DE3803947A1 - Waermetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher gemäß dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1.

Derartige Wärmetauscher, die besonders für hohe Gastemperaturen und hohe thermische, zyklische Belastungen geeignet sind, werden bisher dadurch hergestellt, daß die einzelnen Bauteile, d. h. die Profilrohre und Sammmelrohrabschnitte mittels Löten oder Schweißen fest miteinan­ der verbunden werden. Dabei sind Lösungen bekannt, bei denen die Sam­ melrohre aus zwei zusammengefügten Halbschalen bestehen. Alternativ können sie Sammelrohre auch aus einzelnen kürzeren Rohrabschnitten bestehen, die hintereinander angeordnet miteinander verlötet werden.

Die feste Verbindung der Bauteile mittels Löten oder Schweißen wurde bisher als erforderlich angesehen, um zu verhindern, daß im Betrieb Leckströme zwischen den wärmetauschenden Medien auftreten. Dies ist vor allem wegen der erheblichen Thermobeanspruchungen, insbesondere bei instationärem Betrieb oder wegen äußerer oder durch den Gasstrom her­ vorgerufenen Schwingungen problematisch.

Nachteilig bei den beschriebenen Ausführungen wirkt sich aus, daß bei Undichtheiten, die entweder durch fehlerhafte Herstellung oder durch Werkstoffermüdung auftreten können, vielfach eine aufwendige Reparatur oder sogar ein Austausch des gesamten Wärmetauschers erforderlich ist. Bei Stoßbelastung quer zur Sammelrohrachse können durch instationäre Massenkräfte außerdem hohe Spannungsspitzen an den Verbindungsstellen zwischen Sammelrohr und Profilrohren auftreten, womit die Gefahr von Anrissen und damit Lecken verbunden ist, da die Sammelrohre eine große Anzahl von Profilrohren aufnehmen. Als gefährliche Folge von Anrissen tritt eine örtliche Schwächung der Steifigkeit und Festigkeit der Sammelrohre ein, wodurch ein progressives Anwachsen der örtlichen Spannungsspitzen und damit eine progressive Schädigung bis zum Bruch ausgelöst wird.

Insbesondere bei Stößen in Richtung der Profilrohrachsen ist dies kritisch, da hier die Felder am Umfang der Sammelrohre, die zur Auf­ nahme der U-förmigen Profilrohre dienen, im Bereich der höchsten Zug- und Druckspannungen liegen. In diesem Falle tritt daher aufgrund des geringen Widerstandsmoments der Sammelrohre eine rasche progressive Schädigung bei Wechsel- bzw. Stoßbeanspruchung ein. Die bei Durchbie­ gung der Sammelrohre in Belastungsrichtung entstehende Stützwirkung aufgrund der Annäherung der Profilrohre auf der einen Seite spielt dabei eine untergeordnete Rolle.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wärmetauscher der gattungsgemäßen Art derart zu verbessern, daß durch geringere Belastung die Entstehung von Anrissen verhindert wird. Weiterhin soll bei Anrissen eine pro­ gressive Höherbelastung vermieden werden. Bei mechanischer Stoßbela­ stung soll eine geringere Deformation der Sammelrohre und damit ein niedrigeres Spannungsniveau an den gefährdeten Stellen erzielt werden.

Weiterhin ist es Aufgabe, weniger hohe Qualitätsanforderungen der Verbindung Profilrohre/Sammelrohre zu ermöglichen, die nunmehr sehr viel geringere mechanische Belastungen zu übertragen brauchen, d. h. in der Hauptsache dichten müssen. Schließlich soll eine vereinfachte Fertigung, Kontrolle, Inspektion, Reparatur des Wärmetauschers er­ möglicht werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den kennzeichenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Durch die Ausbildung der Sammelrohre als einer Anzahl hintereinander angeordneter und lösbar miteinander verspannter Sammelrohrabschnitte ist es möglich, im Fall einer Leckstelle im Wärmetauscher diesen zu demontieren und das fehlerhafte Element zu ersetzen. Dadurch ist eine erheblich wirtschaftlichere Herstellung und Wartung des Wärmetauschers möglich. Weiterhin erhalten die Sammelrohre durch die Zugrohre vor­ teilhafterweise eine vergrößerte Biegesteifigkeit, wodurch die Anriß­ wahrscheinlichkeit bei Stoßbelastungen reduziert ist. Auch ist die Inspektion einzelner Wärmetauscherelemente wesentlich einfacher, als die Inspektion eines kompletten Wärmetauschers.

