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Rohrwärmetauscher und Verfahren zu seiner
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Herstellung Die Erfindung betrifft einen Rohrwärmetauscher mit koaxialen
Rohrverbindungen, bei denen jeweils die Enden zweier Rohre ineinandergesteckt und
fest miteinander verbunden sind, wobei das erste Rohr an seinem Ende zur Aufnahme
des zweiten Rohres aufgeweitet ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen
Wärmetauschers.
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Bei einem Rohrwärmetauscher dieser Art treten Rohrverbindungen beispielsweise
an Umlenkbogen auf, die zwei parallele gerade Wärmetauschrohre U-förmig verbinden,
oder bei der Herstellung einer Verbindung eines Wärmetauscherrohres mit einem Sammel-
oder Verteilerrohr. Eines der miteinander verbundenen Rohre ist an seinem Ende soweit
aufgeweitet, daß sein Innendurchmesser gleich groß oder etwas größer als der Außendurchmesser
des anderen Rohres ist, das in das aufgeweitete Ende eingesteckt ist. Je nach Material
der Rohre und Anwendungsbereich sind die beiden Rohre hart verlötet oder verschweißt.
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Die beim Hartlöten oder Schweißen auftretende Erwärmung der Rohre
hat zur Folge, daß die Festigkeit des Rohrmaterials
im erwärmten
Bereich erheblich sinkt. Bisher wurden derartige Wärmetauscher mit Erfahrungswerten
für einen bestimmten Prüfdruck gefertigt. Gemäß einer neuen Druckbehälterverordnung
gelten Rohranordnungen nunmehr als Druckbehälter. Nach den dafür geltenden Berechnungsvorschriften
sind aber die bisher für die Rohre verwendeten Wand dicken zu gering. Dies hat zur
Folge, daß die Rohrwände dicker gewählt werden müssen.
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Damit können aber die bisher verwendeten Rohre nicht weiter verwendet
werden, außerdem erhöhen sich Gewicht und Materialkosten des Wärmetauschers nicht
unerheblich, während gleichzeitig die Wärmeübertragung schlechter wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen
Wärmetauscher der eingangs genannten Art zu entwickeln, der druckstabil ist, der
aber gleichzeitig die Verwendung dünnwandiger Rohre zuläßt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Bereich
der Aufweitung ein Rohrstück über das erste Rohr geschoben ist, das fest am ersten
Rohr anliegt.
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Es hat sich herausgestellt, daß die bisher verwendeten Rohre nur dort
nicht den höheren Anforderungen an ihre Druckbelastbarkeit gewachsen waren, wo die
Festigkeit des Rohrmaterials aufgrund der Wärmeeinwirkung beim Hart löten oder Schweißen
verringert war. Erfindungsgemäß sind daher die Rohre in dem Bereich verstärkt, der
beim Hartlöten oder Schweißen einer starken Erwärmung ausgesetzt war. Aufgrund von
Wärmeleitung im Material reicht dieser Bereich über die eigentliche Löt- oder Schweißstelle
hinaus. Durch Variation der Dicke und Länge des übergeschobenen Rohres läßt sich
eine optimale Anpassung des Rohres an die geforderten Werte erreichen.
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Beim Erfindungsgegenstand ist es nunmehr möglich, weiterhin
die
auch bisher schon verwendeten Rohre zu verwenden. Gleichzeitig ist aber in dem kritischen
Bereich der Rohrverbindung die Wanddicke durch das übergeschobene Rohr erhöht und
damit die geforderte Festigkeit hergestellt. Der erfindungsgemäße Rohrwärmetauscher
ist somit über einen weiten Bereich von Betriebsdrücken einsetzbar.
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Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, gemäß einer Ausgestaltung des
Erfindungsgegenstandes zusätzlich zu dem Rohrstück Lamellen mit ringförmigen Kragen
um das erste Rohr anzuordnen, wobei die Kragen fest auf dem ersten Rohr aufliegen.
