DE2617242B2

DE2617242B2 - Rohrschlangen-Wärmetauscher bestehend aus mindestens einem Mehrfachrohr

Info

Publication number: DE2617242B2
Application number: DE19762617242
Authority: DE
Inventors: Hermann Paul Werner 6700 Ludwigshafen Crone
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-04-20
Filing date: 1976-04-20
Publication date: 1979-02-15
Also published as: DE2617242C3; DE2617242A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Rohrschlangen-Wärmetauscher, bestehend aus mindestens einem Mehrfachrohr, das aus einem größeren, äußeren, druckfesten Mantelrohr und darin dehnungsfähig eingebauten kleineren Innenrohren besteht, wobei zwischen den Rohren, insbesondere in Rohrlängsrichtung mehrfach aufeinander folgend Abstandhalter vorgesehen sind.

Für derartige Wärmetauscher besteht häufig die Forderung, bei einem gegebenen Raumangebot möglichst große Wärmetauscherleistungen zu erzielen. Zu diesem Zweck müssen die Wärmetauscher jeweils den gegebenen Raumbedingungen angepaßt werden. Andererseits ist es aber wünschenswert, die für die Rohrschlangen-Wärmetauscher verwendeten bemäntelten Mehrfachrohre in Serie fertigen zu können, um dadurch Herstellungskosten zu senken. Diesen beiden Forderungen nach möglichst individueller Anpassung an gegebene Raumverhältnisse durch entsprechende Formgebung des Wärmetauschers und nach möglichst geringen Herstellungskosten, d.h. Serienfertigung, ist schwer gerecht zu werden.

Bekannt ist ein Wärmetauscher (DE-PS 9 67 376), der aus einem druckfesten Mantelrohr und darin dehnungsfähig eingebauten Innenrohren besteht, wobei Abstandhalter für die Rohre vorgesehen sind. Bei diesem bekannten Wärmetauscher besteht der Mantel aus einem nach einem Kreisbogen gebogenen Rohr, in welches nach Kreisbogen gebogene Innenrohre eingefädelt werden. Ein derartig gefertigter Wärmetauscher läßt sich nicht kaltverbiegen. Durch seine gebogene Form besteht lediglich eine Dehnungsmöglichkeit die bei starken Temperaturschwankungen notwendig ist Eine kostengünstige Serienfertigung und eine einfache Möglichkeit der Anpassung an gegebene Raumverhält-ο nisse ist mit dieser bekannten Anordnung nicht möglich.

Zur Herstellung dieses bekannten Wärmetauschers

werden gebogene Mantelrohre verwendet, in die entsprechend gebogene Innenrohre eingefädelt werden.

Das Mantelrohr und die Innenrohre können auch in

Form einer Kreisschraube gebogen sein, wobei die Innenrohre in das Mantelrohr hineingedreht werden. Gerade und gebogene Teile des Wärmetauschers müssen stets gesondert fertiggestellt werden und können erst danach miteinander verbunden werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rohrschlangen-Wärmetauscher zu schaffen, bei welchem die Innenrohre ohne die Gefahr einer Beschädigung zusammen mit dem äußeren Mantelrohr in kaltem Zustand in eine vorbestimmte Form gebogen werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Rohrschlangen-Wärmetauscher der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Abstandhalter Schraubenfedern sind, die parallel zu den Rohren verlaufend zwischen den Innenrohren und dem Mantelrohr angeordnet sind.

Die Schraubenfedern bilden gleichmäßig verteilte Abstandhalter zwischen den Innenrohren untereinander und zwischen den Innenrohren und der Innenfläche des äußeren Mantelrohres und ermöglichen aufgrund ihrer Elastizität ein Kaltbiegen des bemäntelten Mehrfachrohres. Gleichzeitig lassen die Schraubenfedern einen gleichmäßigen Querschnitt für das Strömungsmedium offen und der Federdraht erzeugt Strömungsturbulenzen, die einen Wärmeaustausch begünstigen.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Schraubenfedern an ihren Enden kegelförmig eingezogen sind. Auf diese Weise kann in gewünschtem Maße eine Umlenkung der Strömung erreicht werden. Die Schraubenfedern sind dazu in vorbestimmten, vorzugsweise gleichmäßigen, Abständen an den Enden enggewickelt

