DE2611397C3

DE2611397C3 - Wärmetauscher mit einer Vielzahl von Rohren

Info

Publication number: DE2611397C3
Application number: DE2611397A
Authority: DE
Inventors: Akira Urawa Saitama Togashi
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-03-19
Filing date: 1976-03-18
Publication date: 1982-05-06
Also published as: GB1545313A; JPS51107545A; DE2611397B2; JPS5327018B2; US4175308A; DE2611397A1; NO141963L

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einem derartigen aus der CH-PS 3 78 353 bekannten Wärmetauscher, bei dem die Rohrenden der betreffenden Rohrreihe innerhalb eines Gehäuses über winklige Endflansche festgehalten sind, ist ein Element zur Kompensation der thermischen Spannungen in Längsrichtung der Rohre in der Weise vorgesehen, daß entweder das Gehäuse oder einer der Endflansche mit einem nachgiebigen Falz bzw. mit einer nachgiebigen Aufhängung versehen ist. Hiermit ist zwar für eine Kompensation der thermischen Spannungen in Rohrlängsrichtung gesorgt, jedoch nicht für eine Kompensation der Spannungen, die innerhalb des Rahmens senkrecht zur Längserstreckung der Rohrreihe dann auftreten, wenn, was bei dem bekannten Wärmetauscher offensichtlich nicht der Fall ist, mehrere Rohrreihen parallel zueinander verlaufend in demselben Endrahmen gehalten sind,

τ Ein solcher mit mehreren parallelen Rohrreihen versehener Wärmetauscher ist aus der FR-PS 20 77 463 bekannt Bei diesem Wärmetauscher sind, um die Rohrreihen auf Abstand halten zu können und um diese in dem mit dem Gehäuse verbundenen Entrahmen

ίο einfach montieren zu können, zwischen den Rohrreihen und gegebenenfalls auch zwischen der obersten Rohrreihe und dem Endrahmen Leisten vorgesehen. Bei diesem bekannten Wärmetauscher ist eine Kompensation der thermischen Spannungen in Richtung der

ι·ϊ untereinander liegenden Rohrreihen praktisch nicht oder zumindest in nicht ausreichendem Maße gegeben, da die Leisten in erster Linie der Montage und Fixierung der Rohrreihen dienen und deshalb im wesentlichen unelastisch und in Längsrichtung starr ausgebildet sein müssen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem bei Verwendung von mehreren parallelen Rohrreihen auch eine Kompensation derjenigen thermischen Spannungen möglich ist, die innerhalb der Endrahmen senkrecht zu den Rohrreihen zwischen den einzelnen paraUslen Rohrreihen auttreten.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einem Wärmetauscher der eingangs genannten Art die im Kennzei-

jo chen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale vorgesehen.

Die erfindungsgemäße Maßnahme macht es somit möglich, daß die thermischen Spannungen an den Rohrenden, die zwischen den einzelnen Rohrreihen unterschiedlich sein können, dort ohne weiteres aufgefangen bzw. kompensiert werden können, indem

die elastisch verformbaren Elemente eine Änderung des

Abstandes der Rohrreihen zueinander zulassen. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme sind Verbin-

dungsflächen an den Enden der wärmeleitenden Rohre vorgesehen, und durch Stumpfverschweißen dieser Flächen der parallel zueinander angeordneten Rohre sind die Rohrenden zusammengefaßt Infolgedessen ist eine Endplatte nicht mehr notwendig: der Spalt zwischen benachbarten Rohren kann leicht durch bloßes Ändern der Abmessungen der Verbindungsflächen geändert werden, und der Körper des Wärmetauschers kann kompakt ausgebildet sein. Die Möglichkeit des Engermacliena der Spalte zwischen den Rohren schafft die Möglichkeit, die Geschwindigkeit des Mediumstromes durch den Spalt zu vergrößern, was den Aufbau einer laminaren Strömung um die Rohre verhindert, woraus sich ein vergrößerter Wirkungsgrad bei der Wärmeübertragung ergibt die zwischen dem Medium in den Rohren und dem Medium in den Spalten zwischen den Rohren erfolgt