Durch die konzentrisch innerhalb der Sammelrohre angeordneten Zugrohre wird eine Versteifung des Wärmetauschers ermöglicht, wobei die auf die Sammelrohre wirkenden Stoß- und Biegebelastungen durch das Verstei­ fungsmittel aufgenommen werden, und die Sammelrohrwand nur noch die Druckkräfte und Trägheitskräfte der Profilrohre aufnehmen muß. Hier­ durch ist die Gefahr von Rißbildung erheblich vermindert.

Durch die Aufnahme der bei Stößen in Richtung der Profilrohrachse an den Sammelrohren auftretenden Biegebelastung wird deren Durchbiegung und damit das Spannungsniveau in den Sammelrohrwandungen - insbeson­ dere in den Feldern zur Aufnahme der Profilrohre - durch die Zugrohre vorgegeben bzw. auf niedrigem Niveau gehalten.

Treten aufgrund örtlich hoher thermischer oder mechanischer Belastung, vor allem in den Feldern zur Aufnahme der Profilrohre, Anrisse auf, so tritt dadurch keine Schädigung des Gesamtsystems ein, da bei der ge­ wählten Ausführung durch die Anrisse örtliche Spannungen abgebaut werden, so daß eine gewisse Beruhigung eintritt.

Dies hat weiter den Vorteil, daß bei vorgegebener, auch bei Anrissen nicht weiter erhöhter örtlicher Belastung im kritischen Bereich der Sammelrohre eine wesentliche Verlängerung der Lebensdauer der Sammel­ rohre unter mechanisch/thermischer Belastung erreicht wird. Zugleich ist von Vorteil, daß die Verbindung zwischen Sammelrohren und Profil­ rohren, die vorzugsweise durch Löten erfolgt, nicht mehr dieselbe festigkeitstechnische Qualität zu haben braucht wie bei einer Lösung, bei der die Sammelrohre zugleich die gesamte Biegebeanspruchung aufzu­ nehmen haben.

Vorzugsweise sind die Zugrohre mit einer Vielzahl von über der Oberfläche verteilter Durchbrüche versehen, so daß die in den Sammel­ rohren strömende Luft ungehindert aus dem einen Sammelrohr in die Profilrohre und aus den Profilrohren in das andere Sammelrohr eintre­ ten kann. Dabei ist die Wandstärke so bemessen, daß die erforderliche Steifigkeit bzw. Festigkeit in jeder Stoßrichtung gegeben ist.

In vorteilhafter Ausbildung stehen die Sammelrohre bei Betrieb des Wärmetauschers unter erhöhter axialer Druckspannung, wodurch die Ge­ fahr von Anrissen bzw. Leckagen weiter vermindert wird. Vorzugsweise besitzen zu diesem Zweck die Zugrohre einen geringeren Wärmedehnungs­ koeffizienten als die Sammelrohre. Diese Wirkung wird zudem dadurch erreicht, daß die Sammelrohre sich mehr aufheizen als die innen lie­ genden Zugrohre.

Die Verspannung mittels der Zugrohre ist dabei so einzustellen, daß bei stationärem Betrieb genügend hohe Druckkräfte an den Stirnflächen der Sammelrohrabschnitte wirken und gleichzeitig bei instationären Bedingungen an den Zugrohren die Zugbelastungen im Bereich der elastischen Dehnung bleiben.

