EP2954275B1

EP2954275B1 - Wärmetauscher

Info

Publication number: EP2954275B1
Application number: EP14702634.8A
Authority: EP
Inventors: Benjamin SCHNITTKA; Jan-Christoph HARDT
Original assignee: ThyssenKrupp Marine Systems GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp Marine Systems GmbH
Priority date: 2013-02-06
Filing date: 2014-02-05
Publication date: 2018-10-10
Anticipated expiration: 2034-02-05
Also published as: ES2702324T3; DE102013201925A1; WO2014122174A1; EP2954275A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit den im Oberbegriff von Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.
In Unterseebooten ist es häufig erforderlich, dort zu diversen Zwecken eingesetzte gasförmige und flüssige Medien zu kühlen. Hierzu wird in der Regel Seewasser verwendet, das von außerhalb des Unterseeboots durch dessen Druckkörperwandung zu einem Wärmetauscher geleitet wird, diesen zum Wärmetausch mit dem zu kühlenden Medium durchströmt und anschließend wieder aus dem Unterseeboot herausgeleitet wird.
Es ist bekannt, als Wärmetauscher in Unterseebooten solche in Rohrbündelbauweise und in Plattenbauweise zu verwenden. Im Hinblick auf das begrenzte Raumangebot in einem Unterseeboot haben Rohrbündelwärmetauscher den Nachteil, dass sie vergleichsweise großbauend sind. Bei Plattenwärmetauschern macht es das bei Tauchfahrt des Unterseeboots hohe Druckniveau des Seewassers erforderlich, die Platten des Plattenwärmetauschers miteinander zu verschweißen. Dies erschwert die Wartung und mechanische Reinigung des Plattenwärmetauschers, die sich im Übrigen auch bei Rohrbündelwärmetauschern schwierig gestalten.
Die EP 2 015 017 A zeigt einen Wärmetauscher, der einen 3-Kammer-Aufbau aufweist. Die drei Kammern sind innerhalb eines Gehäuses angeordnet. Hierbei dient die mittlere Kammer dem Wärmetausch und in ihr sind in Längsrichtung parallel zueinander ausgerichtete Rohre angeordnet. Die Rohre dienen für den Durchfluss einer ersten Flüssigkeit. Jedes dieser Rohre bildet vier jeweils in einem rechten Winkel zueinander angeordnete Laschen aus. Die Endbereichen der Rohre sind ohne die Laschen ausgeführt. Die Rohre sind derart zueinander angeordnet, dass die Laschen benachbarter Rohre zusammengesetzt sind und hierdurch jeweils Durchflusskanäle für eine zweite Flüssigkeit gebildet werden. Die Rohre sind in ihren Endbereichen jeweils durch Bohrung in Trägerplatten gesteckt und hierüber gehalten. Durch die Trägerplatten werden ausgehend von der mittleren Kammer zwei äußere Kammern gebildet, in den die erste Flüssigkeit zu- bzw. abgeleitet wird. Die Rohre sind als Rundrohre ausgeführt.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher zum Wärmetausch eines Fluids mit Seewasser für ein Unterseeboot zu schaffen, der kompakt ausgebildet ist und in Weiterbildung der Erfindung eine einfache Wartung und Reinigung ermöglicht.
Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Wärmetauscher mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen dieses Wärmetauschers ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie der Zeichnung. Hierbei können die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale jeweils für sich, aber auch in geeigneter Kombination miteinander die erfindungsgemäße Lösung nach Anspruch 1 weiter ausgestalten.
