DE8913644U1

DE8913644U1 - Wärmetauscherrohr aus Kunststoff

Info

Publication number: DE8913644U1
Application number: DE8913644U
Authority: DE
Original assignee: Roehm GmbH Darmstadt
Current assignee: Roehm GmbH Darmstadt
Priority date: 1989-11-18
Filing date: 1989-11-18
Publication date: 1990-02-22
Anticipated expiration: 1999-11-19

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft ein Wärmetauscherrohr, das zur Herstellung eines Kreuzstromwäraetauschers geeignet ist.

Aus dem deutschen Gebrauchsmuster 87 14 559 ist ein Kreuzstrom-Wärmetauscher aus Kunststoff bekannt, der aus einem Stapel verbundener, durchströmbarer Stegplatten aus Kunststoff gebildet ist, die in dem Stapel so angeordnet sind, daß ihre Hohlkammern parallel durchströmbar sind und daß jeweils zwischen zwei aufeinander folgenden Stegplatten eine quer dazu durchströmbare Hohlkammer angeordnet ist. Die Deckschichten von jeweils zwei Stegplatten, die einer dieser quer durchströmbaren Hohlkammern benachbart sind, sind an ihren Enden über die dazwischenliegende Hohlkammer hinweg gegeneinander geneigt und über die ganze Breite dicht miteinander verbunden. Die Herstellung dieser KreuzStromwärmetauscher erfordert erhebliche Umformungen an den Enden der verwendeten extrudierten Hohlkammern. Die Breite der herstellbaren KreuzStromwärmetauscher ist an die Breite der zur Verfügung stehenden Hohlkammern gebunden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein durchströmbares Kunststoffelement zur Verfügung zu stellen, aus welchem Kreuzstromwärmetauscher mit weitgehend beliebig gestaltbarem Querschnitt ohne umfangreiche Verformungen auf einfache Weise hergestellt werden können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Wärmetauscherrohr gemäß Anspruch 1 gelöst.

Aus der EP-B 208 913 ist bereits ein Wärmetauscherrohr bekannt, das ein Mittelteil mit kreisförmigem Querschnitt aufweist und an den Enden in polygonal geformte Endstücke übergeht. Diese Endstücke sind in geraden Reihen zu einer geschlossenen Fläche addierbar. Vorzugsweise haben ihre Querschnitte die Gestalt regelmäßiger Sechsecke, so daß sie sich zu einer bienenwabenartig geteilten, geschlossenen Fläche addieren lassen. Durch Verschweißen der Endstücke an ihren Berührungskanten lassen sich auf einfache Weise Wärmetauscherkörper herstellen, die in einer Richtung durch die parallel angeordneten Rohre und in Querrichtung durch die Zwischenräume zwischen den Rohrabschnitten im Mittelteil durchströmen lassen. In diesem Bereich ist jedes Rohr von allen benachbarten Rohren durch einen quer durchströmbaren Zwischenraum getrennt. Eine solche Anordnung wird als Rohrbündel-Wärmetauscher bezeichnet.

Für manche Anwendungszwecke wird ein sogenannter KreuzStromwärmetauscher bevorzugt. Bei diesem Wärmetauschertyp liegen längs und quer durchströmbare Räume schichtweise übereinander.

Die erfindungsgemäßen Wärmetauscherrohre lassen sich zu einem KreuzStromwärmetauscher zusammenfügen, indem ihre polygonalen Endstücke in geraden Reihen zu einer geschlossenen Fläche addiert werden. Dadurch, daß die Mittelteile in Richtung der reihenweisen Addierbarkeit die gleiche Ausdehnung wie die Querschnittsfläche der Endstücke haben, stoßen die Mittelteile in dem addierten Rohrbündel dicht zusammen und bilden eine geschlossene

Fläche. Da jedoch die Querschnittsflächen der Hittelteile &idiagr; insgesamt kleiner sind als die Querschnittsflächen der Endstücke, bleiben zwischen benachbarten Reihen freie Räume, die sich zu quer durchströmbaren Räumen addieren.

