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Rohrbündelwärmeübertrager in Segmentbauweise
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Die Erfindung betrifft einen Rohrbündelwärmeübertrager nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Wärmerückgewinnung und Energieeinsparung machen eine wachsende Zahl
von Wärmeübertragern notwendig, die einerseits rationell und billig hergestellt
werden müssen, und andererseits durch gute Anpassung an die Leistungserfordernisse
und die Stoffströme einen hohen Wirkungsgrad besitzen. Dabei gewinnt der Einsatz
neuer Materialien wie z. B. keramische Werkstoffe zunehmend an Bedeutung.
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Rohrbündelwärmeübertrager sind bereits seit langem bekannt und kommen
in vorwiegendem Maße zum Einsatz (siehe z. B. VDI-Wärmeatlas 3. Auflage 1977 Seite
Pbl, aber auch Seite Cb3, Gfl). Dabei ist es bei der herkömmlichen Fertigung von
Rohrbündelapparaten allerdings nötig, die Röhren der Bündel zu bearbeiten (bei Haarnadelbündel
sogar einzeln), sie in die Rohrplatten und Umlenkbleche einzufädeln und sie dann
zu verschweißen bzw. einzuwalzen. Diese Art der Herstellung wird komplizierter,
ja teilweise sogar unmöglich, wenn statt der gut verarbeitbaren Metalle Glas oder
keramische Werkstoffe eingesetzt werden sollen.
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Die im Mantelraum von Rohrbündelwärmeübertragern herkömmlicher Bauart
meistenteils eingesetzten Umlenkbleche, die der Geschwindigkeitserhöhung und Kreuzstromführung
dienen, weisen zwischen Bohrungen und durchgeführten Röhren Spalte auf, die einerseits
die Menge des im Kreuzstrom fließenden Mediums verringern (Leckverluste) und andererseits
bei mechanischer Schwingung des Rohrbündels Ursache der Erosion des Röhrenmaterials
bilden.
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Weiterhin können die bisher bekannten Rohrbündelapparate nicht optimal
betrieben werden, wenn sie sowohl auf der Rohrbündelseite mehrere Wege aufweisen,
als auch auf der Mantelseite mit mehreren Umlenkblechenversehen sind. Hier kommt
es dann zu sehr kleinen Temperaturdifferenzen, schlimmstenfalls zu einer Umkehrung
der gewünschten Wärmestromrichtung (ebenda Seite Pb 5). Somit sind diese Obertrager
nicht geeignet, um Stoffströme
auf der Röhrenseite und auf der
Mantelseite mehrwegig durch den Apparat zu leiten. Dies ist aber die Bedingung dafür,
daß unterschiedlich große Stoffströme bei gleichem Apparatedurchmesser, gleicher
Röhrenzahl und gleichem Röhrendurchmesser mit optimaler Geschwindigkeit strömen
können.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Herstellung von
Rohrbündelapparaten zu vereinfachen, den Einsatz von keramischen Werkstoffen zu
erleichtern,Leckverluste und Reibung zwischen den Röhren des Bündels und der Umlenkbleche
zu verhindern und die Mehrwegigkeit bei maximal möglichen Temperaturdifferenzen
zu gewährleisten.
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Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale
des Anspruchs 1 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht also darin, daß das dichte
Aneinandersetzen der gegossenen bzw. gepreßten Segmente einen vollständigen Wärmeübertrager
ergibt, in dessen gebildetem Röhrensystem ein Medium A und in dessen erzeugtem Mantelraum
ein Medium B in wärmeleitenden Kontakt gebracht werden.
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Die einzelnen gegossenen oder gepreßten Segmente werden nach ihrer
Herstellung an beiden Dichtflächen spanend überarbeitet, und dann unter Verwendung
gelochter Dichtungen aneinandergefügt. Dadurch bilden die Röhren der Einzel segmente
ein durchgängiges Röhrensystem, dessen Länge von der Anzahl der Segmente bestimmt
wird. Ebenso werden nach dem dichten Aneinandersetzen der Einzel segmente im Bereich
um die Röhren Mantelräume erzeugt, die über Uffnungen kommunizieren.
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Somit befinden sich die Mantelräume, bei Verwendung geschlossener
Dichtungen, zwischen Dichtscheibe und dem folgenden Segmentboden, und bei durchbrochener
Dichtung zwischen den Segmentböden.
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Die Abdichtung erfolgt sowohl vom Rohrsystem gegenüber den Mantelräumen,
als auch von den Mantel räumen gegenüber der Wärmeübertragerumgebung.
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Die Ansprüche 2, 3 und 4 geben Möglichkeiten wieder, wie am erfindungsgemäßen
Wärmeübertrager die erforderlichen Dichtkräfte aufgebracht werden.
