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Wärmetauscherkessel und Verfahren zur Herstellung desselben."
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscherkessel sowie Verfahren
zur Herstellung desselben.
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Solche Wärmetauscherkessel dienen dem Zweck, die Värme von Gasen oder
Flüssigkeiten auf andere Gase oder Flüssigkeiten zu übertragen und weisen in der
Regel einen Kessel auf, bei dem in der Längsrichtung eine Vielzahl von in Abständen
parallel zueinander angeordneter Rohre vorgesehen sind, welche an den Kopfseiten
in Kesselböden ihren festen Sitz erhalten, wobei ein Medium durch die Rohre fließt,
das andere dieselben von außen umspült.
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Es sind schon solche Wärmetauscherkessel bekanntgeworden, bei denen
die Bauteile und Baugruppen miteinander verschweißt oder unlösbar durch Einwalzen
miteinander verbunden werden.
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So werden zum Beispiel die Rohre in den Böden an den beiden Stirnseiten
eingeschweißt oder eingewalzt und dann diese Röden mit den Rohren,mit den Kesselinnen-
und -außenmanteln wiederum durch Schweißen, Vernietung oder dergleichen zusammengefügt.
Auch die Kesselinnen- und -außenmantelwände sind meist durch Verschweißen oder Vernieten
zusammengefügt und in gleicher
Welse mit ihren stirnseitigen Deckeln
verbunden, wie ebenfalls auch weitere Anschlußteile, wie Rohrstutzen für den Ein-
und Austritt der Wärmetauschmedien entsprechend unlösbar angeschlossen sind.
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Diese Gestaltungsart und Herstellungsverfahren sind jedoch aus mehreren
Gründen sehr ungünstig, so z.B. wegen der Arbeitsaufwendigkeit und des zur Herstellung
erforderlichen umfangreichen und kostspieligen Maschinenparks. Die Qualität der
Verbindung hängt hierbei weitgehend von der Güte der Hand- oder automatischen Arbeitsweisen
ab, wie z.B. der Schweißqualität oder der des Einrollens oder dergleichen, so daß
stets Unsicherheitsfaktoren im Hinblick auf die Dichtheit, die Haltbarkeit und dergleichen
vorliegen. Durch solche Arbeitsverfahren, wie Schweißen und Einrollen, werden außerdem
Verzugsspannungen eingeleitet, die die Festigkeit herabsetzen, Ungenauigkeiten hervorrufen,
sowie Rißgefahren zur Folge haben, Außerdem verlangen die Arbeitsverfahren, wie
Schweißen und Einrollen, deswegen stärkere Materialdicken, weil zum Beispiel durch
die Einbrände an den Schweißnähten ein Teil der Materialdicke eingebüßt wird bzw.
weil ein risikoloses Schweißen wegen der sogenannten Abbrenngefahr dünnere Materialstärken
nicht zuläßt Das Einrollverfahren wiederum verlangt ebenfalls größere Materialstärken,
weil sonst die erforderliche Pressung zwischen den Rohres und Böden nicht zu erreichen
ist.
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Die verschiedenen Stutzen, z.B. für den Anschluß der Leitungen der
zu- und abführenden Medien, sind angeschweißt oder als Flanschverbindung so in engen
Abständen der Schrauben zueinander angeschraubt, daß Dichtheit erzielt wird, wobei
beides sehr aufwendig ist, da zunächst die Teile hierzu vorgearbeitet und dann meist
manuell entsprechend verbunden werden müssen.
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All diese Ausführungen und Herstellungsmethoden wie Schweiß-und~Einroll
-Verfahren, oder auch umfangreichesZusammenschrauben
von Raugruppen,
lassen sich durch größer werdende Stückzahlen nicht wesentlich vereinfachen und
verbilligen, sie bleiben daher stets kostenintensiv, Außerdem sind so hergestellte
Wärmetauscherkessel nicht, oder nur unter sehr großem Aufwand, zu demontieren, wie
es z.B. zu Reinigungs-, Wartungs-, Überholungs- bzw. Reparaturarbeiten öfter notwendig
ist.
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Wegen all dieser Nachteile finden die bislang bekannt gewordenen Wärmetauscherkessel
nicht die Verbreitung, wie es auch, volkswirtschaftlich gesehen, zur Energie- und
Materialeinsparung wünschenswert wäre.
