DE202020005654U1

DE202020005654U1 - Rohrbündelwärmetauscher

Info

Publication number: DE202020005654U1
Application number: DE202020005654.5U
Authority: DE
Original assignee: Wieland Werke AG
Current assignee: Wieland Werke AG
Priority date: 2020-11-17
Filing date: 2020-11-17
Publication date: 2021-12-09
Anticipated expiration: 2030-11-18

Abstract

Rohrbündelwärmetauscher (1) mit einem umhüllenden Außenmantel (2) sowie zumindest einem Rohrboden (3), die zusammen einen Innenraum (4) des Rohrbündelwärmetauschers (1) definieren, umfassend
- ein Rohrbündel mit einer Vielzahl von Wärmeaustauscherrohren (5), die im Innenraum (4) angeordnet von einem ersten Wärmeübertragerfluid durchströmbar sind und wahlweise durch zusätzliche Stützbleche (6) gestützt werden, wobei die Wärmeaustauscherrohre (5) auf ihrer Außenseite eine Außenberippung (51) aufweisen,
- zumindest einen Einlass (8) am Außenmantel (2), über den ein die Wärmeaustauscherrohre (5) umströmendes zweites Wärmeübertragerfluid in den Innenraum (4) eingeleitet werden kann, und zumindest einen Auslass (9), über den das zweite Wärmeübertragerfluid aus dem Innenraum (4) abgeleitet werden kann,
- wahlweise mindestens einen an dem mindestens einen Rohrboden (3) angeordneten Anschlusskasten (7) zur Verteilung, Umlenkung oder Sammlung des ersten Wärmeübertragerfluids, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Wärmeaustauscherrohre (5) an Durchtrittsstellen (31) mit ihrer Außenberippung (51) in den Rohrboden (3) eintreten oder durch den Rohrboden (3) hindurchtreten, und
- dass an diesen Durchtrittsstellen (31) die Wärmeaustauscherrohre (5) eine stoffschlüssige Verbindung (32) mit dem Rohrboden (3) aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rohrbündelwärmetauscher gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Rohrbündelwärmetauscher dienen dazu, Wärme von einem ersten Fluid auf ein zweites Fluid zu übertragen. Zu diesem Zweck weist ein Rohrbündelwärmetauscher zumeist einen Hohlzylinder auf, in dessen Innerem eine Vielzahl von Rohren angeordnet ist. Eines der beiden Fluide kann durch die Rohre geleitet werden, das andere Fluid durch den Hohlzylinder, insbesondere um die Rohre herum Die Rohre sind mit ihren Enden an einem Rohrboden oder mehreren Rohrböden des Rohrbündelwärmetauschers entlang ihres Umfangs befestigt. Im Zuge des Herstellungsprozesses eines Rohrbündelwärmetauschers werden die Rohre mit ihren Enden beispielsweise stoffschlüssig mit dem Rohrboden verbunden Generell ist es wünschenswert, eine Möglichkeit bereitzustellen, um Rohre eines Rohrbündelwärmetauschers mit einem Rohrboden des Rohrbündelwärmetauschers auf aufwandsarme und kostengünstige Weise in hoher Qualität miteinander zu verbinden.
Aus der Druckschrift WO 2017/ 025 184 A1 ist ein Verfahren zum Verbinden von Rohren eines Rohrbündelwärmetauschers mit einem Rohrboden beschrieben. Die Rohre und der Rohrboden sind jeweils aus Aluminium oder einer AluminiumLegierung gefertigt und werden mittels Laserschweißens mit dem Rohrboden stoffschlüssig verbunden. Die Intensität des erzeugten Laserstrahls liegt dabei über 1 MW/cm2. Auch ist angedacht, dass die Rohre des Rohrbündelwärmetauschers mit dem Rohrboden vor dem Laserschweißen formschlüssig verbunden werden.
Der herzustellende Rohrbündelwärmetauscher weist in seinem gefertigten, betriebsbereiten Zustand eine Vielzahl von Rohren auf, die im Inneren eines Hohlzylinders angeordnet sind. Der Rohrboden kann als eine Platte ausgebildet sein und weist Bohrungen auf, welche in ihrem Durchmesser im Wesentlichen den Außendurchmessern der Rohre entsprechen Jedes Rohr ist mit einem seiner Enden jeweils an einer dieser Bohrungen befestigt.
Die Rohre können innerhalb des Hohlzylinders als Geradrohr-Wärmetauscher geradlinig verlaufen In diesem Fall sind zwei Rohrböden vorgesehen, welche an gegenüberliegenden Enden des Geradrohr-Wärmetauschers angeordnet sind. Jedes Rohr ist mit jeweils einem seiner Enden dabei an jeweils einem dieser zwei Rohrböden befestigt.
Die Rohre können innerhalb des Hohlzylinders auch als U-Rohr-Wärmetauscher U-förmig verlaufen Ein derartiger U-Rohr-Wärmetauscher weist üblicherweise nur einen Rohrboden auf. Da die Rohre in diesem Fall U-förmig gebogen sind, können sie jeweils mit ihren beiden Enden an demselben Rohrboden befestigt werden