Es ist zwar aus der US-PS 22 25 856 ein Wärmetauscher bekannt, zwischen dessen jeweils zueinander im Abstand und auf Lücke angeordneten Rohrenden nachgiebiges Material angeordnet ist, jedoch umgibt dieses nachgiebige Material die jeweiligen Rohrenden vollständig. Da dieses nachgiebige Material entweder in einer Doppelwand, innerhalb von Bohrungen des Endflansches oder als Überzug an den Rohrenden vorgesehen ist, ist diese Art der Anbringung nicht nur materialaufwendig, sondern auch zeitraubend. Außerdem wird dieses nachgiebige Material bereits unter Vorspannung zwischen die Rohrenden gebracht und

dient deshalb hauptsächlich als Dichtung für das im Raum zwischen den Rohren strömende Medium· Eine ausreichende Kompensation der auftretenden thermischen Spannungen wird nicht erreicht, da das nachgiebige Material entweder zwischen oder innerhalb metalli- ■ scher Wände gehalten oder als Überzugsschicht über die Rohrenden zu dünn ist

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind aus den Unteransprüchen ersichtlich.

Die Erfindung ist in der folgenden Beschreibung m anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine Vorderansicht eines wärmeleitenden Rohres, wie es bei einem <\usführungsbeispiel vorliegender Erfindung verwendet ist, ι;

F i g. 2 eine Seitenansicht des Rohres der F i g. 1, F i g. 3 einen Schnitt längs der Linie IH-IlI der F i g. 4, Fig.4 eine Schrägansicht des Ausführungsbeispiels,

Fig.5 eine Vorderansicht eines wärmeleitenden Rohres, wie es bei einem zweiten Ausführungsbeispiel :u verwendet ist

F i g. 6 eine Seitenansicht des Rohres der F Lg. 5,

Fig.7 einen Schnitt längs der Linie VII-VII der Fig. 8,

F i g. 8 eine Schrägansicht des zweiten Ausführungs- >ί beispiels,

Fig.9 eine Vorderansicht eines wärmeleitenden Rohres, wie es bei einem dritten Ausführungsbeispiel verwendet ist

F i g. 10 eine Seitenansicht des Rohres der F ι g. 9, j< >

F i g. 11 einen Schnitt längs der Linie XI-XI der Fig. 12,

Fig. 12 eine Schrägansicht des dritten Ausführungsbeispiels,

F i g. 13 eine Draufsicht auf ein wärmeleitenden Rohr, r> wie es bei einem vierten Ausführungsbeispiel verwendet ist

F i g. 14 eine Vorderansicht des Rohres der F i g. 13,

Fig. 15 einen Schnitt längs der Linie XV-XV der Fig. 17, 4(i

Fig. 16 eine Draufsicht auf das Ausfuhrungsbeispiel der Fig. 17und

F i g. 17 eine Schrägansicht des vierten Ausführungsbeispiels.

Gemäß den F i g. 1 und 2 sind beide Rohrenden 1 a und 1 b des im Schnitt elliptischen, wärmt leitenden Rohres 1 zur kleineren Achse der Ellipse hin zusammengedrückt bzw. gequetscht so daß im Schnitt rechteckförmige Verbindungsflächen 2 gebildet sind. Seitliche Verbindungsflächen 2a, 2b überragen längs der verlängerten kleinen Achse der Ellipse das Rohr 1 beidseitig gleichmäßig nach außen. Wie aus den Fig.3 und 4 ersichtlich, ist eine Vielzahl solcher Rohre 1 parallel zueinander in einem Gitterschema angeordnet Die Verbindungsflächen 2a und 2b der Rohre 1, die in seitlicher Richtung aneinandergrenzen, stoßen zum Zusammenfassen bzw. Bündeln der Rohrenden la, \b aneinander an, und sind miteinander verschweißt Die gegenüberliegenden Enden der Rohre 1 sind in derselben Weise miteinander verschweißt

Durch Ändern der Größe der Auskragung der Verbindungsflächen 2a und 2b zu beiden Seiten der Rohre 1 können die Spalte S zwischen benachbarten Rohren 1 beliebig gestaltet werden. Deshalb kann die Geschwindigkeit des Mediumstromes in dem Spalt 5 durch Ändern der Größe der Auskragung der Verbindungsflächen 2a vrd 2b vergrößert werden.

