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Die
Erfindung betrifft einen Rohrbündel-Wärmetauscher,
der vollständig
oder im Wesentlichen vollständig
aus miteinander verschweißten
Teilen aus demselben Kunststoff besteht, gemäß dem Oberbegriff des Schutzanspruches
1.
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Bei
herkömmlichen
Rohrbündel-Wärmetauschern
aus Kunststoff werden bei der Einleitung des Kühl- oder Heizmediums keine
Prallplatten oder andere Umlenkvorrichtungen verwendet. Wenn das erste
Fluid, welches normalerweise als flüssiges und/oder gasförmiges Kühl- oder
Heizmedium für das
zweite Fluid dient, welches ein zu kühlendes oder zu heizendes flüssiges und/oder
gasförmiges Medium
ist, aus dem einen Anschlussstutzen in den ersten Fluidraum eintritt,
trifft es direkt auf einen Teil der Innenrohre oder -schläuche, welche
durch das einströmende
Fluid mechanisch stark beansprucht werden und dadurch schnell verschleißen.
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Die
Anmelderin der vorliegenden Erfindung produziert und vertreibt Rohrbündel-Wärmetauscher, bei denen die
mechanische Belastung der Innenrohre bzw. -schläuche reduziert und die Lebensdauer
erhöht
wird, indem das erste Fluid nicht direkt auf die Innenrohre oder
-schläuche
geleitet wird, sondern durch einen Seitenanschlussring seitlich
um das Mantelrohr geführt
und dort nach und nach eingeleitet wird. Wie in 4 gezeigt,
hat ein derartiger auf ein Mantelrohr 2 geschweißter Seitenanschlussring 4 an
seinem Umfang einen U-förmigen
Querschnitt, der sich radial nach innen zum Mantelrohr 2 öffnet, wodurch
ein ringförmiger
Kanal 6 rings um das Mantelrohr 2 entsteht. Im
Bereich eines Teils dieses Ka nals 6 hat das Mantelrohr 2 etliche
kleine Löcher 8, auf
die sich der Fluidstrom in den ersten Fluidraum im Mantelrohr 2 verteilt.
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Diese
Bauart löst
zwar das Problem der mechanischen Beanspruchung der Innenrohre oder -schlauche
und der damit eingehenden Lebensdauerverminderung; dies jedoch auf
Kosten einer mechanischen Schwächung
des Mantelrohres 2 im Bereich der Löcher 8. Außerdem kann
der Seitenanschlussring 4 aufgrund der Position der nötigen Schweißnaht nicht
mittels eines besonders zuverlässigen
berührungslosen
Infrarot-Schweißverfahrens mit
dem Mantelrohr 2 verbunden werden, welches das für die Herstellung
von Rohrbündel-Wärmetauschern
bevorzugte Schweißverfahren
ist, sondern es muss ein Warmgas-Ziehschweißverfahren benutzt werden,
welches wesentlich weniger zuverlässig ist, so dass unter anderem
die Abdichtung des Kanals 6 an der Schweißverbindung
zwischen dem Mantelrohr 2 und der Seitenanschlussring 4 nicht
zuverlässig
gewährleistet
ist. Insgesamt wird die Druckfestigkeit des Wärmetauschers gegenüber Wärmetauschern ohne
Seitenanschlussring deutlich reduziert. Ferner wird seine Zuverlässigkeit
tendenziell beeinträchtigt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rohrbündel-Wärmetauscher
bereitzustellen, der sowohl eine hohe Druckfestigkeit und Zuverlässigkeit als
auch eine große
Lebensdauer besitzt.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Rohrbündel-Wärmetauscher
gemäß dem Oberbegriff
des Schutzspruches 1 durch die kennzeichnenden Merkmale des SchutzAnspruches
1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Indem
man das Mantelrohr nicht aus einem einzigen Rohrstück herstellt,
sondern einen Mittelabschnitt und zwei Endabschnitte separat herstellt
und erst danach miteinander verschweißt, gewinnt man gegenüber einem
einfach vom Rohrprofil abgeschnittenen einzigen Rohrstück erhebliche
Gestaltungsfreiheit für
die Endabschnitte. So kann man die Endabschnitte zumindest teilweise
mit einem größeren Außendurchmesser
und/oder einer größeren Wandstärke als
der Mittelabschnitt des Mantelrohres herstellen. Dadurch gewinnt
man Raum zum Formen oder Einbauen von Fluidleitstrukturen, welche
durch den Anschlussstutzen eingeleitetes bzw. ausströmendes Fluid
zumindest teilweise über
den Umfang des Endabschnitts verteilen bzw. davon ausgehend sammeln,
so dass die mechanische Belastung der Innenrohre oder -schlauche
in diesem Bereich reduziert und die Lebensdauer erhöht wird.