Aus der DE 10 2006 031 606 A1 ist ein Verfahren zum Laserschweißen eines Wärmetauschers zur Abgaskühlung bekannt, bei dem einer Vorschubbewegung des Laserstrahls zudem eine Pendelbewegung überlagert wird. Diese Pendelbewegung erfolgt im Wesentlichen in senkrechter Richtung zu der Vorschubrichtung. Die Pendelbewegung erfolgt aus Gründen der besseren Überbrückung von Spalten
Des Weiteren ist aus der Druckschrift WO 2017/ 125 253 A1 ein Verfahren zum Verbinden von Rohren eines Rohrbündelwärmetauschers mit einem Rohrboden bekannt. Die Rohre werden mittels Laserschweißen mit dem Rohrboden stoffschlüssig verbunden. Zur Verbindung wird ein Laserstrahl erzeugt und auf eine zu schweißende Stelle in einem Verbindungsbereich zwischen Rohr und Rohrboden fokussiert. Hierbei wird der Laserstrahl derart bewegt, dass er eine erste Bewegung über den Verbindungsbereich hinweg und eine der ersten Bewegung überlagerte zweite Bewegung vollzieht, die unterschiedlich zu der ersten Bewegung ist. Durch die zweite Bewegung wird gezielt die Schmelzbaddynamik beeinflusst und eine entstehende Dampfkapillare vorteilhaft modifiziert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Rohre eines Rohrbündelwärmetauschers mit einem Rohrboden zuverlässig und in aufwandsarmer Weise in hoher Qualität zu verbinden
Die Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 wiedergegeben. Die weiteren rückbezogenen Ansprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
Die Erfindung schließt einen Rohrbündelwärmetauscher mit einem umhüllenden Außenmantel sowie zumindest einem Rohrboden ein, die zusammen einen Innenraum des Rohrbündelwärmetauschers definieren. Der Rohrbündelwärmetauscher umfasst ein Rohrbündel mit einer Vielzahl von Wärmeaustauscherrohren, die im Innenraum angeordnet von einem ersten Wärmeübertragerfluid durchströmbar sind und wahlweise durch zusätzliche Stützbleche gestützt werden, wobei die Wärmeaustauscherrohre auf ihrer Außenseite eine Außenberippung aufweisen. Der Rohrbündelwärmetauscher umfasst zumindest einen Einlass am Außenmantel, über den ein die Wärmeaustauscherrohre umströmendes zweites Wärmeübertragerfluid in den Innenraum eingeleitet werden kann, und zumindest einen Auslass, über den das zweite Wärmeübertragerfluid aus dem Innenraum abgeleitet werden kann. Der Rohrbündelwärmetauscher umfasst wahlweise mindestens einen an dem mindestens einen Rohrboden angeordneten Anschlusskasten zur Verteilung, Umlenkung oder Sammlung des ersten Wärmeübertragerfluids. Die Wärmeaustauscherrohre treten an Durchtrittsstellen mit ihrer Außenberippung in den Rohrboden ein oder durch den Rohrboden hindurch An diesen Durchtrittsstellen weisen die Wärmeaustauscherrohre eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Rohrboden auf. Dadurch grenzt die Außenberippung folglich auch unmittelbar an die Rohrbodenwandung an oder tritt mit dieser in Kontakt.
Mit anderen Worten: Die Wärmeaustauscherrohre weisen innerhalb der Durchtrittsstellen, an denen sie in einen Rohrboden ein oder durch einen Rohrboden hindurchtreten eine Außenberippung auf. Diese Außenberippung wird durch das Material für eine stoffschlüssige Verbindung umschlossen und so ein Durchtritt von Gas oder Flüssigkeit hermetisch abgedichtet. Zum reinen Stoffschluss können auch Kombination zusammen mit Kraftschluss und Formschluss in vorteilhafter Weise eingesetzt werden.
Zur Außenberippung kann ein Wärmeaustauscherrohr zudem wahlweise eine Innenstruktur aufweisen. Die Innenstruktur kann in Gestalt einer innen umlaufenden Helix mit einem vorgegebenen Drallwinkel ausgeführt sein. Für den Fall, dass die Außenseite der Wärmeaustauscherrohre eine spiralig umlaufende Außenberippung aufweist, kann die Steigung der umlaufenden Außenberippung gleich, geringer oder größer als die durch den Drallwinkel vorgegebene Steigung der umlaufenden Helix ausgebildet sein. Beide Strukturen können sich folglich dahingehend unterscheiden, dass zur stoffschlüssigen Verbindung der Außenseite eines Wärmeaustauscherrohres mit der Behälterwandung die Gestaltung der Außenberippung und der Innenstruktur unabhängig voneinander gestaltet und so optimiert werden können.
