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Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit einem und vorzugsweise mehreren Rohren, die sich ausgehend von einem Rohrboden durch eine Wärmetauschkammer erstrecken. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Wärmetauschers sowie die Verwendung eines derartigen Wärmetauschers.
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Rohrbündelwärmetauscher sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie umfassen mehrere Rohre, die durch eine typischerweise zylindrische Wärmetauschkammer geführt werden. Innerhalb der Rohre wird ein erstes Fluid geführt und diese Rohre werden in der Wärmetauschkammer mit einem zweiten Fluid umspült. Dabei soll ein Wärmetausch stattfinden. An den Enden sind die Rohre typischerweise in Rohrböden eingefasst, die in bekannten derartigen Wärmetauschen meist metallischen Werkstoffen hergestellt werden. Um die Wärmetauscher für einen Einsatz mit korrosiven Medien auszulegen, wurden im Stand der Technik auch bereits nichtmetallische Werkstoffe wie beispielsweise Graphit zur Herstellung der Rohrböden verwendet.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Bauform gattungsgemäßer Wärmetauscher bereitzustellen, die sich für den Einsatz mit korrosiven Medien eignet und hohen mechanischen Ansprüchen genügt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Wärmetauscher mit einem und vorzugsweise mehreren Rohren, die sich ausgehend von einem Rohrboden durch eine Wärmetauschkammer erstrecken, wobei der Rohrboden aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial gefertigt ist. Vorzugsweise handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher um einen Rohrbündelwärmetauscher mit mehreren Rohren.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass sich die Rohre zwischen zwei an gegenüberliegenden Enden der Wärmetauschkammer liegenden Rohrböden durch die Wärmetauschkammer erstrecken, wobei vorzugsweise vorgesehen ist, dass beide Rohrböden aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial gefertigt sind.
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Der oder die Rohrböden sind vorzugsweise plattenförmig ausgebildet. Sie besitzen mindestens die erforderliche Größe für die Aufnahme eines Rohres, können aber auch Ausdehnungen von mehreren Metern haben und mehrere hundert Rohre aufnehmen. Die Dimensionierung der Rohrböden erfolgt in Abhängigkeit der Drücke und Temperaturen, für die der Wärmetauscher ausgelegt ist. Die Rohre haben vorzugsweise einen runden Querschnitt. Die Querschnittsflächen hängen von der Auslegung des Wärmetauschers ab. Typische Rohrdurchmesser reichen von wenigen Millimetern bis hin zu etwa 50 mm.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Wärmetauschkammer rohrförmig ausgebildet ist und zwischen den zwei Rohrböden von einem axial verlaufenden Mantel umschlossen wird. Die Wärmetauschkammer kann im Querschnitt rund oder oval ausgebildet sein. Entsprechend können die Rohrböden als runde oder ovale Platten vorliegen und der Mantel im Querschnitt rund oder oval sein.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass an den von der Wärmetauschkammer abgewandten Außenseiten der Rohrböden Hauben aufgesetzt sind, um dort vor- und rücklaufseitige Verteilerkammern für ein erstes Wärmetauschmedium zu bilden, das durch die Rohre laufen soll.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Mantelfläche ein Einlass und eine Auslass für ein zweites Wärmetauschmedium aufweist. Einlass und Auslass sind vorzugsweise in gegenüberliegenden Endbereichen der Wärmetauschkammer, also nahe der Rohrböden angeordnet, um ein möglichst vollständiges Durchströmen der Wärmetauschkammer und mithin Umspülen der Rohre mit dem zweiten Wärmetauschmedium zu ermöglichen.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Faserverstärkung des faserverstärkten Kunststoffmaterials Kohlenstofffasern umfasst oder daraus besteht und/oder dass die Fasern als Gewebe in der Faserverstärkung des faserverstärkten Kunststoffmaterials vorliegen. Gewebe entstehen durch das Verweben von Endlosfasern, beispielsweise von Rovings. Hierdurch können besonders günstige mechanische Eigenschaften erhalten werden.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Matrixmaterial des faserverstärkten Kunststoffmaterials ein Phenolharz umfasst oder daraus besteht.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der oder die Rohrböden vorzugsweise hülsenförmige Rohraufnahmen zur Aufnahme der Rohrenden umfassen. Beispielsweise können in den Rohrböden Löcher eingearbeitet sein, in oder durch welche die Rohraufnahmen und Rohrenden gesteckt sind.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der oder die Rohrböden aus mehreren Einzelkomponenten gefertigt sind, wobei der oder die Rohrböden vorzugsweise gelochte Basisplatten und Deckplatten umfassen, an denen hülsenförmige Rohraufnahmen gehalten sind.
