-
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
-
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 Polytetrafluorethylen, so genannte Fluorkunststoffe, zu ersetzen. Derartige 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.
-
Rohre aus Fluörkunststoffen 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 zwar möglich, einen Schiebesitz im Bereich des unteren Rohrbodens vorzusehen oder den unteren Rohrboden beweglich anzuordnen. Dies ist konstruktiv aufwendiger als ein feststehender Rohrboden. 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.
-
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.
-
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.
-
Im Stand der Technik sind aus verschiedenen Druckschriften (
DE 200 13 591 U1 ,
DE 196 09 641 A1 ,
US 4 154 296 A ) innen berippte Rohre bekannt, wobei die Rippen bzw. Stege unterschiedlich konfiguriert sein können. Oftmals verjüngt sich der Querschnitt der Stege in Richtung des Rohrinneren. Die Rippen können beispielsweise ein spitzes gleichschenkliges Dreieck mit gerade verlaufenden Schenkelseiten bilden, dessen Dreieckspitze mittels eines Radius abgerundet und in die beiden Schenkelseiten übergeht. Auch Querschnittsformen der Innenrippen sind bekannt, bei welchen die Innenrippe die Form eines Zahnrades haben, mit konvex nach außen gewölbten Flächen. Ebenso sind konkav nach innen einfallende Schenkel mit Halbkreisform an der Spitze bekannt. Hinsichtlich der Längenverhältnisse der Rippen in Bezug auf den Wanddurchmesser zählt es zum Stand der Technik, bei sehr schmalen Rippen diese in Bezug auf den Wanddurchmesser sehr kurz zu gestalten. Bei Rippen, deren Dicke im Wesentlichen der Wanddicke des Rohres entspricht, werden diese oftmals sehr lang ausgebildet, d. h. sie ragen sehr weit in das Rohrinnere hinein.
-
Die Rippengestaltung hängt dabei wesentlich von den verwendeten Werkstoffen und nicht zuletzt auch von den Werkstoffkosten ab.
-
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher aufzuzeigen, dessen Rohre aus einem korrosionsbeständigen Kunststoff bestehen, wobei die Rohre einerseits eine hohe Längssteifigkeit besitzen, andererseits aber eine geringe Wandstärke.
-
Diese Aufgabe ist bei einem Wärmetauscher mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
-
Die Unteransprüche betreffen zweckmäßige Weiterbildungen des Erfindungsgedankens.
-
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher umfasst mehrere Rohre aus Kunststoff, insbesondere aus Polytetrafluorethylen, die sich zwischen Öffnungen zweier Rohrböden erstrecken und mit wenigstens einem der Rohrböden verbunden sind. Die Rohre der Wärmetauscher weisen vorzugsweise innenseitig mindestens einen in Längsrichtung des Rohres verlaufenden Steg auf. Dieser Steg dient als zusätzliche Aussteifung und vergrößert 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, aber dadurch einen schlechteren Wärmeübergang ermöglichen und bei welchem zudem mehr Material eingesetzt werden muss.
-
Die Stege dienen primär zur Aussteifung und zur Verbesserung des Wärmeübergangs (Helix). Sie sollen somit nicht besonders weit in den Rohrinnenraum ragen. Daher 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 entspricht die in Umfangsrichtung des Rohres gemessene Breite des wenigstens einen Stegs der Wanddicke des Rohres. Die Querschnittsgestaltung der Stege ist quadratisch oder rechteckig.
-
Die Vorteile der Erfindung kommen insbesondere dann zum Tragen, wenn Rohre, die üblicherweise eine Länge von 2.000 mm bis 10.000 mm besitzen, in sehr großer Anzahl verbaut werden. Teilweise werden mehr als 1.000 derartige Rohre in einem Wärmetauscher verbaut.
-
Zudem ergibt sich durch den wenigstens einen Steg auch eine höhere Radialsteifigkeit. Grundsätzlich ist davon auszugehen, dass bei Wärmetauschern mit PTFE-Rohren der Innendruck geringfügig größer ist als der Außendruck. Üblicherweise sind die Druckunterschiede relativ gering und liegen in einer Größenordnung von 10 mbar bis 30 mbar. Falls sich unter ungünstigen Bedingungen die Druckverhältnisse angleichen oder sogar umkehren, erhöhen zusätzliche Stege an den Innenseiten der Rohre die Steifigkeit der Wandungen.
