DE4319481C1 - Verbindung von aus Fluorkunststoff bestehenden Wärmetauscherrohren eines Wärmetauschers mit einem Rohrboden - Google Patents

Description

Die Erfindung richtet sich auf eine Verbindung von aus Fluorkunststoff mit Memory-Effekt bestehenden Wärmetauscherrohren eines Wärmetauschers mit einem einen Verteiler- bzw. Sammelraum begrenzenden Rohrboden aus Edelstahl.

Im Kreuzstrom betriebene Wärmetauscher sind auch als Gas/Gas-Wärmetauscher in hochkorrosiven Prozessen der Kraftwerks- oder Müllverbrennungsindustrie eingesetzt. In diesem Zusammenhang ist es bekannt, die heißen Rohgase durch die Wärmetauscherrohre zu führen und die Reingase um die Wärmetauscherrohre strömen zu lassen. Hierbei wer­ den die Rohgase abgekühlt und die Reingase aufgeheizt. Wird bei einer solchen Betriebsweise der Säuretaupunkt unterschritten, besteht die Gefahr einer erhöhten Korro­ sion, die selbst bei Verwendung hochkorrosionsfester Edelstähle allein nicht mehr beherrscht werden kann. Man hat daher aus diesem Grunde die Gehäuse der Wärmetauscher mit Fluorkunststoffen ausgekleidet und auch Wärmetau­ scherrohre aus Fluorkunststoff eingesetzt.

Durch die Werkstoffkombination Fluorkunststoff auf der einen Seite und Edelstahl auf der anderen Seite ergeben sich jedoch für die gasdichte Festlegung der Wärmetauscherrohre in den an die Verteiler- und Sammelräume der Wärmetauscher angrenzenden Rohrböden Probleme. Diesen Problemen wollte man durch integrierte Kragendichtungen (Aufweit-/Klemmvorrichtungen) beikommen. Solche Kragen­ dichtungen konnten jedoch nicht leckagefrei ausgeführt werden. Ferner hat man Doppelrohrboden-Lösungen vorgeschlagen. Hier ergab sich jedoch das Problem der Hohlraumkorrosion. Außerdem können Schäden bei Ausfall der zur Anwendung gelangenden Sperrlufteinrichtungen ein­ treten.

Darüberhinaus ist aus dem DE-GM 83 23 396 ein Wärmeaus­ tauscher, insbesondere für Kraftfahrzeuge, bekannt, der mindestens einen mit Durchzügen versehenen Rohrboden aus einer Aluminiumlegierung und Wärmeaustauscherrohre auf­ weist, die ebenfalls aus einer Aluminiumlegierung gefer­ tigt sind. Die Enden der Wärmeaustauscherrohre sind in den Durchzügen angeordnet und durch Aufweiten mit den Durchzügen verbunden. Außerdem weisen die Wärmeaustau­ scherrohre aus den Durchzügen hervortretende Endteile auf, die über die Durchzugenden in Richtung gegen den Rohrboden bzw. die Außenwände der Durchzüge gerollt sind.

Schließlich geht aus dem DE-GM 74 19 669 ein Wärmeaustauscher hervor mit einem Bündel aus parallelen Rohren aus thermoplastischem Material mit elastischem Gedächtnis und mit diesen Rohren zusammengebauten metallischen Abstrahl­ platten.

Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Verbindung für die aus Fluorkunststoff be­ stehenden Wärmetauscherrohre eines Wärmetauschers mit ei­ nem aus Edelstahl bestehenden Rohrboden zu schaffen, die einfach zu fertigen und zweifelsfrei gasdicht ist.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in den im Patentanspruch 1 aufge­ führten Merkmalen.

Danach sieht die Erfindung vor, randseitig der Durch­ trittsbohrungen für die Wärmetauscherrohre Edelstahlhül­ sen gasdicht koaxial so festzulegen, daß sie vom Rohrbo­ den aus frei in den jeweils benachbarten Verteiler- bzw. Sammelraum ragen. Anschließend wird jedes Wärmetauscherrohr derart in eine Edelstahlhülse eingezogen, daß ein nur etwas kürzer als die axiale Länge einer Edelstahl­ hülse bemessener Endabschnitt eines Wärmetauscherrohrs über das freie Stirnende der Edelstahlhülse vorsteht. Dieser Endabschnitt wird nunmehr auf die Erweichungstem­ peratur des Fluorkunststoffs (Umformtemperatur) erhitzt, dann der Endabschnitt um 180° gebördelt und hierbei über die Edelstahlhülse gestülpt. Beim Erkalten des Fluor­ kunststoffs zieht sich der umgebördelte Endabschnitt, ins­ besondere aufgrund des sogenannten "Memory-Effekts" des Fluorkunststoffs, in Richtung auf die Längsachse des Wär­ metauscherrohrs zusammen und klemmt die Edelstahlhülse flächig ein. Es entsteht auf diese Weise eine gasdichte, fest haftende Verbindung eines Wärmetauscherrohrs mit ei­ ner am Rohrboden gasdicht festgelegten Edelstahlhülse, deren Dichtigkeit während des Betriebs aufgrund steigen­ der Temperaturen der miteinander verbundenen Materialien durch die sich dabei einstellenden Schrumpfspannungen weiterhin erhöht wird. Dieser Effekt kann sowohl im Dau­ erbetrieb als auch bei kurzzeitigen Störfällen mit über­ höhter Temperatur genutzt werden.

