DE2044207A1

DE2044207A1 - 'Wärmeaustauscher

Info

Publication number: DE2044207A1
Application number: DE19702044207
Authority: DE
Inventors: John G Dunkirk Garrison Maurice R Hamburg Skiba Edward J Wilhamsville NY Draves (VStA^
Original assignee: American Precision Industries Inc
Current assignee: American Precision Industries Inc
Priority date: 1969-09-08
Filing date: 1970-09-07
Publication date: 1971-03-18
Also published as: US3593782A; GB1322220A; DE2044207C3; DE2044207B2

Description

Dr. Ing. E. BERKENFELD · Dipl.-lng. H. B ERKEN FELD, Patentanwälte, Köln Anlage Aktenzeichen

zur Eingabe vom 5. September 1970 vA. Named. Anm. American Precision

Industries Inc.

Wärmeaustauscher

Die vorliegende Erfindung betrifft Wärmeaustauscher und insbesondere Verbindungen für Wärmeaustauscher von derjenigen Bauart, bei der ein äußeres Rohr oder ein Mantel ein inneres Rohr bzw. ein Bündel von Rohren umschließt»

Diese Wärmeaustauscher sind dem Angriff von wärmetauschenden Medien unter verschiedenen Temperaturen und oft bei relativ hohen Drücken ausgesetzt. Ein bei solchen Wärmetauschern auftretendes Problem liegt darin, daß sie infolge der auftretenden hohen Drücke und infolge einer Zusammenziehung und Dehnung des inneren Rohres gegenüber dem äußeren Rohr aufgrund von Temperaturschwankungen leck werden. Zur Lösung dieses Problems hat man schon Versuche unternommen. Die eingesetzten Mittel haben jedoch nicht vollständig zufriedengestellt. Man hat zum Beispiel versucht, die aufeinanderliegenden Flächen konisch auszubilden. Man muß die Flächen jedoch aufeinander ausrichten, und falls eine Fläche beschädigt wird und nachbearbeitet werden muß, muß auch die andere Fläche nachbearbeitet werden.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt damit in der Schaffung einer Verbindung für einen Wärmeaustauscher, die einfach und stark in der Konstruktion ist, dauerhaft und haltbar in ihrer Anwendung, niedrig an Kosten und die sich einfach zusammenbauen und auch wieder auseinandernehmen läßt_o

Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt in der Ausbildung einer Verbindung für einen Wärmeaustauscher, die eine verbesser-

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te Druckabdichtung bildet, um bei gleichzeitiger Aufnahme der Relativdehnung und -zusammenziehung des inneren gegenüber dem$ äußeren Rohr Leckstellen zu vermeiden.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt in der Ausbildung einer Verbindung für einen Wärmeaustauscher, bei dem sich sowohl eine elastomere als auch eine metallische oder eine aus einem anderen Werkstoff bestehende Abdichtung verwenden läßt.

Eine weitere Aufgabe liegt schließlich noch darin, die vorstehend erläuterte Anordnung so auszubilden, daß sich alle Dichtflächen nach einer möglichen Beschädigung leicht reparieren lassen.

Insgesamt gesehen betrifft die vorliegende Erfindung damit einen Wärmeaustauscher mit einem Mantel mit einem Schließflansch und einem Innenrohr mit einem Adapterstück, das eine in Umfangsrichtung verlaufende Abdichtfläche aufweist. Der Mantel hat eine innere abgeschrägte Dichtfläche und- ein Abdichtring wird durch einen Druckring, der von dem Mantelflansch getragen wird, gegen die in Umfangsrichtung verlaufende Dichtfläche und die abgeschrägte Dichtfläche gepreßt. Ein ebenfalls von dem Mantelflansch getragener Haltering erstreckt sich in eine ümfangsnute, die in dem Adapterstück vorgesehen ist, und begrenzt die Axialverschiebung zwischen dem Innenrohr und dem Mantel.

