rohrdurchmesser auch die Öffnung im Rohrboden entsprechend groß ausgeführt sein muss.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- - Wärmetauscher
- 2 -
- Rohr
- 3 -
- Rohrboden
- 4 -
- Rohrboden
- 5 -
- Öffnung
- 6 -
- Öffnung
- 7 -
- Kragen
- 8 -
- Folie
- 9 -
- Kragen
- 10 -
- Folie
- 11 -
- Kragen
- 12 -
- Ende
- 13 -
- Steg
- 14 -
- Steg
- 15 -
- Kompensator
- 16 -
- Schweißnaht
- B -
- Breite
- D -
- Wanddicke
- D1 -
- Innendurchmesser
- D2 -
- Außendurchmesser
- D3 -
- Innendurchmesser
- D4 -
- Außendurchmesser
- H -
- Höhe
- LA -
- Längsachse
