EP1815204B1 - Rohrbündelhochdruckwärmetauscher - Google Patents

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EP1815204B1
EP1815204B1 EP05803059A EP05803059A EP1815204B1 EP 1815204 B1 EP1815204 B1 EP 1815204B1 EP 05803059 A EP05803059 A EP 05803059A EP 05803059 A EP05803059 A EP 05803059A EP 1815204 B1 EP1815204 B1 EP 1815204B1
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EP
European Patent Office
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tube
temperature
heat exchanger
end plate
shell
Prior art date
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EP05803059A
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English (en)
French (fr)
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EP1815204A1 (de
Inventor
Stefan Ehrlicher
Robert Brunner
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KraussMaffei Technologies GmbH
Original Assignee
KraussMaffei Technologies GmbH
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Publication date
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Priority to SI200530666T priority patent/SI1815204T1/sl
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Application granted granted Critical
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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
    • F28F9/04—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates
    • F28F9/06—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates by dismountable joints
    • F28F9/14—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates by dismountable joints by force-joining
    • 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
    • F28D7/16—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 being arranged in parallel spaced relation
    • F28D7/163—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 being arranged in parallel spaced relation with conduit assemblies having a particular shape, e.g. square or annular; with assemblies of conduits having different geometrical features; with multiple groups of conduits connected in series or parallel and arranged inside common casing
    • F28D7/1638—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 being arranged in parallel spaced relation with conduit assemblies having a particular shape, e.g. square or annular; with assemblies of conduits having different geometrical features; with multiple groups of conduits connected in series or parallel and arranged inside common casing with particular pattern of flow or the heat exchange medium flowing inside the conduits assemblies, e.g. change of flow direction from one conduit assembly to another one
    • F28D7/1646—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 being arranged in parallel spaced relation with conduit assemblies having a particular shape, e.g. square or annular; with assemblies of conduits having different geometrical features; with multiple groups of conduits connected in series or parallel and arranged inside common casing with particular pattern of flow or the heat exchange medium flowing inside the conduits assemblies, e.g. change of flow direction from one conduit assembly to another one with particular pattern of flow of the heat exchange medium flowing outside the conduit assemblies, e.g. change of flow direction
    • 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
    • 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
    • F28F2275/20—Fastening; Joining with threaded elements
    • F28F2275/205—Fastening; Joining with threaded elements with of tie-rods

Definitions

  • the invention relates to a tube bundle high pressure heat exchanger according to the preamble of claim 1.
  • Tube bundle heat exchangers are well known.
  • the DE 31 42 921 the DE 31 02 705 , the DD 269 657 , utility model G 8 903 349, utility model G 8 601 340, the DE 36 01 588 and the JP 62158992 pointed.
  • a heat exchanger for heating an oxidizing gas in which a tube bundle is accommodated in a tempering space.
  • the ends of the tubes of the tube bundle are received in two-part plates, the flow channels, partly for connecting a plurality of tubes with each other, partly for connection to a supply or discharge chamber.
  • the supply and discharge chamber are formed by covers which are sealingly secured to the housing.
  • the US 2,196,683 discloses analogously to EP 1 1014 026 a shell and tube heat exchanger in which a tube bundle is arranged between two perforated plate units.
  • Each perforated plate unit comprises two perforated plates, with an intermediate seal.
  • the two perforated plates of a respective unit can be pressed together by means of a screw in such a way that the interposed seal is spread apart and pressed against the tubes to form a seal.
  • a chamber forming caps are also attached to the housing, which caps then with corresponding inflows and outflows in Fluid communication stand.
  • a shell and tube heat exchanger in which a lower substantially two-piece constructed media plate receives the ends of the tubes of a tube bundle.
  • the opposite tube ends are received in a plurality of connection heads that can move within a housing.
  • the respective connection heads establish a flow connection between the pipe ends received in them.
  • All these heat exchangers have in common that a working medium to be tempered is passed through a multiplicity of tubes which are combined to form a tube bundle and which are surrounded by a temperature-control medium. Due to the temperature exchange, the working medium flowing through the tubes can be brought to the desired temperature, ie heated or cooled.
  • the field of application of such tube bundle heat exchangers is extremely diverse.
  • a small field of application is the temperature control of working media in the field of polyurethane processing.
  • the two components isocyanate and polyol can be heated to the required temperature, for example, 20 ° C.
  • a heat exchanger in a conventional manner either in the return line to the material storage or arranged between the material storage and the high-pressure pump.
  • the problem here is that so that the temperature control of the working media can not be performed immediately before the mixing head, since, for example, the heat generated by the operation of the pump is transferred to the working fluid, which is then fed to the mixing head in an undesirable manner.
  • Object of the present invention is to provide a tube bundle high pressure heat exchanger, which is inexpensive and easy to assemble due to its simple structural design.