Zur Optimierung des Wärmeaustauschs sind beiden Strukturen jedoch gewisse Grenzen vorgegeben So liegt das Verhältnis der maximalen Strukturhöhe der Außenberippung und der maximalen Strukturhöhe der Innenstruktur für Verflüssigerrohre bevorzugt im Bereich von 1,25 bis 5 und für Verdampferrohre bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 2.
Vor allem Investitionskosten sollen gespart werden, da die erfindungsgemäßen Rohrbündelwärmetauscher wesentlich kompakter gebaut werden können. Hierbei reicht die Außenberippung bis an den Rohrboden heran, wodurch die Anzahl der Wärmeaustauscherrohre pro Einheit deutlich reduziert werden kann. Je nach Anforderung ermöglichen die Rippenrohre einen effizienteren Energieeinsatz oder die Reduzierung von Füllmengen, was die Betriebskosten senkt.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass eine stoffschlüssige Verbindung der Wärmeaustauscherrohre mit den Rohrböden besonders zuverlässig und aufwandsarm in hoher Qualität erzielt wird. Erfindungsgemäß tritt ein Wärmeaustauscherrohr mit seiner außenseitigen Außenberippung in den Rohrboden ein oder durch den Rohrboden hindurch. An die stoffschlüssige Verbindung der Rohre mit dem Rohrboden verbleibt dann unmittelbar angrenzend die Außenberippung erhalten. Dies hat den besonderen Vorteil, dass im Inneren des Rohrbündelwärmetauschers die Wärmeaustauscherrohre für eine effiziente Wärmeübertragung eine durchgängige Außenberippung aufweisen.
Vorteilhafterweise kann die stoffschlüssige Verbindung gasdicht und druckbeständig ausgeführt sein. Über die Funktionen hinsichtlich mechanischer Stabilität verbunden mit einer effizienten Wärmeübertragung hinaus ist eine hermetische Abdichtung zur Verhinderung eines Fluidaustausches mit der Umgebung in jedem Betriebsmodus wichtig.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weisen die Wärmeaustauscherrohre in den Durchtrittsstellen einen Rohrinnendurchmesser D2 auf, der größer ist als der Rohrinnendurchmesser D1 der Wärmeaustauscherrohre außerhalb der Durchtrittsstellen.
Wenn die Wärmeaustauscherrohre innerhalb der Durchtrittsstellen, an denen sie in den Rohrboden ein oder durch den Rohrboden hindurchtreten immer noch eine Außenberippung aufweisen, liegt verfahrensseitig eine Aufweitung des Wärmeaustauscherrohres mit der Folge eines vergrößerten Durchtrittsinnendurchmessers D2 zugrunde. Durch eine Aufweitung wird dann innerhalb einer Durchtrittsstelle die Außenberippung gequetscht. Dennoch sorgt die stoffschlüssige Verbindung letztendlich für eine stabile hermetische Abdichtung.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung können die Wärmeaustauscherrohre in einen Rohrboden gelötet, geklebt oder geschweißt sein. Zu den genannten bevorzugten Verbindungsarten können auch weitere hinzutreten, welche die Wärmeaustauscherrohre mittels einer stoffschlüssigen Verbindung mit dem Rohrboden zuverlässig fügen.
Prinzipiell kann die Außenberippung auf der Außenseite der Wärmeaustauscherrohre bevorzugt in umfänglicher Richtung oder in axialer Richtung parallel zur Rohrachse verlaufen. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Außenseite der Wärmeaustauscherrohre eine spiralig umlaufende Außenberippung aufweisen. Bei einer spiraligen Außenberippung muss lediglich ein Restspalt und der spiralig mit einer Außenberippung umlaufende Kanal durch die stoffschlüssige Verbindung zuverlässig abgedichtet werden.
Auch wenn regelmäßig für die Wärmeaustauscherrohre ein geeignetes einheitliches Material bevorzugt ist, kann in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung mindestens ein erstes Wärmeaustauscherrohr aus einem ersten Material bestehen und mindestens ein zweites Wärmeaustauscherrohr aus einem zweiten Material bestehen, welches sich vom ersten Material unterscheidet. Hinsichtlich der mechanischen Stabilität können Stahlrohre mit besonders hoher Festigkeit einen besonderen Vorteil bieten. Kupferrohre bewirken hingegen eine Optimierung hinsichtlich einer effizienten Wärmeübertragung. Auch andere Materialien, wie beispielsweise Titan, Aluminium, Aluminiumlegierungen sowie Kupfer-Nickel-Legierungen kommen in Betracht.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Darin zeigen:

