EP0437825A2 - Wärmetauscher mit Rohrboden und Anschlussstutzen - Google Patents

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EP0437825A2
EP0437825A2 EP90125371A EP90125371A EP0437825A2 EP 0437825 A2 EP0437825 A2 EP 0437825A2 EP 90125371 A EP90125371 A EP 90125371A EP 90125371 A EP90125371 A EP 90125371A EP 0437825 A2 EP0437825 A2 EP 0437825A2
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tube
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tube sheet
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • 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
    • F28F9/04—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates
    • F28F9/16—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates by permanent joints, e.g. by rolling
    • F28F9/165—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates by permanent joints, e.g. by rolling by using additional preformed parts, e.g. sleeves, gaskets
    • F28F9/167—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates by permanent joints, e.g. by rolling by using additional preformed parts, e.g. sleeves, gaskets the parts being inserted in the heat-exchange conduits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2275/00—Fastening; Joining
    • F28F2275/14—Fastening; Joining by using form fitting connection, e.g. with tongue and groove
    • 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
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S165/00—Heat exchange
    • Y10S165/454—Heat exchange having side-by-side conduits structure or conduit section
    • Y10S165/492—Plural conduits with ends connected to tube plate

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger according to the preamble of claim 1.
  • the object of the invention is therefore to develop a heat exchanger of the type mentioned in such a way that the pipes are gas-tightly connected to the plastic tube sheet, avoiding expensive processes, without additional adhesive and sealing elements being required.
  • connection is created in three steps, resulting in low longitudinal forces on the thin tubes. It is also advantageous that with many tubes per tube, each tube can be connected individually or in small groups. The connection process is more manageable and controllable and also more variable in production.
  • the flange of the connecting element must be firmly and tightly connected to the tube sheet.
  • the easiest way to do this is to provide an annular tongue and groove connection which is joined when the connecting element is pressed in. If the maximum marginal fiber expansion of the plastics used is observed, a perfectly sealed connection results.
  • the ultrasonic welding process can also be used due to the special conditions. This method has the great advantage that the connecting elements can be processed individually or in appropriate groups.
  • the annular recess of the connecting element according to the dependent claim fulfills two tasks. It picks up the possibly burring tube and interrupts a capillary that forms.
  • the invention also offers the essential advantages that dimensional tolerances and coaxiality errors of drawn tubes are largely compensated for. As a result, cheaper semi-finished products can be used. The further processing of the semi-finished product into pieces of pipe also becomes less complex since burr formation on the separating edge can be tolerated.
  • the absence of additional adhesive and sealing elements increases the security and long-term stability of the tightness as well as the chemical resistance of the connection.
  • the proposed solution enables a physical combination of materials and dimensions Parameters and the constructive boundary conditions, optimized connection.
  • the usability of almost any tube shape also enables the efficiency of the heat exchanger to be designed.
  • the proposed solution results in a positive feedback between internal pressure and tightness, so that there is an excellent tightness of the connection, especially at high internal pressures.
  • a further embodiment of the connecting element in particular for flat or oval tubes, has arch-shaped stiffeners which are mutually supported with intermediate webs.
  • the through holes can be made nozzle-shaped.
  • Fig. 1 shows a finished pipe connection with the tube sheet 1 made of plastic, tube 2 made of metal and also made of plastic connecting element 3.
  • the pipe 2 was expanded in a bore 1 'of the tube sheet 1 by a non-illustrated punch and at the same time the pipe end 4 flared.
  • the connecting piece 7 of the connecting element 3 is pressed into the tube 2, the funnel-shaped tube end 4 making it easier to press in.
  • the connecting element 3 also has a flange 5 which is connected to the tube sheet 1 in a liquid- and gas-tight manner by means of a tongue and groove connection 6.
  • An annular recess 8 is provided between the flange 5 and the connecting piece 7, in which the tube end 4 has space and which at the same time interrupts a capillary which is formed, which is particularly advantageous in the case of low internal pressures or underpressure. At high internal pressures, the seal between the connecting piece 7 and the inner tube wall is reinforced automatically.
