EP0328043A1 - Wärmetauscher - Google Patents

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EP0328043A1
EP0328043A1 EP89102074A EP89102074A EP0328043A1 EP 0328043 A1 EP0328043 A1 EP 0328043A1 EP 89102074 A EP89102074 A EP 89102074A EP 89102074 A EP89102074 A EP 89102074A EP 0328043 A1 EP0328043 A1 EP 0328043A1
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EP
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heat exchanger
tension rods
header
exchanger according
sections
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EP89102074A
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EP0328043B1 (de
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Christian Greune
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MTU Aero Engines GmbH
Original Assignee
MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/0243—Header boxes having a circular cross-section
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/06—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits having a single U-bend
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/4935—Heat exchanger or boiler making
    • Y10T29/49352—Repairing, converting, servicing or salvaging

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger according to the preamble of patent claim 1.
  • Such heat exchangers which are particularly suitable for high gas temperatures and high thermal, cyclical loads, have so far been produced in that the individual components, i. H. the profile tubes and header sections are firmly connected to one another by means of soldering or welding. Solutions are known in which the header pipes consist of two half shells joined together. Alternatively, they can also consist of individual shorter pipe sections, which are arranged one behind the other and soldered to one another.
  • a disadvantage of the designs described is that, in the event of leaks, which can occur either as a result of incorrect manufacture or as a result of material fatigue, an expensive repair or even an exchange of the entire heat exchanger is often required.
  • the object of the invention is to improve a heat exchanger of the generic type in such a way that a simple and therefore inexpensive repair is possible in the event of leaks.
  • the manifolds As a number of manifold sections arranged one behind the other and releasably braced together, it is possible to close them in the event of a leak in the heat exchanger disassemble and replace the faulty element. This enables considerably more economical production and maintenance of the heat exchanger.
  • the solution according to the invention results in technical simplifications and thus cost reductions in the case of new production and in the repair of heat exchangers which have already been in operation and in which flawless elements can be reused.
  • the inspection of individual heat exchanger elements is also much easier than the inspection of a complete heat exchanger.
  • the fact that the tension rods are arranged in the interior of the header pipes ensures that unchanged installation dimensions can be achieved compared to conventional designs. This also prevents thermal expansion due to the external hot gas flow from reducing the clamping force.
  • the tension rods have an annular section-like cross-sectional shape adapted to the manifold curvature and abut the inner walls of the manifolds.
  • a symmetrical prestressing of the collecting tube can be achieved, the tension rods assuming approximately the temperature of the inner wall of the collecting tube and thermal stresses thus remaining low.
  • flow losses through components arranged inside the pipe are prevented.
  • Two or more tension rods can be distributed on the inner circumference of the collecting tube.
  • the tension rods are insulated from the interior of the header pipes. This is preferably done by providing shield plates and / or insulating layers attached to the tie rod. This further supports the desired effect of the same temperature of the collecting tube and tension rods.
  • Another preferred embodiment of the invention provides that the tension rods are screwed from the outside to at least one of the header end sections. This enables simple and releasable bracing of the header pipes.
  • Means for setting a defined prestress on the tension rods are preferably provided, which can be designed as fitting pieces and have meanwhile been inserted into the header end sections and the ends of the tension rods. In this way, an uncomplicated and reproducible adjustable bracing of the heat exchanger can be achieved.
  • FIG. 1 shows a heat exchanger 1, the manifolds 2 and 3 of which consist of a plurality of manifold sections 5, 6 arranged one behind the other.
  • the manifolds 2 and 3 are connected to one another via a plurality of U-shaped profile tubes 21.
  • the mode of operation of the heat exchanger is as follows: A cool gas flow enters the collecting pipe 3 via openings in the collecting pipe section 12. The gas flow divides and flows through the plurality of U-shaped profile tubes embedded in the collecting tube 3 to the collecting tube 2.
  • the gas heats up due to the hot gas flowing in the cross-countercurrent in the direction indicated by 36.
  • the heated inner gas stream combines again in the collecting pipe 2 and flows off.
  • FIG. 2 shows a cross section through a header section 5, in which the tension rods 7 and 8 are arranged on opposite sides of the tube wall 22.
  • the pull rod 7 is shown in the sectional plane, while the pull rod 8 is shown with the fastening threaded bores 23 provided at the ends.
  • a number of profile tubes 21 are attached, which are sealingly connected to the tube wall 22 by means of welding or soldering.
  • guide shoulders 24, 25 are provided near the pipe ends, which prevent the tie rods 7, 8 from slipping sideways or twisting the header sections against one another.
  • the tension rods 7, 8 are provided with an insulating layer 10 and a shield plate 28 for the purpose of shielding the interior 9 of the header section 5.
  • Fig. 3 shows a tension rod 7 which bears against the inside of the tube wall 22.
  • Guide shoulders 24 are provided in the vicinity of the abutment points of manifold sections 5, 6, which prevent the tie rods or the manifold sections 5, 6 from slipping sideways.
  • the tension rods 7 and 8 are machined to form parallel side surfaces 27, which enables simple mounting of the tension rods.
  • the tension rods 7 and 8 are fitted in such a way that the parallel side surfaces 27 lie at the level of the guide shoulders 27; the zone of the circular segments 30 can then be brought into engagement with the guide shoulders 24 by displacing the tension rods 7, 8 in the longitudinal direction.
  • the end region 31 of the tension rod 7 is widespread, so that the tension rod 7 is supported when tension is applied via the shoulders 32 and the header sections 5, 6 are pressed against one another in a sealing manner.
  • two header pipe sections 5 and 6 are arranged one behind the other, the end of the header pipes being formed by the header pipe end section 11.
  • Two opposite tie rods 7 and 8 run along the inner wall of the collector tube 2, as a result of which they are provided at their ends opposite the collector tube end section 11 with fastening flanges and threaded bores 23 arranged therein, by means of which the tie rods 7 and 8 are clamped to the collector tube end section 11 by means of screws 34.
  • fitting pieces 13 are provided between the tension rods 7, 8 and the header end section 11.
  • the oval bores 35 provided for the introduction of the profiled tubes 21 in the collecting tube sections 5 and 6 are indicated in some areas in FIG. 4.
  • a construction of the collecting pipes 2 and 3 is preferably to be provided, in which the two ends of each tension rod 7, 8 are designed according to FIGS. 3 and 4, that is to say they are supported at one end on the shoulders 32 and at the other end with the collecting pipe end sections 11 and 12 are tense.

