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BESCHREIBUNG
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Vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher mit U-Rohren.
Es ist eine Ausfährungsform von Wärmeaustauschern bekannt, bei denen das Rohrbündel
aus U-förmig gebogenen Rohren besteht, die von einem Rohrboden ausgehen und zur
Führung einer der beiden dem Wärmeaustauschprozeß unterworfenen Fluide dienen, und
welche einen Außenmantel aufweisen, welcher den Raumabsohnitt begrenzt, in welchem
das RohrbEndel enthalten ist und in welchen das andere, gegen die Außenfläche der
Ü-förmig gebogenen Rohre streifende Fluid gefördert ist.
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Bei vielen Industrieanlagen sind die Wärmeaustauscher äußerst strengen
Betriebsbedingungen ausgesetzt und nissen mit größtmöglicher Zuverlässigkeit arbeiten,
damit ein Ausfall der Anlage vermieden und die erforderliche Sicherheit gewährleistet
wird. In diesen Fällen erfolgt die Anschweißung der Enden der U-Rohre and den Rohrboden
gewöhnlich nach der unter der Bezeichnung IDW bekannten Methode (Internal Bore Welding),
welche darin besteht, daß man die Rohre auf Stop auf Fortsätze aufschweißt, die
im Rohrboden zweckmäßigerweise vorgesehen sind, wobei der Durchmesser der Öffnung
im wesentlichen gleich dem Innendurchmesser des Rohres ist. Insbesondere wird bei
dieser an sich bekannten Schweißmethode das Ende des anzaschweißenden Rohres in
einen auf dem Fortsatz ausgebildeten Sitz eingesetzt, wonach eine Schweißfackel
im Inneren im Bereich der Verbindungszone eingefflhrt wird und gewöhnlich ohne Materialauftrag
geschweißt wird.
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uf Grund der erwähnten harten Betriebsbedingungen muß
Jede
Schweißung von aupen des Rohres sei es visuell oder röntgenographisch unter Auflegen
eines Filmes'geprtift werden, um eine absolute Gewißheit über die Zuverlässig keit
des Wärmeaustauschers zu erlangen.
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Bei den bekannten Wärmeaastauschern erfolgt die UberprR-fung der Schweißungen
im Zuge ihrer Durchführung bei Rohranordnungen, welche sehr nachteilig sind, sei
es vom strömungsdynamischen Standpunkt aus gesehen, weil nicht alle Rohre gleichmäßig
außen vom Fluid umstr8mt werden, sei es vom Standpunkt der Dimensionierung aus gesehen,
wegen der ungleichmäpigen Belastungen, welche in den verschicdenen Teilen des Wärmeaustauschers
auftreten.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist demnach die Schaffung eines
Wärmeaustauschers mit U-Rohren, die am Rohrboden insbesondere durch Stoßschweißung
nach dem IBW-Verfahren auf Fortsätzen, die auf dem Rohrboden ausgebildet sind, befestigt
werden, wobei die Offnung der Fortsätze im wesentlichen gleich dem Innendurchmesser
des Rohres ist und die Möglichkeit der Überprüfung der Schweißungen im Zuge ihrer
Durchführung gegeben ist und wobei die Rohre axialsymmetrisch, d.h. in einer im
wesentlichen in allen durch die Längsachse des WErmeaustauschers gehenden Ebenen
identischen Symmetrielage, angeordnet sind, so dap die Strömungsdynamik optimiert
und eine optimale Dimensionierung ermöglicht wird.
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Der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher kann leicht aus den normalerweise
in der einschlägigen Technik verfAgbaren Mitteln erzeugt werden.
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Demnach betrifft die Erfindung einen Wärmeaustauscher mit U-Rohren,
die mit einem Rohrboden durch Anschweipen anch dem IBW-System an auf dem Rohrboden
ausgebildeten Fortsätzen verbunden sind, deren Öffnung im wesentlichen der Innenöffnung
des Rohres entspricht, welcher dadurch gekennzeichnet ist, da der Rohrboden die
Form eines runden Kranzes besitzt, dessen Mittelöffnung solche Abmessungen besitzt,
daß sie den Zutritt für die Arbeitsperson gestattet, wobei die Öffnungen für den
Anschluß der Rohre gleichmäßig auf zwei Gruppen verteilt sind, die innerhalb des
Bereiches von umkreisförmig verlauf enden Bündeln enthalten sind und wobei jedes
der Rohre in dem Teil des Ringraumes, der den genannten Kranz als Basis besitzt,
enthalten ist und mit dem Ende eines Astes mit einer Offnung, die sich unter jenen
der ersten Gruppe befindet, und mit dem Ende des anderen Astes mit einer Öffnung,
die sich unter jenen der zweiten Gruppe befindet, verbunden ist.
