EP3759411A1 - Rohrbündelwärmeaustauscher sowie rohrboden und verfahren zum abdichten desselben - Google Patents

Rohrbündelwärmeaustauscher sowie rohrboden und verfahren zum abdichten desselben

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EP3759411A1
EP3759411A1 EP19708280.3A EP19708280A EP3759411A1 EP 3759411 A1 EP3759411 A1 EP 3759411A1 EP 19708280 A EP19708280 A EP 19708280A EP 3759411 A1 EP3759411 A1 EP 3759411A1
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EP
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tube
heat exchanger
plate
sealing
tubesheet
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EP19708280.3A
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Werner Anetseder
Hermann Ferber
Klaus BALDERMANN
Ralph SPULLER
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SGL Carbon SE
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SGL Carbon SE
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Publication date
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    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2230/00—Sealing means

Definitions

  • Tube bundle heat exchanger and tube sheet and method for sealing the same
  • the tubesheet comprises a stack of a plurality of tubesheet plates having at least one passage opening for receiving a respective tube of the tube
  • Tube bundle heat exchanger Tube bundle heat exchanger.
  • the passage opening is by means of at least one
  • Heat exchangers for high corrosive use are typically provided with tubes of a corrosion resistant material such as e.g. Graphite, silicon carbide, glass or PTFE built.
  • the tubes contain a first fluid and are surrounded by a second fluid located in an inner housing region, so that a heat exchange between the first and the second fluid can take place through the tube walls.
  • the inlets and outlets of the tubes are separated by a tubesheet from the inner housing portion, so that the incoming and exiting first fluid can not mix with the second fluid. For this purpose, an excellent sealing of the tube bottom is crucial.
  • the tubesheet of a typical such heat exchanger is typically constructed of one or more tubesheet plates with a plastic-coated metal core.
  • Plastic sheath may comprise, for example, a chemically resistant material such as PFA or PTFE to allow use with corrosive media (first and / or second fluid).
  • a chemically resistant material such as PFA or PTFE to allow use with corrosive media (first and / or second fluid).
  • DE 197 14 423 C2 discloses a tube bundle heat exchanger with two-part tube sheets made of plastic with a metal plate inserted therein. Therein, tubes arranged in bores are sealed in each case with the aid of an O-ring between the individual tube plates.
  • DE 10 2010 005216 A1 shows a tube bundle heat exchanger with two-part tube sheets made of plastic, between which an intermediate plate is arranged. In the through holes in the intermediate plate compound sleeves are used.
  • Tube bundle heat exchanger provided.
  • the tube sheet comprises a first tube plate having a core and a plastic sheath surrounding the core, a second tube plate of a temperature resistant material (e.g., a graphite or ceramic plate), and a third tube plate having a core and a plastic sheath surrounding the core.
  • a temperature resistant material e.g., a graphite or ceramic plate
  • the first, second, and third tubesheet plates are stacked into a stack with the second tubesheet plate interposed between the first and third tubesheet plates (20, 40) such that a first surface of the second tubesheet plate is directed toward the first tubesheet plate and an opposing one second surface of the second tube plate is directed to the third tubesheet plate.
  • the stack has at least one passage opening for receiving a respective tube of the tube bundle heat exchanger.
  • the tubesheet has, for each of the at least one through-opening further: at least one sealing ring for sealing the respective tube, and at least one sealing seat for receiving the at least one
  • seal seat is a respective through hole immediately surrounding annular recess in the second tube plate bottom.
  • plastic-coated tubesheet plates first and third tubesheet plate
  • first and third tubesheet plate plastic-coated tubesheet plates
  • stability of the tube sheet is further increased.
  • a tube plate can be made available, which combines the advantageous properties of the respective tubesheet plates in itself.
  • the second tube plate is constructed as a whole of a temperature-resistant material and preferably made of the temperature-resistant material, the reliability of the seal seat is further increased. Furthermore, this makes it possible to achieve a particularly simple construction of the tube bottom.
  • the temperature-resistant material of the second tube plate is defined by the fact that the material for temperatures up to at least 250 ° C no
  • this condition is defined by a heat distortion temperature of greater than 250 ° C, the
  • Heat distortion temperature according to DIN EN ISO 75-2: 2013 (under a load of 0.45 MPa according to method B) is to be determined.
  • Usual plastics such as PFA, PTFE do not fulfill this condition.
  • An exception for which the heat distortion temperature is greater than 250 ° C is the plastic PEEK.
  • Even with dimensionally stable fillers Chellstoffloaded plastics can meet the condition.
  • the above criterion applies analogously. Steel, ceramics, graphite, glass and other materials with similarly low flow properties at 250 ° C are always to be regarded as temperature-resistant, regardless of the above condition.
  • the material of the second tubesheet plate is a ceramic.
  • the temperature-resistant material of the second tubesheet plate is therefore selected from the materials steel, ceramics, glass, plastic with a resistance temperature greater than 250 ° C as defined above, in particular PEEK, and a mixture thereof (such as V herbal material).
  • the material of the second tubesheet plate has a thermal elongation a ⁇ 20 pm / mK for any temperatures between -50 ° C and 200 ° C. As a result, a secure seal seat is guaranteed even with temperature fluctuations.
  • the material of the second tubesheet plate has an E-modulus> 300GPa. As a result, a good flexural rigidity of the second tube plate is ensured.
  • the core (22, 42) of the first and / or third tubesheet plates each comprises or consist of at least one of a metal (e.g., a metal alloy) and a fiber composite.
