DE3102705A1

DE3102705A1 - Verfahren zur herstellung der rohre bei einem rohrbuendel-kreuzwaermetauscher und ein nach dem verfahren hergestelltes rohr

Info

Publication number: DE3102705A1
Application number: DE19813102705
Authority: DE
Inventors: Theo 9320 Arbon Krummenacher
Original assignee: FROEHLICH AIR AG
Current assignee: FROEHLICH AIR AG
Priority date: 1981-01-28
Filing date: 1981-01-28
Publication date: 1982-08-19

Description

Verfahren zur Herstellung der Rohre bei einem
Rohrbündel-Kreuzwärmetauscher und ein nach dem Verfahren hergestelltes Rohr Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung der Rohre bei einem Rohrbündel-Kreuzwärmetauscher, wobei die Rohre aus einem Metallmaterial bestehen.
Rohrbundel-Kreuzstromwärmetauscher werden zur Energierückgewinnung verwendet. Insbesondere werden solche Kreuzstromwärmetauscher zur Energierückgewinnung aus Rauchgase von Verbrennungsanlagen, Dörr- und Mälzanlagen verwendet.
Die Rauchgase umschliessen hierbei in ans ich bekannter Weise das Rohrbündel, wobei die Rohre selbst die aufzuheizende Frischluft oder einen anderen Wärmeträger führen.
Beim Wärmeübergang von den heissen Rauchgasen, die beispielsweise 2500 heiss sind und auf etwa 20 - 30 0C abgekühlt werden, kommt es zu einer Kondensation der Rauchgase an den Aussenseiten der Rohrbündel und damit zur Entstehung von aggressiven Säuren. Es handelt sich hierbei um schwefelige Säure und /oder um Flußsäure. Um einen Angriff der Rohrbündel-Aussenflächen durch das aggressive Medium zu vermeiden oder zumindest herabzusetzen, hat man bisher Glasrohr-Wärmetauscher verwendet.
Aber auch das Glas wird von Flußsäure angegriffen, so daß die Standzeit eines solchen Kreuzstromwärmetauschers begrenzt ist.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zur Herstellung der Rohre für einen Kreuzstromwärmetauscher und ein danach hergestelltes Rohr so weiterzubilden, daß für die oben genannten Verfahrensbedingungen wesentlich höhere Standzeiten für die Rohre des Kreuzstromwärmetauschers erreicht werden.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß a) in einem ersten Arbeitsschritt auf das Metallrohr ein Kunststoffrohr größeren Innen-Durchmessers aufgezogen wird, wobei ein Zwischenraum zwischen dem Außenmantel des Metallrohres und dem Innenmantel des Kunststoffrohres verbleibt, und daß b) in einem zweiten Arbeitsschritt der Durchmesser des Metallrohres aufgeweitet wird, bis daß der Außenmantel des Metallrohres ohne Zwischenraum am Innenmantel des Kunststoffrohres anliegt.
Wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist also, daß man einen ausgezeichneten Wärmeübertragungswirkungsgrad dadurch erreicht, daß man als Führungsmedium (Rohr) für die aufzuheizende Frischluft ein Metallrohr nimmt, das - naturgemäss - eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Das Metallrohr würde aber sehr schnell von den aggressiven Medien angegriffen werden, so daß als Schutzrohr für das Metallrohr ein Kunststoffrohr verwendet wird. Das Aufbringen eines Kunststoffrohres auf ein Metallrohr ist aber ausserordentlich schwierig, wenn man einen Zwischenraum zwischen dem Innenmantel des Kunststoffrohres und dem Aussenmantel des Metallrohres vermeiden will. Ein solcher Zwischenraum würde nämlich die Wärmeübertragung zwischen dem Aussenmantel des Kunststoffrohres und dem Innenmantel des Metallrohres so stark herabsetzen, daß sich ein sehr schlechter Wirkungsgrad des Kreuzstromwärmetauschers ergeben würde.
Es ist also wesentlich, daß das Kunststoffrohr kraft- und /oder formschlüssig am Aussenmantel des Metallrohres anliegt.
Man hat verschiedene Versuche durchgeführt, um ein solches Metallrohr mit einem Kunststoffrohr zu ummanteln. Zunächst hat man die Beschichtung mit einer Kunststoffschicht , insandere einer Kunststoffschicht aus dem Kunststoff Polytetrafluoräthylen versucht.
Bei einer solchen Beschichtung ist aber eine gewisse Oberflächen-Rauhigkeit nicht zu vermeiden, so daß eIn großer Strömungswiderstand für die das Rohrbündel umschliessenden Rauchgase besteht. Es würden sich dann feste Bestandteilr des Rauchs sich absetzen, und der Wärmetauscher würde sich in kurzer Zeit zusetzen. Man erhält also mit dem erfindungsgemässen Verfahren einen sehr niedrigen Strömungswiderstand für die die Rohrbündel umströmenden Rauchgase.
