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Verfahren zur Herstellung der Rohre bei einem
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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.
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Rohrbundel-Kreuzstromwärmetauscher werden zur Energierückgewinnung
verwendet. Insbesondere werden solche Kreuzstromwärmetauscher zur Energierückgewinnung
aus Rauchgase von Verbrennungsanlagen, Dörr- und Mälzanlagen verwendet.
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Die Rauchgase umschliessen hierbei in ans ich bekannter Weise das
Rohrbündel, wobei die Rohre selbst die aufzuheizende Frischluft oder einen anderen
Wärmeträger führen.
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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.
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Aber auch das Glas wird von Flußsäure angegriffen, so daß die Standzeit
eines solchen Kreuzstromwärmetauschers begrenzt ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Es ist also wesentlich, daß das Kunststoffrohr kraft- und /oder formschlüssig
am Aussenmantel des Metallrohres anliegt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Auf ein Metallrohr von einem bestimmten Durchmesser, von z.B.
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22 mm, bringt man ein im Innendurchmesser größeres Kunststoffrohr
aus dem eingangs genannten Kunststoffmaterial auf.
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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.
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Voraussetzung ist selbstverständlich, daß das Metallrohr nicht reisst,und
daß das#-Kunststoffrohr während des Aufweitens nicht beschädigt wird.
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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.
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Das Arbeitsmedium kann hierbei eine Hydraulikflüssigkeit oder auch
Pressluft sein.
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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.
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Der Antrieb der Kugel erfolgt hierbei beispielsweise mit Pressluft.
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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.
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Nach dem Schliessen der Formbacken wird ein kreiszylindrisches Hohlprofil
gebildet, so daß bei der Aufweitung des Durchmessers eine gute axiale Formstabilität
erreicht wird.
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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.
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Statt der Aufweitung des Metallrohres , damit es sich krttu-und formschlüssig
an dem Innenmantel des Kunststoffrohres anlegt, sind noch andere Ummantelungsverfahren
möglich.
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Man kann die gewünschte Ummantelung auch durch Aufrollen oder Kleben
einer Folie auf das Metallrohr erreichen.
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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.
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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.
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Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht
nur aus dem Gegenstand der einzelne Patentansprüche, sondern auch aus der Kombination
der einzelnen Patentansprüche untereinander.
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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.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg
darstellenden Zeichnung näher erläutert.
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Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche
Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der Kreuzstromwärmetauscher kann eine Vielzahl von parallel zueinander
angeordneten Rohrbündeln 7,8 aufweisen, und kann baukastenartig in beliebigen Dimensionen
erweitert werden.