  • the fiber composite may be e.g. a carbon-based fiber composite such as CFRP and / or CFC.
  • Plastic sheath (24, 44) of the first and / or the third tubesheet plate may each comprise at least one fluoropolymer such as PFA and / or PTFE.
  • Plastic casing (24, 44) in one aspect is not made of a limited temperature resistant material (e.g., does not satisfy the above definition of a temperature resistant material).
  • first and third tubesheet plates (20, 40) are of identical construction, whereby the number of different parts can be reduced.
  • the second tube plate (30) is a graphite or ceramic plate, wherein the ceramic is preferably a non-oxide ceramic such as SSiC, SiSiC, and / or SN.
  • the second tube plate may include or consist of the graphite or the ceramic. Advantages of these materials are their temperature resistance with simultaneous corrosion resistance, as well as in the stack advantageous mechanical
  • the at least one passage opening (14) is a plurality of passage openings.
  • the second tube plate (30) is unitary such that the same monolithic material of the second tube plate (30), e.g. Graphite or ceramic, adjacent to the plurality of fürgangsö openings (14).
  • the at least one sealing seat (34, 38, 39) and / or the at least one sealing ring (52) having a rectangular (in particular square),
  • the cross section of the seal seat can in this case be open towards an inner side of the respective passage opening (14). Next, one side of the
  • the at least one sealing ring (52) each has at least two sealing rings.
  • the at least one sealing seat (34, 38) each comprises at least a first and a second sealing seat.
  • the first seal seat (34) may be approximately as
  • Groove in the first surface (32) of the second tube plate (30) can be arranged, and the second seal seat (38) can be arranged as a recess in the second surface (36) of the second tube plate (30).
  • the sealing rings (52) in the respective sealing seat (34, 38) between the second and the first tube plate (30, 20) and the second and the third tube plate (30, 40) pressed in such a way that the sealing rings on at most one side of the respective plastic sheath (24, 44) touch, but preferably on at least two sides (one side of the fürgangsö ff ung opposite side) touch the material of the second tube plate bottom.
  • the seal seat (39) is disposed in a sidewall of the passage opening (14) as a recess spaced from the first and second surfaces (32, 36) of the second tube plate (30).
  • first, second and third tubesheet plates (20, 30, 40) are pressed together by clamping, e.g. by a flange and / or a tie rod.
  • the force for pressing the tubesheet plates is introduced only from an edge region of the tubesheet plates (20, 30, 40), e.g. through a flange.
  • the tubesheet plates (20, 30, 40) are preferably mechanically decoupled. A sufficient clamping effect can be achieved by the rigidity of the second
  • Tube plate can be taught.
  • a shell and tube heat exchanger (1) having the tubesheet (10) described herein.
  • the tube bundle heat exchanger (1) comprises for each of the at least one passage opening (14) a tube (50) which passes through the respective passage opening completely or partially (at least to the second tube plate) and which by means of the at least one
  • Sealing seats (34, 38, 39) lying at least one sealing ring (52) is sealed. This does not exclude the presence of further passage openings (such as for tie rods).
  • the tube (50) is a graphite, SiC, or glass tube, ie, comprises or consists of these materials.
  • the shell and tube heat exchanger is for a strong
  • corrosive medium eg strong acids such as hydrofluoric acid (HF), hydrochloric acid (HCl), Nitric acid (HNO3), or strong faugen.
  • HF hydrofluoric acid
  • HCl hydrochloric acid
  • HNO3 Nitric acid
  • strong faugen strong acids such as hydrofluoric acid (HF), hydrochloric acid (HCl), Nitric acid (HNO3), or strong faugen.
  • the plastic sheath (24, 44) is chemically resistant to the corrosive medium.
  • the method comprises the following steps: A tube plate (10) according to one of claims 1 to 10 is provided; and at least one tube (50) of the tube bundle heat exchanger is passed through the corresponding through opening (14) and by means of the at least one sealing ring (52) located in the at least one sealing seat (34, 38, 39).
  • the process can be part of a manufacturing process of
  • Figure 1 shows a cross-sectional view of a shell and tube heat exchanger with a
  • Tube sheet according to an embodiment of the invention.
  • Figure 2 shows an enlarged cross-sectional view of a tube sheet according to another embodiment of the invention.
  • FIG. 3 shows a cross-sectional view of the second tube plate of a tube plate according to a further embodiment of the invention.
  • the tube bundle heat exchanger 1 has a housing 6, a tube sheet 10 with fürgangsö openings 14, and tubes 50, which pass through the respective through holes 14.
  • the tubes 50 contain a first fluid and are surrounded by a second fluid located in an inner housing portion (to the right of the tube plate 10 in FIG. 1) so that heat exchange between the first and second fluids may be through the tube walls.
  • the inlets and outlets of the tubes 50 are separated by the tubesheet 10 from the inner housing region to the right of the tubesheet 10 and sealed therein as described below.
  • the tube sheet 10 comprises a first tube plate 20 having a core 22 and a plastic sheath 24 surrounding the core, a second tube plate 30 made from the above-described temperature resistant material, and a third tube plate 40 having a core 42 and a plastic sheath 44 surrounding the core.
  • the three tubesheet plates 20, 30, 40 are stacked into a stack in which the second tubesheet plate 30 is disposed as an intermediate plate between the first and third tubesheet plates 20, 40.
  • the first surface 32 is the second one
  • Tube bottom plate directed to the first tube plate plate 20 and the opposite second surface 36 of the second tube plate to the third tube plate plate 40 directed.