Die neuen Wärmetauscherrohre lassen sich nach der aus der EP-A 315 052 bekannten Arbeitsweise zu einem KreuzStromwärmetauscher addieren und verschweißen.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden durch die Figuren 1 bis 6 erläutert. Es stellen dar:

Figur 1 : einen Querschnitt durch eine Anordnung von drei zu einem Wärmetauscher verbundenen Wärmetauscherrohren im Bereich der Endstücke mit Sicht auf die Mittelteile;

Figur 2 : eine Seitenansicht der Rohranordnung gemäß Fig. l aus der Blickrichtung I;

Figur 3 : eine Seitenansicht der Rohranordnung gemäß Fig. 1 aus der Blickrichtung II, teilweise im Schnitt;

Figur 4 : eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Wärmetauscherrohres in mehreren Abschnitten;

Figur 5 : einen Querschnitt durch eine Anordnung von mehreren im Sinne der Erfindung miteinander

verbundenen Warmetauscherrohren, links der strichpunktierten Linie als Schnitt im Bereich der Endstücke mit Sicht auf die Mittelteile, rechts als Schnitt durch die Mittelteile;

Figur 6 : in der gleichen Darstellungsweise wie in Fig. 5 eine Anordnung aus einer Mehrzahl von Warmetauscherrohren in einer weiteren Aus führungsform.

Vorteile der Erfindung

Wärmetauscherrohre gemäß der Erfindung lassen sich auf einfache Weise nach der Hohlblastechnik erzeugen, bei der ein aus thermoplastischem Kunststoff extruöierter Schlauch an den Enden abgequetscht und innerhalb einer Hohlform aufgeblasen wird. Nach dem Abkühlen und Erstarren werden die Enden des Hohlkörpers abgeschnitten, wobei ein Rohr mit den erwünschten Querschnittsformen an den Endstücken und im dazwischenliegenden Mittelteil erhalten wird. Nach DE 31 18 932, DE 32 60 066, DE 31 20 480 und EP 65 729 läßt sich diese Herstellungsmethode kontinuierlich durchführen. Ein anderes Herstellungverfahren beruht darauf, zunächst Rohre mit dem Profil des gewünschten Mittelteils aus thermoplastischem Kunststoff zu extrudieren, die Enden eines Rohrabschnittes thermisch zu erweichen und mittels eines in die öffnung eingeführten Formwerkzeugs auf das gewünschte Profil der Endstücke aufzuweiten.

Das Prinzip der Addition einer Vielzahl von gleichgestalteten Rohren zu einem Wärmetauscherkörper geht

aus Figur 5 anschaulich hervor. Die Rohre werden so gebündelt, daß die polygonalen Stirnflächen der Rohrenden gerade Reihen 12 bilden und sich mehrere aufeinanderfolgende parallele Reihen zu einer vollständigen Endfläche addieren. In der linken Hälfte der Figur 5 1st zu erkennen, wie die Endfläche von den Polygonflächen vollständig ausgefüllt wird. Die Länge der Reihen und deren Zahl können frei gewählt werden, so daß sich - innerhalb des vorgegebenen Polygonrasters Endflächen von beliebiger Gestalt und Größe bilden lassen.

Die Mittelteile der gebündelten Rohre sind, wie aus Figur 5 ersichtlich, innerhalb jeder Reihe 12 so angeordnet, daß sie auf der ganzen Länge die jeweils benachbarten Rohrmittelteile berühren. Diese Berührung wird dadurch erreicht, daß die Querschnittsfläche des Mittelteils 2 in Richtung der reihenweisen Addierbarkeit die gleiche Ausdehnung wie die Querschnittsfläche der Endstücke hat. Daher treten bei der Berührung der benachbarten polygonalen Stirnflächen zugleich die Mittelteile in Berührung und bilden in Richtung ihrer Reihe 12 eine geschlossene Fläche von parallel durchströmbaren Rohrmittelteilen.