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Diese Ausführungsform ist insbesondere bei Lamellen-Wärmetauschern
von Vorteil, die zur Vergrößerung der Wärmetauschfläche Lamellen um die Rohre aufweisen,
die in wärmetauschender Verbindung mit der Rohrwand stehen. Da es in vielen Fällen
erwünscht ist, daß die Lamellen bis in die Nähe einer Rohrverbindung vorgesehen
sind, andererseits aber das erfindungsgemäß übergeschobene Rohrstück das Anbringen
von Lamellen in diesem Bereich verhindert, wird vorgeschlagen, das Rohrstück entsprechend
zu kürzen und stattdessen in dem zu verstärkenden Bereich eine Verstärkung durch
ringförmige Kragen vorzunehmen, die auf das Rohr aufgeschoben sind und die jeweils
eine oder mehrere Lamellen tragen. Die Kragen liegen ebenso wie das Rohrstück fest
am ersten Rohr an. Sie dienen einerseits zur Herstellung eines Wärmekontaktes zwischen
Rohr und Lamellen und außerdem zur Erhöhung der Festigkeit des Rohres.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmetauschers
weist das übergeschobene Rohr eine Wanddicke in der Größenordnung vom 0,25-bis 1,5-fachen
der Wandstärke des ersten Rohres auf. Bereits mit einer relativ geringfügigen Verstärkung
erhält das Rohr somit in den meisten Anwendungsfällen eine ausreichende Festigkeit.
Die genaue Dimen-
sionierung der Wanddicke richtet sich nach den
auftretenden Betriebsdrücken.
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Bei einem Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Rohrwärmetauschers
werden über das erste Rohr jeweils ein Rohr stück sowie gegebenenfalls Lamellen
mit ringförmigen Kragen geschoben, wobei die Innendurchmesser von Rohrstück und
Kragen geringfügig größer als der Außendurchmesser des ersten Rohres sind, und das
erste Rohr anschließend mechanisch aufgeweitet wird, damit es einen festen Kontakt
mit dem Rohrstück und den Kragen bekommt.
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Durch das Aufweiten wird erreicht, daß das Rohrstück sowie gegebenenfalls
die Kragen fest am ersten Rohr anliegen.
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Auf diese Weise wird eine druckstabile Rohrwand hergestellt und gleichzeitig
verhindert, daß die aufgeschobenen Verstärkungselemente aus ihrer Lage verrutschen.
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Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand
von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Hierbei zeigen die Figuren 1 und 2 verschiedene Rohrverbindungen in
erfindungsgemäßen Wärmetauschern.
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Figur 1 zeigt eine Verbindung zweier parallel zueinander angeordneter
Rohre 1 und 2, die in einem erfindungsgemäßen Wärmetauscher angeordnet sind. Die
Rohre 1 und 2 sind durch ein U-förmiges Verbindungsrohr 3 miteinander verbunden.
Zur Herstellung der Verbindung sind die Rohre 1, 2 an ihren Enden 4, 5 aufgeweitet,
wobei der Innendurchmesser der Aufweitung im wesentlichen dem Außendurchmesser des
Verbindungsrohres 3 entspricht, und das Verbindungsrohr 3 ist in die Aufweitung
der Rohre 1, 2 eingesteckt und mit diesen hart verlötet oder verschweißt.
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Die Rohre 1, 2, sowie das Verbindungsrohr 3 sind z.B. aus kaltverfestigtem
sauerstofffreiem Ku-fer mit einer Streckgrenze von ursprünglich 140 N/mm2 gefertigt.
Aufgrund der Erwärmung beim Hartlöten oder Schweißen fällt die Streckgrenze auf
ca. 40 N/mm2 ab. Erfindungsgemäß wird die ursprüngliche Festigkeit des Rohres in
der Zone, in der die Wärmeeinwirkung wirksam war, dadurch wieder hergestellt, daß
jeweils ein Rohrstück 6,7, das der äußeren Kontur der Rohre 1, 2 angepaßt ist, über
diese geschoben ist. Die Wanddicke von Rohr 4 bzw. 5 und Rohrstück 6 bzw. 7 zusammen
entspricht dabei dem rechnerisch geforderten Wert, wenn der Berechnung die durch
die Erwärmung verminderten Festigkeitswerte zugrundegelegt sind. Auf diese W iise
können Rohre 1, 2 verwendet werden, deren Wanddicke etwa 1/3 unter dem theoretisch
geforderten Maß liegt. Das Verbindungsrohr 3 ist hinsichtlich seiner Wanddicke so
ausgelegt, daß es auch bei der verminderten Streckgrenze den geforderten Druckbelastungen
standhält.