  • Connection piece 7 has a sharp edge 9 on its end face, which thereby abuts the pipe wall with a sharp finish. So there is no wedge effect and none Jam in the case of a rapidly flowing medium which flows through the through hole 10 of the connecting element 3.
  • connecting element 11 for a flat tube 12.
  • Connecting element 11 is reinforced by arch-shaped stiffeners 13, which are mutually supported by stiffening webs 14.
  • guide elements 16 are arranged, which are designed so that they give the flowing medium a swirl in a freely selectable direction of rotation. (See arrows 17)
  • Fig. 4 shows a further embodiment of the invention, wherein the connecting elements 3 are connected by a stretchable intermediate webs 18 to form a molded part.
  • Fig. 5 shows a further embodiment of the finished pipe connection, in which the pipe 19 is frictionally connected to the tube sheet 20 and the tube end 21 above the tube sheet 20 has a radially outwardly extending flange 22 with a substantially U-shaped cross section.
  • a connecting element 23 is pressed into the tube 19, which is provided with an annular recess 24 directed towards the tube sheet 20, which includes the flange 22.
  • the tube sheet 20 has an annular nose 25 which engages in the flange 22.
  • FIG. 6 shows a further embodiment of the invention, in which the tube end 26 of tube 27 above the tube sheet 28 has a flange 29 with an essentially S-shaped cross section.

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Abstract

Bei einem Wärmetauscher sind zur Verbindung der Rohre (2) mit dem Rohrboden (1) getrennte Verbindungselemente (3) vorgesehen, deren Anschlußstutzen (7) reibschlüssig in das erweiterte Ende von Rohr (2) eingreifen und deren Flansche(5) flüssigkeits- und gasdicht mit dem Rohrboden (1) verbunden sind. Damit wird die Herstellung der Einzelteile wie auch der Zusammenbau günstiger, die Eigenschaften der Rohrverbindungen werden verbessert und es ist möglich, beliebige Rohrformen und Werkstoffkombinationen zu verwenden. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher gemäß Oberbegriff von Anspruch 1.
  • Es ist bekannt, die Rohre durch eine reibschlüssige Verbindung mit dem Anschlußkasten zu verbinden.
  • Die bekannten Ausführungen haben den Nachteil, daß sie teils verfahrenstechnisch und herstellungsmäßig aufwendig sind und teils die optimale maßliche Anpassung der unterschiedlichen Materialien im Verbindungsbereich Rohr-Rohrboden nicht möglich ist. Dadurch können je nach Ausführung nur relativ dickwandige Präzisions-Rundrohre mit sorgfältig entgrateten Enden und riefenfreier Oberfläche oder nur bestimmte Materialkombinationen verarbeitet werden. Haft- und Dichtelemente wie Klebstoffe und Gummi haben den Nachteil, daß sie bei Temperatur- und Temperaturwechselbeanspruchung und chemischer Beanspruchung unzuverlässig sind. Ein weiterer Nachteil bei fest mit dem Rohrboden verbundenen Verbindungsanordnungen ist, daß alle Rohre zusammen eingepresst werden müssen. Bei feingliedrigen und mit vielen Rohren bestückten Wärmetauscherblöcken ergeben sich erhebliche Preßkräfte, die im Widerspruch zu den dünnen Rohren stehen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art derart weiter zu bilden, daß die Rohre unter Vermeidung teuerer Verfahren mit dem Rohrboden aus Kunststoff gasdicht verbunden werden, ohne daß zusätzliche haft- und Dichtelemente benötigt werden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
  • Durch die erfindungsgemäße Verwendung eines getrennten Verbindungselements kann ein hoher radialer Anpreßdruck erzeugt werden, der nur durch die Werkstoffeigenschaften begrenzt ist. Die Verbindung wird dabei in drei Schritten erzeugt, wodurch sich geringe Längskräfte auf die dünnen Rohre ergeben. Von Vorteil ist auch, daß bei vielen Rohren pro Wärmetauscher jedes Rohr einzeln oder in kleinen Gruppen verbunden werden kann. Der Verbindungsvorgang ist so besser beherrschbar und kontrollierbar und auch variabler in der Herstellung.
