EP0393221B1

EP0393221B1 - Wärmetauscher

Info

Publication number: EP0393221B1
Application number: EP89107114A
Authority: EP
Inventors: Herbert Krips; Miroslan Dr. Podhorsky
Original assignee: Balcke Duerr AG
Current assignee: Balcke Duerr AG
Priority date: 1989-04-20
Filing date: 1989-04-20
Publication date: 1992-12-30
Anticipated expiration: 2009-04-20
Also published as: DE58903180D1; EP0393221A1; ES2037317T3; RU2008605C1; CS197190A2; ATE84141T1

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit mindestens einer, vorzugsweise metallischen Rohrplatte und einer Mehrzahl von in Bohrungen dieser Rohrplatte angeordneten Rohren aus Kunststoff, vorzugsweise PTFE, die zur Trennung der beiden am Wärmeaustausch beteiligten Medien druckdicht an der Rohrplatte befestigt sind.
Bei der Herstellung von Wärmetauschern für korrosive Medien besteht der Wunsch, den metallischen Werkstoff insbesondere der Rohre durch geeignete Kunststoffe, vorzugsweise Polytetrafluoräthylen zu ersetzen, da derartige Kunststoffe kostengünstiger sind als korrosionsbeständige metallische Werkstoffe. Derartige Wärmetauscher mit aus Kunststoff hergestellten Rohren werden in der letzten Zeit häufiger für Anlagen benutzt, durch die die im Rauchgas enthaltene Wärme ausgenutzt wird. Die Kunststoffrohre ergeben hierbei auch den Vorteil, daß bei der Rauchgasabkühlung der Taupunkt des Rauchgases unterschritten werden kann, weil die Kunststoffrohre auch für diesen Fall korrosionsbeständig sind.
Die für die Herstellung der Wärmetauscherrohre verwendeten Kunststoffe, bei denen es sich vorzugsweise um gesättigte Fluorkunststoffe handelt, zeichnen sich neben einem ausgeprägten Kriechverhalten bei erhöhten Temperaturen durch ungefähr zehnfache Temperaturausdehnung im Vergleich zu Metall aus. Dies bedeutet, daß bei einem Bündel aus Kunststoffrohren die relativen Verschiebungen der Rohre gegenüber den sie umgebenden metallischen Wänden erhebliche Werte erreichen, so daß konstruktiv für eine Kompensation der unterschiedlichen Ausdehnungen gesorgt und sichergestellt werden muß, daß es auch aufgrund der großen Relativbewegungen nicht zu Verklemmungen und Verlagerungen der Rohre gegenüber den Rohrhalterungen und Gehäusen kommen kann.
Ein weiteres Problem bei der Herstellung von Wärmetauschern unter Verwendung von Kunststoffrohren ist die druckdichte Befestigung der Enden der Kunststoffrohre an der zugehörigen Rohrplatte. Insbesondere wenn diese aus einem metallischen Werkstoff hergestellt ist, muß trotz des Kriechens der Kunststoffrohre und trotz deren großer Längenänderung beim An- und Abfahren des Wärmetauschers für die notwendige Druckdichtigkeit der Verbindung zwischen Rohrplatte und Rohren gesorgt werden.
Aus der FR-A-2 380 488 ist ein gattungsgemäßer Wärmetauscher der eingangs beschriebenen Art bekannt, bei dem die Bohrungen in der Rohrplatte mit einer Aufbohrung versehen sind und die Rohre zur Befestigung an der Rohrplatte durch ein elastisches Befestigungselement gehalten sind, das aus einem tellerfederartigen Haltering gebildet ist, der mit seinem Außenrand an der Wand der Aufbohrung anliegt. Die glattwandigen Rohre werden dadurch gehalten, daß der tellerfederartige Haltering an seiner Innenbohrung mit zahnartigen Vorsprüngen versehen ist, die in die Oberfläche des glattwandigen Rohres eindringen und insoweit eine gewisse Festlegung bewirken. Diese Ausbildung hat jedoch den Nachteil, daß sich die tellerfederartigen Halteringe lockern können, da sich die Kunststoffrohre bei einer Aufwärmung bzw. Abkühlung des Wärmetauschers einerseits ausdehnen und andererseits zusammenziehen, so daß Relativbewegungen zwischen den Rohren und den Befestigungselementen in beiden Richtungen auftreten. Die Klemmwirkung der Haltezähne an den bekannten tellerfederartigen Halteringen ist jedoch auf eine der beiden Richtungen beschränkt.