  • An essential idea of the present invention is to introduce the tube ends of the individual tube of the tube bundle heat exchanger into precisely executed holes of end plates and to seal them with a seal opposite the tempering space in which the temperature control medium is located. If the two end plates are set against each other, then the tubes arranged therebetween are also fixed and can move, if at all, only in a minimal range in the axial direction. Due to the precise shape of the bore in combination with the seal and pressure requirements of 250 bar and above can be met. Overall, you can Avoid complex welding of the pipe ends with the end plate with this construction. The connection of the individual pipe interiors is made depending on the construction in one or both end plates. Depending on the embodiment of the tube bundle high-pressure heat exchanger, one or more flow spaces may be provided in a closure plate. The arrangement and design of the flow spaces depends on the intended guidance of the working medium as well as the tempering medium. Individual options will be discussed below.
  • the flow spaces in the end plates can be produced by a multiplicity of blind bores, with the opening of the blind bore being sealed to the outside environment with grafts.
  • the end plates are the most complex to be machined workpieces of the entire workpiece.
  • a significant price reduction can also be achieved by a corresponding increase in the number of units.
  • the determination of the end plates against each other can for example be done by being supported in the direction of each other by the housing.
  • the housing which is preferably formed in a cylindrical shape, are supported on corresponding seats of the end plates.
  • the two end plates can be braced for example by the use of tie rods, which in one embodiment radially outside the tube housing, distribute over the outer circumference of the housing and extend parallel to the axis of the tube housing.
  • the housing is usually sealed at the transition to the end plates, so that no temperature control can escape from the tempering to the outside environment.
  • the Fig. 1 shows a tube bundle high-pressure heat exchanger according to the invention in a perspective view, with only the two end plates 12 and 14, the interposed housing 16, which is designed in a cylindrical shape, and a plurality of tie rods 18 are shown.
  • a plurality of tie rods 18 are provided, which are aligned parallel to the axis of the housing 16 and the two end plates 12 and 14 with the interposition of the housing 16 clamp together.
  • each drawbar extends at each end through a hole in the end plate 12 and 14.
  • Fig. 1 On the right side of the picture only the threads 20 of the drawbar ends are shown. Nuts are screwed onto these threads when fully assembled.
  • the present tube bundle high pressure heat exchanger according to Fig. 1 represents with its end plates 12 and 14, the housing 16 and the tie rods 18 is a very compact form.
  • each tube 17 is arranged, as shown in particular from Figures 3 . 5 and 6 can be seen.
  • the respective pipe ends are accurately received in holes 36.
  • seals 40 which seal the flow interior of each tube 17 relative to the temperature control 15.
  • Each of the bores 36 has a stepped seat 38 designed as a stop, which prevents an axial displacement of the pipe beyond a certain extent.
  • the individual tubes 17 are respectively inserted accurately into the respective holes 36 and sealed with the seals 40.
  • the length of the tubes with respect to the seats 38 is chosen so that a very small clearance of, for example, 1 mm is possible.
  • the seats 38 prevent the tubes from moving too much in the axial direction and, for example, escape from the bores, thereby disengaging the seals 40.
  • a first flow space 32 which is also via the holes 36 in the connection plate 12 with a certain number of cooling tubes 17 in conjunction.
  • These tubes are called tubes of the first kind below.
  • a further, in the present case smaller flow space 31 is formed, which connects the lower three tubes 17 with each other.
  • These tubes are called tubes of the second kind below. This flow space is accessible via a connection 29.
  • the first larger flow space 32 is accessible via a port 27.
  • the flow space 30 of the end plate 14 is not accessible from the outside.
  • the Stromungsweg of the medium to be tempered by the tube bundle high pressure heat exchanger as follows.
  • the working medium flows via the connection 29 into the flow space 31 and from there into the three lower cooling tubes 17 of the second type.
  • the working medium flows in the direction of the end plate 14 and is thereby heated in the tempering space in which the tubes from the temperature control medium to be flowed around, influenced by temperature.
  • the working medium flows into the flow space 30 and from there it distributes itself into the remaining tubes 17 of the first kind, in which it flows in turn in the direction of the end plate 12. On its way through the pipes, it is again influenced by temperature in the temperature control room by the temperature control medium.
  • the working medium flows into the common flow space 32 and from there it can be removed via the connection 27 serving as a drain.
  • the temperature control can be passed through the temperature control 15 in various ways.
  • two connections 24 and 25 are arranged in the end plate 14, which communicate with the temperature control chamber 15 via further bores 33 ', 33 "
  • tempering medium in the region of the end plate 12 can be introduced into the temperature control chamber 15 via the tempering medium connections 24 and 25, guided through the tempering space 15 and removed from the tempering space 15 in the region of the end plate 14.
  • two sealing plugs 28 'and 28 are arranged in the end plate 12, which close off holes provided in the end plate 12 and pass through them Connection 24 with a stopper too close, however, replace the plug 28 'by a connector.
  • the temperature control medium are supplied, which is then discharged via the terminal 25 again. It is also possible - depending on the design of the flow spaces - in the end plates to initiate the working medium on one side of the tube bundle high-pressure heat exchanger and dissipate on the other side again. In this case, only one flow space must be provided on both sides, which connects all the tubes 17 fluidically with each other.
  • the present embodiment enables a very simple and cost-effective production of a corresponding tube bundle high-pressure heat exchanger.