Die Mittelteile 2 benachbarter Reihen 12 berühren einander nicht, weil die Querschnittsflächen der Mittelteile quer zur Richtung der reihenweisen Addierbarkeit eine geringere Ausdehnung als die Stirnflächen der Endstücke haben. Daher liegt zwischen jeweils zwei benachbarten Flächen, die aus

den aneinanderliegenden Mittelteilen 2 jeweils einer Reihe 12 gebildet sind, je ein flächiger Zwischenraum 13. Dieser Zwischenraum ist an den außenliegenden Rohren der beteiligten Reihen offen und daher quer zur Richtung der Rohre 10 durchströmbar. Die wechselnde Abfolge von durchströmbaren Flächen 12 und quer dazu durchströmbaren

Zwischenräumen 13 bilden den KreuzStromwärmetauscher.

Wenn die in einer Ebene angeordneten Stirnflächen der gebündelten Rohre dicht miteinander verbunden werden, erhält man einen Kreuzstrom-Wärmetauscherkörper. Die Rohre 10 können im Bereich ihrer polygonalen Endstücke .' miteinander verklebt werden. Ebenso können die

' aneinanderliegenden Mittelteile 2 einer Reihe 12 verklebt

werden. Ein bevorzugtes Verfahren zur Verbindung der , gebündelten Rohre ist das Schweißverfahren gemäß EP-B

913, bei dem die in einer Ebene liegenden Stirnseiten

;,._; gleichzeitig unter Druck in entsprechend geformte beheizte

&iacgr;&idiagr; Nuten eingeführt und verschmolzen werden. Für die

Wirkungsweise des Wärmetauschers ist es in der Regel unschädlich, wenn die aneinanderl iegenden Mittelteile unverbunden bleiben oder stellenweise einen engen Spalt bilden, weil ein eventueller Durchtritt des quer

Jl strömenden Mediums von einem Zwischenraum 13 in den

anderen in der Regel nicht nachteilig ist.

Die beheizten Nuten des Schweißwerkzeugs entsprechen dem Polygonraster der Endflächen. Das Nutenraster kann eine i; größere Fläche einnehmen als die Endfläche des

r Rohrbündels. Dadurch ist es möglich, mit dem gleichen

Schweißwerkzeug eine Vielfalt von Wärmetauscherkörpern mit beliebig gestalteten Endflächen zu erzeugen. Die vielseitige Anwendbarkeit der Produktionsanlage gehört zu den besonderen Vorzügen der Erfindung.

Das Wärmetauscherrohr (10)

hat polygonal umrissene Stirnflächen 14, die in geraden Reihen zu einer vollständigen Fläche addierbar sind. Diese Voraussetzung wird von allen Rechteck- und Quadratflächen, sowie auch von verschiedenen Dreieck- und Fünfeckflächen erfüllt. Weitere addierbare Flächenformen lassen sich daraus durch gegensinniges Knicken oder Wellen der korrespondierenden Begrenzungslinien erzeugen. Für die Praxis hat die regelmäßige Sechseckfläche als Stirnfläche die größte Bedeutung. Sie läßt sich zu einem Bienenwabenraster addieren. Die Stirnseiten an beiden Enden eines Rohres 10 sind deckungsgleich angeordnet; das gleiche gilt für gegebenenfalls dazwischen angeordnete polygonale Rohrabschnitte 4.

Entsprechend der Zielsetzung, durch paralleles Zusammenlegen einer Mehrzahl von Rohren eine geschlossene Fläche 12 zu bilden, hat die Querschnittsfläche des Mittelteils in Richtung der reihenweisen Addierbarkeit die gleiche Ausdehnung wie die Stirnfläche, jedoch quer dazu eine geringere Ausdehnung als jene. Die erstgenannte Bedingung ist erfüllt, wenn sich die Begrenzung der Querschnittsfläche des Mittelteils in Richtung der reihenweisen Addierbarkeit mit der Projektion der

