DE2934106A1 - PIPE HEAT EXCHANGER AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF - Google Patents
PIPE HEAT EXCHANGER AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOFInfo
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Description
Betr.: Patentanmeldung H 123Re: patent application H 123
Anmelder: Prof. Dr.-Ing. Karl-Heinrich Hausmann In der Heide 9Applicant: Prof. Dr.-Ing. Karl-Heinrich Hausmann In der Heide 9
5100 Aachen-Richterich5100 Aachen-Richterich
Rohrwärmetauscher und Verfahren zu dessen HerstellungTube heat exchanger and process for its manufacture
Die Erfindung bezieht sich auf einen aus einem oder mehreren Rohrbündeln bestehenden Rohrwärmetauscher in Modulbauweise mit Grundeinheiten, die in einem würfelförmigen Wärmetauschergehäuse angeordnet sind.The invention relates to a modular tube heat exchanger consisting of one or more tube bundles with basic units that are arranged in a cube-shaped heat exchanger housing.
Die Erfindung berücksichtigt in erster Linie die besonderen betriebstechnischen Verhältnisse bei der Energierückgewinnung aus gasförmigen Fluiden - insbesondere verunreinigte Abluft -, die auch korrodierende Bestandteile enthalten können. The invention primarily takes into account the special operational conditions in energy recovery from gaseous fluids - especially contaminated exhaust air - which can also contain corrosive components.
Röhrenwärmetauscher zur Gewinnung von Energie oder übertragung von Energie aus gasförmigen Fluiden - z.B. Abluft durch Wärmetauscher mit einem anderen Fluid - z.B. Wasser oder Frischluft - sind bekannt. Auch die Verwendung von Rohren aus technischen Silikaten sowie verschiedenartige elastische Einbindungen dieser Rohre in die Rohrboden gehören zum Stand der Technik.Tubular heat exchanger for the generation of energy or transmission of energy from gaseous fluids - e.g. exhaust air through heat exchangers with another fluid - e.g. water or fresh air - are known. Also the use of pipes made of technical silicates as well as various types elastic connections of these tubes in the tube sheet belong to the state of the art.
Die erkannten Rohrwärmetauscher und deren Herstellungsverfahren - z.B. gemäß OS 2758592, 2511033, 2659185, 2603562 - verwenden eine Vorrichtung mit zwei parallel gegenüberliegenden Rohrboden, die mit Bohrungen für den Einsatz der Rohre versehen sind. Die Fixierung und Abdichtung der Rohre erfolgt dort durch vorgefertigte Dichtungsmanschetten aus elastischen Stoffen, die beim Einsatz der Rohre verformt werden.The recognized tubular heat exchangers and their manufacturing processes - e.g. according to OS 2758592, 2511033, 2659185, 2603562 - use a device with two parallel opposite one another Tube sheets, which are provided with holes for the use of the tubes. The pipes are fixed and sealed there by prefabricated sealing sleeves made of elastic materials, which are deformed when the pipes are used.
Der hierzu notwendige Energieaufwand und die entstehende Bruchgefahr beim Einsetzen der Rohre sowie die verbleibenden Dichtungsprobleme sind erhebliche Nachteile dieser bekanntenThe energy required for this and the risk of breakage when inserting the pipes and the remaining ones Sealing problems are significant disadvantages of these known ones
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Wärmetauscher, die außerdem mangelnde Korrosionsbeständigkeit an der Vorrichtung implizieren. Die vorliegende Erfindung vermeidet diese Nachteile und schlägt einen Röhrenwärmetauscher ohne Dichtungsmanschetten oder dergleichen vor, der eine einwandfreie dichte, säurefeste, elastische Einbindung und Halterung der Rohre gewährleistet und zudem erheblich einfacher hergestellt werden kann.Heat exchangers, which also imply a lack of corrosion resistance on the device. The present invention avoids these disadvantages and proposes a tubular heat exchanger without sealing sleeves or the like, which guarantees a perfect, leak-proof, acid-proof, elastic connection and retention of the pipes and also considerably can be produced more easily.
Die Erfindung besteht darin, daß in den als Röhrenbündelwärmetauscher entwickelten Grundeinheiten Rohre vorzugsweise aus technischen Silikaten, deren Enden zur Verbesserung der Haftung vorbehandelt sind, in zwei einander parallel im Abstand gegenüberliegenden, tragenden Rohrbodenplatten - mit korrosionsfest vorbehandelten Oberflächen von glasartiger Struktur und Beschaffenheit - unter Verwendung elastisch aushärtender Vergußmaterialien an den Rohrenden festhaftend, dicht und dauerelastisch eingebettet sind.The invention consists in that in the tube bundle heat exchanger developed basic tubes, preferably made of technical silicates, the ends of which are to be improved are pretreated for adhesion, in two supporting tube sheet plates that are parallel and spaced apart from one another - with corrosion-resistant pretreated surfaces with a glass-like structure and consistency - using elastic hardening potting materials are embedded firmly, tightly and permanently elastic at the pipe ends.
In Weiterentwicklung der Erfindung wird vorgeschlagen, jede Grundeinheit beweglich auszubilden, so daß sie nach den jeweils konstruktiv vorgegebenen Seiten während des Betriebes des Wärmetauschers ausgewechselt werden kann, ohne die Effektivität des Wärmetauschers entscheidend zu beeinflussen.In a further development of the invention, it is proposed that each base unit be designed to be movable so that it can be moved according to the structurally predetermined sides can be exchanged during the operation of the heat exchanger without affecting the effectiveness to influence the heat exchanger decisively.
Eine besondere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, jede Grundeinheit des Wärmetauschers als modularen Baustein in Form eines in rechteckigen Rohrboden gefaßten Rohrbündels von insgesamt quaderförmigen Abmessungen auszubilden und sie wie ein Schubkastenelement beweglich in einem Wärmetauscher-Rahmengehäuse mit würfelförmigen äußeren Abmessungen entsprechenden Schubfächern beliebig einschiebbar zu gestalten, wobei sie eingeschoben beweglich bleibt, aber dicht mit der Gehäusekonstruktion abschließt.A particular embodiment of the invention provides for each basic unit of the heat exchanger as a modular component in Form a tube bundle set in a rectangular tube sheet with a total of cuboid dimensions and they like a drawer element movable in a heat exchanger frame housing with corresponding cubic external dimensions To make drawers insertable as required, while being inserted remains movable, but tightly with the Housing construction completes.