Der größere Außendurchmesser
bzw. die größere Wandstärke ermöglichen
es auch, derartige Fluidleitstrukturen ohne Stabilitätseinbußen bereitzustellen.
Weiterhin können
die Endabschnitte mittels des zuverlässigen berührungslosen Infrarot-Schweißverfahrens
mit dem Mantelrohr verschweißt
werden. Daher können
alle Anforderungen an Druckfestigkeit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer erfüllt werden.
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Geeignete
Fluidleitstrukturen können
einfach in Querschnittsaufweitungen der Ein- und Ausströmöffnungen im Bereich der an
die Lochböden
angrenzenden Enden des ersten Fluidraums bestehen. Alternativ oder
zusätzlich
können
verschiedenartige Fluidumlenkstrukturen vorgesehen werden, in einer Ausführungsform
in Form einer Prallplatte, die zumindest einen Teil des inneren
Querschnitts des entsprechenden Anschlussstutzens verdeckt. Eine
derartige Prallplatte kann aus einer länglichen rechteckigen Kunststoffplatte
bestehen, die entlang ihrer Länge
zu einem Teilkreis mit einem kleineren Radius als der Radius des
Endabschnitts gebogen ist. Diese Prallplatte kann einfach dadurch
am Endabschnitt befestigt werden, dass entlang ihrer Längskanten Vorsprünge angeformt
sind, die in gebogene Haltenuten eingreifen, die im Bereich des
Anschlussstutzens im Endabschnitt geformt sind.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es
zeigen:
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1a eine
Perspektivansicht eines Rohrbündel-Wärmetauschers
mit einem aus einem Mittelabschnitt und zwei Endabschnitten zusammengesetztem
Mantelrohr in einem ersten Ausführungsbeispiel;
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1b eine
Längsschnittansicht
eines Endes des in 1a gezeigten Wärmetauschers
entlang der Linie A-A in 1c;
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1c eine
Draufsicht auf den in 1a gezeigten Wärmetauscher
von seiner Achse her;
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1d eine
Draufsicht auf das in 1b gezeigte Ende des Wärmetauschers
von dessen Anschlussstutzen her;
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1e eine
Querschnittsansicht des in 1a gezeigten
Wärmetauschers
entlang der Linie B-B in 1d;
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2a eine
gegenüber
den 1a bis 1e vergrößerte Perspektivansicht
eines der im Wesentlichen zylindrischen Endabschnitte des in 1a bis 1e gezeigten
Rohrbündel-Wärmetauschers;
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2b eine
Querschnittsansicht des in 2a gezeigten
Endabschnitts des Wärmetauschers
entlang B-B in 2c;
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2c eine
axiale Draufsicht auf den in 2a gezeigten
Endabschnitt des Wärmetauschers;
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2d eine
Querschnittsansicht des in 2a gezeigten
Endabschnitts des Wärmetauschers
entlang A-A in 2c;
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3a eine
axiale Draufsicht auf einen Endabschnitt eines Rohrbündel-Wärmetauschers in einem zweiten
Ausführungsbeispiel;
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3b eine
Längsschnittansicht
des in 3a gezeigten Endabschnitts des
Wärmetauschers
entlang A-A in 3a;
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4 eine
Längsschnittansicht
eines Endes eines konventionellen Rohrbündel-Wärmetauschers mit Seitenanschlussring
und gelochtem Mantelrohr;
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5a eine
axiale Draufsicht auf einen Endabschnitt eines Rohrbündel-Wärmetauschers in einem dritten
Ausführungsbeispiel;
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5b eine
Längsschnittansicht
des in 5a gezeigten Endabschnitts des
Wärmetauschers
entlang A-A in 5a;
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6a eine
axiale Draufsicht auf einen Endabschnitt eines Rohrbündel-Wärmetauschers in einem vierten
Ausführungsbeispiel;
und
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6b eine
Längsschnittansicht
des in 6a gezeigten Endabschnitts des
Rohrbündel-Wärmetauschers
entlang A-A in 6a.