  • Die Herstellung der Einzelteile als auch der Zusammenbau wird wirtschaftlich günstiger, die Eigenschaften der Rohrverbindung werden verbessert und es ist möglich, beliebige Rohrformen und Werkstoffkombinationen zu verwenden, um Wirkungsgrad, Raumbedarf und Kosten zu optimieren.
  • Der Flansch des Verbindungselements muß mit dem Rohrboden beständig und dicht verbunden werden. Dies geschieht am einfachsten dadurch, daß eine ringförmige Nut-Federverbindung vorgesehen ist, die beim Einpressen des Verbindungselements gefügt wird. Bei Beachtung der maximalen Randfaserdehnung der verwendeten Kunststoffe ergibt sich eine einwandfrei dichte Verbindung.
  • Bei engen Platzverhältnissen, die einen möglichst schmalen Flansch erfordern, kann auch das Ultraschall-Schweißverfahren angewandt werden Durch die besonderen Bedingungen bei diesem Verfahren ist von großem Vorteil, daß die Verbindungselemente einzeln oder in entsprechenden Gruppen verarbeitet werden können.
  • Die ringförmige Aussparung des Verbindungselements gemäß Unteranspruch erfüllt zwei Aufgaben. Sie nimmt das unter Umständen gratige Rohr auf und unterbricht eine sich bildende Kapillare.
  • Die Erfindung bietet außerdem die wesentlichen Vorteile, daß Maßtoleranzen und Koaxialitätsfehler gezogener Rohre in weiten Bereichen ausgeglichen werden. Dadurch kann billigeres Halbzeug verwendet werden. Auch die Weiterverarbeitung des Halbzeugs zu Rohrstücken wird weniger aufwendig, da eine Gratbildung an der Trennkante toleriert werden kann.
  • Ebenfalls vereinfacht wird die Herstellung des Rohrbodens als Kunststoffteil, da kein hochgenauer, empfindlicher Ringspalt erforderlich ist. Durch das dreistufige Verbindungsverfahren spielt die Längssteifigkeit der Rohre kaum eine Rolle wie bei dem bekannten Ringspaltverfahren, so daß die Wanddicke der Rohre nur den physikalischen und betrieblichen Anforderungen angepasst werden muß. Dies bedeutet in der Regel eine Verminderung der Wanddicke des Wärmetauscherrohres und damit weniger Materialeinsatz und Gewicht.
  • Vermieden wird auch die Gefahr einer Längsriefenbildung wie beim Einpressen des Rohres in einen engen Ringspalt. Dadurch sinkt die Ausschußquote bei Wärmetauschern, die eine Vielzahl von Rohrverbindungen haben. Der Verzicht auf zusätzliche Haft- und Dichtelemente erhöht die Sicherheit und Langzeitstabilität der Dichtheit sowie die Chemikalienbeständigkeit der Verbindung. Schließlich ermöglicht die vorgeschlagene Lösung durch eine geeignete Materialpaarung und Maßgestaltung eine an den physikalisch gegebenen Parametern und den konstruktiven Randbedingungen ausgerichtete, optimierte Verbindung. Die Verwendbarkeit nahezu beliebiger Rohrformen ermöglicht darüberhinaus eine am Wirkungsgrad orientierte Gestaltung des Wärmetauschers. Durch die vorgeschlagene Lösung ergibt sich eine positive Rückkopplung zwischen Innendruck und Dichtheit, sodaß sich gerade bei hohen Innendrucken eine ausgezeichnete Dichtheit der Verbindung ergibt.
  • Eine weitere Ausgestaltung des Verbindungselements, insbesondere für Flach-bzw Ovalrohre, hat gewölbeförmige Aussteifungen, die sich mit Zwischenstegen gegenseitig abstützen.