In bevorzugter Weiterbildung dieser Ausführung der Erfindung ist an dem von außen angeströmten Außenwandabschnitt des Sammelrohres an der Gaseintrittsseite ein Abschirmblech vorgesehen. Hierdurch wird er­ reicht, daß die Temperatur des gaseintrittsseitigen Sammelrohres sowohl stationär als auch instationär entlang seines Umfangs ver­ gleichmäßigt wird, wodurch die Längsbelastungen des Sammelrohres re­ duziert wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen wei­ ter erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Schrägansicht des demontierten Wärmetauschers,

Fig. 2 einen Axialschnitt durch ein Sammelrohr,

Fig. 3 einen Querschnitt eines Wärmetauschers.

In Fig. 1 ist ein Wärmetauscher 1 gezeigt, dessen Sammelrohre 2 und 3 aus mehreren hintereinander angeordneten Sammelrohrabschnitten 5, 6 bestehen. Die Sammelrohre 2 und 3 sind über eine Vielzahl U-förmig gebogener Profilröhrchen 21 miteinander verbunden. Die Wirkungsweise des Wärmetauschers ist folgende: Ein kühler Gasstrom tritt axial in das Sammelrohr 2 ein. Der Gasstrom teilt sich auf und durchfließt die Vielzahl der in dem Sammelrohr 2 eingelassenen U-förmig gekrümmten Profilröhrchen 21 zum Sammelrohr 3. Dabei erhitzt sich das Gas auf­ grund des außen in der mit 36 angedeuteten Richtung im Kreuz-Gegen­ strom anfließenden Heißgases. Der erwärmte innere Gasstrom vereinigt sich wieder im Sammelrohr 3 und fließt durch das Sammelrohr 3 axial ab.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt des Wärmetauschers 1 im Querschnitt. Dabei ist das aus einzelnen Sammelrohrabschnitten 5, 6 bestehende Sammelrohr 2 an einem Ende mit einem Sammelrohrendabschnitt 12 verse­ hen, durch den der innen geleitete Gasstrom zugeführt wird. Am entge­ gengesetzten Ende des Sammelrohres 2 ist ein verschlossener Sammel­ rohrendabschnitt 11 vorgesehen. In der Wand des Sammelrohres 2 sind eine Vielzahl von Profilröhrchen 21 mittels Löten oder Schweißen ange­ bracht. Zwischen den einzelnen Sammelrohrabschnitten 5, 6 mit den ver­ bundenen Profilröhrchen 21 sind Zwischenplatten 37 vorgesehen.

Im Inneren des Sammelrohres 2 ist ein Zugrohr 15 angeordnet, das an den Stoßstellen 4 zweier axial hintereinander liegender Sammelrohr­ abschnitte 5, 6 in Paßverbindung mit dem Sammelrohr 2 steht. Das Zug­ rohr 15 ist an den Stellen 7, 8 mit den Sammelrohrendabschnitten 11, 12 verbunden, wobei eine definierte Verspannung des Zugrohres 15 mittels nicht dargestellter Schraubverbindungen einzustellen ist. In den Ab­ schnitten des Zugrohres 15, die den Profilrohren 21 gegenüberliegen, ist das Zugrohr 15 mit einer Anzahl Durchbrüche 18 versehen, die regelmäßig über dem Umfang verteilt sein können. Hierdurch wird die Gasströmung aus dem Inneren des Zugrohres 15 zu den Profilröhrchen 21 bzw. im Sammelrohr 3 umgekehrt ermöglicht. An den Sammelrohrend­ abschnitten 11 und 12 sind ferner Endplatten 38 befestigt, die paral­ lel zu den Zwischenplatten 27 angeordnet sind. Die in Fig. 2 dar­ gestellte und oben beschriebene Anordnung von Sammelrohr 2 und Zug­ rohr 15 ist analog im Sammelrohr 3 und Zugrohr 16 realisiert.

Die Zwischenplatten 37 und Endplatten 38 sind so ausgeführt, daß die Sammelrohrabschnitte 5 und 6 an ihren Stirnseiten schmale Streifen 39 ohne Profilröhrchen 21 erhalten, die aus Festigkeitsgründen notwendig sind.