  • the most complex are the respective end plates 12 and 14 in the manufacture. However, a price reduction can be achieved by producing a corresponding number of end plates.
  • the remaining components such as the length of the housing 16, the length of the tubes 17 and the length of the tie rods can be selected accordingly, so that a heat exchanger longer or shorter design can be made. On the end plates 12 and 14, this has no effect.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Rohrbündelhochdruckwärmetauscher gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Rohrbündelwärmetauscher sind allgemein bekannt. In diesem Zusammenhang wird als allgemeiner Stand der Technik auf die DE 31 42 921 , die DE 31 02 705 , die DD 269 657 , das Gebrauchsmuster G 8 903 349, das Gebrauchsmuster G 8 601 340, die DE 36 01 588 und die JP 62158992 hingewiesen.
  • In der EP 1 014 026 A2 ist ein Wärmetauscher zur Erwärmung eines oxidierenden Gases beschrieben, bei dem ein Rohrbündel in einem Temperierraum aufgenommen ist. Die Enden der Rohre des Rohrbündels sind in zweiteiligen Platten aufgenommen, die Strömungskanäle, teils zum Verbinden von mehreren Rohren untereinander, teils zum Verbinden mit einem Zufuhr- oder Abflusskammer aufweisen. Die Zufuhr- und Abflusskammer sind mittels Abdeckungen gebildet, die am Gehäuse dichtend befestigt sind.
  • Die US 2,196,683 offenbart analog der EP 1 1014 026 einen Rohrbündelwärmetauscher, bei dem ein Rohrbündel zwischen zwei Lochplatten-Einheiten angeordnet ist. Jede Lochplatten-Einheit umfasst zwei Lochplatten, mit einer zwischengeschalteten Dichtung. Durch Anordnung eines zentralen Zugelements lassen sich mittels einer Schraube die beiden Lochplatten einer jeweiligen Einheit derart zusammenpressen, dass die zwischengeschaltete Dichtung auseinander- und an die Rohre zur Ausbildung einer Dichtung gedrückt wird. Stirnseitig sind ebenfalls eine Kammer bildende Kappen an dem Gehäuse befestigt, wobei diese Kappen dann mit entsprechenden Zu- und Abflüssen in Strömungsverbindung stehen.
  • Aus der US 1,954, 356 ist ein Rohrbündelwärmetauscher bekannt, bei der eine untere im wesentlichen zweiteilig aufgebaute Medienplatte die Enden der Rohre eines Rohrbündels aufnimmt. Die gegenüberliegenden Rohrenden sind in mehreren Verbindungsköpfen aufgenommen, die sich innerhalb eines Gehäuses bewegen können. Die jeweiligen Verbindungsköpfe stellen eine strömungsverbindung zwischen den in ihnen aufgenommenen Rohrenden her.
  • All diesen Wärmetauschern ist gemein, dass ein zu temperierendes Arbeitsmedium durch eine Vielzahl von zu einem Rohrbündel vereinigten Rohren geleitet wird, welche von einem Temperiermedium umspült werden. Durch den Temperaturaustausch kann das die Rohre durchströmende Arbeitsmedium auf die gewünschte Temperatur gebracht, also aufgeheizt oder abgekühlt werden. Der Einsatzbereich solcher Rohrbündelwärmetauscher ist äußerst vielfältig.
  • Ein kleiner Anwendungsbereich ist die Temperierung von Arbeitsmedien im Bereich der Polyurethanverarbeitung. So können die beiden Komponenten Isocyanat und Polyol auf die erforderliche Temperatur von beispielsweise 20° C temperiert werden. Bei einer solchen Anordnung, bei der die beiden Arbeitsmedien jeweils aus einem Speicher unter Zwischenschaltung einer Hochdruckpumpe einem Mischkopf zugeführt und von dort je nach Betrieb des Mischkopfs wieder in den Speicher zurückgeführt werden, ist ein Wärmetauscher in herkömmlicher Weise entweder in der Rückführleitung zum Materialspeicher oder aber zwischen dem Materialspeicher und der Hochdruckpumpe angeordnet. Problematisch hierbei ist allerdings, dass damit die Temperaturregelung der Arbeitsmedien nicht unmittelbar vor dem Mischkopf durchgeführt werden kann, da beispielsweise die durch den Betrieb der Pumpe entstehende Wärme an das Arbeitsmedium übertragen wird, welches dann in nicht gewünschter Weise erwärmt dem Mischkopf zugeführt wird.
  • Aus diesem Grund gibt es auch bereits Anordnungen, bei denen der Wärmetauscher zwischen der Hochdruckpumpe und dem Mischkopf zwischengeschaltet ist. Allerdings wird dieser Abschnitt im Hochdruckbetrieb gefahren, wobei Drücke von 250 bar und darüber auftreten können. Aus diesem Grund ist es für einen Wärmetauscher, der in diesem Bereich angeordnet werden soll, erforderlich, besonderen Druckanforderungen standzuhalten. Es muss sich dabei um einen Hochdruckwärmetauscher handeln. Aus diesem Grund scheiden einige bekannte Bauarten von Wärmetauschern, z.B. Plattenwärmetauscher, konstruktionsbedingt aus.