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Der
in den 1a bis 1e gezeigte
Rohrbündel-Wärmetauscher
besteht vollständig
aus einem Kunststoff wie z. B. PFA, ECTFE, PVDF, PP oder PE. Der
hier gezeigte Wärmetauscher
hat eine Länge
von ca. drei Metern, kann aber auch andere Abmessungen aufweisen.
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Ein
Mantelrohr des Wärmetauschers
besteht aus einem längeren
zylindrischen Mittelabschnitt 10 und zwei kürzeren zylindrischen
Endabschnitten 12, die axial fluchtend an den Mittelabschnitt 10 angeschweißt sind.
Am Umfang eines jeden Endabschnitts 12 ist ein senkrecht
davon abstehender Anschlussstutzen 14 eingeschweißt oder
angeformt. An die äußeren Ränder der
Endabschnitte 12 sind Endkappen 16 geschweißt, worin
jeweils ein axial fluchtender Anschlussstutzen 18 eingeschweißt oder angeformt
ist, wobei so ein Anschlussstutzen alternativ auch seitlich abgehen
kann. Alle vorstehend genannten Schweißverbindungen sind fluiddicht
ausgeführt.
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Im
axial äußeren Ende
eines jeden Endabschnitts 12 ist ein Lochboden 22 eingeschweißt, welcher
die Form einer Scheibe hat, die sich senkrecht zur Achse des Mantelrohres
erstreckt und den ganzen Querschnitt des Endabschnitts 12 einnimmt. Der
Lochboden 22 enthält
eine große
Anzahl von kleinen Löchern,
die in kleinen Abständen
voneinander parallel zueinander und zur Achse des Mantelrohres verlaufen.
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Eine
Haltestange 24 erstreckt sich entlang der Achse des Mantelrohres
von einem Lochboden 22 zum anderen. Die Haltestange 24 trägt eine
Anzahl von Fluidumlenkplatten 26, die über die Länge des Mittelabschnitts 10 des
Mantelrohres verteilt sind und jeweils eine dem Lochboden 22 entsprechende Form,
Orientierung und Lochung haben, jedoch weniger dick sind und nicht
den ganzen Querschnitt des Endabschnitts 12 einnehmen,
sondern abwechselnd entgegengesetzt orientierte Aussparungen haben.
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Durch
die Löcher
der Lochböden 22 und
der Fluidumlenkplatten 26 verlaufen eine entsprechende Anzahl
von nicht gezeigten Innenrohren von einem Lochboden 22 zum
anderen. Die Enden der Innenrohre, welche auch Schläuche sein
können,
fluchten mit den axialen Außenflächen der
Lochböden 22 und sind
auf den Außenseiten
der Lochböden 24 fluiddicht
mit den Lochböden 22 verschweißt.
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Die
Innenrohre und die Lochböden 24 trennen
einen ersten Fluidraum, der von der Innenfläche des Mittelabschnitts 10 des
Mantelrohres und den Außenflächen der
Innenrohre begrenzt wird, von einem zweiten Fluidraum, der von den
Innenflächen der
Innenrohre, der Endabschnitte 12 und der Endkappen 16 begrenzt
wird. Im Gebrauch strömt
einerseits ein erstes Fluid, ein flüssiges und/oder gasförmiges Kühl- oder
Heizmedium, von einem der Anschlussstutzen 14 durch den
ersten Fluidraum zum anderen Anschlussstutzen 14, und strömt andererseits
ein zweites Fluid, ein zu kühlendes
oder zu heizendes flüssiges
und/oder gasförmiges
Medium, im Gegenstrom zu dem ersten Fluid von dem einen Anschlussstutzen 18 durch
den zweiten Fluidraum zum anderen Anschlussstutzen 18.