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Dies geschieht entweder mittels durchgeführter Zuganker oder über
ein Rahmengestell.
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Durch die Maßnahmen nach Anspruch 5 werden die Medien auf das Röhrensystem
bzw. auf die Mantel räume verteilt und von diesen wieder abgeführt.
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Die Ansprüche 6, 7 und 8 geben Möglichkeiten wieder, wie das Röhrensystem
des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers ausgebildet werden kann. Von der Form der
Röhren werden Turbulenzgrad und Druckverlust bestimmt. Die Innenrippen, in Zahl
und Form vom Strömungsmedium abhängig, haben die Aufgabe den Wärmeübergang zu verbessern.
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Anspruch 9 hebt darauf ab, daß der erfindungsgemäße Wärmeübertrager
Röhren unterschiedlichen Durchmessers aufweist. Dies wird bedeutungsvoll, wenn eine
oder mehrere Röhren mit gegenüber den anderen Röhren verhältnismäßig großen Durchmessern
für verbrennungstechnische, katalytische oder schalltechnische Prozesse verwendet
werden sollen.
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Der Anspruch 10 gibt den wärmetechnischen Vorteil wieder, daß die
Strömung innerhalb der Mantelräume einen exakten, definierten Kreuzstrom ausführt,
ohne daß Leckverluste auftreten, die den Wärmeübergang nachteilig beeinflussen.
Der Kreuzstrom wird im gesamten Bereich der wärmeübertragenden Rohrfläche aufrecht
erhalten. Es findet innerhalb des Mantelraumes keine Längsströmung statt, wie dies
bei herkömmlichen Apparaten zwischen Umlenkblechfenster und folgendem Segment der
Fall ist.
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Durch die Maßnahmen nach Anspruch 11 wird erreicht, daß unterschiedlich
große Volumenströme durch die Wahl der Segmenthintereinander- oder parallelschaltung
die optimale Strömungsgeschwindigkeit erreichen, welche den Wärmeübergang und den
Druckverlust bestimmt. Dabei bezieht sich das strömungstechnische Zusammenschalten
sowohl auf das Röhrensystem als auch auf die Mantelräume.
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Anspruch 12 hebt auf die Möglichkeit ab, bei einem im Mantelraum strömenden
Medium, dessen Dichte sich stark temperaturabhängig ändert, die wärmetechnischen
Forderung nach konstanter, optimaler Strömungsgeschwindigkeit zu erfüllen.
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Die Ansprüche 13,14-,15 u. 16 betreffen Herstellungsverfahren und
Werkstoffe.
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Die hier beschriebene Art der Herstellung gewährleistet eine einfache
und billige Serienproduktion der Segmente, insbesondere auch aus keramischen Materialien.
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Anspruch 17 gibt die Möglichkeit wieder, sowohl den Mantelraum als
auch die Röhreninnenseite des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers zu beschichten.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung
von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt: Fig. 1 ein
Segment des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers in der Draufsicht Fig. 2 einen Querschnitt
durch Fig. 1 gemäß der Schnittlinie II -11 in Fig. 1 Fig. 3 eine ausschnittweise,
perspektivische Darstellung zweier Segmente mit dazwischen angeordneter Dichtung
Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Rohrbündelwärmeübertrager (Segmentbauweise)
in Explosionsdarstellung Fig. 5 einen Querschnitt durch einen funktionsfähigen zusammengesetzten
Rohrbündelwärmeübertrager in Segmentbauweise Fig. 6, 7, 8 mehrere Ausführungsbeispiele
von Röhrenquerschnitten, die im erfindungsgemäßen Wärmeübertrager verwirklichbar
sind.
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Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager besteht im Bereich der übertragenden
Flächen aus Segmenten, wovon eines in Fig. 1 dargestellt ist.
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Das Segment ist ein monolithisches Teil, aus dessen Boden 1 sich nach
zwei Seiten hin Röhren 2 erheben. Diese besitzen einen freien Durchgang 3. Die Röhren
2 sind untereinander aus Festigkeitsgründen mit Stegen 4 verbunden.
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Das Segment wird nach außen hin durch einen Rand 5 begrenzt, der sich,
wie die Röhren, ebenfalls nach beiden Seiten erhebt, und dessen Höhe mit der der
Röhren übereinstimmt. Alle vier Ecken des Segments sind als Verstärkungswulste 6
ausgebildet und besitzen je eine Bohrung 7, durch die Zuganker durchgeführt werden.
Zur zusätzlichen Verstärkung sind durch die Röhren 8 ebenfalls Zuganker durchgeführt.