Am Beispiel der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsform wird die Erfindung weiter beschrieben. Dabei ist:

Fig. 1 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, des erfindungsgemäßen Wärmetauschers und

Fig. 2 ein senkrechter Schnitt entlang der Schnittlinie 2-2 in Fig. 1.

l'lg. 1 zeigt zwei Seite an Seite nebeneinanderliegende Rohre und 12, die an einem Ende einen gemeinsamen an sie angeschweißten Flansch 14 aufweisen. Auf dem Flansch 14 sitzt eine Endkap-

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pe 16, die mit Bolzen 18 und Muttern 20 an ihm befestigt ist. Die beiden anderen Enden der Rohre 10 und 12 sind an Rohrglieder angeschweißt, die radialeXfrließflansche 11 und 13 aufweisen. Die beiden Rohre 10 und 12 und die Endkappe 16 bilden einen haarnadelförmigen Mantel, der allgemein mit 22 bezeichnet ist. Am Rohr 12 ist ein Einlaß 24 und am Rohr 10 ein Auslaß 26 für das Medium vorgesehen. Selbstverständlich kann man den Einlaß und den Auslaß miteinander vertauschen. Der Wärmetauscher wird durch in Längsrichtung auseinanderliegende Bügel 28 getragene Gegebenenfalls kann man mehrere Wärmetauscher miteinander in Reihe verbinden.

Unter gegenseitigem Abstand liegt im* Mantel 22 ein inneres, ebenfalls haarnadelförmiges Rohr 30. Dieses besteht aus zwei langen, geraden Abschnitten 32 und 34 und einem diese verbindenden Krümmer 36. Das innere Rohr 30 ist in mehrere Stücke unterteilt, die jeweils bei 38 zu einem einstückigen Teil zusammengeschweißt sind. Die zwischen dem Abschnitt 36 und den Abschnitten 32 und 34 liegenden Schweißverbindungen liegen ihrerseits in der Trennebene zwischen der Endkappe 16 und den Mantelrohren 10 und 12. Durch Lösen der Schraubverbindung 18 und 20 läßt sich die Endkappe 16 einfach ablösen. Damit erhält man Zutritt zu dem Krümmer 30 zum Beispiel zur Überprüfung der Schweißnähte 38 oder zwecks einfacher Demontage des inneren Rohres 30. Dies wird noch beschrieben.

Das innere Rohr 30 hat ein Auslaßende 40 und ein Einlaßende 42«, Über eine Kupplung 44 sind sie an andere nicht gezeigte Rohre angeschlossen. Da beide Kupplungen 44 miteinander identisch sind, reicht die Beschreibung einer Kupplung aus. Eine Hülse 46 ist an das Einlaßende 40 des inneren Rohres 30 angeschweißt oder auf andere Weise fest mit diesem verbunden. Die Hülse 46 hat weiter ein Außengewinde 48. Das freie Ende der Hülse 46 weist eine innere konische Sitzfläche 50 auf. Diese Sitzfläche 50 dient zur Aufnahme einer komplementären äußeren konischen Sitzfläche 52 einer Hülse 54, die ihrerseits eine nicht gezeigte Leitung aufnimmt. Ein hülsenförmiges Kupplungsglied 56, das ein Innengewinde 58 aufweist, ist auf die Hülse 46 aufgeschraubt.

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Das Kupplungsglied 56 weist einen nach innen gerichteten Flansch 60 auf, der eine Schulter 62 bildet. Die Hülse 54 weist ihrerseits einen Umfangsflansch 64 auf. Dieser liegt an der Schulter 62 an. Durch eine axiale Einwärtsbewegung der Schulter 62 wird damit die Sitzfläche 52 mit der Sitzfläche 50 der Hülse 46 in Kontakt gebracht» Das durch das Innenrohr 30 durchfließende Wärmeaustausch-Medium kann entweder ein Kühlmittel oder auch ein auf hoher Temperatur befindliches Medium sein, was von dem gewünschten Wärmeaustauschverfahren abhängt.