Jede Grundeinheit kann zum Zwecke der leichteren Reinigung und zur bequemen Anpassung der Wärmetauscherleistung vorteilhaft als relativ flacher Quader mit KantenverhältnissenEach basic unit can be advantageous for the purpose of easier cleaning and for convenient adjustment of the heat exchanger performance as a relatively flat cuboid with edge proportions
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H = f . K; K = L ausgebildet sein. Hierbei ist H die Höhe, K die Breite und L die Länge der Grundeinheit und f ein Faktor, der sich als Kehrwert der Anzahl der modularen Grundeinheiten ergibt. Auch beim Einsatz einer einzelnen Grundeinheit soll ein würfelförmiges Gehäuse verwendet werden, um die Abmaße der Anströmkanäle zu vereinheitlichen. In jeder Grundeinheit können - unabhängig von Baugröße und Leistungsklasse - die Längen, Durchmesser und Teilzahlen zweckmäßig so mit den Abmessungen und Abständen der Rohrplattenböden abgestimmt werden, daß dieselben hydrodynamischen Kennzahlwerte hinsichtlich der Durchströmung der Rohre einerseits sowie der Umströmung der Rohre andererseits erreicht werden.H = f. K; K = L be formed. Here H is the height, K is the width and L the length of the basic unit and f is a factor that is the reciprocal of the number of modular Basic units results. A cube-shaped housing should also be used when using a single basic unit, to standardize the dimensions of the inflow channels. In each basic unit - regardless of size and Performance class - the lengths, diameters and parts numbers expediently match the dimensions and spacing of the tube plate bases be coordinated that the same hydrodynamic index values with regard to the flow through the Pipes on the one hand and the flow around the pipes on the other hand can be achieved.
Die vorbehandelten Rohrenden werden gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung in den vorbehandelten Rohrbodenplatten aus Metall oder anderen geeigneten Werkstoffen unter Verwendung von säurefesten Harzverbindungen auf Silikonbasis eingegossen, die nach der Erhärtung elastisch bleiben. So können Phenylsilikonharze mit polaren Carbonyl-, Amid- oder Estergruppen Verwendung finden, die neben der geeigneten Zahl an polaren Gruppen auch über eine ausreichende Zahl von freien OH-Gruppen verfügen, wodurch insbesondere die chemische Affinität - d.h. die Verbindung mit der Glasoberfläche durch Dipol-Wechselwirkungen - verbessert wird. Diese Harze können auch ein geeignetes, ausgewogenes Verhältnis zwirchen den polaren und elastischen Gruppen, wie CH2~Gruppen oder Isophorondiinaganat-Gruppen bei hohem Vernetzungsgrad aufweisen.According to a further embodiment of the invention, the pretreated tube ends are in the pretreated tube sheet plates made of metal or other suitable materials using acid-resistant resin compounds based on silicone poured in, which remain elastic after hardening. Phenyl silicone resins with polar carbonyl, Amide or ester groups are used which, in addition to the appropriate number of polar groups, also have a sufficient number Number of free OH groups, which in particular increases the chemical affinity - i.e. the connection with the glass surface through dipole interactions - is improved. These resins can also have a suitable balance between the polar and elastic groups, such as CH2 groups or isophorone diinaganate groups with a high degree of crosslinking exhibit.
Sie können außerdem als Mischsysteme aus Silikonharzsystemen mit Methylestern, Phenylestern und Ethylestern und solchen zusammengesetzt sein, die auf der Basis von Butyl-, Hexyl- und höherwertigen Estern aufgebaut werden.They can also be used as mixed systems of silicone resin systems with methyl esters, phenyl esters and ethyl esters and such be composed on the basis of butyl, hexyl and higher-quality esters are built up.
Harze der geschilderten Art können zur Verbesserung der Resistenz gegen Säuren und Lösungsmittel durch Mischkondensa-Resins of the type described can be used to improve the resistance to acids and solvents by means of mixed condensation
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'293AJLOS. -/-Atf '293AJLOS. - / - Atf
tion als Polysiloxane der letzten Art zusätzlich mit Epoxidharzen verbessert sein.tion as polysiloxanes of the last type can also be improved with epoxy resins.
Die Zentrierung der Rohre erfolgt automatisch durch die eingestellt^ Viskosität und die Oberflächenspannung zwischen der Harzverbindung und der vorbehandelten Oberfläche des Rohrendes. Dadurch wird neben der einwandfreien Abdichtung zusätzlich eine gute Bruchsicherung bei Betrieb und Transport erreicht, weil Erschütterungen und Schwingungen durch die elastische Masse aufgefangen werden.The centering of the pipes is done automatically by the set ^ Viscosity and the surface tension between the resin compound and the pretreated surface of the pipe end. As a result, in addition to a perfect seal, a good break protection during operation and transport is achieved, because shocks and vibrations are absorbed by the elastic mass.
Andere bekannte Röhrenwärmetauscher mit Glasrohren und Verfahren zur Herstellung von solchen erreichen die Halterung und Abdichtung der Rohrenden durch vorübergehende Justierung der Rohre im Rohrboden mit Hilfe von Lehren oder dergl. und anschließendes Vergießen eines zweiten Rohrbodens aus Kunststoff massen im Verbund mit dem ersten, der meist aus dünnem Metallblech besteht, insbesondere mit Hilfe einer Gießform oder Gießwanne, wobei der gegossene Rohrboden entweder an der Innenseite oder an der Außenseite des ersten Rohrbodens haftet. Die eigentlich tragenden Teile sind dabei die an den Enden der Rohre vergossenen Kunststoffmassen, welche nach dem Erhärten Wände bilden, in welchen die Endpartien der Rohre festhaftend eingebettet sind. Hier seien die Offenlegungsschriften 2610817, 2509717, 1551522, 2129096, 2502291, 2265349, 2828412 sowie die US-PS 3447603 und 3633660 besonders erwähnt.Other known tubular heat exchangers with glass tubes and processes for the production of such achieve the holding and sealing of the pipe ends by temporary adjustment the tubes in the tube sheet with the help of gauges or the like. And then pouring a second tube sheet made of plastic masses in conjunction with the first, which usually consists of thin sheet metal, in particular with the help of a casting mold or tundish, with the cast tube sheet either on the inside or on the outside of the first tube sheet adheres. The actually load-bearing parts are the plastic masses cast at the ends of the pipes, which after form walls after hardening, in which the end sections of the pipes are firmly embedded. Here are the disclosures 2610817, 2509717, 1551522, 2129096, 2502291, 2265349, 2828412 and U.S. Patents 3,447,603 and 3,633660 in particular mentioned.