  • Bereits bekannt ist die Verwendung von Rohrbündelwärmetauscher für diesen Hochdruckbereich, wobei üblicherweise die einzelnen Rohre mit Endplatten verschweißt sind. Diese Schweißarbeiten sind recht aufwendig und kostenintensiv, da sie nur von hochspezialisiertem und besonders befähigtem Personal durchgeführt und einzeln vorgenommen werden müssen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Rohrbündelhochdruckwärmetauscher anzugeben, der aufgrund seines einfachen konstruktiven Aufbaus kostengünstig und leicht zu montieren ist.
  • Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
  • Ein wesentlicher Gedanke der vorliegenden Erfindung ist es, die Rohrenden der einzelnen Rohr des Rohrbündelwärmetauschers in passgenau ausgeführte Bohrungen von Abschlussplatten einzuführen und mit einer Dichtung gegenüber dem Temperierraum, in dem sich das Temperiermedium befindet, abzudichten. Sind die beiden Abschlussplatten gegeneinander festgelegt, so sind damit auch die dazwischen angeordneten Rohre festgelegt und können sich - wenn überhaupt - nur in einem minimalen Bereich in Axialrichtung bewegen. Aufgrund der passgenauen Ausformung der Bohrung in Kombination mit der Dichtung können auch Druckerfordernisse von 250 bar und darüber erfüllt werden. Insgesamt lassen sich mit dieser Konstruktion aufwendige Schweißarbeiten der Rohrenden mit der Abschlussplatte vermeiden. Die Verbindung der einzelnen Rohrinnenräume wird je nach Konstruktion in einer oder beiden Abschlussplatten hergestellt. Dabei kann je nach Ausführungsform des Rohrbündelhochdruckwärmetauschers in einer Abschlussplatte ein oder mehrere Strömungsräume vorgesehen sein. Die Anordnung und Ausbildung der Strömungsräume hängt von der beabsichtigten Führung des Arbeitsmediums wie auch des Temperiermediums ab. Auf einzelne Möglichkeiten wird nachfolgend noch eingegangen.
  • Die Strömungsräume in den Abschlussplatten lassen sich insbesondere durch eine Vielzahl von Sackbohrungen herstellen, wobei die Öffnung der Sackbohrung an die Außenumgebung mit Pfropfen abgedichtet sind. Damit sind die Abschlussplatten die am aufwendigsten zu bearbeitenden Werkstücke des gesamten Werkstückes. Allerdings kann durch eine entsprechende Erhöhung der Stückzahlen auch hier eine signifikante Preisreduzierung erreicht werden.
  • Die Festlegung der Abschlussplatten gegeneinander kann beispielsweise dadurch geschehen, dass sie in Richtung zueinander durch das Gehäuse abgestützt sind. Beispielsweise kann das Gehäuse, welches vorzugsweise in zylindrischer Form ausgebildet ist, sich an entsprechenden Sitzen der Abschlussplatten abstützen. Durch das Gehäuse und die beiden Abschlussplatten wird der Temperierraum definiert. Verspannt werden können die beiden Abschlussplatten beispielsweise durch die Verwendung von Zugstangen, die sich in einer Ausführungsform radial außerhalb des Rohrgehäuses, über den Außenumfang des Gehäuses verteilen und parallel zur Achse des Rohrgehäuses erstrecken. Auch das Gehäuse ist in der Regel am Übergang zu den Abschlussplatten abgedichtet, so dass kein Temperiermedium aus dem Temperierraum an die Außenumgebung austreten kann.
  • Natürlich lassen sich auch andere Möglichkeiten für die Festlegung der Abschlussplatten gegeneinander finden. So ist es möglich, das Gehäuse und die Abschlussplatten an ihren Enden einfach gegenseitig mittels einer Vielzahl von Schrauben zu verbinden. Auch ist es möglich, in den Abschlussplatten sowie dem Gehäuse korrespondierende Links- und Rechtsgewinde vorzusehen, so dass die beiden Abschlussplatten gleichzeitig und mit gleichem Drehsinn und parallel in das Gehäuse eingeschraubt werden können. Die beiden Abschlussplatten bewegen sich bei diesem Schraubvorgang etwas aufeinander zu, werden relativ zueinander jedoch nicht verdreht.
  • Auch jegliche andere Festlegungen der Abschlussplatten zueinander unter Ausbildung eines abgedichteten Temperiermediums zusammen mit dem Gehäuse sind natürlich möglich.
