DE2519999B2

DE2519999B2 - Gelochter Rohrboden für die Rohrenden des Rohrbündels eines Wärmetauschers

Info

Publication number: DE2519999B2
Application number: DE19752519999
Authority: DE
Inventors: Arthur 7950 Biberach Handtmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-05-05
Filing date: 1975-05-05
Publication date: 1980-04-17
Also published as: DE2519999A1; DE2519999C3

Description

Die Erfindung betrifft einen gelochten Rohrboden für die Rohrenden des Rohrbündels eines Wärmetauschers, dessen Rohre von aggressiven und korrosiven Medien, insbesondere von Brack- und Scewasser. durchströmt werden und mit ihren Endkanten im jeweils zugeordneten Loch des Rohrbodens zu der von den Medien angeströmten Stirnfläche des Rohrbodens zurückversetzt sind, der mindestens teilweise aus einem aggressionsbeständigeren Werkstoff als die Rohre besteht.

Bei den Wärmetauschern mit solchen beispitisweise aus der US-PS 34 48 804 bekannten Rohrböden steht das die Bündelrohre durchströmende Medium im Wärmeaustausch mit dem die Bündelrohre im Bereich zwischen den beiden der Halterung am umgebenden Gehäuse dienenden Rohrboden umströmenden Medium. Für die Erzielung eines optimalen Wärmeaustausches müssen daher die Rohre aus einem Werkstoff mit einer entsprechend hohen Wärmedurchgangszahl bestehen, was beispielsweise bei den Aluminium- und Messinglegierungen der Fall ist, so daß diese Legierungen auch auf Grund ihrer gleichzeitig gegebenen höheren Beständigkeit gegenüber dem sehr aggressiven und korrosiven Brack- und Seewasser in aller Regel auch für die Bündclrohre der in Kühlaggregaten von Schiffen eingesetzten Wärmetauscher verwendet werden. Aus denselben Überlegungen einer entsprechend höheren Beständigkeit bestehen auch die Rohrboden in aller Regel aus dies-.fl Legierungen, wenngleich unter Berücksichtigung des Kostenfaktors dafür auch häufig andere Gußeisen verwendet werden.

Bei solchen Rohrboden sind die einzelnen Bündclrohre in die Löcher der Rohrböden gewöhnlich entweder eingewalzt oder eingeklebt, um damit den erforderlichen flüssigkcitsdichicn Abschluß gegeneinander der im Wärmeaustausch stehenden Medien zu erhallen. Die Bündclrohre weisen dabei meistens eine technologisch bedingte Anordnung ihrer Endkantc bündig mit der angeströmten Stirnfläche der Rohrböden auf. Bekannt ist, daß es bei diesen Anordnungen an der Anströmkantc der Bündclrohre zur Ausbildung von Kavitationen in der angeströmten Stirnfläche des Rohrbodens kommt, die ihre Ursache in einer lurbulenle.'i Einströmung des die Rohre durchströmenden Mediums haben. Bei den aus der US PS 34 48 804 bckannlen Rohrboden der eingangs genannten Art ist daher bereits für entsprechende Rcparaturmaünahmen nach der erfolgten Ausbildung solcher dem fliissigkcilsdichien Abschluß der im Wärmeaustausch sichenden Medien schädlicher Kavitation vorgesehen, die angeströmte Stirnfläche des betreffenden Rohrb-jdcns mit einer zur Ausfüllung der Kavitationen ausreichenden Beschichtung ;ms einem aggressionsbeständigeren Werkstoff, wie Teflon. ;ils der betreffende Rohrboden zu versehen, wobei in der nachträglichen Anbringung dieser Beschichtung gleichzeitig Maßnahmen getroffen sind, um an den folglich in bezug auf die angeströmte Seile dieser Beschichtung zurückversetzten Endkanlcn der Biindclrohre im klciilfiill laminare Einströmverhiilinisse für das eine Medium zu erhalten.