-
Im Rahmen der Erfindung ist es theoretisch denkbar, die Stege außenseitig verlaufen zu lassen. Als besonders vorteilhaft wird jedoch die innenseitige Anordnung der Stege angesehen. Die Stege verlaufen hierbei in Längsrichtung. 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 hier 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.
-
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.
-
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. 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.
-
Die erfindungsgemäßen Wärmetauscherrohre können sowohl in vertikaler Anordnung als auch in horizontaler Anordnung montiert werden. Auch schräg stehende Anordnungen sind denkbar. Generell wird es als besonders vorteilhaft angesehen, die Rohre hängend zu montieren, wobei in diesem Fall der obere Rohrboden die Rohre trägt, während ein Ausgleich der thermischen Längenänderung im Bereich des unteren Rohrbodens erfolgt. Dieser kann zu diesem Zweck als Folienboden mit entsprechenden Öffnungen ausgebildet sein. Entweder befindet sich die Folie, bei der es sich vorteilhafterweise ebenfalls um eine Folie aus Fluorkunststoff handelt, freitragend im Bereich des Wärmetauschergehäuses, so dass sie sich zusammen mit den Wärmetauscherrohren heben und senken kann oder die Folie ist an einem die Folie tragenden Rohrboden befestigt. Der Rohrboden besteht aus Metall und wird über die Folie abgeschirmt und dadurch vor Korrosion geschützt.
-
Die Rohre werden durch Extrusion des Fluorkunststoffs hergestellt, so dass die Stege einteiliger Bestandteil des Rohres sind.
-
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;
- 4 eine weitere Ausführungsform eines Wärmetauschers mit anderen Wärmetauschern mit einem anders ausgeführten Rohr;
- 5 einen Querschnitt durch das Rohr der 4 und
- 6 das Rohr der 4 in einem vergrößerten Längsschnitt.
-
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.
-
Das Rohr 2 selbst besteht aus einem korrosionsbeständigen Kunststoff, insbesondere Polytetrafluorethylen. 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.
-
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.
-
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.
-
In nicht näher dargestellter Weise können auch die Unterseiten der Rohrböden 3, 4 mit einer Folie bedeckt sein, um sie vor Korrosion zu schützen.
-
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.
-
Die Ausführungsform der 4 bis 6 unterscheidet sich von derjenigen der 1 bis 3 dadurch, dass die dortigen Stege 14, die im Übrigen die gleiche Querschnittsform besitzen wie die Stege 13 bei dem Ausführungsbeispiel der 1 bis 3, helixförmig verlaufen. Das mit dem Bezugszeichen 15 bezeichnete Rohr ist im Übrigen genauso an den Rohrböden 3, 4 befestigt wie bei dem Ausführungsbeispiel der 1. Auf die dortige Beschreibung wird Bezug genommen. Die dort eingeführten Bezugszeichen werden für identische Bauteile bei der Ausführungsform der 4 übernommen.
-
Die wesentlichen Unterschiede zwischen den beiden Ausführungsformen werden am besten anhand der 6 deutlich. Dort ist zu erkennen, dass eine dreigängige Helix vorgesehen ist. Die Helix verläuft wendelförmig bzw. schraubenlinienförmig. Aufgrund der gleichmäßig umfangsseitig versetzten Stege 14 und derselben Steigung aller drei Helices ergibt sich die in 6 erkennbare Innenstruktur des Rohres 15. Die Helices schneiden sich hierbei nicht. Durch die Steigung verlaufen die einzelnen Stege 14 zwar in Längsrichtung des Rohres 15 in dem Sinne, dass sie an einem Ende des Rohres 15 beginnen und am anderen Ende des Rohres 15 aufhören. Sie verlaufen aber zugleich auch parallel zueinander, da alle drei Stege 14 die gleiche Steigung ihrer Helix besitzen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 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 -
- Rohr
- B -
- Breite
- D -
- Wanddicke
- H -
- Höhe
- LA -
- Längsachse
