DE10255978A1

DE10255978A1 - Gitterrohrboden für Wärmetauscher

Info

Publication number: DE10255978A1
Application number: DE10255978A
Authority: DE
Inventors: Lothar Winter; Erika Hannemann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-11-26
Filing date: 2002-11-26
Publication date: 2004-06-03

Abstract

Die Erfindung beinhaltet neue verbesserte konstruktive Lösungen für einen das heiße Medium aufnehmenden Gitterrohrboden unter Nutzung des Laser- und/oder Elektronenstrahlschweißens. Diese konstruktiven Lösungen gewährleisten eine bedeutend höhere Qualität in der Ausführung und damit in den technischen Parametern der Wärmetauscher und führen weiter zu einer Senkung der Fertigungskosten.

Description

Wärmetauscher werden für die unterschiedlichsten Medien mit den unterschiedlichsten Kühlmedien hergestellt und betrieben.
Dies betrifft sowohl die Funktion des Wärmetauschers als Kühler für z.B. Spaltgase Chemischer Raffinerien, Heißdampfkühler, Abhitzekesseln, Gas/Gas Kühler usw., aber auch die Funktion des Erwärmens von Medien, wie z.B. beim klassischen Rohrkessel.

Die Firma Borsig fertigt u.a. Reformgasabhitzekessel für Gaseintrittstemperaturen bis zu 1200°C und Dampfdrücke bis zu 140 bar (14000 kPa). Diese Reformgasabhitzekessel für Hochdruckdampf werden von Borsig mit einem versteiften Rohrbodensystem ausgeführt. Dieses Versteifungssystem, dessen Gitterbleche einerseits über Ankerbolzen mit dem Rohrboden und andererseits über einen Gitterring mit dem Mantel fest verbunden sind, überträgt die vom Hochdruckdampf auf den Boden ausgeübten Kräfte in den Mantel. Dadurch wird die Längsdehnung des Mantels annähernd so groß, wie die der Rohre und die Spannungen in der Schweißnaht Rohr zu Rohrboden werden klein und der Rohrboden bleibt bei allen Betriebsbedingungen eben.

Die Temperatur der Schweißnähte im Betrieb ist nahe der Sattdampftemperatur, da sie auf der Wasserseite des Rohrbodens liegen.

Dieses Rohrbodensystem hat technische Vorteile gegenüber anderen Konstruktionen, die sich auf folgende Gesichtspunkte beziehen:

– die Rohre dienen nicht als Zuganker, und die Spannungen in der Schweißnaht Rohr zu Rohrboden sind gering.
– Die Lebensdauer des Materials durch Ermüdung oder Lastwechsel wird vergrößert.
– keine Begrenzung der Rohrlänge.
– das Stopfen von Rohren führt nicht zu erhöhten Spannungen in den Nachbarrohren
– sowohl die horizontale als auch die vertikale Aufstellung des Kessels ist möglich.

Ein mögliches Trockenfahren des Kessels führt nicht zur Zerstörung des Rohrbodens und langwieriger Reparatur.

Gegenstand der Erfindung sind Rohrböden von Wärmetauschern der oben beschriebenen Art, bei denen innen in einem rohrförmigen Außenmantel viele Rohre als Rohrbündel angeordnet sind. Diese Rohrbündel sind innerhalb eines rohrförmigen Außenmantel angeordnet und werden von einem Kühlmedium umspült. Die Rohrbündel enden jeweils im Gitterrohrboden. Die Gitterrohrböden unterscheiden sich in einem das heiße Medium aufnehmenden Gitterrohrboden mit dem Rohrbündel und einem das abgekühlte Medium aufnehmenden Boden mit Rohrbündel. Der Rohrboden für die abgekühlte Medium-Seite kann auch ein sehr dicker Massivboden sein.

Es gibt auch Varianten, wo die Rohre (Rohrbündel) gebogen von der einen Seite des Bodens in die andere Seite des Bodens führen. Ei derartige Boden ist über eine Vorkammer in eine Eintritts- und eine Austrittsseite aufgeteilt.