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Die vorliegende Erfindung macht es sich zur Aufgabe, einen Wärmetauscherkessel
und ein Herstellungsverfahren für solche vorzuschlagen, bei dem alle diese Nachteile
nicht vorliegen, so daß solche Kessel bei geringen Fertigungskosten und Materialeinsätzen
spannungs- und verzugsfrei hergestellt werden können, wobei die Qualität der Herstellung
weitgehendst unabhängig von den Arbeitsweisen des Personals bzw. der halb- bzw.
vollautomatischen Schweiß- bzw. Einrollverfahren stets eine garantiert hohe ist
und die bequem demontierbar und wieder zusammenfügbar sind, wobei Arbeitsverfahren
gewählt werden, deren Kosten sich beim tZbergang von einer Serien- zur Großserienherstellung
für den Einsatz leistungsfähigerer Maschinen, Werkzeuge und dergleichen stets weiter
senken ließen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß i.m wesentlichen dadurch gelöst,
daß die Montageteile bzw0 Montagebaugruppen des Wärmetauscherkessels aus solchen
Rohr- bzw. Blechformstücken bestehen, die nur durch ein Paaren unter Preß- bzw.
Haftsitzen oder gegenseitiges Einragen und Aufnehmen im Nut- und Federsystem bzw.
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Anlegen an Bunde bzw. Ringbunde oder -ansätze zusammengefügt und gehaltert
werden, wobei der abschließende Halt durch Klammern bzw0 wenige Schraubverbindungen
erfolgt.
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Eine hohe, gegebenenfalls erforderliche Dichtheit der Haftsity.-,
Steck- und Schraubverbindungen wrd vorschlagsgemäß durch das Anwenden des an sich
bekannten entsprechenden hitzebeständion Kesselkitts erreicht.
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Es sind also keine dieser Teile durch Vernieten, Schweißen, Löten,
Einrollen oder dergleichen nicht demontierbar miteinander verbunden, so daß sie
zum Reinigen, Erweitern, z.B. Einlegen von Heizölerwarmungsrohrsysteme oder dergleichen
beliebig oft ohne besonderen Mehraufwand auseinander genommen und wieder zusammengesetzt
werden können.
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Verfahrensgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Einzelteile
spanlos gefertigt und eingepreßt oder eingesteckt bzw. durch Umlegen und Verschließen
mittels Halteelemente zusammengefügt werden.
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In Anwendung der Erfindung wird vorgeschlagen, die Rohre mit den Kesselböden
durch Einpressen in diese zu verbinden, indem die Aufnahmelöcher mit Bunden in die
Böden eingebracht werden, wobei sich die Löcher konisch im Durchmesser nach außen
vcrjilngen und diese im Verhältnis zu den Materialstärken beider Teile so groß ausgebildet
sind, daß die in sie einzupressenden Rohre ihren festen Sitz erhalten.
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Preislich günstig wirkt es sich aus, wenn die Rohre in beide Kesselböden
gleichzeitig eingepreßt werden. Vor dem Ei.npressen ist es vorteilhaft, aus den
Rohren und einer Vielzahl die Medien umleitenden Umlenkçänden eine Montageeinheit
zu bilden, indem z.B. nur einige der Löcher jeder Umlenlcwände,z.B. 3 in verteilter
Lage, als Preßpaßlöcher, ähnlich den Löchern in den Böden, auszubilden, so daß durch
diese die Lage der Umlenkwände auf den Rohren festgelegt ist. Es kann auch so vorgegangen
werden, daß nur wenige Rohre, z.B. 3, mit den Umlenkwänden durch Heftschwei.ßung
oder Klebungen festgelegt werden.
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In weiterer Verfolgung der Erfindung wird vorgeschlagen, den Kesselinnenmantel
als zum geschlitzten Rohr vorgewalztes Stück herzustellen, in das die Stutzen eingesteckt
werden und der zur stirnseitigen Anlage der Böden mit zwei Ringnuten versehen ist
und welcher zum Einlegen der Kesselböden mit Rohren lInd Umlenkwänden etwas aufgebogen
wird, damit die Montageeinheit Kessel böden Rohre - Umlenkwände axial eingeschoben
werden kann. Das Schließen erfolgt dadurch, daß seine Längsstoßkanten mit Falzen
versehen sind, über die eine, die Falzen umgreifende Klammer, geschoben wird. Hierbei
können die Falze und die Klammer auf ihrer Länge keilförmig ausgebildet sein, so
daß der Mantel durch die aufzuschiebendenKlammern besonders fest auf den Böden anliegt.