Die dabei ersichtlichen Nachteile, wie der umständliche Gebrauch von Gießwannen, Gießlehren, die Probleme des Ablösens der erhärtenden Gußmasse aus diesen, der hohe Materialverbrauch an teuren Harzverbindungen oder ähnlichen Vergußmassen, sowie die nicht ausreichende Säurefestigkeit dieser Rohrboden, die durch zusätzliches Eingießen von Folien aus Teflon verbessert werden muß, werden bei der vorliegenden Erfindung vermieden.The obvious disadvantages, such as the cumbersome use of casting troughs, casting gauges, the problems of detachment the hardening casting compound from these, the high material consumption of expensive resin compounds or similar casting compounds, as well as the insufficient acid resistance of this tube sheet, which is caused by the additional pouring of foils Teflon needs to be improved are avoided in the present invention.
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Die Erfindung ist in einer weiteren Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, daß zwei im Abstand parallel gegenüberliegende Rohrbodenplatten aus Metall oder anderen geeigneten Werkstoffen - z.B. Asbest - als tragende Elemente so ausgebildet sind, daß sie gleichzeitig als Gießform beim elastischen Einbinden der Rohrenden verwendet werden können.In a further embodiment, the invention is characterized in that two mutually parallel and opposite one another at a distance Tube sheet plates made of metal or other suitable materials - e.g. asbestos - designed as load-bearing elements in this way are that they can be used at the same time as a mold for elastic binding of the pipe ends.
Der Verbrauch an Einbindnngsmaterial wird dadurch minimiert, daß durch unterschiedliches Temperieren des Vergußmaterials, der Rohrbodenplatte und der Rohrenden das Vergießen bei niedrigen Viskositäten beginnt, wodurch die zunächst dünnflüssige Masse schnell und gleichmäßig auf die Bohrlöcher der Rohrbodenplatte verteilt wird, wo sie ihre Viskosität durch Abkühlung an den Rohrenden auf die gewünschten Werte erhöht. Die dabei anwachsenden Kapillarkräfte im Spalt zwischen Plattenbohrloch und durchstoßendem Rohrende zentrieren das RohrThe consumption of binding material is minimized, that by different temperature control of the potting material, the tube base plate and the pipe ends the potting at low Viscosities begins, whereby the initially thin-bodied mass is applied quickly and evenly to the drill holes Tube base plate is distributed, where it increases its viscosity to the desired values by cooling at the tube ends. The increasing capillary forces in the gap between the plate borehole and the piercing pipe end center the pipe
Um aTo a
im Bohrloch der Platte^ #uf die Oberflächeneigenschaften des Rohrboden7- und RohrmaterialsViconnen individuell abgestimmte Einbindungsmittel mit optimiertem-» rheologischem Verhalten und geeigneten Oberflächenspannungsarten eir-r-e1teii%- werden.In the borehole of the plate, individually tailored binding agents with optimized rheological behavior and suitable types of surface tension are used to meet the surface properties of the tube sheet 7 and tube material.
Zum Zweck der Erhöhung der Korrosionsfestigkeit und der Verbesserung der Haftung der elastischen Einbindungsmasse am Rohrbodenmaterial und an den Enden der Rohre werden die Oberflächen dieser Teile vorteilhaft einer differenzierten Vorbehandlung unterzogen. So können zur Verbesserung des Oberflächenfiniiches derartige Polysilane, wie Vinylsilane, Chromsilane oder ähnliche Verbindungen eingesetzt werden, bei denen in den freien Endgruppen der Silane grundsätzlich Veredelungsmittel in Form von organischen oder anorganischen Säurereste eingebaut werden, durch die der Verbund von Kunstharzen und Glasflächen verbessert wird.For the purpose of increasing the corrosion resistance and improving it the adhesion of the elastic bonding compound to the tube sheet material and to the ends of the tubes are the surfaces these parts are advantageously subjected to a differentiated pretreatment. So can improve the surface finish such polysilanes as vinylsilanes, chromosilanes or similar compounds are used in which in the free end groups of the silanes, as a rule, finishing agents in the form of organic or inorganic acid residues built in, through which the bond between synthetic resins and glass surfaces is improved.
Der neue Rohrwärmetauscher ist deshalb dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen der Rohrbödenplatten nach gründlicher Reinigung von Schmutz, Öl, Fett- und Wachsrückständen mit che-The new tube heat exchanger is therefore characterized in that the surfaces of the tube sheet plates after thorough cleaning of dirt, oil, grease and wax residues with chemical
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mischen Verbindungen bearbeitet werden, die eine feste chemische Verbindung mit der Oberfläche des Rohrbodenmaterials eingehen, korrosionsfest sind und selbst Oberflächeneigenschaften entwickeln, die jenen der bei den Rohren verwendeten technischen Silikate nahekommen oder diese erreichen.Mixing compounds are machined that form a solid chemical bond with the surface of the tubesheet material enter, are corrosion-resistant and even have surface properties that come close to or reach those of the technical silicates used in the pipes.
Die Vorbehandlung der Rohrbodenplatten ist insofern differenziert, als metallische Rohrboden anders vorbehandelt werden als nichtmetallische (wie z.B. Asbest o.a.). Die Rohrenden der Glasrohre werden hingegen durch eine Vorbehandlung beziehungsweise mit einer geeigneten verdünnten Säure oder Schlichten mit organischen und anorganischen Haftbrücken aufgerauht, sodaß eine Anpassung an die Struktur der Rohrbodenoberfläche erfolgt und gleiche Haftwerte im Verbund mit der elastischen Einbettungsmasse erreicht werden.The pretreatment of the tube sheet plates is differentiated insofar as as metallic tube sheets are pretreated differently than non-metallic ones (e.g. asbestos or similar). The pipe ends The glass tubes, however, are pretreated or with a suitable dilute acid or Finishing roughened with organic and inorganic adhesive bridges, so that an adaptation to the structure of the tube sheet surface takes place and the same adhesive values can be achieved in combination with the elastic embedding compound.