Die Erfindung schafft die Voraussetzungen dafür, daß die miteinander im Wärmetausch stehenden Medien sich mit Si­ cherheit nicht vermischen können. Es wird eine absolute Leckagefreiheit mit einem erhöhten Selbstdichtungseffekt bei steigender Betriebstemperatur erzielt. Ferner können extrem dünnwandige Bleche für die Rohrböden und die Edel­ stahlhülsen zur Anwendung gelangen. Dies erlaubt eine spannungsarme und verzugsfreie Befestigung der Edelstahl­ hülsen am Rohrboden, beispielsweise durch geeignete Schweißverfahren und/oder Dichtungen. Die statische Lastabtragung der Wärmetauscherrohre ist im Fertigungs-, Montage- und Dauerbetriebszustand gewährleistet. Außerdem sind die Wärmetauscherrohre bei hoher Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit schwingungssicher am Rohrboden angebunden. Es handelt sich ferner um eine kostengünstige montagefreundliche Verbindung mit der Möglichkeit einer vergleichsweise einfachen Reparatur bzw. Austausch­ barkeit. Als Fluorkunststoffe kommen beispielsweise PTFE (Polytetrafluorethylen), PFA (Perfluoralkoxy-Copolymer), FEP (fluorisiertes Ethylen-Propylen) etc. zur Anwendung.

Besteht aufgrund extrem korrosiver Wärmetauschermedien die Gefahr, daß auch hochwertige Edelstähle nach kurzer Betriebszeit angegriffen werden und dadurch die Funktionssicherheit des Wärmetauschers nicht mehr garantiert werden kann, so sieht die Erfindung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 2 vor, entweder auf der dem Verteiler- bzw. Sammelraum abgewandten Seite eines Rohrbodens oder auf der dem Verteiler- bzw. Sammelraum zugewandten Seite eine Schutzfolie aus einem Fluorkunststoff vorzuse­ hen. Eine solche Schutzfolie kann aber auch auf beiden Seiten eines Rohrbodens angeordnet werden. Diese Schutz­ folie erhält dann im Bereich der Edelstahlhülsen sich in den Verteiler- bzw. Sammelraum erstreckende Aushalsungen. Diese Aushalsungen verlaufen koaxial zu den Edelstahlhül­ sen und werden bei der Umbördelung der Endabschnitte der Wärmetauscherrohre ebenfalls klemmend flächig festgelegt.

Die Gasdichtheit zwischen den Edelstahlhülsen und den Wärmetauscherrohren bzw. deren umgestülpten Endabschnit­ ten bzw. den Aushalsungen der Schutzfolien wird gemäß Pa­ tentanspruch 3 noch dadurch weiter erhöht, daß die ent­ sprechenden inneren und/oder äußeren Oberflächen der Edelstahlhülsen aufgerauht sind. Sie erhalten dabei eine Oberflächenstruktur, welche die fest haftende flächige Verbindung unterstützt.

Die Merkmale des Patentanspruchs 4 erlauben es, die Er­ findung an beiden Enden der Wärmetauscherrohre anwenden zu können, d. h. daß auch Rohrdehnungen ohne weiteres auf­ gefangen werden. Zu diesem Zweck ist einer der Rohrböden nicht selber am Gehäuse des Wärmetauschers fixiert, son­ dern über eine Folie. Diese wirkt dann gewissermaßen als Membrane, die sich Rohrdehnungen in weiten Grenzen anpas­ sen kann.

Die Erfindung gestattet es außerdem, durch eine geeignete thermische Behandlung lokale Beschädigungen/Undichtig­ keiten zu beseitigen.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnun­ gen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 bis 3 verschiedene Ausführungsformen der Verbindung eines Wärmetauscherrohrs mit dem Rohrboden eines Wärmetauschers.