1 schematisch eine Seitenansicht eines Rohrbündelwärmetauschers,
2 schematisch eine Frontansicht eines Ausschnitts eines Rohrbodens mit Durchtrittsstelle, und
3 schematisch einen senkrechten Schnitt des Rohrbodens in der Ebene der Durchtrittsstelle der Wärmeaustauscherrohre.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Rohrbündelwärmetauschers 1 mit einem umhüllenden Außenmantel 2 sowie zwei Rohrböden 3, die zusammen einen Innenraum 4 des Rohrbündelwärmetauschers 1 definieren. Der Rohrbündelwärmetauscher 1 umfasst ein Rohrbündel mit einer Vielzahl von Wärmeaustauscherrohren 5, die im Innenraum 4 angeordnet von einem ersten Wärmeübertragerfluid durchströmbar sind und durch zusätzliche Stützbleche 6 gestützt werden. Derartige Stützbleche 6 werden oft auch zudem als Leitbleche für den Fluidfluss eingesetzt. Der Rohrbündelwärmetauscher 1 umfasst zudem Anschlusskästen 7, die das erste Wärmeübertragerfluid im Inneren der Wärmeaustauscherrohre je nach Anforderung verteilen, umlenken oder sammeln. Es ist zumindest ein Einlass 8 am Außenmantel 2 vorhanden, über den ein zweites Wärmeübertragerfluid in den Innenraum eingeleitet werden kann, und zumindest ein Auslass 9 über den das zweite Wärmeübertragerfluid aus dem Innenraum abgeleitet werden kann.
2 zeigt schematisch eine Frontansicht eines Ausschnitts eines Rohrbodens 3 mit Durchtrittsstellen 31. An einer Durchtrittsstelle 31 ist die Ausnehmung der Rohrbodenwandung 33 bevorzugt gerade so groß, dass ein Wärmeaustauscherrohr 5 mit seiner Außenberippung 51 eingebracht werden kann und dort stoffschlüssig verbunden wird. Klebe- und Lötverbindungen als stoffschlüssige Verbindung 32 können an der Durchtrittsstelle 31 über die gesamte Wandstärke eines Rohrbodens 3 erfolgen. Schweißverbindungen als stoffschlüssige Verbindung 32 können außen und/oder innenseitig am Rohrboden 3 angeordnet werden. Bei günstigem Schmelzfluss kann sich auch bei einseitiger Schweißung von der Außen- oder Innenseite der Rohrbodenwandung 33 eines Rohrbodens 3 eine durch die gesamte Wandstärke erfolgende Schweißverbindung an der Durchtrittsstelle 31 einstellen.
3 zeigt schematisch einen senkrechten Schnitt des Rohrbodens 3 entlang der Schnittlinie A-A aus 2 in der Ebene der Durchtrittsstelle 31 eines Wärmeaustauscherrohres 5. Das dargestellte Wärmeaustauscherrohr 5 weist auf der Außenseite eine Außenberippung 51 auf. Das Wärmeaustauscherrohr 5 tritt an der Durchtrittsstelle 31 durch die Rohrbodenwandung 33 hindurch. An dieser Durchtrittsstelle 31 weist das Wärmeaustauscherrohr 5 eine durchgängige Außenberippung 51 sowie eine stoffschlüssige Verbindung 32 in Gestalt einer durchgängigen Schweißnaht mit dem Rohrboden 3 auf. Je nach Materialkombination aus dem Rohrboden 3 und aus dem Wärmeaustauscherrohr 5 kann es an der Schweißstelle 32 zu vorteilhaften intermetallischen neuen Phasenbildungen im Schmelzebad kommen. Ein geeignetes Verfahren zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung mit einem örtlich begrenzten Schmelzfluss stellt insbesondere das Laserschweißen dar.
Bezugszeichenliste

