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Wärmetauscher mit einem durch das Mantelrohr schiebbaren Rohrboden
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit in einem Mantelrohr verlegten, an
ihren Enden in wenigstens einem Rohrboden sitzenden Innenrohren und einer Abdichtung
zwischen dem Rohrboden und dem Mantelrohr, bestehend aus einem in einer radialen
Ausnehmung des Rohrbodens liegenden, in einem inneren Ringraum eines Rohrbodenanschlußstückes
liegenden Sperring sowie einer zwischen eine radiale Stimfläche des Rohrbodens und
eine radiale Dichtfläche eines Anschlußstückes eingesetzten Ringdichtung und mit
einer Verspannung durch Schraubenbolzen.
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Bei derartigen Wärinetauschern fließen zwei unterschiedliche Medien,
nämlich eines der Medien durch den Raum zwischen dem Mantelrohr und den Innenrohren
und das zweite Medium durch die Innenrohre. Dabei muß dafür gesorgt werden, daß
die Medien sich untereinander nicht mischen können und daß eine hinreichende Abdichtung
der beiden Medien nach außen erzielt wird.
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Bei dem eingangs als bekannt vorausgesetzten Wärmetauscher (britische
Patentschrift 663 011) wird diese Abdichtung im einzelnen so vorgenommen,
daß als Anschlußstück an der Anschlußleitung ein Flansch aufgeschweißt ist, der
mit einem als Rohrbodenanschlußstück dienenden Flansch des Mantelrohres über zahlreiche
Schrauben verspannt wird. Dabei nimmt der Sperring den Rohrboden mit und preßt ihn
auf eine entsprechende Gegenfläche am Anschlußstückflansch. Die Abdichtung des in
den Innenrohren strömenden Mediums erfolgt also allein durch Flächenpressung zwischen
Rohrboden und Aiischlußstückflansch, was den Nachteil hat, daß unverhältnismäßig
hohe Flächendrücke erforderlich werden, um die nötige Pressung herbeizuführen. Die
Abdichtung des Innenraumes des Mantelrohres nach außen erfolgt über einen eigenen
Andrückflansch und einen zwischen diesem Flansch und dem Flansch des Mantelrohres
eingelegten Dichtungsring mit von der Kreisforin abweichender Querschnittsforin.
Diese Ringdichtung muß an die ihr entsprechenden Gegenflächen angepreßt werden,
was wiederum zahlreiche Schrauben erfordert, um die nötige Pressung herbeizuführen.
Insgesamt gesehen ist dieser Wärmeaustauscher hinsichtlich seiner Abdichtung außerordentlieh
aufwendio, Es sind ferner Wärmetauscher bekannt (britische Patentschrift
553 589), bei denen zwischen dem Rohrboden und einem geflanschten Deckel
eine im Querschnitt keilförmige Dichtung eingepreßt wird. Diese keilförinige Dichtung
wird zwischen dem Außenumfang eines Rohrbodenkragens, einem Flansch des Mantelrohres
und dem Deckelflansch zusammengedrückt. Bei einer solchen Dichtung besteht die Gefahr,
daß beim Undichtwerden der Dichtung die beiden Medien ineinanderfließen.
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Grundsätzlich ist es nicht neu, an einem Wärmetauscher mit den meisten
eingangs angegebenen Merkmalen die abdichtenden Flächen neben einer wiederum im
Querschnitt ini wesentlichen dreieckigen Dichtung unmittelbar aufeinander abzustützen
(deutsche Patentschrift 455 062). Das erfolgt jedoch bei den bekannten Wärmetauschern
derart, daß der Dichtungsring vorher axial zusammengepreßt und dadurch radial nach
außen getrieben wird, um die Abdichtung herzustellen. Hierzu sind erhebliche Drücke
notwendig, um die erforderliche Pressung an den Dichtungsflächen herbeizuführen.
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Stand der Technik ist es schließlich, eine Dichtung ohne Pressung
anzuordnen und den Druck des Mediums auf die Dichtung zu benutzen, um die Dichtung
mit der erforderlichen Kraft auf die mit ihr zusammenwirkenden Flächen zu pressen
(deutsche Patentschrift 121548). Dazu müssen jedoch besonders geformte Dichtungen
von allgemein lippenförmigem
Querschnitt benutzt werden, die für
die neuerdings erforderlichen hohen Drücke der Medien in den modernen Wärmetauschern
nur schwer verwendbar gemacht werden können.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die Nachteile der vorbekannten
Wärmetauscher hinsichtlich ihrer Abdichtungsschwierigkeiten und des für die Abdichtung
nötigen Aufwands zu beseitigen und bei zuverlässiger gegenseitiger Abdichtung der
beiden Medien den Druck, -mit dem die abdichtenden Flächen aufeinandergepreßt werden,
stark zu vermindern.