Im Zwischenraum zwischen der Innenwand des Mantels 22 und der Außenwand des inneren Rohres 30 bildet sich ein Ringkanal 66, der sowohl mit dem Einlaß 24 als auch mit dem Auslaß 26 in Verbindung steht. Von der Außenwand des Rohres 30 ragen zahlreiche flache Rippen 68 radial in den Ringkanal 66. Sie verlaufen in Längsrichtung der geraden Abschnitte 32 und 34. Wie allgemein bekannt, erhöhen die Rippen 68 die am Wärmeaustausch beteiligte Oberfläche. Die Rippen 68 liegen in der Form von allgemein U-förmigen Kanälen vor, die ihrerseits Stege 70 aufweisen, die auf die Außenwand des Rohres 30 aufgeschweißt oder auf andere Weise auf dem Rohr befestigt sind. Die Kanäle weisen wiederum Schenkel auf, die radial vom Rohr 30 abstehen. Rippen dieser Bauart sind bekannt. Im Rahmen vorliegender Erfindung lassen sich auch andere Formen von Rippen verwenden. Ebenfalls kann man auf Rippen verzichten.

W Infolge des Zusammenziehens und der Dehnung des Werkstoffes, aus dem der Mantel 22 und das Rohr 30 gebildet ist, tritt eine bestimmte Längsverschiebung des Rohres 30 gegenüber dem Mantel 22 auf. Erfindungsgemäß sind nun Verbindungsmittel neben den Flanschen 11 und 13 des Mantels 22 vorgesehen, um diese relative Axialbewegung innerhalb vorgewählter Grenzen aufzufangen, während gleichzeitig eine· eine Abdichtung bewirkender Druck zwischen dem Mantel 22 und dem Rohr 30 ausgeübt wird. Da die an den beiden Flanschen 11 und 13 angeordneten Verbindungs-Einrichtungen miteinander identisch sind, wird nur eine solche Einrichtung beschrieben.

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Sie enthält ein allgemein zylindrisches Adapterstück 72, das an das Rohr 30 angeschweißt oder anders auf diesem befestigt ist. Das Adapterstück bildet einen Flansch mit einer Umfangs-Dichtfläche 74, in der eine Nute 76 verläuft. Der Außendurchmesser des Adapterstückes 22 ist niedriger als der Innendurchmesser der Mantelrohre 10 bzw«, 12«, Ein Druckring 78 mit einem Innendurchmesser, der über dem Durchmesser des Adapterstückes 76 liegt und etwa gleich dem Durchmesser der Mantelrohre ist, liegt mit einer Fläche 80 am Flansch 13 an, während seine andere Stirnseite 82 an einem geschlitzten Haltering 84 anliegt. Gewindebolzen 86, auf deren Enden Muttern 88 aufgeschraubt sind, treten durch die Ringe 78 und 84 und durch den Flansch 13 durch und halten diese Teile zusammen. Der Innenrand 90 des Ringes liegt in der Niite 76. Seine Dicke ist geringer als die Breite der Nute 76, so daß eine gewisse Längsverschiebung des Rohres 30 in Richtung auf die Endkappe 16 möglich wird.

Unter Bildung einer abgeschrägten Dichtfläche 94 ist der Flansch 93 an der Innenwand des Mantels 22 nach innen abgeschrägt. Ein Dichtring 96 liegt auf der Umfangs-Dichtflache 74 des Flansches 72 auf und liegt sowohl an der Stirnseite 80 des Druckringes als auch an der abgeschrägten Dichtfläche 94 des Flansches 13 an. Bei Anziehen der Gewindebolzen 86 werden damit Axialkräfte über den Ring 84 und den Ring 78 auf die Dichtung 96 ausgeübt und dieser wird in dichtende Berührung mit den Abdichtflächen 74 und 94 gepreßt. Der Dichtring 96 besteht aus einem geeigneten formbaren Eisen- oder Nichteisenmetall, wie zum Beispiel V/eicheisen oder Kupfer, oder aus einem Kunststoff. Dieses hängt von den Betriebsbedingungen ab. Ein bedeutendes Merkmal dieser Erfindung liegt darin, daß bei Anwendungen mit niedrigen Temperaturen ein federnd elastisches elastomeres Material, wie zum Beispiel Gummi oder Neopren, für den Dichtring 96 verwendet werden kann. Dies ist insbesondere deshalb vorteilhaft, weil dann nur ein Minimum an Kräften zum Bewirken einer lecksicheren Abdichtung erforderlich ist, während gleichzeitig eine Längsbewegung des Rohres 30 gegenüber dem Mantel 22 möglich bleibt.