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Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Rohrboden eine Basisplatte, eine Deckplatte und sandwichartig zwischen diesen Platten eingeschlossene Füllsegmente umfasst. Die Basisplatte und die Deckplatte können gelocht sein. Die Rohraufnahmen können mit Flanschen versehen und die Flansche im Zwischenraum zwischen den Platten eingefasst sein. Der hülsenförmige Teil der Rohraufnahmen kann über die Basisplatte hinaus in den Wärmetauschraum ragen. Die Füllsegmente dienen der Stabilisierung des so konstruierten Rohrbodens.
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In einer Ausführungsform ist der Durchmesser der Deckplatte größer als der Durchmesser der Basisplatte. So können im Rahmen der Herstellung des Wärmetauschers die Rohre in die Rohraufnahmen eingesetzt werden, der so hergestellte Verbund sodann durch den Wärmetauschraum geführt werden und abschließend die Deckplatten aufgesetzt werden.
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Alternativ ist selbstverständlich auch eine Ausgestaltung denkbar, wobei sowohl die Basisplatte als auch die Deckplatte einen Durchmesser aufweisen, der größer als der Innendurchmesser des Mantelrohres ist. Auch ist denkbar, dass U-Rohre in den Rohrboden eingesetzt werden.
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Die Einzelkomponenten der Rohrböden können in Formen vorgefertigt und anschließend untereinander sowie mit den Rohren verbunden werden. Alle Komponenten wie auch das Rohr können aus demselben Material, beispielsweise aus einem mit einem Kohlefasergewebe verstärkten Phenolharzmaterial gefertigt sein. Die Verbindung kann durch Kleben oder Schweißen erfolgen. Bevorzugt ist eine integrale Verbindung.
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In einer Ausführungsform können Rohre und Rohrplatten, alternativ oder zusätzlich zu einer mechanischen Einfassung der Rohrenden in die Rohrplatten, durch eine vorzugsweise integrale Verbindung verbunden sein, die beispielsweise durch Kieben oder Schweißen erhalten werden kann.
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Zum Erhalt einer integralen Verbindung kann beispielsweise ein zu Rohrböden, Rohrbodenkomponenten und/oder Rohren materialgleicher Zement Anwendung finden, beispielsweise ein Phenolharz-Graphit-Zement unter Erhitzen eingesetzt werden. Ein so erhaltener integral gefertigter Verbund aus Rohren und Rohrboden weist keine Schwachstellen auf und ist für hohe Druck- und Temperaturwechselbeanspruchung geeignet, wie sie beispielsweise bei Verdampfungsanwendungen auftreten können.
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Im Rahmen der ebenfalls von der Erfindung umfassten Herstellung eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers kann vorgesehen sein, dass die Rohre und der Rohrboden zusammengefügt und sodann vorzugsweise integral miteinander verbunden werden. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Rohre in die Aufnahmen eingesetzt werden und sodann eine vorzugsweise integrale Verbindung der Rohre und des Rohrbodens sowie gegebenenfalls der Komponenten des Rohrbodens untereinander erfolgt.
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In einer Ausführungsform ist die Basisplatte im Bereich der Rohraufnahmen verstärkt. So kann die Konstruktion einer axialen Krafteinwirkung an den Rohren besser standhalten. Auch kann im Grenzbereich zwischen Rohr und Rohrplatte eine Dichtung eingesetzt sein, beispielsweise zwischen der Innenseite der Basisplatte oder der Innenseite der Deckplatte und dem Rohrflansch. So kann im Falle einer nicht-integralen Verbindung eine verlässliche Abdichtung der Fluidräume gegeneinander erfolgen.