Stirnfläche deckt. Das ist aber keine notwendige Voraussetzung. Die Querschnittsfläche kann, wie im Falle der Figuren 4 und 5, über die Projektion der Stirnfläche hinausragen, sofern sie an der gegenüberliegenden Seite entsprechend einspringt. So sind bei der Ausgestaltung gemäß Fig.4 und 5 in Richtung der reihenweisen Addierbarkeit Nut- und Federelemente 5 und 6 angeordnet. Derartige Rastelemente, die ineinandergreifen, wenn eine Mehrzahl gleicher Rohre seitlich aneinandergereiht werden, bewirken eine Versteifung der Wärmetauscherfläche sowie eine Abdichtung gegen den übertritt des strömenden Mediums aus einem Zwischenraum 13 in den nächsten. Vorzugsweise ist eines der Rastelemente als strömungsgünstiges Profil 6 ausgebildet, so daß es dem quer einströmenden Medium einen geringen Widerstand entgegensetzt, wenn es als Randprofil am Anfang der Reihe 12 steht. Das andere Rastprofil 5 ist als Gegenprofil dazu ausgebildet.

Auch unter Berücksichtigung der Nut- und Federelemente 5 und 6 hat der Querschnitt des Mittelteils an keiner Stelle eine Breite, die über diejenige der Stirnfläche bzw. über deren Rastermaß hinausginge.

Der quer durchströmbare Zwischenraum 13, also der Abstand der Wärmetauscherflächen in dem fertigen Wärmetauscher, ist um so größer, je geringer die Ausdehnung der Querschnittsfläche des Mittelteils im Verhältnis zur Stirnfläche ist. Beispielsweise beträgt die erstere 60 bis 80 % der letzteren. Mit Vorteil hat der Mittelteil einen rechteckigen Querschnitt, wobei die längere Rechteckseite der Breite der Stirnseite in Richtung der reihenweisen Addierbarkeit entspricht.

Hat die Stirnfläche die Gestalt eines regelmäßigen Sechseckes, so ergibt sich ein günstiges Verhältnis der Querschnitte der sich kreuzenden Medienströme, wenn der Mittelteil 2 einen rechteckigen Querschnitt hat, wobei die kurze Seite des Rechteckes die Länge der Sechseckseite hat. Bei gleicher Querschnittsfläche kann die Wärmetauschfläche vergrößert werden, wenn die langen Rechteckseiten durch dach- oder bogenförmig gewölbte Begrenzungen ersetzt werden. In diesem Falle verläuft die Wölbung vorzugsweise - entsprechend Fig.6 - auf einer Seite 7 konvex und auf der anderen Seite 8 konkav. Eine solche Gestaltung fördert die Turbulenz der Strömung in den Zwischenräumen 13. Dem gleichen Zweck können in Längsrichtung des Mittelteils angeordnete flache Stege Il dienen. Die Turbulenz der Strömung im Innern der Rohre 10 wird durch einspringende Sicken 3 in Abständen von beispielsweise 10 bis 50 mm gefördert.

Die Querströmung kann in mehrere parallele Ströme geteilt werden, wenn die Rohre 10 mehr als ein Mittelteil 2 enthalten und jeweils zwischen zwai Mittelteilen ein Abschnitt 4 mit einer den Endstücken entsprechender Querschnittsfläche angeordnet ist. In Fig. 1 ist eine derartige Anordnung aus Rohren mit zwei Mittelteilen 2 und einem Abschnitt 4 mit hexagonalem Querschnitt dargestellt. Im Wärmetauscherbündel bilden die Abschnitte 4 eine geschlossene Querwand, die die Strömungswege 15 und 16 voneinander trennt. Werden in einer Reihe 12 von Rohren 10 am Ende der Reihe Rohre ohne Abschnitte 4 eingefügt, so fließen dort die Querströme 15,16 wieder zusammen. Man kann eine solche Anordnung zur Umleitung des Querstromes

oder - bei mehr als einem Abschnitt 4 pro Rohr und versetzter Auslassung von Abschnitten 4 in den beiderseitigen Randbereichen - zur Ausbildung eines schlangenförmigen Verlaufs verwenden.