  • each of the through openings 14 two sealing seats 34, 38 are mounted, each with a sealing ring 52 received therein, in order to seal the respective tube 50.
  • seal seats 34, 38 are formed as recesses in the second tube plate 30, which surrounds the passage opening 14 directly like a ring.
  • the through hole 14 opposite rear surface and a side surface of the
  • Sealing seats 34, 38 are formed by the second tube sheet plate 30, and another side surface of the seal seats 34, 38 is formed by the first and third tubesheet plates 20, 40, more specifically, by their plastic sheath 24, 44.
  • temperature-stable tube plate 30 are formed, a stable and reliable sealing effect is possible.
  • the three tubesheet plates 20, 30 and 40 are pressed together by a pair of flanges of the housing 6 and thus clamped together. Jamming is accomplished by means of a non-illustrated tension member (such as a tension member such as a screw) which passes through the flanges and stack of tubesheet plates 20, 30 and 40 to press the flanges together to compress the stack.
  • the clamping element here extends through a flange passage opening 16, which passes through the flanges and through the stack of the three tubesheet plates 20, 30 and 40.
  • the clamping elements are arranged exclusively in the edge area (flange area) of the tube bottom.
  • the tubesheet plates 20, 30, 40 are mechanically decoupled. Due to the flexural rigidity of the tube bottom, in particular of the second tube plate 30, it is possible to use clamping elements which are located further inside or
  • Tube bottom plates 20, 30, 40 are pressed together sufficiently.
  • FIG. 2 shows an enlarged cross-sectional view of a tube plate according to a further embodiment of the invention. This embodiment corresponds largely to
  • FIG. 3 shows a cross-sectional view of the second tube plate 30 of a tube plate according to a further embodiment of the invention. Apart from the illustrated design of the second tube sheet plate 30 (and in particular of the seal seat and the associated sealing rings), the embodiment corresponds to the structure shown in Fig. 1.
  • FIGS. 1-4 may have all the other aspects described above.
  • the embodiments and aspects are for illustrative purposes only and are not intended to limit the scope of protection. The scope of protection is defined by the following claims.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rohrbündelwärmeaustauscher sowie Rohrboden und Verfahren zum Abdichten desselben.Aspekte der Erfindung betreffen einen Rohrboden für einen Rohrbündelwärmeaustauscher. Der Rohrboden umfasst insbesondere einen Stapel von mehreren Rohrbodenplatten mit mindestens einer Durchgangsöffnung zur Aufnahme eines jeweiligen Rohres des Rohrbündelwärmeaustauschers. Die Durchgangsöffnung ist mittels mindestens einem Dichtring abgedichtet. Weitere Aspekte betreffen einen Rohrbündelwärmeaustauscher mit einem solchen Rohrboden und ein Verfahren zum Abdichten eines Rohrbündelwärmeaustauschers insbesondere im Bereich des Rohrbodens.

Description

Rohrbündelwärmeaustauscher sowie Rohrboden und Verfahren zum Abdichten desselben
Aspekte der Erfindung betreffen einen Rohrboden für einen Rohrbündelwärmeaustauscher. Der Rohrboden umfasst insbesondere einen Stapel von mehreren Rohrbodenplatten mit mindestens einer Durchgangsö ffnung zur Aufnahme eines jeweiligen Rohres des
Rohrbündelwärmeaustauschers. Die Durchgangsö ffnung ist mittels mindestens einem
Dichtring abgedichtet. Weitere Aspekte betreffen einen Rohrbündelwärmeaustauscher mit einem solchen Rohrboden und ein Verfahren zum Abdichten eines
Rohrbündelwärmeaustauschers insbesondere im Bereich des Rohrbodens.
Technischer Hintergrund:
Wärmetauscher für den hochkorrosiven Einsatz werden typischerweise mit Rohren aus einem korrosionsfesten Material wie z.B. Graphit, Siliziumcarbid, Glas oder PTFE gebaut. Die Rohre enthalten ein erstes Fluid und werden von einem in einem inneren Gehäusebereich befindlichen zweiten Fluid umgeben, so dass ein Wärmetausch zwischen dem ersten und dem zweiten Fluid durch die Rohrwände erfolgen kann. Die Ein- und Ausgänge der Rohre sind durch einen Rohrboden von dem inneren Gehäusebereich getrennt, so dass sich das ein- und austretende erste Fluid nicht mit dem zweiten Fluid vermischen kann. Hierfür ist eine hervorragende Abdichtung des Rohrbodens entscheidend.
Der Rohrboden eines typischen solchen Wärmetauschers ist typischerweise aus einer oder mehreren Rohrbodenplatten mit kunststoffummanteltem Metallkern aufgebaut. Die
Kunststoffummantelung kann beispielsweise ein chemisch widerstandsfähiges Material wie PFA oder PTFE umfassen, um den Einsatz mit korrosiven Medien (erstes und/oder zweites Fluid) zu ermöglichen.
Im Gegensatz zu Wärmeaustauschern aus Metall, bei denen die Rohre mit den Rohrböden durch Schweißen und ähnliche Verfahren fluiddicht verbunden sind, ist dieses bei Einsatz von Glas- oder Siliziumcarbidrohren nicht möglich. Stattdessen sind die Rohre durch
Durchgangsöffnungen im Rohrboden (ganz oder teilweise) hindurchgeführt und müssen aufwändig abgedichtet werden.
