DE202020000985U1

DE202020000985U1 - Hilfsvorrichtung für ein Verfahren für Schweißverbindungen zwischen Innenrohren und Rohrträgerplatten eines Rohrbündels für einen Produkt-zu-Produkt-Rohrbündel-Wärmeaustauscher

Info

Publication number: DE202020000985U1
Application number: DE202020000985.7U
Authority: DE
Original assignee: GEA TDS GmbH
Current assignee: GEA TDS GmbH
Priority date: 2020-03-11
Filing date: 2020-03-11
Publication date: 2020-04-06
Anticipated expiration: 2030-03-12

Abstract

Hilfsvorrichtung (50) für ein Verfahren für Schweißverbindungen zwischen Innenrohren (16) und Rohrträgerplatten (12, 14) eines Rohrbündels (10) für einen Produkt-zu-Produkt-Rohrbündel-Wärmeaustauscher (100), wobei die Schweißverbindung in an sich bekannter Weise derart ausgestaltet ist,• dass das Innenrohr (16) mit seiner Innenbohrung (17) in einer Ebene senkrecht zu einer Innenrohrlängsachse (R) mit einer Stirnseite der scheibenförmigen Rohrträgerplatte (12, 14), die eine ebensolche Innenbohrung (17) aufweist, verbunden ist,• dass die Innenbohrung (17) des Innenrohres (16) und jene der Rohrträgerplatte (12, 14) gleichgroße Innendurchmesser (D) aufweisen und miteinander fluchtend ausgerichtet sind,• dass in einer unverschweißten Ausgangslage das Innenrohr (16) und die Rohrträgerplatte (12, 14) mit einem ersten Formschluss (F1), der radial sowie axial und gegeneinander gerichtet wirksam ist, zueinander festgelegt sind,• dass eine umlaufende Rundschweißnaht (36) orbital, von der Innenbohrung (17) aus, einlagig und durchgängig von innen bis außen ausgeführt ist und• dass eine Schweißnahtbreite (b) der umlaufenden Rundschweißnaht (36) mindestens eine axiale Formschlusstiefe (B1) des ersten Formschlusses (F1) erfasst, dadurch gekennzeichnet,• dass eine erste und eine zweite Halteringhälfte (50.1, 50.2) vorgesehen sind, die einen geschlossenen Ring bilden,• dass sich die Halteringhälften (50.1, 50.2) in einer Trennebene (E), die durch ein Zentrum (Z) der Hilfsvorrichtung (50) verläuft, berühren und dass in der Trennebene (E) die Halteringhälften (50.1, 50.2) einen unverschieblichen zweiten Formschluss (F2) miteinander bilden,• dass die Rohrträgerplatte (12, 14) durch die Vorgabe von mehr als einer in ihr vorgesehenen Innenbohrung (17) ein Rohrbelegungsmuster (M) festlegt für die Anordnung parallel zueinander angeordneter Innenrohre (16),• dass das Rohrbelegungsmuster (M) in den Halteringhälften (50.1, 50.2) derart abgebildet ist, dass auf einem einzigen Teilkreis (T) gleichverteilt angeordnete Innenrohre (16) jeweils maximal halbseitig von den Halteringhälften (50.1, 50.2) umschlossen sind, wobei die Öffnung der jeweils umschließenden Kontur dem Zentrum (Z) der Halteringhälften (50.1, 50.2) zugewandt ist,• dass die Trennebene (E) zusätzlich durch mindestens eine auf dem Teilkreis (T) liegende Innenrohrlängsachse (R) verläuft,• dass Haltebolzen (52) vorgesehen sind, die jeweils am Umfang der Halteringhälften (50.1, 50.2) und sternförmig zum Zentrum (Z) hin orientiert in die Halteringhälften (50.1, 50.2) verschieblich eingreifen,• dass die Haltebolzen (52) auf dem Teilkreis (T) angeordnete, benachbarte Innenrohre (16) jeweils tangieren und• dass die Haltebolzen (52) mit ihrer jeweiligen dem Zentrum (Z) zugewandten Stirnseite erforderlichenfalls ein im Zentrum (Z) angeordnetes Innenrohr (16) festlegen und in dieser Position selbst jeweils lösbar festgelegt sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Neuerung betrifft eine Hilfsvorrichtung für ein Verfahren für Schweißverbindungen zwischen Innenrohren und Rohrträgerplatten eines Rohrbündels für einen Rohrbündel-Wärmeaustauscher, vorzugsweise einen Produkt-zu-Produkt-Rohrbündel-Wärmeaustauscher. Die jeweilige Schweißverbindung ist dabei derart ausgestaltet, dass das Innenrohr mit seiner Innenbohrung in einer Ebene senkrecht zu einer Innenrohrlängsachse mit einer Stirnseite der scheibenförmigen Rohrträgerplatte, die eine ebensolche Innenbohrung aufweist, verbunden ist. Die Innenbohrung des Innenrohres und jene der Rohrträgerplatte weisen gleichgroße Innendurchmesser auf und sind miteinander fluchtend ausgerichtet. In einer unverschweißten Ausgangslage sind das Innenrohr und die Rohrträgerplatte mit einem ersten Formschluss, der radial sowie axial und gegeneinander gerichtet wirksam ist, zueinander festgelegt. Eine umlaufende Rundschweißnaht ist orbital, von der Innenbohrung ausgehend, einlagig und durchgängig von innen bis außen ausgeführt und eine Schweißnahtbreite der umlaufenden Rundschweißnaht erfasst dabei mindestens eine axiale Formschlusstiefe des ersten Formschlusses. Die Neuerung betrifft weiterhin ein mit einer solchen Hilfsvorrichtung geschweißtes Rohrbündel sowie einen Produkt-zu-Produkt-Rohrbündel-Wärmeaustauscher mit wenigstens einem solchen Rohrbündel.
STAND DER TECHNIK
In der Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie kommen die verschiedensten Arten von Wärmeaustauschern zur Anwendung, mit denen Lebensmittelprodukte wärmebehandelt werden. Die jeweilige Auswahl, beispielsweise Platten- oder Rohrwärmeaustauscher in ihren unterschiedlichsten Ausführungsformen, richtet sich nach dem zu behandelnden Lebensmittelprodukt. Der Rohrwärmeaustauscher ist sowohl für niedrigviskose Produkte wie Milch und andere Milchprodukte, Getränke und Säfte als auch für mittel- bis hochviskose Produkte wie Konzentrate, Suppen oder Desserts und darüber hinaus auch für derartige Produkte, die zusätzlich Fasern und/oder Pulpe beinhalten, geeignet. In der Regel strömt das Produkt zum Zwecke der Wärmebehandlung durch die sogenannten Innenrohre und ein Wärmeträgermedium, beispielsweise Dampf oder Wasser, umströmt diese Innenrohre, vorzugsweise im Gegenstrom, von außen in einem die Innenrohre umgebenden Gehäuse, vorzugsweise einem Mantelrohr.