Die zwischen den Sammelrohrabschnitten 5, 6 angeordneten Zwischenplat­ ten 37 sowie die Endplatten 38 werden miteinander über die Beran­ dungsbleche 40 an den Bogenseiten 41 der Profilrohre miteinander verbunden, wobei die Berandungsbleche 40 gleichzeitig der Gasführung dienen. Weiterhin verhindern die Zwischenplatten 37 und Endplatten 38 zusammen mit den Berandungsblechen 40 bei Stößen in Sammelrohraxial­ richtung die Auslenkung bzw. Deformation der Profilrohre, in dem die Auslenkung der Bogenseiten 41 in Sammelrohrachsrichtung insgesamt vermieden wird. Hierzu ist an einem der Berandungsbleche 40 eine Nase 42 angebracht, die durch ein an dem Wärmetauscher 1 umgebenden Gehäuse 43 befestigtes Gegenstück 44 in einer bestimmten Lage gehalten wird. Damit wird der bei Stößen in Sammelrohraxialrichtung gegenüber De­ formationen anfällige Teil des Wärmetauschers 1, d. h. die Summe aller Profilrohre 21, Zwischenrohrplatten 38 und Endplatten 39 festgehalten.

Die Zwischenplatten 37 und Endplatten 38 sind, wie in Fig. 3 gezeigt, in Profilrohrachsrichtung zweigeteilt, um die unterschiedliche Wärmedehnung der Ober- und Unterseite des Wärmetauschers 1 und damit der Zwischen- und Endplatten 37, 38 aufgrund des Temperaturgefälles in Anströmrichtung 36 auszugleichen. Die Berandungsbleche 40 sind eben­ falls zweiteilig ausgeführt, da diese mit den Zwischen- und Endplatten 37, 38 verschraubt sind. Die beiden Teile der Berandungsbleche 40 sind durch Lenker 45 verbunden, um sicherzustellen, daß der Spalt zwischen den beiden Teilen mit Rücksicht auf die erforderliche Dichtung unter allen thermischen Bedingungen gleichbleibt.

Im Inneren der Sammelrohre 2, 3 liegen die konzentrisch angeordneten Zugrohre 15, 16. Diese weisen über dem Umfang verteilte Durchbrüche 18 auf.

Am heißgaseintrittsseitigen Sammelrohr 3 ist ein Abschirmblech 19 angebracht, das dafür sorgt, daß der heiße Gasstrom das Sammelrohr 3 sowie die Verbindungen zwischen Sammelrohr 3 und Profilrohren 21 auf der Gaseintrittsseite nicht direkt beaufschlagt. Hierdurch werden die Temperaturgradienten am Umfang des Sammelrohres 3 erheblich reduziert. Die Sammelrohrendabschnitte 11, 12 dienen ferner der Zentrierung der Sammelrohre 2, 3 und sind so ausgebildet, daß sich der Wärmetauscher 1 in Sammelrohraxialrichtung frei dehnen kann.

Claims (5)

1. Wärmetauscher mit zwei im wesentlichen parallel angeordneten Sam­ melrohren, die über eine Vielzahl von bündelförmig angeordneten Profilrohren miteinander in Verbindung stehen, dadurch gekennzeich­ net, daß die Sammelrohre (2, 3) aus einer Anzahl Sammelrohrabschnit­ ten (5, 6) bestehen, die axial hintereinander dichtend und lösbar angeordnet sind und mittels an Sammelrohrendabschnitten (11, 12) abgestützter und konzentrisch innerhalb der Sammelrohre (2, 3) beab­ standet angeordneter Zugrohre (16, 15) zusammengehalten werden.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugrohre (16, 15) mit einer Vielzahl von über der Oberfläche ver­ teilten Durchbrüchen (18) versehen sind.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an dem von außen anströmendem Heißgas beaufschlagten Außenwand­ abschnitt des Sammelrohres (3) ein Abschirmblech (19) vorgesehen ist.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwi­ schen den einzelnen Sammelrohrabschnitten (5, 6) Zwischenplat­ ten (37) vorgesehen sind.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugrohre (16, 15) einen geringeren Wärmedehnungskoeffizienten haben als die Sammelrohre (2, 3).