DE4217923C2 - Vorrichtung zur Distanzierung von Wärmetauscherrohren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Distanzierung von in mehreren Reihen angeordneten Wärmetauscherrohren aus Kunststoff.

Die DE 28 06 807 A1 offenbart ein aus einer Vielzahl von Rohrstücken bestehendes Abstandshaltegitter für Rohre oder Stäbe, die parallel zueinander in einer Dreieckstei­ lung in einem Rohrbündel angeordnet sind. Die Mittenab­ stände der Rohre oder Stäbe sind größer als ihr zweifa­ cher Durchmesser. Die kreiszylindrisch ausgebildeten Rohrstücke sind so einander relativ zugeordnet, daß je­ weils drei Rohrstücke in einem gleichseitigen Dreieck liegen und somit die Rohre oder Stäbe jeweils im Abstand von 120° umfangsseitig kontaktieren. Außerdem sind die Rohrstücke so miteinander verschweißt, daß jeweils drei von ihnen als Einzelelement zwischen drei Rohren oder Stäben ein gleichseitiges Dreieck bilden.

Derart gebündelte Wärmetauscherrohre können in heftige Schwingungen geraten, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des die Wärmetauscherrohre quer anströmenden Mediums eine kritische Grenze überschreitet. Hierbei bewegen sich die Wärmetauscherrohre unabhängig voneinander ungleichförmig auf diversen, jeweils elliptischen Bahnen. Dies kann dazu führen, daß sich benachbarte Wärmetauscherrohre aneinan­ der reiben und dadurch einem erheblichen Verschleiß aus­ gesetzt sind. Darüberhinaus werden die Wärmetauscherrohre auf unzulässige Biegung beansprucht. Dies kann zu Rohr­ brüchen führen.

Da es sich bei dem bekannten Vorschlag sowohl um stäh­ lerne Wärmetauscherrohre als auch um stählerne Rohrstücke handelt, hat dies zur Folge, daß durch die miteinander verbundenen Rohrstücke gewissermaßen ein verstarrtes Lochblech in einem mantelartigen Rahmen gebildet wird, das den vorerwähnten Schwingungen und den dadurch hervor­ gerufenen Nachteilen keine wirksamen Maßnahmen entgegen­ setzen kann.

Dieselben Eigenschaften weist auch der Vorschlag der DE- AS 12 35 962 auf. Dort sind die entsprechend einem ge­ neigten Flacheisenring in schrägen Ebenen angeordneten rohrförmigen Rohrabstandshalter zusätzlich durch hochkant gestellte Blechstreifen versteift.

Im Prinzip dieselben Eigenschaften weist ferner der Vorschlag der DE 29 36 148 A1 auf, bei welchem Wärmetau­ scherrohre durch an ihnen mit größeren konkaven Umfangs­ flächen vollflächig anliegende ringförmige Elemente di­ stanziert sind.

In der DE 27 44 282 A1 wird ein schwingungssteifer Gas- Luftrückkühler beschrieben, bei welchem Kühlelemente durch eine Zwischenlage von Rohrprofilen untereinander auf Abstand gehalten sind.

Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, die bekannte Vorrichtung so zu verbes­ sern, daß bei erleichterter Montage und Demontage eine wenig schwingungsanfällige Lagerung der Wärmetauscher­ rohre bei geringer Verschleiß- und Bruchgefahr, hoher Waschwasserdurchlässigkeit und absoluter Korrosionsbe­ ständigkeit gewährleistet werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung in den im Anspruch 1 angegebenen Merk­ malen gesehen.