Eine besonders energieeffiziente Ausführungsform der bekannten Rohrwärmeaustauscher ist ein sogenannter Rohrbündel-Wärmeaustauscher (siehe 1). Dieser besteht aus einer Vielzahl von Rohrbündeln (2a, 2b, 3), von denen jedes mehrere parallel geschaltete Innenrohre mit einem gemeinsamen Eintritt und einem gemeinsamen Austritt für das Produkt aufweist. Die jeweilige Gruppe von Innenrohren bzw. ein sogenannter Satz Innenrohre wird von dem Mantelrohr umschlossen, das jeweils nahe seiner Enden mit einem radial ein- bzw. ausmündenden Anschlussstutzen für ein Wärmeträgermedium versehen ist. Das Wärmeträgermedium durchströmt das Mantelrohr vorzugsweise im Gegenstrom zur Rohrströmung in den Innenrohren, einem Produktstrom.
Die Innenrohre durchdringen jeweils endseitig eine Bohrung in einer sogenannten Rohrträgerplatte und sind jeweils an ihrem austrittsseitigen Ende mit der Rohrträgerplatte mittels einer umlaufenden Rundschweißnaht verbunden. Es liegt somit zwischen der Außenseite des Innenrohres und der zugeordneten Bohrung in der Rohrträgerplatte ein umlaufender Ringspalt vor, der sich von der umlaufenden Rundschweißnaht bis in einen vom Wärmeträgermedium beaufschlagten Innenraum des Rohrbündels bzw. des Mantelrohres erstreckt. Dieser umlaufende Ringspalt ist so lange unkritisch, wie das Wärmeträgermedium nur ausschließlich Wärmeträgermedium wie Wasser oder Dampf bleibt und nicht durch ein Lebensmittelprodukt substituiert wird.
Wenn allerdings aus Gründen einer verbesserten Wärmeübertragungseffizienz in einem Rohrbündel-Wärmeaustauscher eine sogenannte Produkt-zu-Produkt-Wärmeübertragung stattfinden soll, dann wird der vorgenannten umlaufende Ringspalt kritisch, weil sich hier Produkt festsetzen kann, das im günstigsten Falle nur durch besonders intensive und langandauernde CIP-Reinigung (überdosierte Reinigung) abgereinigt werden kann, damit sich der umlaufende Ringspalt in einem mikrobiologisch unkritischen Zustand für die nachfolgende Produktfahrt befindet.
Besonders bei regenerativ betriebenen Wärmeübertragungssystemen, bei denen beispielsweise die bei der Abkühlung eines Endprodukts anfallende Wärme zur Vorwärmung eines noch zu behandelnden Produkts genutzt wird, ergibt sich bekanntlich bei einer Wärmeübertragung von Produkt-zu-Produkt (P-P) gegenüber einer Wärmeübertragung von Produkt-zu-Wärmeträgermedium-zu-Produkt (P-W-P) eine höhere Energieeffizienz bzw. Wirtschaftlichkeit, weil der Wärmedurchgang durch eine größere logarithmische Temperaturdifferenz sowie eine höhere Strömungsgeschwindigkeiten der Produktströme (höhere Reynolds-Zahl) verbessert und die Wärmeaustauschflächen dadurch verkleinert werden können. Durch die höheren Reynolds-Zahlen lassen sich darüber hinaus Rohrbündel mit größeren Rohrlängen realisieren, wodurch sich Kostensenkungen ergeben.
In der bekannten Form sind die Rohrbündel-Wärmeaustauscher unter sanitären oder gar aseptischen Gesichtspunkten nur um den Preis einer überdosierten Reinigung für einen Produkt-zu-Produkt-Wärmeaustausch geeignet. Es wurde daher vorgeschlagen ( JP 2020 117 121 ), an der Rückseite der Rohrträgerplatte eine zusätzliche Rundnahtschweißung vorzunehmen, um den kritischen Ringspalt damit gegen das Eindringen von Produkt zu schließen. Ein Nachteil einer jeweiligen umlaufenden Rundschweißnaht an der Vorder- und zusätzlich an der Rückseite der Rohrträgerplatte besteht darin, dass zwischen den beiden Rundschweißnähten ein geschlossener Raum gebildet wird, der ein Risiko für die Lebensmittelsicherheit darstellt, wenn die Rundschweißnähte nicht fehler- und porenfrei geschweißt sind. Eine diesbezügliche Überprüfung ist nur schwer oder überhaupt nicht möglich. Es besteht dann die Gefahr, dass sich in dem geschlossenen Raum Mikroorganismen ansiedeln, die ein nachfolgendes Produkt rekontaminieren können.
In der US 2 996 600 A ist im Rahmen eines Rohrwärmeaustauschers eine Schweißverbindung zwischen einem Rohr und einer Rohrträgerplatte beschrieben. Das Rohr besitzt einen Innendurchmesser, dem der Durchmesser einer Bohrung in der Rohrträgerplatte entspricht. Rohr und Rohrträgerplatte werden derart miteinander verschweißt, dass der Innendurchmesser des Rohres und der Durchmesser der Bohrung miteinander fluchten. Die diesbezüglich notwendige Ausrichtung und Zentrierung des Rohres an der Rohrträgerplatte wird durch einen Rezess an der Rohrträgerplatte, in den das Rohr eingreift, erreicht. Eine Umkehrung dieses Prinzips wird ebenfalls offenbart, bei dem ein Rezess am zu verbindenden Rohrende vorgesehen ist, der eine die Bohrung in der Rohrträgerplatte umgebende Aushalsung von außen umschließt. Der jeweilige Formschlussbereich zwischen dem Rohr und der Rohrträgerplatte wird mittels eines orbital umlaufenden Schweißwerkzeuges, ausgehend von der Innenseite des Innendurchmessers des Rohres sowie der Bohrung der Rohrträgerplatte, einlagig und durchgängig von innen bis außen verschweißt.
In der WO 2014 060 425 A1 werden die unterschiedlichsten Vorschläge offenbart, wie die in Rede stehende Verbindung zwischen einem Innenrohr und einer Rohrträgerplatte eines Rohrbündels eines Rohrbündel-Wärmeaustauschers unter Vermeidung eines umlaufenden Ringspalts zwischen der Außenseite des Innenrohres und der Bohrung in der Rohrträgerplatte ausgestaltet werden kann.
Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Neuerung, eine Hilfsvorrichtung der gattungsgemäßen Art zu schaffen, die eine sichere, maßgenaue und mit hoher reproduzierbarer Qualität ausgeführte Schweißverbindung zwischen den Innenrohren und der Rohrträgerplatte eines Rohrbündels für einen Produkt-zu-Produkt-Rohrbündel-Wärmeaustauscher sicherstellt.
ZUSAMMENFASSUNG DER NEUERUNG
Diese Aufgabe wird durch eine Hilfsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der neuerungsgemäßen Hilfsvorrichtung sind Gegenstand der zugeordneten Unteransprüche. Ein Rohrbündel ist Gegenstand des abhängigen Anspruchs 9 und ein Produkt-zu-Produkt-Rohrbündel-Wärmeaustauscher mit wenigstens einem solchen Rohrbündel ist Gegenstand des Anspruchs 10.
Die Neuerung geht aus von einer Schweißverbindung, die folgendermaßen ausgestaltet ist:

• Das Innenrohr mit seiner Innenbohrung ist in einer Ebene senkrecht zu einer Innenrohrlängsachse mit einer Stirnseite der scheibenförmigen Rohrträgerplatte, die eine ebensolche Innenbohrung aufweist, verbunden.
• Die Innenbohrung des Innenrohres und jene der Rohrträgerplatte weisen gleichgroße Innendurchmesser auf und sind miteinander fluchtend ausgerichtet, d.h. ihre Rotationsachsen verlaufen koaxial.
• In einer unverschweißten Ausgangslage sind das Innenrohr und die Rohrträgerplatte mit einem ersten Formschluss, der radial sowie axial und gegeneinander gerichtet wirksam ist, zueinander festgelegt. Die radiale Festlegung wirkt in beiden Richtungen, die axiale Festlegung beschränkt sich darauf, dass das Innenrohr an der Rohrträgerplatte in der einen Richtung anliegt und in der umgekehrten Richtung von dieser gelöst werden kann.
• Eine umlaufende Rundschweißnaht ist orbital, von der Innenbohrung ausgehend, einlagig und durchgängig von innen bis außen ausgeführt. Die Schweißung erfolgt vorzugsweise ohne Zusatzmaterial und unter einer für die zu verbindenden Materialien geeigneten Schutzgasatmosphäre.
• Eine Schweißnahtbreite der umlaufenden Rundschweißnaht erfasst mindestens eine axiale Formschlusstiefe des ersten Formschlusses. Die axiale Formschlusstiefe ist auf eine sich unter den gegebenen Schweiß- und Wandstärkenbedingungen ergebende Schweißnahtbreite abgestimmt. Die axiale Formschlusstiefe darf eine mögliche Schweißnahtbreite nicht überschreiten. Unter umlaufender Rundschweißnaht ist eine Schweißnaht zu verstehen, die in sich geschlossen, d.h. ohne örtliche Unterbrechungen ausgeführt ist.

Der neuerungsgemäße Grundgedanke besteht bei der neuerungsgemäßen Hilfsvorrichtung darin, im Sinne der Aufgabenstellung eine Lösung nicht nur für ein einzelnes Innenrohr, wie dies im Stand der Technik offenbart ist, vorzusehen, sondern eine Lösung für eine Gruppe bzw. einen Satz von parallel zueinander verlaufenden Innenrohren in einem fortlaufenden Schweißprozess, der alle Innenrohre des Satzes nacheinander erfasst, vorzuschlagen.
Die der Neuerung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die folgenden Merkmale gelöst.

• Es sind im Rahmen der Hilfsvorrichtung eine erste und eine zweite Halteringhälfte vorgesehen, die einen geschlossenen Ring bilden.
• Die Halteringhälften berühren sich in einer Trennebene, die durch ein Zentrum der Hilfsvorrichtung verläuft, und in der Trennebene bilden die Halteringhälften einen unverschieblichen zweiten Formschluss miteinander.
• Die Rohrträgerplatte legt durch die Vorgabe von mehr als einer in ihr vorgesehenen Innenbohrung ein Rohrbelegungsmuster fest für die Anordnung parallel zueinander angeordneter Innenrohre.
• Das Rohrbelegungsmuster ist in den Halteringhälften derart abgebildet, dass auf einem einzigen Teilkreis gleichverteilt angeordnete Innenrohre jeweils maximal halbseitig von den Halteringhälften umschlossen sind, wobei die Öffnung der jeweils umschließenden Kontur dem Zentrum der Halteringhälften zugewandt ist. Diese Bedingungen werden durch entsprechende Bemessung eines Innendurchmessers der zu einem Ring geschlossenen Halteringhälften erfüllt, wobei die Bemessung von der Anzahl der auf dem Teilkreis befindlichen Innenrohre abhängt.
• Die Trennebene verläuft zusätzlich durch mindestens eine auf dem Teilkreis liegende Innenrohrlängsachse. Dadurch ist sichergestellt, dass die Halteringhälften sämtliche Innenrohre umschließen und in Gänze festlegen können und dass nach dem Verschweißen aller Innenrohre mit der Rohrträgerplatte ein Lösen und Entfernen der Halteringhälften von der verschweißten Rohranordnung möglich ist.
• Es sind Haltebolzen vorgesehen, die jeweils am Umfang der Halteringhälften und sternförmig zum Zentrum hin orientiert in die Halteringhälften verschieblich eingreifen.
• Die Haltebolzen tangieren mit ihrer Mantelfläche jeweils auf dem Teilkreis angeordnete, benachbarte Innenrohre.
• Die Haltebolzen legen mit ihrer jeweiligen dem Zentrum zugewandten Stirnseite erforderlichenfalls ein im Zentrum angeordnetes Innenrohr fest und sind in dieser Position selbst jeweils lösbar festgelegt.