In den Fig. 1 und 2 ist mit 1 ein aus Edelstahl beste­ hender Rohrboden eines in einem hochkorrosiven Prozeß der Kraftwerks- oder Müllverbrennungsindustrie im Kreuzstrom betriebenen nicht näher dargestellten Wärmetauschers be­ zeichnet. Während in den Fig. 1 und 2 der Rohrboden 1 einen räumlich über ihm angeordneten Verteilerraum 2 für ein heißes Rohgas begrenzt, liegt der in der Fig. 3 dar­ gestellte Rohrboden 1a oberhalb eines unteren Sammelraums 3 für das abgekühlte Rohgas.

Im Rohrboden 1 ist eine Vielzahl von Durchtrittsbohrungen 4 für Wärmetauscherrohre 5 aus Polytetrafluorethylen (PTFE) vorgesehen, welche zwischen den beiden Rohrböden 1, 1a von einem aufzuheizenden Reingas quer umströmt wer­ den.

Randseitig der Durchtrittsbohrungen 4 sind koaxial zu den Wärmetauscherrohren 5 Edelstahlhülsen 6 mit ihren rohrbo­ denseitigen Stirnenden 7 an den Rohrboden 1 gasdicht be­ festigt. Die Befestigung kann beispielsweise durch elek­ trisches Widerstandsschweißen erfolgen. Dadurch ragen die Edelstahlhülsen 6 in den Verteilerraum 2 hinein.

Zur gasdichten Festlegung der Wärmetauscherrohre 5 werden diese gemäß Fig. 1, linke Hälfte zunächst so in die Edelstahlhülsen 6 eingezogen, daß die Wärmetauscherrohre 5 mit einem Endabschnitt über die freien Stirnenden 8 der Edelstahlhülsen 6 vorstehen, der nur etwas kürzer als die axiale Länge der Edelstahlhülsen 6 bemessen ist. An­ schließend werden die Endabschnitte 9 der Wärmetauscher­ rohre 5 durch Hitzeeinwirkung auf ihre Erweichungstempe­ ratur gebracht und dann um 180° in Richtung auf den Rohr­ boden 1 umgebördelt, wobei die Endabschnitte 9 über die Edelstahlhülsen 6 gestülpt werden. Beim anschließenden Erkalten ziehen sich die Endabschnitte 9 gegen die äuße­ ren Oberflächen 10 der Edelstahlhülsen 6, wobei der soge­ nannte Memory-Effekt des PTFE′s im Sinne einer auf die Längsachse 11 der Wärmetauscherrohre 5 gerichteten Quer­ kontraktion diese Umklammerung der Edelstahlhülsen 6 un­ terstützt. Es liegen dann sowohl die Wärmetauscherrohre 5 an den inneren Oberflächen 12 der Edelstahlhülsen 6 als auch die umgestülpten Endabschnitte 9 an den äußeren Oberflächen 10 gasdicht flächig klemmend an.

Die inneren und äußeren Oberflächen 12, 10 der Edelstahl­ hülsen 6 können aufgerauht sein.

Bei der - bezogen auf die durch die Längsachse 11 verlau­ fenden Ebene - in der rechten Hälfte der Fig. 1 darge­ stellten Ausführungsform ist eine Folie 13 aus PTFE auf der dem Verteilerraum 2 abgewandten Seite 14 des Rohrbo­ dens 1 angeordnet. Im Bereich der Durchtrittsbohrungen 4 ist die Folie 13 mit koaxial zu den Wärmetauscherrohren 5 und den Edelstahlhülsen 6 sich erstreckenden Aushalsungen 15 versehen. Diese Aushalsungen 15 fassen zwischen die Wärmetauscherrohre 5 und die Edelstahlhülsen 6. Beim Um­ bördeln der Endabschnitte 9 der Wärmetauscherrohre 5 wer­ den somit die Aushalsungen 15 ebenfalls mit eingeklemmt.

Im Falle der Ausführungsform der Fig. 2, linke Bild­ hälfte ist eine Folie 16 aus PTFE auf der dem Verteilerraum 2 zugewandten Seite 17 des Rohrbodens 1 angeordnet. Auch diese Folie 16 besitzt im Bereich der Durchtritts­ bohrungen 4 Aushalsungen 15, welche jetzt aber zwischen die Edelstahlhülsen 6 und die umgestülpten Endabschnitte 9 fassen. Die flächige Einklemmung erfolgt ansonsten wie anhand der Fig. 1, linke Bildhälfte erläutert.