Die wechselseitig angeordneten Fluidumlenkplatten 26 erzeugen
Querströmungen
des ersten Fluides, um eine besonders gute Umströmung der Innenrohre zu erreichen.
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Wie
man anhand der 1a bis 1e erkennt,
haben die Endabschnitte 12 mit Ausnahme ihrer ringförmigen Stirnflächen, an
denen sie mit dem Mittelabschnitt 10 und der zugehörigen Endkappe 16 verschweißt sind,
einen größeren Außendurchmesser
und eine größere Wandstärke als
der Mittelabschnitt 10 und die Endkappen 16 des
Mantelrohres. Diese größeren Abmessungen
werden für
Querschnittsaufweitungen dort, wo die Ein- und Ausströmöffnungen
der Anschlussstutzen 14 in das Innere der Endabschnitte 12 münden, genutzt,
wodurch die Innenrohre weniger stark durch das erste Fluid beansprucht
werden. Außerdem
erhöhen
die größeren Abmessungen
die Festigkeit der Endabschnitte 12, was ihre mechanische
Schwächung
aufgrund des Vorhandenseins großer
Ein- und Ausströmöffnungen mehr
als wettmacht. Weiterhin bieten die dicker gemachten Endabschnitte 12 den
Anschlussstutzen 14 mehr Halt.
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In 2a bis 2d ist
einer der Endabschnitte 12 des in 1a bis 1e gezeigten Rohrbündel-Wärmetauschers
vergrößert dargestellt. Dieser
Endabschnitt 12 wird so, wie er hier gezeigt ist, z. B.
durch Spritzgießen
hergestellt und erst dann mit einem Anschlussstutzen 14,
dem Mittelabschnitt 10 und der zugehörigen Endkappe 16 verschweißt. Man
erkennt deutlich die Durchmesser- und Wandstärkevergrößerung über eine axiale Strecke im
Bereich einer Öffnung 28 für den Anschlussstutzen 14 sowie
die Querschnittsaufweitung der Öffnung 28 zum
Inneren des Endabschnitts 12 hin.
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In
einem zweiten Ausführungsbeispiel
ist ein Wärmetauscher
grundsätzlich ähnlich aufgebaut
wie in dem Ausführungsbeispiel
gemäß den 1a bis 1e,
jedoch sind die zwei Endabschnitte 12 durch zwei Endabschnitte 30 ersetzt,
von denen einer in 3a und 3b gezeigt
ist.
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Jeder
z. B. durch Spritzgießen
hergestellte Endabschnitt 30 besteht aus einer zylindrischen
Basis 32, an deren Umfang ein Fortsatz 34 angeformt ist,
der sich axial über
eine größere Strecke
als der Durchmesser einer Öffnung 36 für einen
hier nicht gezeigten Anschlussstutzen ähnlich dem Anschlussstutzen 14 in 1a bis 1e erstreckt
und der radial um den Endabschnitt 30 herum verläuft und
dabei kontinuierlich niedriger wird, so dass der Fortsatz 34 sichelförmig ist.
Der Fort satz 34 bildet eine partielle Durchmesser- und
Wandstärkevergrößerung der zylindrischen
Basis 32, wodurch diese nicht nur versteift wird, sondern
auch Raum für
Unterbringung und Befestigung einer Prallplatte 38 geschaffen
wird, deren Konturen in 3a gestrichelt
eingezeichnet sind. Die durch die zylindrische Basis und den sichelförmigen Fortsatz
hindurchgehende Öffnung 36 ist
an den Innendurchmesser des anzuschweißenden Anschlussstutzens angepasst.