Die Abmessungen der Rohre 10 können den Erfordernissen des Wärmeaustausches zwischen den kreuzweise strömenden Medien weitgehend angepaßt werden. Es ist jedoch vorteilhaft, eine Querschnitts form der Endstücke und Mittelteile zu verwenden, die sich möglichst universell für alle Anwendungsfälle einsetzen läßt. Die Anpassung an die spezifischen Erfordernisse des Anwendungsfalles erfolgt dann einerseits über die Wahl der Rohrlänge, andererseits über die Zahl und Anordnung der Rohre in einem Wärmetauscherbündel. Wird das Wärmetauscherrohr kontinuierlich mit Abschnitten 4 in regelmäßigen Abständen von z.B. 200 bis 500 mm erzeugt, so lassen sich Rohrabschnitte mit einer Länge von einer beliebigen Zahl von Vielfachen dieser Abstände erzeugen, indem man jeweils einen Abschnitt 4 unter Bildung von zwei Endstücken durchtrennt. Mit einer Schweißvorrichtung, enthaltend zwei erhitzbare Flächen in einem einstellbaren Abstand, enthaltend ein Schweißnutenraster von hinreichender Größe, lassen sich Wärmetauscherbündel mit in weiten Grenzen wählbaren Abmessungen zusammenschweißen. Auf diese Weise lassen sich mit einer Rohrextrusionsanlage und einer Schweißvorrichtung Wärmetauscher für die unterschiedlichsten Zwecke und Austauschleistungen erstellen.

Wärmetauscherrohre, die sich besonders für dsn Wärmeaustausch zwischen flüssigen und gasförmigen Medien

eignen und im oben beschriebenen Sinne vielfältig einsetzbar sind, können an den Stirnseiten Sechseckdurchmesser von 5 bis 50 mm und Längen von beispielsweise 100 mm bis 10 m haben. Die Wandstärke beträgt vorzugsweise das 0,01- bis 0,1-fache des Durchmessers, d.h. in der Regel etwa 0,2 bis 2 mm. Die Wandung soll mit etwa gleichbleibenden Wandstärke aus dem Bereich der Endstücke in den Bereich des Mittelteils übergehen.

Der thermoplastische Kunststoff, aus dem die Wärmetauscherrohre gefertigt werden, wird nach den auftretenden Temperaturen und der Aggressivität der Medien ausgewählt. Als Beispiele seien Polyolefine, Polystyrol, Polyvinylchlorid, Polyacrylate, Polycarbonat, Polysulfone, Polyphenylenoxid, Polymethacrylimide, Polyetherimide, Polyether-etherketone, Polyamide und Fluor-Kunststoffe genannt.

Wärmetauscherkörper

werden aus den erfindungsgemäßen Wärmetauscherrohren in der bereits beschriebenen Weise erzeugt, indem die gewünschte Zahl von Rohren gleicher Länge in der gewünschten Anordnung seitlich und parallel zueinander zu einem Bündel zusammengefügt werden.

Der Wärmetauscher (9) besteht aus einer Mehrzahl von Wärmetauscherrohren (10), die in wenigstens zwei Reihen angeordnet sind, wobei sich die Stirnflächen ihrer Endstücke (1) zu je einer vollständigen Endfläche

addieren. Vorzugsweise sind die Wandungen der Endstücke an ihren wechselseitigen Berührungslinien miteinander verschweißt.

Die Rohre werden zweckmäßig in einer entsprechend geformten trogförmigen Haltevorrichtung zu einem Bündel zusammengelegt. Anschließend werden die in einer Ebene liegenden Endstücke - vorzugsweise auf beiden Seiten zugleich - verbunden, insbesondere verschweißt. Um die quer durchströmbaren Zwischenräume an den Seiten zu verschließen, können als Randelemente Rohre gleicher Länge verwendet werden, die durchgehend das Profil der Endstücke haben, so daß sie auch zwischen den Reihen in Berührung treten und sich dort durch Verschweißen oder Verkleben zu einer dichten Außenwand verbinden lassen. Stattdessen kann das Rohrbündel vor oder nach dem Verschweißen in einen Zylinder mit einem Profil, das dem Umfangsprofil des Rohrbündels angepaßt ist, eingesetzt und mit diesem in geeigneter Weise verbunden, z.B. verschweißt werden. Die Zuführungsleitungen für das quer strömende Medium sind gesondert an der Zylinder- bzw. Außenwand anzuschließen.