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Der in Figur 1 gezeigte Wärmetauscher ist ein Lamellenwärmetauscher.
Zur Erhöhung der Wärmetauschfläche sind die Rohre 1, 2 mit Lamellen 8, 9, beispielsweise
aus Aluminium, versehen, die mit den Rohren 1, 2 in wärmeleitender Verbindung stehen.
Die Lamellen 8 weisen Kragen 10 auf, die fest an den Rohren 1, 2 anliegen. Die Randlamelle
9 ist breiter als die anderen Lamellen 8 ausgeführt und liegt ebenfalls dicht an
den Rohren 1, 2 an. Analog wie die Rohrstücke 6, 7 erhöhen die Lamellen 8, 9 die
Festigkeit der Rohrwände. Die Rohrstücke 6, 7 sind daher entsprechend kürzer ausgeführt.
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Figur 2 zeigt die Verbindung eines geraden Wärmetauscherrohres 11
mit einem Verbindungsrohr 12, das zu einer Sammelleitung 13 führt. Auch hier ist
das Rohr 11 an seinem Ende 15 aufgeweitet, um das Verbindungsrohr 12 aufnehmen
zu
können. Verbindungsrohr 12 und Rohr 11 sind miteinander hart verlötet, so daß die
Festigkeit des Rohrmaterials im Bereich der Verbindung stark herabgesetzt ist. Zur
Verstärkung des Rohres 11 in diesem kritischen Bereich ist ein Rohrstück 14 auf
das Rohr 11 aufgeschoben, das fest am Rohr 11 anliegt. Hierdurch ist es möglich,
mit einer Wanddicke für das Rohr 11 auszukommen, die etwa 1/3 unter dem errechneten
Wert liegt. Das Verbindungsrohr 12 muß dagegen dicker dimensioniert sein, da es
nicht verstärkt ist. Selbstverständlich können auch hier Lamellen über das Rohr
11 geschoben sein, ähnlich wie in Figur 1. Das Rohrstück 14 wäre in diesem Falle
entsprechend kürzer.
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Bei der Herstellung eines derartigen Wärmetauschers werden zuerst
vorgefertigte Haarnadelrohre durch die Lamellenpakete mit Kragen durchgeschoben.
Danach werden auf der Gegenseite der Haarnadeln auf die vorstehenden Rohre die aufgeweiteten
Rohrstücke aufgeschoben. Sodann wird das komplette Lamellenpaket mit eingeschoben
Rohren einer Vorrichtung zugeführt, in welcher gleichzeitig alle Rohre durch Einschieben
von Aufweitdornen aufgeweitet werden, so daß die Rohrstücke und die Lamellen mit
Kragen und die verstärkten Endlamellen fest an der Rohraußenwand anliegen. Sodann
werden die vorstehenden Rohrenden aufgeweitet und die Rohrbogen sowie die Verbindungsrohre
hart eingelötet.
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In der folgenden Tabelle sind einige typische Betriebsdaten zusammengestellt,
unter denen der erfindungsgemäße Wärmetauscher vorzugsweise eingesetzt wird:
Zulässiger
Betriebsuberdruck bei Sättigungstemperatur Kältemittel Niederdruckseite Hochdruckseite
Hochdruckseite wassergekühlt luftgekühlt bar °C bar °C bar °C Dichlordifluormethan
7 32 9,5 43 13-16 56-65 Brontrifluormethan 19 34 24 44 31-36 56-63 Chlordifluormethan
12 33 16 44 21-25 55-63 Chlorpentafluoräthan 10 33 14 45 18-22 56-65