DE3510049C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Wärmeaustauscher aus Doppelrohren sind seit langem bekannt. Ihre Bauart geht im Prinzip auf den seit 1870 in der Chemie verwendeten Liebig-Kühler zurück. Ihrer guten thermodynamischen Eigenschaften wegen werden sie auch als Hochleistungs-Wärmeaus­ tauscher bezeichnet, aufgrund ihres konstruktiven Aufbaus nennt man sie auch Koaxial-Wärmeaustauscher.

Wärmeaustauscher aus Doppelrohren sind in vielen Varianten gebaut worden. Die einfachste Form entsteht durch Ummantelung einer geraden Rohrstrecke mit einem zweiten Rohr größeren Querschnitts. Zwischen den Wandungen des inneren und des äußeren Rohres entsteht ein an den Endseiten abgedichteter Mantelraum.

Es gehört zum Wesentlichen dieses Typs von Wärmeaustauschern, daß das Fluid im Mantelraum nicht in Ruhe ist, sondern ständig ausgetauscht wird. Auch das Fluid im Innenrohr ist in strömender Bewegung. Es ist dabei vorteilhaft, wenn die Flußrichtungen der Fluida im Mantelraum und im Innenrohr einander entgegengesetzt sind. Man spricht hier auch von einem Gegenstrom-Wärmeaustauscher.

Die Wärmeleistung eines Doppelrohr-Wärmeaustauschers ist proportional zur Länge des ummantelten Rohres. Um die bei größerer Wärmeleistung notwendige Rohrlänge zu erreichen, wird oft die Möglichkeit genutzt, einzelne kürzere Wärmeaustauscher hintereinanderzuschalten. Dies erbringt vor allem eine handhabbare kompakte Form des Wärmeaustauschers. Hierfür sind noch verschweißte, verschraubte oder gelötete Verbindungsstücke zwischen den einzelnen Wärmeaustauschern notwendig.

Wo jedoch die wärmeaustauschenden Fluida unter hohen Drücken stehen, vermeidet man eine aus Einzelkomponenten zusammen­ gesetzte Konstruktion des Wärmeaustauschers, da sich mit der Anzahl von Verbindungsstellen das Risiko einer Undichtigkeit erhöht und in jedem Fall ein erhöhter Prüfaufwand für die drucktragenden Teile zu erbringen ist. Dieses vor allem für die chemische Verfahrenstechnik und die Kerntechnik geltende Problem führte dazu, daß sich bisher auf diesen Anwendungsgebieten der aus Geradrohrabschnitten zusammengesetzte Doppelrohr-Wärmeaustauscher nicht durchsetzen konnte.

Man greift hier auf den Einfachrohr-Wärmeaustauscher zurück, bei dem das druckführende Rohr aus einem zusammenhängenden geraden Rohrstrang gefertigt ist. Durch Kaltbiegen wird dieser Rohrstrang in eine kompakte Form, z. B. eine Rohrschlange gebracht. Der Nachteil des Einfachrohr-Wärmeaustauschers liegt vor allem in der gegenüber dem Doppelrohr-Wärmeaustauscher geringeren Leistungsfähigkeit.

Es wurden auch bereits Wärmeaustauscher mit gewendeltem Doppelrohr durch Biegen zusammenhängender Rohrstränge hergestellt. Dies gelang bei Werkstoffen mit verhältnismäßig niedriger Festigkeit, wie Aluminium-Knetlegierungen oder Weichkupfer. Vor dem Biegen wurden die beiden im Ausgangszustand geraden Rohre ineinander­ gesteckt. Der Raum zwischen den Rohren wurde durch Stützen, die z. B. aus Rippen, Sicken oder Nocken bestanden, überbrückt. Hierdurch wurde das Innenrohr einerseits im Außenrohr zentriert, andererseits übertrugen die Stützen beim Biegen die am Außenrohr angreifenden Kräfte auf das Innenrohr, so daß sich dieses gleichzeitig mit dem Außenrohr verformte.

Dieses bei vergleichsweise weichen Materialien angewandte Verfahren ließ sich nicht ohne weiteres auf Stahlrohre übertragen. Beim Wendeln von Doppelrohren aus Stahl wird das Verfahren aufwendiger:

Durch die DE-PS 6 98 949 ist eine Methode der Warmverformung bekannt, bei der das Werkstück für die Zeit des Biegevorganges auf eine höhere Temperatur gebracht wird, um die Verformbarkeit zu erleichtern. Zusätzlich wird der Raum zwischen den Rohren mit einem festen Stoff, z. B. Sand, gefüllt. Nach dem Biegen wird dieser Füllstoff wieder herausgewaschen. Im fertig gebogenen Rohr übernehmen wieder abstandshaltende Elemente die Zentrierung des Innenrohres.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Doppelrohr-Wärmeaustauscher zu schaffen, der aus Werkstoffen hoher Festigkeit, z. B. austenitischem Stahl, besteht, und der aus zusammenhängenden Rohrsträngen durch Biegen herstellbar ist, ohne daß das Werkstück erwärmt werden muß und ohne daß zwischen den Rohren Stützmaterialien eingesetzt werden müssen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Querschnitt des Innenrohres im Bereich vorgesehener Biegezonen eine Form besitzt, die in bezug auf den Biegemittelpunkt des Doppelrohres eine geringere Biegesteifigkeit hat.