Der bisherige Gitterrohrboden bestand aus einem Stahlblech entsprechender Dicke in dem die Bohrungen für die Aufnahme der Ankerbolzen vorher eingebracht worden. In weiteren technologischen Schritten wurden die vormontierten Gitterbleche mit den Ankerbolzen eingeschweißt, anschließend werden die Löcher für die Rohre für das zu kühlende Medium gebohrt, die Rohre als Rohrbündel eingebracht und verschweißt. Als Schweißverfahren wurden die allgemein üblichen elektrischen Widerstandsschweißverfahren mit Schweißhilfsstoffen verwendet.

Das Verschweißen der Ankerbolzen im Gitterrohrboden erforderte eine mechanische Nachbearbeitung der äußeren Oberfläche des Gitterrohrbodens, besonders der Schweißnähte der Ankerbolzen.

Die mechanische Bearbeitung des Rohrbodens mit den Löchern für die Rohre zur Durchleitung des zu kühlenden Mediums und die Löcher zur Aufnahme der Ankerbolzen für die Gitter stellen einen hohen technisch-technologischen Aufwand dar, der hohe Kosten in der Fertigung verursacht.

Der hohe Energieeintrag beim elektrischen Widerstandsschweißverfahren mit Schweißhilfsstoffen verursacht Spannungen im Gitterrohrboden, die über verschiedene Wärmebehandlungen ausgeglichen werden müssen.

Mit dem Einsatz des Laser- und/oder Elektronenstrahles im Schweißanlagen .in dieser Leistungsklasse sind neue technisch-technologische Möglichkeiten gegeben, Gitterrohrböden zu entwickeln, die eine höhere Qualität in der technischen Ausführung und damit der Betriebsbedingungen erreichen und zu einer wesentlichen Verringerung der Fertigungskosten führen.

Das Ziel der Erfindung besteht durch neue verbesserte konstruktive Lösungen für einen das heiße Medium aufnehmenden Gitterrohrboden unter Nutzung des Laser- und/oder Elektronenstrahlschweißens bei der Fertigung Gitterrohrböden vorzuschlagen, die eine bedeutend höhere Qualität in der Ausführung und damit in den technischen Parametern der Wärmetauscher besitzen und zu einer Senkung der Fertigungskosten führen.

Die erfinderische Lösung untergliedert sich in verschiedene Stufen des Einsatzes des Laser- und/oder Elektronenstrahlschweißens und der damit verbundenen konstruktiven Lösungen für den Rohrboden und dem Verbinden (Anschweißen) der Gitterbleche an den Rohrboden bzw. die konstruktive Gestaltung des Rohrbodens selbst.