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Bei einem derart ausgebildeten Wärmeaustauscher ist es bei Einhaltung
einer entsprechenden Aufeinanderfolge beim Schweißen der Rohre mbglich, das Rohr
von außen an jeder Seite einer jeden Schweipstelle im Zuge der Durch-, führung der
Schweißung zu überprüfen, außerdem sind die Rohre derart angeordnet, dap sie im
bezug auf die Achse des Wärmeaustauschers im wesentlichen axialsymmetrisch sind.
Es wird dadurch erreicht, dap das Rohrbündel gleichmäßig von dem es von außen umströmenden
Fluid getroffen wird und somit ein tEnstiger Zustand hinsichtlich der Leistung des
Wärmeaustauschers geschaffen wird.
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Weiters erhält man eine axialsymmetrische Verteilung
der
Wärmegradienten in den Teilen des Wärmeaustauschers, Was ftfr die Verteilung der
mechanischen Belastungen vorteilhaft ist.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung sind deutlicher der folgenden Beschreibung
von zwei Ausführungsbeispielen eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers unter Hinweis
auf beiliegende Zeichnungen zu entnehmen.
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Dabei zeigen: Fig. 1 im Grundriß den Rohrboden, wobei der Deutlichkeit
halber nur die auf einem Viertel des Umfanges vorhandenen Offnungen mit vier in
einer ersten Anordnung stehenden Rohren gezeigt sind; Fig. 2 bis 5 in Aufeinanderfolge
vier Montagephasen gemäß einer zweiten Anordnung der Rohre; Fig. 6 im Axialschnitt
eine mögliche Ausführungsform eines Wärmeaustauschers unter Verwendung der in den
vorhergehenden den Figuren gezeigten Rohrbtlndel; Fig. 7 einen Schnitt entlang der
Linie Vil-Vil der Fig. 6.
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In der Zeichnung ist mit 1 der Rohrboden mit der zentralen ,n Offnung
2 bezeichnet, die derart bemessen ist, dap eine Arbeitsperson durch sie durchtreten
kann. Die Offnungen für den Anschlup der Rohre sind gleichmäig auf zwei umkreisförmige
Gruppen verteilt1 die mit 3, 4, 5, 6 bzw. 7, 8, 9, 10 bezeichnet sind.
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Zuerst werden die Rohre, wie das Rohr 11, derart montiert, daß das
Ende eines Astes mit einer Offnung der Ereisfläche
6 der ersten
Gruppe und das Ende des anderen Astes mit einer Öffnung der Kreisfläche 7 der anderen
Gruppe verbunden ist. Die Verbindungsschweipung mit dem Rohrboden ist an jeder Stelle
außerhalb des Rohres sichtbar und radiographisch überprüfbar, wobei man zum Teil
von außen vom Boden 1 und zum Teil von der Öffnung 2 aus Zutritt hat.
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Sodann werden aufeinanderfolgend alle Rohre, wie das Rohr 12, mit
dem Ende eines Astes im Bereich einer Offnung der Kreisfläche 5 der ersten Gruppe
und mit dem Ende des anderen Astes im Bereich einer Offnung der Kreisfläche 8 der
zweiten Gruppe montiert, wobei auch fär diese Rohre die Bedingung einer vollständigen
Zugänglichkeit zu den Schweißstellen im Zuge der Durchführung der Schweißungen gewährt
bleibt.
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Dasselbe gilt fUr alle weiteren Rohre, wie für das Rohr 13, welche
nacheinander mit einem Ast im Bereich einer Öffnung der Kreisfläche 4 und mit dem
anderen Ast im ist Bereich einer Offnung der Kreisfläche 9 montiert werden, sowie
auch für alle Rohre, wie für das Rohr 14, welche zuletzt mit einem Ast im Bereich
einer Öffnung der Kreisfläche 3 und mit dem anderen Ast im Bereich der Kxeisfläche
10 montiert werden.
