DE3040801A1 - Element zur erstellung eines waermeaustauschers insbesondere fuer cryogene anwendungszwecke - Google Patents

Element zur erstellung eines waermeaustauschers insbesondere fuer cryogene anwendungszwecke

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Description

3Q4Q8Q1
Cryomec AG·.
4-104 Oberwil
Element zur Erstellung eines Wärmeaustauschers, insbesondere für cryogene Anwendungszwecke
Die vorliegende Erfindung betrifft ein axial zweigeteiltes Element mit radialen Rippen für den Wärmeaustausch, welches im montierten Zustand mantelartig um ein mediumdurchströmtes Rohr anliegt.
■Bei gerippten Wärmeaustauschern strömt im allgemeinen das eine am Wärmeaustausch teilnehmende Medium im Rohr, das andere hingegen zwischen den auf der Aussenseite des Rohres befindlichen Rippen. Bei der Herstellung eines
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Wärmeaustauschers ist immer ein Kompromiss zwischen der wärmetechnischen und der fertigungstechnischen optimalen Lösung zu suchen.
Wärmetechnisch optimal ist eine relativ dünnwandige Einheit von mediumdurchströmten Rohr und Rippen. Fertigungstechnisch ist ein Baukastensystem aus Rohren und montierbaren Rippen vorteilhafter. Soll ein solches Baukasten-System auch wärmetechnisch vertretbar sein, ist ein
einwandfreier Flächenkontakt zwischen den Einzelteilen, d.h. Rohr und geripptem Mantel sehr wichtig. Schon ein
geringer Spalt zwischen den Flächen der Elemente stellt einen Isolator dar, der den Wirkungsgrad des Wärmeaustauschers erheblich reduziert.
In der US-PS 2.405.722 sind Elemente zur Erstellung von Wärmeaustauschern beschrieben, bei welchen das der
Zirkulation eines Mediums dienende Rohr mit den
Külrippen eine Einheit bilden. Die bogenförmige Verbindung an solche gerade, parallele Rohrelemente anzuschweissen ist jedoch problematisch und die einzelnen
Elemente sind ?iostspielig. Auch in der Wahl der
Materialien ist man aus Herstellungsgrfinden beschränkt.
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Diese Nachteile wurden erkannt. Die US-Patentschriften 3.280.907 und 5.672.446 schlagen daher axial zweigeteilte Elemente mit Rippen zur Erstellung eines Wärmeaustauschers vor. Die Elemente weisen eine zylindrische Halbschale mit sternförmig angeordneten Rippen auf. Die TJS-PS 3.672.446 zeigt eine lösung, hei der beidseitig der zylindrischen Halbschalen, in denen das mediumdurchströmte Rohr zu liegen kommt, axiale Halterippen auf diese direkt angeformt sind. Je nach Ausführung ist mindestens eine dieser Halterippen so deformierbar, dass sie um die andere Halterippe greift, oder dass mittels einer metallenen Klemmleiste über beide Halterippen die zylindrischen Halbschalen-Elemente zusammengehalten und auf das Rohr gedrückt sind. Zwar sind beim letztgenannten System die Nachteile der erstgenannten Erfindung behoben, jedoch tauchen andere, schwerwiegende Nachteile auf. So muss für die Montage eine spezielle Maschine, die in der US-PS auch beschrieben ist, verwendet werden. Die Verwendung dieser Walzmaschine erfordert es, die Rohre vor der Montage mit den Halbschalen zu versehen. Besonders nachteilig ist jedoch, dass das System auf reinen, starren Formschluss beruht und dass das mediumdurchströmte Rohr oftmals unbeabsichtigt verformt wird.