Im ii(j trieb wird daß V/ärmeauatauüchmedium am Einlai3 40 in das OW^^U 109812/1230 "⁵V

Rohr 30 gegeben und durch dieses bis zum Auslaß 42 weitergeleitet. Das aufzuheizende oder zu kühlende Medium, das gasförmig oder flüssig sein kann, wird in den Einlaß 26 eingegeben und zwischen dem Mantel 22 und dem Innenrohr 30 bis zum Austritt durch ten Auslaß 24 durchgeführt. Während seines Durchtritts durch den Mantel 22 berührt dieses Medium die Rippen 68, wodurch der Wärmeaustauschvorgang verbessert wird. Zur Aufnahme der Dehnung und der Kontraktion zwischen Mantel 22 und Innenrohr 30 dient die oben beschriebene und durch die Verbindungs-.einrichtung möglich gewordene relative Längsverschiebung zwischen Rohr 30 und Mantel 22. Sie wird lediglich begrenzt durch den Abstand zwischen dem geschlitzten Ring 90 und den beiden Stirnseiten der Nute 76. Der Dichtring 96 läßt diese Axialbewegung zu. Wegen seines eine Verschiebung zulassenden Sitzes auf der Oberfläche 74 wird gleichzeitig eine B druckdichte Abdichtung bewirkt.

Obwohl die erfindungsgemäße Verbindungseinrichtung aus Gründen der Übersicht bei einem Wärmeaustauscher beschrieben wurde, der aus einem doppelwandigen Rohr besteht, läßt sich die Erfindung auch bei anderen Bauarten von Wärmetauschern anwenden. Zum Beispiel kann statt des einzigen Innenrohres 30 auch ein Bündel von Rohren verwendet und eine erfindungsgemäße Verbindungseinrichtung zwischen den Endplatten oder Flanschen dieses Rohrbündels und dem Mantel verwendet werden. Der in den Ansprüchen verwendete Hinweis auf ein einziges Innenrohr schließt den Hinweis auf ein Bündel von Rohren ein.

Es ergibt sich aus dem vorstehenden, daß das der Erfindung zugrunde liegende Problem völlig gelöst wird. Als Ergebnis dieser Erfindung ergibt sich eine einfache und verbesserte Verbindungseinrichtung für einen Wärmetauscher, bei der in wirkungsvoller Weise eine Abdichtung bewirkt und eine Längsverschiebung zwischen den sich gegeneinander verschiebenden Teilen des Wärmetauschers zugelassen wird. Der Dichtring 96 wird lecksicher gegen die Flächen 74 und 94 gepreßt und liegt in Gleitberührung auf der Oberfläche 74 auf.

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Bei einer Beschädigung dieser Oberfläche und einer hierdurch erforderlich werdenden Reparatur muß nur sie nachgearbeitet werden und der Dichtring 96 behält seine Dichteigenschaften bei. Ebenso beeinflußt eine Beschädigung und eine anschließen« de Reparatur der Oberfläche 94 nicht die Oberfläche 74 und die Funktion des Dichtringes 96. Die Dichtflächen 74und 94 sind nicht so aufeinander ausgerichtet*, daß eine Reparatur einer Fläche eine Justage erfordert.