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Der Segmentboden ist an zwei Stellen 9, 10 durchbrochen. Durch Uffnung
9 tritt das Medium in den Mantelraum, der sich um die Röhren herum befindet ein
und folgt den Strömungslinien zu Oeffnung 10, wo es wieder austritt.
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Die Stege 4 gewährleisten hierbei die Stromführung. Sie verhindern
Bypaßströmungen. An den Durchtritten 11 fehlen diese Stege, so daß an diesen Stellen
das Fluid von einer Rohrreihe zur nächsten überströmen kann.
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Fig. 2 zeigt das in Fig. 1 dargestellte Segment im Querschnitt gemäß
Schnittlinie II - II. Vom Boden 1 erheben sich nach beiden Seiten Röhren 2 und der
Rand 5. Ebenfalls ist Öffnung 9 und 10 zu erkennen. Die beiden Begrenzungsebenen
12 und 13 stellen die Dichtflächen des Segments dar.
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Fig. 3 zeigt zwei Segmentausschnitte mit dazwischengefügter Dichtung
14 in perspektivischer Darstellung. Auf diese Weise werden die Segmente zu einem
einheitlichen Apparat zusammengesetzt. Der Raum um die Röhren zwischen Dichtung
14 und Segmentboden 1 bildet einen Mantelraum 15. Hier strömt das Medium normal
zur Strömungsrichtung des in den Röhren fließenden Fluids.
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Fig. 4 zeigt diejenigen Teile in Explosionsdarstellung (gemäß Schnittlinie
II - II in Fig. 1), die zusammengesetzt einen voll funktionsfähigen erfingungsgemäßen
Rohrbündel apparat ergeben.
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Der wärmeleitende Kontakt zwischen den Medien vollzieht sich in den
drei Segmenten 16, 17 und 18 gemäß Fig. 1 und Fig. 2, während die Einzelteile 19,
20, 21, 26, 23 und 24 des Umlenkvorkopfs 21 und Vorkopfs 26 die Verteilung und Sammlung
der Medienströme übernehmen. Demgemäß kann, wie Fig. 4 zeigt, der erfindungsgemäße
Apparat in einen aktiven Teil, die Segmente 16, 17 und 18 und in einen passiven
Teil die Vorköpfe 21 und 26, eingeteilt werden.
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Die Segmente sind gegeneinander mit zwei gleichen Dichtungen 14 abgedichtet,
die den Weg innerhalb der Röhren freigeben und eine Mischung des in den Röhren strömenden
Fluids mit dem in den Mantel räumen strömenden Fluids verhindern. Außerdem übernehmen
diese Dichtungen ebenfalls die Abdichtung der Mantelräume gegenüber der Wärmeübertragerumgebung.
Die Dichtungen 27 zwischen Segment 16 und Umlenkvorkopf 21 und zwischen Segment
18 und Vorkopf 26 entsprechen den Dichtungen 14. Alle vier Dichtungen besitzen in
Verlängerung
der Segmenteintritts- und Austrittsöffnungen 9 und 10 gleichgeartete Uffnungen 25
u. 28. An Segment 18 schließt s-ich der Vorkopf 26 an, der mittels einer Dichtung
23 mit dem Deckel 24 verschlossen ist. Dem Segment 16 ist der Umlenkvorkopf 21 vorgeschaltet,
der mit Dichtung 20 und Deckel 19 verschlossen ist. Die erforderlichen Dichtkräfte
werden durch Zuganker 33 aufgebracht, die an ausgewählten Stellen durch einige Röhren
und durch die Verstärkungswulste durchgeführt sind.
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Fig. 5 zeigt die in Fig. 4 dargestellten Einzelteile des erfindungsgemäßen
Wärmeübertragers in zusammengebauter Form in Schnittdarstellung.
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Die Zuganker 33 pressen die Segmente, den Vorkopf 26 und den Umlenkvorkopf
21 einschließlich der zwischengefügten Dichtungen zusammen. Die Dekkel 19 und 24
der Vorköpfe sind an den Stellen 34 und 35 verschraubt. Es bilden sich zwei voneinander
getrennte Räume. Die Röhren einer jeden Rohrreihe sind über Umlenkkammern 36 hintereinandergeschaltet.
Sie münden in die Eintrittskammer 37 und in die Austrittskammer 38, die mit Stutzen
39 versehen sind. Die fluchtenden Eintrittsöffnungen 9 u. 28 der Segmente und Dichtungen
und die fluchtenden Austrittsöffnungen 10 u. 25 der Segmente und Dichtungen bilden
einen Verteilraum 43 und einen Sammelraum 44. Diese stehen über die Mantelräume
15 miteinander in Verbindung. Der Verteilraum sorgt für eine gleichmäßige Verteilung
des Mediums auf alle Segmentmanteilräume 15, der Sammelraum führt das Medium aus
den einzelnen Mantelräumen wieder zusammen. Verteilraum 43 und Sammelraum 44 haben
Stutzen 39, durch die das Medium aufgegeben bzw. abgeführt werden kann.