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Die enormen Temperaturdifferenzen, die insbesondere "bei cryogenen Anwendungszweckeη auftreten, wirken sich hier besonders nachteilig aus. Die Montage erfolgt bei normalen Raumtemperaturbedingungen. Die Arbeitstemperaturen liegen jedoch um - 200° Celsius und die Kontraktion des Materials ist erheblich. Eine Lockerung der Halterung tritt unweigerlich auf und damit eine wesentliche Verschlechterung der Temperaturübertragung vom Rohr auf die wärmeaustauschenden Elemente.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Element zu schaffen, welches zur Erstellung eines Wärmeaustauschers geeignet ist und ohne Hilfe von Werkzeugen auch ausserhalb der Werkstatt, unabhängig von der Arbeitstemperatur kraftSchlussig auf ein Gerippe von mediumdurchströmten Rohren montiert werden kann und einen innigen Flächenkontakt mit diesen garantiert.
Diese Aufgabe löst ein Element der eingangs beschriebenen Art, welches sich dadurch auszeichnet, dass die Teilelemente an den neben den axialen Trennungen gelegenen, radialen, axial verlaufenden Rippen je eine, das benachbarte Teilelement vebindende, von der Element-
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Längsachse um einen vorbestimmten Abstand distanzierte Verbindungsrippen aufweisen, welche Rippen im montierten Zustand federnd form- und kraftschlüssig, mittel- oder unmittelbar miteinander im Eingriff stehen.
In der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispile des erfindungsgemässen Elementes anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert.
Figur 1 zeigt ein Teilelement eines Elementes
zur Erstellung eines Wärmeaustauschers
und
Figur 2 ein aus zwei identischen Teilelementen
nach Figur 1 zusammengesetztes Element. Figur 3 zeigt eine Möglichkeit einer mittelbaren
Verbindung zweier Terbindungsrippen und Figur 4 ein Detail, um miteinander verbundene
Teilelemente zu lösen.
Ein erfindungsgemässes Element liegt im montierten Zustand manschettenartig und unter Vorspannung um ein mediumdurchströmtes Rohr 3 an. Das Element besteht aus mindestens zwei Teilelemente, 1, 1'. In der Figur 1 ist
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ein mögliches Teilelement 1 dargestellt. Innen liegt eine halbrunde Mulde 10, deren Innendurchmesser dem Aussendurchmesser des Rohres 3 entspricht und zur Aufnahme eines zu kühlenden oder zu wärmenden Rohres dient. Die Mulde 10 ist die Innenwand eines längsgeteilten Rohres 11, von dessen Aussenseite vier im Querschnitt radial nach aussen verlaufende Rippen 2, 20,21 angeordnet sind. Diese Rippen dienen der Aufnahme oder Abstrahlung von Wärme und haben deshalb die ihre Oberfläche vergrössernden Schikanen 31.
Die beiden äussersten Rippen 20,21 des Teilelementes haben je eine ungefähr konzentrisch zum Rohr 11 verlaufende Rippe 22,23· Diese konzentrischen Rippen werden Verbindungsrippen genannt, sie halten die Teilelemente 1 und I1 zusammen. Zu diesem Zweck weist jede Verbindungsrippe axiale, d.h. parallel zur Längsachse des Elementes verlaufende, hakenförmige Vorsprünge 24, 25 auf. In montiertem Zustand greifen die Vorsprünge 24, 25 zweier benachbarter Verbindungsrippen ineinander. Die Verbindungsrippen sind in einem vorbestimmten Abstand a,a' von der Elementachse entfernt. Diese Entfernung muss so bemessen sein, dass durch eine elastische Verformung der beiden radialen Rippen 20,21, die beiden
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Verbindungsrippen zum Eingriff gebracht werden können, sodass einerseits eine genügende Vorspannung im montierten Zustand erhalten bleibt, andererseits aber nicht eine plastische Verformung eintritt. Im gezeigten Beispiel beträgt die Entfernung mehr als ein Viertel der Radiallänge der Rippen 20,21.
Vorteilhafterweise ist eine Verbindungsrippe 23 wesentlich kurzer als die andere 22. Folglich ist die kurze Rippe 23 relativ starr, während die längere Rippe 22 eine gewisse Flexibilität aufweist. Die kürzere Rippe 21 ist um die Materialstärke der längeren Rippe 22 weiter von der Längsachse des Elementes distanziert als die längere Rippe 22.