Trotz mehrfacher Maßnahmen und minimalem Verbrauch an Einbindungsmittel wird so eine einwandfreie dichte und dauerhafte Korrosionsfestigkeit der Bauteile des erfindungsgemäßen Rohrwärmetauschers erreicht, die mit korrodierenden Stoffströmen in Kontakt kommen.Despite multiple measures and minimal consumption of binding agents thus a perfectly tight and permanent corrosion resistance of the components of the invention Reached tubular heat exchanger that come into contact with corrosive material flows.
Gegenstand der Erfindung ist ebenfalls das Herstellungsverfahren eines solchen Rohrwärmetauschers. Dieses ist gegenüber anderen Verfahren in der Weise ausgebildet, daß die zu bündelnden Rohre stehend, und die Bohrungen einer Rohrbodenplatte senkrecht durchstoßend, horizontal umgössen werden. Die Rohre sind dabei ausschließlich durch die Bohrungen der Rohrbodenplatte vorübergehend stehend fixiert. Die Bohrungen der Rohrbodenplatte sind im Verhältnis zum äußeren Rohrdurchmesser so dimensioniert, daß über die geeignete Einstellung der Viskosität des Einbindungsmittels sowie durch die unterschiedliche Temperierung von Rohrboden und Rohren und durch die materialbedingte Oberflächenspannung eine Zwangszentrierung der Rohre in der Bohrung durch die Viskositätserhöhung im Laufe des Eingießens des Vergußmaterials erfolgt.The invention also relates to the manufacturing process for such a tubular heat exchanger. This is opposite Another method designed in such a way that the tubes to be bundled standing, and the bores of a tube base plate piercing vertically, cast around horizontally. The pipes are exclusively through the holes in the Tube base plate temporarily fixed in an upright position. The holes in the tube base plate are in relation to the outer tube diameter dimensioned so that through the appropriate setting of the viscosity of the binding agent as well as through the different Temperature control of tube sheets and tubes and, due to the material-related surface tension, forced centering of the Pipes in the bore takes place through the increase in viscosity in the course of pouring the potting material.
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Gegenüber anderen Verfahren, die eine ähnliche Arbeitsweise nur bei relativ großen Rohrabständen anwenden können, wird das neue Verfahren ausschließlich und unabhängig vom Abstand der Rohre angewandt, mit dem Ergebnis, daß nur die zwischen Rohr und Rohrbodenbohrung beziehungsweise Rohrbodenausdrückung verbleibenden Zwischenräume mit elastisch erhärtender Haftmasse ausgegossen werden. Auf dem Rohrplattenboden verbleibende geringfügige Rückstände an Vergußmaterial sind nicht nachteilig.Compared to other methods that can use a similar method of operation only with relatively large distances between the tubes the new method applied exclusively and independently of the distance between the pipes, with the result that only the Gaps remaining between the tube and the tube sheet bore or tube sheet expression with elastic hardening adhesive mass are poured out. Small residues of potting material remaining on the tubesheet base are not disadvantageous.
Beim Betrieb solcher Wärmetauscher mit Abluft- oder anderen energiereichen Gasströmen aus Arbeitsräumen oder Produktionsprozessen hat sich gezeigt, daß abhängig von den Verunreinigungen in diesen Medien in relativ kurzer Zeit starke Verschmutzungen der Wärmetauscherflächen eintreten, die den Wärmetausch erheblich beeinträchtigen und den Wirkungsgrad der Wärmetauscher herabsetzen. Bei fest eingebauten Wärmetauschern muß zum Zweck der Reinigung ein Ausbau erfolgen, was Betriebsunterbrechungen bedeutet.When operating such heat exchangers with exhaust air or other Energy-rich gas flows from work rooms or production processes have been shown to be dependent on the impurities In these media, severe contamination of the heat exchanger surfaces occurs in a relatively short time, which causes the Significantly impair heat exchange and reduce the efficiency of the heat exchanger. With permanently installed heat exchangers must be removed for the purpose of cleaning, which means business interruptions.
Zur Vermeidung der damit verbundenen Nachteile ist der erfindungsgemäße Wärmetauscher aus Grundeinheiten aufgebaut, die als Schübe in eine entsprechende Gehäusekonstruktion beliebig oft eingebracht und ausgewechselt werden können.To avoid the associated disadvantages, the inventive Heat exchangers made up of basic units, which can be used as drawers in a corresponding housing construction can often be brought in and replaced.
Da^ erfindungsgemäße Herstellungsverfahren weist deshalb einen iiioduliren Aufbau eines Wärmetauschers unter Verwendung mindestens einer beweglichen Grundeinheit und eines Rahmengehäuses mit Schubfächern auf.The production method according to the invention therefore has using a iiioduliren construction of a heat exchanger at least one movable base unit and a frame housing with drawers.
Die würfelförmigen Wärmetauschergehäuse werden mit praktisch gleichen Kantenlängen K1 = L' = H1 aus verschiedensten Werkstoffen - vornehmlich aus verzinkten Stahlblechen - hergestellt und zur Verbesserung des Oberflächenschutzes "säurefest" nachbehandelt.The cube-shaped heat exchanger housings are manufactured with practically the same edge lengths K 1 = L '= H 1 from a wide variety of materials - primarily from galvanized sheet steel - and are treated "acid-resistant" to improve surface protection.
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Die Erfindung sieht grundsätzlich die Herstellung von Gehäusen beliebig großer Abmessungen K1 = L1 = H1 vor, wobei diese sich primär aus der Menge des nutzbaren Wärmeträgers und den optimalen Bedingungen des Wärmetauschers ergeben.The invention basically provides for the production of housings of any size K 1 = L 1 = H 1 , these primarily resulting from the amount of usable heat carrier and the optimal conditions of the heat exchanger.