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Die Stoßkanten des offenen Kesselinnenmantels werden zweckmäßigerweise
den beiden Stutzen gegenüber um 900 versetzt liegend vorgesehen. Durch diese Montageart
wird den mit Rohren und Umlenkwänden vormontierten Kesselböden in Kessellängsrichtung
zu dem Kesselinnenmantel eine definierte und feste Position verliehen, da der Kesselinnenmantel
jeweils mit seinen nach innen gehenden Ringnuten die Kesselböden festlegt.
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Die Stutzen für den Ein- und Austritt der die Rohre umspülenden Medien,
die durch Kesselinnen- und -außenmäntel durchgeführt sind, werden erfindungsgemäß
im Anschlußbereich der Kesselmäntel als zylindrische Rohrstücke ausgebildet, die
in entsprechende Löcher der Kesselmäntel von innen eingesteckt werden. Ihren axialen
Halt nach außen können diese Stutzen dadurch erhalten, daß sie am inneren Ende mit
einer dem Loch im Innenmantel gegenüber verdickten Wulst, die der Form nach dem
Loch im Kesselinnenmantel angepaßt ist, vorgesehen sind, die sich nach außen an
den Kesselinnenmantel anlegt. Zur axialen Anlage nach innen stützt sich die Stirnseite
des Stutzens erfindunç,s,mäß auf mindestens zwei Rohren abe
Der
Kesselaußenmantel wird ihnlich dem Kesselinnenmantel aIlsgebi Idet und die Stoßkanten
dos rqt.eren worden mit einem Stutzen umfangsmäßig auf gleicher Position vorgesehen,
so daß der Kesselaußenmantel um diesen Stutzen geschlossen wird, während der andere
Stutzen gegenüberliegend durch cn Loch des Kesselaußenmantels tritt.
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Vorschlagsmäßig wird der Kessel an der Stirnseite mit den Rohrstutzen
für den Ein- und Austritt des die Rohre durchströmenden Mediums dadurch geschlossen,
daß die Deckelscheibe mit Stutzen an der Stirnseite des Innenkesselmantels anliegt
und von einem nach innen gehenden Bund des Kesselaußenmantels umfangsmäßig erfaßt
wird. Zusätzlich kann der Kesselinnenmantel mit einem nach außen gehenden Bund versehen
werden, mit dem die Deckelscheibe z.B. über einige Schrauben mit dem Kesselinnenmantel
verbunden wird.
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Die Stutzen der Deckelscheibe werden vorschlagsmäßig mit der Deckelscheibe
aus einem Teil hergestellt, z.B. als Tiefziehteil, und beispielsweise konisch ausgeführt,
damit die stets vorhandenen größeren Durchmesserdifferenzen der Anschlußrohre, die
meist mit diesen verschweißt werden, bequem ausgeglichen werden können. In der Praxis
wird das Anschlußrohr auf den Konus aufgesteckt, der sich ergebende Durchmesser
angezeichnet und dann das nicht benötigte Stück abgetrennt. Hierdurch können die
Rohre auch gleichfalls günstig unter abweichenden Wlnkellagen angeschlossen werden,
Zur Arretierung der Abteilwand die im Kesselbereich vor dem Kesselboden die Trennung
in eine Eintritts- und Austrittskammer bewirkt, kann die Deckelscheibe einmal mit
einer diese Wand stirnseitig aufnehmenden Sicke ausgeführt werden und zum anderen
der Innenmantel die Wand zusätzlich halternt indem aus ihr beispielsweise Warzen
beidseitig der Abteilwand herausgedrückt werden.
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Anderendig kann der Wärmetauscherkessel dadurch abgeschlossen werden,
daß ein Deckel.mit Innen- und Außenbunden mit dem Kesselinnen- und -außenmantel
radial über Bunde und axial stirnseitig anliegend angeordnet ist. Hierbei kann sich
an diesem Deckel die Isolation durch Ankleben oder dergleichen befinden.
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Weitere Einzelheiten ergeben sich aus den Figuren, der Beschreibung
zu diesen, sowie aus den Patentansprüchen.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß die Ausführung eines Wärmetauscherkessels und sein Herstellungsverfahren vorgeschlagen
wird, der mit geringem Arbeitsaufwand und Materialbedarf herzustellen ist, bei funktions
sicherer Ausführung und der bequem durch leichte Demontierbarkeit gewartet und repariert
werden kann, sowie leicht zu installieren ist und außerdem weitgehend von der Güte
der Hand-und schwierig zu kontrollierender Maschinenarbeitsgänge unabhängig ist.