Anhand der Figur 2 sei die Verwendung des erfindungsgemässen Elementes erläutert. Im Gegensatz zu bisherigen Fertigungsverfahren von Wärmeaustauschern wird hier zuerst nur das Rohrsystem der mediumdurchströmten Rohren 3 geformt, miteinander dicht verbunden und schliesslich unter hohem Druck abgepresst, um ein eventuelles Leck festzustellen. Dieses relativ leichte, baukastenartige Rohrsystem kann in der Werkstatt
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vorgefertigt werden und dann zum Montageort transportiert werden. Nachdem die Anschlussarbeiten des Rohrsystems an die Anlage erfolgt sind, können dann die mantelartigen, erfindungsgemässen Elemente- einfach durch Zusammendrücken der beiden Rippen 20,21 auf die Rohre befestigt werden.
Da die Elemente vorteilhafterweise aus zwei identischen Teilelementen gebildet werden, genügt es, lange Profilstangen in der Form eines Teilelementes 1 mitzunehmen. Diese können an Ort und Stelle auf die gewünschte Länge abgeschnitten werden. An der gewünschten Stelle werden nun die halbschalenartigen Teilelemente 1,1* um ein Rohr gelegt, so dass die von der Arbeitsseite rückwärtigen Vorsprünge 24,25 ineinandergreifen. Drückt man nun die beiden zur Arbeitsseite gelegenen radialen Rippen 20,21 zusammen, werden diese elastisch deformiert, die an der gleichen Seite liegenden Verbindungsrippen schieben sich etwas mehr übereinander und die beiden hakenförmigen, in Längsrichtung verlaufenden Vorsprünge 24j 25 schnappen ineinander. Die Mulden 10 liegen nun mit Vorspannung straff um das ummantelte Rohr 3. Die Teilelemente 1,1' greifen nun form- und kraftschlüssig
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nach Massgabe der durch, die elastische Verformung der radialen Rippen 20,21 und 20f,21' hervorgerufenen Vorspannung ineinander, sodass zwischen dem Rohr 3 und dem Element ein optimaler Flächenkontakt immer gewährleistet ist. Wegen den bei cryogenen Anwendungszwecken auftretenden, extrem tiefen Temperaturen um ca. - 200° Celsius ist es wesentlich, dass keine zu hohe Vorspannwerte erreicht werden, weil eine gewisse Sprödigkeit des Materials auftreten kann.
Die Vorspannungskraft lässt sich durch verschiedene Massnahmen, wie Materialwahl, Wandstärke der Rippen und Distanz der Verbindungsrippen zur Längsachse des Elementes, usw. vorbestimmen.
In gewissen Fällen ist es wünschenswert, das System auch wieder einfach zu demontieren. Hierfür sind zwei lösungsmöglichkeiten dargestellt. In der Firugr 3 wird diese Demontage durch eine mittelbare Verbindung der beiden Verbindungsrippen' 22f, 23' erreicht. Die Verbindung srippen weisen je eine im Querschnitt rechtwinklige Hut 28,29 auf. In diesen Nuten 28,29, die im montierten Zustand fast genau übereinander liegen, liegt ein Metallstab 30, der einen etwas geringeren form-
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gleichen Querschnitt als die beiden übereinanderliegenden Nuten 28,29 hat. Auch hier tritt somit wieder eine form- und kraftSchlussige Verbindung auf. Zum Lösen müssen die beiden radialen Rippen 2Of,21' zusammengedrückt werden, bis die Vorspannung aufgehoben ist, worauf der Metallstab 30 leicht herausgezogen werden kann und die Teilelemente auseinanderfallen.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass in der kürzeren und relativ starren Verbindungsrippe 23 Gewindelöcher 26 angeordnet sind, in die Schrauben 27 passen, wie dies in Figur 4 dargestellt ist. Zieht man die Schrauben 27 an, so drücken diese auf den hakenförmigen Vorsprung 24 der längeren Verbindungsrippe Dadurch werden die hakenförmigen Vorsprünge 24»25 auseinander gedrückt und die Teilelemente fallen auseinander.