Beispielsweise ist in der DE 197 14 423 C2 ein Rohrbündelwärmeaustauscher mit zweigeteilt ausgeführten Rohrböden aus Kunststoff mit darin eingelegter Metallplatte offenbart. Darin sind in Bohrungen angeordnete Rohre jeweils mit Hilfe eines O-Ringes zwischen den einzelnen Rohrböden eingedichtet. Jedoch kann bei derartigen Wärmetauschern die Dichtwirkung nach einiger Zeit nachlassen. Daher ist es erstrebenswert, die Dichtwirkung zu verbessern.
Als weiteres Beispiel zeigt die DE 10 2010 005216 Al einen Rohrbündelwärmeaustauscher mit zweigeteilt ausgeführten Rohrböden aus Kunststoff, zwischen denen eine Zwischenplatte angeordnet ist. In die Durchgangsbohrungen in der Zwischenplatte sind Compoundhülsen einsetzbar.
Vorbekannte Lösungen haben den Nachteil, dass sie einen konstruktiv hohen Aufwand erfordern und dennoch die Langzeitstabilität der Dichtung nicht immer gewährleistet ist.
Zusammenfassung der Erfindung:
Daher ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Rohrbündelwärmeaustauscher zu
ermöglichen, bei dem zumindest einige der oben genannten Nachteile verringert sind.
Insbesondere soll eine möglichst einfache Konstruktion mit möglichst zuverlässiger
Dichtwirkung ermöglicht werden.
Daher wird ein Rohrboden gemäß Anspruch 1 , ein Rohrbündelwärmeaustauscher gemäß Anspruch 11, ein Verfahren gemäß Anspruch 14 und eine Verwendung gemäß Anspruch 15 vorgeschlagen. Weitere vorteilhafte Aspekte sind in den abhängigen Ansprüchen, den Figuren und der folgenden Beschreibung dargestellt.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Rohrboden für einen
Rohrbündelwärmeaustauscher zur Verfügung gestellt. Der Rohrboden umfasst eine erste Rohrbodenplatte mit einem Kern und einer den Kern umgebenden Kunststoffummantelung, eine zweite Rohrbodenplatte aus einem temperaturbeständigen Material (z.B. eine Graphit oder Keramikplatte), und eine dritte Rohrbodenplatte mit einem Kern und einer den Kern umgebenden Kunststoffummantelung.
Die erste, zweite und dritte Rohrbodenplatte sind zu einem Stapel gestapelt, wobei die zweite Rohrbodenplatte als Zwischenplatte zwischen der ersten und der dritten Rohrbodenplatte (20, 40) angeordnet ist, so dass eine erste Oberfläche der zweiten Rohrbodenplatte zur ersten Rohrbodenplatte gerichtet ist und eine gegenüberliegende zweite Oberfläche der zweiten Rohrbodenplatte zur dritten Rohrbodenplatte gerichtet ist.
Der Stapel weist zumindest eine Durchgangsö ffnung zur Aufnahme eines jeweiligen Rohres des Rohrbündelwärmeaustauschers auf. Der Rohrboden weist für jede der zumindest einen Durchgangsöffnung weiter auf: Je mindestens einen Dichtring zum Abdichten des jeweiligen Rohres, und je mindestens einen Dichtungssitz zur Aufnahme des mindestens einen
Dichtrings, wobei der Dichtungssitz eine die jeweilige Durchgangsöffnung unmittelbar ringartig umgebende Vertiefung in der zweiten Rohrbodenplatte ist. Aspekte der Erfindung haben den Vorteil, dass eine zweite Rohrbodenplatte aus einem temperaturbeständigen Material zur Verfügung gestellt wird, und dass darin ein Dichtungssitz zur Aufnahme des Dichtrings eingelassen ist. Ein solcher Dichtungssitz ermöglicht eine zuverlässige und langzeitstabile Abdichtung der Rohrbodenplatte.
Zusätzlich ist die zweite Rohrbodenplatte in einem Stapel zwischen zwei
kunststoffümmantelten Rohrbodenplatten (erste und dritte Rohrbodenplatte) angeordnet und wird von diesen vor mechanischen Belastungen geschützt. Durch diese Anordnung wird die Stabilität des Rohrbodens weiter erhöht. Durch diese Anordnung als Stapel kann insbesondere ein Rohrboden zur Verfügung gestellt werden, der die vorteilhaften Eigenschaften der jeweiligen Rohrbodenplatten in sich vereint.
Da die zweite Rohrbodenplatte als Ganzes aus einem temperaturbeständigen Material aufgebaut ist und vorzugsweise aus dem temperaturbeständigen Material besteht, wird die Zuverlässigkeit des Dichtungssitzes noch weiter erhöht. Weiter kann hierdurch ein besonders einfacher Aufbau des Rohrbodens erreicht werden.
Beschreibung weiterer Aspekte der Erfindung:
Im Folgenden werden weitere, bevorzugte (d.h. optionale) Aspekte der Erfindung
beschrieben. Bezugszeichen beziehen sich zur Illustration auf die im Anschluss genauer beschriebenen Figuren, schränken die Aspekte jedoch nicht auf die dort dargestellten
Ausführungsformen ein. Soweit nicht anders angegeben, kann jeder Aspekt mit jedem anderen hierin beschriebenen Aspekt oder jeder anderen hierin beschriebenen
Ausführungsform kombiniert werden.