Eine entsprechend den vorstehenden Merkmalen ausgestaltete Hilfsvorrichtung ist geeignet, Rohranordnungen mit wenigstens zwei Innenrohren in sich bestimmungsgemäß aufzunehmen.
Es ist ausreichend, wenn der zweite Formschluss die erste und die zweite Halbringhälfte in radialer Richtung zueinander festlegt. Die Festlegung der Halteringhälften in axialer Richtung zueinander erfolgt zweckmäßig dadurch, wie dies vorgesehen ist, dass die erste und die zweite Halbringhälfte durch eine am Umfang der ersten und der zweiten Halbringhälfte angeordnete Verbindungsschraube, die diametral zueinander angeordnet sind, lösbar miteinander verbunden sind.
Befindet sich die Hilfsvorrichtung in der geschlossenen Position und legt sie in dieser Position eine bestimmungsgemäße Anzahl von Innenrohren fest, damit diese mit der zugeordneten Rohrträgerplatte verschweißt werden können, dann sind die Haltebolzen, die die Innenrohre im zweiten Formschluss festlegen, jeweils durch eine Feststellschraube in der zugeordneten Halteringhälfte selbst unverrückbar festgelegt.
Ein besonders vorteilhaftes Rohrbelegungsmuster zeichnet sich dadurch aus, dass sieben Innenrohre vorgesehen sind, wobei sich ein Innenrohr koaxial im Zentrum der Hilfsvorrichtung befindet und sechs Innenrohre gleichverteilt auf dem Teilkreis angeordnet sind und dass die Trennebene zusätzlich durch zwei diametral zueinander angeordnete Innenrohre verläuft. In dieser Anordnung bilden die Innenrohrlängsachsen jeweils dreier benachbarter Innenrohre die Ecken eines gleichseitigen Dreiecks, wodurch der radiale Abstand aller jeweils benachbarten Innenrohre gleichgroß ist, da im Regelfall alle Innenrohre einen gleichgroßen Außendurchmesser aufweisen. Die Wärmeübertragungs- und Wärmedurchgangsbedingungen sind unter diesen Randbedingungen für alle Innenrohre annähernd gleich, wenn man von den besonderen Umströmungsbedingungen des zentralen Innenrohres gegenüber den auf dem Teilkreis befindlichen anderen Innenrohren absieht.
Eine sehr einfache Ausgestaltung der Verbindungsgeometrie zwischen Innenrohr und Rohrträgerplatte wird mit Hilfe der neuerungsgemäßen Hilfsvorrichtung realisiert, wenn die umlaufende Rundschweißnaht so positioniert ist, dass die Schweißnahtbreite maximal um die Formschlusstiefe in die Rohrträgerplatte, von der Seite des Innenrohres aus gesehen, eingreift. In diesem Falle ist die Rohrträgerplatte lediglich mit dem Außendurchmesser des Innenrohres und mit maximal der Formschlusstiefe aufzusenken bzw. aufzubohren. Durch diese quantitative Ausgestaltung ist sichergestellt, dass kein Spalt mehr zwischen dem Außendurchmesser des Innenrohres und der Innenbohrung in der Rohrträgerplatte existiert, der nicht von der umlaufenden Rundschweißnaht überbrückt ist. Eine Aufsenkung mit weniger als der Formschlusstiefe verlagert einen Teil der Breite der umlaufenden Rundschweißnaht in einen der Rohrträgerplatte vorgelagerten Rohrbereich.
Eine Verlagerung der umlaufenden Rundschweißnaht teilweise oder vollständig in die Rohrträgerplatte hinein zeitigt in an sich bekannter Weise einen unstetigen Verlauf der Verbindungsquerschnitte vom relativ kleinen Verbindungsquerschnitt des Innenrohres zum massiven Querschnitt der Rohrträgerplatte. Ein derartiger Verlauf ist festigkeitsmäßig ungünstig. Um hier Abhilfe zu schaffen, sieht ein weiterer mit der neuerungsgemäßen Hilfsvorrichtung realisierbarer Vorschlag vor, dass die Rohrträgerplatte radial außenseits von der umlaufenden Rundschweißnaht eine umlaufende, axial sich erstreckende, ringspaltförmige plattenseitige Ausnehmung aufweist, die so ausgebildet ist, dass die mit der umlaufenden Rundschweißnaht zu verschweißende Wandstärke der Rohrträgerplatte einen Wert annimmt, der zwischen der einfachen bis zur zweifachen Rohrwandstärke liegt.
Ein anderer Vorschlag, der ebenfalls mit der neuerungsgemäßen Hilfsvorrichtung umsetzbar ist, schafft diesbezüglich gleichfalls Abhilfe und verbessert insbesondere die Festigkeitseigenschaften unter wechselnden mechanischen und/oder thermischen Belastungen. Er sieht vor, dass die umlaufende Rundschweißnaht, bezogen auf die Rohrträgerplatte, um einen vorgelagerten axialen Formschlussabstand des ersten Formschlusses von der Rohrträgerplatte entfernt positioniert ist, wobei die Rohrträgerplatte in diesem Bereich auf eine Wandstärke zwischen der einfachen bis zur zweifachen Rohrwandstärke ausgehalst ist.
Um Materialspannungen im Verlauf des über alle Schweißverbindungen währenden Schweißprozesses zu minimieren, ist eine Schweißabfolge so vorgesehen, dass, falls vorhanden, zunächst ein zentral in der Rohrträgerplatte angeordnetes Innenrohr und anschließend die auf einem Teilkreis um das zentrale Innenrohr herum angeordneten außenliegenden Innenrohre, jeweils in gegenüberliegender Abfolge, mit der Rohrträgerplatte verschweißt werden.
Figurenliste
Eine eingehendere Darstellung der Neuerung ergibt sich aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Figuren der Zeichnung sowie aus den Ansprüchen. Die Neuerung ist in den verschiedensten Ausführungsformen einer neuerungsgemäßen Hilfsvorrichtung der gattungsgemäßen Art realisierbar. Nachfolgend wird die Hilfsvorrichtung mit Bezug auf die Zeichnung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben. Es zeigen