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher zum Wärmetausch eines Fluids mit Seewasser für ein Unterseeboot weist ein Gehäuse auf, in dem eine Vielzahl von Rohren angeordnet ist. Diese Rohre sind zur Durchströmung mit einem flüssigen Kühlmedium vorgesehen und hierzu an einem Ende mit einem Flüssigkeitseinlass und an dem anderen Ende mit einem Flüssigkeitsauslass fluidleitend verbunden. Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher das das Unterseeboot umgebende Seewasser als Kühlmedium verwendet. So kann der Flüssigkeitseinlass zum Anschluss des Wärmetauschers an eine unterseebootseitige Seewasserleitung vorgesehen sein, die an der Außenseite des Druckkörpers des Unterseeboots mündet. Der Flüssigkeitsauslass ist in diesem Fall zweckmäßigerweise an eine zweite unterseebootseitige Seewasserleitung anschließbar, über die das Seewasser wieder aus dem Unterseeboot abgeleitet wird. Der Wärmetauscher ist typischerweise tauchdruckfest ausgebildet, das heißt die Bauteile des erfindungsgemäßen Wärmetauschers, die von dem Seewasser druckbeaufschlagt werden, sind zweckmäßigerweise so dimensioniert und ausgestaltet, dass sie den bei Tauchfahrt auf dem Unterseeboot wirkenden Außendruck standhalten. Darüber hinaus sind diese Bauteile dann, wenn Seewasser als Kühlmedium verwendet wird, typischerweise aus einem seewasserbeständigen Material ausgebildet.
Der Grundgedanke der Erfindung ist es, die zur Durchströmung mit dem Kühlmedium vorgesehenen und zweckmäßigerweise gerade ausgebildeten Rohre derart nebeneinander anzuordnen, dass benachbarte Rohre geschlossene Durchströmkanäle für das zu kühlende Fluid bilden. Demzufolge sind jeweils zumindest drei direkt nebeneinander befindliche Rohre so angeordnet, dass jedes dieser Rohre seine beiden benachbarten Rohre über seine gesamte Länge kontaktiert, so dass zwischen diesen zumindest drei Rohren ein Durchströmkanal gebildet wird, der in einer Ebene quer zur Längsausbildung der Rohre vollständig von den Rohrwandungen dieser Rohre, welche die Wärmeaustauschflächen des erfindungsgemäßen Wärmetauschers bilden, ummantelt ist. Die zwischen den Rohren ausgebildeten Durchströmkanäle sind an einem Ende mit einem Fluideinlass und an dem anderen Ende mit einem Fluidauslass des Wärmetauschers fluidleitend verbunden. Hierbei besteht die Möglichkeit, den Fluideinlass und den Fluidauslass so anzuordnen, dass die Durchströmung in den Durchströmkanälen mit der Durchströmrichtung in den Rohren übereinstimmt oder der Fluideinlass und der Fluidauslass können derart angeordnet sein, dass die Durchströmkanäle in Gegenstrom zu den Rohren durchströmt werden, also die Durchströmrichtung in den Durchströmkanälen entgegengesetzt zu der Durchströmrichtung in den Rohren ist. Aufgrund der hohen Anordnungsdichte der Rohre in der Ebene quer zu deren Längsausdehnung weist der erfindungsgemäße Wärmetauscher einen schlanken, kompakten Aufbau auf, was insbesondere bei Verwendung des Wärmetauschers in einem Unterseeboot von Vorteil ist. Darüber hinaus ergibt sich durch die Anordnung der Rohre eine sehr große Wärmeaustauschfläche bezogen auf den durch die Durchströmkanäle geleiteten zu kühlenden Fluidstrom und dementsprechend ein vergleichsweise hoher Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Wärmetauschers.
Eine besonders große Wärmeaustauschfläche von den Durchströmkanälen zu den darum angeordneten Rohren ergibt sich, Wenn, wie es gemäß der Erfindung vorgesehen ist, die Rohre als Vierkantrohre mit einem vorzugsweise quadratischen Außenquerschnitt ausgebildet sind. Die Rohre sind an ihren Längskanten miteinander verbunden, so dass sich in Draufsicht auf die Ebene quer zur Längsausdehnung der Rohre eine Anordnung ergibt, bei der sich die Rohre und die dazwischen angeordneten Durchströmkanäle, die dann ebenfalls einen quadratischen Querschnitt aufweisen, schachbrettartig, also in Art eines Schachbrettmusters, abwechseln. Hierbei sind die Rohre vorzugsweise in einem Gehäuse mit einem quadratischen Querschnitt angeordnet.