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Natürlich liegt bei allen Rohren 12, 13 und 14 aer halbkreisförmige
Verbindungsabschnitt zwischen den beiden geradlinigen Asten höher als der entsprechende
Abschnitt der Rohre 11 und es können bei der beschriebenen Anordnung die genannten
halbkreisförmigen Abschnitte einen großen Radius besitzen, wodurch ihre Konstruktion
erleichtert
wird und eine gute Förderung des Fluids in ihrem Inneren gewährleistet ist.
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Die nach der beschriebenen Vorgangsweise erhaltene Anordnung fahrt
demnach zu einer in allen die Längsachse des Wärmeaustauschers enthaltenden Radialebenen
im wesentlichen identischen Symmetrie situation und ist daher äuperst vorteilhaft.
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II Am Ende der Montage des Rohrbtindels wird die Offnung 2 mit einem
Deckel verschlossen, wobei auch eine Blende vorgesehen werden kann, welche innen
den Ringraum begrenzt, der das Rohrbündel enthält und außen durch den Mantel begrenzt
wird.
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Eine andere Anordnung der Rohre als die vorstehend beschriebene wird
mit der in den Fig. 2 bis 5 gezeigten Aufeinanderfolge von Arbeitsgängen erreicht.
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In Fig. 2 ist das erste Rohr 15 im Bereich der mit 15a und 15b in
Fig. 1 bezeichneten Öffnungen montiert, die Fig. 3 zeigt auch das zweite im Bereich
der in Fig. 1 mit 16a und 16b bezeichneten Öffnungen montierte Rohr 16.
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Aufeinanderfolgend werden alle mit den Rohren 15 und 16 homologe Rohre
mit den Enden im Bereich der Öffnungen auf denselben Kreisflächen montiert, bis
die Kreisfläche voll ist. Diese Rohre sind der KUrze halber in der Zeichnung nicht
gezeigt.
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Sodann wird, wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, das Rohr 17 im Bereich
der in Fig. 1 mit 17a und 17b bezeichneten
Öffnungen montiert,
wobei das Rohr 17 in derselben Radialebene wie die, die das Rohr 15 enthält, enthalten
ist, wobei die Zugänglichkeit and der Rohraußenseite zu den Befestigungsschweißungen
optimal ist, da sie durch keine vorher montierten Rohre behindert wird.
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Wie die Fig. 5 zeigt, wird nachher das Rohr 18 im Bereich der Öffnungen
18a and 18b montiert, wonach die Montage aller zu den Rohren 17 und 18 analogen
Rohre erfolgt, bis daß das Rohrbündel fertig ist, welches eine perfekte Axialsymmetrie
aufweist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausfthrungsform, bei welcher die oben beschriebenen
Rohrbtlndel verwendet werden, weist der Wärmeaustauscher einen Stutzen 19 ftir den
Eintritt des Pluids, welches gewöhnlich sehr heiß ist an der Mantelseite auf. Der
Stutzen 19 befindet in einem axialen Rohr 20, das im Bereich des entgegengesetzten
Endes des Wärmeaustauschers ausmündet.
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Koaxial zum Rohr 20 ist ein Zwischenmantel 30 vorgesehen, der im Zusammenwirkung
mit dem Rohr 20 einen ersten ringförmigen Zwischenraum bildet, der mit einem zweiten
ringförmigen Zwischen raum in Verbindung steht, welcher von einem koaxial und außerhalb
des Zwischenmantels 30 gelegenen Auenmantel 23 begrenzt wird.
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Der Aupenmantel 23 wird vom Mantel 21 umschlossen, der oben mit einem
Auslaßstutzen 22 versehen ist. weiteres weist dieser Mantel unten einen Flansch
24 auf, der mit dem Verteiler fllr das Fluid an der Seite des Rohrbündels verbunden
ist.
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Der genannte Verteiler besteht aus drei konzentrischen Kalotten, von
denen die äupere einen Einlaßstutzen 25 aufweist und mit dem äußeren Kranz 26 des
RohrbAndels in Verbindung steht.