Danach wird ein äußerst elastisches Gitter aus von einem Rahmen umschlossenen dünnwandigen Hülsen aus Kunststoff mit einer starken inneren Dämpfung geschaffen, welches als Führungselement für die ebenfalls aus Kunststoff be­ stehenden Wärmetauscherrohre wirksam wird. Wenn nunmehr bei Überschreiten der kritischen Gegenströmungsgeschwin­ digkeit die Wärmetauscherrohre in um ihre Längsachse tau­ melnde diverse elliptische Schwingungen geraten, so ist durch die Durchmesser- und Wanddickengestaltung der Wär­ metauscherrohre einerseits und der Hülsen andererseits gezielt dafür Sorge getragen, daß die im Vergleich zu den Wärmetauscherrohren ein weicheres Nachgiebigkeitsverhal­ ten aufweisenden Hülsen bei den Schrägstellungen und Querbewegungen der Wärmetauscherrohre deformiert werden. Folglich wird durch die innere Dämpfung der Hülsen die bei dieser Deformation eingespeicherte Energie der Biege­ bewegung der Wärmerohre absorbiert. Mithin werden die Am­ plituden der elliptischen Schwingungen der Wärmetauscher­ rohre auf solchen zulässigen Werten gehalten, daß weder eine gegenseitige Berührung mit unnötigem Verschleiß stattfindet noch daß die Wärmetauscherrohre der Bruchge­ fahr unterliegen.

Durch die in der Rahmenebene im Raster nebeneinander an­ geordneten und miteinander verbundenen Hülsen wird ein beliebig variierbares Hülsenfeld geschaffen, welches von den Wärmetauscherrohren durchsetzt und weitgehend belie­ big konfigurierbar ist. Auf diese Weise kann unterschied­ lichen Größen und Querschnitten eines Rahmens ohne wei­ teres Rechnung getragen werden. Dabei können bei der Mon­ tage die Wärmetauscherrohre durch die von den Hülsen ge­ bildeten Lücken geschoben und nach der Montage in den Lücken gehalten werden. Auch kann die Querschnittsgröße der Hülsen bzw. die Querschnittsgröße der Lücken in Ab­ hängigkeit von dem jeweiligen Verwendungszweck und den dabei einzusetzenden Wärmetauscherrohren auf diese ge­ zielt abgestellt werden. Hierdurch wird es trotz einer leichten Montage und Demontage der Wärmetauscherrohre möglich, diese dennoch elastisch dämpfend einzuspannen. Bei Bedarf kann diese Einspannung auch nachjustiert wer­ den. Demzufolge können die betriebsbedingten Schwingungs­ anregungen außerordentlich stark gedämpft und somit auf Reibungsverschleiß fußende Schwingungsschäden an den Wär­ metauscherrohren vermieden werden. Ein weiterer Vorteil des Hülsenfelds ist dessen hohe Waschwasserdurchlässig­ keit, welche bei Bedarf eine einwandfreie Abreinigung der Wärmetauscherrohre sicherstellt.

Je nachdem, aus welchem Kunststoff die Hülsen in Abhän­ gigkeit von dem Einsatzgebiet eines Wärmetauschers beste­ hen, das heißt ob sie z. B. aus VPE (vernetztes Polyethy­ len), PEP (fluoriertes Ethylen-Propylen), PVDF (Polyvinylidenfluorid), PTFE (Polytetrafluorethylen), PFA (Perfluoralkoxycopolymer) oder PPR (Polypropylen-Randon) gebildet sind, ist dann auch das Herstellverfahren vorge­ geben, beispielsweise durch Sintern, Extrudieren, Wickeln oder Spritzguß.

Das Zusammenfügen der Hülsen in der Rahmenebene ist da­ durch auf einfachste Weise möglich, daß die Hülsen radial aneinandergedrückt und mit der jeweils werkstoffgerechten notwendigen Temperatur beaufschlagt werden. Die Hülsen werden dann an den Berührungsstellen zu einem Hülsenfeld miteinander verschweißt.

Die Verwindungssteifheit jedes Rahmens in der Rahmenebene wird bei einwandfreier Lastabtragung dadurch verbessert, daß mindestens einige der nebeneinander liegenden Hülsen­ reihen von einem korrosionsfesten Stab durchsetzt sind. In diesem Fall erfolgt keine Verschweißung der Hülsen. Denkbar ist aber auch eine Kombination von verschweißten Hülsen und einige der Hülsenreihen in Längsrichtung durchsetzenden Stäben. Wie viele Hülsenreihen von einem Stab durchsetzt sind, hängt von dem jeweiligen Lastfall ab.

Eine noch weiter verbesserte Verwindungsstabilität der miteinander in der Rahmenebene zu einem Hülsenfeld ver­ bundenen Hülsen wird mit den Merkmalen des Anspruchs 2 erzielt. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel kann darin bestehen, daß die Hülsen 40 mm lang sind und einen Außen­ durchmesser von 26 mm aufweisen. Die Wanddicke liegt etwa zwischen 1 mm und 1,5 mm.