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Zu den Figuren ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt. Es zeigt:
Figur 1 einen Längsquerschnitt durch einen Wärmetauscher, wobei von der Vielzahl
der Rohre niir 2 dargestellt sind; Figur 2 einen Querschnitt gemäß der Schnittlinie
A-B nach Figur 1; Figur 3 einen Teilquerschnitt gemäß Einzelheit "Z" nach Figur
2 im vergrößerten Maßstab; Figur 4 einen Querschni.ttsausschnitt gemäß Einzelheit
Wytt nach Figur 1; um 450 versetzt gezeichnet;
Figur 5 im vergrößerten
Maßstab ein konisches Loch eines Bodens vor dem Einpressen des zugehörigen Rohres
mit dem Rohranfang vor dem Einpressen; Figur 6 ein in den Boden eingepreßtes Rohr,
ebenfalls im vergrößerten Maßstab; Figur 7 den Schnitt durch einen losen Anschlußstutzen
fiir den Ein- und Austritt des die Rohre umspii.lenden Mediums Der Wärmetauscher
1 besteht im wesentlichen aus den Kesselböden 2 und 3, mit den, in sie eingepreßten,
Rohren 4, den Umlenkwänden 5, dem Kesselinnenmantel 6 und dem Kesselaußenmantel
7.
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Das die Rohre durchströmende Medium, wie beispielsweise heiße Abgase,
fließt, gemäß der Pfeilrichtung 8, über den Anschlußstutzen 9 in die Eintrittskammer
1o, die von der Abteilwand 11, dem entsprechenden Teil des Kesselinnenmantels 6
und dem Kessel boden 2, sowie der Deckelscheibe 34 gebildet wird. Von dieser Kammer
aus gelangen die Gase in die Rohre 4, die an der EintrSttskammer 1o anschließen
und werden mittels der Umlenkkammer 12 in die andere Hälfte der Rohre des Kessels,
gemäß Pfeillinie 13, geleitet, von denen sie aus der Austrittskammer 14 über den
Austrittsstutzen 15 abgeleitet werden.
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Das die Rohre 4 umspülende Medium tritt beispielsweise durch den Stutzen
16, gemäß Pfeillinie 17, in den Wärmetauscher 1 ein, wobei das Medium entsprechend
den Pfeillinien 18 durch die Umlenkwände 5 entsprechend geleitet wird, bis es über
den Stutzen 1 aus dem Wärmetauscher austritt. Die Kesselböden 2 und 3 werden von
dem Kesselinnenmantel 6, wie dargestellt, dadurch axial gehalten, daß sie an den
Ringnuten 20 desselben anliegen und festsitzend sowie abdichtend dadurch angeordnet
werden, daß der Kesselinnenmantel 6 sie festspannend am Umfang erfaßt.
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Die Umlenkwände 5 können auf die Rohre lose gesteckt und mit einigen
Rohren, z.B. drei Stück im Abstand etwa gleichmäßig verteilt, durch Heftschweißung
21 verbunden werden. Sie können
aber auch, wie die Lochausführung
22 zeigt, auf einige Rohre, z.B. ebenfalls mindestens drei, im Abstand verteilt,
aufgepreßt werden oder auch, wie bei dem Wandteilstück 23 gezeigt, in Ringnuten
24 des Kesselinnenmantels 6 einragen.
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Stirnseitig schließt auf einer Seite an dem Kesselinnenmantel 6 die
Deckelscheibe 34 an, indem sie am Außenbund 36 des Kesselinnenmantels anliegt und
durch die Schrauben 57 hier fest angeschlossen wird. Auf der anderen Seite des Wärmetauschers
1 ist der Deckel 26 am Kesselinnenmantel 6 dadurch angeordnet, daß er mit seinem
Tnnenrand 28 in ihn einragt.
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Der Kesselaußenmantel 7 umhüllt die Mantelisolation 25 und wird einmal
stirnseite mittels des Deckels 26 über dessen Bund 27 gehaltert, so wie es auch
in Figur 4 vergrößert dargestellt ist. Der Deckel 26 haltert über die Blechschrauben
29 den Kesselaußenmantel 7 an dieser Seite. Am Deckel 26 ist die Isolation 305 z.B.
durch Kleben, angeordnet.
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Die Stutzen 16 und 19 sind in den Kesselinnenmantel 6 vor dem Einsetzen
der Böden mit den Rohren in den Kesselinnenmantel von innen eingesteckt. Der verdickte
Wulst31 ist entsprechend dem Durchmesserbereich des Loches 35 des Kesselinnenmantels
6 geformt, wobei der Durchmesser des Teilstückes 33 mit dem Loch 35 im Mantel übereinstimmt,
d.h. hier kann ein schli.eßender Schiebesitz gewählt werden und wobei die Stutzen
16 und 19 an den Rohren 4 mit ihren Stirnwänaen 32 anliegen. Die Längsstoßkanten
50 des Kesselaußenmantels 7 sind jeweils, gemäß Figur 3, mit der FaLz 51 versehen
und die Klammer 52 verbindet beide Stoßkanten. Die Stoßkanten 53 des Kesselinnenmantels
6 sind entsprechend denen des Kesselaußenmantels 7 geformt und werden gleichfalls
durch eine Klammer 52 erfaßt.