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Abstract

Die Sammelrohre (2, 3) eines Profilrohrwärmetauschers (1) bestehen aus einer Anzahl axial hintereinander angeordneter Sammelrohrabschnitte (5, 6) und sind mittels innen angeordneter Zugstäbe (7, 8) zusammengehalten und verspannt.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher gemäß dem Oberbe­griff 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 miteinan­der verbunden werden. Dabei sind Lösungen bekannt, bei denen die Sam­melrohre 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 her­vorgerufenen 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.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wärmetauscher der gattungsgemäßen Art derart zu verbessern, daß bei auftretenden Leckstellen eine ein­fache und somit kostengünstige Reparatur möglich ist.
  • 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. Es ergeben sich durch die erfindungsgemäße Lösung technische Vereinfachungen und somit Kostenreduzierungen bei Neufertigung, sowie bei der Reparatur von bereits in Betrieb gewesenen Wärmetauschern, bei denen einwandfreie Elemente wiederverwendet werden können.
  • Auch ist die Inspektion einzelner Wärmetauscherelemente wesentlich einfacher, als die Inspektion eines kompletten Wärmetauschers. Dadurch das die Zugstäbe im Inneren der Sammelrohre angeordnet sind, wird sichergestellt, daß gegenüber herkömmlichen Ausführungen unveränderte Einbaumaße erzielbar sind. Weiterhin wird hierdurch verhindert, daß durch Thermodehnungen aufgrund des außen befindlichen Heißgasstromes eine Verminderung der Spannkraft auftritt.
  • In einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung besitzen die Zugstäbe eine der Sammelrohrkrümmung angepaßte ringabschnittartige Querschnitts­form und liegen an den Innenwänden der Sammelrohre an. Hierdurch ist eine symmetrische Vorspannung des Sammelrohres erreichbar, wobei die Zugstäbe etwa die Temperatur der Sammelrohrinnenwand annehmen und somit Thermospannungen niedrig bleiben. Weiterhin werden Strömungsver­luste durch im Rohrinneren angeordnete Bauteile verhindert. Es können dabei zwei oder auch mehrere Zugstäbe am inneren Umfang des Sammelroh­res verteilt sein.
  • In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung sind die Zugstäbe gegenüber dem Innenraum der Sammelrohre isoliert. Dies geschieht vorzugsweise dadurch, daß Schirmbleche und/oder auf dem Zuganker angebrachte Iso­lierschichten vorzusehen sind. Dadurch wird der erwünschte Effekt gleicher Temperatur von Sammelrohr und Zugstäben weiter unterstützt. Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Zugstäbe mit mindestens einem der Sammelrohrendabschnitte von außen verschraubt sind. Dadurch ist eine einfache und lösbare Verspannung der Sammelrohre möglich. Vorzugsweise sind Mittel zur Einstellung einer definierten Vorspannung an den Zugstäben vorgesehen, die als Paßstücke ausgebildet sein können und inzwischen den Sammelrohrendabschnitten und den Enden der Zugstäbe eingelegt sind. Hierdurch ist eine unkom­plizierte und reproduzierbar einstellbare definierte Verspannung des Wärmetauschers erzielbar.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung wei­ter erläutert. Dabei zeigt:
    • Fig. 1 eine Schrägansicht des demontierten Wärmetauschers,
    • Fig. 2 einen Querschnitt durch ein Sammelrohr,
    • Fig. 3 eine Teilansicht eines Zugstabes,
    • Fig. 4 einen Axialschnitt durch ein Sammelrohr.