Um die Wartung und eine mechanische Reinigung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers zu erleichtern und um ggf. einzelne Rohre leicht austauschen zu können, sind die Rohre vorteilhafterweise lösbar miteinander verbunden. In diesem Zusammenhang ist zweckmäßigerweise eine Verbindung benachbarter Rohre mittels Steckverbindungen vorgesehen. So können die Rohre vorteilhaft Ausnehmungen aufweisen, in die ein an einem anderen Rohr ausgebilderter Vorsprung zur Bildung eines formschlüssigen Zusammenhalts dieser beiden Rohre eingreift.
Bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei der die Vierkantrohre an zwei gegenüberliegenden Längskanten jeweils eine Ausnehmung aufweisen und an den beiden übrigen Längskanten jeweils einen mit den Ausnehmungen korrespondierenden Vorsprung aufweisen. So ist an zwei Längskanten der Vierkantrohre eine sich vorzugsweise über die gesamte Länge der Kante erstreckende Nut ausgebildet und an den beiden anderen Längskanten der Vierkantrohre ein sich vorzugsweise über die gesamte Länge der Kante erstreckender, nach außen vorstehender Vorsprung ausgebildet. Zur Verbindung der Vierkantrohre miteinander wird jeweils ein Vierkantrohr so angeordnet, dass einer der an ihm ausgebildeten Vorsprünge in eine Ausnehmung eines anderen Vierkantrohrs eingreift.
Gemäß der Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers weisen die Rohre jeweils an ihren beiden Enden eine Aufnahme für eine Rohrverlängerung auf. Um eine einfache Demontage und Neumontage bei Wartung und mechanischer Reinigung des Wärmetauschers zu ermöglichen, sind die Rohrverlängerungen lösbar, z. B. mittels Steckverbindungen mit den Rohren verbunden. So können die Aufnahmen zweckmäßigerweise von an den beiden Enden des Rohres ausgebildeten Erweiterungen des durch das Rohr verlaufenden Strömungskanals gebildet sein, in die jeweils ein Rohrstück als Rohverlängerung einsetzbar ist. Die Rohrverlängerungen dienen zur Verbindung der Rohre mit dem Flüssigkeitseinlass und mit dem Flüssigkeitsauslass des Wärmetauschers.
Bei der Verwendung von Rohrverlängerungen an den Rohren ist weiter vorteilhaft vorgesehen, dass sich an den beiden offen ausgebildeten Stirnseiten des Gehäuses des Wärmetauschers jeweils ein Gehäuseteil anschließt, in welches die an den Rohren angeschlossenen Rohrverlängerungen hineinragen und an einem in dem jeweiligen Gehäuseteil ausgebildeten Rohrboden enden, wobei an einem der Gehäuseteile der Flüssigkeitseinlass und an dem anderen Gehäuseteil der Flüssigkeitsauslass ausgebildet ist.
Zweckmäßigerweise sind die Rohrverlängerungen derart ausgebildet, dass benachbarte Rohrverlängerungen in den an dem Gehäuse des Wärmetauschers anschließenden Gehäuseteilen keine geschlossene Durchströmkanäle für das zu kühlende Fluid bilden, so dass die Rohrverlängerungen in den Gehäuseteilen von dem zu kühlenden Fluid frei umflutet werden. Zur Einleitung des Fluids in den Wärmetauscher ist bevorzugt an einem der Gehäuseteile in einem Bereich zwischen dem Gehäuse und dem daran ausgebildeten Rohrboden ein Auslass für das Fluid ausgebildet.