Die konstruktive Ausführung der modularen Grundeinheiten geht erfindungsgemäß primär auf die Forderungen nach leichter und schneller Reinigung und Handlichkeit und Bequemlichkeit beim Auswechseln sowie selbstdichtenden Anschlüssen gegenüber der Rahmenkonstruktion des Gehäuses ein, so daß je nach Baugröße des Gehäuses, die Zahl der darin einzubringenden modularen Grundeinheiten unterschiedlich groß ist und zwischen zwei und beliebig vielen Einheiten vari* ieren kann.According to the invention, the structural design of the modular basic units is primarily based on the requirements for lighter weight and quicker cleaning and handiness and convenience when changing as well as self-sealing connections compared to the frame structure of the housing, so that depending on the size of the housing, the number of to be introduced therein modular basic units are of different sizes and vary between two and any number of units. can ieren.
Entsprechend hoch ist die Zahl der in den Gehäusen konstruierten Schubfächer, die erfindungsgemäß durch das Einziehen von geeigneten Profilleisten aus korrosionsfestem Materialien geschaffen werden. Es ist wesentlicher Inhalt der Erfindung, daß für besondere Zwecke Profilleisten nach eigenen Entwürfen verwendet werden, die nach dem Einschieben der Grundeinheit zusammen mit den Kanten der Rohrbögen und der Seitenblenden eine ausreichende Abdichtung des Wärmetauscher-Innenraumes ermöglichen.The number of drawers constructed in the housings that, according to the invention, is drawn in by the drawer is correspondingly high be created by suitable profile strips made of corrosion-resistant materials. It is essential content of the invention, that for special purposes profile strips are used according to your own designs, after inserting the base unit Together with the edges of the pipe bends and the side panels, the interior of the heat exchanger is adequately sealed enable.
Dadurch wird gegenüber anderen Herstellungsverfahren erreicht, daß der Betrieb des Wärmetauschers beim Auswechseln einzelner Grundeinheiten nicht unterbrochen werden muß und auch die hydrodynamischen Betriebsbedingungen aufrecht erhalten werden, wenn eine Seitenverkleidung des Gehäuses entfernt wird. Im Sinne der Erfindung haben sich aus diesen Gründen verschiedene typisierte Baugrößen als zweckmäßig erwiesen und bewährt.As a result, compared to other manufacturing processes, the operation of the heat exchanger when replacing individual Basic units do not have to be interrupted and the hydrodynamic operating conditions are maintained, when a side panel of the housing is removed. For the purposes of the invention, different reasons have emerged typified sizes have proven to be useful and tried and tested.
An Hand von Beispielen läßt sich leicht zeigen, daß der erfindungsgemäße Wärmetauscher durch die geeignete Variation derBy means of examples it can easily be shown that the inventive Heat exchanger through the appropriate variation of the
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Größen H; a, b, d (siehe die später ausführlich beschriebenen, beigefügten Zeichnungen) im modularen Grundelement und durch die geeignete Anpassung der Größe H im Verhältnis zur Kantenlänge K nicht nur in einfacher Form an das Energiegewinnungsproblem angepaßt werden kann, sondern auch zusätzlich modulare Grundeinheiten - Tauschereinheiten - bietet, die durch die sinnvolle Begrenzung der Höhe H sowohl durch die Abmessungen als auch durch das begrenzte Gewicht handlich bleiben.Sizes H; a, b, d (see the attached drawings, described in detail later) in the modular basic element and by suitably adapting the size H in relation to the edge length K can not only be adapted in a simple form to the energy generation problem, but also additional modular basic units - exchanger units - offers that remain manageable due to the sensible limitation of the height H, both due to the dimensions and the limited weight.
Die Grundeinheit des erfindungsgemäßen Wärmetauschers ist somit als modularer Baustein der Gesamtvorrichtung ein mehrlagiges Röhrenbündel mit erfindungsgemäßen Rohrboden, das insgesamt quaderförmige Abmessungen hat, sodaß die Zahl der Rohrlagen geringer ist als die Zahl der in einer Lage angeordneten Rohre.The basic unit of the heat exchanger according to the invention is thus as a modular component of the overall device, a multi-layer tube bundle with a tube sheet according to the invention, the total Has cuboid dimensions, so that the number of pipe layers is less than the number of those arranged in one layer Tube.
Die erfindungsgemäße modulare Grundeinheit ist demnach aus mindestens zwei vorbehandelten Rohrbodenplatten und den darin an den Enden eingebundenen Rohren aufgebaut. Die Abmessungen richten sich nach dem Verhältnis H = f · K, das für die verschiedenen Gehäusetypen erfindungsmäßig durch den Faktor f bestimmt wird, der mit wachsender Länge K klexner wird und Werte zwischen f = 0,5 bis f = beliebig klein annehmen kann.The modular base unit according to the invention is therefore off at least two pretreated tube sheet plates and the tubes integrated in them at the ends are built up. The dimensions are based on the ratio H = f · K, which according to the invention for the different housing types by the factor f is determined, which becomes more complex with increasing length K and can assume values between f = 0.5 to f = arbitrarily small.
Die Versteifung der gesamten modularen Grundeinheit wird einerseits durch den Einbau von mindestens vier Metallrohren aus rostfreien itoffen - je eine an den Ecken - erreicht, andererseits durch alternative oder zusätzliche Verblendung der Seitenflanken mit Bauteilen aus profilierten Werkstoffen, die erfindungsgemäß aus Werkstoffen mit säurefesten Oberflächen bestehen. The stiffening of the entire modular base unit is on the one hand achieved by installing at least four metal pipes made of rustproof itopen - one at each corner - on the other hand by alternative or additional facing of the side flanks with components made of profiled materials according to the invention consist of materials with acid-resistant surfaces.
Die Anpassung an die Abmessung der Schubfächer im erfindungsgemäßen Gehäuse wird einerseits durch die besondere Ausbildung der Randleisten der Rohrbodenplatte, andererseits durch eine geeignete Formgebung der Seitenblende erreicht.The adaptation to the dimensions of the drawers in the invention Housing is on the one hand by the special design of the edge strips of the tube base plate, on the other hand by a suitable shape of the side panel is achieved.