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Das erreicht die Erfindung gemäß ihrem Grundgedanken dadurch, daß
das Anschlußstück sich mit einer radialen Stimfläche unmittelbar auf eine radiale
Fläche des Rohrbodens abstützt, an die sich eine Geggenlagerfläche in radialer Richtung
für die Ringdichtung, die in -einer radialen Kehle an der Stirnfläche des Anschlußstückes
liegt, anschließt und zwischen dem Rohrbodenanschlußstück und dem Rohrboden ein
innerer, vom Sperring und einer radialen Ringfläche des Anschlußstückes begrenzter
Ringraum gebildet ist, in der ein Dichtring liegt.
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Es werden also in bekannter Weise zwei Dichtungsringe verwendet, von
denen der eine die Ab-
dichtung des im Mantelraum strömenden Medlums nach
außen übernimmt und der an der Stimfläche des Rohrbodens angeordnete zweite Dichtungsring
das in den Innenrohren strömende Medium nach außen abschließt. Hierdurch bleibt
der Vorteil gewahrt, daß - wie bei dem eingangs genannten bekannten Wärmetauscher
- unter allen Umständen eine Durchmischung der beiden Medien vermieden wird.
Dies wird jedoch mit wesentlich kleinerem Aufwand erreicht als bei dem bekannten
Wärmetauscher, bei dem hierfür z. B. ein eigener Andrückflansch mit einem zusätzlichen
Satz Andrückschrauben benötigt wird.
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Als Rin-dichtungen lassen sich in Ausgestaltung der Erfindung einfache
O-Ringe aus nachgiebig verformbarem Werkstoff verwenden, deren Verfor-,enutzt wird,
weshalb auch auf mungsfähigkeit ausg den aufeinanderliegenden Flächen des Wärmetauschers
keine übermäßigen Dichtdrücke erzielt zu werden brauchen. Folglich können auch verhältnismäßi
große Verarbeitungstoleranzen an diesen Flä-9 t3 eben zugelassen werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erlmdung wird vorgesehen, daß das Anschlußstück
eine sich konisch in Richtung des Rohrbodens erweiternde Innenbohrang aufweist.
Auf diese Weise erhält man einen strömungstechnisch günstigen übergang von dem kleinen
Querschnitt der Ansel-Jußleitung auf die große Fläche des Rohrbodens.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 eine Seitenansicht mit teilweise weggebrochenen
Teilen eines Wärmeaustauschers mit mehreren haarnadelförmigen Innenrohren, F i
g. 2 eine Vorderansicht des Wärmetauschers nach F i g. 1 mit Blickrichtung
gemäß den Pfeilen an der Linie 2-2 der F i g. 1,
F i g. 3 eine Rückansicht
iin wesentlichen längs der Linie 3-3 der F i g. 1, mit einem abgebrochen
gezeichneten Teil, F i g. 4 einen vergrößerten Axialschnitt zur Wiedergabe
der Abdichtung zwischen einem Rohrboden und dem Mantelrohr und F i g. 5 eine
auseinandergezogene -Ansicht im Vera kleinerten Maßstab der die Anordnung nach F
i g. 4 bildenden Teile.
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Gemäß den F i g. 1, 2 und 3 weist der dargestellte Wärmetauscher
zwei Mantelrohre 10 und 11 auf, die übereinander mit ini wesentlichen
parallelen Achsen angeordnet sind. Diese Rohre sind an einem Ende mit Hilfe eines
Rücklaufgehäuses 12 verbunden, nämlich in Öffnungen in der Vorderseite dieses Gehäuses
eingeschweißt. Das Rücklaufgehäuse 12 ist an der Rückseite mit einem Deckel 14 verschlossen,
der mit Schrauben 15 und Muttern 16 am Flansch 17 dieses Gehäuses
befestigt ist.
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Die Mantelrohre 10 und 11 tragen Rahmenteile
18. Das durch die Mantelrohre 10 und 11 strömende Medium wird
durch die seitlich angesetzten Stutzen 23 und 24 in Pfeilrichtung zu- bzw.
abgeführt.
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Ein weiteres Medium strömt durch Innenrohre 25.
Jedes dieser
Rohre 25 besteht aus zwei geraden Teilen, die vorzugsweise mit in Längsrichtung
verlaufenden Rippen 26 auf der Außenoberfläche versehen sind. Ein Medium
wird den Innenrohren 25 durch Anschlußleitungen 28 und 29 zugeführt.