  • Um zu verhindern, dass sich die einzelnen Rohrenden in den Bohrungen evtl. über die Dichtung hinaus bewegen, sind in den Bohrungen als Anschläge dienende Sitze ausgeführt, gegen die die einzelnen Rohre nicht weiter in eine Richtung verschoben werden können. Einzelheiten dazu sind im nachfolgenden Ausführungsbeispiel zu finden.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rohrbündelwärmetauschers und mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:
    • Fig.1:
    eine perspektivische Darstellung eines zusammengebauten erfindungsgemäßen Rohrbündelhochdruckwärmetauschers,
    Fig. 2:
    eine Seitenansicht des Rohrbündelhochdruckwärmetauschers gemäß Fig. 1,
    Fig. 3:
    eine Schnittdarstellung des Rohrbündelhochdruckwärmetauschers gemäß Schnitt A-A aus Fig. 4a,
    Fig. 4a und 4b:
    jeweils Ansichten der beiden Stirnseiten,
    Fig. 4c und 4d:
    jeweils Schnittdarstellungen im Schnitt C-C und B-B durch die beiden Abschlussplatten,
    Fig.5:
    eine perspektivische Teilschnittdarstellung des Endes des Rohrbündelhochdruckwärmetauschers aus Fig. 1 und
    Fig. 6:
    eine Detallschnittdarstellung des gleichen Endes wie in Fig. 5.
  • Die vorliegende Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rohrbündelhochdruckwärmetauschers stellt nur eine Alternative der Erfindung dar, soll jedoch nicht beschränkend gesehen werden, da die Erfindung auch viele andere Ausführungsformen erfasst, die im Bereich des auf dem vorliegenden Gebiet tätigen Fachmanns liegen.
  • Die Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Rohrbündelhochdruckwärmetauscher in perspektivischer Ansicht, wobei lediglich die beiden Abschlussplatten 12 und 14, das dazwischen angeordnete Gehäuse 16, welches in zylindrischer Form ausgeführt ist, sowie mehrere Zugstangen 18 dargestellt sind.
  • Wie in den Figuren 5 und 6 beispielsweise ersichtlich ist, sitzt das als Gehäuse ausgebildete zylindrische Rohr 16 an beiden Seiten jeweils auf einem korrespondierendem zylindrischen Sitz 42 der Abschlussplatten 12 und 14. Auf diese Weise sind die beiden Abschlussplatten 12 und 14 in Richtung aufeinander zu sowie in radialer Richtung fixiert. Die beiden Abschlussplatten 12 und 14 bilden zusammen mit dem Gehäuse 16 im Inneren den Temperierraum 15 aus.
  • Radial außerhalb des Gehäuses 16 und über den Außenumfang verteilt sind eine Vielzahl von Zugstangen 18 vorgesehen, die parallel zur Achse des Gehäuses 16 ausgerichtet sind und die beiden Abschlussplatten 12 und 14 unter Zwischenschaltung des Gehäuses 16 miteinander verspannen. Dabei erstreckt sich jede Zugstange an jedem Ende durch eine Bohrung in der Abschlussplatte 12 bzw. 14. In Fig. 1 sind auf der im Bild rechten Seite lediglich die Gewinde 20 der Zugstangenenden dargestellt. Auf diese Gewinde werden im vollständig zusammengebauten Zustand noch Muttern aufgeschraubt.
  • Der vorliegende Rohrbündelhochdruckwärmetauscher gemäß Fig. 1 stellt mit seinen Abschlussplatten 12 und 14, dem Gehäuse 16 und den Zugstangen 18 eine sehr kompakte Form dar.
  • Innerhalb des Gehäuses 16 - im Temperierraum 15 - sind eine Vielzahl von Rohren 17 angeordnet, wie dies insbesondere aus den Figuren 3, 5 und 6 zu erkennen ist. Die jeweiligen Rohrenden sind in Bohrungen 36 passgenau aufgenommen. Zwischen der Außenfläche der Rohrenden und der Innenwandung der jeweiligen Bohrungen sind überdies Dichtungen 40 vorgesehen, welche den Strömungsinnenraum eines jeden Rohres 17 gegenüber dem Temperierraum 15 abdichten. Jede der Bohrungen 36 weist einen als Anschlag ausgebildeten, gestuften Sitz 38 auf, der eine Axialverschiebung des Rohres über ein bestimmtes Maß hinaus unterbindet. Sind die Längen der Rohre 17, des Gehäuses 16 und der Zugstangen 18 sowie die Dimension der Abschlussplatten 12 und 14 bzw. deren Bohrungen aufeinander abgestimmt, so können sich die Rohre im zusammengebauten Zustand nur geringfügig in Axialrichtung bewegen. Wie insbesondere in Fig. 3 zu erkennen ist, sind die einzelnen Rohre 17 jeweils passgenau in die jeweiligen Bohrungen 36 eingesteckt und mit den Dichtungen 40 abgedichtet. Die Länge der Rohre in Bezug auf die Sitze 38 ist so gewählt, dass ein sehr geringfügiges Spiel von beispielsweise einem 1 mm möglich ist. Die Sitze 38 verhindern jedoch, dass sich die Rohre zu sehr in Axialrichtung bewegen und beispielsweise aus den Bohrungen austreten und dabei außer Eingriff mit den Dichtungen 40 kommen.
  • In der vorliegenden Ausführungsform sind in beiden Abschlussplatten 12 und 14 verschiedene Strömungsräume ausgebildet. Der konstruktive Aufbau dieser Strömungsräume soll nun mit Bezug auf die Figuren 3 sowie 4c und 4d erläutert werden.