Die bevorzugte Ausbildung eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers sieht vor, daß zwischen die Enden axial aufeinander folgender Schraubenfedern Distanzstücke eingesetzt sind, die jeweils aus drei in etwa dreieckförmig zusammengeschweißten Rohrsegmenten bestehen können, welche in ihrer Mitte eine Öffnung haben. Räumlich versetzt können einige dieser Distanzstücke weggelassen werden, um die Turbulenz der Strömung zu erhöhen. Die Schraubenfedern ermöglichen sogar die Verwendung von bestifteten Innenrohren, ohne daß die Gefahr besteht, daß die Stifte beim Kaltbiegen die Innenrohre oder das Mantelrohr verletzen. Bei Anwendung von bestifteten Innenrohren greifen die Stifte zwischen die Wendeln der Federn ein und können daher beim Kaltbiegen nicht die Rohrwandungen benachbarter Rohre verletzen. Durch Drehen der Schraubenfedern und der bestifteten Innenrohre läßt sich praktisch immer erreichen, daß die Stifte in die Steigungslücken der Schraubenfedern fassen.

Während des gemeinsamen Einbaus der Innenrohre, der Schraubenfedern und gegebenenfalls der Distanz-

stücke können diese Teile dadurch zusammengehalten werden, daß um die Innenrohre und die Schraubenfedern in Abständen Stahlbandschellen angebracht sind, wobei die Stahlbandschellen nach hinten über die Innenrohre abgestreift werden können, um nicht mit in das Mantelrohr eingeschoben zu werden.

Der Wärmetauscher wird zunächst als gerades Teil gefertigt und anschließend- entsprechend einer gewünschten Form gebogen. Auf diese Weise lassen sich beliebige Formen von Wärmetauschern realisieren und somit ei&e bestmögliche Anpassung an gegebene Raumverhältnisse erreichen. Das Biegen des umhüllenden Mantelrohres zugleich mit den eingeschobenen Innenrohren kann in kaltem Zustand auf einer Rohrbiegemaschine oder über einen Dorn erfolgen. Derart kaltgebogene Rohre haben im Gegensatz zur Warmverformung den Vorteil, daß die mechanischen und physikalischen Eigenschaften erhalten bleiben. Die Wärmetauscherstränge können in den verschiedensten Dimensionen ausgeführt werden mit ebenfalls verschiedener Zahl und Dimension der Innenrohre. Eine kostengünstige Serienherstellung ist somit möglich. An den Werkstoff der Rohre sind keine besonderen Anforderungen gestellt Es kann Stahl mittlerer Qualität verwendet werden.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigen

F i g. 1 den Querschnitt eines bemäntelten Mehrfachrohres mit bestifteten Innenrohren,

Fig.2 ein aus drei Rohrsegmenten gefertigtes Distanzstück,

F i g. 3 einen Längsschnitt eines bemäntelten Mehrfachrohres und

F i g. 4 einen Rohrschlangen-Wärmetauscher, der im wesentlichen aus einem bemäntelten Mehrfachrohr besteht

Das in F i g. 1 im Querschnitt gezeigte bemäntelte Mehrfachrohr M besteht im wesentlichen aus einem äußeren Mantelrohr 1, in diesem angeordneten Innenrohren 2, Schraubenfedern 3, 4 und Distanzstükken 5. Außerdem sind an der Innenfläche 6 des Mantelrohres 1 in bestimmten Abständen Absperringe 7 zur Beeinflussung der Strömung angebracht Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind sieben bestifte Innenrohre 2 in konzentrischen Teilkreisen um die Achse des Mantelrohres 1 angeordnet. Die an den Umfangen der Innenrohre 2 angebrachten Stifte 8 begünstigen den Wärmeaustausch zwischen einem durch die offenen Querschnitte 9 hindurchtretenden Strömungsmedium und den Innenrohren 2. Die zwischen den Innenrohren 2 angeordneten, weiter innen liegenden Schraubenfedern 3 können einen anderen Querschnitt als die weiter außen liegenden Schraubenfedern 4 aufweisen, welche zwischen den Innenrohren 2 und der Innenfläche 6 des Mantelrohres 1 angeordnet sind. Dabei greifen die Stifte 8 in die in Fig.3 erkennbaren Lücken zwischen den Wendeln der Schraubenfedern 3, 4 ein. An den Enden offene Schraubenfedern 3, 4 sind mit an den Enden durch kegelförmige Windungen eingezogene Schraubenfedern 3, 4 abwechselnd angeordnet Die im Bereich der Distanzstücke 5 an den Enden kegelförmig eingezogenen Schraubenfedern 3, 4 sind in F i g. 1 durch konzentrische Kreise 10 angedeutet. Durch die abwechselnde Anordnung von geschlossenen und offenen Schraubenfedern 3, 4 wird eine Strömungsumlenkung erreicht, die die Turbulenz des Strömungsmediums und damit den Wärmeaustausch fördert. Die jeweils an den Enden der Schraubenfedern 3,4 angeordneten Distanzstücke 5 bestehen aus Rohrsegmenten 11, die durch Schweißpunkte 12 miteinander verbunden sind. In der Mitte weisen die Distanzstücke 5 etwa dreieckförmige öffnungen 13 auf. Die Größe der Distanzstücke 5 ist so bemessen, daß sie sich gegenseitig berühren und durch Schweißpunkte 14 zu einem Stern verschweißt werden können. Die Distanzstücke 5 gewährleisten eine symmetrische Anordnung der im Inneren des Mantelrohres 1 befindlichen Innenrohre 2 und Schraubenfedern 3,4.