Aus dor AT-PS I J4 54.» ist bekannt, dall es nach der erfolgten Einströmung des einen Mediums in die Bündclrohrc eines Wärmetauscher* in diesen zur Ausbildung etwa walzenförmiger Randtiirbiilen/en kommt, die mil einer Strahlcinschnürting verbunden sind und einen zu einem I.(anfraß führenden korrosiven Einfluß auf die Bündclrohre haben. Zur Vermeidung desselben ist hierfür vorgesehen, die ein/einen Bündel rohre um ein entsprechendes Maß zu verlängern, so d.iß sie folglich in bezug auf die angcsirömic Stirnfläche des betreffenden Rohrbodens über (liest· so weil stromaufwärts vorstehen, daß sieh dieser im übriiren durch eine

Perforierung dieser vorstehenden Rohrenden geförderte Lochfrali nur in den vorstehenden Rohrenden ausbilden kann und folglich ein entsprechend flüssigkeitsdichter Abschluß zu dem die Rohre umströmenden Medium gewährleistet ist. Im Vergleich zu einer mit der angeströmten Stirnfläche des beireffenden Rohrbodens bündigen oder drzu zurückversetzten Anordnung der Endkanten der Bündelrohre werden damit jedoch verschlechterte Druchströmverhältnisse durch die einzelnen Bündelrohre geschaffen und folglich ein entsprechend schlechterer Wirkungsgrad für den eigentlichen Wärmeaustausch erhalten. Außerdem ist dabei nachteilig, daß bei fortschreitendem Lochfraß in solchen vorstehenden Enden der Büiidelrohre mit der Zeil die kritische Stelle erreicht wird, an welcher die Bündclrohre in den Löchern des betreffenden Rohrbodens eingesetzt sind, wozu noch darauf hingewiesen werden kann, daß für eine mit der angeströmten Stirnfläche des Rohrbodens bündige Anordnung der Endkanten der Bündclrolirc in der Regel davon auszugehen ist, dad da,bei dann durch solche etwa walzenförmigen Randlurbulenzen der Lochfraß in aller Regel an einer Stelle in der unmittelbaren Nähe der zu der angeströmten Stirnfläche abgewandten Rückseite des betreffenden Rohrbodens zur Ausbildung kommt. Kommt es zur Ausbildung eines solchen Lochfraßes in einem der Bündelrohre mit der Gefahr eines Kurzschlusses zwischen den im Wärmeaustausch stehenden Medien, dann wird gewöhnlich zuerst das betreffende schadhafte Rohr zugestöpselt und damit aus dem Wärmeaustausch ausgeschlossen, während sein Ersatz durch ein neues Rohr erst im Zuge von späteren umfangreicheren Rcparaiurmaßnahmcn vorgenommen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gelochten Rohrboden für die Rohrenden des Ruhrbündels eines Wärmetauschers der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß bei der damit ermöglichten Gewährleiste j eines optimalen Wirkungsgrades für den Wärmeaustausch der Medien die Gefahr eines durch solche elwa walzenförmigen Randuirbiilen/cn bewirkten Lochfraßes unterdrückt wird.

Diese Aufgabe wird bei einem gelochten Rohrboden der eingangs genannten Art crfindungsgemäß dadurch gelost, daß de Endkauten der Rohre i; einem größeren Absland zu der angeströmten Stirnfläche des Rohrbodens zurückversetzt sind als der Absland der Übergangsstelle betrügt, an der die laminare Strömung in eine turbulente Slrömurg in Form einer etwa walzenförmigen Randturbiilen/ übergehl, und daß der Rohrboden mindestens im Bereich der elwa walzcnförmigcn Randiurbulenzen in den einzelnen Löchern aus dem aggrcssionsbcsländigeren Wcrksioff als die Rohre besieht.

Es wird damit vorgesehen, die Endkanten der Rohre folglich so weil zu der angeströmten Stirnfläche des betreffenden Rohrbodens zurückzuversetzen, daß den etwa walzcnfö! migcn Randturbiilen/cn, die sich beim Einströmen des einen Mediums aus der zugeordneten Zusfrömkammcr des Wärmetauschers in die liündclrohre ausbilden, allein der aus dem aggressionsbesländigcrcn Werkstoff als die Rohre bestehende Bereich des Rohrbodens dargeboten wird. Im Vergleich mit den bekannten Rohrboden, bei denen die Endkanten der Bündelrohrc bündig mn tier angeströmten .Stirnfläche angeordnet sind b/w. bei (' :nen eine Zuriickversct/.ung um die Dicke einer Beschichtung vorgenommen ist, die /um Ausfüllen von in der angeströmten Stirnfläche des Rohrbodens mit der Zeil j ' Ausbildung gekommenen Kavitationen ausreicht sowie zur Ausbildung von sirömungsgünsiigen Einströmverhältnissen un den einzelnen Lochanfängen, wird damit folglich eine doch größere Dicke für solche Rohrböden vorgeschlagen,

