DE4341268A1 - Wärmetauscher für unter Hochdruck stehende Medien und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen für unter Hochdruck stehende Medien, deren Differenzdruck im Niederdruckbereich liegt, vorgesehenen Wärmetau­ scher mit einem inneren Rohrboden, auf den über eine lösbare Flanschver­ bindung ein Deckel dichtend aufgesetzt ist. Der Innenraum des Deckels ist durch mit dem Deckel fest verbundene und am Rohrboden abgedichtete Stege in einzelne Kammern unterteilt.

Die im üblicherweise langgestreckten Mantel des Wärmetauschers verlaufen­ den Rohre oder Rohrbündel enden an dem bzw. den genannten Rohrböden. Zum Wärmeaustausch wird das eine Medium in den Mantelraum und das andere Me­ dium über den Wärmetauscherdeckel in das Rohrbündel geleitet. Bei einer Vielzahl von Apparaten, z. B. Wärmetauscher mit rückführenden Rohren, die auch U-Rohrapparate genannt werden, tritt das rohrraumseitige Medium am Deckel des Wärmetauschers ein, strömt durch die Rohre und tritt schließ­ lich aus diesem Deckel wieder heraus. Dazu ist der Innenraum des Deckels in mindestens 2 durch Stege getrennte Kammern unterteilt.

Die Erfindung betrifft Wärmetauscher, die für unter Hochdruck stehende Medien vorgesehen sind, wobei die Medien selber einen nur geringen Dif­ ferenzdruck aufweisen. Unter dem Begriff Hochdruck wird in der vorliegen­ den Erfindung ein Druck von mindestens 100 bar, z. B. Drücke zwischen 200 und 500 bar verstanden. "Niederdruck" bedeutet im vorliegenden Fall ein Druck bis zu höchstens etwa 10 bar.

Bei solchen Wärmetauschern müssen die Innenräume zum einen nach außen und zum anderen untereinander abgedichtet werden. Dabei liegt die besondere Schwierigkeit im gleichzeitigen Abdichten nach außen und nach innen. Im Stand der Technik werden harte, gegenüber den Medien chemisch beständige Dichtungsmaterialien eingesetzt. Da die Abdichtung nach außen aufgrund der hohen Druckdifferenz Vorrang hat, wird in Kauf genommen, daß die zwischen den Stegen und dem Rohrboden liegende Dichtung nicht ausreichend angepreßt wird, so daß zwar eine gute Abdichtung nach außen erreicht wird, die Leck­ rate zwischen den einzelnen Kammern aber zu hoch ist und zu nennenswerten Verunreinigungen des einen Mediums durch das andere führt.

Zur Abdichtung von über Flansche verbundenen Teilen von Hochdruckapparaten ist es bekannt, einen Stahlring mit sich zu beiden Seiten konisch veren­ gender Außenfläche an entsprechend geformte Innenflächen der beiden Teile anzulegen. Diese Dichtflächen müssen sehr genau bearbeitet werden, da der Stahlring unmittelbar an den Dichtflächen der Teile des Hochdruckapparates ohne eine Zwischenschicht aus Dichtungsmaterial anliegt. Die Abdichtung ist besonders gut für Hochdruckapparate geeignet, denn der Anpreßdruck ist aufgrund der Geometrie des Stahlrings um so stärker, je größer der Innen­ druck ist. Die Güte der Abdichtung nimmt also mit steigendem Druck zu. Bei den eingangs genannten Wärmetauschern für unter Hochdruck stehende Medien kann eine derartige Dichtung zwischen den Kammern im Deckel und dem Außen­ bereich jedoch nicht eingesetzt werden, da der Anpreßdruck auf die Steg­ dichtungen bei Verwendung üblicher Dichtungsmaterialien noch geringer und damit die Leckrate zwischen den Einzelkammern noch größer wäre.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, gleichzeitig eine sehr gute Hochdruckabdichtung der einzelnen Kammern nach außen und eine eben­ falls sehr gute Abdichtung der Kammern untereinander auf wirtschaftliche Weise zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Innenraum des Deckels nach außen hin mittels eines selbstdichtenden, zwischen Deckel und Rohrboden angeordneten Dichtrings, insbesondere eines Stahlrings, mit zu beiden Seiten konisch sich verengender Außenfläche, die an entsprechend geformten Innenflächen des Deckels und des Rohrbodens unmittelbar anliegt, und die Kammern im Innenraum des Deckels untereinander mittels einer zwi­ schen den Stegen und dem Rohrboden vorgesehenen elastischen Packung, ins­ besondere einer Packungsschnur, abgedichtet sind.