Unter Verwendung der Merkmale des Anspruchs 2 erweisen sich insbesondere die Merkmale des Anspruchs 3 als vor­ teilhaft. Hierbei haben die Wärmetauscherrohre einen Außendurchmesser von 12 mm.

Eine vorteilhafte Lage der Stäbe relativ zu den Hülsen besteht in den Merkmalen des Anspruchs 4. Hierfür sind in den Hülsen an den Querschnitt der Stäbe angepaßte Ausneh­ mungen vorgesehen.

Ein bevorzugtes Material für die Stäbe wird in den Merk­ malen des Anspruchs 5 erblickt. Kohlefaserverstärkter Kunststoff wird insbesondere bei extrem korrosiven Medien eingesetzt.

Die Stäbe können entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 6 aber auch aus Edelstahl oder aus kunststoffummanteltem Edelstahl gebildet sein. Diese gelangen bei weniger kor­ rosiven Medien zur Anwendung.

Die Stäbe können im Prinzip jeden beliebigen Querschnitt aufweisen. Bevorzugt besitzen sie aber einen kreisrunden Querschnitt gemäß Anspruch 7.

Ein zweckmäßiges Größenverhältnis der Hülsen zu den Stä­ ben besteht in den Merkmalen des Anspruchs 8.

Entsprechend der Erfindung wird der die Hülsen tragende Rahmen aus korrosionsfesten Leisten gebildet. Sie können gemäß den Merkmalen des Anspruchs 9 in den Eckbereichen des Rahmens verschieblich miteinander verbunden sein. Die verschiebliche Verbindung der Leisten dient einer insbe­ sondere mechanischen Nachjustierung bzw. einem Nachpres­ sen der Hülsen im Sinne der Aufrechterhaltung und Gewähr­ leistung der Klemmfunktion.

Die Höhe der Leisten ist nach Anspruch 10 bevorzugt größer als die Länge der Hülsen bemessen.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in den Zeich­ nungen veranschaulichten Ausführungsbeispiels näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 in der Perspektive ein U-förmiges Bündel von Wärmetauscherrohren;

Fig. 2 in vergrößerter Darstellung einen Horizontal­ schnitt durch die Fig. 1 entlang der Linie II-II;

Fig. 3 eine Stirnansicht auf die Fig. 2 gemäß dem Pfeil III;

Fig. 4 in vergrößerter perspektivischer Darstellung eine Hülse und

Fig. 5 in vergrößerter Darstellung den Ausschnitt V der Fig. 2.

In der Fig. 1 ist mit 1 ein Bündel von U-förmigen Wärme­ tauscherrohren 2 aus einem Fluorkunststoff bezeichnet. Zur Erhaltung der Zeichnungsübersichtlichkeit sind ledig­ lich zwei Rohrreihen dargestellt. Neben den dargestellten Rohrreihen sind in der Praxis weitere Rohrreihen mit Wär­ metauscherrohren 2 vorhanden.

Die Enden der Wärmetauscherrohre 2 münden in eine Ein­ trittskammer 3 bzw. in eine Austrittskammer 4, die durch eine Wand 5 voneinander mediendicht getrennt sind. Die Kammern 3 und 4 sind an einem Rohrboden 6 befestigt. Über die Eintrittskammer 3 werden die Wärmetauscherrohre 2 entsprechend dem Pfeil 7 innen mit Wasser beaufschlagt. Das Wasser wird dann durch die U-Bögen der Wärmetauscher­ rohre 2 umgelenkt und über die Austrittskammer 4 entspre­ chend dem Pfeil 8 abgeführt.

Die Wärmetauscherrohre 2 werden entsprechend dem Pfeil 9 außen durch heißes Rauchgas beaufschlagt. Zu diesem Zweck sind die Wärmetauscherrohre 2 in ein entsprechend abge­ dichtetes, nicht näher dargestelltes Gehäuse mit Zuström­ öffnung und Abströmöffnung eingegliedert.