j nämlich eine Dicke von wenigstens bO bis 70 mm im Vergleich mit einer Dicke von durchschnittlich zwischen etwa 20 und 30 mm bei den bekannten Wärmetauschern. Für diese größere Dicke der Rohrböden ist dabei berücksichtigt, daß über eine sehr umfangreiche

Hi Versuchsreihe die Erkenntnis gewonnen wurde, daß solche etwa walzenförmigen Randturbulenzen in aller Regel in einem Abstand von im Mittel etwa 40 mm von der jeweils wirksamen Anströmkanie auftreten und zweckmäßig ein axialer Sicherheitsabstand von etwa

ι") 10 mm zu der zugeordneten Endkante der Bündelrohre eingehalten werden sollte, die bei solchen Rohrböden eine Stecktiefe von elwa 10 bis 20 mm erhalten können. Diese Sieckiiefe der Rohrenden kann Habei auch dann a!s ausreichend angesehen werden, wenn gemäß einer

;n gleichzeitig bevorzugten Ausbildung der Erfindung der gesamte Rohrboden aus dem aggressionsbeständigeren Werkstoff als die Rohre besteht, wobei für diesen Werkstoff insbesondere ein Polyamid auf der Basis Laurinlaciam vorgesehen werden kann, das sich auf

2i Grund eines relativ hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten, verbunden mit einem sehr günstigen elastischen Rückstellungsvermögen, und einer außerordentlich hohen chemischen Beständigkeil auch gegenüber solchen aggressiven und korrosiven Medien wie Brack-

Ki und Seewasser für diesen Zweck besonders eignet und dabei gleichzeitig eine fertigungstechnische Vereinfachung bringt, weil es dann möglich ist. solche Anordnungen durch Umgießen der Rohrenden mit dem Kunststoff zu fertigen. Daneben kommen jedoch auch

)"i andere Kunststoffe in Betracht, sofern sie aggressionsbeständiger als die Rohre sind, und ebenso können auch die Aluminium- und Messinglcgicrungen ebenso optimal eingesetzt werden, die bisher für solche Rohrböden verwendet wurden.

j» Weitere vorteilhafte und zweckmäßige Ausbildungen der Erfindung sind in den weiteren Patentansprüchen erfaßt

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachfol-

■i*i gend näher beschrieben. Es zeigt

I'ig. I einen Teilschnitt durch den Rohrboden eines Wärmetauschers mit der Anordnung zweier Rohrenden gemäß zweier Alternativen und

F-" i g. 2 einen der F ig. I entsprechenden Teilschnitt

'.ο durch den Rohrboden eines Wärmetauschers gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform.

hi Fig. I ist ein Teilschnitt eines gelochten Rohrbodens I eines Wärmetauschers gezeigt, der ein zi.m Wärmeaustausch angeordnetes Rohrbündel mil zwi-

Vi sehen elwa 100 und 1500 Einzclrohren mil einem Durchmesser von 10, 12 oder 15 mm und einer Wanddicke von 1,0 oder 1,5 mm in einer Anordnung

'»iic(mhilrli»l ι

Rohrboden zur '!aliening am Gehäuse des Wärmetauschers umfassen kann. Die einzelnen Rohre ⁷ bzw. 4 sind in die einzelnen Löcher 5 und 6 des betreffenden Rohrbodens von dessen Rückseite 2 her eingesteckt, wobei clic Löcher 5 unr 6 einen dem Außendurchmesser der Rohre entsprechenden Lochdurchmcsscr haben und wobei die Rohrenden in diese Löcher entweder eingewalzt oder eingeklebt sein können.