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Der innere Kranz 27 des RohrbUndels mündet in einer halbkugelförmigen
Kalotte 28, die mit einem Auslaßstutzen 29 versehen ist.
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Wie es schematisch in der Zeichnung dargestellt ist, tritt das gewbhnlich
sehr heiße Fluid der Mantelseite durch den Stutzen 19 ein, durchströmt das Rohr
20 und wird sodann gegen das Rohrbündel entlang einen ersten zwischen den rilanteln
20 und 30 gebildeten Ringabschnitt im Gegenstrom zum Fluid in den Rohren abgelenkt.
Nachdem das Fluid der Mantelseite mehrere Male durch Ablenkbleche abgelenkt wurde,
die auch die Funktion haben, die Rohre abzustützen, tritt es in einen zweiten ringförmigen
Abschnitt zwischen den Mänteln 30 und 23 ein und folgt in perfektem Gegenstrom dem
Verlauf der Rohre. Sodann wird das Fluid noch einmal abgelenkt und strömt, bereits
abgektihlt, den Mantel 21 entlang, um aus dem Stutzen 22 auszutreten. Der Mantel
21 und die Innenmäntel 20 und 23 sind mittels der Flanschverbindung 24 zur Gänze
ausziehbar und gestatten so eine leichte Zugänglichkeit zum RohrbEndel.
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Die Eintritts- und Austrittsverteiler sind durch drei halbkugelförmige
konzentrische Kalotten gebildet.
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Das Fluid tritt kalt durch den Stutzen 25 ein, verteilt
sich
in den Rohren des äußeren Kranzes 26 und, nachdem es sich erwärmt hat, in dem es
durch die U-Rohre strömt, tritt es in den inneren Kranz 27 ein, wonach es, vom eintretenden
Fluid durch die halbkugelförmige Kalotte 28 getrennt, heiß aus dem Stutzen 29 austritt.
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Die oben beschriebene Ausfthrungsform des Wärmeaus tauschers bietet
den Vorteil, dap das Fluid sowohl in den Rohren als auch im Mantel Ueber die Druckdichtungsteile
im Zustand der niedrigsten Temperatur strömt. Weiters kann auf Grund des perfekten
Gegenstromes die erforderliche Austauschfläche auf ein Minimum reduziert werden,
wodurch sich, bei gleicher ausgetauschter Wärme, die Kosten und das Gewicht des
Apparates herabsetzen.
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Es ist weiters zu beachten, dap der Rohrboden einem hbheren Temperaturgradienten
ausgesetzt werden kann, als normalerweise bei anderen geometrischen Formen-zulässig
ist; weiters ermöglicht die Ringsymmetrie ein einfacheres Studium des Temperaturverlaufes
und der inneren Spannungen.Es ist noch zu erwähnen, dap der Flansch 24 auch weggelassen
werden kann, um einen vollständig verschweißen Wärmeaustauscher zu erhalten. Der
Rohrboden -kann durch Trennwände vor der Temperatur des aus dem axialen Rohr 20
austretenden Fluids geschützt werden.
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Gute Ergebnisse wurden durch Rohrboden mit einer zentralen Offnung
2 erhalten, welche einen Durchmesser zwischen ungefähr cm. 30 und ungefähr cm. 45
aufweist.
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Die oben beschriebene Erfindung kann in vieler Hinsicht
abgeändert
und variiert werden, ohne dadurch ihren Rahmen zu überschreiten. So kann beispielsweise
die Anzahl der Kreisflächen, auf denen die Öffnungen des Rohrbodens verteilt sind,
beliebig sein, ebenso braucht jede Radialebene, welche die Achse einer Offnung enthält,
nicht noch andere hiervon enthalten.
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Die Öffnungen brauchen nicht auf Kreisflächen verteilt sein, sondern
ihre Verteilung kann beliebig, beispielsweise in dreieckförmiger Anordnung, erfolgen.
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Weiteres braucht auch nicht bei besonderen Formen des Flüssigkeitsverteilers
der Abschlußdeckel der zentralen Öffnung des Rohrbodens vorgesehen werden.
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Bei der praktischen Ausftihrung der Erfindung können alle Einzelteile
durch technisch äquivalente Teile ersetzt werden, außerdem können die angewendeten
Materialien, Formen und Abmessungen, je nach den Erfordernissen, beliebig gewählt
werden.