1 in schematischer und perspektivischer Darstellung einen Rohrbündel-Wärmeaustauscher nach dem Stand der Technik;
2a in perspektivischer Darstellung ein Rohrbündel nach dem Stand der Technik mit Blick auf die eine Rohrträgerplatte;
2b in perspektivischer Darstellung das Rohrbündel gemäß 2a mit Blick auf die andere Rohrträgerplatte;
3 im Meridianschnitt ein Rohrbündel gemäß den 2a, 2b nach dem Stand der Technik, eingebettet in ein Gehäuse für die Zufuhr eines Wärmeträgermediums;
4 einen Meridianschnitt durch eine erste Schweißverbindung zwischen einem Innenrohr und einer Rohrträgerplatte in Verbindung mit einem Schweißwerkzeug;
4a in vergrößerter Darstellung eine zur Ausgestaltung der ersten Schweißverbindung gemäß 4 alternative zweite Ausgestaltung;
4b in vergrößerter Darstellung eine zur Ausgestaltung der ersten Schweißverbindung gemäß 4 alternative dritte Ausgestaltung;
5 in vergrößerter Darstellung eine zur Ausgestaltung der ersten Schweißverbindung gemäß 4 alternative vierte Ausgestaltung;
6 in vergrößerter Darstellung eine zur Ausgestaltung der ersten Schweißverbindung gemäß 4 alternative fünfte Ausgestaltung;
7 in perspektivischer Darstellung eine Rohrträgerplatte für sieben Innenrohre;
7a in perspektivischer Darstellung einen Meridianschnitt durch die Rohrträgerplatte gemäß einem in 7 mit „C-C“ gekennzeichneten Schnittverlauf;
7b in Ansicht den Meridianschnitt durch die Rohrträgerplatte gemäß 7a;
8 in perspektivischer Darstellung eine Gesamtansicht der geschlossenen Hilfsvorrichtung ohne Innenrohre;
9 in perspektivischer Darstellung eine Gesamtansicht der geschlossenen Hilfsvorrichtung mit darin festgelegten Innenrohren und
10 eine Ansicht der geschlossenen Hilfsvorrichtung entsprechend einer in 8 mit „G“ gekennzeichneten Blickrichtung.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Rohrbündel-Wärmeaustauschers 100, bei dem in der Regel eine Vielzahl von Rohrbündel 10 mit Verbindungsbogen 5 strömungstechnisch in Reihe geschaltet werden. Das Rohrbündel 10 besteht aus einem Satz mit mehreren Innenrohren 16 (siehe 2a, 2b), die parallel zueinander verlaufen und strömungstechnisch auch parallel geschaltet sind, jeweils endseitig die jeweilige Bohrung in einer ersten und einer zweite Rohrträgerplatte 12, 14 durchdringen, sich dort abstützen und mit ihrem Rohraußendurchmesser an der außenseitigen Stirnfläche der Rohrträgerplatte 12, 14 mit dieser umlaufend verscheißt sind. Jeder Satz Innenrohre 16 ist in einem Außenrohr bzw. Mantelrohr 15 angeordnet (1). Das Produkt, beispielsweise ein Lebensmittelprodukt, wird durch die Innenrohre 16 geleitet, und ein sogenanntes Wärmeträgermedium, beispielsweise Wasser oder Dampf, umströmt die Außenseite der Innenrohre 16 innerhalb des Außenrohres 15. Die 2a, 2b zeigen weiterhin jeweils einen Ringspalt S, der zwischen einem Außendurchmesser jedes Innenrohres 16 und einer jeweils zugeordneten Bohrung innerhalb der Rohrträgerplatte 12, 14 gebildet wird.
Das aus dem Stand der Technik bekannte Rohrbündel 10 (3 - nur die hier relevanten Bauteile sind bezeichnet; siehe auch DE 94 03 913 U1 ) besteht in seinem mittleren Teil, der unterbrochen dargestellt ist, aus dem einen Außenkanal 15* begrenzenden Außenrohr 15 (bzw. Außenmantel) mit einem, bezogen auf die Darstellungslage, nicht bezeichneten linksseitig angeordneten festlagerseitigen Außenmantelflansch und einem nicht bezeichneten rechtsseitig angeordneten loslagerseitigen Außenmantelflansch. An letzterem schließt sich ein erstes Gehäuse mit einem zweiten Eintritt 22 und an den festlagerseitigen Außenmantelflansch schließt sich ein zweites Gehäuse mit einem zweiten Austritt 24 an. Eine Anzahl n von sich achsparallel zum Außenrohr 15 durch den Außenkanal 15* erstreckenden, gemeinsam einen Innenkanal 16* bildenden Innenrohre 16 ist endseitig jeweils in der linksseitigen Rohrträgerplatte 12, die Teil eines Festlagers ist, und der rechtsseitigen Rohrträgerplatte 14, die Teil eines Loslagers ist, abgestützt und an ihrem Rohraußendurchmesser über eine umlaufende Schweißnaht SN mit dieser verschweißt. Diese Gesamtanordnung ist über eine nicht näher bezeichnete Öffnung am zweiten Gehäuse in das Außenrohr 15 eingeführt und über einen festlagerseitigen Austauscherflansch, der einen ersten Eintritt 18 aufnimmt, mit dem zweiten Gehäuse unter Zwischenschaltung von jeweils einer Dichtung zusammengespannt. Das Innenrohr 16, dessen Innenrohrlängsachse mit R bezeichnet ist, weist eine Innenbohrung 17 mit einem Innendurchmesser D auf. Die festlagerseitige und die loslagerseitige Rohrträgerplatte 12, 14 besitzen eine Plattenrotationsachse A, die koaxial zueinander angeordnet sind und die wiederum bei einem zentralen Innenrohr 16 zu dessen Innenrohrlängsachse R koaxial verlaufen. Die loslagerseitige Rohrträgerplatte 14 ist mit einem loslagerseitigen Anschlussstutzen verbunden, der einen ersten Austritt 20 aufnimmt.
Abhängig von der Anordnung des jeweiligen Rohrbündels 10 im Rohrbündel-Wärmeaustauscher 100 und seiner jeweiligen Beschaltung können die Innenrohre 16, bezogen auf die Darstellungslage, über den ersten Eintritt 18 entweder von links nach rechts zum ersten Austritt 20 oder umgekehrt von einem ersten Produkt P1, das wärmebehandelt werden soll, durchströmt werden. Beim jeweils benachbarten Rohrbündel 10, das mit dem vorstehend beschriebenen Rohrbündel 10 jeweils über den Verbindungsbogen 5 in Reihe geschaltet ist, kehren sich diese Ein- und Austrittsverhältnisse jeweils entsprechend um.
Der Außenkanal 15* kann von einem Wärmeträgermedium wie Wasser oder Dampf beaufschlagt sein. Bei einem sogenannten Wärmeaustausch Produkt-zu-Produkt ist das Wärmeträgermedium ein zweites Produkt P2. Die Durchströmung des Außenkanals 15* kann vom zweiten Eintritt 22 zum zweiten Austritt 24 oder umgekehrt erfolgen. Abhängig von der Orientierung der Strömungsführung in den Innenrohren 16 und im Innenkanal 15* liegt dann ein Wärmeaustausch im Gleich- oder im Gegenstrom vor.
Bei einem Wärmeaustausch Produkt-zu-Produkt ist der Ringspalt S, der bereits im Zusammenhang mit den 2a, 2b thematisiert wurde, reinigungskritisch, weil das zweite Produkt P2, das während der Produktfahrt hier eindringen kann, nur durch eine überdosierte CIP-Reinigung vollständig oder hierbei sogar unter besonders schwierigen Bedingungen nicht hinreichend abgereinigt werden kann.
Schweißverbindungen
Der in den 2a, 2b und 3 offenbarte Ringspalt S wird beseitigt, wenn die Schweißverbindung zwischen dem Innenrohr 16 und der Rohrträgerplatte 12, 14, wie anhand einer ersten Schweißverbindung in 4 gezeigt und an sich bekannt ist, ausgestaltet ist. Die erste Schweißverbindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Innenrohr 16 mit seiner Innenbohrung 17 in einer Ebene senkrecht zu der Innenrohrlängsachse R mit einer dem Innenrohr 16 zugewandten Stirnseite der scheibenförmigen Rohrträgerplatte 12, 14, die eine ebensolche Innenbohrung 17 aufweist, verbunden ist. Die Innenbohrung 17 des Innenrohres 16 und jene der Rohrträgerplatte 12, 14 weisen gleichgroße Innendurchmesser D auf und sind miteinander fluchtend ausgerichtet. Eine umlaufende Rundschweißnaht 36 ist, bezogen auf die Rohrträgerplatte 12, 14, um einen vorgelagerten axialen Formschlussabstand B2 eines ersten Formschlusses F1 von der Rohrträgerplatte 12, 14 entfernt positioniert, wobei die Rohrträgerplatte 12, 14 in diesem Bereich bis auf eine Rohrwandstärke d ausgehalst ist.