Die Rohre 3 und 4 sind mit ihrer jeweiligen Endkante 7 b/w. 8 /u der angeströmten Stirnfläche 9 des

Kohrbodcns 1 zurückversetz!. Der für diese /iiriickversetzung maUgebliche Abstand von der angeströmten Stirnfläche 9 des Rohrbodens I isl dabei so groll bemessen, daß beim Einströmen des einen Mediums in die einzelnen Bündelrohre aus der betreffenden Zuströmkammer des Wärmetauschers alle dabei sich im Obergang einer laminaren Strömung in eine turbulente Strömung ausbildenden, etwa walzenförmigen Randttirbulenzen in diesen Anfangsbercieh der Löcher 5 und 6 hineinverlcgt werden, so daß diese zu einer verstärkten Aggression neigenden bzw. zu Korrosion führenden Randturbulcnzcn folglich nicht die Anfänge der Bündclrohrc 3 und 4 erreichen. Damit der Rohrboden I der durch solche walzenförmigen Randliirbulen/en verstärkten A^gressionswirkung des die Hündclrohrc durchströmenden Mediums standhält, besieht er insgesamt aus rinrin ngirrpssionshrstandiprrrn Werkstoff ;iK die Rohre, was hier für die Verhältnisse des einen Rohrs 3 angenommen ist, oder es ist vorgesehen, daß in die angeströmten l.ochanfänge aus diesem aggressionsbi¹ ständigeren Werkstoff bestehende Hülsen 12 eingesteckt sind, wie es für das Rohr 4 gezeigt ist. Als Material für die Rohre 3 und 4 kommen für beispielsweise in Kühlaggregaten von Schiffen eingesetzte Wärmelauscher vorzugsweise Aluminium· und Messinglegierungen in Betracht, im Vergleich zu welchen als ein entsprechend aggressionsbeständiger Werkstoff ein Kunststoff, wie insbesondere ein Polyamid auf der Basis von l.aurinlactam. verwendet werden kann. Durch eine solche zurückversetzte Anordnung der Endkanteri 7 und 8 der Rohre 3 und 4 wird dann verhindert, daß an den Rohren 3 und 4 der bislang in der unmittelbaren Nähe der Rückseite 2 des Rohrbodens 1 aufgetretene l.ochfraß auftritt, so daß es mithin zu keinem Kurzschluß zwischen den im Wärmeaustausch stehenden Medien kommen kann. Dabei ist gleichzeitig die für das Rohr 4 gezeigte Alternative mit den in die Lochanfänge eingesteckten Hülsen 12 gegenüber der für das Rohr 3 gezeigten Alternative etwas günstiger, weil dabei der bei dem Rohr 3 bestehende Kantenversatz zwischen der Endkante 7 des Rohres 3 und der maßgeblichen Anströmkante 10 in Wegfall kommt, d. h. der auch für das Rohr 4 gezeigte Kantenversatz zwischen der Endkante 8 und der ohne die Steckhülsc 12 sonst vorhandenen Anströmkante 11 ist hier nicht

d. h. es ist dazu lediglich erforderlich, an der angeströmten Stirnfläche des jeweiligen Rohrbodens, welcher im Betrachlungsfall also die Vorderseite 13" der einen Lochplatte 13 entsprechen würde, eine weitere Lochplatte, nämlich die Lochplatte 14. anzuordnen, die dann eine solche Dicke haben muß, daß es in ihren mit den Rohren fluchtenden Löchern zur Ausbildung der etwa walzenförmigen Randturbulenzen kommt.

Hinsichtlich der Stellen, an welchen diese etwa walzenförmigen Randlurbulcnzen auftreten, ist abschließend noch darauf hinzuweisen, daß es durch eine strömungsungünstige Ausbildung der maßgeblichen Anströmkanten IO bzw. 10' bzw. 11' möglich ist. eine Verkleinerung des Abslandcs von der angeströmten Stirnfläche 9 bzw. 9' zu erreichen, in welchem die l-'ndkanlcn 7 bzw. 8 der Rohre anzuordnen sind, um mil einei entsprechenden Sicherheil einen l.ochfraß zu verhindern. Mit einer solchen strömungsungünsligeren Ausbildung der maßgeblichen Anslrömkanten kann folglich die (iesamtdickc des betreffenden Rohrbodens entsprechend verkleinert werden,
vorhanden.