Der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, eine preiswerte und zu Reparaturzwecken lösbare sowie druckdichte Befestigung von Kunststoffrohren an ebenen oder gebogenen Rohrplatten von Wärmetauschern der als bekannt vorausgesetzten Art zu schaffen, welche die voranstehend aufgezeigten Probleme des bekannten Standes der Technik vermeidet und für alle Betriebsfälle eine zuverlässige und druckdichte Befestigung sicherstellt.
Die Lösung dieser Aufgabenstellung durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre zur Befestigung an der Rohrplatte am jeweiligen Ende mit einem einstückig aus dem Rohrende gebildeten Flanschring versehen sind, der an der ringförmigen Auflagefläche zwischen Bohrung und Aufbohrung anliegt und durch den Haltering gehalten ist.
Durch diese erfindungsgemäße Weiterbildung ergibt sich eine einfach und preiswert herstellbare druckdichte Befestigung der Kunststoffrohre von Wärmetauschern an den zugehörigen Rohrplatten, die auch eine Reparatur bzw. den Austausch einzelner Rohre ermöglicht. Der am jeweiligen Rohrende einstückig mit diesem ausgebildete Flanschring kann auf einfache Weise durch Verformen des Rohrendes unter Wärmeeinwirkung hergestellt werden, wobei die für diesen Flanschring erforderliche ringförmige Auflagefläche um die jeweilige Bohrung in der Rohrplatte auf einfache Weise durch die zusätzliche Aufbohrung der Rohrplatte erzeugt wird, die in einem Arbeitsgang zusammen mit der Durchgangsbohrung hergestellt werden kann. Da es sich bei dem zur Festlegung des Rohrendes an der Rohrplatte verwendeten elastischen Befestigungselement um ein handelsübliches Bauelement handelt, ergibt sich insgesamt nicht nur eine einfache Montage, sondern eine preiswerte Konstruktion, die aufgrund des angeformten Flanschringes eine zuverlässige Befestigung der Rohre an der Rohrplatte und damit eine druckdichte Abdichtung zwischen Rohr und Rohrplatte auch bei wechselnden Reparatur- und Druckzuständen gewährleistet.
Aus der DE-A-20 09 122 ist zwar eine mechanische Verbindung der Bauteile eines Fahrzeugkühlers bekanntgewesen, bei der die aus Metall bestehenden Rohre einstückig mit einem flanschartigen Kragen versehen sind, der unter Zwischenfügen einer Dichtung an einer Umbördelung der Rohrplatte anliegt, so daß sich der flanschartige Kragen außerhalb der Rohrplatte befindet. Diese bekannte Art der Verbindung zwischen metallischen Rohren und Rohrplatten eines Kühlers unterscheidet sich grundlegend dadurch vom Erfindungsgegenstand, daß zur Befestigung keine elastischen Befestigungselemente verwendet werden, die in Aufbohrungen der Rohrplatte angeordnet sind. Bei der bekannten Konstruktion erfolgt die Verbindung zwischen den Bestandteilen des Kühlers durch einen Zusatzwerkstoff, wie Klebstoff, Weichlot oder Lot mit niedrigem Schmelzpunkt, so daß außer der Ausbildung flanschartiger Kragen an den Rohren keine Übereinstimmung besteht.
Um bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher die Dichtwirkung zwischen den Rohren und der Rohrplatte zu erhöhen, kann gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung zwischen dem Flanschring jedes Rohres und der Rohrplatte ein Dichtring angeordnet sein.
Während es im Normalfall ausreicht, den erfindungsgemäß am Rohrende gebildeten Flanschring durch eine ebene, rechtwinklig zur Rohrachse liegende Ringscheibe zu bilden, kann es bei höheren Anforderungen an die Druckdichtigkeit gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung vorteilhaft sein, den Flanschring mit U-förmigem Querschnitt in der Art einer Umbördelung um 90° bis 180° auszubilden. Hierdurch kann insbesondere die Formstabilität des Flanschringes erhöht werden. Außerdem ist es bei dieser Gestaltung möglich, den Dichtring innerhalb des U-förmigen Querschnittes des Flanschringes zwischen diesem und der an der Rohrplatte ausgebildeten Auflagefläche anzuordnen.
Auf der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers anhand der Ausgestaltung und Verbindung des Endes eines Kunststoffrohres alt dem zugehörigen Teil einer Rohrplatte dargestellt, und zwar zeigen:

Fig. 1: einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Rohrendes und einen Schnitt durch den zugehörigen Teil der Rohrplatte,
Fig. 2: eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung mit zusätzlicher Anordnung eines Dichtringes und
Fig. 3: eine weitere, den Figuren 1 und 2 entsprechende Darstellung einer dritten Ausführungsform.

In allen drei Darstellungen ist ein Teil einer Rohrplatte 1 eines im übrigen nicht dargestellten Wärmetauschers oder Sammlers zu erkennen; diese Rohrplatte 1 ist mit durchgehenden Bohrungen 1a vergehen, in die jeweils ein Rohr 2 aus Kunststoff, vorzugsweise Polytetrafluoräthylen eingesetzt ist. Dieses Rohr 2 ist an seinem Ende zur Befestigung an der Rohrplatte 1 mit einem einstückig aus dem Rohrende gebildeten Flanschring 2a versehen. Dieser Flanschring 2a verläuft beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 rechtwinklig zur Längsachse des Rohres 2.
Um für diesen Flanschring 2a eine Auflagefläche 1b an der Rohrplatte 1 zu schaffen, ist die Bohrung 1a mit einer Aufbohrung 1c größeren Durchmessers versehen, so daß sich der notwendige Raum für den Flanschring 2a ergibt. In diesen durch die Aufbohrung 1b geschaffenen Raum ist ein elastisches Befestigungselement eingesetzt, das den Flanschring 2a zuverlässig gegen die Auflagefläche 1b der Rohrplatte 1 drückt. Dieses elastische Befestigungselement wird bei den Ausführungsbeispielen durch einen tellerfederartigen Haltering 3 gebildet.
Wie die Zeichnungen erkennen lassen, liegt dieser Haltering 3 mit seinem Außenrend an der Wand der zur Erzeugung der Auflagefläche 1b ausgeführten Aufbohrung 1c und mit einem von seinem Innenrand ausgehenden Teil seiner Stirnfläche am Flanschring 2a des Rohres 2 an. Auf diese Weise wird ein ständiger Druck auf den Flanschring 2a des Rohres 2 ausgeübt, der diesen zuverlässig gegen die Auflagefläche 1b der Rohrplatte 1 drückt und hierdurch eine druckdichte Verbindung zwischen Rohr 2 und Rohrplatte 1 herstellt.
Um die Druckdichtigkeit dieser Verbindung zu erhöhen, kann gemäß Fig. 2 zwischen Rohr 2 und Rohrplatte 1 ein Dichtring 4 eingefügt werden. Zur Aufnahme dieses Dichtringes 4, der beispielsweise ein O-Ring sein kann, kann entweder durch Abschrägen (wie im linken Teil der Fig. 2) oder durch stufenartiges Aufbohren (wie im rechten Teil der Fig. 2) der notwendige Einbauraum geschaffen werden.
Die Fig. 3 zeigt schließlich eine weitere Ausführungsmöglichkeit. Bei dieser Ausführung ist das aus Kunststoff hergestellte Rohr 2 an seinem Ende alt einem Flanschring 2a mit U-förmigem Querschnitt versehen, der in der Art eines Bördelvorganges um 180° und durch gleichzeitiges Aufweiten aus dem Rohrende gebildet worden ist. Bei dieser Ausführungsform wird die ringförmige Auflagefläche 1b durch eine Art Kragen 1d geschaffen, der innerhalb der Aufbohrung 1c ausgebildet ist. Bei dieser Konstruktion ist der Dichtring 4 innerhalb des U-förmigen Querschnittes des Flanschringes 2a zwischen diesem und der an der Rohrplatte 1 ausgebildeten Auflagefläche 1b angeordnet.
Bei allen Ausführungsbeispielen sorgt der tellerfederartige Haltering 3 dafür, daß auch bei wechselnden Temperaturen und Drücken der jeweilige Flanschring 2a des Rohres 2 zuverlässig gegen seine Auflagefläche 1b an der Rohrplatte 1 gedrückt wird, um die notwendige druckdichte Verbindung zu erzielen. Bei den Ausführungsbeispielen findet der Wärmeaustausch beispielsweise zwischen einer in den Rohren 2 strömenden Flüssigkeit und einem Gas statt, das die Außenseite der Rohre 2 umströmt. Sollte es bei derartigen Wärmetauschern oder Sammlern erforderlich sein, einzelne Rohre 2, beispielsweise wegen Beschädigung auszuwechseln, ist dies ohne weiteres dadurch möglich, daß die entsprechenden Halteringe 3 entfernt, die Rohre 2 herausgenommen und durch neue Rohre 2 ersetzt werden und daß anschließend entsprechende Halteringe 3 eingesetzt werden. Auch ein kurzzeitiger Verschluß defekter Rohre bei weiterlaufendem Wärmetauscherbetrieb ist auf einfache Weise dadurch möglich, daß in die entsprechende Aufbohrung 1c in der Rohrplatte 1 passende Verschlußstopfen eingesetzt werden.

Claims

Wärmetauscher mit mindestens einer, vorzugsweise metallischen Rohrplatte (1) und einer Mehrzahl von in Bohrungen (1a) dieser Rohrplatte (1) angeordneten Rohren (2) aus Kunststoff, die zur Trennung der beiden am Wärmeaustausch beteiligten Medien druckdicht an der Rohrplatte (1) befestigt sind, wobei die Bohrungen (1a) mit einer Aufbohrung (1c) versehen sind und die Rohre (2) zur Befestigung an der Rohrplatte (1) durch ein elastisches Befestigungselement gehalten sind, das aus einem tellerfederartigen Haltering (3) gebildet ist, der mit seinem Außenrand an der Wand der Aufbohrung (1c) anliegt,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Rohre (2) zur Befestigung an der Rohrplatte (1) am jeweiligen Ende mit einem einstückig aus dem Rohrende gebildeten Flanschring (2a) versehen sind, der an der ringförmigen Auflagefläche (1b) zwischen Bohrung (1a) und Aufbohrung (1c) anliegt und durch den Haltering (3) gehalten ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Flanschring (2a) und der Rohrplatte (1) ein Dichtring (4) angeordnet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Flanschring (2a) mit U-förmigem Querschnitt in der Art einer Umbördelung um 90° bis 180° ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring (4) innerhalb des U-förmigen Querschnitts des Flanschringes (2) zwischen diesem und der an der Rohrplatte (1) ausgebildeten Auflagefläche (1b) angeordnet ist.