Man hat ferner versucht, statt der Kombination eines Metallrohres mit einem ummantelten Kunststoffrohr ein Kunststoffohr allein zu verwenden. Hier wurde wiederum ein Schlauch aus dem oben genannten Kunststoffmaterial versuchsweise eingesetzt.
Es hat sich aber gezeigt, daß die Dimensionsstabilität dieser Schläuche nur ungenügend ist. Um eine hohe Dimensionsstabilität zu erreichen, muß man beispielsweise Schläuche mit einer Wandstärke von 2 mm verwenden, was die Herstellungskosten außerordentlich erhöht. Ein aus Kunststoffrohren allein hergestellter Wärmetauscher wäre also nicht mehr wirtschaftlich herzustellen.
Hieraus ergibt sich der weitere, wesentliche Vorteil der erfindungsgemässen Maßnahme, daß nämlich die Herstellungskosten relativ gering sind, weil Kunststoffrohre mit relativ geringer Wandstärke von beispielsweise 0,2 bis 0,5 mm verwendet werden.
Ebenso werden Metallrohre von relativ geringer Wandstärke verwendet, von z. B. 0,5 mm Wandstärke, wodurch sich durch das erfindungsgemäss vorgeschlagene Verbundrohr eine ausgezeichnete Dimensionsstabilität und einen ausgezeichneten Wärmeübertragungskoeffizienten ergibt.
Das eingangs genannte Material des Kunststoffro;.res ist porendicht, hält auch hohen Temperaturen stand, und ist beständig gegen aggressive Medien, insbesondere Flußsäure, und Schwefelsäure, so daß mit der erfindungsgemäss gegebenen technischen Lehre ein solcher Kreuzstromwärmetauscher besonders kostengünstig , einfach und betriebssicher herzustellen ist.
Auf ein Metallrohr von einem bestimmten Durchmesser, von z.B.
22 mm, bringt man ein im Innendurchmesser größeres Kunststoffrohr aus dem eingangs genannten Kunststoffmaterial auf.
Der Über zug des Metallrohres mit dem genannten Kunststoffrohr erfolgt relativ einfach, weil der Innendurchmesser des Kunststoffrohres um etwa 3/10 bis 5/10 mm größer ist, als der Aussendurchmesser des Metallrohres. In dem zweiten Arbeitsschritt wird dann das Metallrohr aufgeweitet, bis sich der Aussenmantel des Metallrohres kraftschlüssig und formschlüssig an den Innenmantel des Kunststoffrohres anlegt. Die Aufweitung kann so weit erfolgen, daß das Kunststoffrohr noch geringfügig gedehnt wird, um eine kraftschlüssige Anlage zu erzielen.
Voraussetzung ist selbstverständlich, daß das Metallrohr nicht reisst,und daß das#-Kunststoffrohr während des Aufweitens nicht beschädigt wird.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform gemäss dem Anspruch 2 erfolgt die Aufweitung des Durchmessers des Metallrohres dadurch, daß in das Metallrohr ein mit einem Arbeitsmedium gefüllter Gummischlauch eingezogen wird, der sich durch Druckerhöhung in dem Arbeitsmedium elastisch aufweitet, und kraftschlüssig am Innenumfang des Metallrohres anlegt.
Das Arbeitsmedium kann hierbei eine Hydraulikflüssigkeit oder auch Pressluft sein.
Eine andere Möglichkeit zur Aufweitung besteht nach dem Anspruch 3 dadurch, daß durch den Innenmantel des Metallrohres eine Kugel in axialer Richtung geschossen wird, deren Durchmesser größer ist, als der Innendurchmesser des Metallrohres.
Der Antrieb der Kugel erfolgt hierbei beispielsweise mit Pressluft.
Um eine gleichmässige Verformung des Metallrohres in axialer Richtung zu erzielen, wird es hierbei bevorzugt, wenn die Aufweitung im Hohlprofil von zwei zueinander bewegbaren Formbacken erfolgt. Zwei zueinander spiegelsymmetrische Formbacken umgeben also mit ihrem Hohlprofil das Kunststoffrohr mit dem darin eingelegten Metallrohr und der daran angesetzten Aufweitvorrichtung.
Nach dem Schliessen der Formbacken wird ein kreiszylindrisches Hohlprofil gebildet, so daß bei der Aufweitung des Durchmessers eine gute axiale Formstabilität erreicht wird.
Statt der Verwendung eines Kunststoffrohres aus Polytetrafluoräthylen können noch andere Materialien, wie Fluoräthylen-Prophylen,PErfluor-Ral-Coxy, Polychlortrifluoräthylen, Äthylen Tetrafluoräthylen und Polvinyl-und Polvinyllidenfluorid verwendet werden.
Statt der Aufweitung des Metallrohres , damit es sich krttu-und formschlüssig an dem Innenmantel des Kunststoffrohres anlegt, sind noch andere Ummantelungsverfahren möglich.
Man kann die gewünschte Ummantelung auch durch Aufrollen oder Kleben einer Folie auf das Metallrohr erreichen.
Dabei muß aber dann ein Kleber verwandt werden, der temperaturbeständig ist; für geringere Temperaturen können dann Kleber verwandt werden, welche die Eigenschaft haben, die gewünschte Temperatur auszuhalten und verhindern, daß sich irgendwelche Hohlräume zwischen dem Aussenmantel des Metallrohres und dem Innenmantel des Kunststoffrohres oder Folie bilden.