Gemäß der Erfindung erreicht man mit dem bereits oben genannten konischen Dichtring eine ausgezeichnete Abdichtung der einzelnen Kammern nach außen. Anstelle der üblichen harten Dichtungen wird zur Abdichtung der einzelnen Kammern untereinander eine elastische Packung eingesetzt, wie sie z. B. für Stopfbuchsen vorgesehen sind. Die hohe Elastizität der Packung ermöglicht trotz des relativ starren konischen Dichtrings eine so gute Abdichtung der einzelnen Kammern im Wärmetauscherdeckel untereinander, daß Leckraten von nur 10 ml/min bei einem Druck der Medien von 250 bar und Differenzdrücken von 6 bar zwischen den Einzelkammern gemessen wurden.

Die Auswahl des Materials für die elastische Packung unterliegt erfin­ dungsgemäß keinen Einschränkungen, solange eine ausreichende Elastizität bzw. Plastizität vorliegt. Eine Beständigkeit gegen hohe Temperaturen, z. B. Temperaturen über 200°C bis zu 500°C, sowie gegen Chemikalien, z. B. Säuren und Alkoholen, läßt sich erreichen, wenn die elastische Packung aus Polytetrafluorethylen (PTFE) oder aus Graphit besteht.

Die Leckrate zwischen den einzelnen Kammern läßt sich noch weiter verrin­ gern, wenn zwischen der Innenfläche des zwischen Deckel und Rohrboden an­ geordneten Dichtrings und den Stegen ebenfalls eine aus einer elastischen Packung bestehende Dichtung eingesetzt ist. Bei Versuchen unter den be­ reits oben genannten Bedingungen wurden in diesem Fall Leckraten von weni­ ger als . . . ml/min gemessen.

Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Anbringen der Stege am Deckel eines Wärmetauschers mit den erfindungsgemäßen Merkmalen. Man schweißt zunächst die Stege am Deckel an und läßt dabei zwischen den Ste­ gen und der als Dichtfläche vorgesehenen Innenwand des Deckel-Flansches einen ausreichenden Spalt, um die nachfolgende mechanische Bearbeitung zur Herstellung der Dichtfläche zu ermöglichen. Schließlich verringert man den Spalt zwischen den Stegen und der Dichtfläche durch Einsetzen von Verlän­ gerungsplättchen, ohne daß eine die geometrische Form der Dichtfläche be­ einträchtigende thermische Belastung auftritt. Auf diese Weise läßt sich eine hochgenau an die Dichtfläche des Stahlrings angepaßte entsprechende Dichtfläche am Wärmetauscher als auch sehr nahe an den Dichtring heranrei­ chende, die einzelnen Kammern des Deckels abtrennende Stege erreichen. Der zu Beginn der Bearbeitung freigelassene Spalt zwischen den Stegen und der Dichtfläche ist erforderlich, um eine exakt der Dichtfläche des Dichtrings entsprechende Bearbeitung von Rohrboden und Deckel zu ermöglichen. Nach der Herstellung der wärmetauscherseitigen Dichtflächen werden die Stege mit Verlängerungsplättchen verbunden. Ein Verziehen der Dichtfläche wird vermieden, da man die Verlängerungsplättchen nicht anschweißt, sondern einklebt, verschraubt, hart lötet oder andere Verbindungsarten ohne größe­ re thermische Belastung anwendet.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeich­ nungen näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine Draufsicht auf die Innenseite eines Deckels eines erfindungs­ gemäßen Wärmetauschers,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie A-A nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Draufsicht auf den zum Deckel nach Fig. 1 passenden Rohrbo­ den,

Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie B-B nach Fig. 3,

Fig. 5 eine Vergrößerung einer Einzelheit aus Fig. 3,

Fig. 6 einen Schnitt entlang der Linie C-C von Fig. 5,

Fig. 7 eine Draufsicht von oben auf ein Verlängerungsplättchen (Feder­ stein) zusammen mit beidseitig geklebten Stützsteinen,

Fig. 8 Federstein und Stützstein in Seitenansicht und

Fig. 9 einen Ausschnitt aus einem Längsschnitt durch den auf den Rohrbo­ den gesetzten Deckel zusammen mit dem Dichtring und der Stegdich­ tung.

Die Draufsicht auf den Deckel nach Fig. 1 zeigt die Unterteilung des In­ nenraums in einzelne Kammern 1, 2 und 3 durch die am Deckel angeschweißten Stege 4 und 5. Die Kammern 1 und 2 haben Ein- bzw. Auslässe 6 und 7 für das rohrraumseitige Medium. Ein hier nicht gezeigter, an die Dichtfläche 8 anzusetzender Stahlring dichtet den Innenraum des Deckels nach außen ab. Der Stahlring hat, wie in den weiteren Figuren deutlich wird, eine zu bei­ den Seiten in Richtung der Längsachse konisch sich verengende Außenfläche, die an den entsprechend geformten Innenflächen des Deckels sowie des Rohr­ bodens anliegt. Der Deckel kann mit dem Rohrboden über einen Außenflansch 9 verschraubt werden.

Die in Fig. 2 dargestellte Schnittzeichnung entlang der Linie A-A nach Fig. 1 enthält Bezugszeichen mit der gleichen Bedeutung wie in Fig. 1. Fig. 2 zeigt besonders deutlich das Verlängerungsplättchen 10, das mit dem angeklebten Stützstein 11 zur Verlängerung des Steges 4 eingesetzt ist. Die Federsteine 10 tragen eine parallel zur Längsachse des Wärmetau­ schers verlaufende Nut 12, wie in der weiter unten beschriebenen Fig. 7 noch deutlicher dargestellt wird.

Die in Fig. 3 gezeigte Draufsicht auf den Rohrboden läßt die drei Kammern 1, 2 und 3 erkennen, an deren Grenzen Nuten 13, 14 und 15 eingefräst sind, die zur Aufnahme der elastischen Packung vorgesehen sind. Ebenso wie der Deckel hat der Rohrboden eine konische Dichtfläche 16, an der beim Zusam­ menbau der Dichtring anlegt wird. Die Gewindebohrungen zur Befestigung des Flansches 17 sind mit der Bezugszahl 18 bezeichnet. Ferner sind die Ein­ bzw. Auslässe 19 für das rohrraumseitige Medium zu erkennen. Fig. 4 zeigt einen Längsschnitt entlang der Linie B-B nach Fig. 3 mit Bezugszeichen, die die gleiche Bedeutung haben.

Fig. 5 stellt vergrößert den Anschluß der Nut 13, 14 oder 15 an die Dichtfläche 16 entsprechend Fig. 3 dar. Eine in der Längsachse des Wärme­ tauschers verlaufende Nut 20, die eine Tiefe wie die ringförmige Nut 21 hat, dient zur Aufnahme der elastischen Packung, so daß auch im Bereich zwischen dem in den bisherigen Figuren nicht dargestellten, in der ring­ förmigen Nut 21 liegenden Dichtring und den Stegen 4, 5 eine gute Abdich­ tung gewährleistet ist. Ferner ist zu erkennen, daß die Nut 13 sich in Richtung auf die Dichtfläche 16 aufweitet, so daß 2 Schenkel 22 gebildet werden.

Fig. 6 zeigt einen Schnitt entlang der Linie C-C von Fig. 5. Die Be­ zugszeichen haben auch hier die gleiche Bedeutung wie oben.