1: Rohrbündelwärmetauscher
2: Außenmantel
3: Rohrboden
31: Durchtrittsstellen
32: stoffschlüssige Verbindung
33: Rohrbodenwandung
4: Innenraum
5: Wärmeaustauscherrohr
51: Außenberippung
6: Stützblech
7: Anschlusskasten
8: Einlass
9: Auslass
D1, D2: Rohrinnendurchmesser
Pfeil: Fluidfluss
A-A: Schnittlinie

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

DE 102006031606 A1 [0007]

Claims

Rohrbündelwärmetauscher (1) mit einem umhüllenden Außenmantel (2) sowie zumindest einem Rohrboden (3), die zusammen einen Innenraum (4) des Rohrbündelwärmetauschers (1) definieren, umfassend - ein Rohrbündel mit einer Vielzahl von Wärmeaustauscherrohren (5), die im Innenraum (4) angeordnet von einem ersten Wärmeübertragerfluid durchströmbar sind und wahlweise durch zusätzliche Stützbleche (6) gestützt werden, wobei die Wärmeaustauscherrohre (5) auf ihrer Außenseite eine Außenberippung (51) aufweisen, - zumindest einen Einlass (8) am Außenmantel (2), über den ein die Wärmeaustauscherrohre (5) umströmendes zweites Wärmeübertragerfluid in den Innenraum (4) eingeleitet werden kann, und zumindest einen Auslass (9), über den das zweite Wärmeübertragerfluid aus dem Innenraum (4) abgeleitet werden kann, - wahlweise mindestens einen an dem mindestens einen Rohrboden (3) angeordneten Anschlusskasten (7) zur Verteilung, Umlenkung oder Sammlung des ersten Wärmeübertragerfluids, dadurch gekennzeichnet, - dass die Wärmeaustauscherrohre (5) an Durchtrittsstellen (31) mit ihrer Außenberippung (51) in den Rohrboden (3) eintreten oder durch den Rohrboden (3) hindurchtreten, und - dass an diesen Durchtrittsstellen (31) die Wärmeaustauscherrohre (5) eine stoffschlüssige Verbindung (32) mit dem Rohrboden (3) aufweisen.
Rohrbündelwärmetauscher (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige Verbindung (32) gasdicht und druckbeständig ausgeführt ist.
Rohrbündelwärmetauscher (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauscherrohre (5) in den Durchtrittsstellen (31) einen Rohrinnendurchmesser D2 aufweisen, der größer ist als der Rohrinnendurchmesser D1 der Wärmeaustauscherrohre (5) außerhalb der Durchtrittsstellen (31)
Rohrbündelwärmetauscher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauscherrohre (5) in einen Rohrboden (3) gelötet, geklebt oder geschweißt sind.
Rohrbündelwärmetauscher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenseite der Wärmeaustauscherrohre (5) eine spiralig umlaufende Außenberippung (51) aufweist.