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Die Stutzen 9 und 15 sind mit der Deckelscheibe 34 aus einem Teil
gefertigt, z.B. als Tiefziehteil, und konisch ausgeführt4-damit
ein
bequemes Anpassen der Anschlußrohre 55 an den .Anschllßstutzen 9 bzw. Austrittsstutzen
15 erfolgen kann, indem das Anschlußrohr 55 auf den Konus der jeweiligen Stutzen
gesteckt und mittels seiner Stirnseite 58 diese Stellung auf dem Stutzen angezeichnet
wird und der Teilbereich 56 abgetrennt worden i.st; hiernach erfolgt das Anschweißen
der Anschlußrohre.
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Für den Halt der Abteilwand 11 ist einmal in die Deckelscheibe 34
eine Sicke 37 eingearbeitet und zum anderen sind hier in den Kesselinnenmantel 6
Warzen 38 nach innen eingedrückt, an die sich die Abteilwand 11 mit ihren Seitenkanten
39 anlegt. Der Innenbund 49 des Kesselaußenmantels 7 schließt sich von außen um
die Deckelscheibe 34 und über die Schrauben 57 wird der Kesselaußenmantel 7 mit
dem Kesselinnenmantel 6 fest verbunden.
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Das Rohr 4 weist im Bereich 4c nach Figur 5 des Außendurchmessers
46 entweder dadurch nur geringe Maßtoleranzen auf, weil es aus einem entsprechenden
Präzisionsstahlrohr hergestellt ist, wobei die einzupassenden Enden im Bereich 40
erforderlichenfalls noch.
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besonders maßhaltig spanlos kalibriert werden können, oder dieses
Rohr 4 ist aus einem Nichtpräzisionsstahlrohr hergestellt und wird dann im jeweiligen
Außenbereich 40 durch besondere Bearbeitung, wie ebenfalls durch spanloses Kalibrieren
oder dergleichen, in die vorgeschriebenen Toleranzgrenzen gebracht.
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Der Ausschnitt 41 aus den Kesselböden 2 und 3 gemäß Figur 5 weist
das Loch 42 mit angedrücktem konischen Bund 43 auf und es können alle Rohre gleichzeitig
in Pfeilrichtung 44 in die Kesselböden 2 und 3 eingedrückt werden, und zwar kann
dies für beide Seiten in einem Arbeitsgang erfolgen. Das Vormaß des Loches 42 mit
Durchmesser 47 und konischem Bund 43 ist so gewählt, daß das Rohr 4, wie in der
Figur 6 dargestellt, sich beim Eindrücken etwas einschnürt und sich hierbei der
Bund 43 annähernd zylindrisch, wie es durch den Bund 45 gezeigt ist, verformt. Der
Durchmesser 46 des Rohres ist also etwas größer als der Durchmesser 47 des Loches
42 und das Rohr wird soweit eingepreßt, daß es um das Maß 48 den Bund~~45~überragt.
Der Konuswinke1 a des Rundes 43 kann etwa 30 betragen, und die Rinschniirung 99
des Rohres 4 etwa n./ des T)urchmessers 46
Es kann orich so vorgegangen
werden, daß die T.ncher 42 m;t Bund 43 fast oder ohne Konus ausgefihrt werden.
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Die Erfindung ist auf die aufgeführten Beispiele nicht beschränkt,
so liegt es im Rahmen der Erfindung, daß alle erlauterten Vorschläge sinngemäß bei.
anderen Anwendungen verwandt werden, so z.Bv können die Stutzen 16 und 19 ebenfalls
konisch ausgebildet werden. wie die Stutzen 9 und 15 zylindrisch gestaltet werden
können. Ebenso kann die Deckelscheibe 34 in gleicher Weise wie der Deckel 26 ausgebildet
und angeschlossen werden, wie es von der Erfindung erfaßt ist, daß der Deckel 26
in den Anschlußverhältnissen der Deckelschei.be entspricht, wobei die Ausführungen
der Kesselinnen- und -außenmänte.l 6 und 7 dann dieser gewählten Ausführung anzupassen
sind.
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