Wegen seiner Kompaktheit eignet sich der erfindungsgemäße Wärmetauscher in besonderem Maße zum Einsatz in einem Unterseeboot und insbesondere zum Einsatz in einem zentralen Kühlkreislauf zum Kühlen wärmeerzeugender Einrichtungen in einem Unterseeboot. Insofern betrifft die Erfindung auch ein Unterseeboot, welches einen zentralen von Frischwasser als Kühlmedium durchströmten Kühlkreislauf aufweist, wobei der Kühlkreislauf mindestens einen Wärmetauscher mit den oben beschriebenen Merkmalen aufweist. Dementsprechend ist in einem zentralen Kühlkreislauf des Unterseeboots ein Wärmetauscher angeordnet, in dem das durch den Kühlkreislauf zirkulierende Frischwasser durch die zwischen den Rohren ausgebildeten Durchströmkanäle des Wärmetauschers geleitet wird, wo es von dem die Rohre des Wärmetauschers durchströmenden Kühlmedium, bei dem es sich vorzugsweise um Seewasser handelt, gekühlt wird.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1: einen Wärmetauscher in einem Längsschnitt,
Fig. 2: den Wärmetauscher nach Fig. 1 in einer verkleinerten perspektivischen Explosionsdarstellung,
Fig. 3: ein Rohr des Wärmetauschers nach Fig. 1 in einer vergrößerten Seitenansicht,
Fig. 4: das Rohr nach Fig. 3 in einer Frontansicht,
Fig. 5: das Rohr nach Fig. 3 in einem Längsschnitt und
Fig. 6: in einer Prinzipskizze die Anordnung mehrerer Rohre in dem Wärmetauscher nach Fig. 1.

Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte Wärmetauscher weist ein Gehäuse 2 auf. Dieses Gehäuse 2 ist im Wesentlichen rechteckig ausgebildet, wobei seine in Längsrichtung des Gehäuses 2 voneinander beabstandeten Stirnseiten offen ausgebildet sind. In geringem Abstand von den beiden offenen Stirnseiten des Gehäuses 2 ist an diesen jeweils ein Flansch 4 bzw. 6 ausgebildet, der sich ausgehend von der Mantelfläche des Gehäuses 2 quer zu dessen Längsausdehnung nach außen erstreckt.
An den Flanschen 4 und 6 ist jeweils ein Gehäuseteil 8 befestigt. Der Innenquerschnitt der Gehäuseteile 8 korrespondiert mit dem rechteckigen Außenquerschnitt des Gehäuses 2 in einem Bereich außenseitig der Flansche 4 und 6. Dies ermöglicht eine Verbindung der Gehäuseteile 8 mit dem Gehäuse 2, bei der ein außenseitig der Flansche 4 und 6 angeordneter Gehäuseabschnitt des Gehäuses 2 in die Gehäuseteile 8 eingreift. Hierbei kommt ein an einem offenen Ende der Gehäuseteile 8 ausgebildeter Flansch 10 an dem Flansch 4 bzw. 6 zur Anlage, wo er mit dem Flansch 4 bzw. 6 verschraubt ist.
Ein von dem Flansch 10 abgewandtes offenes Ende der Gehäuseteile 8 wird jeweils von einer Platte 12 verschlossen, die mit einem an dem Gehäuseteil 8 ausgebildeten Flansch 14 verschraubt ist. An den Platten 12 ist jeweils eine zentrale Öffnung ausgebildet, wobei die Öffnung an der Platte 12, die an dem in den Figuren 1 und 2 rechten Gehäuseteil 8 angeordnet ist, einen Flüssigkeitseinlass 16 und die Öffnung an der Platte 12, die an den in den Figuren 1 und 2 linken Gehäuseteil 8 angeordnet ist, einen Flüssigkeitsauslass 18 des Wärmetauschers bildet. Über den Flüssigkeitseinlass 16 wird Seewasser, welches in dem Wärmetauscher als Kühlmedium verwendet wird, in den Wärmetauscher eingeleitet und über den Flüssigkeitsauslass 18 wieder aus dem Wärmetauscher abgeleitet.