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Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, die Zahl der je Grundeinheit gebündelten Rohre aufgrund bestimmter, vorgegebener Wärmetauscherflächen für verschiedene Klassen, die wiederum nach den zu verarbeitenden Gasmengen ausgerichtet sind, festzulegen. It has proven to be expedient to determine the number of tubes bundled per base unit on the basis of certain predetermined ones Define heat exchanger surfaces for different classes, which in turn are based on the gas quantities to be processed.
Dadurch sind erfindungsgemäß grundsätzlich konstante hydrodynamische Verhältnisse Grundlage für die Berechnung von Zahl, Anordnung und Abmessung der Rohre. Das Herstellungsverfahren trägt dem Rechnung und ist so ausgerichtet, daß alle Rohrgrößen nach derselben, oben beschriebenen Weise eingebunden werden können, was neben der Art des Vergießens und der Auswahl der geeigneten Harze hauptsächlich durch die besondere Ausbildung der Bohrungen in den Rohrböden erreicht wird.As a result, according to the invention, hydrodynamic ones are basically constant Ratios Basis for the calculation of the number, arrangement and dimensions of the pipes. The manufacturing process takes this into account and is designed so that all pipe sizes in the same manner described above can be included, which in addition to the type of potting and the selection of suitable resins mainly by the special training of the holes in the tube sheets is achieved.
Die äußeren Abmessungen des Wärmetauschergehäuses sind erfindungsgemäß auch zu dem Zweck würfelförmig, um einheitliche Abmessungen für die Anschlußquerschnitte der An- und Abströmungsseiten beider Medienströme zu erhalten. Dies ergibt einheitliche Anströmkanäle.The external dimensions of the heat exchanger housing are according to the invention also cube-shaped for the purpose of uniform dimensions for the connection cross-sections of the connections and To get outflow sides of both media flows. This results in uniform inflow channels.
Erfindungsgemäß wird auch bei Verwendung nur einer modularen Grundeinheit ein würfelförmiges Gehäuse verwendet, wobei das Herstellungsverfahren von einer Variation des Anströmquerschnitts entsprechend der Anströmfläche der Schmalseite der Grundeinheit durch Führungsbleche ausgeht.According to the invention, even when using only one modular Basic unit uses a cube-shaped housing, the manufacturing process being based on a variation of the inflow cross-section according to the inflow area of the narrow side of the base unit through guide plates.
Für Strömungsgeschwindigkeiten im laminaren Bereich ist die Länge der Rohre durch die würfelförmige Bauweise des Gehäuses einerseits und die Auslegung des Rohrinnendurchmessers - abhängig von der Forderung des thermischen Ausgleichs beim inneren Wärmeübergang - andererseits so begrenzt, daß ein Schwingen der Rohre bis zur Bruchgrenze vermieden wird.For flow velocities in the laminar range, the length of the pipes is due to the cube-shaped construction of the housing on the one hand and the design of the pipe inner diameter - depending on the requirement of thermal compensation for the inner one Heat transfer - on the other hand, limited so that swinging of the pipes to the breaking point is avoided.
Bei höheren Anströmgeschwindigkeiten im turbulenten BereichAt higher flow velocities in the turbulent area
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werden erfindungsgemäß weitere Rohrplattenböden je Grundelement eingezogen, und zwar unter Abstimmung der Abmessungen und paßgenauer Ausführung der Rohrplattenkanten, sodaß der Innenraum des Wärmetauschergehauses in zwei oder mehrerer* Kanäle unterteilt wird.according to the invention, further tube plate bases per basic element pulled in, with coordination of the dimensions and precise design of the tube plate edges, so that the interior of the heat exchanger housing is divided into two or more * channels.
Diese zusätzlichen Rohrboden binden die Rohre dichthaftend ein und sind vom gleichen Aufbau wie die Rohrboden an den Enden der Rohre, jedoch sind die Kanten als Führungselemente ausgebildet (z.B. Nut u. Feder o.a.).These additional tube sheets bind the tubes tightly and are of the same construction as the tube sheets on the Ends of the pipes, but the edges are designed as guide elements (e.g. tongue and groove, etc.).
Die Einbindung der Rohre erfolgt nach dem gleichen erfindungsgemäßen Verfahren. Der erfindungsgemäße modulare Aufbau mit beweglichen Einschubeinheiten als modulare Grundbausteine für bestimmte, in Klassen festgelegte Gehäuserahmen läßt eine Anpassung bezüglich Größe und Leistungsfähigkeit an alle vorkommenden Betriebszustände und Anforderungen zu, wobei die schubkastenförmige Ausbildung der Grundeinheiten und ihre bewegliche Einbringung in ein festeingebautes Gehäuse einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher ergibt, der eine leichtere und schnellere Reinigung der Einbauelemente ohne Betriebsunterbrechnung ermöglicht.The integration of the pipes takes place according to the same method according to the invention Procedure. The modular structure according to the invention with movable slide-in units as modular basic building blocks for certain housing frames, which are defined in classes, an adjustment in terms of size and performance can be made to all occurring operating states and requirements, the drawer-shaped design of the basic units and their movable introduction into a permanently installed housing a heat exchanger according to the invention results, which an easier and faster cleaning of the built-in elements made possible without business interruption.