Damit die frei von dem Rohrboden 6 herabhängenden Wär­ metauscherrohre 2 über ihre vertikalen Längenabschnitte bis zu den bogenförmigen Übergangsabschnitten einwandfrei zueinander distanziert sind, werden in bestimmten Höhen­ bereichen Rahmen 10 mit Abstandshaltern aus Hülsen 11 an­ geordnet. Die Rahmen 10 sind in nicht näher dargestellter Weise untereinander und mit dem Rohrboden 6 verbunden. Hierzu können beispielsweise vertikale Rohre verwendet werden.

Jeder Rahmen 10 besteht, wie insbesondere die Fig. 2 bis 5 zu erkennen geben, aus den in der Rahmenebene par­ allel nebeneinander angeordneten und durch werkstoffge­ rechte Temperatur sowie unter Druck miteinander ver­ schweißten dünnwandigen Hülsen 11 mit einem kreisrunden Querschnitt. Die Hülsen 11 mit einer Wanddicke S von 1,2 mm sind in parallelen Reihen hintereinander angeord­ net. Die Schweißlinien sind mit 16 bezeichnet.

Beim Ausführungsbeispiel haben die Hülsen 11 eine Länge L von 40 mm und einen Außendurchmesser D von 26 mm. Die Wärmetauscherrohre 2 haben einen Außendurchmesser D1 von 12 mm.

Es ist zu erkennen, daß durch die rechtwinklige fluchtende Ausrichtung der Hülsen 11 zwischen jeweils vier Hülsen 11 eine sternförmige Lücke 12 entsteht, wel­ che zum Durchschieben der Wärmetauscherrohre 2 und zu ih­ rer Halterung herangezogen wird.

Die Hülsen 11 sind umfangsseitig von korrosionsfesten Rahmenleisten 13 umgeben, welche mit den Hülsen 11 durch Stäbe 14 aus kohlefaserverstärktem Kunststoff mit einem kreisrunden Querschnitt verbunden sind. Die Rahmenleisten 13 sind in den Eckbereichen der Rahmen 10 in nicht näher veranschaulichter Weise verschieblich miteinander verbun­ den. Die Stäbe 14 durchsetzen Bohrungen 15 in den Hülsen 11 im etwa mittleren Höhenbereich.

Beim Ausführungsbeispiel beträgt der Durchmesser D2 der Stäbe 14 5 mm.

Außerdem ist insbesondere aus der Fig. 3 zu erkennen, daß die Höhe H der Rahmenleisten 13 geringfügig größer als die Länge L der Hülsen 11 bemessen ist.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Distanzierung von in mehreren Reihen angeordneten Wärmetauscherrohren (2) aus Kunststoff, die innerhalb eines Rahmens (10) gelagerte Abstandshalter aus senkrecht zur Rahmenebene parallel nebeneinander angeordneten, miteinander verbundenen, dünnwandigen, kreisrunden Hülsen (11) aus Kunststoff begrenzter Länge (L) aufweist, wobei der Rahmen (10) aus im rechten Winkel miteinander verbundenen korrosionsfesten Leisten (13) gebildet ist, die mit zumindest einigen Hülsenreihen durch Stäbe (14) verbunden sind, und wobei jeweils vier im Quadrat angeordnete Hülsen (11) ein im Außendurchmesser kleineres Wärmetauscherrohr (2) umfangsseitig klemmend kontaktieren und mit ihrer gesamten Länge an dem Wärmetauscherrohr (2) anliegen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Länge (L) der Hülsen (11) zu ihrem Außendurchmesser (D) etwa 1,2 : 1 bis 1,8 : 1 ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Außendurchmesser (D) der Hülsen (11) zu dem Außen­ durchmesser (D1) der Wärmetauscherrohre (2) etwa 2 : 1 bis 2,3 : 1 ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe (14) die Hülsen (11) in etwa mittlerer Höhe quer durchsetzen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe (14) aus einem kohlefaserverstärkten Kunststoff bestehen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe (14) aus Edelstahl oder aus kunststoffummantel­ tem Edelstahl gebildet sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe (14) einen kreisrunden Querschnitt besitzen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Außendurchmessers (D) einer Hülse (11) zu dem Durchmesser (D2) eines Stabs (14) etwa 5 : 1 bis 6 : 1 ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Leisten (13) in den Eckbereichen des Rahmens (10) verschieblich miteinander verbunden sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (H) der Leisten (13) größer als die Länge (L) der Hülsen (11) ist.