Wie aus Fig. 2 deutlich wird, ist an zwei einander gegenüberliegend angeordneten Mantelflächen der beiden Gehäuseteile 8 jeweils ein Rohrstutzen angeordnet, der in das Innere des Gehäuseteils 8 führt. Die an dem in den Figuren 1 und 2 links angeordneten Gehäuseteil 8 angeordneten Rohrstutzen bilden Fluideinlässe 20 für ein in dem Wärmetauscher zu kühlendes Fluid, während die an dem in den Fig. 1 und 2 rechts angeordneten Gehäuseteil 8 angeordneten Rohrstutzen Fluidauslässe 22 für dieses Fluid bilden.
In dem Gehäuse 2 ist eine Vielzahl von Rohren 24 angeordnet, die sich in Längsrichtung des Gehäuses 2 erstrecken und deren Länge im Wesentlichen der Länge des Gehäuses 2 entspricht. Die Rohre 24 sind als Vierkantrohre ausgebildet und weisen einen im Wesentlichen quadratischen Außenquerschnitt auf. Ein in den Rohren 24 ausgebildeter Strömungskanal 26 weist ebenfalls einen quadratisch ausgebildeten Querschnitt auf.
Die Längskanten der Rohre 24 sind angefast ausgebildet, wobei zwei einander direkt gegenüberliegend angeordnete Fasen mit zwei in Längsrichtung der Fase verlaufenden Einstichen 28 versehen sind, wodurch zwischen den Einstichen 28 ein Vorsprung 30 gebildet wird. An den beiden übrigen Fasen ist jeweils eine in Längsrichtung der Fase verlaufende Ausnehmung 32 ausgebildet, deren Kontur mit der Außenkontur der Vorsprünge 30 korrespondiert (Fig. 5).
Aus Fig. 6 wird deutlich, dass die Rohre 24 derart in dem Gehäuse 2 angeordnet sind, dass sie einander an ihren Längskanten kontaktieren, wobei ein Vorsprung 30 eines ersten Rohres 24 in einer Ausnehmung 32 eines zweiten Rohres 24 zur Bildung einer Steckverbindung eingreift. Jeweils vier Rohre 24 fassen auf diese Weise einen dazwischen ausgebildeten Freiraum mit einem quadratischen Querschnitt vollständig ein. Diese Freiräume bilden geschlossene Durchströmkanäle 34 für das zu kühlende Fluid.
Die Rohre 24 weisen einen im Wesentlichen quadratischen Innenquerschnitt auf, wobei an den beiden Enden der Rohre 24 jeweils eine zylindrische Rohrerweiterung ausgebildet ist. Diese Rohrerweiterungen bilden Aufnahmen 36 für zylindrisch ausgebildete Rohrverlängerungen 38, die in die Aufnahmen 36 eingreifen (Fig. 5 und 6).
In den beiden Gehäuseteilen 8 ist jeweils ein Rohrboden 40 ausgebildet, der das Innere der Gehäuseteile 8 in zwei Kammern 42 und 44 teilt. Die Rohrböden 40 weisen jeweils eine Vielzahl von Durchbrechungen 46 auf. In diese Durchbrechungen 46 greifen die von den Rohren 24 abgewandten Enden der Rohrverlängerungen 38 ein. Auf diese Weise wird in dem Wärmetauscher ein geschlossener Strömungspfad für das Seewasser, welches als Kühlmedium verwendet wird, gebildet, der sich von dem an dem in Fig. 1 rechts dargestellten Gehäuseteil 8 ausgebildeten Flüssigkeitseinlass 16 über die Kammer 42, die Rohrverlängerungen 38, die Rohre 24 zu dem an dem in Fig. 1 links dargestellten Gehäuseteil 8 erstreckt, wo er an dem sich an die Kammer 42 anschließenden Flüssigkeitsauslass 18 mündet. Gleichzeitig wird so für das zu kühlende Fluid ein geschlossener Strömungspfad durch den Wärmetauscher gebildet, der sich von dem in Fig. 1 und 2 links dargestellten Gehäuseteil 8 angeordneten Fluideinlässen 20, die in die Kammer 44 des Gehäuseteils 8 münden, über die zwischen den Rohren 24 ausgebildeten Durchströmkanäle 34 zu der Kammer 44 des anderen Gehäuseteils 8 erstreckt und an den dort angeordneten Fluidauslässen 22 mündet. Bereits in der Kammer 44 findet eine erste Wärmeübertragung von dem zu kühlenden Fluid über die Wandungen der Rohrverlängerungen 38 auf das die Rohrverlängerungen 38 außen umströmende Seewasser statt.

