DE2519999C3 - Gelochter Rohrboden für die Rohrenden des Rohrbündels eines Wärmetauschers - Google Patents

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 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.

Bei den Wärmetauschern mit solchen beispielsweise aus der US-PS 3448 804 bekannten Rohrboden steht das die Bündelrohre durchströmende Medium im Wärmeaustausch mit dem die Bündelrohre im Bereich zwischen den beiden der Halterung am umgebenden Gehäuse dienenden Rohrböden 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 Bündelrohre der in Kühlaggregaten von Schiffen eingesetzten Wärmetauscher verwendet werden. Aus denselben Überlegungen einer entsprechend höheren Beständigkeit bestehen auch die Rohrboden in aller Regel aus diesen Legierungen, wenngleich unter Berücksichtigung des Kostenfaktors dafür auch häufig andere Gußeisen verwendet werden.

Bei solchen Rohrböden sind die einzelnen Bündelrohre in die Löcher der Rohrboden gewöhnlich entweder eingewalzt oder eingeklebt, um damit den erforderlichen flüssigkeitsdichten Abschluß gegeneinander der im Wärmeaustausch stehenden Medien zu erhalten. Die Bündelrohre weisen dabei meistens eine technologisch bedingte Anordnung ihrer Endkante bündig mit der angeströmten Stirnfläche der Rohrboden auf. Bekannt ist, daß es bei diesen Anordnungen an der Anströmkante der Bündelrohre zur Ausbildung von Kavitationen in der angeströmten Stirnfläche des Rohrbodens kommt, die ihre Ursache in einer turbulenten Einströmung des die Rohre durchströmenden Mediums haben. Bei den aus der US-PS 34 48 804 bekannten Rohrboden der eingangs genannten Art ist daher bereits für entsprechende Reparaturmaßnahmen nach der erfolgten Ausbildung solcher dem flüssigkeitsdichten Abschluß der im Wärmeaustausch stehenden Medien schädlicher Kavitation vorgesehen, die angeströmte Stirnfläche des betreffenden Rohrbodens mit einer zur Ausfüllung der Kavitationen ausreichenden Beschichtung aus einem aggressionsbeständigeren Werkstoff, wie Teflon, als 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 Seite dieser Beschichtung zurückversetzten Endkanten der Bündelrohre im Idealfall laminare Einströmverhältnisse für das eine Medium zu erhalten.

Aus der AT-PS 1 34 545 ist bekannt, daß es nach der erfolgten Einströmung des einen Mediums in die Bündelrohre eines Wärmetauschers in diesen zur Ausbildung etwa walzenförmiger Randturbulenzen kommt, die mit einer Strahleinsehnürung verbunden sind und einen zu einem Lochfraß führenden korrosiven Einfluß auf die Bündelrohre haben. Zur Vermeidung desselben ist hierfür vorgesehen, die einzelnen Bündelrohre um ein entsprechendes MaD zu verlängern, so daß sie folglich in bezug auf die angeströmte Stirnfläche des betreffenden Rohrbodens über diese so weit stromaufwärts vorstehen, daß sich dieser im übrigen durch eine

Perforierung dieser vorstehenden Rohrenden geförderte Lochfraß 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 betreffenden Rohrbodens bündigen oder dazu 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 Bündelrohre mit der Zeit die kritische Stelle erreicht wird, an welcher die Bündelrohre 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 Bündelrohre in der Regel davon auszugehen ist, daß dabei dann durch solche etwa walzenförmigen Randturbulenzen der Lochfraß in aller Regel an eine- Stella 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 Reparaturmaßnahmen vorgenommen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gelochten Rohrboden für die Rohrenden des Rohrbün- J5 dels eines Wärmetauschers der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß bei der damit ermöglichten Gewährleistung eines optimalen Wirkungsgrades für den Wärmeaustausch der Medien die Gefahr eines durch solche etwa walzenförmigen Randturbulenzen bewirkten Lochfraßes unterdrückt wird.

Diese Aufgabe wird bei einem gelochten Rohrboden der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurcn gelöst, daß die Endkanten der Rohre in einem größeren Abstand zu der angeströmten Stirnfläche des Rohrbodens zurückversetzt sind als der Abstand der Übergangsstelle beträgt, an der die laminare Strömung in eine turbulente Strömung in Form einer etwa walzenförmigen Randturbulenz übergeht, und daß der Rohrboden mindestens im Bereich der etwa walzenförmigen Randturbulenzen in den einzelnen Löchern aus dem aggressionsbeständigeren Werkstoff als die Rohre besteht.