In den beigefügten Zeichnungen ist die Erfindung in mehreren Ausführungsformen beispielsweise dargestellt. Es zeigen:In the accompanying drawings, the invention is shown in several embodiments, for example. Show it:
Fig. 1 den schematischen Aufbau einer modularen Grundeinheit des Wärmetauschers,1 shows the schematic structure of a modular base unit of the heat exchanger,
Fig. 2 die Versteifung und Verblendung der modularen Grundeinheit an den Rohrplattenenden,2 shows the stiffening and facing of the modular base unit at the tube plate ends,
Fig. 3 ein Beispiel zur Profilierung der Rohrbodenkanten,3 shows an example of the profiling of the tube sheet edges,
Fig. 4 ein weiteres Beispiel zur Profilierung der Rohrboden kanten,Fig. 4 another example for profiling the tube sheet edges,
Fig. 5 ein drittes Beispiel zur Profilierung der Rohrbodenkanten, 5 shows a third example for profiling the tube sheet edges,
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Fig. 6 ein Beispiel zur Abdichtung der Grundeinheit des Wärmetauschers gegenüber dem Gehäuserahmen durch die Seitenverblendung,6 shows an example of the sealing of the base unit of the heat exchanger with respect to the housing frame the side panel,
Fig. 7 die Einpassung der beweglichen, modularen Grundeinheiten in ein würfelförmiges Gehäuse und die Vereinheitlichung der An- und Abströmquerschnitte,7 shows the fitting of the movable, modular basic units in a cube-shaped housing and the Standardization of the inflow and outflow cross-sections,
Fig. 8 die Führungsbleche und Abdeckbleche zur Abschottung einzelner modularer Grundeinheiten,8 shows the guide plates and cover plates for partitioning off individual modular basic units,
Fig. 9 eine modulare Grundeinheit für höhere Anströmungsgeschwindigkeiten mit zusätzlich eingezogenen Rohrplattenböden ,9 shows a modular basic unit for higher flow velocities with additionally drawn-in tube plate bottoms,
Fig. 10 einen Teil der Ausführungsform nach Fig. 9 in größerem Maßstab mit angearbeiteten Rohrplattenkanten ,10 shows a part of the embodiment according to FIG. 9 on a larger scale with tube plate edges worked on ,
Fig. 11 einen Wärmetauscher mit leichter Handlichkeit der beweglichen, modularen Grundeinheiten sowie deren Schubrichtung und -weise,11 shows a heat exchanger with easy handling of the movable, modular basic units as well as their Direction and manner of thrust,
Fig. 12 den schematischen Aufbau eines würfelförmigen Rahmengehäuses, 12 shows the schematic structure of a cube-shaped frame housing,
Fig. 13Fig. 13
und 14 die Einbindung der Rohrenden in den Rohrplattenboden in / verschiedenen Ausführungen.and 14 the integration of the pipe ends into the pipe plate base in / different versions.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Grundeinheit sind die aus Silikat hergestellten Rohre 1 mit ihren Enden in Bohrungen der Grundplatten 2 und 3 gehalten. Hierbei findet ein elastisch aushärtendes Vergußmaterial Verwendung, das den Spalt zwischen Rohrplattenbohrung und dem jeweiligen Rohrende ausfüllt und eine dichte und dauerelastische Einbettung sichert. Die Rohre 1 und die Bodenplatten 2 und 3 werden wie bereits erläutert - vorbehandelt. Die Wärmeübertragung findet in der Weise statt, daß die Rohre 1 außen von dem einen Strömungsmittel umströmt und innen von dem anderen Strömungsmittel durchströmt werden. Die Längsseiten derIn the case of the basic unit shown in FIG. 1, the pipes 1 made of silicate are with their ends in bores the base plates 2 and 3 held. Here, an elastically hardening potting material is used to fill the gap between the tube plate bore and the respective tube end and a tight and permanently elastic embedding secures. The tubes 1 and the base plates 2 and 3 are - as already explained - pretreated. The heat transfer takes place in such a way that the tubes 1 flows around the outside of one fluid and inside of the other Fluid are flowed through. The long sides of the
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Grundeinheit sind durch Abdeckplatten 4 abgedeckt. Der waagerechte Rohrabstand ist in der Zeichnung mit a und der senkrechte Rohrabstand mit b bezeichnet. Der Rohrdurch-The base unit are covered by cover plates 4. The horizontal pipe distance is in the drawing with a and the vertical pipe spacing denoted by b. The pipe diameter
- α m kv\ ic ΙίΐΛ η «j messer ist mit d angegeben, h gibt die Kanten wieder. K ist die Breite, L die Länge und H die Höhe der Grundeinheit. - α m kv \ ic ΙίΐΛ η «j knife is given by d, h represents the edges. K is the width, L is the length and H is the height of the basic unit.
Fig. 2 zeigt eine ähnliche Grundeinheit wie Fig. 1. Bei ihr sind die seitlichen Abdeckplatten 4' abgeschraubt dargestellt. Die Abdeckplatten 4' sind zur Versteifung mit Sicken 5 versehen. Die Rohrbodenplatten 2 und 3 sind bei dieser Ausführungsform außerdem durch Rohre 6 aus einem rostfreien Werkstoff versteift.Fig. 2 shows a similar basic unit as FIG you are shown the side cover plates 4 'unscrewed. The cover plates 4 'are provided with beads 5 for reinforcement. The tube sheet plates 2 and 3 are at this embodiment also stiffened by tubes 6 made of a rustproof material.
Die in Fig. 3 dargestellt Profilierung der Kante 7 der Rohrbodenplatte 2 ergibt durch die federnde Abstützung auf der Profilleiste 8 des Rahmengehäuses eine elastische metallische Abdichtung. Die Rohre 1 werden durch die elastische Einbindung 9 in der Rohrbodenplatte 2 gehalten.The profiling of the edge 7 of the tube base plate 2 shown in FIG. 3 results from the resilient support the profile strip 8 of the frame housing an elastic metallic seal. The tubes 1 are made by the elastic Integration 9 held in the tube base plate 2.
Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform wird eine elastische Abdichtung 10 gegenüber der Profilleiste 11 der Gehäuse durch die dichte Verbindung zwischen der Rohrbodenplatte 2 mit den bei 12 elastisch eingebundenen Rohrenden erzielt.In the embodiment shown in Fig. 4, an elastic seal 10 against the profile strip 11 of the housing due to the tight connection between the tube base plate 2 with the tube ends elastically integrated at 12 achieved.
In der Ausführungsform nach Fig. 5 wird durch das federnde Kantenmaterial 13 der Rohrbodenplatte 2 mit den elastisch eingebundenen Rohrenden eine dicht schließende Verbindung nit der entsprechend geformten Profilleiste 11 des Gehäuses erreicht.In the embodiment according to FIG. 5, the resilient edge material 13 of the tube bottom plate 2 with the elastic integrated pipe ends a tightly fitting connection with the correspondingly shaped profile strip 11 of the housing achieved.