Gemäß einem Aspekt ist das temperaturbeständige Material der zweiten Rohrbodenplatte dadurch definiert, dass das Material für Temperaturen bis mindestens 250 °C kein
substantielles Fließverhalten aufweist. Für Kunststoffe ist diese Bedingung durch eine Formbeständigkeitstemperatur von größer als 250°C definiert, wobei die
Formbeständigkeitstemperatur gemäß DIN EN ISO 75-2:2013 (unter einer Last von 0,45 MPa gemäß Verfahren B) zu ermitteln ist. Übliche Kunststoffe wie PFA, PTFE erfüllen diese Bedingung nicht. Eine Ausnahme, für die die Formbeständigkeitstemperatur größer als 250°C ist, ist der Kunststoff PEEK. Auch mit formbeständigen Füllstoffen hochfüllstoffbeladene Kunststoffe können die Bedingung erfüllen. Für Nicht-Kunststoffe gilt das obige Kriterium analog. Dabei sind Stahl, Keramik, Graphit, Glas und weitere Materialien mit ähnlich geringen Fließeigenschaften bei 250 °C stets als temperaturbeständig anzusehen, unabhängig von der obigen Bedingung. Besonders bevorzugt ist das Material der zweiten Rohrbodenplatte eine Keramik. Gemäß einem weiteren Aspekt ist das temperaturbeständige Material der zweiten Rohrbodenplatte daher ausgewählt aus den Materiali en Stahl, Keramik, Glas, Kunststoff mit einer F ormb eständigkeitstemperatur von größer als 250°C wie oben definiert, insbesondere PEEK, und einer Mischung daraus (etwa als V erbundmaterial) .
Gemäß einem weiteren Aspekt hat das Material der zweiten Rohrbodenplatte eine thermische Längenausdehnung a < 20pm/mK für jegliche Temperaturen zwischen -50 °C und 200 °C. Dadurch wird ein sicherer Dichtungssitz auch bei T emperaturschwankungen gewährleistet.
Gemäß einem weiteren Aspekt hat das Material der zweiten Rohrbodenplatte ein E-Modul > 300GPa. Dadurch wird eine gute Biegesteifigkeit der zweiten Rohrbodenplatte sichergestellt.
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst der Kem (22, 42) der ersten und/oder der dritten Rohrbodenplatte jeweils zumindest eins von einem Metall (z.B. eine Metall-Legierung) und einem F aserverbundwerkstoff oder besteht daraus. Der F aserverbun dwerkstoff kann z.B. ein kohlenstoffbasierter F aserverbundwerkstoff wie etwa CFK und/oder CFC sein. Die
Kunststoffummantelung (24, 44) der ersten und/oder der dritten Rohrbodenplatte kann jeweils zumindest ein Fluorpolymer wie etwa PFA und/oder PTFE umfassen. Die
Kunststoffummantelung (24, 44) ist gemäß einem Aspekt nicht bzw. aus einem nur eingeschränkt temperaturbeständigen Material (erfüllt z.B. nicht die obige Definition eines temperaturbeständigen Materials) .
Gemäß einem weiteren Aspekt sind die erste und dritte Rohrbodenplatte (20, 40) baugleich ausgeführt, wodurch die Anzahl verschiedener Teile reduziert werden kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist die zweite Rohrbodenplatte (30) eine Graphit- oder Keramikplatte, wobei die Keramik vorzugsweise eine Nichtoxid-Keramik wie etwa SSiC, SiSiC, und/oder SN ist. Die zweite Rohrbodenplatte kann das Graphit bzw. die Keramik umfassen oder daraus bestehen. Vorteile dieser Materialien sind ihre T emperaturbeständigkeit bei gleichzeitiger Korrosionsfestigkeit, sowie in dem Stapel vorteilhafte mechanische
Eigenschaften.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist die zumindest eine Durchgangsöffhung (14) eine Mehrzahl von Durchgangsö ffhungen. Gemäß einem weiteren Aspekt ist die zweite Rohrbodenplatte (30) einstückig, so dass das gleiche monolithische Material der zweiten Rohrbodenplatte (30), z.B. Graphit oder Keramik, an die Mehrzahl der Durchgangsö ffnungen (14) angrenzt.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist der mindestens eine Dichtungssitz (34, 38, 39) und/oder der mindestens eine Dichtring (52) mit rechteckigem (insbesondere quadratischem),
trapezförmigem, kegelförmigem, konusförmigem oder abschnittsweise ovalem Querschnitt ausgebildet. Der Querschnitt des Dichtungssitzes kann hierbei nach einer Innenseite der jeweiligen Durchgangsö ffnung (14) hin offen sein. Weiter kann eine Seite des
Dichtungssitzes durch einen Oberflächenabschnitt der ersten bzw. der dritten Rohrbodenplatte gebildet sein. Gemäß einem Abschnitt sind mindestens zwei Seiten des Dichtungssitzes durch einen (vertieften) Oberflächenabschnitt der zweiten Rohrbodenplatte gebildet.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist der je mindestens eine Dichtring (52) je mindestens zwei Dichtringe. Somit umfasst der je mindestens eine Dichtungssitz (34, 38) je mindestens einen ersten und einen zweiten Dichtungssitz. Der erste Dichtungssitz (34) kann etwa als
Vertiefung in der ersten Oberfläche (32) der zweiten Rohrbodenplatte (30) angeordnet sein, und der zweite Dichtungssitz (38) kann als Vertiefung in der zweiten Oberfläche (36) der zweiten Rohrbodenplatte (30) angeordnet sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt sind die Dichtringe (52) in dem jeweiligen Dichtungssitz (34, 38) zwischen der zweiten und der ersten Rohrbodenplatte (30, 20) bzw. der zweiten und der dritten Rohrbodenplatte (30, 40) derart eingepresst, dass die Dichtringe auf höchstens einer Seite die jeweilige Kunststoffummantelung (24, 44) berühren, aber vorzugsweise auf mindestens zwei Seiten (davon eine Seite die der Durchgangsö ff ung gegenüberliegende Seite) das Material der zweiten Rohrbodenplatte berühren.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist der Dichtungssitz (39) als von der ersten und zweiten Oberfläche (32, 36) der zweiten Rohrbodenplatte (30) beabstandete Vertiefung in einer Seitenwand der Durchgangsöffnung (14) angeordnet.