Es wird damit vorgesehen, die Endkanten der Rohre folglich so weit zu der angeströmten Stirnfläche des betreffenden Rohrbodens zurückzuversetzen, daß den etwa walzenförmigen Randturbulenzen, die sich beim Einströmen des einen Mediums aus der zugeordneten Zuströmkammer des Wärmetauschers in die Bündelrohre ausbilden, allein der aus dem aggressionsbeständigeren Werkstoff als die Rohre bestehende Bereich des Rohrbodens dargeboten wird. Im Vergleich mit den bekannten Rohrböden, bei denen die Endkanten der Bündelrohre bündig mit der angeströmten Stirnfläche angeordnet sind bzw. bei denen eine Zurückversetzung um die Dicke einer Beschichtung vorgenommen ist, die zum Ausfüllen von in d»;r angeströmten Stirnfläche des Rohrbodens mit der Zeit zur Ausbildung gekommenen Kavitationen ausreicht sowie zur Ausbildung von strömungsgünstigen Einströmverhältnissen an den einzelnen Luchanfängen, wird damit folglich eine doch größere Dicke für solche Rohrböden vorgeschlagen, nämlich eine Dicke von wenigstens 60 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 Rohrboden ist dabei berücksichtigt, daß über eine sehr umfangreiche Versuchsreihe die Erkenntnis gewonnen wurde, daß solche etwa walzenförmigen Randturbulenzen in allar Regel in einem Abstand von im Mittel etwa 40 mm von der jeweils wirksamen Anströmkante auftreten und zweckmäßig ein axialer Sicherheitsabstand von etwa 10 mm zu der zugeordneten Endkante der Bündelrohre eingehalten werden sollte, die bei solchen Rohrboden eine Stecktiefe von etwa 10 bis 20 mm erhalten können. Diese Stecktiefe der Rohrenden kann dabei auch dann als ausreichend angesehen werden, wenn gemäß einer gleichzeitig bevorzugten Ausbildung der Erfindung der gesamte Rohrboden aus dem aggrt^sonsbeständigeren Werkstoff als die Rohre besteht, wc bei für diesen Werkstoff insbesondere ein Polyamid auf der Basis Laurinlactem vorgesehen werden kann, das sich auf Grund eines relativ hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten, verbunden mit einem sehr günstigen elastischen Rückstellungsvermögen, und einer außerordentlich hohen chemischen Beständigkeit auch gegenüber solchen aggressiven und korrosiven Medien wie Brack- und Seewasser für diesen Zweck besonders eignes 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 anoere Kunststoffe in Betracht, sofern sie aggressionsbeständiger als die Rohre sind, und ebenso können auch die Aluminium- und Messinglegierungen ebenso optimal eingesetzt werden, die bisher für solche Rohrboden verwendet wurden.

Weitere vorteilhafte und zweckmäßige Ausbildungen der Erfindung sind in den weiteren Patentansprüchen ertaßt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen Teilschnitt durch den Rohrboden eines Wärmetauschers mit der Anordnung zweier Rohrenden gemäß zweier Alternativen und

Fig.2 einen der Fig. 1 entsprechenden Teilschnitt durch den Rohrboden eines Wärmetauschers gemäß einer weiteren alter nativen Ausführungsform.

In Fig. 1 ist ein Teilschnitt eines gelochten Rohrbodens 1 eines Wärmetauschers gezeigt, der ein zum Wärmeaustausch angeordnetes Rohrbündel mit zwischen etwa 100 und 1500 Einzelrohren mit einem Durchmesser von 10, 12 oder 15 mm und einer Wanddicke von 1,0 oder 1,5 mm in einer Anordnung zwischen zwei meistens gleichartig ausgebildeten Rohrboden zur Halterung am Gehäuse des Wärmetauschers umfassen kann. Die einzelnen Rohre 3 bzw. 4 sind in die einzelnen Löcher 5 und 6 des betreffenden Rohrbodens von dessen Rückseite 2 her eingesteckt, wobei die Löcher 5 und 6 einen dem Außendurchmesser der Rohre entsprechenden Lochdurchmesser haben und wobei die Rohre^en in diese Löcher entweder eingewalzt oder eingeklebt sein können.