Die erfindungsgemäße Verbindungseinrichtung ermöglicht ein einfaches Demontieren und Herausnehmen des Innenrohres oder eines Rohrbündels aus dem Mantel. Die Bolzen 86 werden entfernt. Darauf lassen sich die Halteringe 84 abnehmen. Die Kupplungen 44 werden getrennt und die Endkappe 16 wird abgenommen. Darauf läßt sich das Innenrohr 30 aus dem Mantel 22 herausnehmen. Zum Herausnehmen des Innenrohres ist es daher nicht erforderlich, die Leitungsanschlüsse oder Rohrverbindungen zu lösen. Die Erfindung ermöglicht weiter, elastomere Dichtringe 96 zu verwenden. Die Verwendung eines elastomeren Materials ermöglicht geringere Andruckkräfte und läßt größere Toleranzen bei der Bearbeitung der Dichtflächen zu.

Im vorstehenden wurde eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Im Rahmen des Schutzumfanges sind jedoch weitere Ausführungsformen möglich.

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Claims

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Dr. Ing. E. BERKENFELD · D i ρ I.-! ng. H. B E RK E N F E LD, Patentanwälte, Köln

Anlage Aktenzeichen

zur Eingabe vom 5. September 1970 vA. Named. Anm. American Precision

Industries Inc.

PATENTANSPRÜCHE

Wärmetauscher mit einem Mantel mit einem Verschlußflansch und einem mit Abstand im Mantel angeordneten Innenrohr und mit einer Verbindungseinrichtung zwischen dem Innenrohr und dem Mantel, die eine druckdichte Abdichtung bildet und ■ gleichzeitig eine Längsverschiebung ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungseinrichtung eine auf dem Innenrohr (30) angeordnete Einrichtung (72) mit einer Umfangsdichtfläche (74) aufweist, der Mantel (22) eine Innenwand mit einer/Dichtfläche (74) gegenüberliegenden abgeschrägten Dichtfläche (94) aufweist, ein Druckring (78) vom Flansch (13) des Mantels (22) gehalten ist, ein Dichtring (96) auf dem Innenrohr (30) aufliegt und zwischen der Dichtfläche (74), der abgeschrägten Dichtfläche (94) und dem Druckring (78) angeordnet ist, so daß auf den Druckring (78) ausgeübte Axialkräfte den Dichtring (96) in Dichtberührung mit der Umfangsdichtfläehe (74) und der abgeschrägten Dichtfläche (94) drücken.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungseinrichtung eine Einrichtung (76, 90, 84) zum Begrenzen der Längsverschiebung zwischen dem Innenrohr (30) und dem Mantel (22) aufweist.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf dem Innenrohr (30) befindliche und die Umfangsdichtfläche (74) aufweisende Einrichtung ein Adapterstück (72) mit einer Umfangsnute (76) aufweist und die Verbindungseinrichtung weiter einen vom Flansch (13) des Mantels (22) ge-

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haltenen Haltering (84) aufweist, der teilweise in die Bite (76) hineinragt.
4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Einrichtungen (86, 88) zum lösbaren Befestigen des Halteringes (84) und des Druckringes (78) am Flansch (13) und zum Anpressen des Dichtringes (96) gegen die beiden Dichtflächen (74 und 94).
5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangsdichtfläche (74) eine Zylinderfläche mit einem Außendurchmesser ist, der kleiner als der Innendurchmesser des Mantels (22) ist, so daß das Innenrohr (30) und das Adapterstück (72) nach Abnahme des Halteringes (84) durch den Mantel (22) gezogen werden können, und der Druckring (78) einen Innendurchmesser aufweist, der größer als der Außendurchmesser des Adapterstückes (72) ist.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Haltering (84) ein geschlitzter Ring mit einem Innendurchmesser ist, der kleiner als der Außendurchmesser des Adapterstückes (72) ist.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die abgeschrägte Dichtfläche (94) am Innenumfang des Flansches (13) vorgesehen ist.■

8. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring (96) aus einem formbaren Metall besteht.

9. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring aus einem elastomeren Werkstoff besteht.

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