Gemäß einem weiteren Aspekt sind die erste, zweite und dritte Rohrbodenplatte (20, 30, 40) durch Verklemmen aneinander gepresst, z.B. durch einen Flansch und/oder einen Zuganker. Bevorzugt wird die Kraft zum Aneinanderpressen der Rohrbodenplatten ausschließlich von einem Randbereich der Rohrbodenplatten (20, 30, 40) her eingeleitet, z.B. durch einen Flansch. Ansonsten sind die Rohrbodenplatten (20, 30, 40) vorzugsweise mechanisch entkoppelt. Eine ausreichende Klemmwirkung kann durch die Steifigkeit der zweiten
Rohrbodenplatte vermittelt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Rohrbündelwärmeaustauscher (1) mit dem hierin beschriebenen Rohrboden (10) zur Verfügung gestellt. Der Rohrbündelwärmeaustauscher (1) umfasst für jede der zumindest einen Durchgangsöffnung (14) ein Rohr (50), welches durch die jeweilige Durchgangsöffhung vollständig oder teilweise (mindestens bis zur zweiten Rohrbodenplatte) hindurchführt und welches mittels des in dem mindestens einen
Dichtungssitzen (34, 38, 39) liegenden mindestens einen Dichtungsrings (52) eingedichtet ist. Dies schließt das Vorhandensein weiterer Durchgangsö ffhungen (etwa für Zuganker) nicht aus.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist das Rohr (50) ein Graphit-, SiC-, oder Glas-Rohr, umfasst also diese Materialien oder besteht aus ihnen.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist der Rohrbündelwärmeaustauscher für ein stark
korrodierendes Medium vorgesehen (z.B. starke Säuren wie Flußsäure (HF), Salzsäure (HCl), Salpetersäure (HNO3), oder auch starke Faugen). Die Kunststoffummantelung (24, 44) ist gegenüber dem korrodierenden Medium chemisch beständig.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Abdichten eines
Rohrbündelwärmeaustauschers (1) vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Ein Rohrboden (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 wird zur Verfügung gestellt; und zumindest ein Rohr (50) des Rohrbündelwärmeaustauschers wird durch die entsprechende Durchgangsö ffhung (14) hindurchgeführt und mittels des in dem mindestens einen Dichtungssitz (34, 38, 39) liegenden mindestens einen Dichtungsrings (52)
eingedichtet. Das Verfahren kann Teil eines Herstellungsverfahrens des
Rohrbündelwärmeaustauschers oder eines Wartungs- bzw. Reparaturverfahrens für den Rohrbündelwärmeaustauscher sein.
Kurzbeschreibung der Figuren:
Im Weiteren soll die Erfindung anhand von in Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden, aus denen sich weitere Vorteile und Abwandlungen ergeben. Dazu zeigen:
Figur 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Rohrbündelwärmeaustauscher mit einem
Rohrboden gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Figur 2 zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Rohrbodens gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und
Figur 3 zeigt eine Querschnittsansicht der zweiten Rohrbodenplatte eines Rohrbodens gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung:
Mit Bezug auf Figur 1 wird im Folgenden ein Rohrbündelwärmeaustauscher 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Der Rohrbündelwärmeaustauscher 1 hat ein Gehäuse 6, einen Rohrboden 10 mit Durchgangsö ffnungen 14, und Rohre 50, welche durch die jeweiligen Durchgangsöffnungen 14 hindurchführen.
Im Betrieb enthalten die Rohre 50 ein erstes Fluid und werden von einem in einem inneren Gehäusebereich (rechts des Rohrbodens 10 in Fig. 1) befindlichen zweiten Fluid umgeben, so dass ein Wärmetausch zwischen dem ersten und dem zweiten Fluid durch die Rohrwände erfolgen kann. Die Ein- und Ausgänge der Rohre 50 (zur linken Seite des Rohrbodens 10 in Fig. 1) sind durch den Rohrboden 10 von dem inneren Gehäusebereich rechts des Rohrbodens 10 getrennt und darin wie im Folgenden beschrieben eingedichtet. Der Rohrboden 10 umfasst eine erste Rohrbodenplatte 20 mit einem Kern 22 und einer den Kern umgebenden Kunststoffummantelung 24, eine zweite Rohrbodenplatte 30 aus dem bereits oben beschriebenen temperaturbeständigen Material, und eine dritte Rohrbodenplatte 40 mit einem Kem 42 und einer den Kem umgebenden Kunststoffummantelung 44.
Die drei Rohrbodenplatten 20, 30, 40 sind zu einem Stapel gestapelt, bei dem die zweite Rohrbodenplatte 30 als Zwischenplatte zwischen der ersten und der dritten Rohrbodenplatte 20, 40 angeordnet ist. Mit anderen Worten ist die erste Oberfläche 32 der zweiten
Rohrbodenplatte zur ersten Rohrbodenplatte 20 gerichtet und die gegenüberliegende zweite Oberfläche 36 der zweiten Rohrbodenplatte zur dritten Rohrbodenplatte 40 gerichtet.