Es ist selbstverständlich, dass das erfindungsgemässe Element auch aus mehr als zwei Teilelementen bestehen kann. Dies kann erforderlich sein, wenn das zu ummantelnde Rohr eine besondere Querschnittsform aufweist. Weitere kältetechnische bzw. wärmeteehnische
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Vorteile lassen sich erzielen, indem man alle vom Rohr angewendeten Flächen schwarz eloxiert oder färbt. Vorteilhaft ist es auch, die beiden im montierten .Zustand gegeneinander liegenden, parallelen Trennungsflächen 12 zweier benachbarter Teilelemente zu einer im Querschnitt radialen Richtung geneigt anzuordnen, wegen der Radiation der Wärmestrahlung.
Weil die Halterung der Elemente unter Vorspannung auf dem Rohr 3 sowohl durch Form- wie Kraftschluss erfolgt, ist eine sichere Halterung und gute Wärmeübertragung auch bei grossen Temperaturdifferenzen gewährleistet.
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Claims (12)

Patentanwälte P. D. Feldmann, Dipl. Ing. ETH C.P. Feldmann, Ing. HTL Members of AIPPI 30A0801 PatentansOrüche
1. Axial geteiltes Element (1,1*) mit im Querschnitt radialen Rippen (2) für den Wärmeaustausch, die sich über die ganze Länge des Elementes erstrecken, welches im montierten Zustand mantelartig um ein mediumdurchströmtes Rohr (3) anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilelemente (1,1') an den neben den axialen Trennungen gelegenen, radialen* Rippen (20,21) je eine, das benachbarte Teilelement verbindende, von der Element-Längsachse um einen vorbestimmten Abstand (a,s\) distanzierte Yerbindungsrippea(22,23) aufweisen, welche Rippen im montierten ZustandYform- und kraftschlüssig, mittel- oder unmittelbar miteinander im Eingriff stehen.
2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Yerbindungsrippen (22,23) je einen axial verlaufenden, hakenförmigen Vorsprung (24,25) aufweisen.
3. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden, im montierten Zustand ineinandergreifenden
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Verbindungsrippen (22,23) um die Materialdicke der Rippe voneinander verschieden von der Element-Längsachse entfernt sind.
4. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsrippen (22,23) mindestens um ein Viertel der Länge der radialen Rippen von der Element-Längsachse distanziert sind.
5. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine der beiden Verbindungsrippen (23jTwesentlich kurzer als die andere (22) ist.
6. Element nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in' der aussen liegenden Verbindungsrippe (23) Gewindelöcher (26) vorgesehen sind, in die Schrauben (27)passen, mittels denen die beiden im Eingriff stehenden Verbindungsrippen auseinanderschiebbar sind.
7. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsrippen (22',23^ eine axiale - gee-e^-Fut (28,29) aufweisen, in denen im montierten Zustand ein Metallstab/ form- und kraftschlüssig gehalten ist.
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COPY
8. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die, im montierten Zustand gegeneinander liegenden, parallelen Trennungsflächen benachbarter Teilelemente zu einer im Querschnitt radialen Richtung des Rohres (3) geneigt sind.
9. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilelemente/üus Aluminium im Strangpressverfahren hergestellt sind.
10. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilelemente,/'identisch sind.
11. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die radialen Rippen (2,20,21) die Oberfläche vergrössernde SoM1Ca1Afweisen.
12. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilelemente an den vom Rohr (3) abgewendeten Flächen schwarz/Eloe ete.^a.r\oz sn*cl.
13· Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsrippen (22,23) konzentrisch zum von den Teilelementen zu umschliessenden Rohr (3) verlaufen.
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