  • In der Abschlussplatte 12 ist durch eine Vielzahl von Sackbohrungen, welche mit Stopfen 22 verschlossen sind, ein erster Strömungsraum 32 ausgebildet, welcher auch über die Bohrungen 36 in der Anschlussplatte 12 mit einer bestimmten Anzahl von Kühlrohren 17 in Verbindung steht. Diese Rohre werden nachfolgend Rohre erster Art genannt. Auf der gegenüberliegenden Seite, nämlich in der Abschlussplatte 14, ist ein einziger großer und zusammenhängender Strömungsraum für das Arbeitsmedium ausgebildet, welcher alle in diese Abschlussplatte mündenden Rohre 17 miteinander verbindet. Überdies ist in der Abschlussplatte 12 ein weiterer, im vorliegenden Fall kleinerer Strömungsraum 31 ausgebildet, der die unteren drei Rohre 17 miteinander verbindet. Diese Rohre werden nachfolgend Rohre zweiter Art genannt. Dieser Strömungsraum ist über einen Anschluss 29 zugänglich. Der erste größere Strömungsraum 32 hingegen ist über einen Anschluss 27 zugänglich. Der Strömungsraum 30 der Abschlussplatte 14 ist von außen nicht zugänglich.
  • Bei diesem konstruktiven Aufbau ist der Stromungsweg des zu temperierenden Mediums durch den erfindungsgemäßen Rohrbündelhochdruckwärmetauscher wie folgt. Das Arbeitsmedium strömt über den Anschluss 29 in den Strömungsraum 31 und von dort in die drei unteren Kühlrohre 17 zweiter Art. In diesen drei Kühlrohren 17 zweiter Art strömt das Arbeitsmedium in Richtung zur Abschlussplatte 14 und wird dabei im Temperierraum, in dem die Rohre vom Temperiermedium umströmt werden, temperaturmäßig beeinflusst. Am Ende der unteren drei Rohre 17 strömt das Arbeitsmedium in den Strömungsraum 30 und von dort verteilt es sich in die übrigen Rohre 17 erster Art, in denen es wiederum in Richtung der Abschlussplatte 12 fließt. Auf seinem Weg durch die Rohre wird es wiederum im Temperierraum vom Temperiermedium temperaturmäßig beeinflusst. Am Ende der Rohre 17 strömt das Arbeitsmedium in den gemeinsamen Strömungsraum 32 und von dort kann es über den als Abfluss dienenden Anschluss 27 abgeführt werden.
  • Damit bleibt noch die Führung des Temperiermediums zu beschreiben. Das Temperiermedium kann auf verschiedenste Weise durch den Temperierraum 15 geleitet werden. Vorliegend sind in der Abschlussplatte 14 zwei Anschlüsse 24 und 25 angeordnet, welche über weitere Bohrungen 33', 33" mit dem Temperierraum 15 in Verbindung stehen. An einer der Bohrung 33' ist ein Distanzrohr (nicht näher dargestellt) angeschlossen, welches mit seinem anderen Ende im Bereich der Abschlussplatte 12 mündet. Auf diese Weise kann über die Temperiermediumanschlüsse 24 und 25 Temperiermedium im Bereich der Abschlussplatte 12 in den Temperierraum 15 eingeleitet, durch den Temperierraum 15 geführt und im Bereich der Abschlussplatte 14 aus dem Temperierraum 15 entnommen werden.
  • Vorliegend sind in der Abschlussplatte 12 zwei Verschlussstopfen 28' und 28" angeordnet, welche in der Abschlussplatte 12 vorgesehene und durch sie hindurchreichende Bohrungen verschließen. Je nach Bedarf können auch diese beiden Bohrungen zum Anschluss der Temperiermediumsversorgung verwendet werden. So ist es beispielsweise möglich, den Anschluss 24 mit einem Stopfen zu verschließen, dagegen den Stopfen 28' durch einen Anschlussstück auszutauschen. In diesem Fall kann beispielsweise über das anstelle des Verschlussstopfen 28' vorgesehene Anschlussstück das Temperiermedium zugeführt werden, welches dann über den Anschluss 25 wieder abgeführt wird. Ebenso ist es - je nach Konstruktion der Strömungsräume - in den Abschlussplatten möglich, das Arbeitsmedium auf einer Seite des Rohrbündelhochdruckwärmetauschers einzuleiten und auf der anderen Seite wieder abzuführen. In diesem Fall müssen auf beiden Seiten lediglich jeweils ein Strömungsraum vorgesehen sein, der sämtliche Rohre 17 strömungstechnisch miteinander verbindet.
  • Die vorliegende Ausführungsform ermöglicht eine sehr einfache und kostengünstige Herstellung eines entsprechenden Rohrbündelhochdruckwärmetauschers. Am komplexesten sind die jeweiligen Abschlussplatten 12 und 14 in der Herstellung. Dabei lässt sich jedoch eine Preisreduzierung bei Herstellung einer entsprechenden Anzahl der Abschlussplatten realisieren. Je nach Temperierleistung können dann die übrigen Komponenten, wie die Länge des Gehäuses 16, die Länge der Rohre 17 und die Länge der Zugstangen entsprechend gewählt werden, so dass ein Wärmetauscher längerer oder kürzerer Bauart hergestellt werden kann. Auf die Abschlussplatten 12 und 14 hat dies keinerlei Einfluss.