Die Fig. 7 und 8 zeigen der besseren Deutlichkeit halber vergrößert einen Federstein zusammen mit zwei Stützsteinen 11, mit denen der Feder­ stein 10 an den jeweiligen Steg 4, 5 geklebt ist. Der Federstein 10 trägt an seiner zur Dichtfläche 8 gewandten Seite eine Nut 23, die im zusammen­ gebauten Zustand mit der Nut 20 in den Fig. 5 und 6 fluchtet und zur Aufnahme der in Längsrichtung des Wärmeaustauschers verlaufenden Packungs­ schnur dient. Dieser Teil der Packungsschnur ist, wie bereits ausgeführt wurde, zur Abdichten zur Stege gegenüber dem Dichtring vorgesehen.

Fig. 9 zeigt schließlich den Deckel 24, den Rohrboden 25, den zwischen Deckel 24 und 25 angeordneten Dichtring 26, der im allgemeinen aus Stahl besteht, sowie die elastische Packungsschnur 27. Die Bedeutung der weite­ ren in Fig. 9 bezeichneten Teile wurde bereits erläutert. Der oberhalb und unterhalb des Dichtrings 26 verlaufende Ringraum 28 ist in Fig. 9 nicht ausgefüllt. Um die Leckrate noch weiter zu verringern, ist es aber möglich, in den Ringraum 28 ebenfalls eine elastische Dichtungspackung einzulegen.

Bezugszeichenliste

1, 2, 3 Kammern
4, 5 Stege
6, 7 Einlaß, Auslaß
8 Dichtfläche
9 Außenflansch
10 Verlängerungsplättchen (Federstein)
11 Stützstein
12 Nut
13, 14, 15 Nuten
16 Dichtfläche
17 Flansch
18 Gewindebohrung
19 Ein- bzw. Auslässe
20 Nut
21 ringförmige Nut
22 Schenkel
23 Nut
24 Deckel
25 Rohrboden
26 Dichtring
27 Packungsschnur
28 Ringraum

Claims (6)

1. für unter Hochdruck stehende Medien, deren Differenzdruck im Nieder­ druckbereich liegt, vorgesehener Wärmetauscher mit einem inneren Rohr­ boden, auf den über eine lösbare Flanschverbindung ein Deckel dichtend aufgesetzt ist, wobei der Innenraum des Deckels durch mit dem Deckel fest verbundene und am Rohrboden abgedichtete Stege in einzelne Kam­ mern unterteilt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum des Deckels nach außen hin mittels eines selbstdichtenden, zwischen Deckel und Rohrboden angeordneten Dichtrings, insbesondere Stahlrings, mit zu beiden Seiten konisch sich verengender Außenfläche, die an entspre­ chend geformten Innenflächen des Deckels und des Rohrbodens unmittel­ bar anliegt, und die Kammern im Innenraum des Deckels untereinander mittels einer zwischen den Stegen und dem Rohrboden vorgesehenen elastischen Packung, insbesondere einer Packungsschnur, abgedichtet sind.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elasti­ sche Packung aus Polytetrafluorethylen (PTFE) besteht.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elasti­ sche Packung aus Graphit besteht.

4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß zwischen der Innenfläche des zwischen Deckel und Rohrboden angeordneten Dichtrings und den Stegen ebenfalls eine aus einer elastischen Packung bestehende Dichtung eingesetzt ist.

5. Verfahren zum Anbringen der Stege an den Rohrboden eines Wärmetau­ schers nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Stege am Deckel anschweißt und dabei zwischen den Stegen und der als Dichtfläche vorgesehenen Innenwand des Deckel-Flansches einen ausreichenden Spalt läßt, um die nachfolgende mechanische Bearbeitung zur Herstellung der Dichtfläche zu ermöglichen, und daß man schließ­ lich den Spalt zwischen den Stegen und der Dichtfläche durch Einsetzen von Verlängerungsplättchen verringert, ohne daß eine die geometrische Form der Dichtfläche beeinträchtigende thermische Belastung auftritt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die Verlän­ gerungsplättchen einklebt, verschraubt oder hart lötet.