In jeder der Durchgangsö ffnungen 14 sind je zwei Dichtungssitze 34, 38 mit jeweils einem darin aufgenommenen Dichtring 52 angebracht, um das jeweilige Rohr 50 abzudichten.
Genauer sind die Dichtungssitze 34, 38 eine als Vertiefungen in der zweiten Rohrbodenplatte 30 ausgebildet, welche die Durchgangsö ffhung 14 unmittelbar ringartig umgibt. Die der Durchgangsöffnung 14 gegenüberliegende Rückfläche und eine Seitenfläche der
Dichtungssitze 34, 38 wird durch die zweite Rohrbodenplatte 30 gebildet, und eine weitere Seitenfläche der Dichtungssitze 34, 38 wird durch die erste bzw. dritte Rohrbodenplatte 20, 40, genauer durch deren Kunststoffummantelung 24, 44 gebildet.
Dadurch, dass die Dichtungssitze 34, 38 eine als Vertiefungen in der zweiten,
temperaturstabilen Rohrbodenplatte 30 ausgebildet sind, wird eine stabile und zuverlässige Dichtwirkung ermöglicht.
Die drei Rohrbodenplatten 20, 30 und 40 sind durch ein Paar von Flanschen des Gehäuses 6 aneinander gepresst und somit miteinander verklemmt. Das Verklemmen erfolgt mittels eines nicht dargestellen V erspannelements (etwa eines Zugelements wie einer Schraube), welches durch die Flansche und durch den Stapel der Rohrbodenplatten 20, 30 und 40 hindurchgeführt wird, um die Flansche aneinanderzupressen und somit den Stapel zusammenzupressen. Das V erspannelement erstreckt sich hier durch eine Flansch-Durchgangsöffnung 16, welche durch die Flansche und durch den Stapel der drei Rohrbodenplatten 20, 30 und 40 hindurchgeht.
Die V erspannelemente sind ausschließlich im Randbereich (Flanschbereich) des Rohrbodens angeordnet. Im Inneren des Gehäuses 6 sind die Rohrbodenplatten 20, 30, 40 dagegen mechanisch entkoppelt. Aufgrund der V erbiegesteifigkeit des Rohrbodens, insbesondere der zweiten Rohrbodenplatte 30, kann auf weiter innenliegende V erspannelemente oder
V erbindungselemente verzichtet werden und dennoch sichergestellt werden, dass die
Rohrbodenplatten 20, 30, 40 ausreichend aneinandergepresst werden.
Figur 2 zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Rohrbodens gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform entspricht weitgehend der
Ausführungsform der Figur 1, und die Beschreibung der Figur 1 gilt auch entsprechend hier. Lediglich die Querschnittsform der Dichtungsringe 52 und der zugehörigen Dichtungssitze 34, 38 unterscheidet sich. In Figur 1 haben die Dichtungsringe 52 und die Dichtungssitze 34, 38 einen rechteckigen (quadratischen) Querschnitt, und in Figur 2 haben sie einen
trapezförmigen Querschnitt. Auch weitere oben beschriebene Querschnitte sind möglich. Figur 3 zeigt eine Querschnittsansicht der zweiten Rohrbodenplatte 30 eines Rohrbodens gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung. Abgesehen von der dargestellten Gestaltung der zweiten Rohrbodenplatte 30 (und insbesondere von dem Dichtungssitz und der zugehörigen Dichtungsringe) entspricht die Ausfuhrungsform dem in Fig. 1 dargestellten Aufbau.
In der zweiten Rohrbodenplatte 30 gemäß Figur 4 ist statt der in Fig. 1-3 dargestellten zwei Dichtungssitze 34, 38 nur ein einziger Dichtungssitz 39 angebracht. Der Dichtungssitz 39 ist an der Seitenwand der Durchgangsöffnung 14 in einem axial mittigen Abschnitt der zweiten Rohrbodenplatte 30 angebracht und somit von der ersten und dritten Rohrbodenplatte beabstandet. Gemäß Figur 4 ist somit nur ein einziger Dichtungsring pro Durchgangsöffnung vorgesehen. Sämtliche Seiten des Dichtungssitzes 39 werden durch das temperaturfeste Material der zweiten Rohrbodenplatte 30 gebildet.
Soweit nicht anders dargestellt, können die Ausfuhrungsformen der Figuren 1-4 sämtliche oben beschriebenen weiteren Aspekte aufweisen. Die Ausfuhrungsformen und Aspekte dienen lediglich zur Illustration und sollen den Schutzbereich nicht einschränken. Der Schutzbereich wird durch die folgenden Ansprüche definiert.