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Die
Prallplatte 38 besteht aus einer länglichen rechteckigen Kunststoffplatte,
die entlang ihrer Länge
zu einem Halbkreis mit einem kleineren Radius als der Radius des
Endabschnitts 30 gebogen ist und entlang ihrer Längskanten
kleine Vorsprünge 40 aufweist,
mit denen die Prallplatte 38 der Länge nach in nicht gezeigte
Haltenuten eingeschoben ist, die axial vor und hinter einer Öffnung 34 im
Endabschnitt 30 geformt sind und ebenso wie die Prallplatte 38 gebogen
sind.
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Die
Prallplatte 38 bildet eine Fluidleitstruktur, welche vor
der Öffnung 36 liegt
und Fluid, das in die Öffnung 36 strömt, seitlich über den
Umfang des Endabschnitts 30 verteilt. Die Prallplatte 38 hat
eine der Öffnung 36 zugewandte
Hohlkehle 42, welche über einen
Teil der Länge
der Prallplatte 38 verläuft
und die radiale Fluidströmung
fördert
bzw. ermöglicht.
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Die
beschriebenen Ausführungsbeispiele können auch
kombiniert werden, indem sowohl Querschnittsaufweitungen der Fluidöffnung als
auch eine Prallplatte od. dgl. vor der Fluidöffnung als Fluidleitstrukturen
realisiert werden.
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In
einem dritten Ausführungsbeispiel
ist ein Rohrbündel-Wärmetauscher
grundsätzlich ähnlich aufgebaut
wie in dem Ausführungsbeispiel
gemäß den 1a bis 1e,
jedoch ist einer der Endabschnitte 12 oder sind beide Endabschnitte 12 durch
einen bzw. je einen Endabschnitt 50 ersetzt, wie er in 5a und 5b gezeigt
ist.
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In
diesem dritten Ausführungsbeispiel
haben die beiden axialen Enden des Endabschnitts 50 nicht denselben
Durchmesser, wie in den früheren
Ausführungsbeispielen
dargestellt, sondern verschiedene Durchmesser, wie man in 5b er kennt.
Das heißt, das
Mantelrohr und die Endkappen müssen
nicht denselben Durchmesser haben, sondern sie können verschiedene Durchmesser
haben, wobei der Endabschnitt 50 eine Durchmesseranpassung
ermöglicht.
Die Durchmesserdifferenz kann auch noch größer sein als in 5b dargestellt.
Außerdem
kann eine derartige Durchmesserdifferenz auch bei den vorstehend
beschriebenen Ausführungsbeispielen realisiert
werden.
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Im
Unterschied zu den vorangehenden Ausführungsbeispielen weist der
in 5a und 5b gezeigte
Endabschnitt 50 außerdem
einen kegelförmigen
Anschlussstutzen 52 auf, welcher sich zum Inneren des Endabschnitts 50 hin
erweitert. Innerhalb des kegelförmigen
Anschlussstutzens 52 befindet sich ein Verteilerkorb 54,
d. h. ein korbförmiges
Element mit mehreren Längsschlitzen
in seiner Wandung. Der Verteilerkorb 54 bildet eine Fluidleitstruktur,
welche durch den Anschlussstutzen 52 eingeleitetes bzw.
ausströmendes
Fluid über
einen Teil des Umfangs des Endabschnitts 50 verteilt bzw.
davon ausgehend sammelt.
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In
einem in 6a und 6b gezeigten vierten
Ausführungsbeispiel
hat ein Endabschnitt 60 eines Rohrbündel-Wärmetauschers ebenso wie im dritten
Ausführungsbeispiel
unterschiedliche Durchmesser an seinen Enden und hat auch einen
kegelförmigen
Anschlussstutzen 62, welcher sich zum Inneren des Endabschnitts 60 hin
erweitert. Jedoch befindet sich in dem Anschlussstutzen 62 kein
Verteilerkorb, sondern ein auswechselbarer Filter 64 als
Sicherheits-Schmutzfänger.
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Die
Ausführungsbeispiele
drei und vier können
auch miteinander kombiniert werden, indem sowohl ein Verteilerkorb
als auch ein Filter im Anschlussstutzen vorgesehen werden. Ferner
können diese
Ausführungsbeispiele
auch mit den Ausführungsbeispielen
eins und zwei kombiniert werden.