Der Übersichtlichkeit wegen sind drei der Innenrohre 2 als unbestiftete Innenrohre eingezeichnet Für die erfindungsgemäße Anordnung sind sowohl bestiftete als auch unbestiftete Innenrohre 2 verwendbar.

In F i g. 2 ist ein etwa dreieckförmiges Distanzstück 5 dargestellt, das aus den Rohrsegmenten 11 zusammengesetzt und durch Schweißpunkte 12 zusammengehalten ist Das zusätzlich eingezeichnete gleichschenklige

Dreieck 15 verdeutlicht die Ausbildung des Überstandes

16, der einer besseren Seitenführung für die anliegenden

Innenrohre 2 und einer erhöhten Strömungsabsperrung

im Bereich der Schraubenfedern dient

Die senkrechte Schnittebene des in F i g. 3 dargestell-

ten Längsschnittes ist in F i g. 1 dargestellt Innerhalb des Mantelrohres 1 sind die Innenrohre 2, die Schraubenfedern 3, 4 mit den kegelförmig eingezogenen Enden 17, die Distanzstücke 5 und ein Absperring 7 angeordnet, der von den Enden 17 der äußeren Schraubenfedern 4 gehalten wird. Durch den Absperring 7 wird eine Strömungsumlenkung an der Innenfläche 6 des Mantelrohres 1 erreicht Zu diesem Zweck ist eine möglichst enge Tolerierung zwischen Innenfläche 6 und dem Absperring 7 erwünscht

Aus der Zeichnung ist ersichtlich, daß die Schraubenfedern 3, 4 eine gleichmäßig verteilte Auflagerung für die Innenrohre 2 und das Mantelrohr 1 bilden. Eine Stahlbandschelle T hält die Innenrohre 2, die Schraubenfedern 3,4 und die Distanzstücke 5 beim Einfügen in das Mantelrohr 1 zusammen und kann beim Einführen nach hinten abgestreift werden; in diesem Fall werden die Stahlbandschellen T nicht mit in das Mantelrohr 1 eingeschoben.

Der in F i g. 4 dargestellte Rohrschlangen-Wärmetau-

scher besteht im wesentlichen aus einem Mantelrohr 1, den Innenrohren 2, den Schraubenfedern 3, 4, den DistanzstUcken 5, dem Absperring 7, zwei Rohrplatten 18, 19 und weist Mantelrohrstutzen 20, 21 auf. Zum Einschieben der Innenrohre 2, Schraubenfedern 3,4 und

so Distanzstücke 5 können diese durch hier nicht näher dargestellte Bandschellen zusammengehalten werden. Nachdem die Innenrohre 2 und das Mantelrohr 1 in geradem Zustand zusammengesetzt sind, kann der Wärmetauscher kaltgebogen werden. Erst nach dem Kaltbiegen auf einer Rohrbiegemaschine sind die Rohrplatten 18, 19 an dem bemäntelten Mehrfachrohi anzubringen und gegenüber dem Mantelrohr 1 zu befestigen. Mantelrohrstutzen 20, 21 können ebenfalls nach dem Kaltbiegen am Mantelrohr 1 angebracht werden. Die Richtungspfeile E geben die Richtung der einströmenden Medien, die Pfeile A die Richtung der ausströmenden Medien an. Für den dargestellten Rohrschlangen-Wärmetauscher können als Beispiel etwa folgende Maße angegeben werden:

Mantelrohrdurchmesser d 7,6 cm

Biegeradius r 20 cm

Wärmetauscherlänge L 200 cm

Es sind auch andere Biegungen als die hier dargestellten 180°-Biegungen realisierbar. .y = ——