Eine Aufweitung des Metallrohres kann auch durch einen Ziehdorn erfolgen, der in axialer Richtung durch das Metallrohr hindurchbewegt wird. Der Aussendurchmesser des Ziehdornes ist größer, als der Innendurchmesser des Metallrohres, und kleiner als der Innendurchmesser des Kunststoffrohres.
Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelne Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander.
Alle in den Unterlagen offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellte, räumliche Ausbildung werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnung näher erläutert.
Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.
Es zeigen: Fig. 1: schematisiert gezeichnete , perspektivische Ansicht eines Kreuzstromwärmetauschers; Fig. 2: Draufsicht auf die Stirnseite des Kreuzstromwä.rmetauschers nach Fig. 1; Fig. 3 :Vertikalschnitt durch eine Vorrichtung zum Aufweiten des Rohres vor Durchführung des Aufweitvorganges; Fig. W: Schnitt durch die Anordnung nach Fig. 3 unter Weglassung der Formbacken.
Der in den Figuren 1 und 2 gezeigte Wärmetauscher 1 weist ein Gehäuse 2 auf, in dem zwei Rohrbündel 7,8 eingesetzt und gehaltert sind. Die auf zuwärmende Frischluft oder das aufzuheizende , flüssige Medium strömt in Pfeilrichtung 5 von unten her kommend durch die Rohre 9 der Rohrbündel 7,8 hindurch und verlässt oben durch die Austrittsöffnung 4 die Rohrbündel 7,8.
Die abzukühlenden Rauchgase treten in Pfeilrichtung 6 in die 4 Eintrittsöffnung 3 des Wärmetauschers 1 ein, und um 9 liessen die Rohrbündel 7,8. Es kommt dabei zu einer Kondensation der Rauchgase und zur Entstehung von aggressiven Säuren an den Aussenseiten der Rohre 9 der Rohrbündel 7,8.
Um einerseits günstige Herstellungskosten bei gutem Wärmeübertragungskoeffizienten und geringem Strömungswiderstand für die Rauchgase in Pfeilrichtung 6 zu bieten, wird das in den Fig. 3 und 4 näher beschriebene Ummantelungsverfahren für die Rohre 9 angewandt.
Es handelt sich um einen zweischichtigen Aufbau eines Rohres 9, das aus einem Metallrohr 15 besteht, über das ein Kunststoffrohr 16 aufgezogen ist. Nach den Fig. 3 und 4 wird auf das Metallrohr 15 mit dem Aussendurchmesser 20 ein Kunststoffrohr 16 mit einem Innendurchmesser 21 aufgezogen, wobei der Innendurchmesser 21 des Kunststoffrohres etwa um 3/10 mm oder um einen größeren Betrag größer ist als der Aussendurchmesser 20 des Metallrohres 15.
Um jetzt zu erreichen, daß der Außendurchmesser 20 des Metallrohres 15 ohne Zwischenraum 18 am Innendurchmesser 21 des Kunststoffrohres 16 anliegt, ird in den Innenraum des Metallrohres 15 ein Gummischlauch 13 oder ein anderer, elastischer Schlauch eingezogen, der mit einer Hydraulikflüssigkeit 14 gefüllt ist. Statt der Hydraulikflüssigkeit 14 kann auch Pressluft verwendet werden. Wesentlich ist nur, daß dieser Gummischlauch 13 druckbeständig ist. Der Aussendurchmesser des Gummischlauches 13 ist kleiner, als der Innendurchmesser des Metallrohres 15, so daß sich ein Zwischenraum 22 zwischen dem Gummischlauch 13 und dem Innenmantel des Metallrohres 15 ergibt.
Die gesamte Anordnung wird dann zwischen die Formbacken 10,11 einer Haltevorrichtung gelegt, wobei die Formbacken 10,11 in Pfeilrichtung 12 geschlossen werden, und zwischen sich ein kreiszylindrisches Hohlprofil 17 ausbilden. Durch Druckerhöhung der Hydraulikflüssigkeit 14 wird der Gummischlauch 13 in radialer Richtung (Pfeilrichtung 19) aufgeweitet , so daß schließlich der Zwischenraum 22 verschwindet und mit weiterer Druckerhöhung das Metallrohr 15 in radialer Richtung aufgeweitnt wird, solange, bis der Zwischenraum 18 zwischen dem Metallrohr 15 und dem Kunststoffrohr 16 verschwunden ist. Die Aufweitung kann auch solange erfolgen, daß auch noch das Kunststoffrohr 16 geringfügig gedehnt wird.
Die Formbacken 10,11 werden dann in Gegenrichtung zur eingezeichnet Pfeilrichtung 12 geöffnet, und der Gummischlauch 13 wird in axialer Richtung aus dem Rohr 9 herausgezogen. Das Rohr 9 ist nun fertig mit dem Kunststoffrohr 16 ummantelt und kann in die Halterungsplatten des Kreuzstromwärmetauschers eingebaut werden, wonach dann ein ganzes Rohrbündel 7,8 dichtend in das Gehäuse 2 des Kreuzstromwärmetauschers 1 eingesetzt werden kann.
Der Kreuzstromwärmetauscher kann eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Rohrbündeln 7,8 aufweisen, und kann baukastenartig in beliebigen Dimensionen erweitert werden.