Die in der Fig. 2, rechte Bildhälfte veranschaulichte Ausführungsform umfaßt eine mit Aushalsungen 15 versehene Folie 16 sowohl auf der dem Verteilerraum 2 zugewandten Seite 17 des Rohrbodens 1 als auch eine Folie 13 auf der dem Verteilerraum 2 abgewandten Seite 14. Beide Folien 13, 16 besitzen Aushalsungen 15, die sich koaxial zu den Wärmetauscherrohren 5 bzw. den Edelstahlhülsen 6 er­ strecken. Die Aushalsungen 15 der im Verteilerraum 2 lie­ genden Folie 16 fassen hierbei zwischen die Edelstahlhül­ sen 6 und die umgestülpten Endabschnitte 9 der Wärmetauscherrohre 5, wohingegen die Aushalsungen 15 der auf der dem Verteilerraum 2 abgewandten Seite 14 des Rohrbodens 1 liegenden Folie 13 zwischen die Wärmetauscherrohre 5 und die Edelstahlhülsen 6 fassen. Das flächige Einklemmen der Aushalsungen 15 und der Edelstahlhülsen 6 erfolgt bei dieser Ausführungsform wie bei derjenigen, die anhand der Fig. 1, linke Bildhälfte beschrieben worden ist.

Die Fig. 3 zeigt als Beispiel die Ausführungsform einer Verbindung zwischen einem Wärmetauscherrohr 5 und einer an einem Rohrboden 1 festgelegten Edelstahlhülse 6 gemäß Fig. 2, linke Bildhälfte, nunmehr jedoch an dem dem Sam­ melraum 3 des Wärmetauschers benachbarten Rohrboden 1a. Es ist zu sehen, daß hierbei nicht der Rohrboden 1a am Gehäuse 18 des Wärmetauschers festgelegt ist, sondern die Folie 16. Auf diese Weise wirkt die Folie 16 gewisser­ maßen als Membran und stellt eine Längendehnung der Wär­ metauscherrohre 5 aufgrund von Temperaturveränderungen problemlos sicher.

Claims (4)

1. Verbindung von aus Fluorkunststoff mit Memory-Effekt bestehenden Wärmetauscherrohren (5) eines Wärmetau­ schers mit einem einen Verteiler- bzw. einen Sammel­ raum (2, 3) begrenzenden Rohrboden (1, 1a) aus Edel­ stahl unter Verwendung von Edelstahlhülsen (6), die unter koaxialer Ausrichtung mit den Wärmetauscherroh­ ren (5) mit jeweils einem Stirnende (7) randseitig der Durchtrittsbohrungen (4) für die Wärmetauscher­ rohre (5) gasdicht am Rohrboden (1, 1a) befestigt sind und vom Rohrboden aus in den Verteiler- bzw. Sammelraum (2, 3) ragen, wobei jeder Endabschnitt (9) der Wärmetauscherrohre (5) um die Edelstahlhülse (6) gebördelt ist, um ebenfalls eine gasdichte Verbindung zwischen der Edelstahlhülse (6) und dem Endabschnitt (9) des Wärmetauscherrohrs (5) zu erhalten.

2. Verbindung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Folie (13, 16) aus Fluorkunststoff auf der dem Verteiler- bzw. Sam­ melraum (2, 3) abgewandten Seite (14) und/oder der diesem zugewandten Seite (17) des Rohrbodens (1, 1a) angeordnet und mit sich senkrecht zum Rohrboden (1, 1a) sowie koaxial zu den Wärmetauscherrohren (5) in den Verteiler- bzw. Sammelraum (2, 3) erstreckenden Aushalsungen (15) versehen ist, wobei die Aushalsun­ gen (15) zwischen den Edelstahlhülsen (6) sowie den Wärmetauscherrohren (5) und/oder zwischen den Edel­ stahlhülsen (6) sowie den umgebördelten Endabschnit­ ten (9) der Wärmetauscherrohre (5) flächig einge­ klemmt sind.

3. Verbindung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Aushalsungen (15) oder mit den Wärmetauscher­ rohren (5) oder mit den umgebördelten Endabschnitten (9) der Wärmetauscherrohre (5) in Klemmkontakt ste­ henden inneren und/oder äußeren Oberflächen (12, 10) der Edelstahlhülsen (6) aufgerauht sind.

4. Verbindung nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine einem Rohrboden (1a) zugeordnete Folie (16) aus Fluorkunststoff statt des Rohrbodens (1a) randseitig am Gehäuse (18) des Wärmetauschers gasdicht befestigt ist.