Die Verbindungsflächen 2 der zusammengefaßten

Rohre 1 sind in einen Rahmen 3 eingepaßt und die Rohre 1 sind unter der Verwendung dieses Rahmens 3 angeordnet Elastisch verformbare Manschetten 4 und 5, die Elemente zur Kompensation der thermischen Spannung bzw. Verformung sind, sind in den Räumen zwischen den Endflächen der Reihen der im Rahmen 3 angeordneten Rohre 1 eingesetzt Die einander berührenden Verbindungsflächen 2 der Rohrenden, der Elemente 4 und 5 und des Rahmens 3 sind stumpf verschweißt Die thermische Spannung der Verbindungsflächen 2a und 2b in seitlicher Richtung der Rohrenden-Hauptachsen, d. h. gemäß F i g. 4 in vertikaler Richtung, die durch thermische Ausdehnung bewirkt wird, wird durch Verformung dieser Manschetten 4 und 5 kompensiert Die thermische Spannung in Längsrichtung der verschweißten Verbindungsflächen 2, d. h. gemäß Fig.4 in horizontaler Richtung, wird durch die Spannung entsprechend der thermischen Ausdehnung des Rahmens 3 kompensiert der aus demselben Material wie die wärmeleitenden Rohre 1 hergestellt ist Die thermische Spannung in Längs;<chtung der Rohre 1 wird durch Werfen oder Biegen dei Rohre in den Spalten zwischen den benachbarten wärmeleitenden Rohren 1 kompensiert

Ein erstes Medium, das vorgewärmt werden muß, strömt im Rohr 1, während ein zweites Medium zum Erwärmen des ersten Mediums durch die Spalte zwischen den benachbarten wärmeleitenden Rohren 1 strömt

Beim zweiten Ausführungsbeispiel sind die Rohre anders als beim vorhergehenden Ausführungsbeispiel, bei dem die wärmeleitenden Rohre im Querschnitt oval sind, im Schnitt kreisförmig. Gemäß den F i g. 5 und 6 sind beide Rohrenden la, Ii)des kreisförmigen Rohres 1 zu einem Rechteck gequetscht bzw. zusammengedrückt. An den längsseitigen Außenseiten dieser rechteckförmigen Enden sind ein Paar Verbindungsflächen 2a und 2b gebildet die zu beiden Seiten des Rohres 1 gleichmäßig vorstehen bzw. auskragen.

In den F i g. 7 und 8 ist eine große Anzahl von Rohren 1 dargestellt die parallel zueinander in einem Gitterschema angeordnet sind. Die Verbindungsflächen 2a und 2b der seitlich benachbarten Rohre 1 stoßen aneinander und sind miteinander verschweißt, wobei die Rohrenden la und \b jeweils zusammengefaßt sind. Die aneinanderstoßenden Verbindungsflächen 2a und 2£der Rohre 1 schaffen Spalte S zwischen den benachbarten Rohren 1. Durch die Spalte 5 strömt ein Medium, das das Medium in den wärmeleitenden Rohren 1 erwärmt Die Abmessung bzw. Größe des Spaltes S zwischen benachbarten Rohren 1 ist durch Ändern des Maßes der Auskragung der Verbindungsflächen 2a und 2b zu beiden Seiten der Rohre 1 variabel. Deshalb kann durch Engvrmachen des Spaltes 5 durch Ändern der Auskragung der Verbindungsflächen 2a und 2b die Geschwindigkeit der Mediumströmung durch die Spalte S vergrößert werden. Die Rohrenden la und \b sind zusammengefaßt und in den Rahmen 3 eingepaßt Unter Verwendung des Rahmens 3 erfolgt das Verschweißen der Rohrenden.