Beim Kaltbiegen der bemäntelten Mehrfachrohre M ist insbesondere eine Verquetschung der außenliegenden Schraubenfedern 4 zu erwarten; die der inneren Schraubenfedern 3 ist geringer. Die dadurch verformten Schraubenfedern 3, 4 fördern die Turbulenz der Strömung, vor allem im Bereich der Biegungen. Auf diese Weise erhält man ein ausgewogenes Verhältnis von laminarer zu turbulenter Strömung, wie es für derartige Wärmetauscher erwünscht ist.

s = —. —

(200 y + ρ) ί'

16 · 200 · 0,98

ir ^{+ 200}J · °'

IJI

0,96

Berechnungsbeispiel (Grenzbelastung)

Innenrohre (Mehrfachrohr, nach F i g. 1 bis 3), Rohrbiegeradius für Mantelrohr: 0 76,1 mm χ 4 — R 1=200 mm; (empfohlen für Rohrbiegemaschine 2,5-3 χ C^, demnach Rohrbiegeradius des innenliegenden Wärmetauscherrohres mit Teilung 22 mm (R 1 -22 mm): 200 mm -22 mm = 178 mm = r.

Da = Rohrdurchmesser in mm =16

Werkstoff: St 35

ρ — Druck im Rohr in bar = 200

t = Temperatur im Rohr in "C = 300

K = Berechnungsfestigkeit in kp/cm² = 15

S = Sicherheitsfaktor =1,5

r = kleinster Rohrbogenradius in mm = 178

ν = Faktor für Wandstärkenverminderung

178

Da

178 +

16

= 0,96

Faktor für die Spannungsraduktion an der Rohrbogenaußenseite

2t

Da

2 ■ r + Da

c = Zuschlag für Wandstärkenabweichung

= 0,11 Sb
erforderliche Wandstärke: 5= S₀+c

45 = 1,485 · 1,11 = 1,65 mm

Zuschlag für Rohrdeformation =0,3 mm = 1,65 + 0,3= 1,95 mm

15

20 gewählt: j=2 mm

Mantelrohr 0 76,i χ 4, R ί =200 mm Werkstoff: St 35

Da = 76,1 mm ρ = 90 bar t = 300⁰C K = 15 kp/cm²

S = 1,5 r = 200 mm ν = 200: (200+ 76,1 :2) = 0,84

A = (2 · 200 + 76,1 :2):(2 · 200 + 76,1) = 0,92

c = 0,11 · s Zuschlag für Rohrdeformation=0,3 mm

JO

s = — Da ■ρ ■ A

²⁰⁰I ⁺

1,11 +0,3

76,1 ■ 90 · 0,92 (200 ™ + 9θ) · 0,84

= 3,59 -1,11 s = 3,98 mm

Zuschlag = 0,3 mm für Rohrdeformation kann entfaller wenn zu biegendes Rohr auf der Rohrbiegemaschini vom Matrizeneinsatz voll über die zu biegendi Gradzahl geführt wird.

s = 3,98 + 0=338 mm gewählt: 5=4 mm.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Rohrschlangen-Wärmetauscher, bestehend aus mindestens einem Mehrfachrohr, das aus einem größeren, äußeren, druckfesten Mantelrohr und darin dehnungsfähig eingebauten kleineren Innenrohren besteht, wobei zwischen den Rohren, insbesondere in Rohrlängsrichtung mehrfach aufeinander folgend, Abstandhalter vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandhalter Schraubenfedern (3,4) sind, die parallel zu den Rohren verlaufend zwischen den Innenrohren (2) und zwischen diesen und dem Mantelrohr (1) angeordnet sind.

Z Rohrschlangen-Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubenfedern (3, 4) an ihren Enden (17) kegelförmig eingezogen sind.

3. Rohrschlangen-Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Enden (17) axial aufeinander folgender Schraubenfedern (3,4) Distanzstücke (5) eingesetzt sind, die jeweils aus drei etwa dreieckförmig zusammengeschweißten Rohrsegmenten (11) bestehen können.

4. Rohrschlangen-Wärmetauscher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Ebenen der Distanzstücke (5) Absperringe (7) an der Innenfläche (6) des Mantelrohres (1) angebracht sind.

5. Rohrschlangen-Wärmetauscher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß um die Innenrohre (2) und die Schraubenfedern (3,4) in Abständen Stahlbandschellen (7') angebracht sind.

6. Rohrschlangen-Wärmetauscher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenrohre (2) an ihrem Außenumfang radiale Stifte (8) tragen, welche zwischen die Wendeln der Schraubenfedern (3,4) eingreifen.