  • 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 über Öff­nungen in Sammelrohrabschnitt 12 in das Sammelrohr 3 ein. Der Gasstrom teilt sich auf und durchfließt die Vielzahl der in dem Sammelrohr 3 eingelassenen U-förmig gekrümmten Profilröhrchen zum Sammelrohr 2.
  • Dabei erhitzt sich das Gas aufgrund des außen in der mit 36 angedeu­teten Richtung im Kreuz-Gegenstrom anfließenden Heißgases. Der er­wärmte innere Gasstrom vereinigt sich wieder im Sammelrohr 2 und fließt ab.
  • In Fig. 2 ist ein Querschnitt durch einen Sammelrohrabschnitt 5 zu sehen, bei dem die Zugstäbe 7 und 8 an gegenüberliegenden Seiten der Rohrwand 22 angeordnet sind. Der Zugstab 7 ist in der Schnittebene dargestellt, während der Zugstab 8 mit den an den Enden vorgesehenen Befestigungsgewindebohrungen 23 gezeigt ist. In der Rohrwand 22 sind eine Anzahl Profilröhrchen 21 angebracht, die mittels Schweißung oder Lötung mit der Rohrwand 22 dichtend verbunden sind. In Umfangsrichtung beidseitig der Zugstäbe 7,8 sind nahe den Rohrenden Führungsschultern 24,25 vorgesehen, die ein seitliches verrutschen der Zugstäbe 7,8 bzw. ein verdrehen der Sammelrohrabschnitte gegeneinander verhindern. Die Zugstäbe 7,8 sind zwecks Abschirmung vom Innenraum 9 des Sammelrohrab­schnittes 5 mit einer Isolierschicht 10 und einem Schirmblech 28 ver­sehen.
  • Fig. 3 zeigt einen Zugstab 7, der innen an der Rohrwand 22 anliegt. In der Nähe der Stoßstellen hintereinander angeordneter Sammelrohrabsch­nitte 5,6 sind Führungsschultern 24 vorgesehen, die ein seitliches verrutschen der Zugstäbe bzw. der Sammelrohrabschnitte 5,6 verhindern. In Teilabschnitten 26 sind die Zugstäbe 7 und 8 zur Bildung paraleller Seitenflächen 27 bearbeitet, wodurch ein einfaches Montieren der Zu­gstäbe ermöglicht wird. Dazu werden die Zugstäbe 7 und 8 so eingepaßt, daß die Parallelseitenflächen 27 in Höhe der Führungsschultern 27 liegen; anschließend läßt sich durch Verschieben der Zugstäbe 7,8 in Längsrichtung die Zone der Kreissegmente 30 in Eingriff mit den Führungsschultern 24 bringen.
  • Der Endbereich 31 des Zugstabes 7 ist verbreitet, so daß eine Abstüt­zung des Zugstabes 7 bei Aufbringung einer Zugspannung über die Schul­tern 32 erfolgt und die Sammelrohrabschitte 5,6 dichtend aufeinander gedrückt werden.
  • In dem in Fig. 4 gezeigten Axialschnitt durch ein Sammelrohr 2 sind zwei Sammelrohrabschnitte 5 und 6 hintereinander angeordnet, wobei der Abschluß der Sammelrohre durch den Sammelrohrendabschnitt 11 gebildet wird. Zwei gegenüberliegende Zugstäbe 7 und 8 verlaufen entlang der Innenwand des Sammelrohres 2, wodurch diese an ihrem den Sammelrohrend­abschnitt 11 gegenüberliegenden Enden mit Befestigungsflanschen und darin angebrachten Gewindebohrungen 23 versehen sind, mittels dessen die Zugstäbe 7 und 8 mit dem Sammelrohrendabschnitt 11 über Schrauben 34 verspannt sind.
  • Zwecks Einstellung einer definierten Vorspannung sind Paßstücke 13 zwischen den Zugstäben 7, 8 und den Sammelrohrendabschnitt 11 vorge­sehen. Die zur Einführung der Profilröhrchen 21 in den Sammenrohr­abschnitten 5 und 6 vorgesehenen ovalen Bohrungen 35 sind in Fig. 4 bereichsweise angedeutet.
  • Vorzugsweise ist ein Aufbau der Sammelrohre 2 und 3 vorzusehen, bei dem die beiden Enden jedes Zugstabes 7,8 gemäß den Fig. 3 und 4 ausge­bildet sind, das heißt sich an ihrem einen Ende an den Schultern 32 abstützen und am anderen Ende mit dem Sammelrohrendabschnitten 11 und 12 verspannt sind.