Es werden dann elastisch verförmbäfe Manschetten 4 und 5 in die Räume zwischen den Verbindur.gsflächen 2 der längsseitig benachbarten Rohre 1 in Fig.Ϊ eingefügt. Dadurch wird die thermische Spannung aufgrund der thermischen Ausdehnung in seitlicher Richtung, d. h. gemäß F i g. 1 in vertikaler Richtung, der Verbindungsflächen 2 durch Verformung der Manschetten 4 und 5 kompensiert. Die thermische Spannung in

Längsrichtung, d.h. gemäß Fig.8 in horizontaler Richtung der verschweißten Verbindungsflächen 2, wird ebenfalls durch Verformung der Manschetten 4 und 5 kompensiert Ferner wird die thermische Spannung in Längsrichtung der verschweißten Verbindungsflächen 2, d. h. gemäß F i g. 8 in horizontaler Richtung, durch die Spannung aufgrund der thermischen Ausdehnung des Rahmens 3 kompensiert, der aus demselben Material wie die wärmeleitenden Rohre 1 hergestellt ist. Die thermische Spannung in Längsrichtung der Rohre 1 wird in den Spalten 5 zwischen den benachbarten Rohren 1 kompensiert.

Während beim zweiten Ausführungsbeispiel die Rohre 1 in einem Gitterschema angeordnet sind, sind bei einem dritten Ausführungsbeispiel die Rohre 1 gestaffelt bzw. versetzt angeordnet.

Gemäß den Fig.9 und 10 sind beide Rohrenden la und 16 des im Schnitt ovalen Rohres 1 zur Bildung eines rechteckigen Endes aufgeweitet. An den längsseitigen Außenseiten dieser Rohrenden sind die Verbindungsflächen 2a und 2bgebildet.

Eine große Anzahl von Rohren 1 ist. wie in Fig. 11 dargestellt, in gestaffelter bzw. versetzter Form parallel zueinander angeordnet. Die Verbindungsflächen 2a und 2b der längsseitig benachbarten Rohre 1 stoßen aneinander an und sind verschweißt, wobei die Rohrenden laund \bzusammengefaßt sind.

Zwischen seitlich benachbarten Rohren 1 sind Abstandhalter 6 eingesetzt und mit der langen Verbindungsfläche 2 der Enden verschweißt, wodurch Spalte 5 zwischen den Rohren 1 geschaffen sind. Durch die Spalte 5 strömt ein Medium, das das Medium in den Rohren 1 erwärmt. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Spalte S durch die Abstandhalter 6 geschaffen. Die Spalte können durch Auseinanderziehen der Verbindungsflächen 2 zu seitlich benachbarten Rohren 1 und durch stumpfes Verbinden der gedehnten Teile der Verbindungsflächen 2 geschaffen werden.

Die Rohrenden la und Xb sind in einen elastisch verformbaren Rahmen 7 passend eingesetzt, der die Stellungen der Rohrenden laund Inhalt.

Der Rahmen 7 trägt ein Element 8, z. B. eine Platte, wodurch er die längsseitigen und seitlichen Belastungen aufnimmt. Dadurch wird die thermische Spannung an den Rohrenden la und Ib durch die Verformung des Rahmens 7 kompensiert, während die thermische Spannung in Längsrichtung des Rohres 1 in den Spalten Skompensiert wird.

Während bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen die wärmeleitenden Rohre 1 oval oder kreisförmig im Schnitt sind, sind bei dem vierten Ausführungsbeispiel die Rohre 9 im Schnitt rechteckförmig.

Gemäß den Fig. 13 und 14 sind beide Rohrenden 9a und 9b des rechteckförmigen Rohres 9 an der langen Seite 9' aufgeweitet, um ein rechteckförmiges Ende 10 zu bilden, dessen lange Seite 10' zu beiden Seiten des Rohres 9 auskragt bzw. -dehnt, und ein Paar Flächen 10a, 10ύ sind in Längsrichtung des Endes 10 gebildet.