Als zweckmäßige Ausführungsform wird vorgeschlagen, daß der Querschnitt des Innenrohres im Bereich der Biegezonen als Ellipse ausgebildet ist, deren kleine Achse in Richtung des Biegemittelpunktes weist.

Der gegenüber dem runden Querschnitt wesentlich biegeweichere Querschnitt kann auf der gesamten Biegestrecke verwirklicht sein.

Für die Herstellung und den Gebrauch des Wärmeaustauschers besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Biegezonen des Innenrohres sich in einem solchen Abstand zueinander befinden, daß das Innenrohr einen polygonalen Verlauf innerhalb des Außenrohres besitzt. Zwischen den Biegezonen verbleiben also jeweils gerade verlaufende Strecken des Innenrohres, deren jeweilige Länge durch die Durchmesserverhältnisse und den Biegeradius bestimmt wird.

Unabhängig von der Querschnittsform des Innenrohres im Bereich der Biegezonen, können die Enden des Innenrohres und deren über Anschlußstücke erfolgende Verbindungen mit dem Außenrohr in bekannter Weise gestaltet sein.

Anhand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher erläutert. In der

Fig. 1 ist ein U-förmiger Wärmeaustauscher dargestellt, während die

Fig. 2 einen Ausschnitt aus einem gewendelten Wärmeaustauscher zeigt.

Der in der Fig. 1 dargestellte Wärmeaustauscher besitzt ein Außenrohr 1 und ein Innenrohr 2, deren Enden jeweils an Anschluß­ stücken 3 mittels Schweißung befestigt sind. In den Schenkeln des den Wärmeaustauscher bildenden U besitzt das Innenrohr 2 einen runden Querschnitt. In dem um einen Biegemittelpunkt 4 gebogenen Bereich ist das Innenrohr 2 elliptisch abgeflacht. Die Fig. 1a und 1b zeigen die Querschnitte von Außenrohr 1 und Innenrohr 2 und deren Lage zueinander in den angesprochenen Bereichen.

Wie die Fig. 1b zeigt, liegt das Innenrohr 2 am Außenradius der Krümmung an. Diese Lage ergibt sich, wenn die Anschlußstücke 3 so montiert werden, daß das Innenrohr 2 axial in das Außenrohr 1 hineingedrückt wird. Umgekehrt kann ein am Innenradius der Krümmung anliegendes Innenrohr 2 dadurch hergestellt werden, daß das Innenrohr 2 bei der Montage axial aus dem Außenrohr 1 herausgezogen wird.

Die Fig. 2 zeigt ein abwechselndes Anliegen eines Innenrohres 5 am Innen- und Außenradius der Krümmung eines gewendelten Außenrohres 6. Das Innenrohr 5 hat innerhalb des Außenrohres 6 einen polygonalen Verlauf. Diese Form läßt sich dadurch erzeugen, daß das Innenrohr 5 vor dem Biegen nicht durchgehend, sondern in bestimmten Abständen eine Strecke mit elliptischem Querschnitt angeformt bekommt. Der polygonale Verlauf des Innenrohres 5 ist vorteilhaft, wenn das Doppelrohr die Form einer längeren Rohrwendel bekommen soll.

Die in der Fig. 1 gezeigte durchgehend außenseitige Lage des Innenrohres 2 im Außenrohr 1 ist zwar auch bei der Rohrwendel herstellbar, sie ist aber aus strömungstechnischen Gründen nur dann vorteilhaft, wenn sich das Fluid mit der niedrigeren Temperatur in dem Mantelraum mit der sichelförmigen Querschnittsforms befindet und das heißere Fluid im Innenrohr mit der teilweise elliptischen, teilweise kreisförmigen Querschnittsform. Bei umgekehrter Schaltung des Wärmeaustauschers würde sich nämlich unter der Wirkung der radialen Beschleunigung in dem sichelförmigen Mantelraum unter bestimmten Bedingungen eine in der Temperatur geschichtete Strömung ausbilden, die den Wärmeaustausch behinderte. Beim Wärmeaustauscher mit dem polygonal verlaufenden Innenrohr 5 tritt dieser Effekt nicht auf.

Claims (5)

1. Wärmeaustauscher für zwei Strömungsmedien in der Form eines gebogenen oder gewendelten, aus einem Innenrohr und einem Außenrohr bestehenden Doppelrohres, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Innenrohres (2, 5) im Bereich vorgesehener Biegezonen eine Form besitzt, die in bezug auf den Biegemittelpunkt (4) des Doppelrohres eine geringere Biegesteifigkeit hat.

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Innenrohres (2, 5) im Bereich der Biegezonen als Ellipse ausgebildet ist, deren kleine Achse in Richtung des Biegemittelpunktes (4) weist.

3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegezonen des Innenrohres (5) sich in einem solchen Abstand zueinander befinden, daß das Innenrohr (5) einen polygonalen Verlauf innerhalb des Außenrohres (6) besitzt.

4. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr (2, 5) und das Außenrohr (1, 6) in bekannter Weise am Anfang und Ende des Doppelrohres einen kreisförmigen Querschnitt besitzen.

5. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Innenrohr (2, 5) am Anfang und am Ende der Wendel des Doppelrohres in bekannter Weise in zentrischer Lage zum Außenrohr (1, 6) befindet und mit diesem über Anschlußstücke (3) verbunden ist.