Der neue Wärmetauscher eignet sich zum Wärmeaustausch zwischen zwei gasförmigen oder zwischen zwei flüssigen strömenden Medien oder bevorzugt zwischen einem gasförmigen und einem flüssigen strömenden Medium. Im letztgenannten Fall strömt das gasförmige Medium vorzugsweise in Längsrichtung der Rohre 10 und das flüssige Medium in den Zwischenräumen 13. Sind beide Medien gasförmig oder flüssig, so fließt vorzugsweise das Medium mit dem größeren Strömungsvolumen in Längsrichtung.

Claims

Schutzansprüche

1. Wärmetauscherrohr (10) aus thermoplastischem, schweißbarem Kunststoff, enthaltend zwei Endstücke (1) und zwischen den Endstücken wenigstens ein Mittelteil (2), wobei die Querschnittsflächen der Endstücke polygonal geformt und in geraden Reihen zu einer vollständigen Fläche addierbar sind, und das Mittelstück eine Querschnittsfläche aufweist, die kleiner als die Querschnittsfläche der Endstücke ist,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Querschnittsfläche des Mittelteils kleiner als die Querschnittsfläche der Endstücke ist und in Richtung der reihenweisen Addierbarkeit die gleiche Ausdehnung wie die Stirnfläche der Endstücke und quer dazu eine geringere Ausdehnung als jene hat, so daß eine Mehrzahl gleicher Rohre eine vollständige Endfläche bildet, wenn sie seitlich aneinandergereiht werden und die beiderseitigen Stirnflächen jeweils in einer Ebene liegen.

2. Wärmetauscherrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittelteil (2) nach innen gerichtete Sicken (3) aufweist.

3. Wärmetauscherrohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche der Endstücke die Gestalt eines regelmäßigen Sechsecks hat.

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4. Wärmetauscherrohr nach einem oder mehreren der

Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche des Mittelteils (2) die Gestalt eines Rechtecks hat.

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5. Wärmetauscherrohr nach Anspruch 3 und 4, dadurch

| gekennzeichnet, daß die kurze Seite des Rechtecks die

: Länge der Sechseckseite hat.

6. Wärmetauscherrohr nach einem oder mehreren der

Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es I mehr als ein Mittelteil (2) enthält und zwischen

I jeweils zwei Mittelteilen ein Abschnitt (4) mit einer

ff den Endstücken entsprechenden Querschnittsfläche

angeordnet ist.

I

7. Wärmetauscherrohr nach einem oder mehreren der

I Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an den

1= Seitenflächen des Mittelteils in dem Bereich, wo die

Querschnittsfläche die gleiche Ausdehnung wie die der Endstücke hat, Rastelemente (5,6) angeordnet sind,

■ die ineinandergreifen, wenn eine Mehrzahl gleicher

^! Rohre seitlich aneinandergereiht wird.

I

8. Wärmetauscherrohr nach Anspruch 7, dadurch

': gekennzeichnet, daß ein Rastelement (6) als

strömungsgünstiges Profil ausgebildet und. das andere p: Rastelement (5) als Gegenprofil dazu ausgebildet

1 ^ist·

9. Wärmetauscherrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 oder 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittelteil (2) an den Seiten, wo seine Querschnittsfläche eine geringere Ausdehnung als die der Endstücke hat, dach- oder bogenförmig gewölbt ist.

10. Wärmetauscherrohr nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wölbung auf einer Seite (7) konvex und auf der anderen Seite (8) konkav verläuft.