Bei der Ausführungsform gemäß Γ ig. 2 ist der Rohrboden aus zwei im Lochrasier deckungsgleich ausgebildeten Lochplatten 13 und 14 aufgebaut, wobei die eine Lochplatte 13 die Enden der die Rückseite H' der Lochplatte durchdringenden Rohre } und 4' umschließt, während die andere Lochplatte 14 eine solche Dicke hat. daß sich in dnren Löchern 5' und f>' die etwa walzenförmigen Randlurbulcnzcn ausbilden können. Die Löcher 5' und 6' der Lochplatte 14 haben einen Lochdurchmesser, der dem Innendurchmesser der Rohre 3' und 4' entspricht, so daß hier nur die an der Vorderseite 9' der Lochplatte 14 gebildeten Anströmkantcn 10' und 11' auftreten. Bei dieser Ausführungsform besteht die gesamte Lochplatte 14 aus dem aggressionsbeständigeren Werkstoff als die Rohre 3' und 4'. um hiermit ebenfalls jede Ausbildung von Kavitationen dort zu verhindern, wo sich die etwa walzenförmigen Randturbulcnzcn ausbilden. Dabei kann für diese Ausführungsform gleichzeitig festgehalten werden, daß in dieser Weise auch bestehende Wärmetauscher umgerüstet werden können, damit bei ihnen nicht mehr der Lochfraß in den Rohren auftritt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gelochter Rohrboden für die Rohrenden des Rohrbündels eines Wärmetauschers, dessen Rohre von aggressiven und korrosiven Medien, insbesondere von Brack- und Seewasser, durchströmt werden und mit ihren Endkanten im jeweils zugeordneten Loch des Rohrbodens zu der von den Medien angeströmten Stirnfläche des Rohrbodens zurückversetzt sind, der mindestens teilweise aus einem aggressionsbeständigeren Werkstoff als die Rohre besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Endkanten (7, 8) der Rohre (3, 4; 3', 4') in einem größeren Abstand zu der angeströmten Stirnfläche (9; 9') des Rohrbodens (1; 13, 14) zurückversetzt sind als der Abstand der Übergangsstelle beträgt, an der die laminare Strömung in eine turbulente Strömung in Form einer etwa walzenförmigen Raiidturbulcnz übergeht, und daß der Rohrboden (1; 13, 14) mindestens im Bereich der etwa walzenförmigen Randiurbulen/cn in den einzelnen Löchern (5,6; 5', 6') aus dem aggressionsbeständigeren Werkstoff als die Rohre besteht.

2. Rohrboden nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrboden aas zwei mindestens im Lochraster deckungsgleich ausgebildeten Lochplatten (13, 14) besteht, von denen die eine Lochplatte (13) die Rohrenden umschließt und die dazu stromaufwärts angeordnete weitere Lochplatte (14) eine solche Dicke hat, daß sich in ihren Löchern (5', 6') die etwa walzewformifc.n Randturbulcnzcn ausbilden können.

3. Rohrboden nach Anspruch . dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Rohrboden (1) aus dem aggrcssionsbcständigcrcn Werkstoff als die Rohre (3,4) besteht.

4. Rohrboden nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Lochplatte (14) aus dem aggrcssionsbcs'.ändigercn Werkstoff als die Rohre (3', 4') besteht.

5. Rohrboden nach einem der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (5,6; 5', 6') strömungsungünslig ausgebildete Anslrönikantcn (10, II; 10', IV)haben.

6. Rohrboden nach einem der Ansprüche I bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß die angeströmten Lochanfänge einen mit dem Innendurchmesser der Rohre (4; 3', 4') übereinstimmenden Lochdurchmesser haben.

7. Rohrboden nach einem der Ansprüche I bis b. dadurch gekennzeichnet, daß in die angeströmten Lochanfänge Hülsen (12) eingesteckt sind, die aus dem aggressionsbeständigeren Werkstoff als die Rohre (4) bestehen.

8. Rohrboden nach einem der Ansprüche I bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (3, 4; 3', 4') «tic einem Werkstoff ττυΐ hoh^pr W^rniⁱ*^f!^|!r^r'h^|T:intTszahl bestehen und der demgegenüber aggrcssionsbesländigcrc Werkstoff ein Kunststoff, insbesondere ein Polyamid auf der Basis Laurinlactam, ist.