In einer unverschweißten Ausgangslage sind das Innenrohr 16 und die Rohrträgerplatte 12, 14 durch den ersten Formschluss F1, der radial sowie axial und gegeneinander gerichtet wirksam ist, zueinander festgelegt. Hierzu weist die rohrförmige Aushalsung der Rohrträgerplatte 12, 14 einen zur Innenrohrlängsachse R koaxial orientierten plattenseitigen Innenrezess 26 auf, der in axialer Richtung eine axiale Formschlusstiefe B1 besitzt und der einen rohrseitigen Außenrezess 32, der die gleiche Formschlusstiefe B1 besitzt, außenseits und koaxial umgreift.
Ein Schweißwerkzeug 40 ist in Richtung der Innenrohrlängsachse R in die Innenbohrung 17 eingeführt und führt mit einer senkrecht zur Innenbohrung 17 orientierten Schweißelektrode 42 die umlaufende Rundschweißnaht 36 mit einer orbitalen Bewegung U, einlagig und durchgängig von innen bis außen aus. Dabei wird eine Schweißnahtbreite b der umlaufenden Rundschweißnaht 36 so eingerichtet, dass sie mindestens die axiale Formschlusstiefe B1 des ersten Formschlusses F1 erfasst.
Im Verlauf der einzelnen Schweißung und über die gesamte Schweißabfolge aller Schweißungen für einen Satz Innenrohre 16, die mit der zugeordneten Rohrträgerplatte 12, 14 zu verschweißen sind, werden die Innenrohre 16 und die Rohrträgerplatte 12, 14 mit einer Anpresskraft PR gegeneinander gepresst.
Bei dem zum Einsatz kommenden Innenrohr 16 mit dem Innendurchmesser D, der Rohrwandstärke d sowie einer Innenrohrlänge L handelt es sich um ein schlankes, dünnwandiges Innenrohr 16, das mit der massiven Rohrträgerplatte 12, 14, die eine Plattenwandstärke B besitzt, zu verschweißen ist. Die konkreten quantitativen jeweiligen Abmessungen sind von der Größe des Rohrbündels 10 und von dessen Wärmeübertragungsleistung abhängig und können daher in einer allgemeinen Betrachtung nur durch die folgenden Verhältnisse der Abmessungen angegeben werden: $D / d > 10; L / D > 100 und B / d > 10.$
4a zeigt eine zweite Schweißverbindung zwischen dem Innenrohr 16 mit der Innenbohrung 17 und der Rohrträgerplatte 12, 14 mit der durchmessergleichen Innenbohrung 17. In einer unverschweißten Ausgangslage sind das Innenrohr 16 mit der Rohrwandstärke d und die Rohrträgerplatte 12, 14 durch den ersten Formschluss F1, der radial sowie axial und gegeneinander gerichtet wirksam ist, zueinander festgelegt. Hierzu weist die rohrförmige Aushalsung der Rohrträgerplatte 12, 14 mit ihrem vorgelagerten axialen Formschlussabstand B2 einen zur Innenrohrlängsachse R koaxial orientierten plattenseitigen Außenrezess 28 mit einer Rezesswandstärke a auf, der in axialer Richtung die axiale Formschlusstiefe B1 besitzt und der in einen rohrseitigen Innenrezess 30, der die gleiche Formschlusstiefe B1 besitzt, innenseits und koaxial eingreift.
Eine dritte Schweißverbindung zwischen dem Innenrohr 16 mit der Innenbohrung 17 und der Rohrträgerplatte 12, 14 mit der durchmessergleichen Innenbohrung 17 ist in 4b dargestellt. Hier befindet sich zur Realisierung des ersten Formschlusses F1 nur in der Aushalsung der Rohrträgerplatte 12, 14 der plattenseitige Innenrezess 26, der die volle Rohrwandstärke d mit die axiale Formschlusstiefe B1 außenseits koaxial umgreift, wobei die radiale Abmessung der Wandstärke der Aushalsung, die sich über den vorgelagerten axialen Formschlussabstand B2 erstreckt, die Rohrwandstärke d um die Rezesswandstärke a übersteigt.
In einer vierten Schweißverbindung (5) und in einer fünften Schweißverbindung (6) greift zur Realisierung des ersten Formschlusses F1 das Innenrohr 16, das in seiner Innenbohrung 17 den gleichen Innendurchmesser D wie die Innenbohrung 17 in der Rohrträgerplatte 12, 14 aufweist, mit der vollen Rohrwandstärke d und mit der axialen Formschlusstiefe B1 unmittelbar in die Stirnfläche der Rohrträgerplatte 12, 14 ein. Bei der Ausführung gemäß 5 ist die axiale Formschlusstiefe B1 des plattenseitigen Innenrezesses 26 so bemessen, dass sich die notwendige Schweißnahtbreite b der umlaufenden Rundschweißnaht 36 nur zu einem Teil innerhalb der Rohrträgerplatte 12, 14 befindet und zum anderen Teil einen Abschnitt des außenseits freien Innenrohres 16 erfasst. Bei der Ausführung gemäß 6 ist die axiale Formschlusstiefe B1 des plattenseitigen Innenrezesses 26 maximal, und zwar derart bemessen, dass die notwendige Schweißnahtbreite b die axiale Formschlusstiefe B1 vollständig erfasst und somit vollständig in die Rohrträgerplatte 12, 13, von der Seite des Innenrohres 16 aus gesehen, eingreift.
Zur Vermeidung eines unstetigen, im vorliegenden Falle eines sprunghaft sich verändernden Querschnittsverlaufs der zu verschweißenden Wandstärken ist die vierte Schweißverbindung gemäß 5 dadurch gegenüber der fünften Schweißverbindung gemäß 6 modifiziert, dass die Rohrträgerplatte 12, 14 radial außenseits von der umlaufenden Rundschweißnaht 36 eine umlaufende, axial sich erstreckende, ringspaltförmige plattenseitige Ausnehmung 34 aufweist. Diese ist hinsichtlich ihrer radialen Lage und Breite so ausgebildet, dass die mit der umlaufenden Rundschweißnaht 36 zu verschweißende Wandstärke der Rohrträgerplatte 12, 14 einen Wert annimmt, der zwischen der einfachen bis zur zweifachen Rohrwandstärke d liegt (siehe auch 7a, 7b).
Die in den 4, 4a, 4b, 5 und 6 beschriebenen Schweißverbindungen werden aufgabengemäß mit einer neuerungsgemäßen Hilfsvorrichtung 50 (8, 9 und 10) realisiert. Das mit der Hilfsvorrichtung 50 durchführbare Verfahren geht davon aus, dass die Rohrträgerplatte 12, 14 durch die Vorgabe von mehr als einer Innenbohrung 17 ein Rohrbelegungsmuster M festlegt (7) für die Anordnung zugeordneter, parallel zueinander angeordneter Innenrohre 16. Die Plattenrotationsachse A der Rohrträgerplatte 12, 14 muss nicht notwendigerweise mit einem Innenrohr 16 belegt sein. Die limitierende Begrenzung für eine Anzahl n Innenrohre 16 ist dann gegeben, wenn ein einzig möglicher Teilkreis T (10; eine mehrfache Teilkreisanordnung ist mit der vorgeschlagenen Hilfsvorrichtung 50 nicht realisierbar) die auf diesem anzuordnenden Innenrohre 16 unter den gebotenen Wärmeübertragungsbedingungen (notwendige Abstände der Innenrohre 16 voneinander) nicht mehr aufnehmen kann.
Die Hilfsvorrichtung 50 legt die jeweils notwendige Anzahl n Innenrohre 16 in Gänze entsprechend dem Rohrbelegungsmuster M zueinander und im jeweiligen ersten Formschluss F1 mit der Rohrträgerplatte 12, 14 mittels eines zweiten Formschlusses F2 unverrückbar fest (9, 10). Über die Zeitdauer der Schweißungen für alle Innenrohre 16 wird die Rohrträgerplatte 12, 14 in Richtung der Innenrohrlängsachsen R an die Innenrohre 16 mit einer Anpresskraft PR angepresst (9; Rohrträgerplatte 12, 14 ist nicht dargestellt) und es werden die Innenrohre 16 nacheinander mit der Rohrträgerplatte 12, 14 verschweißt.
Eine Schweißabfolge sieht diesbezüglich vor, dass, falls vorhanden, zunächst das zentrale Innenrohr 16 und anschließend die auf dem Teilkreis T um das zentrale Innenrohr 16 herum angeordneten außenliegenden Innenrohre 16, jeweils in gegenüberliegender Abfolge, mit der Rohrträgerplatte 12, 14 verschweißt werden.
Die neuerungsgemäße Hilfsvorrichtung 50 (8, 9, 10) ermöglicht eine Schweißverbindung, die folgendermaßen ausgestaltet ist:

• Das Innenrohr 16 mit seiner Innenbohrung 17 ist in einer Ebene senkrecht zu der Innenrohrlängsachse R mit einer Stirnseite der scheibenförmigen Rohrträgerplatte 12, 14 , die eine ebensolche Innenbohrung 17 aufweist, verbunden.
• Die Innenbohrung 17 des Innenrohres 16 und jene der Rohrträgerplatte 12, 14 weisen gleichgroße Innendurchmesser D auf und sind miteinander fluchtend ausgerichtet.
• In einer unverschweißten Ausgangslage sind das Innenrohr 16 und die Rohrträgerplatte 12, 14 mit dem ersten Formschluss F1, der radial sowie axial und gegeneinander gerichtet wirksam ist, zueinander festgelegt.
• Die umlaufende Rundschweißnaht 36 ist orbital, von der Innenbohrung 17 ausgehend, einlagig und durchgängig von innen bis außen ausgeführt.
• Die Schweißnahtbreite b der umlaufenden Rundschweißnaht 36 erfasst mindestens die axiale Formschlusstiefe B1 des ersten Formschlusse F1.

Die Hilfsvorrichtung 50 besteht aus einer ersten und einer zweiten Halteringhälfte 50.1, 50.2, die nach einer Fügung miteinander einen geschlossenen Ring bilden. Die Halteringhälften 50.1, 50.2 berühren sich in einer Trennebene E, die durch ein Zentrum Z der Hilfsvorrichtung 50 verläuft, und in dieser Trennebene E bilden die Halteringhälften 50.1, 50.2 über eine Trennebenekontur 50.1a und eine Trennebenegegenkontour 50.2a (8, 10) den unverschieblichen zweiten Formschluss F2 miteinander.
Vorzugsweise legt der zweite Formschluss F2 die erste und die zweite Halbringhälfte 50.1, 50.2 in radialer Richtung zueinander fest. Die erste und die zweite Halbringhälfte 50.1, 50.2 sind darüber hinaus vorteilhaft durch eine am Umfang der ersten und der zweiten Halbringhälfte 50.1, 50.2 angeordnete Verbindungsschraube 56, die diametral zueinander angeordnet sind, lösbar miteinander verbunden. Dadurch wird der radial orientierte zweite Formschluss F2 zusätzlich fixiert und eine axiale Verschiebung der Halteringhälften 50.1, 50.2 gegeneinander verhindert.
Die Rohrträgerplatte 12, 14 legt durch die Vorgabe von mehr als einer in ihr vorgesehenen Innenbohrung 17 das Rohrbelegungsmuster M fest für die Anordnung parallel zueinander angeordneter Innenrohre 16 (7, 7a, 7b). Das Rohrbelegungsmuster M ist in den Halteringhälften 50.1, 50.2 derart abgebildet, dass auf dem einzigen Teilkreis T gleichverteilt angeordnete Innenrohre 16 jeweils maximal halbseitig von den Halteringhälften 50.1, 50.2 umschlossen sind (10), wobei die Öffnung der jeweils umschließenden Kontur dem Zentrum Z der Hilfsvorrichtung 50 zugewandt ist. Die Trennebene E verläuft zusätzlich durch mindestens eine auf dem Teilkreis T liegende Innenrohrlängsachse R eines Innenrohres 16. Es sind Haltebolzen 52 vorgesehen, die jeweils am Umfang der Halteringhälften 50.1, 50.2 und mit einer Haltebolzenlängsachse r sternförmig zum Zentrum Z hin orientiert in die Halteringhälften 50.1, 50.2 verschieblich in Richtung der Halteringlängsachse r eingreifen. Die Haltebolzen 52 tangieren mit ihrer Mantelfläche jeweils auf dem Teilkreis T angeordnete, benachbarte Innenrohre 16. Die Haltebolzen 52 legen mit ihrer jeweiligen dem Zentrum Z zugewandten Stirnseite erforderlichenfalls ein im Zentrum Z angeordnetes Innenrohr 16 festlegen und sind in dieser Position selbst jeweils lösbar festgelegt (10). Die Haltebolzen 52 sind vorzugsweise jeweils durch eine Feststellschraube 54 in der zugeordneten Halteringhälfte 50.1, 50.2 unverrückbar festgelegt.
Im Ausführungsbeispiel einer besonders vorteilhaften Rohrbelegung gemäß den 7, 7a, 7b sind sieben Innenbohrungen 17 vorgesehen, wobei sich eine Innenbohrung 17 koaxial zur Plattenrotationsachse A der Rohrträgerplatte 12, 14 befindet und sechs Innenbohrungen 17 gleichverteilt auf dem Teilkreis T (8, 9, 10) angeordnet sind. In diesem Falle verläuft die Trennebene E zusätzlich durch zwei diametral zueinander angeordnete Innenrohre 16 (10).
Die Festlegung der Innenrohre 16 in der Hilfsvorrichtung 50 durch Haltebolzen 52 kann auch in anderer als in der vorstehend beschriebenen Weise erfolgen, beispielsweise durch verschiebliche und fixierbare Formstücke, die in axialer Richtung von der der Rohrträgerplatte 12, 14 abgewandten Seite in eine ringförmige, lösbar teilbare Hilfsvorrichtung 50 zwischen die Innenrohre 16 eingelegt werden und die Innenrohre unverrückbar festlegen. Jedwede Ausgestaltung der Hilfsvorrichtung 50, die den Satz Innenrohre 16 während der Schweißabfolge unverrückbar festlegt und die Innenrohre 16 in Gänze dabei im ersten Formschluss F1 gegenüber der Rohrträgerplatte 12, 14 justiert und gegen letztere mit der Anpresskraft PR anpresst, ermöglicht die Durchführung des Verfahrens für Schweißverbindungen zwischen Innenrohren 16 und Rohrträgerplatten 12, 14 eines Rohrbündels 10 für einen Produkt-zu-Produkt-Rohrbündel-Wärmeaustauscher.
Die vorliegende Neuerung beansprucht weiterhin ein Rohrbündel 10 für einen Produkt-zu-Produkt-Rohrbündel-Wärmeaustauscher 100, wie es in seinem grundsätzlichen Aufbau im Stand der Technik bekannt und in der 3 in Verbindung mit den 2a, 2b dargestellt ist. Im Gegensatz zu dieser bekannten Ausführung wird der kritische Ringspalt S dadurch vermieden, dass das Rohrbündel 10 in diesem Bereich mit einer Hilfsvorrichtung 50 für ein Verfahren für Schweißverbindungen zwischen Innenrohren 16 und Rohrträgerplatten 12, 14 nach einem der Ansprüche 1 bis 8 geschweißt ist.
Die vorliegende Neuerung beansprucht weiterhin einen Produkt-zu-Produkt-Rohrbündel-Wärmeaustauscher mit wenigstens einem Rohrbündel 10, wie es in seinem grundsätzlichen Aufbau im Stand der Technik bekannt und in der 3 in Verbindung mit den 2a, 2b dargestellt ist. Im Gegensatz zu dieser bekannten Ausführung wird der kritische Ringspalt S dadurch vermieden, dass das Rohrbündel 10 in diesem Bereich nach Anspruch 9 geschweißt ist.
Bezugszeichenliste

100: Rohrbündel-Wärmeaustauscher
5: Verbindungsbogen
10: Rohrbündel
12: erste Rohrträgerplatte
14: zweite Rohrträgerplatte
15: Außenrohr
15*: Außenkanal
16: Innenrohr
16*: Innenkanal
17: Innenbohrung
18: erster Eintritt
20: erster Austritt
22: zweiter Eintritt
24: zweiter Austritt
26: plattenseitiger Innenrezess
28: plattenseitiger Außenrezess
30: rohrseitiger Innenrezess
32: rohrseitiger Außenrezess
34: plattenseitige Ausnehmung
36: umlaufende Rundschweißnaht
40: Schweißwerkzeug
42: Schweißelektrode
50: Hilfsvorrichtung
50.1: erste Halteringhälfte
50.1a: Trennebenekontur
50.2: zweite Halteringhälfte
50.2a: Trennebenegegenkontur
52: Haltebolzen
54: Feststellschraube
56: Verbindungsschraube
A: Plattenrotationsachse
B: Plattenwandstärke
B1: axiale Formschlusstiefe
B2: vorgelagerter axialer Formschlussabstand
D: Innendurchmesser
E: Trennebene
F1: erster Formschluss
F2: zweiter Formschluss
L: Innenrohrlänge
M: Rohrbelegungsmuster
P1: erstes Produkt
P2: zweites Produkt
PR: Anpresskraft
R: Innenrohrlängsachse
S: Ringspalt
SN: Schweißnaht
T: Teilkreis
U: orbitale Bewegung
Z: Zentrum
a: Rezesswandstärke
b: Schweißnahtbreite
d: Rohrwandstärke
n: Anzahl (Innenrohre; Innenbohrungen)
r: Haltebolzenlängsachse
D/d > 10: Verhältnis des Innendurchmessers des Innenrohres zur Rohrwandstärke
L/D > 100: Verhältnis der Innenrohrlänge zum Innendurchmesser des Innenrohres
B/d > 10: Verhältnis der Plattenwandstärke zur Rohrwandstärke