Claims

Ansprüche
1. Rohrboden (10) für einen Rohrbündelwärmeaustauscher (1), der Rohrboden umfassend: eine erste Rohrbodenplatte (20) mit einem Kern (22) und einer den Kem umgebenden Kunststoffummantelung (24),
eine zweite Rohrbodenplatte (30) aus einem temperaturbeständigen Material, wobei das temperaturbeständige Material kein substantielles Fließverhalten für Temperaturen bis mindestens 200 °C und keine substantielle W ärmeausdehnung für Temperaturen zwischen -50 °C und 200 °C aufweist, und
eine dritte Rohrbodenplatte (40) mit einem Kem (42) und einer den Kem umgebenden Kunststoffummantelung (44), wobei
die erste, zweite und dritte Rohrbodenplate zu einem Stapel gestapelt sind, wobei die zweite Rohrbodenplatte (30) als Zwischenplatte zwischen der ersten und der dritten Rohrbodenplatte (20, 40) angeordnet ist, so dass eine erste Oberfläche (32) der zweiten Rohrbodenplatte zur ersten Rohrbodenplatte (20) gerichtet ist und eine gegenüberliegende zweite Oberfläche (36) der zweiten Rohrbodenplatte zur dritten Rohrbodenplatte (40) gerichtet ist, und wobei der Stapel zumindest eine Durchgangsö ffnung (14) zur Aufnahme eines jeweiligen Rohres (50) des Rohrbündelwärmeaustauschers aufweist, und wobei
der Rohrboden für jede der zumindest einen Durchgangsöffnung (14) weiter aufweist:
- je mindestens einen Dichtring (52) zum Abdichten des jeweiligen Rohres,
- je mindestens einen Dichtungssitz (34, 38, 39) zur Aufnahme des mindestens einen Dichtrings (52), wobei der Dichtungssitz eine die jeweilige Durchgangsö ffnung unmittelbar ringartig umgebende Vertiefung in der zweiten Rohrbodenplatte (30) ist.
2. Rohrboden für einen Rohrbündelwärmeaustauscher nach Anspruch 1, wobei der Kem (22, 42) der ersten und/oder der dritten Rohrbodenplatte jeweils zumindest eins von einem Metall und einem F aserverbundwerkstoff umfasst.
3. Rohrboden für einen Rohrbündelwärmeaustauscher nach einem beliebigen der
vorangehenden Ansprüche, wobei die erste und dritte Rohrbodenplate (20, 40) baugleich ausgeführt sind.
4. Rohrboden für einen Rohrbündelwärmeaustauscher nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, wobei die zweite Rohrbodenplatte (30) eine Graphit- oder Keramikplatte ist.
5. Rohrboden für einen Rohrbündelwärmeaustauscher nach einem beliebigen der
vorangehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Durchgangsö ffhung (14) eine Mehrzahl von Durchgangsö ffhungen sind, und wobei die zweite Rohrbodenplatte (30) einstückig ist, so dass das gleiche monolithische Material der zweiten Rohrbodenplatte (30) an die Mehrzahl der Durchgangsö ffnungen (14) angrenzt.
6. Rohrboden für einen Rohrbündelwärmeaustauscher nach einem beliebigen der
vorangehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Dichtring (52) mit rechteckigem, trapezförmigem, kegelförmigem, konusformigem oder abschnittsweise ovalem Querschnitt ausgebildet ist.
7. Rohrboden für einen Rohrbündelwärmeaustauscher einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, wobei der je mindestens eine Dichtring (52) je mindestens zwei Dichtringe sind, und wobei der je mindestens einen Dichtungssitz (34, 38) je mindestens einen ersten und einen zweiten Dichtungssitz umfassen, wobei der erste Dichtungssitz (34) als Vertiefung in der ersten Oberfläche (32) der zweiten Rohrbodenplatte (30) angeordnet ist und der zweite Dichtungssitz (38) als Vertiefung in der zweiten Oberfläche (36) der zweiten Rohrbodenplatte (30) angeordnet ist.
8. Rohrboden für einen Rohrbündelwärmeaustauscher nach einem beliebigen der
vorangehenden Ansprüche, wobei die Dichtringe (52) in dem jeweiligen Dichtungssitz (34, 38) zwischen der zweiten und der ersten Rohrbodenplatte (30, 20) bzw. der zweiten und der dritten Rohrbodenplatte (30, 40) derart eingepresst sind, dass die Dichtringe auf höchstens einer Seite die jeweilige Kunststoffümmantelung (24, 44) berühren.
9. Rohrboden für einen Rohrbündelwärmeaustauscher nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Dichtungssitz (39) als von der ersten und zweiten Oberfläche (32, 36) der zweiten Rohrbodenplatte (30) beabstandete Vertiefung in einer Seitenwand der
Durchgangsöffnung (14) angeordnet ist.
10. Rohrboden für einen Rohrbündelwärmeaustauscher nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste, zweite und dritte Rohrbodenplatte (20, 30, 40) durch Verklemmen aneinander gepresst sind.
11. Rohrbündelwärmeaustauscher (1), umfassend den Rohrboden (10) nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, und für jede der zumindest einen Durchgangsö ffhung (14) ein Rohr (50), welches durch die jeweilige Durchgangsöffnung hindurchführt und mittels des in dem mindestens einen Dichtungssitz (34, 38, 39) liegenden mindestens einen Dichtungsrings (52) eingedichtet ist.
12. Rohrbündelwärmeaustauscher nach Anspruch 11, wobei das Rohr (50) ein Graphit-, SiC-, oder Glas-Rohr ist.
13. Rohrbündelwärmeaustauscher nach Anspruch 11 oder 12, wobei der
Rohrbündelwärmeaustauscher für ein korrodierendes Medium vorgesehen ist und wobei die Kunststoffummantelung (24, 44) gegenüber dem korrodierenden Medium chemisch beständig ist.
14. Verfahren zum Abdichten eines Rohrbündelwärmeaustauschers (1), das Verfahren umfassend:
- Ein Rohrboden (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 wird zur Verfügung gestellt,
- zumindest ein Rohr (50) des Rohrbündelwärmeaustauschers wird durch die entsprechende Durchgangsöffnung (14) hindurchgeführt und mittels des in dem mindestens einen
Dichtungssitz (34, 38, 39) liegenden mindestens einen Dichtungsrings (52) eingedichtet.
15. Verwendung des Rohrbodens (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 zum Abdichten des Rohrbündelwärmeaustauschers (1).
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