Claims (9)

1. Wärmetauscher mit zwei im wesentlichen parallel angeordneten Sam­melrohren, die über eine Vielzahl von bündelförmig angeordneten Profilrohren miteinander in Verbindung stehen, dadurch gekennzeich­net, daß die Sammelrohre (2,3) aus einer Anzahl Sammelrohrabschnit­ten (5,6) bestehen, die axial hintereinander dichtend und lösbar angeordnet sind und mittels an Sammelrohrendabschnitten (11,12) abgestützter, im Inneren der Sammelrohre (2,3) angeordneter Zug­stäbe (7,8) zusammengehalten werden.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zug­stäbe (7,8) eine der Sammelrohrkrümmung angepaßte ringabschnittar­tige Querschnittsform aufweisen und an den nicht von Profilrohren (21) durchbohrten Innenwandabschnitten der Sammelrohre (2,3) anlie­gen.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei sich gegenüberliegende Zugstäbe (7,8) in jedem Sammelrohr (2,3) vorgesehen sind.
4. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugstäbe (7,8) gegenüber dem Innenraum (9) der Sammelrohre (2,3) isoliert sind.
5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Iso­lierung als Schirmblech (28) und/oder als auf dem Zuganker (7,8) aufgebrachte Isolierschicht (10) ausgeführt ist.
6. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, da­durch gekennzeichnet, daß die Zugstäbe (7,8) mit mindestens einem der Sammelrohrendabschnitte (11,12) von außen verschraubt sind.
7. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, da­durch gekennzeichnet, daß Mittel zur Einstellung einer definierten Vorspannung an den Zugstäben (7,8) vorgesehen sind.
8. Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mit­tel zur Vorspannungseinstellung Paßstücke (13) sind, die an min­destens einem der Sammelrohrendabschnitte (11,12) zwischen diesen und den Enden der Zugstäbe (7,8) eingelegt sind.
9. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, da­durch gekennzeichnet, daß die Sammelrohrabschnitte (5,6) an beiden Enden Führungsschultern (14,15) aufweisen, die beidseitig der Zug­stäbe (7,8) vorgesehen sind.
EP89102074A 1988-02-10 1989-02-07 Wärmetauscher Expired - Lifetime EP0328043B1 (de)

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