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2020117121 [0007]
US 2996600 A [0008]
WO 2014060425 A1 [0009]
DE 9403913 U1 [0025]

Claims

Hilfsvorrichtung (50) für ein Verfahren für Schweißverbindungen zwischen Innenrohren (16) und Rohrträgerplatten (12, 14) eines Rohrbündels (10) für einen Produkt-zu-Produkt-Rohrbündel-Wärmeaustauscher (100), wobei die Schweißverbindung in an sich bekannter Weise derart ausgestaltet ist, • dass das Innenrohr (16) mit seiner Innenbohrung (17) in einer Ebene senkrecht zu einer Innenrohrlängsachse (R) mit einer Stirnseite der scheibenförmigen Rohrträgerplatte (12, 14), die eine ebensolche Innenbohrung (17) aufweist, verbunden ist, • dass die Innenbohrung (17) des Innenrohres (16) und jene der Rohrträgerplatte (12, 14) gleichgroße Innendurchmesser (D) aufweisen und miteinander fluchtend ausgerichtet sind, • dass in einer unverschweißten Ausgangslage das Innenrohr (16) und die Rohrträgerplatte (12, 14) mit einem ersten Formschluss (F1), der radial sowie axial und gegeneinander gerichtet wirksam ist, zueinander festgelegt sind, • dass eine umlaufende Rundschweißnaht (36) orbital, von der Innenbohrung (17) aus, einlagig und durchgängig von innen bis außen ausgeführt ist und • dass eine Schweißnahtbreite (b) der umlaufenden Rundschweißnaht (36) mindestens eine axiale Formschlusstiefe (B1) des ersten Formschlusses (F1) erfasst, dadurch gekennzeichnet, • dass eine erste und eine zweite Halteringhälfte (50.1, 50.2) vorgesehen sind, die einen geschlossenen Ring bilden, • dass sich die Halteringhälften (50.1, 50.2) in einer Trennebene (E), die durch ein Zentrum (Z) der Hilfsvorrichtung (50) verläuft, berühren und dass in der Trennebene (E) die Halteringhälften (50.1, 50.2) einen unverschieblichen zweiten Formschluss (F2) miteinander bilden, • dass die Rohrträgerplatte (12, 14) durch die Vorgabe von mehr als einer in ihr vorgesehenen Innenbohrung (17) ein Rohrbelegungsmuster (M) festlegt für die Anordnung parallel zueinander angeordneter Innenrohre (16), • dass das Rohrbelegungsmuster (M) in den Halteringhälften (50.1, 50.2) derart abgebildet ist, dass auf einem einzigen Teilkreis (T) gleichverteilt angeordnete Innenrohre (16) jeweils maximal halbseitig von den Halteringhälften (50.1, 50.2) umschlossen sind, wobei die Öffnung der jeweils umschließenden Kontur dem Zentrum (Z) der Halteringhälften (50.1, 50.2) zugewandt ist, • dass die Trennebene (E) zusätzlich durch mindestens eine auf dem Teilkreis (T) liegende Innenrohrlängsachse (R) verläuft, • dass Haltebolzen (52) vorgesehen sind, die jeweils am Umfang der Halteringhälften (50.1, 50.2) und sternförmig zum Zentrum (Z) hin orientiert in die Halteringhälften (50.1, 50.2) verschieblich eingreifen, • dass die Haltebolzen (52) auf dem Teilkreis (T) angeordnete, benachbarte Innenrohre (16) jeweils tangieren und • dass die Haltebolzen (52) mit ihrer jeweiligen dem Zentrum (Z) zugewandten Stirnseite erforderlichenfalls ein im Zentrum (Z) angeordnetes Innenrohr (16) festlegen und in dieser Position selbst jeweils lösbar festgelegt sind.
Hilfsvorrichtung (50) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Formschluss (F2) die erste und die zweite Halbringhälfte (50.1, 50.2) in radialer Richtung zueinander festlegt.
Hilfsvorrichtung (50) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltebolzen (52) jeweils durch eine Feststellschraube (54) in der zugeordneten Halteringhälfte (50.1, 50.2) unverrückbar festgelegt sind.
Hilfsvorrichtung (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Halbringhälfte (50.1, 50.2) durch eine am Umfang der ersten und der zweiten Halbringhälfte (50.1, 50.2) angeordnete Verbindungsschraube (56), die diametral zueinander angeordnet sind, lösbar miteinander verbunden sind.
Hilfsvorrichtung (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, • dass sieben Innenrohre (16) vorgesehen sind, wobei sich ein Innenrohr (16) koaxial im Zentrum (Z) befindet und sechs Innenrohre (16) gleichverteilt auf dem Teilkreis (T) angeordnet sind und • dass die Trennebene (E) zusätzlich durch zwei diametral zueinander angeordnete Innenrohre (16) verläuft.
Hilfsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die umlaufende Rundschweißnaht (36) so positioniert ist, dass die Schweißnahtbreite (b) maximal um die Formschlusstiefe (B1) in die Rohrträgerplatte (12, 14), von der Seite des Innenrohres (16) aus gesehen, eingreift.
Hilfsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die umlaufende Rundschweißnaht (36), bezogen auf die Rohrträgerplatte (12, 14), um einen vorgelagerten axialen Formschlussabstand (B2) des ersten Formschlusses (F1) von der Rohrträgerplatte (12, 14) entfernt positioniert ist, wobei die Rohrträgerplatte (12, 14) in diesem Bereich auf eine Wandstärke zwischen der einfachen bis zur zweifachen Rohrwandstärke (d) ausgehalst ist.
Hilfsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrträgerplatte (12, 14) radial außenseits von der umlaufenden Rundschweißnaht (36) eine umlaufende, axial sich erstreckende, ringspaltförmige plattenseitige Ausnehmung (34) aufweist, die so ausgebildet ist, dass die mit der umlaufenden Rundschweißnaht (36) zu verschweißende Wandstärke der Rohrträgerplatte (12, 14) einen Wert annimmt, der zwischen der einfachen bis zur zweifachen Rohrwandstärke (d) liegt.
Rohrbündel (10) für einen Produkt-zu-Produkt-Rohrbündel-Wärmeaustauscher (100), geschweißt mit einer Hilfsvorrichtung (50) für ein Verfahren für Schweißverbindungen zwischen Innenrohren (16) und Rohrträgerplatten (12, 14) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Produkt-zu-Produkt-Rohrbündel-Wärmeaustauscher (100) mit wenigstens einem Rohrbündel (10), das nach Anspruch 9 geschweißt ist.