Die erste Stufe beinhaltet die Verlängerung der Ankerbolzen (2), das Plandrehen der über den Rohrboden vorstehenden Teile der Ankerbolzen (4 u. 12) und das Verschweißen mit einer durchgeschweißten Stumpfnaht (12) von der Rohrbodenaußenseite mit einer Laser- und/oder Elektronenstrahlschweißanlage.
Anschließend werden die Rohre ebenfalls mit einer durchgeschweißten Stumpfnaht (12) von der Rohrbodenaußenseite mit einer Laser- und/oder Elektronenstrahlschweißanlage eingeschweißt. Da der Energieeintrag mit einer Laser- und/oder Elektronenstrahlschweißanlage zum Verschweißen geringer ist und ohne Schweißhilfsmittel erfolgt, entstehen durch die Schweißarbeiten am Rohrboden (1) nur geringe thermische Spannungen, die durch ein entsprechendes Schweißregime noch vermieden werden.
In einer weiteren Stufe der konstruktiven Veränderung wird der Rohrboden aus einzelnen Elementen, nämlich die Gitterbleche (3) mit dem Schweißende (10) und den Abstandselementen aus Stahlblech entsprechender Stärke (11) hergestellt. Die Abstandselemente aus Stahlblech entsprechender Stärke (11) bilden an ihren Längsseiten das Gegenstück zu den Schweißenden (10) der Gitterbleche (3). Mit einer durchgeschweißten Stumpfnaht (12) längs der Gitterbleche (3) und den Abstandselementen aus Stahlblech entsprechender Stärke (11) werden beide verschweißt und bilden so den Gitterrohrboden (1 u. 3). Da nur Längsschweißnähte erforderlich sind, vereinfacht sich das Verschweißen der Gitterbleche und sie bilden selbst einen Teil des Gitterrohrbodens.
Die Schweißenden (10) können verschiedene geometrische Formen besitzen. Diese geometrische Formen haben unterschiedliche Vorteile bei der Herstellung besonders der in Anwendung zu bringenden Schweißnähte und den Einsatz des Gitterrohrbodens (1 u. 3) in den Wärmetauschern.
So können die Schweißenden (10) der Gitterbleche (3) und Abstandselemente aus Stahlblech entsprechender Stärke (11) an ihren Längsseiten einen Stufenfalz (16) zur Fixierung von Abstandselement aus Stahlblech entsprechender Stärke (11) aufweisen und so eine exakte Fixierung von Gitterblech (3) und Abstandselemente aus Stahlblech entsprechender Stärke (11) ermöglichen.
So können die Schweißenden (10) der Gitterbleche (3) am unteren Teil des Schweißendens ein Absatz zur Aufnahme der Aufnahmelippe (17) des Abstandselementes aus Stahlblech entsprechender Stärke (11) zur Fixierung aufweisen. Mit dieser Lösung lassen sich sehr zuverlässige Verschweißungen vornehmen.
So können die Schweißenden (10) der Gitterbleche (3) und Abstandselemente aus Stahlblech entsprechender Stärke (11) an ihren Längsseiten schräg angefast (14) ausgebildet sein und werden über diese schräg angefaste Ausbildung (14) fixiert und anschließend mit einer durchgeschweißten Stumpfnaht (12) verschweißt. Diese Lösung gewährleistet eine hohe Stabilität des Gitterrohrbodens (1 u. 3).
So können die Schweißenden (10) der Gitterbleche(3) schwalbenschwanzförmig (15) und Abstandselemente aus Stahlblech entsprechender Stärke an ihren Längsseiten dazu schräg angefast ausgebildet sein. Die Abstandselemente aus Stahlblech entsprechender Stärke (11) werden in die schwalbensschanzförmigen Schweißenden (15) mit Hilfe einer Montagevorrichtung zwischen die Gitterbleche eingeschoben und mit einer durchgeschweißten Stumpfnaht (12) verschweißt. Diese Lösung bietet für den Gitterrohrboden die höchste Stabilität gegenüber den vorher angegebenen Schweißenden, bedingt aber auch einen höheren Aufwand bei der Fertigung.
Eine weitere technisch Lösung für einen Gitterrohrboden für Wärmetauscher besteht in der bisherigen Fertigung des Rohrbodens (1) aus einem stabilen Stahlblech entsprechender Dicke und dem Einfräsen von Längsnuten (18) in den Rohrboden für die Schweißenden (10) der Gitterbleche. Die Schweißenden der Gitterbleche werden in die Längsnuten (18) fixiert und mit Hilfe zweier oder mehrerer Durchschweißnähte (13) mit dem Rohrboden (1) mechanisch fest verbunden.

1: Rohrboden
2: Ankerbolzen
3: Gitterblech
4: Bolzenschweißnaht
5: Behältermantel
6: Montagering/Gitterring
7: Flanschring
8: Längsschweißnähte
9: Gitterblechöffnung
10: Schweißenden
11: Abstandselemente aus Stahlblech
12: Durchgeschweißte Stumpfnaht
13: Durchschweißnaht
14: Schräg angefaste Schweißenden
15: Schwalbenschwanzförmige Schweißenden
16: Stufenfalzförmige Schweißenden
17: Aufnahmelippe
18: Längsnuten
Abb. 1: Seitenansicht Gitterrohrboden ohne Rohre Schnitt B-B aus 9
Abb. 2: Details Rohrboden mit Ankerbolzen bisher
Abb. 3: Details Anspruch 1 und 2
Abb. 4: Details Anspruch 3 und 4
Abb. 5: Details Anspruch 3 und 5
Abb. 6: Details Anspruch 3 und 6
Abb. 7: Details Anspruch 3 und 7
Abb. 8: Details Anspruch 8
Abb 9: Draufsicht Anspruch 3