  • In den sich so ergebenden runden Durchgangsbohrungen befinden sich Leitelemente, die so ausgebildet sind, daß sie dem strömenden Medium einen Drall in frei wählbarem Drehsinn geben. Je nach den gegebenen Strömungsverhältnissen kann der benachbarte Kanal gleich- oder gegensinnig drehen. Die gegensinnige Drehung erzeugt stabile, zahnradartig ablaufende Strömungswalzen in langen Rohren. Die gleichsinnige Drehung ergibt eine gute Turbulenz in kurzen Rohren. Zur Verstärkung dieses Effektes können die Durchgangsbohrungen düsenförmig gestaltet werden.
  • Werden mehrere Rohre mit einem Rohrboden verbunden, so ist es vorteilhaft, wenn die vielen Verbindungselemente mit zum Toleranzausgleich dehnbaren Zwischenstegen zu einem Formteil verbunden werden. Herstellung und Handhabung werden dadurch entscheidend vereinfacht, ohne daß der Vorteil der einzelnen Verpressung verloren geht.
  • Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.
    Es zeigen:
    • Fig. 1
    Längsschnitt durch eine fertige Rohrverbindung
    Fig. 2
    Verbindungselement für Flachrohre, von oben
    Fig. 3
    Schnitt nach Linie III - III in Fig. 2
    Fig. 4
    Miteinander verbundene Verbindungselemente, von oben
    Fig. 5 und 6
    Längsschnitte durch weitere Ausführungsbeispiele der Rohrverbindung
  • Fig. 1 zeigt eine fertige Rohrverbindung mit dem Rohrboden 1 aus Kunststoff, Rohr 2 aus Metall und dem ebenfalls aus Kunststoff bestehenden Verbindungselement 3. Durch einen nicht dargestellten Ziehstempel wurde das Rohr 2 in einer Bohrung 1' des Rohrbodens 1 reibschlüssig aufgeweitet und gleichzeitig das Rohrende 4 aufgebördelt.
  • Der Anschlußstutzen 7 des Verbindungselements 3 ist in das Rohr 2 eingepresst, wobei das trichterförmige Rohrende 4 das Einpressen erleichtert.
  • Das Verbindungselement 3 weist außerdem einen Flansch 5 auf, der durch eine Nut-Federverbindung 6 flüssigkeits- und und gasdicht mit dem Rohrboden 1 verbunden ist.
  • Zwischen Flansch 5 und Anschlußstutzen 7 ist eine ringförmige Aussparung 8 vorgesehen, in der das Rohrende 4 Platz hat und die gleichzeitig eine sich bildende Kapillare unterbricht, was besonders bei niedrigen Innendrucken oder bei Unterdruck vorteilhaft ist. Bei hohen Innendrucken verstärkt sich die Abdichtung zwischen Anschlußstutzen 7 und Rohrinnenwand selbsttätig.
  • Anschlußstutzen 7 weist an seiner Stirnseite eine scharfe Kante 9 auf, die dadurch mit scharfem Abschluß an der Rohrwand anliegt. So ergibt sich keine Keilwirkung und kein Stau bei schnell fließendem Medium, das die Durchgangsbohrung 10 des Verbindungselementes 3 durchströmt.
  • Fig. 2 und 3 zeigen eine weitere Ausführung eines Verbindungselements 11 für ein Flachrohr 12. Verbindungselement 11 wird durch gewölbeförmige Aussteifungen 13 verstärkt, die sich durch Versteifungsstege 14 gegenseitig abstützen. In den sich so ergebenden, runden Durchgangsbohrungen 15 sind Leitelemente 16 angeordnet, die so ausgebildet sind, daß sie dem strömenden Medium einen Drall in frei wählbarem Drehsinn geben. (Siehe Pfeile 17)
  • Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, wobei die Verbindungselemente 3 durch dehnbare Zwischenstege 18 zu einem Formteil verbunden sind.
  • Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der fertigen Rohrverbindung, bei der das Rohr 19 reibschlüssig mit dem Rohrboden 20 verbunden ist und das Rohrende 21 über dem Rohrboden 20 eine sich radial nach außen erstreckende Bördelung 22 mit im wesentlichen U-förmigen Querschnitt aufweist. In das Rohr 19 ist ein Verbindungselement 23 eingepresst, das mit einer gegen den Rohrboden 20 gerichteten, ringförmigen Aussparung 24 versehen ist, die die Bördelung 22 einschließt. Der Rohrboden 20 weist eine ringförmige Nase 25 auf, die in die Bördelung 22 eingreift.
  • Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der das Rohrende 26 von Rohr 27 über dem Rohrboden 28 eine Bördelung 29 mit im wesentlichen S-förmigen Querschnitt aufweist. Beim Einpressen von Verbindungselement 30 dringt dabei das Ende der Bördelung 29 in eine ringförmige Aussparung 31 des Verbindungselementes 30 ein, womit gleichzeitig ein sicherer Halt des Rohrendes und die endgültige Ausformung der Bördelung 29 erreicht wird. Bei dieser Bördelung 29 wird außerdem die Verformbarkeit des Rohrmaterials weniger beansprucht.
  • Diese beiden Ausführungsformen bieten den wesentlichen Vorteil, daß die endgültige Verformung des Rohrendes (21 bzw 26) beim Fügevorgang durch das Verbindungselement (23 bzw 30) hergestellt wird. Dadurch ist automatisch sichergestellt, daß sich kein Toleranzspiel in der fertigen Rohrverbindung ergibt. Eine nennenswerte Relativbewegung zwischen Rohr (19 bzw 27) und Rohrboden (20 bzw 28) wird so sicher verhindert.

Claims (13)

  1. Wärmetauscher mit Rohrboden (1) und Anschlußstutzen (7) mit denen die Rohre (2) reibschlüssig verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (2,12,19,27) durch Erweiterung seines Endbereichs in einer Bohrung (1' ) des Rohrbodens (1,20,28) reibschlüssig mit diesem verbunden ist, daß ein getrenntes Verbindungselement (3,11,23,30) mit mindestens einer Durchgangsbohrung (10,15) vorgesehen ist, dessen Anschlußstutzen (7) reibschlüssig in das Rohr (2,12,19,27) eingreift und dessen Flansch (5) flüssigkeits-und gasdicht mit dem Rohrboden (1,20,28) verbunden ist und daß das Verbindungselement (3,11,23,30) zwischen Flansch (5) und Anschlußstutzen (7) eine gegen den Rohrboden (1,20,28) gerichtete, ringförmige Aussparung (8,24,31) aufweist.
  2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrende (4,21,26) eine sich radial nach außen erstreckende Verformung (22,29) aufweist.
  3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verformung als Bördelung (22) ausgebildet ist, die einen im wesentlichen U-förmigen Querschnitt aufweist.
  4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrboden (20) eine ringförmige Nase (25) aufweist, die in die Bördelung (22) eingreift.
  5. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verformung als Bördelung (29) ausgebildet ist, die einen im wesentlichen S-förmigen Querschnitt aufweist.
  6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die endgültige Verformung (22,29) des Rohrendes (21,26) beim Einpressen des Verbindungselements (23,30) erzeugt wird, so daß die Aussparung (24,31) die Bördelung (22,29) formschlüssig umschließt.
  7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlußstutzen (7) an seiner Stirnseite eine scharfe Kante (9) aufweist.
  8. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (2) an seinem Ende (4) trichterförmig erweitert ist.
  9. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet. daß zwischen Flansch (5) und Rohrboden (1,20,28) eine Nut-Federverbindung (6) vorgesehen ist.
  10. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Durchgangsbohrung (15) ein Leitelement (16) angeordnet ist, das auf das Strömungsverhalten des strömenden Mediums einwirkt.
  11. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (11) mehrere Durchgangsbohrungen (15) mit Leitelementen (16) aufweist, die so angeordnet sind, daß das strömende Medium in benachbarten Durchgangsbohrungen (15) in eine beliebige Drehung versetzt wird.
  12. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungselemente (3) mit Zwischenstegen (18) miteinander verbunden sind.
  13. Wärmetauscher nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenstege (18) dehnbar ausgebildet sind.
EP90125371A 1990-01-13 1990-12-22 Wärmetauscher mit Rohrboden und Anschlussstutzen Expired - Lifetime EP0437825B1 (de)

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DE4000823 1990-01-13
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