Wie in den Fig. 15, 16 und 17 dargestellt, ist eine Anzahl von Rohren 9 in einem Gitterschema parallel zueinander angeordnet. Die Flächen 10a, iOb der längsseitig benachbarten Rohre 9 stoßen gegeneinander und sind verschweißt, wobei die Enden 9a, 9b der Rohre 9 zusammengefaßt sind. Spalte S sind zwischen seitlich benachbarten Rohren 9 durch Stumpfschweißen der Seiten 10' der benachbarten Rohre 9 gebildet. Rautenförmig geformte Bereiche an den Ecken der Rohrenden sind mit geschmolzenem Schweißmaterial ausgefüllt. Seitlich von den Rohren abstehend erstrekken sich Halter bzw. Plättchen 11, die die seitlich benachbarten Rohre 9 berühren, wodurch jedes Rohr 9 verstärkt und gleichzeitig der Strömungspfad des durch die Spalte 5 fließenden bzw. strömenden Mediums verengt und der wärmeleitende Bereich vergrößert wird.

Die Rohrenden 9a, 9b der zusammengefaßten Rohre 9 sinrl in einen Rahmen 12 passend eingesetzt, durch welchen die Positionierung der Rohrenden 9a, 9b erreicht wird. Die thermische Spannung an den Rohrenden 9a, 9b wird durch die Spannung aufgrund der thermischen Ausdehnung des Rahmens 12 kompensiert, der aus demselben Material wie das Rohr 9 hergestellt ist. Die thermische Spannung in Längsrichtung des Rohres 9 wird durch dessen längsseitiges Biegen kompensiert. Statt der Verwendung des Rahmens 12 kann auch, wie in Fig. 17 durch eine strich-doppelpunktierte Linie angedeutet, ein Kasten 12' zum Positionieren der Rohrenden 9a und 9b verwendet werden.

Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen werden die Rohrenden auf rechteckige Form bzw. Querschnitt verformt, um Verbindungsflächen zu schaffen, jedoch können diese Enden auch im Schnitt mehreckig bzw. polygonal geformt werden, borausgesetzt, die Verbindungsflächen können an den Enden benachbarter Rohre gebildet werden.

In den meisten der Ausführungsbeispiele ist ein Rahmen verwendet, jedoch kann auch ein Kasten, wie beim vierten Ausführungsbeispiel dargestellt ist zum Positionieren der Rohrenden 9a, 9b Verwendung finden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wärmetauscher mit einer Vielzahl von Rohren mit im Querschnitt rechteckigen Enden, von denen zumindest Teilbereiche seitlich Ober die Rohrwand ragen und Verbindungsflächen bilden, Ober die die Enden benachbarter Rohre einer Rohrreihe unmittelbar miteinander verbunden sind, wobei zwischen den Rohren Spalte gebildet sind, durch die ein Medium strömen kann, während ein anderes Medium durch die Rohre strömt, mit einem die Rohrenden umgebenden Rahmen und mit Elementen zur Kompensation der thermischen Spannungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (4, 5, 8) zur Kompensation von thermischen Spannungen längs der Endflächen der Rohrreihen mit gitterförmig oder versetzt angeordneten Rohren (1, 9) vorgesehen und als elastisch verformbare Manschetten ausgebildet sind.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die langgestreckten Elemente (4, 5, 8) zur Kompensation von thermischen Spannungen in Querrichtung gewölbt sind, wobei ihre längsgerichteten Kanten mit den Längsflächen der Rohrenden (la, Ib) verbunden sind.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der die Rohrenden (la, 1 b) umgebende und aus demselben Material wie die Rohre bestehende Rahmen (3, 7) plattenartig ausgebildet ist

4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß C&r RaLjien (7) aus mehreren an ihren Enden miteinander verbundenen länglichen Rahmenteilen zusammengesei i ist, die in einer Richtung quer zu ihrer Längserstreckung gewölbt sind.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den Wölbungen der Rahmenteile zusätzliche Elemente (8) zur Kompensation von thermischen Spannungen vorgesehen sind

6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrenden (la, 1 ty ein relativ langes und schmales Rechteck bilden, dessen lange Seiten mit den Elementen (4, 5, 8) zur Kompensation von thermischen Spannungen und den Rahmenteilen und dessen kurze Seiten mit den kurzen Seiten der benachbarten Rohre oder den kurzen Rahmenteilen verbunden sind.