Bezugszeichenliste

2: - Gehäuse
4: - Flansch
6: - Flansch
8: - Gehäuseteil
10: - Flansch
12: - Platte
14: - Flansch
16: - Flüssigkeitseinlass
18: - Flüssigkeitsauslass
20: - Fluideinlass
22: - Fluidauslass
24: - Rohr
26: - Strömungskanal
28: - Einstich
30: - Vorsprung
32: - Ausnehmung
34: - Durchströmkanal
36: - Aufnahme
38: - Rohrverlängerung
40: - Rohrboden
42: - Kammer
44: - Kammer
46: - Durchbrechung

Claims

Wärmetauscher zum Wärmetausch eines Fluids mit Seewasser für ein Unterseeboot, mit einem Gehäuse (2), in welchem eine Vielzahl von Rohren (24) angeordnet ist, die zur Durchströmung mit Seewasser vorgesehen sind und an einem Ende mit einem Flüssigkeitseinlass (16) und an dem anderen Ende mit einem Flüssigkeitsauslass (18) fluidleitend verbunden sind, wobei die Rohre (24) derart nebeneinander angeordnet sind, dass benachbarte Rohre (24) geschlossene Durchströmkanäle (34) für das zu kühlende Fluid bilden, welche an einem Ende mit einem Fluideinlass (20) und an dem anderen Ende mit einem Fluidauslass (22) fluidleitend verbunden sind, wobei die Rohre (24) jeweils an ihren beiden Enden eine Aufnahme (36) für lösbar mit den Rohren (24) verbundene Rohrverlängerungen (38) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (24) als Vierkantrohre ausgebildet sind und die Rohre (24) und die dazwischen angeordneten Durchströmkanäle (34) in Art eines Schachbrettmusters angeordnet sind.
Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Rohre (24) mittels Steckverbindungen miteinander verbunden sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vierkantrohre an zwei gegenüberliegen den Längskanten jeweils eine Ausnehmung (32) aufweisen und an den beiden übrigen Längskanten jeweils einen mit den Ausnehmungen (32) korrespondierenden Vorsprung (30) aufweisen.
Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass sich an den beiden offen ausgebildeten Stirnseiten des Gehäuses (2) des Wärmetauschers jeweils ein Gehäuseteil (8) anschließt, in welches die an den Rohren (24) angeschlossenen Rohrverlängerungen (38) hineinragen und an einem dort ausgebildeten Rohrboden (40) enden, wobei an einem der Gehäuseteile (8) der Flüssigkeitseinlass (16) und an dem anderen Gehäuseteil (8) der Flüssigkeitsauslass (16) ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an einem der Gehäuseteile (8) in einem Bereich zwischen dem Gehäuse (2) und dem daran ausgebildeten Rohrboden (40) ein Einlass (20) für das zu kühlende Fluid ausgebildet ist und an dem(2) und dem daran ausgebildeten Rohrboden (40) ein Auslass (22) für das Fluid ausgebildet ist
Unterseeboot, dadurch gekennzeichnet dass es einen zentralen Kühlkreislauf aufweist, welcher von Frischwasser als Kühlmedium durchströmt wird, wobei der Kühlkreislauf mindestens einen Wärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche aufweist.