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Die Anschlüsse an den Enden der Mantelrohre 10 und
11 sind identisch, so daß nur der Anschluß am vorderen Ende des oberen Mantelrohres
10 beschrieben wird.
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Dieser Anschluß besteht aus einem außen kreisförmigen Rohrboden
31, der Öffnungen 32 aufweist, in denen die Innenrohre 25 vorzugsweise
durch Schweißung lecksicher angebracht sind. Der Rohrboden 31 besitzt eine
äußere Ringrille 33 mit einer nach innen zeigenden Schulter 34. Im axialen
Ab-
stand von der Schulter 34 erstreckt sich am Rohrboden eine axial verlaufende
Umfangsabdichtfläche 35 und eine radial verlaufende Gegenlagerfläche
36.
Diese beiden Flächen sind voneinander durch eine radiale Fläche
37 getrennt.
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Ein Rohrbodenanschlußstück 19 oder 20, das einen Teil des Mantelrohres
darstellt und beispielsweise durch Verschweißung am vorderen Ende des Mantelrohres
10 befestigt ist, besitzt eine kreisförmige öffnung 42. Das Rohrbodenanschlußstück
19
besitzt ferner eine Ge-enbohrung 43 kreisförmigen Querschnittes, welche
in einer nach außen weisenden zweiten Schulter 44 endet, die in Achsrichtung gesehen
innerhalb der Schulter 34 des Rohrbodens 31
angeordnet ist. Am äußeren Ende
der Innenoberfläche des Anschlußstückes 19 ist eine sich in Achsrichtung
erstreckende Abdichtfläche 45 vorgesehen. Diese Abdichtfläche 45 ist im Abstand
von der axial sich erstreckenden Umfangsabdichtfläche 35 des Rohrbodens
31 dieser gegenüberliegend angeordnet. Das Rohrbodenanschlußstück
19 ist ferner mit einer Abschlußlagerfläche 46 und mit Öffnungen versehen,
in dieAnschlußsehraubenbolzen47ein,-eschraubtsind.
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Ein Sperring 48 sitzt in dem Ringraum 33 auf der Außenseite
des Rohrbodens 31 zwischen der nach innen zeigenden Schulter 34 und der nach
außen zeigenden zweiten Schulter 44 in der Gegenbohrung 43. Solange der Sperring
an seinem Platz sitzt, wird der Rohrboden 31 gegen eine nach innen gerichtete
Bewegung gesichert. Wird jedoch der Vorderteil des Wärmetauschers geöffnet, dann
kann der Sperring 48 leicht dadurch frei gemacht werden, daß man die Rohre
25 und den Rohrboden 31 nach außen oder in Richtung der Vorderseite
des Wärmetauschers so weit zieht, daß der Sperring über das vordere oder
äußere
Ende eines Rohtbodenanschlußstückes 19, 20 gelangt. In dieser Stellung kann
er dann leicht entfernt werden. Es ist ferner darauf hinzuweisen, daß der maximale
Außendurchmesser des Rohrbodens 31 kleiner als der Innendurchmesser sowohl
des Rohrbodenanschlußstückes 19, 20 als auch des Mantelrohres 10 ist.
Infolgedessen können nach dem öffnen des Vorderteiles des Wärmetauschers und nach
der oben beschriebenen Entfernung des Sperrringes 48 sowie nach der Entfernung des
Deckels 14 des Rücklaufgehäuses 12 die Innenrohre 25 zusammen mit den Rohrböden
31, die an ihnen befestigt sind, nach rückwärts aus den Mantelrohren
10 und 11 herausgezogen werden.
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Ein Anschlußstück 21 ist an den äußeren Enden des Rohrbodenanschlußstückes
19 und des Rohrbodens 31 angeordnet und weist eine Innenbohrung
52 auf, die sich in Richtung auf den Rohrboden erweitert. Das Anschlußstück
ist bei 53 mit der AnscWußleitung 28 verschweißt.
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Das innere Ende des Anschlußstückes 21 besitzt radiale Stirnflächen
54, 55, zwischen denen eine radiale Ring .,fläche 56 liegt.
Außerdem ist eine radiale Kehle 57, 58 vorgesehen. Sind die beschriebenen
Teile, wie aus F i g. 4 ersichtlich, zusammengebaut, so greift eine radiale
Stirnfläche 54 auf die radiale Fläche 37 am Rohrboden 31, und die
Gegenlagerfläche 36 bildet mit der Kehle 57, 58 einen Rinraum
59, in dem eine Ringdichtuno, 60 liegt. Diese Dichtung ist ein üblicher
O-Ring aus elastisch deformierbarem Werkstoff.