Die Rohre 3 und 4 sind mit ihrer jeweiligen Endkante 7 bzw. 8 zu der angeströmten Stirnfläche 9 des

Rohrbodens I zurückversetzt. Der für diese Zurückversetzung maßgebliche Abstand von der angeströmten Stirnfläche 9 des Rohrbodens 1 ist dabei so groß bemessen, daß beim Einströmen des einen Mediums in die einzelnen Bündelrohre aus der betreffenden Zuströmkammer des Wärmetauschers alle dabei sich im Übergang einer laminaren Strömung in eine turbulente Strömung ausbildenden, etwa walzenförmigen Randturbulenzen in diesen Anfangsbereich der Löcher 5 und 6 hineinverlegt werden, so daß diese zu einer verstärkten Aggression neigenden bzw. zu Korrosion führenden Randturbulenzen folglich nicht die Anfänge der Bündelrohre 3 und 4 erreichen. Damit der Rohrboden I der durch solche walzenförmigen Randturbulenzen versiärkten Aggressionswirkung des die Bündelrohre durchströmenden Mediums standhält, besteht er insgesamt aus einem aggressionsbeständigeren Werkstoff als die Rohre, was hier für die Verhältnisse des einen Rohrs

d. h. es ist dazu lediglich erforderlich, an der angeströmten Stirnfläche des jeweiligen Rohrbodens, welcher im Betrachtungsfall 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.

in Hinsichtlich der Stellen, an welchen diese etwa walzenförmigen Randturbulenzen auftreten, ist abschließend noch darauf hinzuweisen, daß es durch eine strömungsijtigünstige Ausbildung der maßgeblichen Anströmkanten 10 bzw. 10' bzw. 11' möglich ist, eine

π Verkleinerung des Abstandes von der angeströmten Stirnfläche 9 bzw. 9' zu erreichen, in welchem die Endkanten 7 bzw. 8 der Rohre anzuordnen sind, um mit einer entsprechenden Sicherheit einen Lochfraß zu

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angeströmten Lochanfänge aus diesem aggressionsbeständigeren 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 Wärmetauscher 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 Laurinlactam, verwendet werden kann. Durch eine solche zurückversetzte Anordnung der Endkanten 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 Lochfraß 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 de5 Rohres 3 und der maßgeblichen Anströmkante 10 in Weefall kommt, d. h. der auch für das Rohr 4 gezeigte Kantenversalz zwischen der Endkante 8 und der ohne die Steckhülse 12 sonst vorhandenen Anströmkante 11 ist hier nicht .'o Ausbildung der maßgeblichen Ansirömkanten kann folglich die Gesamtdicke des betreffenden Rohrbodens entsprechend verkleinert werden,
vorhanden.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig 2 ist der

-i Rohrboden aus zwei im Lochraster deckungsgleich ausgebildeien Lochplatten 13 und 14 aufgebaut, wobei die eine Lochplatte 13 die Enden der die Rückseite 13' der Loclv'atte durchdringenden Rohre 3' und 4' umschließt, während die andere Lochplatte 14 eine

ι» solche Dicke hat, daß sich in deren Löchern 5' und 6' die etwa walzenförmigen Randturbulen^en 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 Anströmkanten 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

■»n Kavitationen dort zu verhindern, wo sich die etwa walzenförmigen Randturbulenzen 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 (8)

Patentansprüche:

1. Gelochter Rohrboden for 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 ι ο 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 (J; 13, 14) f> zurückversetzt sind als der Abstand der Obergangsstelle beträgt, an der die laminare Strömung in eine turbulente Strömung in Form einer etwa walzenförmigen Randturbulenz übergeht, und daß der Rohrboden (1; 13, 14) mindestens im Bereich der etwa walzenförmigen Randturbulenzen in den einzelnen Löchern (5,6; 5', 6') aus dem aggressionsbeständigeren Werkstoff als die Rohre besteht

2. Rohrboden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrboden aus 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 walzenförmigen Randturbulenzen ausbilden können.

3. Rohrboden nach Anspru-.h I, dadurch gekennzeichnet, daß der gesar.ite Rohrboden (1) aus dem aggressionsbeständigeren Wer stoff als die Rohre (3,4) besteht.

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

5. Rohrboden nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (5,6; 5', 6') strömungsungünstig ausgebildete Anströmkanteii (10,11; 10', W) 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 6, dadurch gekennzeichnet, daß in die angeströmten Lochanfänge Hülsen (12) eingesteckt sind, die aus dem aggressionsK°ständigeren Werkstoff als die Rohre (4) bestehen.

8. Rohrboden nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (3, 4; 3', 4') aus einem Werkstoff mit hoher Wärmedurchgangszahl bestehen und der demgegenüber aggressionsbeständigere Werkstoff ein Kunststoff, insbesondere ein Polyamid auf der Basis Laurinlactam, ist.