  • Beim Zusammenbau müssen lediglich die Rohre 17 in die Bohrungen einer Abschlussplatte eingesteckt werden. Darüber ist das Gehäuse 16 zu stülpen, wobei gegebenenfalls noch Umlenkbleche eingeschoben werden. Am anderen Ende ist dann die andere Abschlussplatte aufzuschieben. Anschließend muss die Anordnung durch Einfügen und Befestigen der Zugstangen zu einer kompakten Einheit zusammengefügt werden. Es ist keinerlei Schweißvorgang mehr erforderlich, und auch die Hochdruckanforderungen sind mit dieser Anordnung ohne weiteres zu erfüllen.
    • Bezugszeichenliste
    • 10
    Rohrbündelhochdruckwärmetauscher
    12
    Erste Abschlussplatte
    14
    Zweite Abschlussplatte
    15
    Temperierraum
    16
    Mantelrohr
    17
    Kühlrohr
    18
    Zugstangen
    20
    Gewindekopf
    22
    Verschlussstopfen
    24
    Kühlmittelanschlussstopfen (Zufluss)
    25
    Kühlmittelanschlussstopfen (Abfluss)
    26
    Schraubenmutter
    27
    Arbeitsmedium-Anschlussstopfen (Zufluss)
    28
    Verschlussstopfen
    29
    Arbeitsmedium-Anschlussstopfen (Abfluss)
    30
    Strömungsraum
    31
    Strömungsraum
    32
    Strömungsraum
    33', 33"
    Bohrungen in der Abschlussplatte 14
    36
    Bohrung für Kühlrohr
    38
    Anschlag
    40
    Dichtung
    42
    Aufnahmesitz
    44
    Dichtung

Claims (17)

  1. Rohrbündelhochdruckwärmetauscher zur Temperierung eines Arbeitsmediums umfassend
    - einen Temperierraum (15), der von einem Gehäuse (16) umgeben und an den zwei gegenüberliegenden Stirnseiten jeweils von einer Abschlussplatte (12, 14) begrenzt ist,
    - ein eine Vielzahl von Rohren (17) umfassendes Rohrbündel, welches im Temperierraum (15) aufgenommen ist,
    - einen ersten Strömungsraum (31) in einer Abschlussplatte (12, 14), der mit Rohren (17) des Rohrbündels strömungsverbunden ist,
    - einen zweiten Strömungsraum (32) in einer Abschlussplatte (12, 14), der mit Röhren (17) des Rohrbündels strömungsverbunden ist,
    - eine zweite Zufuhreinrichtung (24), mit der ein Temperiermedium dem Temperierraum (15) zugeführt werden kann,
    - eine zweite Abführvorrichtung (25), mit der das Temperiermedium aus dem Temperierraum (15) abgeführt werden kann,
    wobei
    - das Arbeitsmedium und das Temperiermedium sich in unterschiedlichen Strömungsräumen bewegt und damit voneinander getrennt sind,
    - zumindest in einer der Abschlussplatten (12, 14) eine Reihe von zu den Rohren (17) des Rohrbündels passgenauen Bohrungen (36) zur Aufnahme der Rohrenden ausgebildet sind,
    - jedes Rohrende in eine Bohrung (36) eingesteckt und darin abgedichtet aufgenommen ist,
    - durch die Strömungsräume (31, 32) sich mehrere Rohre (17) miteinander strömungstechnisch verbinden lassen und
    - die beiden Abschlussplatten (12, 14) unter Abstützung gegenüber dem Gehäuse (16) räumlich gegeneinander festgelegt sind,
    - zumindest in einer Abschlussplatte (12, 14) eine oder mehrere Strömungsräume (30, 31, 32) vorgesehen sind, mit denen sich ein oder mehrere Rohre (17) miteinander strömungstrechnisch verbinden lassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschlussplatten (12, 14) einteilig, jeweils die stirnseitige Begrenzung des Rohrbündelhochdruckwärmetauschers darstellend ausgebildet sind, der erste Strömungsraum (31) in einer Abschlussplatte (12, 14) mit einem Zufuhr-Anschluss (29) für das Arbeitsmedium strömungsverbunden ist, der zweite Strömungsraum in einer Abschlussplatte (12, 14) mit einem Auslass-Anschlus (27) für das Arbeitsmedium strömungsverbunden ist, und
    die Anschlüsse (24, 25) für die Zu- und Abführungen des Temperiermediums ebenfalls an der oder den Abschlussplatten angeordnet sind.
  2. Rohrbündelhochdruckwärmetauscher nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in beiden Abschlussplatten (12, 14) jeweils eine Reihe von passgenauen, insbesondere der Anzahl der Rohre entsprechende Bohrungen (36) zur Aufnahme der Rohrenden des Rohrbündels ausgebildet sind und dass in jeder Abschlussplatte (12, 14) ein oder mehrere Strömungsräume (30, 32) vorgesehen sind, mit denen sich zwei oder mehrere Rohre (17) miteinander strömungstechnisch verbinden lassen.
  3. Rohrbündelhochdruckwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    als Gehäuse (16) ein im wesentlichen zylindrisches Rohr verwendet ist, welches sich an jedem Ende gegen eine stirnseitige Abschlussplatte (12, 14) abstützt oder mit dieser verbunden ist.
  4. Rohrbündelhochdruckwärmetauscher nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das zylindrische Rohr auf einen korrespondierend ausgebildeten Sitz (42) an einer Abschlussplatte (12, 14) aufgeschoben und demgegenüber mit einer Dichtung (44) abgedichtet ist.
  5. Rohrbündelhochdruckwärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die beiden Abschlussplatten (12, 14) mittels einer Reihe von Zugstangen (18) gegeneinander verspannt sind.
  6. Rohrbündelhochdruckwärmetauscher nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    sich die Zugstangen (18) jeweils durch Bohrungen in den beiden Abschlussplatten (12, 14) erstrecken.
  7. Rohrbündelhochdruckwärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    eine Vielzahl von Zugstangen (18) vorgesehen sind, die radial außerhalb des Gehäuses (16) und in Umfangsrichtung um das Gehäuse (16) verteilt angeordnet sind.
  8. Rohrbündelhochdruckwärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    jede Bohrung (36) zur Aufnahme eines Rohrendes einen als Anschlag dienenden Sitz (38) aufweist, welcher eine übermäßige Axialverschiebung des jeweiligen Rohres (17) in der Bohrung (36) verhindert.
  9. Rohrbündelhochdruckwärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    jeder Strömungsraum (30, 32) in einer Abschlussplatte (12, 14) durch eine oder eine Vielzahl von Sack-Bohrungen hergestellt sind, wobei Öffnungen an die Umgebung durch Stopfen (22) abgedichtet sind.
  10. Rohrbündelhochdruckwärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Zu- und Abführvorrichtung (27, 29) für das zu temperierende Arbeitsmedium an der gleichen Abschlussplatte (12) angeordnet sind, wobei die Zuführvorrichtung (27) über den ersten Strömungsraum in der Abschlussplatte mit einer Anzahl von Rohren (17) erster Art in Verbindung steht, und die Abführvorrichtung (29) über den zweiten Strömungsraum mit den restlichen Rohren (17) zweiter Art in Verbindung steht, wobei die Rohre erster Art mit den Rohren zweiter Art durch einen weiteren Strömungsraum (30) in der gegenüberliegenden Abschlussplatte (14) verbunden sind.
  11. Rohrbündelhochdruckwärmetauscher nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Rohre U-förmig ausgebildet sind, die Rohrenden in Bohrungen einer einzigen Abschlussplatte aufgenommen sind und die Rohre sich mit ihren anderen Enden an der gegenüberliegenden Abschlussplatte abstützen, wobei die Zu- und Abführvorrichtung für das zu temperierende Arbeitsmedium an der gleichen Abschlussplatte angeordnet sind, die Zuführvorrichtung über einen ersten Strömungsraum in der Abschlussplatte mit den Rohrenden erster Art in Verbindung steht, und die Abführvorrichtung über einen zweiten Strömungsraum mit den Rohrenden zweiter Art in Verbindung steht.
  12. Rohrbündelhochdruckwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Zu- und Abführvorrichtung für das zu temperierende Arbeitsmedium an unterschiedlichen Abschlussplatten angeordnet sind, wobei die Zuführvorrichtung über einen ersten Strömungsraum einer ersten Abschlussplatte mit den Rohren in Verbindung steht, und die Abführvorrichtung über einen Strömungsraum in der zweiten Abschlussplatte mit den Rohren in Verbindung steht.
  13. Rohrbündelhochdruckwärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Zu- und Abführvorrichtung (24, 25) für das Temperiermedium an der gleichen Abschlussplatte (14) angeordnet sind, wobei sich sowohl die Zuführvorrichtung als auch die Abführvorrichtung durch die Abschlussplatte hindurch in den Temperierraum (15) erstrecken.
  14. Rohrbündelhochdruckwärmetauscher nach Anspruch 13,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    ein Mittel vorgesehen ist, um eine Verteilung des Temperiermediums über die gesamte Breite des Temperierraumes vorzusehen.
  15. Rohrbündelhochdruckwärmetauscher nach Anspruch 14,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    ein Ende eines Distanz-Rohres mit der Zuführvorrichtung oder mit der Abführvorrichtung strömungsverbunden ist, und das andere Ende des Distanz-Rohres im Bereich der gegenüberliegenden Platte in den Temperierraum mündet, so dass das Temperiermedium auf seinem Weg den gesamten Temperierraum durchfließt.
  16. Rohrbündelhochdruckwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Zu- und Abführvorrichtung für das Temperiermedium an verschiedenen Abschlussplatten angeordnet sind, wobei sich sowohl die Zuführvorrichtung als auch die Abführvorrichtung durch die jeweilige Abschlussplatte hindurch in den Temperierraum erstrecken.
  17. Rohrbündelhochdruckwärmetauscher nach Anspruch 16,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    Mittel vorgesehen ist, um eine Verteilung des Temperiermediums über die gesamte Breite des Temperierraumes vorzusehen.
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