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Zur Abdichtung gegen einen Austritt des Mediums innerhalb des Mantelrohres
10 und auf dem Äußeren der Haarnadelrohre wirken die radiale Ringfläche
56 und die axial verlaufenden Abdichtflächen 35 und 45 zusammen,
so daß ein sich über den Umfang erstreckender Ringraum 61 entsteht, dessen
offenes Ende in Achsrichtung nach innen verläuft und mit dem Inneren des Mantelrohres
10 in Verbindung steht. In diesem Ringraum ist ein Dichtring 62
untergebracht.
Dieser Ring ist ein üblicher O-Ring aus elastisch deformierbarem Werkstoff.
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Die durch öffnungen 65 im Flansch 64 des Anschlußstückes greifenden
Schraubenbolzen 47 pressen im Idealfall die Stirnflächen 54 und 55 mit gleichem
Druck gegen die radialen Flächen 37 und 46. Das ist aber nur sehr schwierig
im Hinblick auf die erforderlichen Herstellungstoleranzen zu erreichen. Aus diesem
Grund sind die Teile so bemessen, daß der größte Teil des vom Anschlußstück 21 ausgeübten
Druckes durch seine Stimfläche 54 gegen die radiale Fläche 37 aufgebracht
wird, weil der Druck innerhalb der Haarnadelrohre gewöhnlich wesentlich größer als
der Druck auf die Mantelrohre des Wärmetauschers ist.
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Im Betrieb ist die Ringdichtung 60 in der Kehle 58, 59
dem durch die Innenrohre 25 strömenden Medium und damit auch dem Druck dieses
Mediums ausgesetzt. Dieser Druck kann bis zu 10 kg/cm2 und weit darüber betragen.
Er deformiert den Ring und sorgt dafür, daß er gegen die sich in radialer Richtung
erstreckenden abdichtenden Flächen 36 und 58
des Rohrbodens
31 und des Anschlußstückes 21 und gegen die in Achsrichtung verlaufende Abdichtfläche
57 gedrückt wird. Die Abdichtfläche 57 wirkt als Anschlagfläche und
schränkt die radiale Beweglichkeit der Ringdichtung 60 in der Kehle ein,
so daß sich der Ring in axialer Richtung deformiert und gegen die abdichtenden Flächen
36 und 58 abdichtet. Je größer der Druck des Mediums in den Innenrohren
25 ist, desto größer ist der durch die Ringdichtung ausgeübte Dichtdruck.
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Der Dichtring 62 im Ringraum 61 ist dem innerhalb des
Mantelrohres 10 herrschenden Druck des Mediums ausgesetzt. Dieser Druck ist
wesentlich höher als der atmosphärische Druck, jedoch gewöhnlich kleiner als der
Druck des Mediums in den Innenrohren. Der Dichtrina, 62 defonniert sich unter
dem Druck des Mediums und wird mit den axial verlaufenden Abdichtflächen
35 und 45 und der radial verlaufenden Ringfläche 56 in Eingriff gedrückt.
Die Ringfläche 56 wirkt außerdem als Anschlagfläche, indem sie die axiale
Bewegungsmöglichkeit des Dichtringes 62 beschränkt, so daß sich der Rina,
in radialer Richtung deformiert und gegen die Abdichtflächen 35 und 45 abdichtet.
Auch in diesem Fall gilt, daß, je höher der Druck des Mediums im Mantelrohr
ist, um so höhere Abdichtdrucke des Dichtringes 62 auf den Abdichtflächen
35
und 45 entstehen.
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Sollte an der Ringdichtung 60 ein Leck auftreten, dann würde
die ausleckende Flüssigkeit od. dgl. zum Äußeren des Wärinetauschers über die Verbindung
zwischen Rohrbodenanschlußstück 19 und dem Anschlußstück 21 gelangen, da
der Dichtring 62 einen Zugang zum Inneren des Mantelrohres verhindert. Wenn
andererseits das Leck am Dichtring 62 auftreten würde, dann würde die Leckflüssigkeit
ebenfalls zum Äußeren des Austauschers über die Verbindung zwischen Rohrbodenanschlußstück
19 und Anschlußstück 21 wandern, da die Ringdichtung 60
einen Zugang
zu der Innenbohrung 52 des Anschlußstäckes 21 verhindern würde. In dem ungewöhnlichen
Fall, daß ein Leckwerden hinter beiden Dichtungen 60 und 62 auftritt,
könnten sich die Medien ebenfalls nicht ün Austauscher mischen, da beide Medien
sich auf einem Druck oberhalb Atmosphärendruck befinden und das Leck ein Ausströmen
auf den Atmosphärendruck zur Folge hätte.