Claims

Gitterrohrboden für Wärmetauscher und Verfahren zu ihrer Herstellung unter Einsatz des Laser- oder Elektronenstrahlschweißens dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterbleche (3) an den Rohrboden (1) über die Ankerbolzen (2) der Gitterbleche (3) in die im Rohrboden (1) dafür vorgesehenen Öffnungen eingesteckt werden und von der Rohrbodenaußenseite mit Hilfe einer durchgeschweißten Stumpfnaht (12) mit dem (1) mechanisch fest und hermetisch dicht verbunden werden.
Gitterrohrboden für Wärmetauscher und Verfahren zu ihrer Herstellung unter Einsatz des Laser- oder Elektronenstrahlschweißens nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerbolzen (2) der Gitterbleche (3) über den Rohrboden (1) hinausragen, mechanisch spanabhebend mit den Rohrboden plan bearbeitet werden und anschließend mit Hilfe einer durchgeschweißten Stumpfnaht (12) mechanisch fest und hermetisch dicht mit dem Rohrboden (1) ohne Zusatz von Schweißhilfsstoffen verschweißt werden.
Gitterrohrboden für Wärmetauscher und Verfahren zu ihrer Herstellung unter Einsatz des Laser- und Elektronenstrahlschweißens dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrboden (1) aus einzelnen Elementen, nämlich die Gitterbleche (3) mit den Schweißenden (10) und den Abstandselementen aus Stahlblech entsprechender Stärke (11) besteht, und die Abstandselemente aus Stahlblech entsprechender Stärke (11) an ihren Längsseiten das Gegenstück zu den Schweißenden (10) der Gitterbleche (3) besitzen und zusammen mit den Gitterblechen (3) mit Hilfe einer durchgeschweißten Stumpfnaht (12) längs der Gitterbleche (3) und den Abstandselementen aus Stahlblech entsprechender Stärke (11) verschweißt werden und so den Gitterrohrboden bilden.
Gitterrohrboden für Wärmetauscher und Verfahren zu ihrer Herstellung unter Einsatz des Laser- oder Elektronenstrahlschweißens nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißenden (10) der Gitterbleche (3) und Abstandselemente aus Stahlblech entsprechender Stärke (11) an ihren Längsseiten einen Stufenfalz (16) zur Fixierung von Abstandselement aus Stahlblech entsprechender Stärke (11) und dem Gitterblech (3) besitzen.
Gitterrohrboden für Wärmetauscher und Verfahren zu ihrer Herstellung unter Einsatz des Laser- oder Elektronenstrahlschweißens nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißenden (10) der Gitterbleche (3) am unteren Teil der Schweißenden ein Absatz zur Aufnahme der Aufnahmelippe (17) des Abstandselementes aus Stahlblech entsprechender Stärke (11) zur Fixierung aufweisen.
Gitterrohrboden für Wärmetauscher und Verfahren zu ihrer Herstellung unter Einsatz des Laser- oder Elektronenstrahlschweißens nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißenden (10) der Gitterbleche (3) und Abstandselemente aus Stahlblech entsprechender Stärke (11) an ihren Längsseiten schräg angefast ausgebildet sind und über diese schräg angefaste Ausbildung (14) fixiert und anschließend mit einer durchgeschweißte Stumpfnaht (12) verschweißt werden.
Gitterrohrboden für Wärmetauscher und Verfahren zu ihrer Herstellung unter Einsatz des Laser- oder Elektronenstrahlschweißens nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß die (10) der Gitterbleche (3) an ihren Schweißenden schwalbenschwanzförmig (15) und Abstandselemente aus Stahlblech entsprechender Stärke (11) an ihren Längsseiten dazu schräg angefast ausgebildet sind und die Abstandselemente aus Stahlblech entsprechender Stärke (11) in die schwalbensschanzförmigen Schweißenden (15) mit Hilfe einer Montagevorrichtung zwischen die Gitterbleche (3) eingeschoben und mit einer durchgeschweißten Stumpfnaht (12) verschweißt werden.
Gitterrohrboden für Wärmetauscher und Verfahren zu ihrer Herstellung unter Einsatz des Laser- oder Elektronenstrahlschweißens dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißenden (10) der Gitterbleche (3) in Längsnuten (18) des massiven Rohrbodens (1) fixiert und mit Hilfe zweier oder mehrerer Durchschweißnähte (13) mit dem Rohrboden (1) mechanisch fest verbunden werden.
Gitterrohrboden für Wärmetauscher und Verfahren zu ihrer Herstellung unter Einsatz des Laser- oder Elektronenstrahlschweißens nach den Ansprüchen 1–8 dadurch gekennzeichnet, daß diese Schweißverfahren mit anderen Schweißverfahren kombiniert und als Hybridschweißverfahren eingesetzt werden können.