Claims

P a t e n t a n s~p r ü c h e rt~ Verfahren zur Herstellung der Rohre bei einem Rohrbündel-Rreuzstromwärmetauscher, , wobei die Rohre aus einem Metallmaterial bestehen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß a) in einem ersten Arbeitsschritt auf das Metallrohr (15) ein Kunststoffrohr (16) größeren Innen-Durchmessers (21) aufgezogen wird, wobei ein Zwischenraum (18) zwischen dem Außenmantel des Metallrohres (15) und dem Innenmantel des Kunststoffrohres (16) verbleibt, und daß b) in einem zweiten Arbeitsschritt der Durchmesser (20) des Metallrohres (15) aufgeweitet wird, bis daß der Außennantel des Metallrohres (15) ohne Zwischenraum (18) am Innenmantel des Kunststoffrohres (16) anliegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Aufweitung des Durchmessers (20) des Metallrohres (15) dadurch erfolgt, daß in das Metallrohr (15) ein mit einem Arbeitsmedium gefüllter Gummischlauch (13) eingezogen wird, der sich durch Druckerhöhung in dem Arbeitsmedium elastisch aufweitet und kraftschlüssig am Innenumfang des Metallrohres (15) anlegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Aufweitung des Durchmessers (20) des Metallrohres (15) dadurch erfolgt, daß durch den Innenmantel des Metallrohres (15) eine Kugel in axialer Richtung geschlossen wird, deren Durchmesser größer ist als der Innendurchmesser des Metallrohres (15).
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zwischen dem ersten und dem zweiten Arbeitsschritt das Rohr (9) in das Hohlprofil (17) von zwei zueinander bewegbaren Formbacken (1o,11) eingelegt wird.
5. Rohr für einen Rohrbündel-Kreuzstromwärmetauscher, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß auf dem Metallrohr (15) ein Kunststoffrohr (16) aufgezogen ist , und daß der Außendurchmesser (20) des Metallrohres (15) dem Innendurchmesser (21) des Kunststoffrohres (16) entspricht.
6. Rohr nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Material des Kunststoffrohres (16) aus einem hochtemperaturbeständigen und gegen Flußsäure beständigen Kunststoff besteht.
7. Rohr nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Kunststoffrohr (16) aus einem Fluoräthylen-Prophylen, Perfluor-Ral-Coxy, Polychlortrifluoräthylen, Äthylen Tetrafluoräthylen und Polvinyl- und Polvinyllidenfluorid, oder anderen Kunststoffen mit gleichen Eigenschaften besteht.
8. Rohr nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e ich n e t , daß das Kunststoffrohr (16) aus Polytetrafluoräthylen besteht.
9. Rohr nach einem der Ansprüche 5 - 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß bei nicht aufgeweitetem Metallrohr (15) ein Zwischenraum (18) von etwa 3/10 mm im Durchmesser besteht.