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Das Medium A tritt durch einen Stutzen in die Eintrittskammer 37 ein.
Von dort verteilt es sich auf die Röhren der ersten Rohrreihe 45. Umlenkkammer 36
sammelt das Fluid aus der ersten Rohrreihe und beaufschlagt damit die zweite Rohrreihe
46. Der Obergang von der zweiten Rohrreihe zur dritten 47 erfolgt ebenfalls durch
eine Umlenkkammer, bis schließlich eine weitere Umlenkkammer das Medium in die vierte
und letzte Rohrreihe 48 einführt. Von dort fließt das Fluid in die Austrittskammer
38, wird gesammelt und dann über einen Stutzen dem Apparat entzogen.
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Im Kreuz-Gegenstrom dazu fließt Medium B. Es tritt über einen Stutzen
in den Apparat ein und verteilt sich durch die fluchtenden Uffnungen 9 und 28 der
Segmente und Dichtungen, dem Verteilraum 43, auf alle Segmente des Apparats.
Jeder
dieser so entstehenden Teilströme umfließt zunächst die vierte Rohrreihe, gelangt
dann durch Durchtritt 11 (siehe Fig. 1) zwischen zweite 46 und dritte Rohrreihe
47, strömt durch Durchtritt 11 (siehe Fig. 1) zur ersten Rohrreihe 45 und umströmt
diese, um sich dann im Sammelraum 44 wieder zu vereinen. Von dort gelangt das Medium
B über einen Stutzen aus dem Apparat. Somit steht das Medium A mit dem Medium B
innerhalb der Segmente in wärmeleitendem Kontakt. Die Wärmeübertragungsflächen werden
durch die Röhren gebildet.
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Die in Fig. 1 gezeigten, rund ausgebildeten Röhren 2 können auch die
in Fig. 6, 7 8 angegebenen Querschnitte aufweisen.
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Fig. 6 zeigt einen runden Röhrenquerschnitt mit Innenrippen 49, um
den Wärmeübergang auf der Röhreninnenseite zu begünstigen.
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Fig. 7 verdeutlicht einen ovalen Röhrenquerschnitt, der ebenfalls
mit Innenrippen zur Verbesserung des Wärmeübergangs versehen sein kann. Die ovale
Form der Röhre vermindert den Druckverlust der diese Röhren umströmenden Mediums.
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Der quadratische Querschnitt in Fig. 8 einmal mit und einmal ohne
Innenrippen dargestellt, fördert die Turbulenz des umströmenden Fluids, steigert
aber auch den Druckverlust.
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Der geschilderte Wärmeübertrager eignet sich besonders für die Serienfertigung
von Apparaten unterschiedlicher Leistung wie z. B. für Fernwärme-Hausübergabestationen.
Hierbei durchströmt das Fernheizwasser die Segmentmantelräume und heizt das sekundäre
Heizwasser des örtlichen Verbrauchers auf, das innerhalb der Röhren strömt. Der
erfindungsgemäße Rohrbündelwärmeübertrager gibt durch seinen Aufbau die Möglichkeit,
Ubertragerfläche, und damit Leistung von vorhandenen übergabestationen zu verändern,
falls dies durch Verbrauchermodifikationen notwendig wird.
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Weiterhin ist der erfindungsgemäße Wärmeübertrager vorteilhaft, wenn
es um die Herstellung von keramischen Rohrbündelapparaten geht. Der keramische Werkstoff
kann in seinem plastischen Zustand gepreßt, und nach dem Aushärten zu einem vollständigen
Apparat zusammengesetzt werden. Die hervorragend Druckfestigkeit und die verhältnismäßig
geringe Wärmedehnung
keramischer Werkstoffe lassen die erfindungsgemäße
Konzeption besonders geeignet erscheinen.
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Wie bereits angedeutet, können in derartigen Wärmeübertragern die
Strömungswege der Medien verschieden ausgebildet werden. Keineswegs ist die Zahl
der Rohrreihen, wie im Ausführungsbeispiel beschrieben, auf vier Rohrreihen beschränkt.
Die Zahl dieser Reihen kann erheblich größer gewählt werden und die Mantel räume
zwischen diesen Rohrreihen können auch teilweise oder ganz parallelgeschaltet sein.
Ebenfalls ist es möglich, das aus dem Mantelraum eines Segments austretende Fluid
in den Mantelraum des folgenden Segments einzuleiten usf. Auf diese Weise werden
die Mantelräume der Segmente hintereinander geschaltet.