In der Fig. 6 ist ein Beispiel zur Abdichtung der Grundeinheit des Wärmetauschers gegenüber dem Gehäuserahmen durch entsprechende Seitenblenden 14 dargestellt. Die Kante 15 der Rohrbodenplatte 2 und der Schubleiste 16 endet in einer6 shows an example of the sealing of the base unit of the heat exchanger with respect to the housing frame corresponding side panels 14 are shown. The edge 15 of the tube sheet plate 2 and the sliding strip 16 ends in one
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entsprechend geformten Dichtungsleiste 17. Das Ende der Seitenblende 14 paßt sich der Form der Dichtungsleiste 17 an. Die Seitenblenden 14 dichten damit die Grundeinheit ab. Ein Doppelpfeil 18 gibt die Schubrichtung der modularen Grundeinheit an.correspondingly shaped sealing strip 17. The end of the side panel 14 adapts to the shape of the sealing strip 17 at. The side panels 14 thus seal the base unit. A double arrow 18 indicates the direction of thrust modular base unit.
In der Fig. 7 ist ferner die Einpassung der beweglichen, modularen Grundeinheiten in ein würfelförmiges Gehäuse mit den Abmaßen K1, L1, H1 und die Vereinheitlichung der An- und Abströmquerschnitte auf die Maße des Gehäuses dargestellt. In das Rahmengehäuse 19 werden die Grundeinheiten 20 eingeschoben.FIG. 7 also shows the fitting of the movable, modular basic units into a cube-shaped housing with the dimensions K 1 , L 1 , H 1 and the standardization of the inflow and outflow cross-sections to the dimensions of the housing. The basic units 20 are pushed into the frame housing 19.
In Fig. 8 ist das Prinzip der Anpassung des Wärmetauschers an kleinere Luftleistungen dargestellt. Zwei modulare Grundeinheiten 20 sind in einem Rahmengehäuse 21 untergebracht. Seitenverblendungen 22 des Rahmengehäuses und Führungsbleche 23 in den Kanälen ergeben die Anpassung an die verminderte Luftleistung.8 shows the principle of adapting the heat exchanger to smaller air capacities. Two modular Basic units 20 are accommodated in a frame housing 21. Side panels 22 of the frame housing and guide plates 23 in the ducts result in the adaptation to the reduced air output.
In Fig. 9 ist eine besondere Ausführungsform des Aufbaues einer modularen Grundeinheit dargestellt. Durch die geeignete Anpassung der Höhe H im Verhältnis zur Kantenlänge K und L lassen sich durch entsprechende Rohrabstände a und b sowie für beliebige Rohrdurchmesser d Tauschereinheiten bilden, die handlich bleiben. Die Zahl der Rohrlagen ist geringer als die Zahl der in der Lage angeordneten Rohre. Für höhere Anströmgeschwindigkeiten und/oder bei überlangen Rohren werden zusätzlich Rohrplattenböden 24 mit entsprechenden Rohrplattenkanten 25 eingezogen.In Fig. 9, a particular embodiment of the structure of a modular base unit is shown. By the appropriate The height H can be adjusted in relation to the edge length K and L by means of appropriate pipe spacings a and b as well as for any pipe diameter d form exchanger units that remain handy. The number of pipe layers is lower than the number of tubes arranged in the layer. For higher approach velocities and / or for overlong Pipes are additionally drawn in tube plate bottoms 24 with corresponding tube plate edges 25.
Aus der Fig. 10 ist - wie in Fig. 9 schon dargestellt - zu erkennen, daß die eingezogenen Rohrplattenböden 24 mit ihren Rohrplattenkanten 25 dicht schließen und geschlossene Luftführungskanäle bilden und zusätzlich versteifend wirken.From FIG. 10 - as already shown in FIG. 9 - to recognize that the retracted tube plate bottoms 24 close tightly with their tube plate edges 25 and closed air ducts and also have a stiffening effect.
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In Fig. 11 ist ein Beispiel der Luftführung durch einen Wärmetauscher in Perspektive dargestellt. Die heiße Fortluft wird von oben nach unten durch den Wärmetauscher mit fünf modularen Grundeinheiten 26 durchgeführt. Die Frischluft wird durch das Rohrinnere geführt.In Fig. 11 is an example of the air flow through a heat exchanger shown in perspective. The hot exhaust air is from top to bottom through the heat exchanger with five modular base units 26 carried out. The fresh air is led through the inside of the pipe.
In Fig. 12 ist der schematische Aufbau eines würfelförmigen Warmetauschergehäuses ruib den Kanten K1, L1, H1 dargestellt. Er besteht aus dem Rahmen 27, zwei Abdeckblechen 28 und Führungsschienen 29 der Schubfächer. Von den Abdeckblechen 28 ist nur ein Blech dargestellt.FIG. 12 shows the schematic structure of a cube-shaped heat exchanger housing at the edges K 1 , L 1 , H 1 . It consists of the frame 27, two cover plates 28 and guide rails 29 of the drawers. Of the cover plates 28, only one plate is shown.
Fig. 13 zeigt eine Möglichkeit der Einbindung der Rohrenden in die Rohrplatten. Das oberflächenbehandelte Rohrbodenblech 30 mit dem nach verschiedenen Verfahren tiefgezogene Bohrloch 31 hält mit dem Vergußmaterial 32 das oberflächenbehandelte Rohrende 33.13 shows one way of integrating the pipe ends into the pipe plates. The surface-treated tube sheet 30 with the drill hole deep-drawn using various methods 31 holds with the potting material 32 the surface-treated End of pipe 33.
In der Fig. 14 sind - wie schon bezüglich Fig. 13 beschrieben - vier Rohrreihen im Rohrplattenboden angeordnet. Wie aus Fig. 14 ersichtlich, sind die oberflächenbehandelten Rohrenden 34 mit dem Rohrdurchmesser d und dem Rohrabstand b in einer modularen Grundeinheit mit der Höhe H und - wie aus Fig. 1 ebenfalls ersichtlich - mit einer Profilabknickung h der Rohrbodenplatte dargestellt.In FIG. 14 - as already described with reference to FIG. 13 - four rows of tubes are arranged in the tube plate base. As 14, the surface-treated pipe ends 34 are shown with the pipe diameter d and the pipe spacing b in a modular base unit with the height H and - as can also be seen from FIG. 1 - with a bend in the profile h of the tubesheet.
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