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Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers. Der Wärmetauscher kann dabei beispielsweise zur Erwärmung oder Kühlung korrosiver Fluide oder zum Eindampfen von Flüssigkeiten, insbesondere von korrosiven Flüssigkeiten wie beispielsweise Säuren eingesetzt werden. Der Wärmetauscher kann dabei unter Druck betrieben werden, sodass wenigstens eines der Wärmetauschmedien unter erhöhtem Druck von beispielsweise mehr als 2 bar, mehr als 5 bar, mehr als 10 bar oder mehr als 50 bar in die Rohre bzw. die Wärmetauschkammer gepresst wird. Alternativ kann wenigstens eines der Wärmetauschmedien auch drucklos oder bei Unterdruck in die Rohre bzw. die Wärmetauschkammer geleitet werden.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem anhand der Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiel. In den Figuren zeigen:
- 1: ein Längsschnitt durch einen Rohrbündelwärmetauscher aus dem Stand der Technik; und
- 2: ein Schnitt durch einen Rohrboden eines erfindungsgemäßen Rohrbündelwärmetauschers.
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1 zeigt einen Rohrbündelwärmetauscher 1 aus dem Stand der Technik. Er umfasst als Hauptkomponenten mehrere im Querschnitt kreisrunde Rohre 2, die sich zwischen zwei plattenförmigen und kreisrunden Rohrböden 3 in axialer Richtung durch eine kreiszylinderförmige Wärmetauschkammer 4 erstrecken. Die Wärmetauschkammer 4 wird seitlich von einem im Querschnitt kreisrunden Mantelrohr 5 begrenzt. An den von der Wärmetauschkammer 4 abgewandten Außenseiten der Rohrböden 3 sind Hauben 6 aufgesetzt, um Verteilerkammern 7 für ein erstes Wärmetauschmedium an den Vor- und Rücklaufseiten der Rohre 2 zu bilden. In den randnahen Bereichen des Mantelrohres 5 befinden sich ein Einlass 8 und ein Auslass 9 für ein zweites Wärmetauschmedium. Dieser aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannte Aufbau kann auch bei erfindungsgemäßen Rohrbündelwärmetauschern zum Einsatz kommen.
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Wenigstens einer der Rohrböden 3 kann in einem erfindungsgemäßen Rohrbündelwärmetauscher 1 wie in 2 dargestellt ausgebildet sein.
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Dieser Rohrboden 3 umfasst vier wesentliche Teile, nämlich eine Basisplatte 31, eine Deckplatte 33, sandwichartig zwischen den Platten 31 und 33 eingeschlossene Füllsegmente 32 zur Stabilisierung sowie hülsenförmige Rohraufnahmen 34. Die Basisplatte 31 und die Deckplatte 33 sind jeweils gelocht, wobei die Löcher 31a der Basisplatte 31 und die Löcher 33a der Deckplatte 33 fluchtend angeordnet sind und wobei die die Löcher 31a der Basisplatte 31 einen geringfügig größeren Durchmesser aufweisen als die Löcher 33a der Deckplatte 33. Nämlich entsprechen der Durchmesser der Löcher 31a der Basisplatte 31 dem Außendurchmesser der Rohraufnahmen 34 und der Durchmesser der Löcher 33a der Deckplatte 33 dem Innendurchmesser der Rohraufnahmen 34.
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Die Basisplatte 31, die Zwischensegmente 32, die Deckplatte 33 und die Rohraufnahmen 34 sind jeweils aus einem mit einem Kohlefasergewebe verstärkten Phenolharzmaterial hergestellt. Die Rohre 2 können aus demselben Material gefertigt sein und sind in die aus der Basisplatte 31 ragenden Rohraufnahmen 35 gesteckt.
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Die Rohraufnahmen 34 sind mit Flanschen 35 versehen, die im Zwischenraum zwischen den Platten 31 und 33 eingefasst werden. Die Füllsegmente 32 füllen die nicht von den Flanschen 35 ausgefüllten Bereiche des Zwischenraums zwischen den Platten 31 und 33 aus. Der Flansch 35 ist also zwischen der Basisplatte 31 und der Deckplatte 33 verklemmt.
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Die Komponenten 31-34 der Rohrplatte 3 und die Rohre 2 sind integral miteinander verbunden, wobei diese integrale Verbindung durch Auftragung eines Kohlefaser-Phenolharz-Zements und anschließendes Erhitzen erhalten wird.
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Der Durchmesser der Deckplatte 33 ist größer als der Durchmesser der Basisplatte 31. So können im Rahmen der Herstellung des Rohrbündelwärmetauschers 1 zunächst die Rohre 2 in die an der Basisplatte 31 fixierten Rohraufnahmen 34 eingesetzt werden, dieser Verbund mit den eingesetzten Rohren 2 sodann durch das Mantelrohr 5 geführt werden und abschließend die Deckplatte 33 aufgesetzt werden.
